基于强制循环热面点火的内燃机的燃烧过程的实现装置的制作方法

本项目的发明涉及一种内燃机燃烧过程的实现装置，尤其涉及一种基于强制循环热面点火为特征的内燃机燃烧过程的实现装置，属于内燃发动机领域的技术范畴。

背景技术：

1、目前内燃机的燃烧过程有两种：

2、一种是以汽油机为代表的火花塞点燃式燃烧过程，这种燃烧过程是“火花起始—火花引发燃烧”，即燃烧的引发由火花塞放电产生的电火花引发，燃烧的起始时刻由火花塞首次放电的时刻决定，在这个过程中，内燃机的压缩行程压缩的是燃料和空气的混合物，压缩过程中的某个特定时刻，火花塞放电点火并引发混合物局部燃烧，燃烧过程随即开始，局部着火后的混合物通过火焰自发传播引燃其余未着火混合物，这个燃烧过程的一个显著特征是它包含两个燃烧阶段，即初始燃烧阶段和扩散燃烧阶段，所谓初始燃烧阶段，就是火花塞放电，空燃混合气体接触火花的部分被点燃燃烧，所谓扩散燃烧阶段，就是被火花塞点燃后的火焰引燃混合气体的其他部分燃烧的阶段。

3、这个燃烧过程的主要问题是：①要求燃料有良好的挥发性，因为只有具备良好的挥发性能，燃料才能与空气充分混合，燃料才能被正常燃烧，这就使得在这种燃烧过程模式下，只有与汽油的粘度和挥发性极其接近的燃料才能作为这种燃烧过程的燃料；②要求燃料有良好的抗爆性，也就是抵抗压缩过程自燃的能力，因为只有具备良好的抗爆性，燃料才不至于在压缩冲程中被点燃，出现“爆震”、“提前点火”现象；③要求供给的燃料必须在一定的温度范围内，低于这个温度时，燃料就因为无法挥发与空气混合而不能被正常点燃并完成燃烧过程，这其实就是目前常见的冷启动问题；④燃料的火花感度要达到一定的标准，低于这个标准的燃料就无法被火花塞发出的电火花点燃；⑤气缸的压缩比有一个最高要求，高于这个压缩比就会因压缩比过高导致混合气体温度达到燃点而在在非点火时刻点燃混合空气，产生提前点火或爆燃、爆震的现象；⑥要求气缸内的温度要在一定范围内，低于这个温度，喷射的燃料将因为受热不足无法蒸发而不能被火花点燃；⑦要求燃料的燃烧速度必须达到一定的标准，否则会导致燃烧不完全、功率严重下降的现象等等；⑧发动机的缸径因为爆震的存在而受到限制从而这种燃烧过程的内燃机的功率无法超过一定的值。

4、上述问题的存在使火花塞点燃式燃烧过程基本只能选择汽油这种低闪点、高抗爆性(辛烷值)的燃料。

5、第二种是以柴油机为代表的压燃式燃烧过程：这种燃烧过程是“燃料喷射起始—压缩致热的热空气引发燃烧”，具体而言就是燃烧的引发由压缩致热的热空气引发，燃烧的起始时刻由燃料雾射流喷出的时刻决定。在这个过程中，内燃机的压缩行程压缩的是纯空气，压缩过程中的某个特定时刻，燃料喷射器喷射出燃料雾射流，燃料雾射流接触到被压缩而升温到燃料的燃点以上的热空气被引燃，燃烧过程随即开始。同样的，初期着火后的火焰自发传播引燃后面喷出的油雾，也就是说这个燃烧过程同样包含初始燃烧阶段和扩散燃烧阶段，只是这里的初始燃烧阶段，是压缩空气产生高温，喷出的油雾接触高温空气被点燃燃烧，这里的扩散燃烧阶段，就是被初始燃烧阶段产生的火焰引燃后面喷出的油雾燃烧的阶段。

