專(zhuān)利名稱(chēng)：具有點(diǎn)火幫助裝置的直噴式氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有點(diǎn)火幫助裝置的直噴式氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。尤其地，該點(diǎn)火幫助裝置包括白熾點(diǎn)火器，該點(diǎn)火器與公知為罩的套相結(jié)合，被設(shè)置在點(diǎn)火器的周?chē)?，且?yōu)選的催化劑成分設(shè)置在所述套和/或點(diǎn)火器上。
背景技術(shù)：
白熾點(diǎn)火器如預(yù)熱塞通常用在內(nèi)燃機(jī)中來(lái)幫助進(jìn)行冷起動(dòng)的狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)如此設(shè)計(jì)，以致在發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱之后，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的一些工況適合自動(dòng)點(diǎn)燃柴油，而不再需要預(yù)熱塞來(lái)幫助點(diǎn)燃燃料。
為了減少發(fā)動(dòng)機(jī)排放，因此研究出比柴油燃燒得更加清潔的燃料。例如，氣態(tài)燃料如甲烷、天然氣、丙烷和氫氣可以在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)進(jìn)行全部燃燒，該內(nèi)燃機(jī)以狄塞爾循環(huán)進(jìn)行工作，從而與供給傳統(tǒng)柴油作為燃料的相同發(fā)動(dòng)機(jī)相比，所產(chǎn)生的氮氧化物(NOx)排放和顆粒物質(zhì)(PM)更少。把這種氣態(tài)燃料直接噴射到以狄塞爾循環(huán)進(jìn)行工作的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室中的其它優(yōu)點(diǎn)是，保持了與狄塞爾循環(huán)相關(guān)的效率和功率特性。
但是，這種氣態(tài)燃料不能如柴油那樣容易地自動(dòng)點(diǎn)燃。因此，為了把傳統(tǒng)的柴油機(jī)轉(zhuǎn)換成使用氣態(tài)燃料來(lái)進(jìn)行工作，因此在正常情況下需要幫助點(diǎn)燃的裝置。點(diǎn)燃這種氣態(tài)燃料的方法是采用裝置來(lái)幫助點(diǎn)燃。例如，名稱(chēng)為“帶有熱阻擋涂層和點(diǎn)火催化劑的預(yù)熱塞(Glow Plug Shield With ThermalBarrier Coating And Ignition Catalyst)”的美國(guó)專(zhuān)利No.6076493(493號(hào)專(zhuān)利)公開(kāi)了一種裝置，該裝置使用預(yù)熱塞和罩裝置來(lái)幫助點(diǎn)燃與柴油相比具有更高自動(dòng)點(diǎn)燃溫度的燃料。該493號(hào)專(zhuān)利涉及一種預(yù)熱塞和罩的結(jié)合體，該罩具有由熱障材料形成的涂層。493號(hào)專(zhuān)利公開(kāi)了使用催化劑的愿望，但是沒(méi)有公開(kāi)任何特殊燃料或者任何特殊催化劑成分，根據(jù)本申請(qǐng)人的知識(shí)，對(duì)氣態(tài)燃料進(jìn)行點(diǎn)火幫助的方法還沒(méi)有商業(yè)化。
盡管具有許多元素被公知為用作催化劑，但是不是所有的催化劑也可以幫助點(diǎn)燃?xì)鈶B(tài)燃料，因此需要一種這樣的催化劑成分它具有用在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中所需要的耐久性。除了包括一種催化劑元素的純催化劑組分之外，也可以使用催化劑合金，該合金包括一種以上的催化劑元素、或者與其它材料相結(jié)合的催化劑元素。一種催化劑成分對(duì)于一種燃料是有效的，但是對(duì)于另一種燃料卻無(wú)效。
然而，對(duì)于在發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間連續(xù)使用的點(diǎn)火幫助裝置而言，提供催化劑來(lái)幫助點(diǎn)燃燃料以致預(yù)熱塞可以在較低的溫度下進(jìn)行工作依然是理想的。較低的預(yù)熱塞工作溫度通常使得預(yù)熱塞的使用壽命更長(zhǎng)。使用催化劑也可以提供控制整個(gè)燃燒過(guò)程的額外要素。因此，對(duì)于與柴油相比具有更高自動(dòng)點(diǎn)燃溫度的氣態(tài)燃料而言，需要找到優(yōu)選的催化劑成分以用于在內(nèi)燃機(jī)的燃燒室中的商業(yè)使用。
