專利名稱：內燃發動機及控制內燃發動機的方法
技術領域：
本發明總體上涉及內燃發動機的燃燒室中的燃料/氧化劑混合物的點火(點燃)
的領域。 更具體地說，本發明涉及一種內燃發動機，該內燃發動機包括
-脈沖電流發生器；-至少一個電極，該電極設有至少一個尖頭(末梢，尖端)； _用于控制通過所述發生器向所述電極供電的機構；-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壁隔開一最小 分離距離(D)。 本發明還涉及用于控制內燃發動機的方法，該內燃發動機包括
-脈沖電流發生器；-至少一個電極，該電極設有至少一個尖頭；-用于通過所述發生器控制向所述電極供電的機構；-燃燒室，所述尖頭安放在該燃燒室中，該尖頭與燃燒室的內壁隔開一最小分離距
離(D);-活塞，該活塞滑動式安裝在燃燒室中上止點位置和下止點位置之間。
背景技術：
燃燒室中的燃燒經常不是在最合適的時間里定相以便優化發動機的運轉。兩個循 環或兩種發動機速度之間的點火時間的分散會降低發動機的效率，并且可能助長污染物或 尚未燃燒物的產生。
發明內容
基于此，本發明的目的是提出一種發動機和方法，以用于更好地控制燃燒室中氧 化劑/燃料混合物的點火時間。 為此，除了上述前言中所提供的一般定義以外，本發明的發動機的本質特征在 于，電流發生器和電極設計成使得在向所述電極供電期間產生的功率密度(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，本發明的控制方法的 本質特征在于，將氧化劑和燃料的混合物送到燃燒室中，當活塞從它的下止點位置朝向它 的上止點位置移動時，在活塞到達上止點之前，產生脈沖電流以供應給所述電極，由此使在 向所述電極供電期間產生的功率密度低于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算的。 為理解本發明，應該注意，"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
室壁之間發生放電，則由該放電形成的電弧的最小長度等于該最小距離D。 因此，發生放電的危險由該最小距離和對電極的供電決定，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。 關于這個目的，可參見圖l左側的細部圖，該細部圖示出圖l所示的燃燒室和火花 塞的放大的側視圖。上述最小距離D在該放大的側視圖中以及在圖1中是可見的。應該注 意，該火花塞包括單個帶有尖頭的電極，該電極與內室壁電絕緣。優選地，該內壁構成接地 電極。 為理解本發明，應該注意，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期內輸送到該電極的電功率的平均值。 換句話說，發生器和火花塞設計成使得下面用R表示并用R = Pmax/D3定義的功 率密度滿足R < 105w/cm3。 發生器和電極的這種設計保證當向電極供電時電極周圍的空氣被電離，而該空氣 的溫度不會超過氧化劑/燃料混合物的點火閾值。這種局部電離而不將混合物點燃用于產 生自由基，例如通過電離產生的臭氧和/或中間烴類物質。 這造成燃燒室中所含混合物的分層(形成層次結構)，其中包括較多或較少富含 電離空氣和自由基的區域。 由于這種化學分層，所以混合物的自動點火時間能更精確地確定，這用來防止自 動點火時間的過度分散(離散)。 可以看出，當燃燒室中的壓力和溫度條件滿足時，氧化劑/燃料混合物的自動點
火優選地在含有通過電離產生的自由基和/或烴類物質的層的部位開始。 優選地，本發明適用于HCCI型發動機，也就是其中燃燒不是通過火花塞開始而是
只有當燃燒室中的壓力、溫度條件和混合物組成滿足時才自動點火的發動機。對于這種自
動點火式發動機來說，通過向電極供電實現的混合物的電離用于通過形成優選自動點火區
來準備點火，而不必向起動這種點火的電極供電。實際上，在這種類型的發動機上，即使不
再向電極供電，也可以進行自動點火。 通過局部改變混合物的化學性而實現的這種優選自動點火區/分層的形成可用 于避開燃燒室中突然大量燃燒的危險。 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省了能量。 例如，可以保證在向所述電極供電期間產生的功率密度低于10V/cm3。 該實施例用來限定功率密度范圍，該功率密度范圍確保在電離時間內不能通過電
離作用開始自動點火，自動點火僅是在燃燒室中的壓力已經因活塞朝內發動機的上止點升
起而增大以后發生。因此，自動點火不是通過電極起動的，而是通過壓力和溫度條件起動
