本實用新型涉及一種內(nèi)燃機(jī)。具體地，本實用新型涉及一種設(shè)置在內(nèi)燃機(jī)的預(yù)燃室和主燃燒室中的火花塞，以防止稀薄失火。

背景技術(shù)：

內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)行過程中通常排放氮氧化物（“NO_x”）。當(dāng)?shù)脱蹙嬖谟谌紵玫目諝庵袝r，在主燃燒室中混合，便形成這些氮氧化物。通常，所形成的NO_x水平隨著燃燒室中的最高燃燒溫度的升高而增加，由此，可以通過使主燃燒室中的最高燃燒溫度最小化來減少NO_x的排放。

為此，使用較稀薄的燃料混合物來降低主燃燒室中的最高燃燒溫度，從而減少所排放的NO_x的量。當(dāng)與化學(xué)當(dāng)量的空燃比相比時，稀薄的燃料混合物具有相對較大的空燃比。因此，在燃料混合物中使用更多的空氣可以有利地減少NO_x的排放。

進(jìn)一步，多數(shù)內(nèi)燃機(jī)采用火花塞在發(fā)動機(jī)循環(huán)中周期性地點(diǎn)燃空氣/燃料混合物。然而，隨著燃燒室尺寸的增加，火花塞誘導(dǎo)燃燒的效率降低。這種現(xiàn)象部分是因為火花塞所產(chǎn)生的電弧非常局部化。當(dāng)空燃比較稀、以便減少排放并增加燃料效率時，這種情況尤其嚴(yán)重。例如，在大燃燒室中，可能需要相對較長的時間讓燃燒過程在整個燃燒室中蔓延。此外，使用稀薄的空燃比可以導(dǎo)致不完全的燃燒，即主燃燒室中的稀薄失火。而且，主燃燒室中的湍流可能在稀薄空氣燃料混合物燃燒之前使點(diǎn)火火焰熄滅。發(fā)動機(jī)中的稀薄失火導(dǎo)致功率輸出下降以及未燃燒燃料的量的增加。在一些情況下，點(diǎn)火火焰的熄滅導(dǎo)致發(fā)動機(jī)停機(jī)。

為了將不完全燃燒的發(fā)生情況減至最少，一些內(nèi)燃機(jī)結(jié)合了預(yù)燃燒室或預(yù)燃室。濃縮或非濃縮燃料都可以在這些預(yù)燃室中前進(jìn)。在預(yù)燃室中的燃料點(diǎn)火產(chǎn)生燃燒燃料的射流，其被引入主燃燒室，從而點(diǎn)燃主燃燒室內(nèi)的稀薄空氣-燃料混合物。來自預(yù)燃室的射流火焰通常足以使主燃燒室中的稀薄空氣燃料混合物完全燃燒。

美國第5,832,892號專利公開了一種主燃燒室和副燃燒室，以防止發(fā)動機(jī)爆震。主燃燒室和副燃燒室均具有火花塞，配置成點(diǎn)燃對應(yīng)的燃燒室中的進(jìn)料。第5,832,892號專利公開了在主燃燒室中的火花塞點(diǎn)火，以形成到達(dá)副燃燒室的入口開口的火焰鋒。火焰鋒到達(dá)入口開口之后，該入口開口打開。來自主燃燒室的火焰通過入口開口之后，副燃燒室中的火花塞點(diǎn)燃副燃燒室中的進(jìn)料。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種內(nèi)燃機(jī)，可以防止內(nèi)燃機(jī)的主燃燒室稀薄失火。

在本實用新型的一個方面，公開了一種內(nèi)燃機(jī)，包括主燃燒室、預(yù)燃室、第一火花塞和第二火花塞；所述主燃燒室與預(yù)燃室流體連通，所述第一火花塞設(shè)置在預(yù)燃室內(nèi)，用于點(diǎn)燃進(jìn)料，以形成引入主燃燒室的火焰射流；所述第二火花塞設(shè)置在主燃燒室內(nèi)，用于點(diǎn)燃主燃燒室內(nèi)位于來自預(yù)燃室的火焰射流的路徑上的進(jìn)料；所述第二火花塞用于在第一火花塞點(diǎn)燃預(yù)燃室內(nèi)的進(jìn)料前點(diǎn)燃主燃燒室內(nèi)的進(jìn)料。