使催化劑沉積在預(yù)熱塞或者布置在預(yù)熱塞周?chē)奶咨系闹圃旆椒ㄒ部梢杂绊懘呋瘎┑男ЯΑＲ虼?，還需要確定優(yōu)選的方法來(lái)使催化劑沉積在預(yù)熱塞套上。

發(fā)明內(nèi)容
提供一種內(nèi)燃機(jī)，它包括燃燒室，該燃燒室由氣缸、蓋住氣缸一端的缸蓋和在氣缸內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞限定，該活塞具有面對(duì)缸蓋的活塞頂部。該發(fā)動(dòng)機(jī)還包括進(jìn)氣口，它用于把進(jìn)氣引入到燃燒室中；排氣口，它用于把燃燒產(chǎn)物從燃燒室中排出來(lái)；燃料噴射閥，它設(shè)置在缸蓋中以把燃料直接引入到燃燒室中；及設(shè)置在燃燒室內(nèi)的點(diǎn)火幫助裝置，它具有帶有設(shè)置在點(diǎn)火器周?chē)系奶椎陌谉朦c(diǎn)火器及催化劑合金，該催化劑合金包括第一催化劑元素及第二催化劑元素，與第二催化劑元素相比，第一催化劑元素對(duì)氧具有更大的親合力；第二催化劑元素，與第一催化劑元素相比，第二催化劑元素對(duì)燃料具有更大的親合力。
應(yīng)該相信，所述催化劑合金提供了雙功能機(jī)理，與使用一種催化劑元素相比，其促進(jìn)了包括燃料和氧在內(nèi)的反應(yīng)的改進(jìn)。噴涂有一種催化劑元素的傳統(tǒng)的點(diǎn)火幫助裝置適合于對(duì)工作條件需要較少的只用于起動(dòng)期間點(diǎn)火幫助裝置或者所具有的相對(duì)容易的點(diǎn)火的十六烷值的燃料。本發(fā)明的采用了催化劑涂層的點(diǎn)火幫助裝置，當(dāng)使用更加難以點(diǎn)燃的燃料時(shí)，通過(guò)減少所需溫度以有助于點(diǎn)燃并且延長(zhǎng)點(diǎn)火幫助裝置的使用壽命，所能提供的優(yōu)點(diǎn)變得更加明顯。對(duì)于這些燃料而言，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間可以連續(xù)地使用點(diǎn)火幫助裝置，并且對(duì)于得到商業(yè)產(chǎn)品所需要的耐久性，延長(zhǎng)點(diǎn)火幫助裝置的使用壽命是非常重要的。
在優(yōu)選實(shí)施例中，燃料是氣態(tài)燃料，及在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，白熾點(diǎn)火器連續(xù)地受到加熱。氣態(tài)燃料可以包括甲烷，而該甲烷是燃燒起來(lái)比傳統(tǒng)液態(tài)燃料更加清潔的燃料。公知的是，甲烷是天然氣的主要成分。
對(duì)于氣態(tài)燃料而言，與釕對(duì)氣態(tài)燃料的親合力相比，當(dāng)釕對(duì)氧具有更大的親和力時(shí)，第一催化劑元素是釕。為了提供雙功能，因此第二催化劑元素可以從包括鈀和鉑的組中選擇出來(lái)，與第二催化劑元素對(duì)氧的親和力相比，第二催化劑元素被選擇成對(duì)燃料具有更大的親和力。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，與第二催化劑元素相比，按照催化劑合金的重量，第一催化劑元素具有更高的比例。例如，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在優(yōu)選的合金成分中，在催化劑合金的催化劑材料中，對(duì)氧的親合力大于對(duì)燃料的親合力的第一催化劑元素大約為75重量％。
設(shè)置在點(diǎn)火器周?chē)系奶變?yōu)選地包括內(nèi)部表面，它面對(duì)點(diǎn)火器；及外部表面，它面對(duì)燃燒室，而催化劑合金涂層設(shè)置在內(nèi)表面和外表面上。套具有管形部分和開(kāi)口端，該管形部分包圍著點(diǎn)火器。在優(yōu)選實(shí)施例中，套具有管形部分，它包圍著點(diǎn)火器；封閉端；及若干孔，它們用于把具有燃料的可燃混合氣引入到位于套和點(diǎn)火器之間的隔離空間中，并且用于把燃燒火焰從隔離空間噴出到燃燒室中。
