带有预燃室的内燃机和点火系统的制作方法

带有预燃室的内燃机和点火系统
1.介绍
2.本发明涉及一种内燃(ic)机。更具体地，本发明涉及在包括汽车和船舶在内的移动应用中用作动力的内燃机。历史上，内燃机在世界范围内被用于为各种应用提供动力。最受欢迎的应用是动力系统，即在行驶的交通工具中使用这种发动机来提供动力。
3.尽管由机载电池供电的电动马达驱动的交通工具(电池电动交通工具或“bev”)变得越来越普遍，但在混合动力交通工具和当前bev技术的水平不满足要求的交通工具中，仍然需要高效、可靠的内燃机。可以预见，在未来许多年内，内燃机将在汽车和更广泛的交通工具市场中占有一席之地。
4.所有内燃机的工作原理都是一样的——点燃空气燃料混合物释放能量，驱动运动部件，提供机械动力输出。在往复活塞式内燃机中，燃料-空气混合物在缸内被点燃，由此产生的压力增加用于移动活塞。活塞与曲柄相连，曲柄又驱动曲轴产生动力。例如，大多数汽车发动机依靠火花点火(汽油/石油发动机)或压缩/自动点火(柴油发动机)。
5.在所有情况下，燃烧过程不仅产生热能(加热并因此使工作流体膨胀)，还产生化学反应产物，它们统称为“排放物”。这些排放物通常要么沉积在发动机内，要么被排出。
6.因此，最佳燃烧过程必须满足最佳性能的至少三个标准：
7.化学能到热能的最有效转换；
8.热能到曲轴处的机械功的最有效转换；而且，
9.有害排放物产生最少。
10.很容易想到燃烧过程简单地处理在期望的温度和压力下反应物和完全反应的燃烧产物是完全平衡的。事实是，在高温燃烧过程中，主要种类分解形成一系列次要种类。通过在空气中燃烧碳氢化合物获得的理想燃烧产物种类是：co2、h2o、o2、n2。然而，这些种类的离解以及离解产物之间的离解会产生额外的离解种类：h2、oh、co、h、o、n、no以及潜在的其它种类。
11.直接并有害地影响环境的燃烧污染物是一氧化碳(co)、no和no2，它们统称为氮氧化物(no
x
)、二氧化硫(so2)和颗粒物(pm)或烟尘。碳氢化合物(hc)排放物源于不完全燃烧。
12.近年来，二氧化碳(co2)由于其影响辐射吸收和再辐射的大气平衡，或者称为“温室效应”的可能性，已经被添加到受管制的废气排放清单中。二氧化碳的产生是碳氢化合物在空气中燃烧的必然结果。因此，解决co2排放的唯一方法是减少燃烧过程中使用的含碳燃料的消耗(即提高发动机效率)。
13.在过去的三十年里，内燃机的效率和有害废气排放的减少都有了显著的提高。全球范围内排放法规的收紧迫使汽车制造商在努力保持价格竞争力和消费者满意度的同时进行这些改进。
14.在废气离开发动机后对其进行净化被称为废气后处理。根据相关的污染物种类废气后处理能够通过多种方式实现。利用催化反应器的催化废气后处理是汽车应用中最普遍接受的方法。
15.在内燃机中，相对空气/燃料比λ(lambda)表示为：
[0016][0017]
对于稀薄燃料混合物λ》1，对于化学计量混合物λ＝1，对于富燃料混合物λ《1。
[0018]
处理co、hc和no
x
的催化反应器被称为三效催化剂，并要求相对空气/燃料比为1以获得最大效率。距λ＝1的任何偏差都会导致催化剂效率的显著降低。因此，大多数以汽油为燃料的发动机在接近λ＝1的情况下运行就不足为奇了。
[0019]
近年来，已经开发了其它催化反应器来处理当量比小于1的no
x
，即稀燃操作。一种解决方案被称为“no
x
存储催化剂”，它需要以较浓的空燃比定期再生。另一种解决方案被称为“选择性催化还原”(scr)，它使用氨(作为尿素流体供应)在催化剂上还原no
x
。它需要一个单独的需要定期补充的尿素定量给料系统。可以说，稀混合气操作的no
x
处理在今天是一个重大的挑战。
[0020]
废气后处理系统的另一个附加部件是用于减少颗粒排放的颗粒过滤器。压缩点火和火花点火式发动机必须符合废气微粒质量(pm)和数量(pn)标准。废气颗粒过滤器增加了成本，并且由于较高的背压而降低了发动机性能。
[0021]
常规汽油和柴油发动机的废气后处理已经变得非常昂贵和复杂。尽管在控制有害排放方面取得了成功，但废气后处理需要相当大的开发工作，并且在交通工具寿命期间表现出显著的可靠性和耐久性挑战。因此，减少发动机排放因为能够减少或消除对后处理的需求而具有显著的优势。
[0022]
本发明寻求减少对废气后处理的依赖，并确保燃烧产物包含最少的有害种类。此外，由于co2是碳氢化合物成功燃烧的产物，因此解决方案是提高发动机循环效率并减少燃料消耗。
[0023]
已经证明，对于较稀薄的燃料-空气混合物(λ》1)，效率增加。这部分是因为已燃气体温度在燃烧后低于λ＝1时的温度，从而降低了已燃气体的比热，由此增加了膨胀冲程中已燃气体的比热比的有效值。效率增加是因为，对于给定的体积膨胀比，已燃气体在排放之前膨胀经过较大的温度比；因此，每单位质量的燃料，膨胀冲程功增加。降低的已燃气体温度的另一个重要好处是减少了循环上止点附近的热损失。
[0024]
当然，这有限制，并且公认λ的实际限制是2.0左右(注意，λ》1.6被称为“超稀薄”)，超过这个极限就不能实现有效的循环效率提高。事实上，当值λ》2.0时，制动总发动机效率会下降，此时考虑进气节流损失可能会导致较稀薄的混合气。
[0025]
当考虑燃烧过程时，有必要区分预混合模式和非预混合模式。非预混合燃烧的特征在于将燃料喷射到氧化气体中，在氧化气体中，燃料由于气态氧化剂(通常为空气)的温度而自燃。常规的柴油发动机大多使用燃烧的非预混合模式。因为燃料仅在喷射的燃料喷雾的外围燃烧，所以火焰的温度很高，同时周围的气体温度较低。高燃烧温度导致了非常高的nox生成量。同时，因为燃料没有与氧化剂完全混合，所以形成了大量的颗粒，这可以通过柴油燃烧典型的发光的黄橙色火焰来识别。尽管总的空气燃料比低，但非预混合燃烧模式是高nox和颗粒排放的原因。这种情况能够通过使用诸如废气再循环的降温手段得到部分缓解，但是仍然需要废气后处理。
[0026]
对于预混合燃烧，燃料和空气在混合物被点燃之前就被充分混合在一起。通常对
于内燃机，火花放电将引发预混合燃烧。火焰核心从点源火花放电形成，火焰穿过未燃烧的混合物以完成混合物的燃烧。空气燃料混合物能够变化，通常最稀薄的混合物能够在λ＝1.4左右成功燃烧。在更大的空气燃料比(即更稀薄的混合物)下，火焰将因为没有足够的能量来维持它而迅速熄灭。这使得常规火花点火系统无法实现预混合超稀薄燃烧。
[0027]
此外，当混合物变稀时，氧气浓度的增加会提高燃烧温度，直到λ＝1.1时达到峰值。在该水平的稀薄空气燃料比下，nox排放最大，因此总是避免部分稀混合气以减少nox排放。然而，只要混合物能够有效燃烧，预混合的超稀薄混合物λ》1.6就产生极低的接近于零的nox排放。
[0028]
对于以总体稀薄的空气燃料混合物运行的预混合燃烧和非预混合燃烧，co和hc的产生仍然需要一些废气后处理。对于稀薄混合物，co含量通常很低，不构成挑战，但如果燃烧不完全或产生大量碳氢化合物，则hc可能是个问题。只要气体温度足够高以促进氧化，氧化催化剂就能够有效地执行该任务。过量的氧有助于氧化，并且不会妨碍催化剂的效率。然而，废气温度的管理对于确保必要的催化剂转化率以保持低尾气排放至关重要。因此，有必要在轻负荷下限制空气燃料，以保持废气温度足够高，从而发挥催化剂的作用。
[0029]
预混合的超稀薄混合物，即λ》1.6，目标应该是增加发动机效率(即减少co2)并且同时减少颗粒和nox排放。预混合超稀薄燃烧的另一个好处是，它允许较高的压缩比，而没有通常的燃烧“爆震”问题。在λ＝1.0附近运行的常规火花点火发动机受到其燃烧过程的限制，因为它是基于空气燃料混合物不自燃。如果混合物不自燃，它会导致异常燃烧，称为爆震，导致发动机损坏。爆震是由几个因素造成的，包括压缩比、燃料辛烷值、点火正时、剩余气体量和燃烧室形状。缓解该问题的尝试通常会导致发动机效率降低。
