本发明涉及冲击加热面发火式内燃机及其冲击加热面发火方法。 直接喷射式柴油机或带有副室的柴油机，需要将从燃料喷射阀向燃烧室或副室内喷出的燃料尽可能地形成微粒，与空气充分混合，因此，在这些柴油机中，从燃料喷射阀的喷嘴口喷射燃料时，尽可能使燃料形成微粒。再者，当燃烧室或副室的温度低时（如在发动机启动时），燃料不能充分雾化，因此在燃烧室或副室内安装一个热线点火塞，通过对燃烧室或副室内空气的加热等方法，来促进燃料发火。
但是，既使如上述那样促进从燃料喷射阀的喷嘴口喷出的燃料形成微粒，在燃烧室或副室内安装热线点火塞，在燃料与空气达到充分混合并使其发火之前，仍需要一定的时间，这样便产生发火延迟现象。一旦产生这样的发火延迟现象的话，在实现发火时，由于周围已经存在着大量的燃料微粒，而使周围的燃料迅速燃烧，于是燃烧室或副室内的燃烧压力急剧上升。如果燃烧压力急剧上升，不仅发出很大的噪声，而且还因最高燃烧温度升高而产生大量的废气（Nox）。另外，这类柴油机难以使燃料在燃烧室或副室内均匀地分散，因而必然出现燃料微粒周围氧气不足区域。其结果，在这样的区域中将会产生大量的悬浮燃料微粒。只要燃料是从喷射阀的喷嘴口边形成微粒边喷出的话，那么就难以缩短发火延迟时间，而且难以使燃料在燃烧室或副室内均匀地分散。因此，只要燃料是从喷射阀的喷嘴口边形成微粒边喷出的，那么就会在发出很大噪声地同时产生大量的废气（Nox），而且还产生大量的悬浮燃料微粒。
此外，压燃式发动机具有热效率高的优点，如果能使汽油和甲醇等低十六烷值、高辛烷值的燃料实现压缩点火，则有很高的经济性。但是，这类低十六烷值、高辛烷值燃料的发火延迟时间极长，因此，长久以来认为，这类燃料压缩点火是困难的。
本发明的目的在于提供一种使用可用于内燃机的任何种类的燃料都可通过自身发火而获得燃烧状态良好的内燃机和发火方法。
本发明提供的内燃机是，在燃烧室内设置电气加热的加热构件，从燃料喷射阀的喷嘴口向加热构件的加热面以连续液流的形式喷射燃料，同时使燃料以不形成微粒的液体状态冲击加热面。
另外，本发明提供的发火方法是，从燃料喷射阀向燃烧室内以连续液流的形式喷射燃料，然后将此燃料以不形成微粒的液体状态冲击电气加热的加热构件的加热面，使冲击后扩散的燃料发火。
对附图的简单说明如下：
图1是冲击加热面发火式内燃机的第一实施例的侧剖视图。
图2表示图1中的汽缸盖内壁。
图3是冲击加热面发火式内燃机的第二实施例的侧剖视图。
图4是冲击加热面发火式内燃机的第三实施例的侧剖视图。
图5是冲击加热面发火式内燃机的第四实施例的侧剖视图。
图6是冲击加热面发火式内燃机的第五实施例的侧剖视图。
图7是冲击加热面发火式内燃机的第六实施例的侧剖视图。
图8是冲击加热面发火式内燃机的第七实施例的侧剖视图。
图9是冲击加热面发火式内燃机的第八实施例的侧剖视图。
图10是冲击加热面发火式内燃机的第九实施例的侧剖视图。
图11是冲击加热面发火式内燃机的第十实施例的侧剖视图。
图12是冲击加热面发火式内燃机的第十一实施例的侧剖视图。
图13是表示理想温度的曲线图。
图14是电子控制装置的电路图。
图15是控制加热用的第一实施例的程序方框图。
图16是控制加热用的第二实施例的程序方框图。
图17是控制加热用的第三实施例的程序方框图。
下面叙述实施本发明的最佳状态。
图1和图2表示本发明的第一实施例。参见图1和图2，其中，1为汽缸体，2为在汽缸体1内作往复运动的活塞，3为紧固在汽缸体1上的汽缸盖，4为在活塞2与汽缸盖之间形成的燃烧室，5为进气阀，6为排气阀。在活塞2的平坦顶面2a的中部形成空腔7，在汽缸盖3的平坦内壁面3a的中部配置燃料喷射阀8。在图1所示的实施例中，燃料喷射阀8具有一个喷嘴口9和控制该喷嘴口9开关的油针10，当油针10使喷嘴口9开启时，从喷嘴口9向空腔7的中部喷射燃料。