提供一種在工作內(nèi)燃機(jī)中幫助點(diǎn)燃燃料的方法。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中，該方法包括通過(guò)進(jìn)氣口把進(jìn)氣引入到燃燒室中；把燃料直接噴射到燃燒室中；通過(guò)電來(lái)加熱預(yù)熱塞以幫助點(diǎn)燃燃料；通過(guò)排氣口從燃燒室中排出燃燒產(chǎn)物；及用套來(lái)遮住預(yù)熱塞，而該套與預(yù)熱塞的側(cè)部隔開(kāi)并且基本上包圍著這些側(cè)部，其中套具有沉積于其上的催化劑涂層，該催化劑涂層包括第一催化劑元素和第二催化劑元素，其中與第二催化劑元素相比，第一催化劑元素對(duì)氧具有更大的親合力；與第一催化劑元素相比，第二催化劑元素對(duì)燃料具有更大的親合力。
在優(yōu)選實(shí)施例中，該燃料是氣態(tài)燃料如天然氣。第一催化劑元素優(yōu)選為釕，而第二催化劑元素優(yōu)選為鈀。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)施加10到12伏特的電壓來(lái)連續(xù)地加熱預(yù)熱塞。
根據(jù)優(yōu)選的方法，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在氣缸內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞處于上死點(diǎn)之前的40度到上死點(diǎn)之后的10度之間時(shí)可以開(kāi)始噴射燃料。借助把燃料直接噴射到燃燒室中，并且在這樣的時(shí)刻，使得該發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能和效率可與使用柴油的柴油機(jī)相比。
在制造點(diǎn)火幫助裝置的優(yōu)選方法中，在催化劑涂層沉積到該套上之后并且在安裝和使用在發(fā)動(dòng)機(jī)之前，對(duì)該套進(jìn)行熱處理。該熱處理包括在空氣中把套加熱到500到1000攝氏度的溫度至少10分鐘(例如在10分鐘到8小時(shí)之間)。


圖1是燃燒室上部的剖視圖，它示出了與用來(lái)把氣態(tài)燃料直接噴射到燃燒室中的燃料噴射閥有關(guān)的一部分缸蓋，及包括設(shè)置在預(yù)熱塞周?chē)墓苄翁椎狞c(diǎn)火幫助裝置。
圖2示出了金屬套上的Pd涂層表面的放大圖。
圖3和4是金屬套上的Pd涂層表面在800攝氏度下進(jìn)行烘爐老化的不同時(shí)期的放大圖。
圖5是Pd/Ru涂層表面的放大圖。
圖6和7是Pd/Ru涂層表面在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之后的放大圖。
圖8是曲線(xiàn)圖，它繪出了采用熱表面點(diǎn)火的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的正常點(diǎn)火延遲相對(duì)預(yù)熱塞電壓的曲線(xiàn)，其中所繪出的數(shù)據(jù)是從使用不同催化劑成分的實(shí)驗(yàn)中收集來(lái)的。
圖9a是曲線(xiàn)圖，它繪出了正常點(diǎn)火延遲相對(duì)預(yù)熱塞電壓的曲線(xiàn)，其中所繪出的數(shù)據(jù)表示不同催化劑成分，因此確定釕含量的效果。
圖9b是曲線(xiàn)圖，它繪出了圖9a的相同催化劑成分的最大氣缸壓力的變量系數(shù)的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)表示燃燒穩(wěn)定性。
圖10是曲線(xiàn)圖，它繪出了由數(shù)學(xué)微動(dòng)力模型所預(yù)告的正?；?jì)算出的點(diǎn)火延遲相對(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)所測(cè)量出的點(diǎn)火延遲的曲線(xiàn)。
圖11是曲線(xiàn)圖，它繪出了正?；c(diǎn)火延遲相對(duì)預(yù)熱塞的體積溫度的曲線(xiàn)。
具體實(shí)施例方式
1.8升4缸柴油機(jī)被轉(zhuǎn)換成使用天然氣作為燃料來(lái)工作。天然氣通過(guò)燃料噴射過(guò)程直接噴射到敞開(kāi)的燃燒室中，該燃料噴射過(guò)程開(kāi)始于上死點(diǎn)(TDC)之前的40度到TDC之后的10度之間，其中TDC被定義成在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)期間發(fā)動(dòng)機(jī)活塞處于這樣的位置上在該位置上，它最靠近缸蓋，“度”是通過(guò)曲軸旋轉(zhuǎn)來(lái)測(cè)量的曲柄角度。
