多室点火器优先权要求
本申请要求2013年6月10日提交的美国专利申请号13/913,840的优先权，其全部内容通过引用结合于本文中。
背景技术
使用气体燃料（诸如天然气）的发动机通常被供应以贫燃料混合物，其是包含过量空气的空气和燃料的混合物，除了该过量空气之外，该混合物具有理想的燃烧配比。贫燃料混合物通常导致不良的燃烧，诸如不能起动、不充分燃烧和低燃料经济性。改进燃烧的努力的结果是引爆或使用会导致火花塞寿命短的高能量火花。可导致这类事件的一个因素是常规火花塞有效且持续地点燃运转的发动机汽缸中的贫燃料混合物的能力不足。
附图说明
图1是包括前室中的预燃室点火塞的内燃机的一部分的侧面剖视图；
图2是示例性预燃室火花塞的一部分的半个侧面剖视图；
图3A和3B是示例性预燃室点火塞和前室的一部分的半个侧面剖视图，示出在点火之前和之后流进入和离开预燃室和前室；
图4A-G是点火塞和前室的其他示例的半个侧面剖视图，其中，图4B示出无端帽，图4E示出延伸到前室中的点火器的点火体，并且图4H是有槽圆盘端帽的立体图；以及
图5是示例性塞支架的一部分的外部立体图，示出多个开口；
图6是对于示例性的M18尺寸点火塞主燃烧室和点火塞中的平均压力与曲柄角的图表。
在不同附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施方式
本文的构思涉及利用前室对发动机燃烧室中的空气/燃料混合物进行点火。
图1示出示例性内燃机100的一部分的剖视图。示例性内燃机100是往复式发动机并包括缸盖102、缸体122和活塞104。活塞104位于缸体122内的汽缸内。在发动机操作期间，活塞104能够在汽缸内往复运动。燃烧室106是位于汽缸内缸盖102和活塞104之间的空间，并且受缸体122限制。
示例性内燃机100包括具有进入阀110的进入通道108和具有排放阀114的排放通道112。通道108、112在缸盖102中与燃烧室106相邻，并且阀110、114形成燃烧室106的壁的一部分。在发动机操作期间，进入阀110打开，以使一定量新鲜的空气/燃料混合物从进入通道108流入燃烧室106。在其他示例中，进入阀110仅容许空气进入，并且燃烧室内的燃料喷射器容许燃料进入，以在燃烧室106中形成空气/燃料混合物。在燃烧之后，排放阀114打开，以燃烧剩余物排出燃烧室106并进入排出通道112。虽然在此参照往复式内燃机描述了本文的构思，但所述构思可应用于其他内燃机配置。
示例性内燃机100包括容纳点火塞124的示例性点火塞支架116。点火塞支架116是位于缸盖102中的管状壳，并且螺纹耦接和/或以其他方式耦接到缸盖102。在一些示例中，点火塞支架116可延伸到燃烧室106中，与燃烧室106的壁齐平，或相对于燃烧室106的壁凹陷。示例性点火塞124被容纳在示例性点火塞支架116内，并且螺纹耦接和/或以其他方式耦接到支架。因此，支架116限定围绕点火塞124的外部包围结构。
前室120是在支架116内与燃烧室106相邻但分开的外室。在一些示例中，前室120可形成在缸盖102本身中，并且可省略支架116。前室120还与点火塞124的内部相邻但分开。在其他示例中，前室120可与点火塞124集成在一起（例如，在同一或联合的壳或包围结构中），而非位于单独的支架中。前室120被示出具有关于支架116和点火塞124的中心线对称的形状，但在其他示例中，它可以是不对称形状。前室120被示出具有比点火塞124和壳体的最大横向内部尺寸大的最大横向内部尺寸（例如，直径）。前室120还具有比点火塞124的流体容纳空间大的内部空间。在某些示例中，前室120的体积可以是点火塞124的流体容纳空间的体积的10、20、甚至30倍。
