[发明专利]配有火花塞的受计算机控制的内燃发动机

说明书

相关申请

这是1996年6月17日递交的、申请号为08/665,517的美国专利申请的部分继续申请。这也是1996年7月9日递交的、申请号为08/677,508的美国专利申请的部分继续申请。

技术领域

本发明涉及内燃发动机以及与该内燃发动机一起使用的装置，使燃油高效燃烧以提供更多的动力、更高的燃油效率和大大减少有害排放物。

本发明的背景

在传统的以汽油为动力的内燃发动机中，汽油是通过一燃油喷射器或化油器来加以引导，随后与空气混合，提供一个大约为10∶1至14.7∶1的空燃比。接着，汽油和空气混合物被输送到一燃烧室内，并借助由一火花塞产生的火花来点燃。传统的发动机构造是这样的，即，在输送至燃烧室的空/燃混合物中含有大量的汽油，在火花塞的火花点火时，这些汽油没有全部消耗。于是，发动机便将含有未燃烧的汽油和其它有害排放物，例如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、或氮的氧化物(NO_x)的废气排入周围环境。

在八十年代后期生产的大多数车辆中，一个车载的计算机(也称作电子控制模块或ECM)安装在车辆上，并连接于发动机。ECM可控制和监测很大范围的发动机工况，包括燃油流量以及输送至发动机的燃油。ECM还能控制空/燃混合物在不同驾驶条件下的空燃比。例如，油门部分打开的普通驾驶的空燃比是14.7∶1。当需要附加动力因而油门全开时，例如当把一负载拉上山坡时，ECM可将空燃比调节至12∶1，以便利用更多的燃油来实现必须的动力增量。ECM可监测发动机的多个传感器，并调节各工作参数以将空燃比维持在一个选定值上。ECM还能控制发动机产生火花的正时，从而当发动机的活塞位于各气缸内的选定位置时引爆空/燃混合物，以便从该发动机获得期望的输出。

ECM有一个或多个计算机芯片，例如包含供发动机工作用的指令和校准数据的PROM(可编程只读存储器)。然而，由汽车制造商提供的计算机芯片是利用借助传统火花塞工作的发动机的出厂参数来进行编程，以实现一种可提供足够功率并具有合理的燃油效率和可接受的发动机有害排放物的可接受的发动机性能。

传统的ECM具有一计算机芯片或PROM，它可以用一个借助各种指令和校准数据来进行编程的定制芯片加以更换，以改变或提高发动机性能的各个方面，例如输出功率。其它的ECM具有可再编程的PROM(例如闪光电可擦只读存储器(EEPROM))，该PROM可以借助不同的指令和校准数据重新编程。例如，一定制的计算机芯片或改编程序包括供ECM使用以增大发动机输出功率的指令和校准数据，这通常会使燃油效率下降并造成过高的发动机有害排放物。因此，这些定制的计算机芯片通常对城市车辆(例如，非赛车型或非越野型车辆)是禁用的，除非其通过昂贵的联邦试验程序并满足其它要求。

ECM控制的发动机采用传统的火花塞来点燃空/燃混合物。传统的火花塞具有一直径为1.3mm至2.0mm的中心电极和一尺寸与之类似并间隔开一个大约0.8mm间隙的接地电极。该火花塞连接于车辆线圈，当中心电极处的电压达到电离值时，电荷以火花形式越过该间隙放电。火花塞一般由通常为15,000-30,000的高压线圈驱动，该线圈可以提供允许火花电弧越过间隙所必须的火花放电电压。

传统的火花塞设计使得所产生的火花是一个相对较小的蓝色的火花。这种小的蓝色火花通常可提供足够的热量来引爆燃烧室内的空/燃混合物，以便驱动在向下冲程上的一个发动机活塞。虽然传统的火花塞允许发动机在用户认为可接受的水平上运行，但这些火花塞未必对发动机的性能进行优化。这些火花塞具有相对较小的间隙，只需要较小的电压就可以产生火花，这将导致一个冷的或低能(lower power)火花。与热火花相比，低能火花点燃空/燃混合物的效率较低，因而在空/燃混合物中就需要更多的燃油来实现所希望的发动机输出功率。因此，发动机是以较低的燃油效率工作。此外，火花塞的低效点燃还导致燃油的不完全燃烧，从而产生更多的有害排放物。

已经有很多对火花塞和其它发动机构件的改进，以期获得更大的功率，并且不会降低燃油效率和增大废气排放。作为一个例子，美国Illinois的Splitfire制造了一种火花塞，它具有一标准的中心电极，该中心电极与一V形接地电极隔开一标准的火花间隙，V形接地电极可提供让火花电弧越过的两个区域。Splitfire’s火花塞的一个目的是，允许一火花横越接地电极的腿部，以产生更多的火花来点燃空/燃混合物。