[0030]
利用预混合超稀薄燃烧，空气燃料混合物不容易自燃，并且更能抵抗发动机爆震。这是有益的，因为能够使用较高的压缩比来提高发动机效率。使用预混合超稀薄燃烧的大型天然气发动机(用于发电等固定应用)证明了这一点。
[0031]
显然，预混合的超稀薄燃料-空气混合物总体上有利于提高发动机循环效率和减少排放，但是在内燃机中实现预混合的超稀薄燃烧存在重大挑战。为了克服燃烧高度稀释的混合物的挑战，有必要采用不同于常规火花点火发动机的燃烧过程。由于穿过燃烧室的火焰不会自持，因此有必要在整个燃烧室中提供多个点火位置。每个点火位置都会产生只有很短的距离来发展和燃烧周围的混合物的火焰核心。这种分布式点火位置已被证明能够为λ》2.0的预混合空燃比提供必要的点火能力。
[0032]
为了提供分布的点火介质，已经发现由相邻预燃室引入主燃烧室的热气体射流在支持预混合超稀薄燃烧方面是有效的。这一构思的各种变型已经在大型天然气发动机上进行了测试，并已投入生产数十年。无论称为“预燃室”、“喷射点火”还是“火焰喷射点火”，构思基本上是相同的。气体射流的特征根据喷射孔的设计可以是具有高温、高速和高湍流，并且可以包含火焰。气体射流能够穿透燃烧室并提供多个点火位置。射流的动能确保了快速和完全的燃烧。
[0033]
燃烧少量燃料作为点火源，燃料的化学能将使总点火能量大量增加。仅输送约2mj能量的典型火花点火放电能够由预燃室喷射点火代替，取决于预燃室尺寸和燃料量，预燃室喷射点火能够输送数千倍以上的能量(2-10j)。这是支持预混合超稀薄燃烧的关键。
[0034]
过去采用的预燃室设计包括使用火花点火的大容积和小容积。两类预燃室被称为
被动或主动燃料供给。被动式预燃室依靠来自主燃室的通过喷射通道引入的空气燃料混合物。主动式燃料供给预燃室依靠单独的燃料系统将燃料引入预燃室中。与被动式设计相比，主动式燃料供给预燃室提供最佳性能。
[0035]
生产系统(大型天然气发动机)和大量研究表明，主动式燃料供给预燃室设计能够成功地支持预混合超稀薄燃烧。对于较小的缸尺寸，尤其是移动应用，真正的挑战在于如何在考虑所有要求的情况下实现解决方案的工业化。
[0036]
由于不同世界市场以及单个市场中燃料化学的变型，汽车燃料的要求提出了许多挑战。例如，汽油燃料由数百种不同的化学物质组成，并且可以根据炼油厂的要求进行混合。这也可能包括混合含氧燃料，如乙醇。燃料也根据温度要求进行混合，有助于在冬季冷启动，并防止在夏季形成蒸汽。燃油还含有减少沉积物的化学物质。尽管定义了某些燃料特性，如辛烷值，但在开发发动机时，还必须考虑许多其他与点火相关的特性。对于预燃室喷射点火来说，这提出了几个挑战。
[0037]
为了使预燃室喷射点火在所有运行条件下可靠地工作，这意味着气体喷射必须独立于所使用的燃料而具有可预测的行为。由于大多数预燃室喷射点火构思使用火花塞运行，并使用与主燃烧室相同的燃料，因此挑战是已知的或可以预测的。对于任何混合物的火花点火，当火花放电发生时，正确的空燃比必须存在于火花间隙中。如果没有，最坏的情况是它会误射，否则气体喷射会受到不利影响。不同的燃料规格会影响气体射流的行为，从而影响燃烧。虽然可以测试各种不同的燃料，但这给发动机校准和实际使用带来了巨大的挑战。虽然火花放电不能支持预混合超稀薄燃烧，但它作为点火源是非常可靠和可预测的。这是它在内燃机中流行了一百多年的原因之一。如果预燃室喷射点火对所有类型的燃料都不稳定，它在市场上就不会成功。
[0038]
另一个挑战是预燃室温度的管理。对于火花点火构思来说，保持内表面温度足够低以免空气燃料混合物的提前点火是很重要的。同时，燃料喷射器必须保持冷却，以防止在喷射器尖端处沉积。因为预燃室燃料喷射器具有低流速，所以它不能像主燃室喷射器那样被燃料冷却。增加冷却通道是可能的，但这给已经拥挤的缸盖中带来了挑战。此外，有可能在预燃室内形成沉积物，这会对喷射通道产生负面影响。如果喷射通道甚至部分堵塞，整个点火系统都会受到负面影响。
[0039]
较小缸尺寸特有的挑战是缸盖中的封装空间之一。尽管能够使用大约为压缩了缸容积5％的小预燃室，但是对于较小的缸尺寸，燃料喷射器和火花点火硬件的尺寸不会按比例缩小。这给将燃料喷射器和火花塞装入预燃室带来困难。即使能够实现，安装和随后的维修也非常具有挑战性。
[0040]
在已知现有预燃室喷射点火系统的上述缺点的情况下，本发明的目的是解决这些缺陷，特别关注移动应用(即，用于在交通工具中直接或通过发电产生动力的内燃机)。
[0041]
为了全面理解本发明，理解更广泛的技术领域中的一些现有技术是有用的，这些现有技术虽然在表面上类似于本发明，但在完全不同的原理上操作。
[0042]
us8925518b和us4966103a涉及“双燃料”发动机。在内燃机的一般领域中，“双燃料”发动机是那些基本上设计成使用一种主燃料类型运行的发动机。第二种补充燃料用于替代主燃料，替代量各不相同。然而，发动机总是能够以100％的主燃料运行。因此，在这种发动机中使用的点火系统不会改变。在柴油发动机以双燃料模式运行的情况下，柴油的喷
射及其在热压缩气体中的自燃提供了点火源。补充燃料，例如天然气，通常被引入发动机的入口中，并被喷射的柴油点燃。值得注意的是，在没有柴油喷射提供点火的情况下，发动机不能完全依靠天然气运行。这是业界对双燃料发动机的通常理解。
[0043]
例如，us’518的发动机具有标识为发动机400和500的实施例，其中，柴油燃料是主燃料。在这些示例中，发动机作为间接喷射柴油发动机运行。因此，所有的主燃烧室燃料都被引入预燃室(类似于l'orange的构思)。补充(替代)天然气被引入预燃室中，并且通过在预燃室中喷射柴油燃料来实现点火。在这种情况下，预燃室的尺寸必须足够大，以允许100％的柴油操作。这相对于本发明是折衷的。这两篇文献都公开了使用预燃室，但重要的是，它们没有考虑使用单独的和不同的点火燃料。
[0044]
us5778849和us5392744a也公开了绝热的预燃室。然而，在这两种情况下，专利都提到了daimler benz几十年来广泛使用的l'orange型预燃室。主燃烧室的所有主燃料都被引入预燃室(即不仅仅是本发明中用于点火目的的燃料)中。因此，这些室往往非常大，并且通常存在传热损失问题。这两个发明的唯一目的是创造一种减少热损失的预燃室。值得注意的是，l'orange构思最终被直喷式柴油发动机取代，因为前者由于通过预燃室的高热量损失而效率较低。


技术实现要素：

[0045]
根据本发明的第一方面，提供了一种点火系统，包括：限定预燃室的封壳(capsule)；点火燃料供应系统，其配置成将点火燃料喷射到预燃室，以在预燃室中产生点火燃料-空气混合物；预燃室内的点火表面，该点火表面由封壳的内表面限定，并配置成与预燃室内的点火燃料接触，从而通过热表面点火来点燃点火燃料；和至少一个喷嘴。点火燃料的特征在于以下所有特性：碳含量按质量计小于65％；热表面点火温度低于500℃；和体积能量密度(lhv)大于18mj/l。所述至少一个喷嘴配置成使得点火燃料通过与点火表面接触而点燃致使热气、部分燃烧的燃料和火焰中的至少一个通过所述至少一个喷嘴离开预燃室。
[0046]
点火燃料可以是醚。点火燃料可以是乙醚。点火燃料可以具有低于40摄氏度的凝固点。点火燃料供应系统可以被配置成在小于200巴的压力下将点火燃料喷射到预燃室中。
[0047]