示例性点火塞支架116包括开口118。开口118包括终止于支架116的外部处并标称位于燃烧室106内的外端。开口118的内端汇聚到朝向前室120开口的中心通道126。开口118可以是一个或多个，并且可以按从中心通道126发散的对称或不对称图案位于支架116上。开口118容许进料、火焰和剩余物在前室120和燃烧室106之间流动。如下文更详细地论述的，在点燃前室120中的空气/燃料混合物之后，开口118和中心通道126用作喷射通道，以将燃烧的空气/燃料混合物从前室喷射到发散火焰喷射器中，该喷射器深入燃烧室106并点燃燃烧室106中的进料。开口118和中心通道126还将新鲜空气/燃料混合物从燃烧室106喷射到点火塞124中。中心通道126沿主要导向点火塞124的前室120的中心将流喷射成合并的流。
点火塞124是被配置为产生火焰核心以点燃燃烧室中的进料的装置，诸如火花塞、热表面点火器、激光点火器和/或其他类型的点火器。图1的点火塞124是“预燃室”型点火塞，它包括限定包围火焰核心产生的位置的内室的包围结构。此包围结构本身被包围在前室120内，并因此是内部包围结构。但是，点火塞124可以是其他配置，包括端部开放式点火塞。此外，火花表面可凹陷在点火塞腔内，该点火塞腔具有或不具有限流端帽或延伸到前室120中。
图2图示可被用作点火塞124的示例性点火塞200的剖视图。可使用其他配置的点火塞。
示例性点火塞200是细长的并以纵向中心轴线206为中心。在示例性点火塞200中，中心点火体208沿纵向轴线206延伸并且从塞体或基底212进一步延伸。在示例性点火塞200中，第二点火体210是管状的并位于壳体214内。在点火塞是火花塞的示例中，基底212是绝缘体，并且中心点火体208和第二点火体210是在主体之间的最窄位置处形成火花隙（即，开始点火的点火隙）的两个电极。在点火塞是加热表面点火器的示例中，中心点火体208和第二点火体210中的一个或两者是用于在主体之间的间隙中产生火焰核心的加热表面。
管状点火体210围绕中心点火体208并且具有沿轴向向前延伸超过中心点火体208的端部的管状部分。此管状部分形成速度控制管224。速度控制管224是管状结构，在图2中被示出延伸超过中心点火体208的端部。速度控制管224被配置为将流聚集和引导至中心点火体208和管状点火体210之间的火焰核心启动间隙（例如，火花隙）中。速度控制管224和管状点火体210可以是圆柱形的、多边形的或其他形状的。中心点火体208类似地具有圆柱形形状、多边形形状或其他形状。点火体还可具有沿它们的轴向长度可变的形状。管状点火体210和中心点火体208可以是也可以不是相同或相对应的形状。此外，虽然速度控制管224和管状点火体210都被示出是连续无间断的，但它们不必是没有中断的。在某些示例中，管状点火体210可由围绕中心点火体208汇聚但不接触且形成大体管状形状的多个接地电极形成。点火体的其他布置（即，除了围绕中心点火体的管状点火体之外）在本文构思的范围内，包括具有J形点火体的标准J-Gap点火塞。此外，点火体（无论是管状、J形还是其他形状的）可设置有或不设置速度控制管224。
塞200包括是包围结构的一部分的壳体214。壳体214限定塞200的预燃室，预燃室是包括火焰核心启动间隙前面的前区218和火焰核心启动间隙后面的后区216的流体包含空间。壳体214附接到基底212并承载端帽204或喷嘴，但是如下所述，也可以在没有端帽204的情况下起作用。端帽204构成包围结构的另一部分和点火塞200的前区218的前端。在某些示例中，端帽204可集成到壳体214中（形成为单个构件），这与如图所示地作为附接到壳体214上的分离构件相反。壳体214和端帽204限定凸锥形状，其突起到前室120中，以促进前室120内的再循环（下面描述）。在其他示例中，端帽204可以是平坦的，具有穹顶形状或具有另一种形状。端帽204具有中心开口222和多个外周开口202。中心开口222被配置为将进入流引导至前区218中，主要朝向并进入速度控制管224内并进入火焰核心启动间隙。外周开口202是外围喷射通道，被配置为将进入流引导至预燃室中，主要引导至管状点火体210的外部并围绕预燃室旋动。