專利名稱：內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)及控制內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室中的燃料/氧化劑混合物的點(diǎn)火(點(diǎn)燃)
的領(lǐng)域。 更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，該內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)包括
-脈沖電流發(fā)生器；-至少一個(gè)電極，該電極設(shè)有至少一個(gè)尖頭(末梢，尖端)； _用于控制通過所述發(fā)生器向所述電極供電的機(jī)構(gòu)；-燃燒室，所述電極的尖頭安放在該燃燒室中，該尖頭與燃燒室的內(nèi)壁隔開一最小 分離距離(D)。 本發(fā)明還涉及用于控制內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，該內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)包括
-脈沖電流發(fā)生器；-至少一個(gè)電極，該電極設(shè)有至少一個(gè)尖頭；-用于通過所述發(fā)生器控制向所述電極供電的機(jī)構(gòu)；-燃燒室，所述尖頭安放在該燃燒室中，該尖頭與燃燒室的內(nèi)壁隔開一最小分離距
離(D);-活塞，該活塞滑動(dòng)式安裝在燃燒室中上止點(diǎn)位置和下止點(diǎn)位置之間。
背景技術(shù)：
燃燒室中的燃燒經(jīng)常不是在最合適的時(shí)間里定相以便優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。兩個(gè)循 環(huán)或兩種發(fā)動(dòng)機(jī)速度之間的點(diǎn)火時(shí)間的分散會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，并且可能助長(zhǎng)污染物或 尚未燃燒物的產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
基于此，本發(fā)明的目的是提出一種發(fā)動(dòng)機(jī)和方法，以用于更好地控制燃燒室中氧 化劑/燃料混合物的點(diǎn)火時(shí)間。 為此，除了上述前言中所提供的一般定義以外，本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)的本質(zhì)特征在 于，電流發(fā)生器和電極設(shè)計(jì)成使得在向所述電極供電期間產(chǎn)生的功率密度(R)低于105w/ cm、瓦特/立方厘米)，該功率密度(R)等于所述電極的供電功率(Pmax)除以最小分離距 離(D)的立方。 出于同樣的目的，除了上述前言中所提供的一般定義以外，本發(fā)明的控制方法的 本質(zhì)特征在于，將氧化劑和燃料的混合物送到燃燒室中，當(dāng)活塞從它的下止點(diǎn)位置朝向它 的上止點(diǎn)位置移動(dòng)時(shí)，在活塞到達(dá)上止點(diǎn)之前，產(chǎn)生脈沖電流以供應(yīng)給所述電極，由此使在 向所述電極供電期間產(chǎn)生的功率密度低于10V/cm3，該功率密度是通過將所述電極的供電 功率除以最小分離距離的立方計(jì)算的。 為理解本發(fā)明，應(yīng)該注意，"最小分離距離D"是指在火花塞電極的尖頭與室壁(燃 燒室的壁)之間的最短可測(cè)量的直線距離，并且不與該火花塞的元件交叉。因此，該最小距離是火花塞電極的尖頭與由室壁形成的接地電極之間的最短路線。如果在該電極的尖頭和
室壁之間發(fā)生放電，則由該放電形成的電弧的最小長(zhǎng)度等于該最小距離D。 因此，發(fā)生放電的危險(xiǎn)由該最小距離和對(duì)電極的供電決定，或甚至由功率密度決
定，該功率密度隨供電和該最小距離D的變化而變化。 關(guān)于這個(gè)目的，可參見圖l左側(cè)的細(xì)部圖，該細(xì)部圖示出圖l所示的燃燒室和火花 塞的放大的側(cè)視圖。上述最小距離D在該放大的側(cè)視圖中以及在圖1中是可見的。應(yīng)該注 意，該火花塞包括單個(gè)帶有尖頭的電極，該電極與內(nèi)室壁電絕緣。優(yōu)選地，該內(nèi)壁構(gòu)成接地 電極。 為理解本發(fā)明，應(yīng)該注意，下面用Pmax表示的供電是平均功率，也就是在向該電 極供電的不中斷的時(shí)期內(nèi)輸送到該電極的電功率的平均值。 換句話說(shuō)，發(fā)生器和火花塞設(shè)計(jì)成使得下面用R表示并用R = Pmax/D3定義的功 率密度滿足R < 105w/cm3。 