在一些实施例中，封壳至少部分地由热导率低于20w/mk的材料构成，例如低于15w/mk、低于12w/mk、低于10w/mk、低于8w/mk、低于6w/mk或低于5w/mk。封壳可以基本上完全由热导率低于20w/mk的材料构成，例如低于15w/mk、低于12w/mk、低于10w/mk、低于8、低于6w/mk或者低于5w/mk。封壳可以具有低于20w/mk的热导率，例如低于15w/mk、低于12w/mk、低于10w/mk、低于8w/mk、低于6w/mk或者低于5w/mk。术语“构造”是指使用该材料形成限定封壳的壁，而不是简单地指在封壳形成后使用该材料作为表面涂层。
[0048]
在一些实施例中，封壳至少部分地由最大使用温度为至少750摄氏度的材料构成，例如至少800摄氏度、至少850摄氏度、至少900摄氏度或至少950摄氏度。封壳可以基本上完全由至少750摄氏度的最高使用温度的材料构成，例如至少800摄氏度、至少850摄氏度、至少900摄氏度或至少950摄氏度。
[0049]
在一些实施例中，封壳至少部分地由具有至少500mpa、至少60mpa、至少700mpa或至少800mpa的挠曲强度的材料构成。
[0050]
在一些实施例中，预燃室至少部分由陶瓷材料构成。预燃室或“封壳”可以基本上完全由陶瓷材料构成。陶瓷材料可以限定点火表面。封壳可以是陶瓷封壳。在一些实施例中，陶瓷封壳由氧化钇部分稳定的氧化锆构成。
[0051]
在一些实施例中，封壳是超级合金封壳。超级合金封壳可以由超级合金材料构成。超级合金材料可具有以下特征中的一个或更多个：低于10w/mk的热导率、至少750摄氏度的最高使用温度和至少500mpa的挠曲强度。
[0052]
点火系统可以包括加热器，该加热器被配置成在冷启动或冷操作时加热点火表面。加热器可以是电热塞。电热塞可以是低电压金属电热塞。电热塞可以是低电压陶瓷复合电热塞。
[0053]
根据本发明的第二方面，提供了一种交通工具内燃机，包括：限定燃烧室的至少一个缸；活塞，其被设置成在所述至少一个缸内运动，以限定所述至少一个缸的工作容积为小于或等于3.0升；主燃料供应系统，其配置成向燃烧室供应主燃料，以在燃烧室中产生主燃料-空气混合物；点火系统，所述点火系统包括：限定预燃室的封壳，该预燃室的容积小于缸的工作容积；点火燃料供应系统，其配置成将不同于主燃料的点火燃料喷射到预燃室，以在预燃室中产生点火燃料-空气混合物；预燃室内的点火表面，该点火表面由封壳的内表面限定，并配置成与预燃室内的点火燃料接触，从而通过热表面点火来点燃点火燃料；与缸的燃烧室流体连通的至少一个喷嘴；其中点火燃料的特征在于以下所有特征：碳含量按质量计小于65％；热表面点火温度低于500℃；和体积能量密度(lhv)大于18mj/l，以及其中，点火燃料通过与点火表面接触而点燃致使热气、部分燃烧的燃料和火焰中的至少一个通过至少一个喷嘴进入燃烧室，从而点燃主燃料。
[0054]“喷嘴”是指在点火后增加来自预燃室的流体速度的通道。喷嘴可以是任何形状，例如恒定的、会聚的或发散的或它们的任意组合的横截面。
[0055]
有利的是，通过使用第二种类型的燃料作为点火燃料，本发明克服了点火燃料可变性的上述问题，以产生独立于所使用的主燃料并对其耐受的可靠的、坚固的和耐用的点火系统。提供由热表面模式点燃的点火燃料通过消除对火花点火系统的需要解决了将解决方案封装成小缸尺寸的实际问题。
[0056]
热表面点火与火花点火比有较多的优点。与火花点火相关的点火线圈和高压(ht)引线容易出现可靠性问题。高压还会导致电晕放电和各种绝缘材料的腐蚀。点火线圈对热敏感，因此线圈安装在热的发动机环境下会有问题。随着电极磨损，典型的火花塞也需要定期更换。火花塞的电极和/或陶瓷可能会形成沉积物，导致故障。陶瓷还可能遭受燃烧室外部的电晕腐蚀和电弧放电。高压火花点火系统也是电磁干扰的来源，这意味着点火线圈和导线需要被屏蔽，以防止邻近的电气部件出现问题。最后，火花点火不适用于某些可能存在危险或风险的应用。
[0057]
这种类型的点火系统被称为“喷射”点火系统。基本上，这种类型的喷射点火在整个主燃烧室中产生高能量分布点火介质。这样，点火能量能够达到常规火花塞能量(通常为3mj)的1000到10000倍。这有利于超稀薄燃烧，以实现高效、低排放运行。特别是，超稀薄预混合燃烧实现了极低的nox、极低水平的残余hc、co和颗粒物质(pm)。燃料和空气混合物在燃烧室所有区域的同时快速燃烧也防止了被称为“爆震”的异常燃烧。
[0058]
使用这样的系统避免了对火花塞的需要，并且同样节省了封装空间、可靠性和成
本。本发明的预燃室克服了通常在预燃室内部操作的火花塞电极磨损的显著耐久性问题。热表面点火提供了无磨损点火过程。
[0059]
本发明还支持任何类型的主室空气和燃料燃烧，提供的空气燃料混合物足够稀薄以避免吸入预燃室时的提前点火。
[0060]
因为点火是由热表面引发的，所以没有常规火花点火系统的缸压力限制。随着气体压力和密度的增加，所需的击穿电压也增加。因此，高增压发动机不会对本发明的热表面点火过程造成问题。因为较高的击穿电压经常导致火花塞故障，因此火花塞的缸压力限制特别成问题。电极磨损会使问题变得更糟，因为间隙的增加会进一步增加击穿电压。较小的火花塞间隙会导致点火不良，因此这个问题很难解决。使用特殊材料的火花塞电极来减少磨损是昂贵的。
[0061]
优选地，该缸或每个缸的工作容积小于或等于3.0升。与通常用于静态/发电应用的3.0升以上的发动机不同，本发明特别适用于通常用于移动/交通工具应用的发动机。
[0062]
优选地，点火燃料具有比主燃料低得多的热表面点火温度。
[0063]
优选地，点火燃料是醚。更优选地，它是乙醚(dee，c4h
10
o)。
[0064]
申请人已经确定，dee具有一组特别令人惊讶和有利的性质，使其非常适合用作本发明目的的点火燃料。特别是，dee具有以下主要特点：
[0065]
低的热表面点火温度；
[0066]
高的体积能量密度(mj/l)；而且，
[0067]
相对于如汽油或柴油的主燃料的低碳数。
[0068]
是针对化学计量燃烧需要较少空气的氧化燃料。
[0069]
dee因为它的表面点火温度低(350摄氏度)，特别适合热表面点火。这是所有商业上已知的碳氢化合物燃料中最低的，大约低200摄氏度。相比之下，柴油约为650℃，汽油约为800℃。事实上，出于同样的原因，dee不适合作为常规火花点火发动机的主燃料——与热部件接触或自燃会在火花产生之前点燃dee。因此，预燃室中的dee和热表面点火的组合是特别有利的，并且允许点火系统的定时仅由点火燃料喷射来确定，从而简化了发动机的控制。值得注意的是，由于dee的热表面和自燃特性(这将在传统的发动机结构中引起问题)，在现有技术中其常常被忽视作为内燃机的主要候选燃料。
[0070]
就能量密度而言，dee具有24.18mj/l的体积能量密度。申请人的计算表明，dee的体积能量密度使得相对适中的罐容量(对于在5l/100km下运行的汽油发动机，大约20升)能够为汽车应用中行驶10，000km提供足够的点火燃料。这意味着点火燃料能够在使用时简单地补充(很像现在的柴油scr尿素罐)。
[0071]
有利地，低碳数提供了燃烧时降低的co2水平。低碳数还减少了燃料沉积物的形成，dee的低温汽化进一步增强了这一点。液体燃料在热表面上的滞留是沉积物形成的已知原因，因此dee有效地避免了这种情况。作为含氧燃料，dee燃烧时产生的烟灰非常少。除了在减少发动机排放物方面的明显优势之外，dee的清洁燃烧特性在防止沉积物形成方面也是有利的。
[0072]
dee的其他优势如下：
[0073]
dee在环境温度和压力下是液体。
[0074]
dee是含氧燃料，与汽油和柴油等其他碳氢化合物相比，形成化学计量混合物所需
要的空气较少。dee的化学计量比为11.1，燃烧时产生2.8mj/kg的较低热值。这意味着与汽油和空气的化学计量混合物相比，dee需要少24％的空气来产生多7.9％的能量。