因此，在某些示例中，中心开口222沿轴向定向并且与纵向轴线206对齐，并且外周开口既不平行也不垂直于纵向轴线206。每个外周开口202可以大小相同（即，具有相同的剖面流通面积（flowarea））或者它们可以大小不同。类似地，中心开口222可与外周开口202大小相同或大小不同。如下文更详细地论述的，在点燃预燃室中的进料之后，开口202、222作为喷射通道操作，所述喷射通道将燃烧的空气/燃料混合物从预燃室喷射到火焰喷射器中，该火焰喷射器深入前室120并点燃前室120中的进料。在点火之前，开口202、222作为喷射通道，将新鲜空气/燃料混合物从前室120喷射到预燃室中的喷射器中。
管状点火体210被示出由安装在壳体214的内侧壁上的圆盘部分220支撑。在其他示例中，管状点火体210可由从预燃室的后端延伸的一个或多个脚支撑。其他配置在本文的构思内。
图3A和图3B示出示例性点火塞200和示例性前室120的一部分。图3A示出指示在点燃空气/燃料混合物之前进入前室120和点火塞200的流的箭头。图3B示出指示在点燃空气/燃料混合物开始之后离开点火塞200和前室120的流的箭头。
在发动机运转时，活塞104的压缩动作迫使一部分冷却的（相对于剩余的燃烧气体）新鲜空气/燃料混合物通过开口118和中心通道126从燃烧室106流入前室120（图3A）。中心通道126用作喷嘴，并且在一些示例中，用作汇聚喷嘴，以将流引导至前室中。因此，例如，中心通道126的剖面流通面积等于或小于开口118的结合流通面积。中心通道126将进入的冷却新鲜进料喷射成中心高速流，该中心高速流主要被引导为撞击端帽204并进入塞200的中心开口222和外周开口202。中心流具有比前室120中其他地方的流高的速度，并且倾向于将剩余的燃烧气体远离点火塞200的前部及其开口202、222移位，以将冷却的新鲜空气/燃料混合物供给到前区218中和火焰启动间隙中。进入前室120的新鲜空气/燃料混合物中的一部分不进入预燃室，而是在前室120内循环，将从点火塞200前部移位的剩余物困陷成远离点火塞200的端部的再循环回路（图3A）。
前室120的内壁被配置为将进入流的一部分引导成前室120内的环形涡流（toroidalvortex）。与塞200的入口相邻的前室120的上端具有以平滑曲面与前室120的侧壁过渡的壁。来自中心通道126的撞击或停滞在点火塞200上的未被接收到点火体128中的流因点火塞200的锥端而横向偏转，并被上端壁和至侧壁的平滑曲面导引成围绕前室120的外周以环形涡流方式循环。点火塞200的锥端和至侧壁的平滑曲面可被配置为减少产生此环形涡流时的流分离和其他流干扰。在某些示例中，上端壁与塞200和前室120的中心轴线正交，以将周围的流导引至侧壁的外周，但是它可以是另一种形状。侧壁以平滑曲面过渡至前室120的下端。下端壁以促进循环流向上转向并流返的方式将循环流导引至来自中心通道126的流中。例如，所述壁导引循环流，使其与来自通道126的流的主要方向（精确和/或大体）正交地或大体沿来自通道126的流的主要方向（即，不与流的主要方向对抗）重新进入来自通道126的流中。以此方式重新结合流不会显著对抗进入流，因此基本上保持从中心通道126至点火塞200的流速度，其卷走塞200前面的剩余物并向点火塞200供给冷却的新鲜空气/燃料混合物。在某些示例中，下端壁与中心轴线正交，并将循环流（精确或大体）正交地引导至来自中心通道126的流中。在其他示例中，壁可相对于中心轴线和来自中心通道126的流的主要方向具有非零角度，并以非零角度将流引入所述方向。所得的循环在前室120中产生环形涡流，其在前室120内提供受控程度的湍流。此外，当中心流和涡流相遇时，流的混合产生湍流。最后，环形涡流将剩余燃烧气体限制在前室120的循环内，使其远离点火塞200。