進(jìn)一步的，所述內(nèi)燃機(jī)還包括用于將所述進(jìn)料引入所述預(yù)燃室的進(jìn)料閥。

優(yōu)選地，所述第二火花塞設(shè)置成靠近所述主燃燒室的中心或者緊鄰所述預(yù)燃室。所述預(yù)燃室設(shè)置在所述主燃燒室的中心部位。

又進(jìn)一步的，所述內(nèi)燃機(jī)還包括電子控制單元，其用于致動所述第一火花塞和所述第二火花塞，并控制所述第一火花塞和第二火花塞的點(diǎn)火正時。

本實用新型通過在內(nèi)燃機(jī)的預(yù)燃燒室或預(yù)燃室中設(shè)置第一火花塞，在內(nèi)燃機(jī)的主燃燒室中設(shè)置第二火花塞，通過控制第二火花塞在第一火花塞點(diǎn)燃預(yù)燃室內(nèi)的進(jìn)料前點(diǎn)燃主燃燒室內(nèi)的進(jìn)料，從而可以保證預(yù)燃室和主燃燒室中的進(jìn)料完全燃燒，防止主燃燒室稀薄失火。

附圖說明

圖1示出了根據(jù)本實用新型的一個實施例的一種內(nèi)燃機(jī)的橫截面圖，其中火花塞被致動；

圖2示出了一種內(nèi)燃機(jī)的橫截面圖，其中另一個火花塞被致動；

圖3示出了一種內(nèi)燃機(jī)的橫截面圖，其中在主燃燒室內(nèi)引入火焰射流；

圖4示出了根據(jù)本實用新型的另一個實施例的一種內(nèi)燃機(jī)的橫截面圖。

具體實施方式

本實用新型涉及一種用于提高燃燒過程并防止失火的內(nèi)燃機(jī)。圖1示出了示例性發(fā)動機(jī)100，其配置成為任何車輛提供動力。在示例性實施例中，發(fā)動機(jī)100可以是用于地面作業(yè)機(jī)械的內(nèi)燃機(jī)。在各種其它實施例中，發(fā)動機(jī)100可以是基于固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)燃料而運(yùn)行的任何發(fā)動機(jī)，其用于各種用途，比如汽車、建筑機(jī)械、任何運(yùn)輸車輛等。

參照圖1，內(nèi)燃機(jī)100的第一個實施例包括汽缸蓋102和汽缸體104。汽缸蓋102、汽缸體104和活塞106形成主燃燒室108。主燃燒室108用于容納燃料/空氣-燃料混合物，即進(jìn)料。進(jìn)料被燃燒，活塞106將進(jìn)料燃燒所產(chǎn)生的驅(qū)動力傳輸至輸出軸（未示出）。

主燃燒室108與預(yù)燃室110流體連通。預(yù)燃室110的容量小于主燃燒室108。預(yù)燃室110用于容納濃縮或非濃縮的進(jìn)料。在預(yù)燃室110中的進(jìn)料點(diǎn)火產(chǎn)生進(jìn)料燃燒的射流，其被引入主燃燒室108，從而點(diǎn)燃主燃燒室108中的稀薄進(jìn)料。在一個實施例中，預(yù)燃室110可以是球形的，以促進(jìn)預(yù)燃室110內(nèi)部的渦流。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到的，預(yù)燃室110可以是本領(lǐng)域已知的任何其它類型或形狀。在圖示的實施例中，預(yù)燃室110大體上設(shè)置在主燃燒室108的中間部分。在各種其它實施例中，預(yù)燃室110在其它位置處與主燃燒室108連通。

第一火花塞112設(shè)置在預(yù)燃室110中。第一火花塞112可以通過焊接或本領(lǐng)域已知的其它方法與預(yù)燃室110連接。第一火花塞112設(shè)置在預(yù)燃室110的頂部。在替代性實施例中，第一火花塞112設(shè)置在預(yù)燃室110的端部，靠近主燃燒室108的入口。在各種其它實施例中，第一火花塞112可以設(shè)置在預(yù)燃室110的其它位置。第一火花塞112可以是典型的J-間隙火花塞、導(dǎo)軌式火花塞、延長電極火花塞、激光火花塞或本領(lǐng)域已知的任何其它類型的火花塞。

