[发明专利]用于内燃机的高压火花点火及分层设备

说明书

技术领域

本发明涉及往复式内燃机的高压火花点火和分层设备，其中高度稀释的充气使用已知为“外部冷却的EGR”装置的装置再循环预先冷却的排气。

背景技术

往复式内燃热机的热力学效率取决于多种因素，包括，第一，燃烧的持续时间和定相，该燃烧旨在提高被压缩后再收集在燃烧室中的气体的温度；第二，与所述发动机内壁接触的所述气体的损失；以及第三，所述气体的膨胀率，所述膨胀允许所述气体对所述发动机的活塞施加推力，以便将所述燃烧所释放的热能转化成机械功。

然而，通过所述气体在其膨胀时对所述活塞的推力所产生的正功在其可用于热机的输出轴之前，就部分地损失。这是由于通过所述发动机零件之间的机械摩擦，和通过驱动所述发动机的附件和辅助设备，在热机的各种进气导管和排气回路中泵送和传送所述气体所产生的负功或阻力功所致。

因此，对于所消耗的给定量的燃料，往复式内燃热机的效率随着由气体压缩-膨胀循环对所述发动机的活塞所做的正功的增加而提高，和随着所述气体进出所述发动机而产生的负功或阻力功和由所述发动机的机械装置及其附件所产生的功的同时减少而提高。

为了尽可能有效地将燃烧释放的热转化成机械功，可取的是在靠近所述发动机活塞的上止点，也就是说在等容下快速燃烧引入到热机的气缸内的燃料空气混合物。只要气体温度未达到高的致使所述气体和发动机燃烧室的内壁之间的热交换变得过多的水平，上述仍然为真。只要由燃烧产生的气压梯度未导致过度噪音并且不是由爆燃造成的，其也仍然为真。

爆燃是在压力和温度的组合效应下发生在一定时期后的自发气体燃烧，并且产生非常大的压力波，尤其是通过分离覆盖在所述壁表面的绝缘空气层，该压力波还倾向于增加所述气体和所述壁之间的热交换。因此爆燃是不合需要的现象，降低了热机的效率，也因热力和机械过载而倾向于损害发动机的内部构件。

在往复式内燃热机的燃烧室中启动燃烧的主要方法之中，能够对火花点火、喷射前端的燃料自燃和压缩点火进行区分，其中燃料自燃为柴油发动机的特性，而压缩点火使用以缩写词CAI(用于受控自动点火)或HCCI(用于均化充量压燃)为人熟知的方法。

受控点火发动机的燃烧速率主要取决于在被引入到所述发动机燃烧室的空气燃料混合物中的空燃比和残留燃烧气体的内容物，取决于为了燃烧所有所述混合物而必须被火焰覆盖的距离，并且取决于所述混合物内的微湍流，火焰传播速度与所述湍流大约成正比。

在狄赛尔循环中，燃烧速率主要由柴油燃料的喷射质量和所述柴油燃料的十六烷值确定。在CAI或HCCI中，压缩比、燃料空气混合物的初始温度和燃烧气体的内容物、所使用的燃料的特性和充气的同质性都是确定燃烧的启动和速率的因素。不管启动燃烧的方法，所述燃烧的速率确定能量释放的速率，其通常表达成燃烧开始和结束之间的曲轴的旋转度，遵循根据曲轴角位置示出燃烧的燃料的累积分数的曲线，一次一度。

不管往复式内燃热机的燃烧模式，实际上当热气和所述发动机内壁之间的热交换最少时，其效率总是较高。

应当该指出的是，如果所述气体和所述壁之间存在小的温差，如果存在少量的或不存在增加以上所述功率交换的湍流对流，其中所述功率交换由简单的热传导和辐射所致，以及如果所述气体的单位体积质量低，那么所述热交换减少。

为减少热气和往复式内燃热机的内壁之间的温差，可提高所述壁的温度，和/或可降低所述气体的温度。然而，这两种布置在改善受控点火往复式内燃热机的效率中迅速达到其极限。

这是因为增加往复式内燃热机的燃烧室内壁的温度具有降低其填充能力的缺点：获得与所述热壁接触的冷空气或气体混合物立即膨胀，从而降低所述发动机在进气阶段的体积效率，因此降低其整体效率。此外，通过这种方法过热的冷空气或气体混合物使得发动机更易于爆燃，其必须通过提供较低的压缩比/膨胀比，和/或提供延迟点火来弥补，尽管这两种布置也降低了所述发动机的效率。为提高燃烧室内壁的温度，已进行过各种测试，如Toyota制造的具有陶瓷燃烧室和气缸的所谓“绝热”发动机的情况。该发动机就效率方面提供了非常有限的优点，值得注意的是因为，毕竟，与其他发动机相比，过于高的壁温往往增加了所述壁上的气体的热损失，而在其他发动机中，冷却器壁对覆盖了所有往复式内燃热机内壁的隔热空气薄层的维护和功效更为有利。鉴于这些原因，“绝热”发动机并未发展超越实验阶段。