CN101749164A - 内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃机，具体而言，涉及一种内燃机，其包括由活塞(10)和气缸盖(12)所限定的燃烧室(14)和用于点燃该燃烧室(14)中的燃料空气混合物的点火设备(20；22)。点火设备(20；22)具有至少一个火花塞(20)和至少一个激光点火装置(22)，从而，燃料空气混合物可在低的平均有效工作压力PME下通过该至少一个火花塞(20)而被点燃且在高的平均有效工作压力PME下通过该至少一个激光点火装置(22)而被点燃。

Description

内燃机

技术领域

本发明涉及一种内燃机(Brennkraftmaschine)，尤其是用于燃烧气态(gasfoermigen)燃料空气混合物的气体发动机(Gasmotor)。

背景技术

在现有技术中已知了用于气体发动机的各种不同的点火方法。在狄赛尔法(Diesel-Verfahren)中，通过至被压缩的燃料空气混合物的在高压下的自燃式液态点火用燃料的喷射(点火射束)来实现燃烧室中的燃料空气混合物的点火。在奥托法(Otto-Verfahren)中，燃料空气混合物由外源点燃。

对于奥托法，借助于电点火装置(Zuendvorrichtung)的气态燃料空气混合物的点火(参看例如文件DE 196 24 965 A1，文件DE 10 2005050 435 A1)和借助于激光点火装置的气态燃料空气混合物的点火(参看例如文件DE 10 2007 001 087 A1)被采用。此外，由文件DE 101 45944 A1可知一种带有集成的激光点火装置以用于多重点火(Mehrfachzuendung)的电火花塞。

对于燃烧室中的小的压力而言，借助电火花塞点燃充气混合物(Ladungsgemische)是一种已被证明的有利的且可靠的方法。在燃烧室中的适度的压力下，点火电极的寿命还是相当长的。但是，为电极处的火花放电所需的电压直接地成比例于点火时间点处的充气混合物的密度(Dichte)。该密度越高，用于击穿的自由电子的数目同样必须越大。然而，更高的电压也意味着，在电压击穿期间流过非常大的电流强度。因此，除了由于燃烧的热负荷以外，火花塞的电极还额外地进一步被加热。这使得在为约22bar的气缸中的平均有效工作压力(mittlere effektive Arbeitsdruck)PME的范围中即使是极为先进的火花塞的寿命也被限制至最多约1000小时。

在燃烧室中的燃料空气混合物的激光点火(Laserzuendung)中，在经定义的焦点(Brennpunkt)处实现从外指向(gerichteten)到燃烧室中的激光光束的聚焦。激光点火的优点在于，可几乎任意地在燃烧室中选择点火位置且该方法尤其适合于高的平均有效工作压力。为激光点火必需的激光能量随着待点火充气混合物的更高的密度而显著地降低，因为充气混合物中的分子的光子吸收相应于密度而越来越高效。

激光点火的缺点是用于激光工具的成本、光学燃烧室镜片(Brennraumglaeser)的污染及其短的寿命。通过在燃烧阶段期间产生的残留物可能在燃烧室镜片上形成沉淀。这妨碍了激光的光束通行且将激光吸收或散射回到燃烧室镜片中。由此，一方面损失了用于燃烧室中的点火的激光能量，另一方面，燃烧室镜片的热负荷也明显增加。该效应尤其在小的充气压力下非常突出，因为在此为点火所需的激光能量特别高。

发明内容

因此，本发明的目的在于，设计一种带有经改善的用于燃料空气混合物的点火机构的内燃机以及一种经改善的用于燃料空气混合物的点火方法。

根据第一个方面，该目的通过带有权利要求1的特征的内燃机来实现。根据本发明的内燃机的有利的设计方案和改进方案在从属权利要求中说明。

本发明的内燃机包括由活塞和气缸盖(Zylinderkopf)所限定的燃烧室和用于将燃烧室中的燃料空气混合物点燃的点火设备(Zuendeinrichtung)。该点火设备具有至少一个电点火装置和至少一个光学点火装置。

通过既设置有电点火装置又设置有光学点火装置以用于点燃燃烧室中的燃料空气混合物，可结合两种系统的优点并使它们的缺点最小化，从而可以以较小的能量消耗来执行点火过程且可延长电点火装置和光学点火装置的寿命。