[0075]
此外，dee是一种单组分燃料，这意味着与在全球范围内成分往往是变化的多组分燃料相比，这种燃料的生产没有变化。与汽油和柴油等多组分燃料相比，它的性能也是完全可预测的。dee还能够在宽的温度范围内储存和输送，因此可以在无需使用添加剂或其他燃料调节手段的情况下，在移动应用所需的非常冷或热的环境条件下使用。这与诸如汽油的常规的运输燃料特别相关，其需要专门针对夏季和冬季进行混合，以控制冷启动和热启动的挥发性。在冬季，柴油面临低温的特殊挑战，在低温下，柴油可能不再保持液态。dee在零下116摄氏度保持液态(类似于乙醇)，没有这样的问题。由于其相对低的沸点和蒸发热，dee能够在移动应用所需的非常低的环境温度下被点燃。
[0076]
dee是一种已知的物质(在其他技术领域中)，并且能够从乙醇中生产，乙醇能够从化石、生物或合成的基础上生产。这使得dee成为碳中和生产的便利的大规模燃料。
[0077]
此外，作为点火燃料，dee因为其固有的低粘度和相对低的沸点，不需要高喷射压力(至少100巴以克服点火时的缸压力)，这降低了燃料喷射设备的成本和复杂性。考虑到压缩比为14：1的高增压发动机(压力比为2.8)，当点火燃料应该被引入预燃室时，最大缸压力将在87bar左右。
[0078]
替代的点火燃料是可以的。例如，但不限于以下：二甲醚(dme)，是一种在化学上接近乙醚的候选物。二甲基甲烷(dmm)是另一种候选物，氧亚甲基醚(ome1)是第三种候选物。虽然这些燃料的热表面点火温度相对低(虽然不如dee有利)，但是它们具有相对低的体积能量密度，这使得它们不太适合于移动应用(因为点火燃料罐需要比dee大得多)。正是低的热表面点火温度和高的体积能量密度的结合，使得dee特别适合于移动应用。
[0079]
优选地，点火燃料供应系统被配置成在小于200巴的压力下，更优选地在100巴的压力下，将点火燃料喷射到预燃室中。尽管更高的压力也是可以的，但是燃料输送设备的成本在较高的值下显著增加。最终，只有高粘度的燃料才需要高于200巴的喷射压力，并且需要这种压力来提供预燃室中燃料的充分雾化。因此，从成本和耐久性的角度来看，需要较低压力进行雾化的燃料总是优选的。
[0080]
优选地，点火燃料供应系统被配置成将小于引入到主缸中的主室燃料的5％等效能量含量的量的点火燃料喷射到预燃室中。
[0081]
优选地，主燃料供应系统配置为使主燃料-空气混合物在燃烧之前预混合。
[0082]
主燃料供应系统可以是具有例如多端口或节流燃料喷射器的间接喷射系统。
[0083]
主燃料系统也可以是气体燃料的间接熏蒸系统。
[0084]
主燃料供应系统也可以是直接喷射系统。
[0085]
主燃料系统也可以是直接和间接系统的任意组合。
[0086]
优选地，点火系统包括限定预燃室的陶瓷封壳。用于这种类型应用的陶瓷材料需要具有比诸如钢的典型金属低的热导率、低的热膨胀系数、高的断裂韧性、高的弯曲强度和高的最高使用温度。这种陶瓷的示例包括烧结氮化硅(si3n4)和氧化钇部分稳定的氧化锆氧化物(ytzp)。这种材料的大规模生产技术已经成熟。在这样的实施例中，陶瓷材料限定了点火表面的一部分。优选地，陶瓷材料具有相对低的热导率。在氮化硅的情况下，其热导率为30w/m
·
k，这类似于可用于点火封壳的典型不锈钢，例如440c马氏体不锈钢。另一方面，氧
化锆陶瓷具有非常低的热导率，仅为3w/m
·
k。对于上述两种陶瓷，它们都具有非常高的最高使用温度，在超过时，大多数金属在550℃左右开始降解。而上述陶瓷能够在高于800℃的温度下工作。就喷嘴而言，陶瓷的高温能力是点火封壳的关键特性。没有它，将会发生热气体腐蚀，迅速破坏喷嘴的几何形状和点火器的功能。所提到的陶瓷或具有等效特性的陶瓷可以与适当的设计一起使用，该设计可以包括空气间隙，以有助于封壳内的温度分布。由于陶瓷的最高使用温度特别高，它提供了比大多数金属好的隔热性能。尽管通常用于航空航天应用的一些特殊超合金金属可以提供高温能力，但是它们的制造对于大规模生产来说也是昂贵的，因此它们不是优选的。由于点火燃料依赖于热表面点火，陶瓷点火封壳(预燃室)正好提供了这一点，同时防止热量传递到相邻部件。陶瓷封壳还保护点火喷射器尖端免受缸内高温的影响。通过使预燃室绝热来提高预燃室中的气体温度，通过喷嘴离开预燃室的气体处于更高的温度。这具有稳定气体射流和使火焰不熄灭的积极效果。此外，在压缩冲程中，当热空气被吸入封壳时，当空气通过喷嘴进入封壳时的传导热损失被最小化。
[0087]
由于陶瓷在操作过程中的高表面温度，陶瓷也不容易形成沉积物，因此从这一点来看，结合dee的固有特性，导致极低的沉积物形成。
[0088]
优选地，点火系统包括加热器，该加热器配置成在冷启动或冷操作时加热点火表面。优选地，加热器是电阻加热器，更优选地是电热塞。加热器被配置成在点火表面达到运行温度之前加热点火表面。优选地，电热塞仅在发动机“冷”(即，没有达到稳定的运行温度)时被激活。电热塞可以位于从喷射器喷射的点火燃料的路径中。
[0089]
优选地，预燃室容积小于压缩缸容积的5％，更优选小于3％。有益的是，这减少了封装空间和传热表面积。
[0090]
优选地，主燃料供应系统配置成在燃烧室中产生主预混合的燃料-空气混合物。优选地，主预混合的燃料-空气混合物具有1.6≤λ≤2.0(“超稀薄”)。更优选地，λ＝2.0，然而在某些情况下，如果燃烧系统有能力，则发动机可以在λ》2.0下运行。这种情况可以包括例如当发动机在低负荷下运行时。在这种情况下，可以减少供油，同时不调节到发动机的气流。通常，废气温度和对催化剂效率的影响将是在低负荷条件下允许混合物稀薄程度的决定性因素。优选地，缸和活塞被配置成提供高达15∶1的有效压缩比，更优选地为14∶1，特别是与超稀薄燃料-空气混合物相结合。
[0091]
优选地，主燃料供应系统提供预混合的燃料-空气混合物。优选地，主燃料供应系统是间接喷射型的。主燃料供应系统可以是进气端口喷射系统。这种系统比直接喷射系统容易实施，并且由于本发明优选的与超稀薄燃烧相关的燃烧“爆震”的减少，与直接喷射相关的通常优点被否定。有利的是，由于空气和燃料在进入燃烧室之前的良好混合，端口喷射系统有助于减少燃烧过程中烟灰的形成。与直喷式汽油相关联的典型的壁润湿和较差的雾化不仅会导致过多的烟灰，还会导致非常不利的预点火条件。
[0092]
优选地，主燃料是能够预混合的任何燃料(液体、气体或固体)。
[0093]
优选地，缸限定主轴线，并且预燃室与主轴线优选地在进气口和排气口以及相关的阀之间相交。可选地，预燃室定位在缸周边附近，类似于柴油涡流室。优选地，至少一个喷嘴朝向主轴线。尽管前一种解决方案可能有利于最佳的火焰分布，但后一种解决方案提供了更好的封装解决方案，因为例如在柴油发动机中涡流室的实施方式在本领域中是众所周知的
[0094]
优选地，点火系统包括与主燃料罐分离的点火燃料罐。优选地，点火燃料罐具有可变的容积，以防止点火燃料与另一种流体(特别是空气)之间的接触。对于某些燃料，如dee，重要的是避免与空气接触，以防止形成高度不稳定的醚过氧化物。优选地，点火系统被配置为以高于大气压的预定点火燃料存储压力存储点火燃料。dee在80摄氏度时的蒸汽压为3.9巴，因此有必要使用加压储存系统来防止蒸汽形成。优选地，点火燃料存储压力保持在最差环境温度下的蒸汽压力以上，例如5巴(表压),以提供足够的安全裕度。
[0095]
