[发明专利]内燃机的喷射器点火

说明书

技术领域

本发明广义地涉及燃油喷射系统，并更具体地涉及内燃机的喷射器点火(injector-ignition)。

背景技术

大量的世界能耗用于供应基于内燃的车辆。大多数汽油和柴油汽车发动机的效率仅为20-30％，这样大部分烃燃料被浪费，由此在产生过量污染物和温室气体的同时耗尽全球的资源。如图1(现有技术)所示，常规发动机所使用能源的大约三分之一证实其本身为冷却系统中的废热(冷却剂负荷4)，而另一大约三分之一的能源排出排气尾管(排气焓2)，留下三分之一或者更少的能源提供有用功(制动力6)。以国内标准(atthe internal level)，这些低效率是由于这样的事实：在火花点火汽油发动机或者压缩点火柴油发动机内常规的燃烧过程与活塞和曲轴的旋转动力(即发动机的作功行程)相比用时太久。

图2(现有技术)图示了在高效的直接喷射欧式柴油发动机循环内典型的热释放图7，其包括点火延迟阶段8、预混合的燃烧阶段10、混合控制的燃烧阶段12以及后燃烧阶段14。在大约180°的循环旋转(上止点)之前的燃烧导致增加的废热负荷，而来自后燃烧阶段14(在大约200°之后)中的燃烧的大部分能量作为排出热被浪费。换句话说，在从活塞在它的行程顶部起始并向下旋转大约20度(从180°到200°)的时间段中的热释放提供了最大比例的有用功。在上止点之前的热释放引起对抗旋转的回推，其最终证实其本身是冷却套管中的废热。在气体燃料发动机和柴油发动机中必须提早开始点火，因为与发动机的旋转时间相比，它需要充足的时间量来完全地进行。在后燃烧阶段14中，燃料继续燃烧，  超过作功行程的有用界限，由此将废热排到排气系统。 

发明内容

本发明提供用于主要或基本仅在内燃机的作功行程期间分配燃料的加热催化的燃料喷射器。这种喷射器通过从电加热器或者其它装置进行外部施加热，在超临界蒸气相中轻微地使燃料氧化。该喷射器可以操作用于包括汽油、柴油和各种生物燃料在内的宽范围的液体燃料中。另外，该喷射器可以在室压以及高达内燃机的实际压缩极限下点燃。由于该喷射器可以不依赖火花点火或者压缩点火进行操作，所以它的操作在此称作“喷射点火(injection-ignition)”

根据本发明，使用氧还原催化剂，燃料仅在气相或者超临界相被催化。喷射器很大程度地减少了发动机内前端和后端的热损耗。点火发生在处于高燃料密度的快速燃烧区域，这样燃料的前沿表面在几微秒内完全地燃烧。在操作中，燃料喷射器精确地计量，在预定曲轴转角处即刻点燃燃料，以产生最优作功行程。更具体地，燃料被计量到燃料喷射器中，这样燃料喷射器加热、蒸发、压缩和适度地氧化燃料，然后将燃料作为相对低压的(例如100巴)气柱分配到发动机的燃烧室中。

内燃机在发动机控制单元(ECU)的指令下执行操作，发动机控制单元(ECU)可以控制发动机操作的各个方面，例如，(i)每个发动机循环喷入每个汽缸中的燃料量，(ii)点火定时，(iii)可变凸轮定时，(iv)各种外围设备，以及(v)内燃机操作的其它方面。ECU通过由包括MAP(歧管绝对压力)传感器、节气门位置传感器、空气温度传感器、发动机冷却液温度传感器以及其它传感器在内的传感器监视发动机，确定燃料量、点火时间以及其它参数。

喷射器-点火内燃机包括燃烧室，其中燃料喷射器被大体安装在燃烧室的汽缸顶端的中心。在操作过程中，热气体的燃料柱被喷射到燃烧室中，这样燃料柱的前沿表面自爆震，并且燃料柱被径向地分配到混有进气量(intake air charge)的涡流型式中。燃烧室提供稀燃烧环境，其中利用高温和高压，在燃料喷射器中预氧化0.1％到5％的燃料。在燃料喷射器中的预氧化可以包括置于喷射器室壁上的表面催化剂以及氧源的使  用，氧源包括标准的氧化剂，例如甲基叔丁基醚(MTBE)、乙醇、其它的辛烷值和十六烷值增进剂和其它的燃料充氧剂。预氧化可以进一步包含从空气或者再循环排气中获取的少量的附加氧。喷射器-点火喷射器可在大气压下点燃；但是，在本发明优选实施例中，喷射器在高压下点燃。