点火塞200可具有位于端部上的凹陷部（即，碗状凹部）。在点火之前，凹陷部通过部分地阻挡点火塞200的横向流将撞击的中心流聚集在端帽204外部并在此区域中产生较高的压力。与中心流的高速相结合，此较高压力倾向于驱动中心流进入点火器前区218并在预燃室中产生比前室120中通常的压力高的压力。（应当注意到，预燃室内的压力仍小于燃烧室106的压力）。撞击在塞200上的空气/燃料混合物通过中心开口222和多个开口202流入点火器前区218。中心开口222主要将空气/燃料混合物引导至速度控制管224内，速度控制管224继而将流引导至中心点火体208和管状点火体210之间的火焰核心启动间隙中。速度控制管224聚集来自中心开口222的流（通过阻挡中心点火体208的横向流），并且致使管224内的流停滞并产生比管224外部周围的压力和管状点火体210的出口处的压力大的压力。来自中心开口222的流的速度与压力差一起产生向后的优先速度流，速度控制管224和管状点火体210朝向后室216导引该流通过火焰启动间隙（图3A）。通过火焰启动间隙的此流迫使最后一次燃烧事件的剩余物向后并离开火焰启动间隙区域，有效地清除火焰启动间隙的剩余物并向火焰启动间隙提供健康的新鲜空气/燃料混合物。从火焰启动间隙向后清除剩余物（远离端帽），在某些示例中，可导致异常低的变异系数（COV）。
火焰启动间隙中的空气/燃料混合物在火焰核心启动间隙中被点燃（例如，通过中心点火体208和管状点火体210之间的火花放电，通过中心点火体208和/或管状点火体210的加热表面，和/或用另一种方式）。间隙中的空气/燃料混合物的速度致使最初的火焰核心被运送到后区216中。在某些实施例中，将火焰核心从火焰启动间隙移到后区中可降低点火体的火焰产生表面的温度，既因为核心从火焰开始表面上被快速移开，又因为来自中心开口222的流是恒定的冷却（比燃烧产物温度低）空气/燃料混合物源。降低火焰产生表面的温度会降低火焰产生塞寿命损失的主要因素：在高温氧化环境中火焰产生表面的高温氧化。从火焰启动间隙移开火焰核心还会产生火焰核心时点火体208、210的淬火效应，因此促进更强的核心和更健康的燃烧事件。
外周开口202被定向为将旋动运动引入进入的空气/燃料混合物中并且主要在管状点火体210和速度控制管224外部引导流。因此，旋动的空气/燃料混合物流过速度控制管224和管状点火体210的外侧，朝向它被火焰核心点燃的后室216流动。速度控制管224和管状点火体210用于遮蔽和保护火焰启动间隙中的流，使其不受由周围的外部流的旋动运动导致的流干扰影响，直到核心产生并离开管状点火体210的后部。由空气/燃料混合物的旋动运动产生的湍流将产生的火焰核心分布在后室216周围，在消耗点火器前区218中的空气/燃料混合物之前主要消耗后室216中的空气/燃料混合物。这致使在空气/燃料混合物的燃烧从后室216进行到前区218时快速增加点火器前区218内的压力。在某些示例中，点火器前区218内由空气/燃料混合物升高的平均最大压力大于15巴，并且在某些实施例中，大于20巴或30巴，超过点火之前燃烧室的平均最大压力。可在不向点火器预燃室或前室120供给燃料或浓缩燃料的情况下获得这种压力。在预燃室中有燃烧产生的增大的压力致使燃烧的空气/燃料混合物作为火焰喷出开口202、222并进入前室120（见图3B）。在空气/燃料混合物在前区218中燃烧期间，包围结构包含产生的火焰不受前室120和燃烧室106中的湍流（和相对不那么静止的流图案）影响。
前室120提供大的空间，在其中可控制流，从而保护火焰源，并且在其中，可保护火焰不受燃烧室106中的湍流影响。一旦火焰已被喷射到前室120中，前室120内的涡流和湍流就促进燃烧，将产生的火焰分布在前室120周围。由前室120中产生的火焰产生的增加的压力迫使火焰喷出开口118，进入燃烧室106。相比从点火器开口202、222喷射火焰，由前室120内火焰产生的较大的火焰喷射致使燃烧室106内的空气/燃料混合物更快更彻底地燃烧。