对于更靠近发动机、特别是在发动机舱内的燃料输送，环境温度和部件温度将高于通常远离发动机舱的储罐的温度。在这种情况下，dee压力必须更高，以防止燃料输送管路中形成蒸汽。假设在120摄氏度时，蒸汽压约为10巴，则需要更高的保持压力。由于到燃料喷射器的dee输送压力应该为至少100巴，因此本发明建议使用该压力来防止在发动机舱附近形成蒸汽，特别是对于发动机上的燃料输送部件，该部件在热浸条件下可能升高到更高的温度。有利的是，这些特征降低了系统中点火燃料汽化的风险，点火燃料汽化会导致泵送和喷射问题。
[0096]
优选地，预燃室限定了多个喷嘴。更优选地，多个喷嘴被配置成将预燃室的内容物导向发散方向。
[0097]
优选地，喷嘴或多个喷嘴被配置成使得热气体、部分燃烧的燃料和火焰的射流由于预燃室中的燃烧而从其发出。
[0098]
优选地，喷嘴的尺寸将在气体速度和实现火焰通过喷嘴能存活之间提供最佳的折衷。这种喷嘴能够被定制以适应关于射流穿透和射流宽度的特定燃烧室要求。仔细的设计优化能够通过改变与锥形入口和出口部分耦合的喷嘴的长宽比来找到最佳的折衷方案。该设计必须考虑点火期间向外流动的喷射气体和充气期间从主燃烧室向内流动的空气和燃料。
[0099]
本发明可选地包括废气喷射器和燃烧室，其配置成利用一部分点火燃料来加热缸下游的废气。有利的是，这可以在废气中提供额外的热量，以改进催化剂系统的性能。
[0100]
根据本发明的第三方面，提供了一种包括根据第一方面的点火系统的交通工具内燃机。
[0101]
根据本发明的第四方面，提供了一种包括根据第二方面的交通工具内燃机的交通工具。
[0102]
根据本发明的第五方面，提供了一种具有交通工具内燃机的交通工具，包括：限定燃烧室的至少一个缸；活塞，其被设置成在至少一个缸内运动，以限定至少一个缸的工作容积为小于或等于3.0升；主燃料供应系统，其配置成向燃烧室供应主燃料，以在燃烧室中产生主燃料-空气混合物；点火系统，包括：限定预燃室的封壳，该预燃室的容积小于缸的工作容积；点火燃料供应系统，配置成将不同于主燃料的点火燃料喷射到预燃室，以在预燃室中产生点火燃料-空气混合物；预燃室内的点火表面，该点火表面由封壳的内表面限定，并配置成与预燃室内的点火燃料接触，从而通过热表面点火来点燃点火燃料；和与缸的燃烧室流体连通的至少一个喷嘴；其中点火燃料通过与点火表面接触而点燃致使热气、部分燃烧的燃料和火焰中的至少一个通过至少一个喷嘴进入燃烧室，从而点燃主燃料，其中，主燃料供应系统包括主燃料罐，并且其中点火燃料供应系统包括与主燃料罐分离的点火燃料罐。
[0103]
在一些实施例中，点火燃料罐具有可变的容积。点火燃料罐可以被配置成防止点
火燃料罐中的点火燃料和空气之间的接触。点火燃料罐可包括罐壳和位于罐壳内的柔性囊，该柔性囊被配置成填充有点火燃料。柔性囊可以是气密囊。
[0104]
点火燃料罐可以包括罐压力控制系统，该罐压力控制系统被配置为将点火燃料保持在大于1巴的预定点火燃料存储压力下，例如大于1.5巴、大于2巴或大于2.5巴。预定点火燃料存储压力在20摄氏度处可以是至少4巴，优选在20摄氏度处至少5巴。罐压力控制系统可以包括：空气压缩机；排气阀；空气压力传感器，其被配置为确定点火燃料罐内的压力；以及罐压力控制器，其被配置为基于从空气压力传感器接收的数据信号来操作空气压缩机和排气阀。
[0105]
点火燃料供应系统可以包括在第一端与点火燃料罐连通并且在第二端与燃料泵连通的罐出口导管，其中，燃料泵被配置为将点火燃料的压力从预定点火燃料罐压力升高到输送压力。输送压力可以为至少100巴。
[0106]
点火燃料供应系统还可以包括燃料蓄压器(fuel accumulator)；燃料压力传感器，其配置成感测燃料蓄压器处的压力；、以及发动机控制器，其被配置成控制燃料泵将点火燃料的压力升高至输送压力，以给燃料蓄压器充气并基于燃料压力传感器感测的压力按需启动燃料泵。
[0107]
点火燃料的特征可以在于以下所有特性：碳含量按质量计低于65％；热表面点火温度低于500℃；以及，体积能量密度(lhv)大于18mj/l。
附图说明
[0108]
参照附图描述根据本发明的示例内燃机，在附图中：
[0109]
图1是交通工具传动系统中根据本发明的内燃机的示意图；
[0110]
图2是根据本发明的交通工具发动机的第一实施例的一部分的剖视图；
[0111]
图2a是图2的区域a的详细视图；
[0112]
图3是根据本发明的交通工具发动机的第二实施例的一部分的剖视图；
[0113]
图4是根据本发明的交通工具发动机的第三实施例的一部分的剖视图；
[0114]
图5是示出喷射模式的、穿过第三实施例的发动机的一部分的示意性侧剖视图；
[0115]
图6是示出喷射模式的、穿过第三实施例的发动机的一部分的示意性平面剖视图；而且，
[0116]
图7是根据本发明的发动机的燃料系统的示意图。
具体实施方式
[0117]
参照图1，交通工具10(在这种情况下是汽车)包括内燃机12，内燃机具有配置成驱动车轮16的输出传动系统14。传动系统14被示意性地示出，但是如现有技术中已知的通常包括变速箱、差速器等。发动机12也被标记为12’和12”，以分别代表第二实施例和第三实施例。
[0118]
发动机12是包括多个缸的内燃机。这种往复式内燃机的一般结构在现有技术中已知，这里不再详细描述。
[0119]
第一实施例
[0120]
参照图2，示出了本发明的第一实施例。图2示出了穿过根据第一实施例的发动机
12的一部分的截面。发动机12包括发动机缸体100、活塞140、缸盖106、端口主燃料喷射器130、直接主燃料喷射器131和点火器132。
[0121]
发动机缸体100限定了从其邻接表面104延伸的发动机缸体缸腔102。缸腔具有主缸轴线x。发动机缸体100由整体(例如铸造)金属材料构成。
[0122]
缸盖106由整体(例如铸造)金属材料构成，并具有邻接表面108，该邻接表面具有从其延伸的缸盖腔110。缸盖腔110终止于端部表面112。缸盖腔以主缸轴线x为中心。缸盖限定了进气口114、点火系统腔116和排气口118，它们中的每个都通过端部表面112与缸盖腔连通。
[0123]
进气口114被限定为缸盖106中从第一端120延伸到第二端122的导管。第一端120与进气歧管流体连通(如现有技术中已知的)，第二端通过端部表面112与缸盖腔110流体连通。在第一端120与第二端122之间设置有燃料喷射器腔124。进气口114的第二端122在偏离轴线x的位置处连接端部表面112，并具有与轴线x成非零角度并指向轴线x的进气口轴线i。
[0124]
点火系统腔116与缸盖腔110连通，并与轴线x相交。
[0125]
排气口118被限定为缸盖106中从第一端126延伸到第二端128的导管。第一端126通过端部表面112与缸盖腔110流体连通，第二端与排气歧管流体连通(如本领域已知的)。排气口118的第一端126在偏离轴线x的位置处连接端部表面112，并具有与轴线x成非零角度并背离轴线x的排气口轴线e。
[0126]
发动机缸体100和缸盖106被组装成使得发动机缸体缸腔102和缸盖缸腔110对齐，从而协作以限定缸142。
[0127]
活塞140设置在缸142内，以沿缸轴线x滑动。活塞140通过连杆(未示出)附接到曲轴(未示出)，如现有技术中已知的，该曲轴提供发动机输出的机械动力。活塞140包括多个密封环槽，这些密封环槽容纳密封环，以将活塞140抵靠发动机缸体缸腔102进行密封。活塞的运动在缸142内产生可变的工作容积144。
[0128]
端口主燃料喷射器130在本领域中是公知的，并且位于进气口114的燃料喷射器腔124中。因此，它是间接喷射(idi)喷射器。端口主燃料喷射器连接到主燃料供应系统，并被配置为在缸盖腔110上游的进气口114中产生主燃料-空气混合物。在该实施例中，主燃料是在低喷射压力下易于在进气口雾化的燃料，例如汽油，尽管也可以使用液态或气态形式的其他燃料。
[0129]