6、这个燃烧过程的主要问题是：①要求燃料的自燃温度必须符合一定的标准，太高了即无法被温度一定的高温空气点燃；②燃料的温度必须达到一定标准，太低了即不能被点燃；③燃料的汽化热特性必须符合标准；④压缩比必须达到一定的高度，低于这个压缩比，压缩冲程就不能将空气的温度压缩升温到足以点燃燃料的温度；④燃料的燃烧速度必须达到标准，否则会出现燃烧滞后、燃烧不充分进而导致功率严重下降甚至熄火的现象；⑤燃烧之后产生大量的氮氧化物等害气体的废气需要用附加的还原剂才能在后处理环节做环保还原处理。

7、上述问题的存在决定，压燃式燃烧过程基本只适合柴油这种辛烷值较低，十六烷值较高的燃料。

8、上述两种燃烧过程基本只能选择汽油或柴油这两种污染较大的化石能源做燃料，而不能选择现在日益被重视的多种较为环保的，但理化特性和燃烧特性与汽柴油差异比较大的替代燃料(如天然气、甲醇、氢等)，在目前高举环保旗帜，努力实现碳中和的时代，显然并不合适，因此开发一种可以克服内燃机存在的上述问题的内燃机，对实现环保现实目标，早日实现碳中和的环保目标具有非常重要的现实意义。

9、而本发明正是为解决上述问题而研发的一个极具创新价值的技术方案。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于强制循环热面点火的内燃机的燃烧过程的实现装置是一种通过在内燃机的气缸筒外面设置一个燃烧室，在燃烧室上安装一个可以按需要适时喷出适当燃料的燃料喷嘴和一个可以按需要设定和调节温度的恒温发热装置，在燃烧室与气缸筒之间安装一个根据气流循环强度所需节流系数设置的贯通两者的节流通道，利用节流通道在气缸筒与燃烧室之间制造的气压差使进入燃烧室的气流高速流出并在所述燃烧室内壁的引流下形成高速循环气流，所述高速气流和/或高速循环气流冲击所述燃料喷嘴适时喷出的燃料使其与气流中的空气混合形成一定空燃比的混合气体，所述混合气体接触到燃烧室内的所述恒温发热装置的发热表面时被次第直接点燃并在被点燃膨胀时通过所述节流通道进入气缸筒内发生爆燃实现做功的燃烧过程的技术装置；

2、采用所述装置实现所述燃烧过程的内燃机没有点燃燃料的脉冲火花塞，所述装置中，点燃燃料的不是火花塞一类的电火花点火装置，采用所述燃烧过程的内燃机没有或者说不需要火花塞一类的点火装置。

3、采用所述装置实现所述燃烧过程的内燃机点燃燃料的不是被压缩升温的高温空气，采用所述装置的内燃机没有像柴油机一样压缩比必须达到一定高度的要求，也就是没有需将气缸内的空气压缩升温到一定温度的特定压缩比要求，燃料的点燃与内燃机的压缩比不直接关联，不依靠气缸筒内被压缩而升温的高温空气点燃，燃料点燃与内燃机的压缩比无关，与燃料自身的温度无关，所述内燃机没有冷启动问题。

4、采用所述装置实现燃烧过程的内燃机也没有像汽油机一样压缩比最高不能超过多少的压缩比要求，也就是压缩比的设置不需要考虑燃料的“抗爆性”问题，不受燃料辛烷值和/或十六烷值等指标的影响。

5、采用所述装置实现燃烧过程的内燃机点燃燃料的是一个恒温发热装置的发热表面，所述装置在内燃机起动前预热到设定的温度，然后在内燃机整个工作期间均保持这个设定的温度不变；

6、采用所述装置实现燃烧过程的内燃机的点火窗口期既不是空燃混合气体到达气缸筒内的时刻，也不是气缸筒内的空气被压缩后升温到特定燃料的燃点温度的时刻，而是自所述恒温发热装置被加热到设定的恒定温度至发动机停止工作的整个时间段都是所述内燃机的点火窗口期，也就是自所述恒温发热装置被加热到设定的恒温状态时开始至内燃机停止工作的长时间内的任何时刻，所述内燃机均具备点燃燃料的条件，都可以点燃燃料，这个“长时间”是一个远远高于毫秒或微秒为单位的时间段。