進(jìn)料進(jìn)氣閥120可以由進(jìn)氣凸輪（未示出）驅(qū)動，出口閥122可以由排氣凸輪（未示出）驅(qū)動，從而控制進(jìn)料的供應(yīng)，以及控制進(jìn)出主燃燒室108的燃燒產(chǎn)物的排放。

主燃燒室108具有第二火花塞126。第二火花塞126可以設(shè)置在進(jìn)料進(jìn)氣閥120附近。在一個替代實施例中，第二火花塞126可以遠(yuǎn)離進(jìn)料進(jìn)氣閥120。第二火花塞126用于點(diǎn)燃來自進(jìn)料進(jìn)氣閥120的進(jìn)料。第二火花塞126可以通過焊接或本領(lǐng)域已知的其它方法與主燃燒室108連接。

第二火花塞126設(shè)置在主燃燒室108的汽缸蓋102上。在圖示的實施例中，第二火花塞126大體上設(shè)置在主燃燒室108的中心。在各種其它實施例中，第二火花塞126可以設(shè)置在主燃燒室108的任何位置。第二火花塞126可以是典型的J-間隙火花塞、導(dǎo)軌式火花塞、延長電極火花塞、激光火花塞或本領(lǐng)域已知的任何其它類型的火花塞。

主燃燒室108和預(yù)燃室110通過至少一個連通通道128而彼此流體連通。從進(jìn)料進(jìn)氣閥120噴射的進(jìn)料被提供至主燃燒室108作為新鮮進(jìn)料，并經(jīng)由至少一個連通通道128被提供至預(yù)燃室110。

發(fā)動機(jī)100具有電子控制單元（ECU）130。電子控制單元ECU 130可以為數(shù)字計算機(jī)，其可以包括中央處理單元（CPU）、只讀存儲器（ROM）、隨機(jī)存取存儲器（RAM）和輸出界面。ECU 130接收代表各種發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的來自各種傳感器（未示出）的輸入信號。例如，來自加速器開度傳感器的加速器開度信號可以探測發(fā)動機(jī)負(fù)荷，來自水溫傳感器的水溫信號可探測發(fā)動機(jī)溫度，來自曲柄轉(zhuǎn)角傳感器的曲柄轉(zhuǎn)角信號可探測曲軸（未示出）的角度位置，且其可為ECU 130所用以計算發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)速度（例如，發(fā)動機(jī)100的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)）。為了響應(yīng)于輸入信號，ECU 130控制管理發(fā)動機(jī)100的運(yùn)行的各種參數(shù)。例如，ECU 130可控制由進(jìn)料進(jìn)氣閥120噴射的進(jìn)料的量和正時，第一火花塞112的點(diǎn)火正時、第二火花塞126的點(diǎn)火正時。

根據(jù)發(fā)動機(jī)100的給定運(yùn)行狀態(tài)，ECU 130控制第二火花塞126的點(diǎn)火正時（即主燃燒室108的進(jìn)料的點(diǎn)火）和第一火花塞112的點(diǎn)火正時（即預(yù)燃室110的進(jìn)料的點(diǎn)火）之間的相位差。ECU 130控制第一火花塞112和第二火花塞126的致動使得第二火花塞126在通過預(yù)燃室110中的第一火花塞112點(diǎn)燃進(jìn)料之前點(diǎn)燃主燃燒室108中的進(jìn)料。

將參照圖1-圖3對發(fā)動機(jī)100和ECU 130的工作進(jìn)行詳細(xì)說明。ECU 130產(chǎn)生使進(jìn)料進(jìn)氣閥120打開的輸出信號，從而使?jié)饪s或非濃縮的進(jìn)料進(jìn)入到主燃燒室108和預(yù)燃室110。參照圖1，一旦進(jìn)料進(jìn)入到主燃燒室108和預(yù)燃室110，則ECU 130產(chǎn)生使第二火花塞126在主燃燒室108中形成火花的輸出信號。這使主燃燒室108中的進(jìn)料開始燃燒?；钊龠M(jìn)主燃燒室108中的進(jìn)料的加熱，從而通過使用來自預(yù)燃室110的火焰射流來增加預(yù)燃室108中的未燃進(jìn)料完全燃燒的概率。