在空腔7的中央部配置着盘状的加热构件13，该加热构件13是由汽缸盖3通过一对支承构件11、12来支持的。该加热构件13系由陶瓷那样的耐热材料加工制成。在加热构件13的内部，配置由电加热的加热元件14，该加热元件14使喷嘴口9对面的加热构件13的加热面15加热。另外，在加热构件13的内部，设有检测加热面15温度的温度传感器16（如热电偶）。通过温度传感器16的输出信号，使加热面15的温度维持在高于压缩温度的650℃以上，例如800℃。而且，还可以采用正温度系数热敏电阻元件等陶瓷加热器作为整个加热构件13，以取代加热元件14。在图1所示的实施例中，加热面15是由与汽缸盖内壁面3a大致平行的平面构成的，但是，该加热面15也可以由曲率半径较大的凸曲面或凹曲面来形成。
如图1中F所示，燃料是以连续液流的形式从燃料喷射阀8的喷嘴口9向加热面15的中部喷射。在图1所示的实施例中，上述燃料喷射大体上从压缩行程的上死点前5度至15度开始。从喷嘴口9喷出的燃料冲击加热面15的中部，此时，一部分燃料由于冲击的能量而立即雾化，其余的燃料以液膜流的状态朝着加热面15的边缘流向各方向。然后，该液膜流在加热面15的边缘分裂，形成燃料微粒，如图1中的箭头所示，该燃料微粒向周围飞散。如上所述，被喷射燃料中的一部分在冲击后立即雾化，该雾化后的燃料，在冲击时从加热面15上获得热量，变为高温的，因此可使自身立即着火。以液膜流的形式在加热面15上流动的燃料，在加热面15上流动期间，从加热面15获得热量而变成高温的。因此从加热面15的边缘向周围飞散的燃料微粒也变成高温的，因此，该燃料微粒也立即使自身着火。由于着火的延迟期间是非常短促的，因而可使燃料喷射阀8喷射的燃料依次燃烧。其结果，由于燃烧压力缓慢升高，而使噪声的发生得到抑制，还由于最高燃烧温度降低，而使废气（NOx）的产生也得到抑制。并且，由于燃料是从加热面15向各方均匀地飞散的，所以空腔7内的燃料微粒也均匀地飞散，这样则几乎不会存在燃料微粒周围的缺氧区，从而抑制了悬浮燃料微粒的产生。
本发明的重要内容在于：燃料以连续液流的状态从燃烧喷射阀8的喷嘴口9喷射出来，使该喷射燃料以不形成微粒的液体状态冲击加热面15;以及加热面15具有足够大的面积，以便于对冲击加热面15的燃料提供足够的热量。
也就是说，本发明的特征在于，它与从燃料喷射阀的喷嘴口喷射燃料微粒的那种以往的柴油机不同，从燃料喷射阀8的喷嘴口9喷出的燃料时，燃料基本上没有形成微粒，通过该喷射燃料冲击加热面15后，才使喷射燃料形成微粒。当然，不可能使所有从喷嘴口9喷出的燃料都不形成微粒，实际上是一部分从喷嘴口9喷出的燃料以不形成微粒的液体状态冲击加热面15。此时的燃料，有时是以连续液流的状态冲击加热面15的，也有时是喷出后分裂，并以液滴的状态冲击加热面15的。无论哪种情况，在本发明中，由于是使喷射燃料冲击加热面15而使其形成微粒的，所以需要使喷射燃料以尽可能高的速度冲击加热面15，因此应以连续液流的形式从喷嘴口9喷射燃料。即，由于以连续液流形式喷出的燃料具有很大的惯性力，它在冲击加热面15之前几乎不减速，因此，燃料喷射压力即便是100kg/cm2至150kg/cm2的低压，也会使喷射燃料以高速度冲击加热面15。
如以往那样，从燃料喷射阀的喷嘴口喷出已形成微粒的燃料时，雾状的喷射燃料的惯性力小，燃料微粒刚从喷嘴口一喷出来就会很快地减速。因此，在这样的燃料喷射中，尽管设置热线点火塞，冲击热线点火塞的少量燃料微粒只是漂浮在热线点火塞的附近，由于高温燃料微粒不是分散在燃烧室4中的广泛区域内，所以对缩短发火延迟时间的作用不大。