發(fā)生器和電極的這種設(shè)計(jì)保證當(dāng)向電極供電時(shí)電極周圍的空氣被電離，而該空氣 的溫度不會(huì)超過氧化劑/燃料混合物的點(diǎn)火閾值。這種局部電離而不將混合物點(diǎn)燃用于產(chǎn) 生自由基，例如通過電離產(chǎn)生的臭氧和/或中間烴類物質(zhì)。 這造成燃燒室中所含混合物的分層(形成層次結(jié)構(gòu))，其中包括較多或較少富含 電離空氣和自由基的區(qū)域。 由于這種化學(xué)分層，所以混合物的自動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間能更精確地確定，這用來(lái)防止自 動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間的過度分散(離散)。 可以看出，當(dāng)燃燒室中的壓力和溫度條件滿足時(shí)，氧化劑/燃料混合物的自動(dòng)點(diǎn)
火優(yōu)選地在含有通過電離產(chǎn)生的自由基和/或烴類物質(zhì)的層的部位開始。 優(yōu)選地，本發(fā)明適用于HCCI型發(fā)動(dòng)機(jī)，也就是其中燃燒不是通過火花塞開始而是
只有當(dāng)燃燒室中的壓力、溫度條件和混合物組成滿足時(shí)才自動(dòng)點(diǎn)火的發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)于這種自
動(dòng)點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，通過向電極供電實(shí)現(xiàn)的混合物的電離用于通過形成優(yōu)選自動(dòng)點(diǎn)火區(qū)
來(lái)準(zhǔn)備點(diǎn)火，而不必向起動(dòng)這種點(diǎn)火的電極供電。實(shí)際上，在這種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)上，即使不
再向電極供電，也可以進(jìn)行自動(dòng)點(diǎn)火。 通過局部改變混合物的化學(xué)性而實(shí)現(xiàn)的這種優(yōu)選自動(dòng)點(diǎn)火區(qū)/分層的形成可用 于避開燃燒室中突然大量燃燒的危險(xiǎn)。 與用高電平電源向電極供電相比，用低電平電源向電極供電還節(jié)省了能量。 例如，可以保證在向所述電極供電期間產(chǎn)生的功率密度低于10V/cm3。 該實(shí)施例用來(lái)限定功率密度范圍，該功率密度范圍確保在電離時(shí)間內(nèi)不能通過電
離作用開始自動(dòng)點(diǎn)火，自動(dòng)點(diǎn)火僅是在燃燒室中的壓力已經(jīng)因活塞朝內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的上止點(diǎn)升
起而增大以后發(fā)生。因此，自動(dòng)點(diǎn)火不是通過電極起動(dòng)的，而是通過壓力和溫度條件起動(dòng)
的，因而改善了燃燒質(zhì)量。 例如，可保證在向電極供電期間產(chǎn)生的功率密度為102-10V/cm3。 該實(shí)施例用來(lái)限定一范圍，其用于確保不能單獨(dú)通過電離作用開始自動(dòng)點(diǎn)火，且
用于確保電離的水平足以顯著降低自動(dòng)點(diǎn)火的分散。 例如，可保證脈沖電流發(fā)生器適于產(chǎn)生單脈沖電流。 該實(shí)施例有助于發(fā)動(dòng)機(jī)的供電的發(fā)展，因?yàn)橹恍柘薅ㄋ鶄鬏數(shù)碾娔芎头烹娝俾省?br> 例如，可保證脈沖電流發(fā)生器適于產(chǎn)生交流電流。 前述實(shí)施例的該替代實(shí)施例用來(lái)在比單脈沖實(shí)施例更長(zhǎng)的時(shí)間段上提供混合物 的電離，由此促進(jìn)具有更大體積的電離層的形成。 在該實(shí)施例中，脈沖電流發(fā)生器優(yōu)選適于產(chǎn)生頻率為1-10兆赫(MHz)且優(yōu)選為 1-5兆赫的交流電流。 根據(jù)上述的本發(fā)明的方法，可保證通過將活塞朝它的上止點(diǎn)位置移動(dòng)以便增加所 述燃燒室內(nèi)的壓力來(lái)形成用于氧化劑和燃料的混合物的自動(dòng)點(diǎn)火條件，并且在所述混合物 的自動(dòng)點(diǎn)火之前，保證向所述電極供給的脈沖電流不中斷。 該實(shí)施例用來(lái)防止點(diǎn)火被電極起動(dòng)，只要燃燒室中的壓力和溫度條件滿足，點(diǎn)火 就自動(dòng)起動(dòng)。 按照本發(fā)明的方法的優(yōu)選實(shí)施例，向電極供應(yīng)脈沖電流的持續(xù)時(shí)間在1至20毫秒 之間。該持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)于產(chǎn)生足夠的自由基以及使得自動(dòng)點(diǎn)火能隨時(shí)間重現(xiàn)所需的時(shí)間。