虽然作为被动接受燃料的前室120，其中易燃燃料仅经开口118进入，但在其他示例中，前室120可包括经由传送管的主动燃料注入，注入前室120中以浓缩混合物或注入预燃室火花塞空间中。但是，在许多示例中，前室中的湍流产生足以产生足够快的湍流增强的燃烧，以致不需要燃料供给或燃料浓缩来实现快速燃烧和在前室中产生高压。
显著地，火焰核心流到后室216以及火焰通过点火器前区218和前室120流回并流入燃烧室106，可延迟点火。因此此增加的点火延迟时间引起更彻底的燃烧，因此，过程更可重复并且具有更少的变化，并因此具有更低的COV。点火延迟的额外益处是，当汽缸压力较低时燃烧循环中火焰产生会开始得比没有点火延迟的情形快。在汽缸压力较低时开始火焰的产生会延长点火塞200的火焰产生表面的寿命。较低的汽缸压力需要更少的电压来开始火花的产生，并且较低的功率引起较少的火花塞表面腐蚀。在一些实施方式中，可比传统火焰产生塞早10-12度曲柄角开始火焰的产生。
图4A-4G是可用作点火塞124的若干其他示例性点火塞和若干其他示例性前室的剖视图。除下述之外，图4A-4G的额外的示例性点火塞和前室与图1-3所示的示例基本类似并且操作上类似。
示例性点火塞在它们的端部处各自具有稍微不同的配置。图4A具有端帽，端帽具有汇聚到点火塞的中心线的多个汇聚开口402。在点火之后，开口402用作喷射通道，以将燃烧的空气/燃料混合物从前室喷射到发散的火焰喷射器中，该火焰喷射器深入前室420并点燃前室420中的进料。在点火之前，开口402将冷却的新鲜空气/燃料混合物流汇聚到主要定向到管状主体224中的一股流中。开口402的外部开口在点火塞端部上的碗状凹部内，以促进新鲜空气/燃料混合物进入点火器前区218。可包括或省略外周开口。
图4B是不具有端帽的点火塞，更确切地说，它具有开口端部。壳体214在点火塞内部中限定腔，但所述腔不是封闭的。开口端基本上不限制在点火前直接流入前区218和管状主体224中的冷却的新鲜空气/燃料混合物。进入的新鲜进料增加前区218和后区216中的压力，直到足够高的压力抵抗进入流，使一部分横向转向，以产生上述前室420中的环形涡流。在（具有此配置或本文描述的其他配置的）某些示例中，围绕中心点火体208承载管状主体224和管状点火体210的径向辐条可以倾斜或成角度，以在后室216内产生旋动。旋动提供特定程度的湍流，该湍流促进点火塞内空气/燃料混合物快速彻底地燃烧，这继而点燃前室420中的进料。
图4C是具有端帽404的点火塞，端帽404相对于从前室的中心通道126进入的流呈现凹的会聚锥。锥形端帽404限定单个中心开口，并且可设置有或不设置外周开口。在点火之前，锥形端帽404是喷射通道，其将冷却的新鲜空气/燃料混合物汇聚并喷射到前室中，并且大部分空气/燃料混合物主要被引导至管状主体224中。锥形端帽404还沿横向引导进入的新鲜进料的一部分，以在前室420内再循环。在点火之后，中心开口是将存在于预燃室中的火焰深深地喷射到前室420中以点燃前室420中的空气/燃料混合物的喷射通道。在其他示例中，如在图4D中，端帽406相对于从前室420的中心通道126进入的流呈现凸的发散锥。
图4E是具有延伸到前室420中的点火体208、210的点火塞。管状主体224引导来自前室420的中心通道的进入的新鲜进料的一部分离开管状主体224，并沿横向引导该部分进料，以在前室420中再循环并产生环形涡流。管状点火体210可延伸回到基底212，并具有喷射剩余物（点火之前）和火焰核心（点火之后）的横向孔，或者可具有延伸回到基底的一个或多个间隔开的脚。
图4F是具有用作端帽的有槽圆盘410的点火塞。图4H示出了示例性有槽圆盘410。圆盘410具有将进入的冷却新鲜空气/燃料混合物引导至管状主体224中的中心开口。圆盘410还具有围绕中心开口的多个狭槽或孔。狭槽可倾斜或成角度，以在进入的新鲜进料中产生旋动。在点火之后，狭槽和中心开口也是将燃烧的空气/燃料混合物从预燃室喷射到火焰喷射器中的喷射通道，该火焰喷射器深入前室420并点燃前室420中的进料。进入的新鲜进料的一部分被圆盘410横向引导至前室420中，以再循环并产生环形涡流。图4G是具有开口端部及支撑管状主体224和管状点火体210的有槽圆盘410的点火塞。