虽说一部分喷射燃料冲击后立即雾化，但以液体状态冲击加热面15的燃料在加热面15上呈环状扩展，该环状扩展的燃料形成微粒。为了给上述环状扩展的燃料提供充足的热量，加热面15至少应具有足够加热环状扩展燃料的面积。为了对在加热面15上以液膜状态向其边缘流动的燃料进行充分加热，加热面15最好还应具有更大一些的面积。
在图1所示的实施例中，从燃料喷射阀8的喷嘴口9喷出的燃料，有百分之五十以上的大部分燃料以液体状态冲击加热面15。但是已经验证，从燃料喷射阀8喷出的燃料中，即使只有百分之五十以下的燃料以液体状态冲击加热面15，对于缩短发火的延迟时间，也可以起到相当大的作用。
再者，由于将加热面15保持在高温下，因而在加热面15上不会形成积碳等，并因加热构件13的尺寸小，只要对加热元件14通电，加热面15的温度就会立即升高，这样，从发动机启动时开始就可保证发火延迟期间就非常短的良好的燃烧状态。
图3至图12示出各实施例。在图3至图12所示的各实施例中，其构件与图1和图2所示实施例的相同者，均用同一符号表示。
图3所示为第二实施例。在该实施例中，加热构件13与其下部设有多个环状吸热片的受热部13a形成一个整体。该受热部13a是为尽可能吸收燃烧气体的热量，且将该热量传递到加热面15，以减少加热元件14的电力消耗量而设计的。
图4所示为第三实施例。在该实施例中，在支承构件11内设有加热元件14，在支承构件14的头部固定有传热性好的、例如金属材料的加热板17。加热元件14产生的热量，通过热传导传递到加热板17，由此对加热板17的加热面15进行加热。
图5所示为第四实施例。在该实施例中，通过三个支承构件18，由燃料喷射阀8支承加热构件13。也就是说，加热构件13与燃料喷射阀8形成一个整体。
图6所示为第五实施例。在该实施例中，加热构件13由活塞2上形成的空腔7的底面中部支承。
图7所示为第六实施例。在该实施例中，活塞2上形成的空腔7大致为球状，在该球状空腔7的壁面上设置加热构件13。从燃料喷射阀8的喷嘴口9喷出的燃料如F所示，燃料向加热构件13的加热面15喷射。
图8所示为第七实施例。在该实施例中，将一对加热构件13设置于空腔7的周边部分，各加热构件13分别通过相应的支承构件19由汽缸盖3支承。燃料喷射阀8有一对喷嘴口9，从各喷嘴口9朝相应的加热构件13的加热面15喷射燃料。
图9所示为第八实施例。在该实施例中，活塞2的整个顶面2a是平坦的，但在汽缸盖内壁3a的中部形成空腔20。在空腔20的周面上设有一对加热构件13。燃料喷射阀8有一对喷嘴口9，从各喷嘴口9向相应的加热构件13的加热面15喷射燃料。
图10所示的第九实施例。在该实施例中，活塞2的整个顶面2a也是平坦的，在汽缸盖内壁3a的中部形成空腔20。另外，在该实施例中，加热构件13形成环状，将该环状加热构件13安装在燃料喷射阀8的头部。燃料喷射阀8上设有若干个喷嘴口9，各喷嘴口9均朝圆锥状的加热面15喷射燃料。
图11所示为第十实施例。在该实施例中，燃烧室4由主室4a和副室4b构成，副室4b通过喷口21与主室4a连接，副室4b内设有燃料喷射阀8的喷嘴口9。副室4b的内壁面上设置加热构件13，燃料喷射阀8的喷嘴口9向加热构件13的加热面15喷射燃料。
图12所示为第十一实施例。在该实施例中，燃烧室4也由主室4a和副室4b构成，副室4b通过喷口21与主室4a连接，在副室4b内设置燃料喷射阀8的喷嘴口9。在副室4b的中心部分设置加热构件13，该加热构件13通过支承构件22由副室4b的内壁支承，燃料喷射阀8的喷嘴口9朝加热构件13的加热面15喷射燃料。