在本发明的一种设计方案中，该至少一个电点火装置伸入到燃烧室中且该至少一个光学点火装置使光束(Lichtstrahl)在内燃机燃烧室中聚焦。

在本发明的一种备选的设计方案中，燃烧室与预燃室(Vorkammer)相连。在该情况中，该至少一个电点火装置伸入到该预燃室中且该至少一个光学点火装置使光束在该预燃室中聚焦。

在本发明的一种优选的实施形式中还设置有控制装置，其在平均有效工作压力PME小于预定的界限值时操纵该至少一个电点火装置而在平均有效工作压力PME大于该预定的界限值时操纵该至少一个光学点火装置以便点燃燃烧室中的燃料空气混合物。预定的界限值例如位于约12至18bar的范围中，优选地位于约14至17bar的范围中，更优选地位于约16bar处。

根据第二个方面，上述目的通过带有权利要求6的特征的用于内燃机的点火方法来实现。根据本发明的点火方法的有利的设计方案和改进方案是从属权利要求的对象。

在根据本发明的用于内燃机的点火方法中，当平均有效工作压力PME小于预定的界限值时，由活塞和气缸盖所限定的燃烧室中的燃料空气混合物通过至少一个电点火装置而被点燃，而当平均有效工作压力PME大于该预定的界限值时，该燃料空气混合物通过至少一个光学点火装置而被点燃。

本发明的点火方法结合了内燃机燃烧室中的燃料空气混合物的已知的电火花点火和已知的光学点火的优点并使它们的缺点最小化。通过仅为小的直至中等的PME使用电火花点火，可明显提高电点火装置的寿命。在电火花点火关断之后的、仅用于较高的PME的光学点火的使用允许了利用较小的能量的光学装置的应用。这样的光学装置成本显著较低。此外，较低能量的(energieaermerer)光束使燃烧室的光学系统的热负荷最小化，由此可显著提高其寿命。

该预定的界限值例如位于约12至18bar的范围中，优选地位于约14至17bar的范围中，更优选地位于约16bar处。

在本发明的一种设计方案中，燃料空气混合物在内燃机的燃烧室中被点燃。

在本发明的一种备选的设计方案中，燃料空气混合物在内燃机的与燃烧室相连的预燃室中被点燃。

本发明可尤其在气体发动机中以有利的方式被使用以用于气态燃料空气混合物的点火。但是原理上，本发明的内燃机结构和点火方法同样可在带有液态燃料的点火的汽油发动机和柴油发动机中被应用。

附图说明

本发明上述的以及另外的特征和优点将借助下面的参照所附图纸的优选的实施例的描述而更好地被理解。其中：

图1显示了根据本发明的第一实施例的内燃机的示意性的部分剖面视图；和

图2显示了根据本发明的第二实施例的内燃机的示意性的部分剖面视图。

参考标号列表

10  活塞

12  气缸盖

14  燃烧室

16  活塞底(Kolbenboden)

18  凹腔(Mulde)

20  电点火装置(火花塞)

22  光学点火装置(激光点火装置)

24  激光装置

26  激光光束

28  透镜组件

30  燃烧室窗

32  激光光束的焦点

34  控制装置

36  预燃室

38  预燃室窗

具体实施方式

下面以气体发动机为例描述本发明。在该情况中，燃料空气混合物包含气态的燃料和空气。气态的燃料例如为可燃气体(brennbaresGas)，如天然气(Erdgas)。

但是，本发明原理上也可在汽油发动机和柴油发动机中被使用，在其中，燃料空气混合物以例如燃料雾的形式包含可燃烧的液体(例如汽油)和空气。此外，本发明同样适用于其它可燃烧气体(例如由氢气和氧气组成的混合物)或者带有气体和液体的可燃烧混合物的点火——即使该气体或者混合物不包含空气。概念“燃料空气混合物”在该发明的范围内应包括所有提及的变型。

参照图1，现在对本发明的内燃机的第一实施例进行描述。

内燃机以已知的方式具有由活塞10和气缸盖12所限定的燃烧室14，在其中该气态的燃料空气混合物燃烧且在此做功。

气态燃料空气混合物的点火在图1的实施例中直接在燃烧室14中进行。为了该目的，设置有伸入到燃烧室14中的火花塞形式的电点火装置20。另外，设置有激光点火装置形式的光学点火装置22，其包含用于产生激光光束26的激光装置24和用于使激光光束26通过燃烧室窗30聚焦到燃烧室14中的透镜组件28。