圖1示出了一部分缸蓋100，它示出了對(duì)燃燒室進(jìn)行的一些改進(jìn)。燃燒室的剩余部分保持與燃燒柴油的上述發(fā)動(dòng)機(jī)的相同。為了噴射氣態(tài)燃料，燃料噴射閥110安裝在正常情況下用于傳統(tǒng)柴油噴射閥的相同開(kāi)口中。燃料噴射閥110的優(yōu)選實(shí)施例是直接驅(qū)動(dòng)的燃料噴射閥，該燃料噴射閥采用了磁致伸縮或壓電式驅(qū)動(dòng)器和液壓連接組件，如公開(kāi)在共同擁有的美國(guó)專(zhuān)利No.6298829中的燃料噴射閥。點(diǎn)火幫助裝置120以這樣的角度進(jìn)行安裝，以致預(yù)熱塞122的自由端沿著燃料噴射閥110的方向進(jìn)行傾斜。套124的管形部分被隔開(kāi)并且包圍著預(yù)熱塞122。預(yù)熱塞122的自由端從套124的敞開(kāi)端凹入。
在內(nèi)燃機(jī)燃燒室中使用催化劑的問(wèn)題是使用壽命問(wèn)題。在工作期間燃燒室內(nèi)的一些惡劣情況包括暴露到進(jìn)氣中，該進(jìn)氣以大約-40攝氏度到+60攝氏度之間的溫度進(jìn)入到燃燒室中；及暴露到熱的燃燒氣體中，該燃燒氣體的溫度可以為+1200到+2800攝氏度之間。因此，重要的是，將催化劑粘附在其所沉積的表面上。
圖2示出了具有Pd涂層的金屬套的表面的放大圖。在這個(gè)圖形和包括在這些附圖中的其它圖形中的放大度借助圖形中的標(biāo)尺來(lái)示出，該標(biāo)尺的度量為10微米。噴涂過(guò)的表面的特征在于具有規(guī)則的裂紋圖型。借助熱處理催化劑涂層來(lái)提高催化劑粘附力。圖3是Pd涂層表面在800攝氏度下進(jìn)行10分鐘的烘爐老化之后從而導(dǎo)致Pd催化劑退火并且提高粘附力的放大圖。退火過(guò)程不會(huì)改變催化劑涂層的表面成分。圖4是Pd涂層表面在800攝氏度下進(jìn)行8小時(shí)的烘爐老化之后的放大圖，該圖主要表明了沒(méi)有損失催化劑覆蓋層，從而證明，給Pd催化劑涂層進(jìn)行退火可以提高粘附力，及在這種處理之后的涂層可以經(jīng)受得住長(zhǎng)時(shí)間地露出到空氣中的高溫情況下。因此，希望在安裝到燃燒室之前把熱處理過(guò)程合并到制造過(guò)程中以給催化劑涂層進(jìn)行退火。
圖5是具有Pd/Ru涂層的金屬套表面的放大圖，該表面的特征在于具有規(guī)則裂紋圖型，該表面與只噴涂有Pd的套表面非常相似。但是，如圖5所示，在這個(gè)例子中，不均勻的涂層表明，Pd/Ru涂層的粘附力不及只具有Pd的涂層好。更差的粘附特性在正常情況下提示人們不要使用Pd/Ru催化劑的成分方案。
圖6和7是噴涂有Pd/Ru的套表面在發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之后的放大圖。在安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)之前，使這些Pd/Ru涂層進(jìn)行退火。圖6示出了在安裝時(shí)更加靠近缸蓋的套表面的一部分。圖7示出了靠近頂部或者敞開(kāi)端的套表面的一部分。圖6和7的比較表明，沿著套的長(zhǎng)度，表面特性沒(méi)有明顯不同。
對(duì)許多不同催化劑成分設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以確定優(yōu)選的成分設(shè)計(jì)。在這些實(shí)驗(yàn)中，使用相同的發(fā)動(dòng)機(jī)，而唯一的不同在于預(yù)熱塞套上的催化劑涂層的成分。圖8是曲線(xiàn)圖，它繪出了從這些實(shí)驗(yàn)中收集來(lái)的一些數(shù)據(jù)。在這個(gè)曲線(xiàn)圖中，用來(lái)繪出這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的符號(hào)與下表1中所示出的成分相對(duì)應(yīng)

表1圖8的圖例圖8中所繪出的數(shù)據(jù)是從四缸1.8升柴油機(jī)中收集的，該柴油機(jī)以天然氣作為燃料，在50N-m的負(fù)荷下以2000rpm的速度進(jìn)行工作。繪出正?；c(diǎn)火遲延相對(duì)預(yù)熱塞電壓的曲線(xiàn)。對(duì)于小于12的電壓而言，Pd/Ru催化劑成分提供了最短的點(diǎn)火延遲。所觀察到的預(yù)熱塞電壓的減少量相當(dāng)于50到100攝氏度的預(yù)熱塞溫度的減少量，期望這種溫度減少量能夠明顯提高預(yù)熱塞的使用壽命。