直接主燃料喷射器131在本领域中是公知的，并且位于进气口114的下游。这是直喷式(di)喷射器。直接主燃料喷射器连接到主燃料供应系统(供应有与端口喷射器相同的主燃料),并被配置成在缸盖腔110中，即在缸142的工作容积144中产生主燃料-空气混合物。同样地，该实施例结合了idi和di燃料喷射，尽管可以理解本发明利用idi和/或di工作。
[0130]
点火器132是点火系统的一部分(将在下面描述)。在图2a中更详细地示出了点火器。点火器132包括点火燃料喷射器134、点火封壳136和电热塞138。
[0131]
点火燃料喷射器134配置成将不同于主燃料的点火燃料(在该实施例中为乙醚)喷射到点火封壳136中。点火燃料喷射器包括喷嘴146，该喷嘴被配置成计量、雾化并将点火燃料分散到预燃室中。针对所使用的预燃室几何形状喷射器喷射羽流的精确几何形状将被优化。因此，将确保正确的燃料和空气混合物(根据喷射过程)到达热表面以开始点火。
[0132]
点火封壳136由陶瓷材料构成，在本实施例中为氧化钇部分稳定的氧化锆(ytzp)。
封壳具有用于容纳燃料喷射器134的入口148。封壳136利用限定在第一端154处的入口148和限定在第二端156处的多个排气喷嘴152来限定预燃室150。喷嘴152朝向缸142内，也从轴线x径向向外。预燃室从第一端154到第二端156逐渐变细。尽管图中未示出，但是，点火封壳通常由某种形式的夹持装置保持就位，该夹持装置将陶瓷封壳置于压缩状态。将采用适当的密封来承受最大点火缸压力。封壳的详细设计将针对操作期间的热负荷进行优化。应当注意，封壳136限定了与室150直接接触的全部陶瓷的内表面137。
[0133]
在该实施例中，预燃室容积约为活塞上止点时缸容积的3％(即完全压缩的工作容积144)。
[0134]
电热塞138是常规的高速金属柴油电热塞。它能够达到大约1000摄氏度的温度，因此能够将嵌入封壳的内壁加热到所需温度以上。这种装置是紧凑的，具有穿透封壳的直径约为4毫米逐渐变细至3.3毫米的端部。螺纹部分仅为m8螺纹。电热塞138被定位成使得它位于来自喷射器134的燃料喷射羽流的路径中。
[0135]
参照图7，示出了根据本发明的点火燃料系统500。系统500包括点火燃料罐502、罐压力控制系统504和点火燃料输送系统506。一般来说，流体线路用实线表示，数据/电源用虚线(隐藏线)表示。
[0136]
点火燃料罐502包括气密的刚性罐壳508(除了下面提到的入口和出口)。在壳508内，提供了不可渗透的柔性气密囊510。该罐具有燃料填充导管512，该燃料填充导管穿过壳以与囊510流体连通。燃料填充导管512在第一端处连接到燃料填充点514，以使囊510能够填充点火燃料。
[0137]
罐压力控制系统504包括具有入口518和出口520的空气压缩机516，出口与壳508流体连通。罐压力控制系统还包括被配置成确定壳508内的压力的空气压力传感器522、与壳508和罐压力控制器526通信的排气阀524。罐压力控制器526是电子的，并且配置成控制空气压缩机516，从传感器522接收指示壳508内压力的数据信号，并控制罐排气阀524。因此，控制器526能够通过使用传感器来确定压力是低于或高于预定的点火燃料罐压力，并使用压缩机516来增加压力或使用阀524来降低压力来进行调节，从而控制壳508内的压力(并因此控制囊510内的点火燃料的压力)。
[0138]
点火燃料输送系统506包括在第一端与囊510连通、在第二端与电动燃料泵530连通的罐出口导管528。系统506还包括燃料蓄压器532、燃料压力传感器534和燃料喷射器134。还示出了发动机控制器536。发动机控制器配置成控制燃料泵530以将点火燃料压力从预定的点火燃料罐压力(在该实施例中为5巴)升高到输送压力(在该实施例中为100巴)。这给燃料蓄压器532充气。蓄压器处的压力由传感器534感测，并且来自传感器534的压力读数使得控制器能够在需要时通过启动泵530来升高压力。发动机控制器还控制燃料喷射器134，燃料喷射器包含可驱动的阀，以选择性地将燃料释放到封壳136的室中。
[0139]
第一实施例的操作
[0140]
对本发明来说重要的是(如下面将清楚的)将封壳136的内表面137的温度(tc)保持在大于主点火燃料的预定“热表面温度”(hst)的值。这个温度通常由主缸压缩冲程的压缩气体维持。对于12∶1的压缩比和20摄氏度的环境空气温度，封壳附近的气体温度将容易地升高到600摄氏度以上。由于封壳由具有低热导率的陶瓷构成，所以内表面将被加热到高温而热量不会被带走。
[0141]
对于冷启动，电热塞138被激活(通过发动机控制器)以提供用于点燃点火燃料的热表面，并且进一步将封壳136的表面137预热到tc》hst(表面将被来自电热塞138的热量和点火燃料的燃烧的组合加热)。一旦tc》hst，那么电热塞138能够被停用。可以设想，一旦发动机连续运转，就不再需要电热塞138。
[0142]
主燃料喷射器130、131由发动机控制器536控制，以将汽油燃料引入进气口114中，从而在缸142中产生超稀薄预混合物。具体地，喷射器130、131被控制以在进气冲程中产生通常λ＝1.6至2.0的空气燃料混合物(出于该实施例的目的)。
[0143]
在压缩冲程之后，超稀薄空气燃料混合物在工作容积144中被压缩，点火器被控制以点燃混合物以膨胀冲程。如下所述，喷射器134将预定量的点火燃料喷射到封壳136中。
[0144]
点火燃料(乙醚)以预定的点火燃料罐压力(在该实施例中为5巴)储存在囊510内。从输送系统的电动燃料泵到喷射器的点火燃料高压(在本实施例中为100巴)将一直由燃料蓄压器532维持。当燃料需要喷射时，ecu控制喷射器134将用于燃烧的点火燃料释放到封壳136中。这自然会减少燃料输送系统506的体积。当蓄压器532排放到预定体积时，电动高压泵530不需要运行。一旦燃料蓄压器532已经达到阈值排出体积，电动高压泵530将被启动以向系统提供100巴的压力，并将蓄压器重新充注到预定的满容量。当罐502中的燃料水平耗尽时，燃料通过罐压力控制器526保持在5巴的恒定压力(在该实施例中)下。
[0145]
当点火燃料进入预燃室时，它在压缩空气和存在的燃料(来自先前的进气冲程)中被雾化。雾化的点火燃料/空气混合物一接触到封壳136的内表面137就被点燃。随着火焰的传播和封壳内压力的升高，火焰和/或热气通过喷嘴152被迫进入包含超稀薄预混合物的工作容积144中。喷嘴152被成形为提供多个燃烧混合物喷射流来穿透工作容积144，从而在整个主燃料混合物中提供分布式点火源。此外，来自封壳的气体的速度倾向于在压缩室内引起湍流，进一步增强燃烧。
[0146]
这起到点燃容积144中存在的稀薄空气燃料混合物，以开始膨胀冲程的作用。
[0147]
第二实施例
[0148]
参照图3，示出了本发明的第二实施例。图3示出了根据第二实施例的发动机12’的一部分的截面。发动机12’包括发动机缸体100’、活塞140’、缸盖106’、端口主燃料喷射器130’、直接主燃料喷射器131’和点火器132’。
[0149]
发动机缸体100’限定了从其邻接表面104’延伸的发动机缸体缸腔102’。缸腔具有主缸轴线x’。发动机缸体100’由整体(例如铸造)金属材料构成。
[0150]
缸盖106’由整体(例如铸造)金属材料构成，并具有邻接表面108’。缸盖限定了进气口114’、主燃料喷射器腔116’和排气口118’，它们中的每一个都通向邻接表面108’。
[0151]