的，因而改善了燃燒質量。 例如，可保證在向電極供電期間產生的功率密度為102-10V/cm3。 該實施例用來限定一范圍，其用于確保不能單獨通過電離作用開始自動點火，且
用于確保電離的水平足以顯著降低自動點火的分散。 例如，可保證脈沖電流發生器適于產生單脈沖電流。 該實施例有助于發動機的供電的發展，因為只需限定所傳輸的電能和放電速率。
例如，可保證脈沖電流發生器適于產生交流電流。 前述實施例的該替代實施例用來在比單脈沖實施例更長的時間段上提供混合物 的電離，由此促進具有更大體積的電離層的形成。 在該實施例中，脈沖電流發生器優選適于產生頻率為1-10兆赫(MHz)且優選為 1-5兆赫的交流電流。 根據上述的本發明的方法，可保證通過將活塞朝它的上止點位置移動以便增加所 述燃燒室內的壓力來形成用于氧化劑和燃料的混合物的自動點火條件，并且在所述混合物 的自動點火之前，保證向所述電極供給的脈沖電流不中斷。 該實施例用來防止點火被電極起動，只要燃燒室中的壓力和溫度條件滿足，點火 就自動起動。 按照本發明的方法的優選實施例，向電極供應脈沖電流的持續時間在1至20毫秒 之間。該持續時間對應于產生足夠的自由基以及使得自動點火能隨時間重現所需的時間。
按照本發明的方法，向電極供應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。 為了利用本發明的發動機和方法，在電極周圍由發生器產生的功率密度R設計成 使得在電離時間在電極周圍的溫度低于800K且優選地低于500K。該特征可防止對電極的 供電引起點火。
本發明的其它特征和優點將從下面參照附圖所作的說明中顯而易見，該說明僅作 為示例而非用于限制，在附圖中 圖！示出本發明的發動機的燃燒室的橫截面；
圖2示出適于實施本發明的三種類型的電極； 圖3示出適于向本發明的發動機的電極供電的兩種類型的電源電流； 圖4示出現有技術的發動機燃燒室中的壓力變化的曲線，該圖中的每條曲線都對
應于一特定的發動機循環，這些曲線在同一曲線圖上的疊加示出在不同發動機循環之間自
動點火時間隨時間推移的分散； 圖5示出與圖4類似的曲線圖，但其中的壓力變化測量結果取自本發明的發動機， 該曲線圖示出自動點火的分散減少。
具體實施例方式
如上所述，本發明涉及如圖1中所示的那樣的內燃發動機。該發動機包括燃燒室 l，在所述燃燒室中移動式活塞在上止點和下止點之間滑動，在所述上止點中燃燒室的體積 最小，而在所述下止點中燃燒室的體積最大。該發動機包括單個帶有尖頭的電極，該電極的 尖頭在燃燒室內安放在距該室的內壁一定距離D處。該距離D是尖頭與壁之間的最小距離 (以直線而無障礙時測得)，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按照控制機構7發出的指令由脈沖電流發生器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
5通過電流發生器以20-30KV的電壓供電時，電極會引起形成電暈的放電，該放電可以與稱 為輝光放電8的均勻放電相關聯或不相關。當供電功率密度低于105W/cm3時，這種類型的 放電出現。應該注意，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毫米或甚至1或2厘米的區域中使氣體局部 裂化而改變該氣體的化學組成。 優選地，對于本發明的發動機以及方法來說，為這種局部裂化而向電極供電是在 發動機的閥3或4關閉之后以及即將開始壓縮之前或在壓縮期間發生的。
向電極供應能量或功率通過控制機構7進行選擇，該控制機構是計算機，該功率 可根據發動機速度變動。優選地，供電持續時間選擇在1至20毫秒之間。由此得到的局部 裂化起初在電極5的尖頭附近的區域8中產生自由基和/或中間烴類物質。在壓縮期間， 優選成旋渦狀的湍流使得含有局部裂化產物的分層區9變寬。 當活塞從它的下止點運動它的上止點并且在向已經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點燃。這種開始尤其是在含有自由基和 /或中間烴類物質的區域中發生。 圖2a、2b和2c示出三種類型的電極，所述電極分別具有一個、兩個或四個尖頭，這 些電極均適于形成本發明的發動機的電極以及適于實施本發明的方法。已經發現，電極優 選的是具有四個以上的尖頭，以便增加放電的質量。 優選地，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生過早點火
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，且該供電的持續時間必 需在l-20ms之間。 圖4和5均示出發動機燃燒室中的壓力變化的例子，其用于其中發生自動點火的 發動機循環部分。 對每個給定的壓力曲線，繪出燃燒室1中的壓力隨時間推移的變化，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到它的上止點的運動。 第二壓力升高與第一壓力升高相比在時間上的偏移對應于混合物的自動點火。