7、采用所述装置实现燃烧过程的内燃机在进气、压缩、做功或排气冲程的任一冲程的任意时刻均可以是点火时刻，这一点显著区别于现有柴油机(即压燃式)、汽油机(即点燃式)的燃烧过程，这些燃烧过程的点火只能发生在压缩冲程的特定时刻，而且这个特定时刻还是非常短的、以毫秒甚至微秒为单位的时间段。

8、采用所述装置实现燃烧过程的内燃机在其气缸体的气缸筒上方有一个燃烧室；

9、所述燃烧室上装配有恒温发热装置和燃料喷嘴，所述恒温发热装置的发热表面伸入到所述燃烧室内腔合适位置，所述燃料喷嘴的喷射出口端伸入到所述燃烧室内腔合适位置，所述燃烧室的容积一般根据内燃机的功率对最大和/或最小燃烧容积的要求通过实验标定。

10、在所述气缸筒与燃烧室之间有一个根据气缸筒容积、燃烧室容积和所需循环强度的函数关系计算的节流系数制作的贯通两者的节流通道，通道的容积与内燃机的功率适配，宽度一般与所述恒温发热装置的发热表面宽度相当；

11、所述节流通道的节流效应使气缸筒内的气压和所述燃烧室的气压在压缩冲程的活塞运动时产生一个设定的气压差，所述气压差会使从所述气缸筒进入到所述燃烧室的空气形成一个按设定循环强度高速循环的气流；

12、所述节流通道的作用是在内燃机工作时，通过所述气缸筒内的活塞在压缩冲程的高速向上运动将气缸筒内的空气挤压通过该通道，使空气在通道的节流效应下被强制形成高压气流从连接所述燃烧室内腔的所述节流通道一端进入到所述燃烧室，并在所述燃烧室内壁的引流下形成高速流动的循环气流，所述高压气流和/或高速流动的循环气流撞击燃料喷嘴喷出的燃料使燃料与气流中的空气充分混合，混合后的气体在循环中涌向所述恒温发热装置并在接触到其发热表面时被次第直接点燃，点燃后的气流迅速膨胀并循所述节流通道进入所述气缸筒爆燃实现做功。

13、所述燃烧过程中的恒温发热装置在内燃机起动前通电发热至设定的恒温温度，并在内燃机工作过程中持续保持该恒温温度，所述恒温温度是对应当前正在使用的燃料的燃烧特性设置的，可以直接点燃所述燃料的温度，这个温度一般对应所述燃料的燃点温度，也可高于对应所述燃料的燃点温度，优化地，一般选择对应所述燃料的燃点温度，也即是与所述燃料的燃点温度相当；

14、所述恒温发热装置的作用是通过其持续保持设定温度的发热表面直接点燃对应的燃料，而不是预热气缸体和/或气缸内空气的温度，也不是预热燃料以提高其进入到燃烧室的温度，因此采用所述实现装置的内燃机内的所述恒温发热装置从内燃机起动前开始工作，其加热和恒温状态一直保持至所述内燃机停止工作时终止；

15、实施所述装置实现燃烧过程的内燃机的点火窗口不限于压缩冲程的特定时刻，而是涵盖所有冲程的任意时刻，也即是采用所述实现装置的内燃机在任意冲程的任意时刻都可以将到达所述恒温发热装置表面的、燃点与其恒温温度对应的燃料点燃；

16、所述恒温发热装置的发热量和恒温温度可以对应不同的燃料及工况按需改变，按需设定，改变燃料不需要改变内燃机的燃料供应系统和燃烧系统，不需要改变内燃机的点火方式，只需要根据当前使用的燃料的燃烧特性和工况调整恒温发热装置的恒温温度即可；

17、采用所述装置完成燃烧过程的内燃机的燃料喷嘴不与具体的燃料属性直接关联，不需要在使用柴油的时候必须安装柴油喷嘴，使用汽油的时候必须安装汽油喷嘴，使用液化气、天然气的时候必须安装相应的气体燃料喷嘴，一般情况下，其燃料喷嘴可以适应多种不同的燃料；