进气口114’被限定为缸盖106’中从第一端120’延伸到第二端122’的导管。在第一端120’与第二端122’之间设置有燃料喷射器腔124’。第一端120’与进气歧管流体连通(如现有技术中已知的)，第二端与邻接表面108’流体连通。进气口114’的第二端122’在偏离轴线x’的位置处连接邻接表面108’，并且具有与轴线x’成非零角度并朝向轴线x’的进气口轴线i’。
[0152]
点火系统腔116’与邻接表面108’连通，并与轴线x相交。
[0153]
排气口118’被限定为缸盖106’中从第一端126’延伸到第二端128’的导管。第一端126’与邻接表面108’流体连通，第二端与排气歧管流体连通(如本领域已知的)。排气口
118’的第一端126’在偏离轴线x’的位置处连接邻接表面108’，并具有与轴线x’成非零角度并背离轴线x’的排气口轴线e’。
[0154]
发动机缸体100’和缸盖106’被组装成使得发动机缸体缸腔102’以及进气口和排气口对准，从而协作以限定缸142’。
[0155]
活塞140’设置在缸142’内，以沿缸轴线x’滑动。活塞140’通过连杆(未示出)附接到曲轴(未示出)，如现有技术中已知的曲轴提供发动机输出的机械动力。活塞140’在其表面上限定了腔141’，该腔与缸142’围绕活塞140’的部分一起形成工作容积144’的一部分。活塞包括多个容纳密封环的密封环槽，以将活塞140’抵靠发动机缸体缸腔102’进行密封。活塞的运动改变了缸142’内的工作容积144’。
[0156]
端口主燃料喷射器130’是现有技术中已知的，并且位于进气口114’的燃料喷射器腔124’中。因此，端口主燃料喷射器是间接喷射(idi)喷射器。端口主燃料喷射器连接到主燃料供应系统，并被配置成在缸上游的进气口114’中产生主燃料-空气混合物。在该实施例中，主燃料是在低喷射压力下有助于在入口雾化的燃料，例如汽油，尽管也可以以液态或气态形式使用其他燃料。
[0157]
主燃料喷射器131’在本领域中是公知的，并且位于燃料喷射器腔116’中。主燃料喷射器连接到主燃料供应系统536’，并被配置成通过直接喷射(di)在工作容积144’中产生主燃料-空气混合物。在该实施例中，主燃料是碳氢化合物燃料，特别是汽油，尽管应该理解，本发明可以使用其他主燃料。
[0158]
点火器132’是点火系统的一部分(将在下面描述)。点火器132’包括点火燃料喷射器134’、点火封壳136’和电热塞138’。
[0159]
点火燃料喷射器134’配置成将不同于主燃料的点火燃料(在该实施例中为乙醚)喷射到点火封壳136’中。点火燃料喷射器包括喷嘴，该喷嘴配置成在点火燃料离开时使其雾化和分散。
[0160]
点火封壳136’由陶瓷材料构成，在本实施例中是氧化钇部分稳定的氧化锆(ytzp)。封壳具有用于接收燃料喷射器134’的入口。封壳136’利用限定在第一端处的入口和限定在第二端处的多个排气喷嘴152’来限定预燃室150’。喷嘴152’朝向缸142’并且也径向朝向轴线x’。该室从第一端到第二端逐渐变细。应当注意，封壳136’限定了与室150’直接接触的全部陶瓷的内表面137’。
[0161]
在该实施例中，室容积是活塞上止点时缸容积的3％(即完全压缩的工作容积144’)。
[0162]
电热塞138’是常规的高速金属柴油电热塞。它能够达到大约1000摄氏度的温度，因此能够将嵌入封壳的内壁加热到所需温度以上。这种装置是紧凑的，具有穿透封壳的直径约为4毫米逐渐变细至3.3毫米的端部。。螺纹部分仅为m8螺纹。电热塞138’被定位成使得它位于来自喷射器134’的燃料喷射羽流的路径中。
[0163]
如同第一实施例，点火燃料系统500用于向喷射器134’输送燃料，
[0164]
第一实施例与第二实施例的主要区别在于点火器132’的位置和取向。在第一实施例中，点火器132与缸轴线x相交，并且还被配置成将点火羽流导入进气口与排气口之间的缸的轴向中心。相比之下，在第二实施例中，点火器远离轴线x定位，靠近缸142’的周边。羽流的进入点(即喷嘴152’)相对于轴线x更靠近缸周边。喷射器134’朝向缸142’，朝向活塞腔
141’，并且实际上朝向轴线x。电热塞138’在垂直于轴线x’的方向上与封壳接合。
[0165]
该实施例具有某些优点，特别是它允许主燃料喷射器定位在进气口与排气口之间(即在缸的轴线上)，这有利于直接主燃料喷射。此外，因为它位于侧面，所以有较多的空间来包装点火器132’。
[0166]
第三实施例
[0167]
参照图4，示出了本发明的第三实施例。图4示出了根据第三实施例的发动机12”的一部分的截面。发动机12”包括发动机缸体100”、活塞140”、缸盖106”、主燃料喷射器130”和点火器132”。
[0168]
发动机缸体100”限定了从其邻接表面104”延伸的发动机缸体缸腔102”。缸腔具有主缸轴线x”。发动机缸体100”由整体(例如铸造)金属材料构成。
[0169]
缸盖106”由整体(例如铸造)金属材料构成，并具有邻接表面108”。缸盖限定了进气口114”、主燃料喷射器腔116”和排气口118”，它们中的每一个都通向邻接表面108”。
[0170]
进气口114”被限定为缸盖106”中从第一端120”延伸到第二端122”的导管。在第一端120”与第二端122”之间设置有燃料喷射器腔124”。第一端120”与进气歧管流体连通(如现有技术中已知的)，第二端与邻接表面108”流体连通。进气口114”的第二端112”在偏离轴线x”的位置处连接端面122”，并且具有与轴线x”成非零角度并朝向轴线x”的进气口轴线i”。
[0171]
点火系统腔116”与邻接表面108”连通，并位于轴线x上。
[0172]
排气口118”被限定为缸盖106”中从第一端126”延伸到第二端128”的导管。第一端126”与邻接表面108”流体连通，第二端与排气歧管流体连通(如本领域已知的)。排气口118”的第一端126”在偏离轴线x”的位置处连接邻接表面108”，并具有与轴线x”成非零角度并背离轴线x”的排气口轴线e”。
[0173]
发动机缸体100”和缸盖106”被组装成使得发动机缸体缸腔102”限定缸142”。
[0174]
活塞140”设置在缸142”内，以沿缸轴线x”滑动。活塞140”通过连杆(未示出)附接到曲轴(未示出)，如现有技术中已知的曲轴提供发动机输出的机械动力。活塞140”在其表面上限定了腔141”，该腔与缸142”围绕活塞140’的部分一起形成工作容积144”的一部分。活塞包括多个容纳密封环的密封环槽，以将活塞140”抵靠发动机缸体缸腔102”进行封闭。活塞的运动改变了缸142”内的工作容积144”。
[0175]
端口主燃料喷射器130”在现有技术中是公知的，并且位于进气口114”的燃料喷射器腔124”中。因此，它是间接喷射(idi)喷射器。端口主燃料喷射器连接到主燃料供应系统，并被配置成在缸上游的进气口114”中产生主燃料-空气混合物。在该实施例中，主燃料是在低喷射压力下有助于在进气口雾化的燃料，例如汽油，尽管也可以以液态或气态形式使用其他燃料。
[0176]
直接主燃料喷射器131”在本领域中是公知的，并且位于燃料喷射器腔116”中。端口主燃料喷射器连接到主燃料供应系统536”，并被配置为在缸142”的工作容积144”中通过直接喷射(di)产生主燃料-空气混合物。在该实施例中，主燃料是碳氢化合物燃料，特别是汽油，尽管应该理解，本发明可以使用其他主燃料。
[0177]
点火器132”是点火系统的一部分(将在下面描述)。点火器132”包括点火燃料喷射器134”、点火封壳136”和电热塞138”。
[0178]
点火燃料喷射器134”被配置成将不同于主燃料的点火燃料(在该实施例中为乙醚)喷射到点火封壳136”中。点火燃料喷射器包括喷嘴，该喷嘴配置成当点火燃料离开时使其雾化和分散。
[0179]