按照本發(fā)明的方法，向電極供應(yīng)的脈沖電流為單脈沖電流或者頻率在1至5兆赫 之間的射頻電流。 為了利用本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)和方法，在電極周圍由發(fā)生器產(chǎn)生的功率密度R設(shè)計(jì)成 使得在電離時(shí)間在電極周圍的溫度低于800K且優(yōu)選地低于500K。該特征可防止對(duì)電極的 供電引起點(diǎn)火。


本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將從下面參照附圖所作的說(shuō)明中顯而易見，該說(shuō)明僅作 為示例而非用于限制，在附圖中 圖！示出本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室的橫截面；
圖2示出適于實(shí)施本發(fā)明的三種類型的電極； 圖3示出適于向本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)的電極供電的兩種類型的電源電流； 圖4示出現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的壓力變化的曲線，該圖中的每條曲線都對(duì)
應(yīng)于一特定的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)，這些曲線在同一曲線圖上的疊加示出在不同發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)之間自
動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間隨時(shí)間推移的分散； 圖5示出與圖4類似的曲線圖，但其中的壓力變化測(cè)量結(jié)果取自本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)， 該曲線圖示出自動(dòng)點(diǎn)火的分散減少。
具體實(shí)施例方式
如上所述，本發(fā)明涉及如圖1中所示的那樣的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)包括燃燒室 l，在所述燃燒室中移動(dòng)式活塞在上止點(diǎn)和下止點(diǎn)之間滑動(dòng)，在所述上止點(diǎn)中燃燒室的體積 最小，而在所述下止點(diǎn)中燃燒室的體積最大。該發(fā)動(dòng)機(jī)包括單個(gè)帶有尖頭的電極，該電極的 尖頭在燃燒室內(nèi)安放在距該室的內(nèi)壁一定距離D處。該距離D是尖頭與壁之間的最小距離 (以直線而無(wú)障礙時(shí)測(cè)得)，該距離是確定電極所允許的并且不在室壁上放電的最大功率 的因素。 電極5按照控制機(jī)構(gòu)7發(fā)出的指令由脈沖電流發(fā)生器6選擇性地供電。 金屬電極5帶有尖頭，并通過陶瓷體與燃燒室l的壁-也稱為氣缸蓋-電絕緣。當(dāng)
5通過電流發(fā)生器以20-30KV的電壓供電時(shí)，電極會(huì)引起形成電暈的放電，該放電可以與稱 為輝光放電8的均勻放電相關(guān)聯(lián)或不相關(guān)。當(dāng)供電功率密度低于105W/cm3時(shí)，這種類型的 放電出現(xiàn)。應(yīng)該注意，該功率密度R等于所述電極5的平均供電功率Pmax除以最小分離距 離D的立方。這種放電通過在限于尖頭周圍數(shù)毫米或甚至1或2厘米的區(qū)域中使氣體局部 裂化而改變?cè)摎怏w的化學(xué)組成。 優(yōu)選地，對(duì)于本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)以及方法來(lái)說(shuō)，為這種局部裂化而向電極供電是在 發(fā)動(dòng)機(jī)的閥3或4關(guān)閉之后以及即將開始?jí)嚎s之前或在壓縮期間發(fā)生的。