在图1的实施例中，激光点火装置22的焦点32位于电火花塞20的电极附近。但是，激光光束26原理上可被聚焦到燃烧室14中的几乎任意位置上。

在图1的实施例中，设置有一电点火装置20和一光学点火装置22。但是同样还可在内燃机的燃烧室14处布置多个电点火装置20和/或多个光学点火装置。

在图1的实施例中，光学点火装置22被设计为带有用于产生激光光束26的激光装置24的激光点火装置。原理上，同样可考虑其它的带有其它高能量光束的光学点火装置。

该至少一个电点火装置20和该至少一个光学点火装置22由控制装置34所操控。该控制装置34如此地操控该两个点火装置20，22，即，使得，燃烧室14中的气态燃料空气混合物在平均有效工作压力PME小于预定的界限值时通过该电点火装置20而被点燃且在平均有效工作压力PME大于该预定的界限值时通过该光学点火装置22而被点燃。该预定的界限值例如位于约12至18bar的范围中，优选地在约14至17bar的范围中，更优选地在约16bar处。

因为电点火装置20仅在低的至适度的工作压力PME下被使用，所以其可以相对低的电压来运行，由此可明显改善其寿命。类似地可显著地提高燃烧室镜片30的寿命，因为激光点火装置22仅在高的工作压力PME下被使用且因此对于燃烧室中的点火过程而言较低能量的激光光束是足够的。用于电火花塞20和激光点火装置22的较低的所需的能量允许了较低成本的部件的使用且降低了运行成本。

在对图2的参考下，现在对内燃机的第二实施例进行讨论。在此，相同的或类似的部件和构件以与在第一实施例中的相同的参考标号进行标记。

第二实施例如此地区别于上述第一实施例，即，气态燃料空气混合物的点火不在燃烧室14本身中、而是在气缸盖12中的与燃烧室14相连的预燃室36中进行。

为了该目的，点火装置20，22如此地布置，即，电火花塞20伸入到该预燃室36中且由激光点火装置22所产生的激光光束26的焦点32位于该预燃室36中。相比于第一实施例，此处额外地设置有用于将由激光装置24所产生的激光光束26耦合到预燃室36中的相应的预燃室窗38。

其余的特征和变型可能性与图1的实施例的特征和变型可能性相对应。此外，利用该实施例获得了与利用以上所描述的第一实施例所获得的相同的优点。

最后应指出，本发明不应局限于燃烧室14、电点火装置20和光学点火装置22的特殊的构造。

Claims (9)

1.一种内燃机，带有由活塞(10)和气缸盖(12)所限定的燃烧室(14)和用于点燃所述燃烧室(14)中的燃料空气混合物的点火设备(20；22)，其特征在于，所述点火设备(20；22)具有至少一个电点火装置(20)和至少一个光学点火装置(22)。

2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述至少一个电点火装置(20)伸入到所述燃烧室(14)中且所述至少一个光学点火装置(22)使光束(26)在所述燃烧室(14)中聚焦。

3.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述燃烧室(14)与预燃室(36)相连且所述至少一个电点火装置(20)伸入到所述预燃室(36)中且所述至少一个光学点火装置(22)使光束(26)在所述预燃室(36)中聚焦。

4.根据前述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，设置有控制装置(34)，其在小于预定的界限值的平均有效工作压力PME下操纵所述至少一个电点火装置(20)且在大于所述预定的界限值的平均有效工作压力PME下操纵所述至少一个光学点火装置(22)以点燃所述燃烧室(14)中的所述燃料空气混合物。

5.根据权利要求4所述的内燃机，其特征在于，所述预定的界限值位于约12至18bar的范围中。

6.一种用于内燃机的点火方法，其中，当平均有效工作压力PME小于预定的界限值时，通过至少一个电点火装置(20)点燃由活塞(10)和气缸盖(12)所限定的燃烧室(14)中的燃料空气混合物，并且，当所述平均有效工作压力PME大于所述预定的界限值时，通过至少一个光学点火装置(22)点燃所述燃料空气混合物。

7.根据权利要求6所述的点火方法，其特征在于，所述预定的界限值位于约12至18bar的范围中。

8.根据权利要求6或7所述的点火方法，其特征在于，所述燃料空气混合物在所述内燃机的燃烧室(14)中被点燃。

9.根据权利要求6或7所述的点火方法，其特征在于，所述燃料空气混合物在与所述燃烧室(14)相连的所述内燃机的预燃室(36)中被点燃。

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