18、采用所述燃烧过程的内燃机可以在不改变内燃机燃料供应系统和燃烧系统的情况下无差别的选用任何可以在一定温度下燃烧的气体或液体燃料为燃料，这些燃料包括但不限于柴油、汽油、煤油、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、甲烷、氢、lpg(液化石油气)、天然气等适合在内燃机内雾化成空燃混合物的液体/气体燃料。

19、实现所述燃烧过程的装置包括四个部分：①燃烧室；②节流通道；③恒温发热装置；④燃料喷射器：

20、所述燃烧室是在气缸体的气缸筒上方设置的一个空腔，空腔可以设置成圆柱体、球面体、圆柱球面结合体，优化地，如图1所示，所述空腔设置为顶部为球面腔体内壁、下部为圆柱体内腔的圆柱状盲孔空腔，所述空腔的开口处与气缸筒的开口处对应并通过所述节流通道连通；

21、所述燃烧室可以设置在内燃机的气缸盖上，需要的时候也可以在气缸盖之外的其他位置设置，优化地，一般选择设置在气缸盖上合适的位置；

22、所述燃烧室上部有两个内螺纹孔，所述内螺纹孔从所述燃烧室的外壁贯通至所述燃烧室内腔，分别用于安装固定所述恒温发热装置和所述燃料喷射器；

23、所述燃烧室内腔上部的球形腔体将来自所述节流通道的高压气流引流形成循环气流；

24、所述燃烧室的容积根据内燃机的功率和工况变化需求按比例或标定的数据设定，优化地，一般选择用标定的数据设定，所述标定一般是指利用测功台、精密流量传感器、高精度电子天平、功率检测仪等仪器对不同功率的内燃机实时工况变化需要的最大和最小的燃烧室容积的函数变化曲线的实验测定。

25、所述节流通道是一个根据气流循环强度所需节流系数设计的贯通所述燃烧室和内燃机气缸筒的孔道，所述孔道的一端端口与所述气缸筒的开口端紧密连接贯通，另一端端口与所述燃烧室盲孔内腔开口紧密连接贯通，通过所述孔道，从气缸筒内推进到燃烧室的气流会因为所述孔道的节流效应而使所述孔道两端的气压产生一个气压差，所述气压差使被推进到所述燃烧室的气流进入到燃烧室后高速流出，高速流出的气流在燃烧室内壁的引流下形成高压高速的循环气流在所述燃烧室内循环流动；

26、所述节流通道的长度、宽度、高度和容积根据所述气缸筒容积、燃烧室容积和气流循环强度按一定的数学函数关系计算的节流系数设定；

27、在所述内燃机压缩冲程的时候，气缸筒内的空气通过所述节流通道被活塞推进到所述燃烧室内与燃料混合，所述燃烧室内的气体，包括被点燃的混合气体从所述节流通道进入到气缸筒内爆燃做功完成做功冲程；

28、在所述内燃机排气冲程的时候，所述燃料喷嘴再次喷出燃料与所述燃烧室内的残留空气混合并被所述恒温发热装置点燃发生不完全燃烧，不完全燃烧产生大量一氧化碳等还原性气体，所述还原性气体通过所述节流通道进入到排气门与做功冲程中产生的尾气混合，与还原性气体混合的尾气在后处理系统中的催化剂的作用下发生化学还原反应，所述还原反应将其中的有害气体还原为无害物或危害较低的污染物。

29、所述恒温发热装置是一个可以根据燃料自燃温度和燃烧特性设定发热温度并恒定保持设定温度的发热装置；

30、所述恒温发热装置通过所述燃烧室上的其中一个内螺纹孔固定安装在所述燃烧室上，其发热部分通过安装内螺纹孔伸入到所述燃烧室内合适位置，非发热部分置于所述燃烧室外部；