向電極供應(yīng)能量或功率通過控制機(jī)構(gòu)7進(jìn)行選擇，該控制機(jī)構(gòu)是計(jì)算機(jī)，該功率 可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)速度變動(dòng)。優(yōu)選地，供電持續(xù)時(shí)間選擇在1至20毫秒之間。由此得到的局部 裂化起初在電極5的尖頭附近的區(qū)域8中產(chǎn)生自由基和/或中間烴類物質(zhì)。在壓縮期間， 優(yōu)選成旋渦狀的湍流使得含有局部裂化產(chǎn)物的分層區(qū)9變寬。 當(dāng)活塞從它的下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)它的上止點(diǎn)并且在向已經(jīng)允許裂化的電極供電之后，燃 燒室的壓力增加，直至空氣/燃料混合物開始自動(dòng)點(diǎn)燃。這種開始尤其是在含有自由基和 /或中間烴類物質(zhì)的區(qū)域中發(fā)生。 圖2a、2b和2c示出三種類型的電極，所述電極分別具有一個(gè)、兩個(gè)或四個(gè)尖頭，這 些電極均適于形成本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)的電極以及適于實(shí)施本發(fā)明的方法。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，電極優(yōu) 選的是具有四個(gè)以上的尖頭，以便增加放電的質(zhì)量。 優(yōu)選地，各電極的尖頭均制成具有10-100 ym的尖頭曲率半徑。 這些電極當(dāng)均可以用如圖3a所示的電流以單脈沖方式供電，或者用頻率為l-5兆
赫的交流電流按多脈沖電流供電。在每種情況下，都使供電限制在低于容易產(chǎn)生過早點(diǎn)火
的電平下和高于允許局部裂化的電平。 為此，所述電極的供電功率密度必需在102-10、/0113之間，且該供電的持續(xù)時(shí)間必 需在l-20ms之間。 圖4和5均示出發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的壓力變化的例子，其用于其中發(fā)生自動(dòng)點(diǎn)火的 發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)部分。 對(duì)每個(gè)給定的壓力曲線，繪出燃燒室1中的壓力隨時(shí)間推移的變化，該燃燒室含 有濃混合比(燃料/空氣的比值)為0.5的丙烷/空氣混合物。第一壓力升高是由于壓縮， 也就是活塞從它的下止點(diǎn)到它的上止點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。 第二壓力升高與第一壓力升高相比在時(shí)間上的偏移對(duì)應(yīng)于混合物的自動(dòng)點(diǎn)火。
圖4示出現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，從該圖可以看出，第一壓力升高開始(約100 毫秒)與第二壓力升高開始之間的時(shí)間間隔根據(jù)循環(huán)而變動(dòng)，并且可在前一自動(dòng)點(diǎn)火與后 一自動(dòng)點(diǎn)火之間看到實(shí)際上為100ms的差異。 相比之下，在示出本發(fā)明發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行以及本發(fā)明方法的運(yùn)行的圖5中可以看 出，不同循環(huán)之間的點(diǎn)火時(shí)間間隔的失真實(shí)際上為零。因此很容易預(yù)知通過引起局部裂化 形成的從一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)到另一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的自動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間，該局部裂化是通過在自動(dòng) 點(diǎn)火之前向電極供應(yīng)較少電能實(shí)現(xiàn)的。
權(quán)利要求
一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，包括-脈沖電流發(fā)生器(6)；-火花塞，該火花塞配備有單個(gè)電極(5)，該電極設(shè)有至少一個(gè)尖頭；-用于控制通過所述發(fā)生器(6)給所述電極(5)供電的機(jī)構(gòu)(7)；以及-燃燒室(1)，所述電極(5)的尖頭安放在該燃燒室中，該尖頭與該燃燒室(1)的內(nèi)壁隔開一最小分離距離(D)，該電極與該內(nèi)壁電絕緣，其特征在于，電流發(fā)生器(6)和電極(5)設(shè)計(jì)成使得在給所述電極(5)供電期間產(chǎn)生的功率密度(R)處于102w/cm3至105w/cm3之間，該功率密度(R)等于所述電極(5)的平均供電功率(Pmax)除以最小分離距離(D)的立方。