在致動第二火花塞126之后，ECU 130點(diǎn)燃第一火花塞112，從而導(dǎo)致如圖2所示的預(yù)燃室110中的進(jìn)料的點(diǎn)火。來自第一火花塞112的火花點(diǎn)燃預(yù)燃室110內(nèi)的進(jìn)料，這導(dǎo)致火焰射流（即燃燒進(jìn)料的前端）穿過至少一個連通通道128并進(jìn)入如圖3所示的主燃燒室108。燃燒進(jìn)料的前端（即來自預(yù)燃室110的火焰射流）通過至少一個連通通道128前進(jìn)并進(jìn)入第二火花塞126周圍的主燃燒室108。

進(jìn)入主燃燒室108的火焰射流點(diǎn)燃主燃燒室108內(nèi)的熱進(jìn)料，從而驅(qū)動活塞106向下運(yùn)動以旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)100的曲軸用于產(chǎn)生機(jī)械輸出。進(jìn)一步，來自預(yù)燃室110的火焰射流通過主燃燒室108傳播。來自預(yù)燃室110的火焰射流的路徑中的第二火花塞126周圍的高溫使來自預(yù)燃室110的火焰射流更加穩(wěn)定燃燒。

在一個實施例中，第一火花塞112和第二火花塞126的點(diǎn)火之間的差異可以驅(qū)動曲軸旋轉(zhuǎn)5-10度。在其它實施例中，第一火花塞112和第二火花塞126的點(diǎn)火正時之間的差異可以使主燃燒室108中的進(jìn)料是充分的以便通過第二火花塞126的點(diǎn)火而加熱，從而為來自預(yù)燃室110的火焰射流提供較熱混合物以更加穩(wěn)定地點(diǎn)火。

現(xiàn)參照圖4，提供了內(nèi)燃機(jī)200的第二示例性實施例的一部分。在本實施例中，發(fā)動機(jī)200組件類似于圖1的發(fā)動機(jī)100組件。這樣，用于圖1中的許多附圖標(biāo)記還用于圖4。

圖4的實施例和圖1的實施例之間的一個差別為圖4的實施例中預(yù)燃室進(jìn)料閥136的存在。預(yù)燃室進(jìn)料閥136用于使進(jìn)料在活塞106的進(jìn)氣沖程期間流入預(yù)燃室110。在所示實施例中，ECU 130電連接至預(yù)燃室的進(jìn)料閥136。ECU 130可控制由預(yù)燃室進(jìn)料閥136噴射的進(jìn)料的量和正時。

在所示實施例中，ECU 130產(chǎn)生使進(jìn)料進(jìn)氣閥120位于打開位置的輸出信號，從而使?jié)饪s或非濃縮的進(jìn)料前進(jìn)到主燃燒室108中。進(jìn)一步，ECU 130向處于待開啟狀態(tài)的預(yù)燃室進(jìn)料閥136輸出控制信號以在預(yù)燃室110中引入新鮮進(jìn)料。一旦進(jìn)料前進(jìn)到主燃燒室108和預(yù)燃室110，則ECU 130產(chǎn)生使第二火花塞126致動以在主燃燒室108中形成火花的輸出信號。進(jìn)一步，ECU 130產(chǎn)生使第一火花塞112致動以在預(yù)燃室110中點(diǎn)火的輸出信號，如以上實施例所述。

工業(yè)實用性

功率產(chǎn)生單元比如柴油發(fā)動機(jī)、汽油發(fā)動機(jī)和氣體燃料發(fā)動機(jī)需要最佳量的空氣/空氣燃料混合物，以便以高效率產(chǎn)生高功率。然而，這些發(fā)動機(jī)在運(yùn)行期間通常排放有害的氮氧化物（“NO_x”）。當(dāng)存在于用于燃燒的空氣中的氮?dú)夂脱鯕庠谥魅紵覂?nèi)混合時，這些氮氧化物即形成。由于所形成NO_x的水平隨著燃燒室內(nèi)的最高燃燒溫度的增加而增加，故使用較稀薄燃料混合物來降低主燃燒室中的最高燃燒溫度，從而減少所排放的有害NO_x的量。然而，稀薄的燃料混合物導(dǎo)致發(fā)動機(jī)內(nèi)部的稀薄失火。這種熄火引起功率輸出下降以及未燃燃料的量增加。為了使發(fā)動機(jī)中的燃燒過程產(chǎn)生的功率輸出最小化以及使不完全燃燒的發(fā)生最小化，一些內(nèi)燃機(jī)引入了預(yù)燃燒室或預(yù)燃室。將預(yù)燃室內(nèi)燃料的點(diǎn)火產(chǎn)生的射流引入到主燃燒室的燃燒燃料，從而點(diǎn)燃主燃燒室內(nèi)稀薄的空氣燃料混合物。然而，單個火花塞可能不能將存在于預(yù)燃室和主燃燒室中的進(jìn)料完全燃燒。