图1至图12所示的任何一种内燃机都用轻油为燃料，除此之外，还可以使用汽油、甲醇、煤油、将煤粉溶解于水等液体中而得到的燃料、以及可用于内燃机的其他各种燃料。另外，图1至图12所示的任何一种内燃机都不在进气通路内设置节流阀，并且不需在燃烧室4或主室4a内产生涡流，因此进气阻力小，从这个意义上说，可以提高热效率。
在本发明的实施例中，发动机的活塞顶面形成空腔，当活塞位于上死点时，该加热构件位于空腔内。而且，加热构件位于空腔的中部，该加热构件与喷射轴线成直角。
在上述的任一实施例中，为了缩短发火延迟时间，需将加热面15的温度保持在理想温度，该理想温度存在最佳值，该最佳值大致在650℃以上，最理想的是约800℃，不过，根据发动机运转状态的不同而多少会有一些变化。下面，结合图13来说明最佳的理想温度。
当发动机的负荷L减小时，则喷射燃料量减少，而且燃烧室4或副室4b内的温度降低，因而自身发火困难。因此，如图13（A）所示，最好随着发动机负荷L的减小，而提高加热面15的理想温度T0。
再者，发动机的转速N越低，爆发冲程的间隔也越长，燃烧室4或副室4b内的温度也降低，因而自身发火困难。因此，如图13（B）所示，最好随着发动机转速N的降低，提高加热面15的理想温度T0。
此外，发动机冷却水的温度越低，进入空气温度也越低，而且燃烧室4或副室4b内的温度也降低，因而自身发火困难。因此，如图13（C）所示，最好随着发动机冷却水温度Tw的降低，提高加热面15的理想温度T0。
由此可知，如图13（D）所示，加热面15的理想温度T0是发动机负荷L、发动机转速N、发动机冷却水温度Tw的函数。
下面，结合图14至图17说明理想温度T0的控制方法。
图14中示出控制理想温度T0用的电子控制装置。如图14所示，该电子控制装置30由数字计算机构成，且具有由双向母线31相互连接的只读存储器（ROM）32、随机存取存储器（RAM）33、微处理机（CPU）34、输入口35和输出口36。负荷传感器37产生与油门踏板（图中未示出）的踩下量成比例的输出电压，即产生与发动机负荷L成比例的输出电压，该输出电压通过模拟-数字信息变换器38传送到输入口35。转速传感器39产生输出脉冲，例如发动机的曲轴每旋转30度产生一个输出脉冲，该输出脉冲输入输入口35。在微处理机34中，由该输出脉冲计算出发动机的转速N。温度传感器16产生与加热面15的温度T成比例的输出电压，该输出电压通过模拟-数字信息变换器40输入输入口35。水温传感器41产生与发动机冷却水温度Tw成比例的输出电压，该输出电压通过模拟-数字信息变换器42输入输入口35。另外，输出口36通过驱动电路43与加热构件13的加热元件14连接。
以三元图象的形式，预先将图13（D）所示的理想温度T0与发动机负荷L、发动机转速N、发动机冷却水温度的关系存储在只读存储器32中，从而，根据负荷传感器37、转速传感器39、水温传感器41的输出信号求出理想温度T0。由温度传感器16检测出加热构件13的加热面15的温度T，控制加热元件14以使加热面15的温度T达到理想温度T0。
图15示出加热构件14的加热控制程序的第一实施例，该程序根据每一定时间间隔的中断来进行。
参照图15，首先开始在步骤50中判断加热面15的温度T是否高于理想温度T0;温度T高于理想温度T0（T＞T0）时，则进入步骤51，停止对加热元件14的供电。另一方面，当温度T低于或等于理想温度T0（T＜T0）时，则进入步骤52，向加热元件14供电，其结果使加热元件14发热。这样，将加热面15的温度T控制在理想温度T0。另外，发动机在高负荷下运转时，燃烧气体的温度升高，由于来自燃烧气体的受热作用，即使不对加热元件14供电，有时也会使加热面15的温度T持续地高于理想温度T0。在这种情况下，从步骤50进入步骤51，并持续停止对加热元件14供电。