2. 如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，電流發(fā)生器(6)和電極(5)設(shè)計(jì)成使 得在給所述電極供電期間產(chǎn)生的功率密度(R)低于10V/cm3。
3. 如權(quán)利要求2所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，電流發(fā)生器(6)和電極(5)設(shè)計(jì)成使 得在給所述電極供電期間產(chǎn)生的功率密度(R)處于10V/cm3至10V/cm3之間，該發(fā)生器能 產(chǎn)生的最大功率極限限定成使得所述功率密度總是低于10V/cm3。
4. 如前述權(quán)利要求之一所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，脈沖電流發(fā)生器(6)適于產(chǎn) 生單脈沖電流。
5. 如權(quán)利要求l-3之一所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，脈沖電流發(fā)生器(6)適于產(chǎn)生 交流電流。
6. 如權(quán)利要求5所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述脈沖電流發(fā)生器(6)適于產(chǎn)生頻 率在1至10兆赫之間且優(yōu)選在1至5兆赫之間的交流電流。
7. —種用于控制內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，該內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)包括 -脈沖電流發(fā)生器；-火花塞，該火花塞配備有單個(gè)電極，該電極設(shè)有至少一個(gè)尖頭； -用于控制通過所述發(fā)生器給所述電極供電的機(jī)構(gòu)；以及-燃燒室，所述電極的尖頭安放在該燃燒室中，該尖頭與該燃燒室的內(nèi)壁隔開一最小分 離距離(D)，并且該電極與該內(nèi)壁電絕緣；-活塞(2)，該活塞(2)滑動(dòng)地安裝在該燃燒室(1)中的上止點(diǎn)位置和下止點(diǎn)位置之 間，其特征在于，向該燃燒室(1)中發(fā)送氧化劑和燃料的混合物，當(dāng)活塞從它的下止點(diǎn)位 置向它的上止點(diǎn)位置移動(dòng)時(shí)，在活塞(2)到達(dá)上止點(diǎn)之前，產(chǎn)生脈沖電流以供給所述電極 (5)，從而使在給所述電極(5)供電期間產(chǎn)生的功率密度(R)處于lOV/cm3至105W/cm3之 間，該功率密度(R)是通過將所述電極(5)的平均供電功率(Pmax)除以最小分離距離(D) 的立方計(jì)算的。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，通過使活塞朝它的上止點(diǎn)位置移動(dòng)以增加 所述燃燒室(1)中的壓力來(lái)形成用于氧化劑和空氣的混合物自動(dòng)點(diǎn)火的條件，在所述混合 物自動(dòng)點(diǎn)火之前，中斷對(duì)所述電極(5)的脈沖電流的供應(yīng)。
9. 如權(quán)利要求7和8至少之一所述的方法，其特征在于，對(duì)電極(5)供應(yīng)脈沖電流的持 續(xù)時(shí)間在1至20毫秒之間。
10. 如權(quán)利要求7-9至少之一所述的方法，其特征在于，對(duì)電極(5)供應(yīng)的脈沖電流是 單脈沖電流或者是射頻電流，該射頻電流具有在1至5兆赫之間的頻率。
全文摘要
內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)包括脈沖電流發(fā)生器(6)；至少一個(gè)電極(5)，該電極設(shè)有至少一個(gè)尖頭；用于控制通過所述發(fā)生器(6)向所述電極(5)供電的機(jī)構(gòu)(7)；以及燃燒室(1)，在該燃燒室中安放所述電極(5)的尖頭，該尖頭與燃燒室(1)的內(nèi)壁隔開一最小分離距離(D)。該電流發(fā)生器(6)和電極(5)設(shè)計(jì)成使得向所述電極(5)供電時(shí)產(chǎn)生的功率密度(R)小于105w/cm3，該功率密度(R)等于所述電極(5)的供電功率(Pmax)除以最小分離距離(D)的立方。
文檔編號(hào)F02P23/04GK101796293SQ200880105589
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2008年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月25日
發(fā)明者A·阿涅雷, J·索頓, M·貝勒諾, M·馬卡羅夫, S·拉布達(dá) 申請(qǐng)人:雷諾股份公司