31、所述恒温发热装置与内燃机的起动电源或其他电源连接获得电源，优化地，一般选择与内燃机的起动电源连接获得电源；

32、所述恒温发热装置的蓄热量、恒温温度根据不同燃料在不同工况下的燃烧特性进行标定后设定，通过机械或电子方式实现，一个发热装置可以对应不同燃料设定多个恒温温度并在使用不同燃料的情况下通过人工/电子方式调整/选择当前恒温温度，优化地，一般选择电子调整/选择当前恒温温度，在选择电子方式时，上述标定数据存储在所述内燃机的ecu上，所述ecu会根据检测到的燃料自动选择与该燃料的燃烧特性对应的恒温温度并根据存储的标定数据对所述恒温发热装置的发热时间、蓄热量进行实时调控；

33、所述标定是指利用测功台、精密流量传感器、温度传感器、高精度电子天平、功率检测仪等仪器对不同功率的内燃机实时工况变化需要的、保持设定的恒定温度最大和最小的蓄热量的函数变化曲线的实验测定；

34、所述恒温发热装置对应不同的燃料设定的恒温温度都是可以直接点燃对应燃料的温度，即该恒温温度对应的燃料在这个温度下会被直接点燃。

35、所述燃料喷射器是一个能在给定时刻喷出一定量的燃料的阀门装置，所述阀门装置可以是机械阀门装置，也可以是电子阀门装置，优化地，一般选择电子阀门装置；

36、所述燃料喷射器通过所述燃烧室上的其中一个内螺纹孔安装在所述燃烧室上合适位置，其喷射出口端置于所述燃烧室内，其余部分在所述燃烧室外部；

37、所述燃料喷射器喷出燃料的时刻和时长根据所述内燃机的燃料类型、功率和功率变化、控制策略、技术要求和工况变化标定，根据标定的数据设定所述燃料喷射器的喷射时刻和时长，通过机械或电子装置控制实现，优化地，一般选择电子装置控制实现，在选择电子方式时，上述标定数据存储在所述内燃机的ecu上，所述ecu会根据检测到的燃料属性及工况变化适时调整燃料的喷射时刻和/或喷射量；

38、所述标定是指利用测功台、精密流量传感器、高精度电子天平、功率检测仪等仪器对不同功率的内燃机实时工况变化需要的最大和最小的燃料质量的变化曲线的实验测定；

39、所述燃料喷射器在所述燃烧室内的安装只需要保证喷射出口端喷出的燃料可以进入到所述循环气流即可，没有特别的安装角度或位置上的要求，不需要特别考虑喷射角度和/或喷束的形态特征，也不需要特别考虑雾化的效果，即喷射出的燃料雾滴的粒度，喷嘴的安装位置没有必须遵循的特别技术要求，只要有利于喷射的燃料进入所述循环气流即可；

40、所述燃料喷射器是一种可以适应多种燃料粘度、化学腐蚀性、雾化特性的燃料理化特性的阀门喷射装置，更换燃料时，不需要更换燃料喷射器，这一点显著区别于目前内燃机的喷嘴一般要求与具体燃料的粘度严格对应的情况，比如汽油机的汽油喷嘴不能用于柴油机，柴油机的喷嘴也不能用于汽油机，因为两种燃料的粘度不同，如果用错，喷嘴或者无法开启喷出燃料，或者无法密封导致燃料泄漏。

41、采用所述装置完成燃烧过程的内燃机可以根据需要选择在吸气冲程、压缩冲程、做功冲程或排气冲程中的任一冲程的任意时刻点燃燃料，一般地，选择在压缩冲程中点燃一次完成所述内燃机的做功，选择在排气冲程中点燃一次制造还原性气体辅助实现对做功冲程中产生的废气还原，减少废气排放，降低废气排放中的污染物/有害物浓度。