圖9a是繪出了正?；c(diǎn)火延遲相對(duì)預(yù)熱塞電壓的曲線(xiàn)。這個(gè)曲線(xiàn)圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)可以從一些實(shí)驗(yàn)中得來(lái)，而進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)來(lái)確定更高的釕含量是否適合于提高天然氣的點(diǎn)火。又，采用把直接噴射的天然氣作為燃料的1.8升四缸柴油機(jī)。下表2提供了數(shù)據(jù)點(diǎn)的圖例。

表2，對(duì)于圖9a和9b的具有重量測(cè)量百分比的圖例。
在圖9a中所繪出的數(shù)據(jù)示出了發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火延遲相對(duì)預(yù)熱塞電壓的曲線(xiàn)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)以2000rpm的速度在200N-m的負(fù)荷下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。在所實(shí)驗(yàn)的這些催化劑成分設(shè)計(jì)中，對(duì)給定的電壓而言，用具有最高的釕含量(按重量計(jì)算，25％的Pd和75％的Ru)的成分可以得到最短的點(diǎn)火延遲。圖9b中所繪出的數(shù)據(jù)顯示在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件下燃燒穩(wěn)定性(如最大氣缸壓力的變化系數(shù)-COV-的較低值所示一樣)作為的預(yù)熱塞電壓的函數(shù)。該圖示出了，在所實(shí)驗(yàn)的這些催化劑成分中，用最高的釕含量的成分(按重量計(jì)算，25％的Pd和75％的Ru)可以得到最好的燃燒穩(wěn)定性。相信這些結(jié)果示出了，在催化劑成分包含更多釕而不是鉑、可以在燃燒天然氣的發(fā)動(dòng)機(jī)中提高燃燒穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)低電壓工作。這種性能優(yōu)點(diǎn)的一種可能解釋是，雙功能機(jī)理提高了催化劑合金的性能，根據(jù)這些催化劑成分中的一種對(duì)氧的親合力與這些催化劑成分中的另一種對(duì)燃料的親合力相比，不同燃料可以使用不同催化劑成分。在這里所描述的例子中，相信甲烷、CO和CHx優(yōu)先地吸附在Pd上，與Ru相比，Pd對(duì)這些分子具有更大的親合力，并且氧優(yōu)選地吸附在Ru上，與Pd相比，該Ru對(duì)氧具有更大的親合力。
構(gòu)造數(shù)學(xué)微動(dòng)力模型來(lái)預(yù)告不同催化劑成分的點(diǎn)火延遲。在微動(dòng)力模型中，點(diǎn)火延遲被定義成初始溫度在初始值上增加10％所需要的時(shí)間。初始固態(tài)溫度和進(jìn)入氣體溫度設(shè)置在1500K上。在圖10中，繪出通過(guò)模型所計(jì)算出的點(diǎn)火延遲相對(duì)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)在50N-m和200N-m的負(fù)荷下通過(guò)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的點(diǎn)火延遲的曲線(xiàn)。借助表示Pd的重量百分比成分而其余部分是Ru，設(shè)置在曲線(xiàn)圖中的圖例表示催化劑成分。圖10示出了，微動(dòng)力模型正確地預(yù)告了隨著每個(gè)套涂層的入增大具有點(diǎn)火延遲減小量，并且還預(yù)告了具有25％Pd和75％的Ru的催化劑成分具有更短的點(diǎn)火遲延。