点火封壳136”由陶瓷材料构成，在本实施例中是氧化钇部分稳定的氧化锆(ytzp)。封壳具有用于接收燃料喷射器134”的入口。封壳136”利用限定在第一端处的入口和限定在第二端处的多个排气喷嘴152”来限定预燃室150”。喷嘴152”朝向缸142”，特别是活塞腔141”，并且也径向朝向轴线x”。室150”从第一端到第二端逐渐变细。将会注意到，封壳136”限定了与室150”直接接触的全部陶瓷的内表面137”。
[0180]
在该实施例中，腔室容积是活塞上止点时缸容积的3％(即完全压缩的工作容积144”)。
[0181]
电热塞138”是常规的高速金属柴油电热塞。它能够达到大约1000摄氏度的温度，因此能够将嵌入封壳的内壁加热到所需温度以上。这种装置是紧凑的，具有穿透封壳的直径约为4毫米逐渐变细至3.3毫米的端部。螺纹部分仅为m8螺纹。电热塞138”被定位成使得它位于来自喷射器134”的燃料喷射羽流的路径中。
[0182]
如同第一实施例，点火燃料系统500用于向喷射器134”输送燃料。
[0183]
第二实施例与第三实施例之间的主要区别是点火器132”的配置。像第二实施例一样，点火器远离轴线x定位，靠近缸142”的周边。羽流的进入点(即喷嘴152”)相对于轴线x更靠近缸周边。喷射器134
″
垂直于轴线x”，直接朝向轴线x。电热塞138’在与轴线x”和喷射器134
″
的轴线成一定角度的方向上与封壳接合。
[0184]
参照图5和图6，示出了第三实施例的喷射模式。活塞140”在其表面上具有腔141”，形成工作容积144”的一部分。该腔覆盖了入口114”的大部分区域。活塞140”显示为处于tdc，即工作容积144”处于完全压缩状态。此时，大部分工作容积由腔141”形成。当点火燃料被喷射到封壳136”中时，它在热表面上点燃，并且喷射羽流jp从喷嘴152”喷射出到达工作容积144”中。这点燃了当前的空气燃料混合物，开始膨胀冲程。将会注意到，腔141”的形状意味着喷射羽流jp填充工作容积144”，并因此提供对于稀薄燃料混合物是理想的扩散和湍流点火。
[0185]
变型
[0186]
参照图1，示出了其中内燃机通过机械传动系统驱动车轮的系统。本发明也可用在间接提供动力的内燃机中——例如在电动混合动力车辆中，内燃机可用于全部或部分发电，然后通过电动马达驱动车轮。
[0187]
上述实施例提到了特定的主燃料。其他主燃料是可能的，包括(但不限于)：液体燃料，包括汽油、乙醇、甲醇、柴油；气体燃料，包括液化石油气(lpg)、天然气、甲烷和氢气。
[0188]
上述实施例中的点火封壳被描述为由氧化钇部分稳定的氧化锆(ytzp)构成。封壳可由其它陶瓷构成，例如烧结氮化硅(si3n4)或任何具有类似热导率、热膨胀系数、断裂韧性、弯曲强度和最高使用温度特性的陶瓷。也可能使用具有高温能力的超合金金属。
[0189]
上述实施例规定点火预燃室的尺寸为上止点时缸容积的3％。应当注意，3％至5％的尺寸也是可能的。
[0190]
尽管电热塞被描述为用于“冷启动”，但是产生热量的其他方式也是可能的。
[0191]
压力感测装置可以设置在封壳内，以在整个上述循环中监测气体压力。
[0192]
封壳的几何形状根据生产和包装要求可以不同。封壳的一些区域可以设计成使得运行温度相对于封壳的其余部分升高或降低。同样，详细设计将优化燃料喷射器所在封壳的几何形状，以减少从预燃室到喷射器喷嘴的热传递。
[0193]
第二实施例和第三实施例类似于第一实施例，反映了两种不同的点火封壳结构。所有三个实施例示出了组合的直接(di)和间接(idi)喷射。在点火封壳位于燃烧室边缘的情况下(如第二实施例和第三实施例)，它提供了使用直接喷射或端口喷射或它们的组合的可能性。优选地使用端口喷射，因为对于预混合的燃料制备来说，这是全部所需要的。然而，可能存在发动机设计者坚持直接喷射的情况。原因可能包括(例如)直接注入氢气或压缩天然气；di被认为是让气体进入发动机的最有效的方法。重要的是要认识到，在所有三个实施例中，可以使用端口喷射或直接喷射或它们的组合(一些发动机制造商正在这样做)。
[0194]
本发明也可以根据以下条款进行描述或定义：
[0195]
1、一种交通工具内燃机，包括：
[0196]
限定燃烧室的至少一个缸；
[0197]
活塞，其被设置成在至少一个缸内运动，以限定至少一个缸的工作容积为小于或等于3.0升；
[0198]
主燃料供应系统，其配置成在燃烧室中产生主燃料-空气混合物；
[0199]
点火系统，包括：
[0200]
预燃室，其容积小于缸的工作容积；
[0201]
点火燃料供应系统，其配置成在预燃室中产生点火燃料-空气混合物；
[0202]
预燃室内的点火表面，该点火表面配置成与预燃室内的点火燃料接触，从而通过热表面点火来点燃点火燃料；
[0203]
至少一个喷嘴，所述至少一个喷嘴与缸的燃烧室流体连通；
[0204]
其中：
[0205]
主燃料和点火燃料是不同的燃料，并且其中，通过与点火表面接触来点燃点火燃料致使热气、部分燃烧的燃料和火焰中的至少一个通过所述至少一个喷嘴进入燃烧室，从而点燃主燃料。
[0206]
2、根据条款1所述的交通工具内燃机，其中，点火燃料是具有以下所有特征的燃料：
[0207]
碳含量按质量计低于65％；
[0208]
热表面点火温度低于500℃；而且，
[0209]
体积能量密度(lhv)大于18mj/l。
[0210]
3、根据条款1或2所述的交通工具内燃机，其中，点火燃料是醚。
[0211]
4、根据条款3所述的交通工具内燃机，其中，点火燃料是乙醚。
[0212]
5、根据任一前述条款所述的交通工具内燃机，其中，点火燃料供应系统被配置为在小于200巴的压力下将点火燃料喷射到预燃室中。
[0213]
6、根据任一前述条款所述的交通工具内燃发动机，其中，点火燃料供应系统被配置成将小于引入到主缸中的主室燃料的5％等效能量含量的量的点火燃料喷射到预燃室中。
[0214]
7、根据任一前述条款所述的交通工具内燃机，其中，所述主燃料供应系统配置为
使主燃料-空气混合物在燃烧之前预混合。
[0215]
8、根据条款7所述的交通工具内燃机，其中，主燃料供应系统是间接喷射系统。
[0216]
9、根据条款8所述的交通工具内燃机，其中，主燃料供应系统包括端口燃料喷射器。
[0217]
10、根据条款7所述的交通工具内燃机，其中，主燃料供应系统是直接喷射系统。
[0218]
10、根据任一前述条款所述的交通工具内燃机，其中，预燃室至少部分由陶瓷材料构成。
[0219]
11、根据条款10所述的交通工具内燃机，其中，陶瓷材料限定了点火表面的一部分。
[0220]
12、根据任一前述条款所述的交通工具内燃机，其中，点火系统包括用于在冷启动时提供点火表面的加热器。
[0221]
13、根据条款12所述的交通工具内燃机，其中，加热器是电热塞。
[0222]
14、根据任一前述条款所述的交通工具内燃机，其中，预燃室的容积小于工作缸的压缩容积的5.0％。
[0223]
15、根据任一前述条款所述的交通工具内燃机，其中，所述主燃料供应系统被配置成在所述燃烧室中产生主预混合的燃料-空气混合物。
[0224]
16、根据条款15所述的交通工具内燃机，其中，主预混合的燃料-空气混合物具有1.6≤λ≤2.0。
[0225]
17、根据任一前述条款所述的交通工具内燃机，其中，主燃料是能够被预混合的任何燃料(液体、气体或固体)。
[0226]
18、根据任一前述条款所述的交通工具内燃机，其中，缸限定主轴线，并且主轴线与所述预燃室相交。
[0227]
19、根据条款18所述的交通工具内燃发动机，其中，预燃室位于缸周边附近。
[0228]
20、根据条款19所述的交通工具内燃机，其中，所述至少一个喷嘴朝向主轴线。