图16示出加热元件14的加热控制程序的第二实施例，该程序根据每一时间间隔的中断来进行。
参照图16，首先开始在步骤60中判断加热面15的温度T是否高于理想温度T0;温度T高于理想温度T0时，则进入步骤61，使供给加热元件14的电流I减少一定的量α。减少供给加热元件14的电流I时，加热元件14的发热量降低;电流I增大时，发热量也增加。然后，在步骤62中判断电流I是否为负值，当电流I为负值（T＜0）时，进入步骤63，使电流I为零（I＝0），进入步骤64。
另一方面，在步骤60中判定温度T低于或等于理想温度T0后，进入步骤65，使供给加热元件14的电流I增大一定的值α。然后，在步骤66中判断电流I是否大于容许最大电流Imax，电流I大于容许最大电流Imax（I＞Imax）时，进入步骤67，使电流I等于容许最大电流Imax（I＝Imax），进入步骤64。
在步骤64，向输出口36输出显示电流I的数据，根据该数据控制供给加热元件14的电流值。在该实施例中，控制供给加热元件14的电流I，以使加热面15的温度T达到理想温度T0。在该实施例中，也由于来自燃烧气体的受热作用，即使不对加热元件14供电也可使加热面15的温度持续高于理想温度T0的情况下，停止对加热元件14供电。
图17示出加热元件14的加热控制程序的第三实施例，该程序根据每一定时间间隔的中断来进行。
参照图17，首先开始在步骤70中判断加热面15的温度T是否低于由理想温度T0减掉一定值ΔT后的温度（T0-ΔT）。当温度T低于温度（T0-ΔT）〔T＜（T0-ΔT）〕时，进入步骤71，供给加热元件14的电流I为容许最大电流Imax，进入步骤72。另一方面，当温度T高于或等于温度（T0-ΔT）〔T≥（T0-ΔT）〕时，进入步骤73，判断加热面15的温度T是否高于理想温度T0加上一定值ΔT后的温度。当温度T高于温度（T0+ΔT）〔T＞（T0+ΔT）〕时;进入步骤74，使供给加热元件14的电流值I为零，然后进入步骤72。
在步骤75中，判定温度T低于或等于理想温度T0（T≤T0）时，进入步骤79，使供给加热元件14的电流I增大一定值α。然后，在步骤80判断电流I是否大于容许最大电流Imax，当电流I大于容许最大电流Imax（I＞Imax）时，进入步骤81，使电流I等于容许最大电流Imax（I＝Imax），进入步骤72。
在步骤72，向输出口36输出显示电流I的数据，根据该数据控制供给加热元件14的电流值。在该实施例中，当加热面15的温度T比理想温度T0低ΔT以上时，以电流I的值为容许最大电流Imax，于是使加热构件13迅速加热。因此，从发动机一启动开始，就可以保持良好的燃烧状态。另外，当加热面15的温度T比理想温度T0高ΔT以上时，电流I为零，从而停止向加热元件14供电。因此，由于来自燃烧气体的受热作用，即使不对加热元件14供电也可以使加热面15的温度持续高于温度（T0+ΔT）的情况下，停止向加热元件14供电。另一方面，温度T低于或等于温度（T0+ΔT）且高于或等于温度（T0-ΔT）时，控制供给加热元件14的电流，以使加热面15的温度T为理想温度T0。
如上所述，根据本发明，通过使燃料冲击加热面，可促进由加热面受热的燃料微粒活化，并向周围飞散，且使其立即发火。因此，除可以轻油为燃料之外，还可以使用汽油、甲醇、煤油、用煤粉溶解于水等而得到的燃料、以及认为可用于内燃机的其它各种燃料，且极大地缩短发火的延迟时间，并获得因自身发火形成的良好的燃烧状态。