應(yīng)該相信，在內(nèi)套表面和外套表面上設(shè)置催化劑涂層，通過(guò)增大催化劑表面積改善了點(diǎn)火，增大催化劑表面積可以導(dǎo)致增大催化劑暴露在可燃空氣/燃料混合物中。通過(guò)與只在內(nèi)表面上具有催化劑涂層的套相比，證明在內(nèi)表面和外表面上具有催化劑涂層的套明顯減少了點(diǎn)火延遲的示例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持了這種預(yù)測(cè)。圖11是曲線(xiàn)圖，它繪出了正?；c(diǎn)火延遲相對(duì)平均預(yù)熱塞溫度的曲線(xiàn)。如已經(jīng)描述過(guò)的那樣，為了提高預(yù)熱塞的耐用性和使用壽命，希望使預(yù)熱塞工作在較低的溫度上。圖11示出了通過(guò)噴涂預(yù)熱塞套的內(nèi)表面和外表面，在低溫下可以可靠地點(diǎn)燃?xì)鈶B(tài)燃料如天然氣。所示出的菱形標(biāo)號(hào)表示在催化劑涂層位于預(yù)熱塞套的內(nèi)表面和外表面上的套中所測(cè)得的數(shù)據(jù)點(diǎn)，及所示出的正方形標(biāo)號(hào)表示在催化劑涂層只位于預(yù)熱塞套的內(nèi)表面上的套中所測(cè)得的數(shù)據(jù)點(diǎn)。所示出的三角形標(biāo)號(hào)表示在預(yù)熱塞套沒(méi)有被噴涂時(shí)所測(cè)得的數(shù)據(jù)點(diǎn)。在所有這些實(shí)驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速，并且在沒(méi)有任何廢氣再循環(huán)的情況下進(jìn)行工作。
根據(jù)上面公開(kāi)的內(nèi)容，正如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知道的，在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明時(shí)可以進(jìn)行許多改變和改進(jìn)，而沒(méi)有脫離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)或者范圍。因此，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)限定的內(nèi)容而得到。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機(jī)，它包括燃燒室，該燃燒室由氣缸、蓋住所述氣缸一端的缸蓋和在所述氣缸內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞限定，且該活塞具有面對(duì)所述缸蓋的活塞頂部；所述發(fā)動(dòng)機(jī)還包括(a)進(jìn)氣口，它用于把進(jìn)氣引入到所述燃燒室中；(b)排氣口，它用于把燃燒產(chǎn)物從所述燃燒室中排出來(lái)；(c)燃料噴射閥，它設(shè)置在所述缸蓋中以把燃料直接引入到所述燃燒室中；及(d)設(shè)置在所述燃燒室內(nèi)的點(diǎn)火幫助裝置，它包括帶有設(shè)置在所述點(diǎn)火器周?chē)系奶椎陌谉朦c(diǎn)火器及催化劑合金，所述催化劑合金包括第一催化劑元素及所述第二催化劑元素，第一催化劑元素與第二催化劑元素相比對(duì)氧具有更大的親合力；所述第二催化劑元素與所述第一催化劑元素相比對(duì)所述燃料具有更大的親合力。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述燃料是氣態(tài)燃料。
3.如權(quán)利要求2所述的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述燃料包括甲烷。
4.如權(quán)利要求3所述的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述氣態(tài)燃料是天然氣。
5.如權(quán)利要求2-4任一所述的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述第一催化劑元素是釕。
6.如權(quán)利要求1-5任一所述的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述第二催化劑元素從包括鈀和鉑的組中選擇出來(lái)。
7.如權(quán)利要求6所述的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，與所述第二催化劑元素相比，按照所述催化劑合金的重量，所述第一催化劑元素具有更高的比例。
8.如權(quán)利要求7所述的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，在所述催化劑合金的催化劑材料中，所述第一催化劑元素大約為75重量％。