42、采用所述装置完成燃烧过程的内燃机的一个工作循环的基本过程是：

43、1.预热：内燃机起动前，恒温发热装置开始加热，加热到预设温度后保持恒定的温度；

44、2.强制循环形成气流：所述恒温发热装置加热到设定温度后，内燃机起动，吸气行程后，内燃机压缩行程开始，气缸筒内的空气被活塞挤压往所述节流通道②快速流动，被快速挤压流动的气流通过所述节流通道②进入到所述燃烧室内①时，在节流效应的作用下高速流入所述燃烧室①并在所述燃烧室①内壁的引流下形成高速循环气流在所述燃烧室①内高速循环流动；

45、3.燃料喷射：所述燃料喷射器④适时喷射出一定量的燃料雾射流，高速循环流动的气流将所述燃料喷嘴适时喷出的燃料击碎成雾状与空气混合形成混合气后快速涌向所述恒温发热装置④；

46、4.燃烧过程的引发和结束：涌向所述恒温发热装置④的混合气流接触到所述恒温发热装置④的高温热表面，随即被所述恒温发热装置④的热表面次第直接点燃；5.燃气膨胀做功：被所述恒温发热装置的发热表面点燃的混合气体在被点燃瞬间急速膨胀随即通过所述节流通道②快速进入到气缸筒内爆燃做功；

47、6.对尾气的还原处理：在排气冲程中，所述燃料喷嘴再次喷出燃料，燃料与所述燃烧室①内残留的空气混合后被所述恒温发生装置④点燃并通过所述节流通道②进入到排气门，由于所述燃烧室①经过做功冲程的燃烧后残留的空气含氧量不足，被点燃的混合气体发生不充分燃烧，所述不充分燃烧产生大量的还原性气体，所述还原性气体在进入排气门后与所述做功冲程中产生的废气充分混合，在后处理系统装置中的催化剂的作用下，所述还原性气体和废气中的有害气体发生化学还原反应实现对废气有害气体的还原。

48、上述排气冲程中进行的点火，不是所述燃烧过程的环节，也就是说，所述排气冲程中的点火不是所述基于强制循环热面点火的内燃机的燃烧过程的构成和/或组成部分，而是所述燃烧过程的实现装置利用其点火窗口期覆盖内燃机的整个工作过程的优势而选择实施的一个提升尾气排放标准的操作，所述操作可以实施，也可以不实施，不实施也不影响所述燃烧过程的完成，不影响所述燃烧过程的完整性，除非特别说明，所述燃烧过程仅指做功冲程中发生的燃烧过程。

49、实施本发明专利具有如下效果：

50、1.内燃机可以无差别选用任何可以在一定温度下燃烧的气体或液体能源为燃料，这些燃料包括但不限于柴油、汽油、煤油、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、甲烷、氢、lpg(液化石油气)、天然气等任何适合在内燃机内雾化成空燃混合物的液体和/或气体燃料。

51、2.内燃机可以在不使用尿素等附加还原剂的情况下，完全通过自身的控制手段和自身结构实现尾气处理中的还原性气氛的构建，大大简化尾气处理系统。

52、3.内燃机点火温度可以根据燃料的燃烧特性，尤其是燃料的燃点按需改变，按需设定。

53、4.改变燃料不需要改变内燃机的燃料供应系统和燃烧系统，不需要改变内燃机的点火方式，在事先标定恒温发热装置温度的情况下，可以在标定数据的燃料范围内根据需要任意选择燃料的种类，因此为各类理化特性、燃烧特性差异很大的替代燃料在内燃机中的应用以及在替代燃料应用初期存在的替代燃料和传统燃料混用的情况提供了有效的技术方案。

54、5.燃料的温度不再是影响点火成功的因素，从源头上解决了内燃机的冷启动问题。

55、6.内燃机的燃烧中不再有因扩散燃烧速度不足导致的不完全燃烧及由此出现的冒黑烟、提前点火和滞后点火的现象。

56、7.内燃机的压缩比不再与燃料的燃点温度、抗爆性等直接关联，在设计上允许根据实际情况采用任何合理的压缩比。

57、8.内燃机使用的燃料不再与特定燃料的粘度等理化特性和性能指标直接关联，可以实现同一台内燃机不作任何改装的情况下无缝切换、适应多种性能差异很大的燃料。