重新参照图4A-4G，示例性前室420是圆柱形的，而非图3所示的略微锥形的，但仍实现相同的循环流的环形涡流。开口418被成形为用以减少从前室到燃烧室的火焰的流速损失以及减少流入预燃室的空气/燃料混合物的进入流损失。开口418还可具有与活塞顶部处的角度互补的出口角。在某些示例中，出口角可与活塞表面平行地和/或以较小的角度朝向活塞表面引导流。开口418可以以一定角度与中心通道126汇合，该角度使进入流通过开口418平滑地过渡到中心通道126中，例如，用以减少进入预燃室的速度损失。开口418可与是弯曲的（图4A-4E），或者由于制造方面的原因由一个或多个平直部段形成（图4F、4G）。
图5示出支架的外部图，示出了开口418可具有不同大小（即，流通面积）的一个或多个外部型面518a、518b。在本示例中，外部型面518a具有比型面518b小的流通面积。虽然仅示出了两种大小的型面，但可设置更少或更多个型面。较小的型面518a以比较大直径的开口518b短的距离将火焰喷射到燃烧室中，部分由于来自较小型面518a的喷射流具有较小的质量和动量。开口518a、518b还可具有不同的角度，以将火焰喷射流引导至燃烧室106的不同区域中。具有多种距离或多种角度的火焰喷射器可用火焰喷射流更好地填充燃烧室，以确保空气/燃料混合物在燃烧室106中更彻底地燃烧。
本文描述的前室和点火器组件可使得能够在燃烧室中和点火塞内使用较贫乏的混合物。在一些实施方式中，可使得很贫乏的空气/燃料混合物能够一致地燃烧，而不需要向点火塞供应辅助燃料。在一些实施方式中，组件使得燃烧室中的λ和点火塞中的λ等于或大于1.6（即，1.7、1.8、1.9或更大），以一致地被点燃，而不需要向点火塞中供给辅助燃料，其中，λ被定义为实际空气-燃料比与理想配比（即，理想配比是λ=1）的比率。前室和预燃室组件还使得能够更快速地燃烧。在一些实施方式中，在孔大于160mm的发动机中，燃烧可发生在小于20度曲柄角内。
点火塞在没有辅助燃料进入点火塞的情况下一致地点燃很贫乏的空气/燃料混合物的能力被塞进行点火时的压力升高证明。图6示出，对于以1500rpm操作的发动机中示例性M18尺寸的点火塞，主燃烧室和点火塞中的平均压力与曲柄角的图表，其中，有效压缩比为12并且计示有效平均压力（IMEP）为大约18巴。进入点火塞的预燃室包围结构（即，经由开口，诸如开口202、222）的流通面积为60mm2。预燃室包围结构和前室都不具有辅助燃料供应，并且因此仅点燃从燃烧室接收的空气/燃料混合物。
预燃室包围结构中的压力升高遵循并稍微跟随点火之前燃烧室中的压力升高。在预燃室包围结构中点火时，在上死点（TDC，即，0度）之前几度的点602处，点火尚未在燃烧室中开始。从在预燃室包围结构中点火开始，点602，预燃室包围结构中的压力升高超过燃烧室中的压力，在点606处达到最大平均压力，其比在燃烧室中点火之前燃烧室中的最大平均压力高约20巴。这种压力升高显示预燃室包围结构内强壮和健康的点火和燃烧。在点604，由于火焰从前室喷射到燃烧室中，燃烧室中的点火开始，并且压力升高至达到燃烧室中的最大后点火压力。进入预燃室包围结构的流通面积（上示为60mm2）影响室中的压力升高，以及轮换进入和离开点火塞的空气/燃料混合物的比率。预燃室中点火强度的测量方式是此流通面积乘以预燃室中压力升高的积。在某些示例中，在没有辅助燃料供应的情况下，在预燃室包围结构中点火之后，在燃烧室中点火之前，点火塞可在预燃室包围结构中实现最大平均压力乘以到预燃室包围结构中的流通面积为1200巴平方毫米或更大。
已经描述了许多示例。但是应当理解，可进行各种修改。因此，其他示例在以下权利要求的范围内。