9.如權(quán)利要求1-8任一所述的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述套包括內(nèi)部表面，它面對(duì)所述點(diǎn)火器；及外部表面，它面對(duì)所述燃燒室，而所述催化劑涂層設(shè)置在所述內(nèi)表面和所述外表面上。
10.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述套具有管形部分和開(kāi)口端，該管形部分包圍著所述點(diǎn)火器。
11.如權(quán)利要求1-9任一所述的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述套具有管形部分，它包圍著所述點(diǎn)火器；封閉端；及若干孔，它們用于把包括所述燃料的可燃混合氣引入到位于所述套和所述點(diǎn)火器之間的空間中，并且用于把燃燒火焰從所述空間噴出到所述燃燒室中。
12.一種在工作內(nèi)燃機(jī)中幫助點(diǎn)燃燃料的方法，在每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中，所述方法包括通過(guò)進(jìn)氣口把進(jìn)氣引入到燃燒室中；把所述燃料直接噴射到燃燒室中；通過(guò)電來(lái)加熱預(yù)熱塞以幫助點(diǎn)燃所述燃料；通過(guò)排氣口從所述燃燒室中排出燃燒產(chǎn)物；及用套來(lái)遮住所述預(yù)熱塞，而該套與所述預(yù)熱塞的側(cè)部隔開(kāi)并且基本上包圍著這些側(cè)部，其中所述套具有沉積于其上的催化劑涂層，所述催化劑涂層包括第一催化劑元素和第二催化劑元素，其中與所述第二催化劑元素相比，所述第一催化劑元素對(duì)氧具有更大的親合力；與所述第一催化劑元素相比，所述第二催化劑元素對(duì)所述燃料具有更大的親合力。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一催化劑元素是釕。
14.如權(quán)利要求12或者13所述的方法，其特征在于，所述第二催化劑元素是鈀。
15.如權(quán)利要求12-14任一所述的方法，其特征在于，所述催化劑涂層沉積在面對(duì)所述預(yù)熱塞的所述套的內(nèi)表面上和面對(duì)所述燃燒室的所述套的外表面上。
16.如權(quán)利要求12-15任一所述的方法，還包括，在所述催化劑涂層沉積到該套上之后并且在安裝和使用在發(fā)動(dòng)機(jī)之前，對(duì)所述套進(jìn)行熱處理。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述熱處理包括在空氣中把所述套加熱到500到1000攝氏度的溫度至少10分鐘。
18.如權(quán)利要求12-17任一所述的方法，其特征在于，所述燃料是天然氣。
19.如權(quán)利要求12-18任一所述的方法，其特征在于，通過(guò)施加10到12伏特的電壓來(lái)加熱所述預(yù)熱塞。
20.如權(quán)利要求12-19所述的方法，其特征在于，在所述氣缸內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞處于上死點(diǎn)之前的40度到上死點(diǎn)之后的10度之間開(kāi)始噴射所述燃料。
全文摘要
一種內(nèi)燃機(jī)和一種操縱該內(nèi)燃機(jī)的方法，把氣態(tài)燃料直接噴射到燃燒室中，并且設(shè)置有點(diǎn)火幫助裝置，該裝置設(shè)置在燃燒室內(nèi)。設(shè)置在燃燒室內(nèi)的點(diǎn)火幫助裝置包括具有套的白熾點(diǎn)火器，其中該套設(shè)置在點(diǎn)火器周?chē)?，并且具有催化劑合金。催化劑合金包括第一催化劑元素，與第二催化劑元素相比，它對(duì)氧具有更大的親合力；及第二催化劑元素，與第一催化劑元素相比，它對(duì)燃料具有更大的親合力。
文檔編號(hào)F02B51/04GK1711412SQ200380103305
公開(kāi)日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2003年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月15日
發(fā)明者羅伯特·S·韋伯, 約翰·P·梅洛, 德里克·J·貝蔡爾, 蘇里什·斯里拉馬魯 申請(qǐng)人:韋斯特波特研究公司