在本實用新型的一個方面中，設(shè)置在預(yù)燃室110和主燃燒室108上的第一火花塞112和第二火花塞126在圖1中公開和示出。ECU 130用于控制第一火花塞112和第二火花塞126的致動正時。ECU 130向第二火花塞126產(chǎn)生使得在主燃燒室108中形成火花的輸出信號。第二火花塞126的點(diǎn)火加熱存在于主燃燒室108中的進(jìn)料并燃燒存在于第二火花塞126周圍的至少一些進(jìn)料。這在如圖2所示的至少一個連通通道128附近的火花塞周圍產(chǎn)生高溫區(qū)域（陰影區(qū)域）。

進(jìn)一步，如圖2所示，在致動第二火花塞126之后，ECU 130向第一火花塞112產(chǎn)生使得在預(yù)燃室中形成火花的輸出信號。第一火花塞112的這種點(diǎn)火點(diǎn)燃預(yù)燃室110內(nèi)的進(jìn)料并形成燃燒進(jìn)料的前端，即火焰射流。該火焰射流然后穿過至少一個連通通道128并進(jìn)入如圖3所示的第二火花塞126附近的主燃燒室108。至少一個連通通道128周圍的高溫使來自預(yù)燃室110的火焰射流的燃燒更加穩(wěn)定。進(jìn)一步，來自預(yù)燃室110的火焰射流點(diǎn)燃主燃燒室108內(nèi)的熱的未燃料進(jìn)料，從而驅(qū)動活塞106向下運(yùn)動以產(chǎn)生機(jī)械輸出。

發(fā)動機(jī)100的壓縮沖程完成后，ECU 130輸出第一控制信號到第二火花塞126。通過第一控制信號致動第二火花塞126以在主燃燒室108內(nèi)產(chǎn)生火花并引發(fā)進(jìn)料在主燃燒室內(nèi)燃燒。第二火花塞126在主燃燒室108內(nèi)產(chǎn)生火花后，ECU 130將第二控制信號輸出到第一火花塞112。通過第二控制信號致動第一火花塞112以在預(yù)燃室110內(nèi)產(chǎn)生火花，點(diǎn)燃預(yù)燃室110內(nèi)存在的進(jìn)料并將火焰射流送入主燃燒室108。引發(fā)主燃燒室108內(nèi)的燃燒使第二火花塞126周圍形成高溫區(qū)域，其促使點(diǎn)燃用于火焰射流的更高溫混合物。在各種其它實施例中，ECU 130可以在壓縮沖程過程中將控制信號輸出到第一火花塞112和第二火花塞126。

在本實用新型的另一個方面，壓縮發(fā)動機(jī)100在進(jìn)料后，ECU 130輸出第一控制信號以點(diǎn)燃第二火花塞126。第二火花塞126在主燃燒室108內(nèi)產(chǎn)生火花并加熱存在于來自預(yù)燃室110的火焰射流路徑中的進(jìn)料。第二火花塞126在主燃燒室108內(nèi)產(chǎn)生火花后，ECU 130輸出第二控制信號以點(diǎn)燃第一火花塞112。第一火花塞112產(chǎn)生火花并形成火焰射流，火焰射流被引入到主燃燒室108。這個火焰射流點(diǎn)燃存在于主燃燒室108內(nèi)的加熱進(jìn)料。

雖然本實用新型的各方面已經(jīng)具體示出并參照上述實施例進(jìn)行說明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解到在不脫離所公開內(nèi)容的精神和保護(hù)范圍的前提下，可以通過對所公開的機(jī)器、系統(tǒng)和方法做任何修改實現(xiàn)各種附加的實施例。這種實施例應(yīng)被理解為屬于根據(jù)所附權(quán)利要求書及其任何等同物所確定的本實用新型公開內(nèi)容的保護(hù)范圍。