圖4示出現有技術的發動機的運行，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間間隔根據循環而變動，并且可在前一自動點火與后 一自動點火之間看到實際上為100ms的差異。 相比之下，在示出本發明發動機的運行以及本發明方法的運行的圖5中可以看 出，不同循環之間的點火時間間隔的失真實際上為零。因此很容易預知通過引起局部裂化 形成的從一個發動機循環到另一個發動機循環的自動點火時間，該局部裂化是通過在自動 點火之前向電極供應較少電能實現的。
權利要求
一種內燃發動機，包括-脈沖電流發生器(6)；-火花塞，該火花塞配備有單個電極(5)，該電極設有至少一個尖頭；-用于控制通過所述發生器(6)給所述電極(5)供電的機構(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)的內壁隔開一最小分離距離(D)，該電極與該內壁電絕緣，其特征在于，電流發生器(6)和電極(5)設計成使得在給所述電極(5)供電期間產生的功率密度(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. 如權利要求1所述的內燃發動機，其特征在于，電流發生器(6)和電極(5)設計成使 得在給所述電極供電期間產生的功率密度(R)低于10V/cm3。
3. 如權利要求2所述的內燃發動機，其特征在于，電流發生器(6)和電極(5)設計成使 得在給所述電極供電期間產生的功率密度(R)處于10V/cm3至10V/cm3之間，該發生器能 產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. 如前述權利要求之一所述的內燃發動機，其特征在于，脈沖電流發生器(6)適于產 生單脈沖電流。
5. 如權利要求l-3之一所述的內燃發動機，其特征在于，脈沖電流發生器(6)適于產生 交流電流。
6. 如權利要求5所述的內燃發動機，其特征在于，所述脈沖電流發生器(6)適于產生頻 率在1至10兆赫之間且優選在1至5兆赫之間的交流電流。
7. —種用于控制內燃發動機的方法，該內燃發動機包括 -脈沖電流發生器；-火花塞，該火花塞配備有單個電極，該電極設有至少一個尖頭； -用于控制通過所述發生器給所述電極供電的機構；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壁隔開一最小分 離距離(D)，并且該電極與該內壁電絕緣；-活塞(2)，該活塞(2)滑動地安裝在該燃燒室(1)中的上止點位置和下止點位置之 間，其特征在于，向該燃燒室(1)中發送氧化劑和燃料的混合物，當活塞從它的下止點位 置向它的上止點位置移動時，在活塞(2)到達上止點之前，產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) 的立方計算的。
8. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，通過使活塞朝它的上止點位置移動以增加 所述燃燒室(1)中的壓力來形成用于氧化劑和空氣的混合物自動點火的條件，在所述混合 物自動點火之前，中斷對所述電極(5)的脈沖電流的供應。
9. 如權利要求7和8至少之一所述的方法，其特征在于，對電極(5)供應脈沖電流的持 續時間在1至20毫秒之間。
10. 如權利要求7-9至少之一所述的方法，其特征在于，對電極(5)供應的脈沖電流是 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
內燃發動機包括脈沖電流發生器(6)；至少一個電極(5)，該電極設有至少一個尖頭；用于控制通過所述發生器(6)向所述電極(5)供電的機構(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)的內壁隔開一最小分離距離(D)。該電流發生器(6)和電極(5)設計成使得向所述電極(5)供電時產生的功率密度(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F02P23/04GK101796293SQ200880105589
公開日2010年8月4日 申請日期2008年7月21日 優先權日2007年7月25日
發明者A·阿涅雷, J·索頓, M·貝勒諾, M·馬卡羅夫, S·拉布達 申請人:雷諾股份公司