CN101305183A - 用于内燃机的微波燃烧系统 - Google Patents

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CN101305183A CNA2006800416504A CN200680041650A CN101305183A CN 101305183 A CN101305183 A CN 101305183A CN A2006800416504 A CNA2006800416504 A CN A2006800416504A CN 200680041650 A CN200680041650 A CN 200680041650A CN 101305183 A CN101305183 A CN 101305183A
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D·塔施
R·皮拉梅杜
S·库马尔
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Abstract

本发明提供了一种可以替换内燃机中传统火花塞的微波燃烧系统。一或多个微波脉冲被提供给位于气缸内的塞子中的微波馈源。由塞子在燃料混合物附近生成的等离子生成的微波可以提供用于燃料空气混合物的高效燃烧。

Description

用于内燃机的微波燃烧系统
相关申请的交叉引用
本申请依照U.S.C.§119(e)要求2005年9月9日提交的编号为60/715,747的美国临时申请的权益，其公开包含在此作为参考。
有关国家资助的研究或开发的声明
不适用
技术领域
在内燃机中，发动机的效率和污染特性都高度地取决于气缸内燃料空气混合物的高效燃烧。低效燃烧由于不完全的燃料使用而导致功率(即效率)的损失和更大的污染。
背景技术
在传统的气体发动机中，燃料空气混合物被火花塞点燃，其中火花塞在高压(即，10-30kV)沿着火花塞的火花塞间隙施加时向混合物提供火花。高压的应用被定时为当气缸容积(并因此燃料空气混合物)接近尽可能低的容积，即，接近上死点(TDC)时或就在TDC之前或是之后时。在该特性位置，燃料空气混合物被尽可能地压缩并且来自火花塞间隙的火花可以点燃传播通过气缸容积的火焰。众所周知，多缸发动机通过对每个气缸内的燃料空气混合物的燃烧适当地正时来操作。
在传统的柴油机中，燃料空气混合物通过混合物在气缸内的压缩达到闪点而被点燃。可以利用电热塞或其它设备来辅助燃烧，至少在发动机足够热可以使得燃料可以单独在压缩冲程的末端或是末端附近点燃之前。
已经提出了利用RF或微波能量来增强燃烧。(参见例如授予Ward的编号为3,934,566的美国专利)。在Ward的建议中，可以在传统地实现燃料空气混合物的点火即通过在火花塞间隙上施加高压或通过将燃料空气混合物压缩至其燃点时，连续波(CW)的RF或微波能量被供给通过火花塞或电热塞。这种系统是非常复杂地，因为它需要微波系统和到火花塞的传统高压输送系统。
因此，对于可以增强内燃机内燃料空气混合物的燃烧的系统存在进一步的需要。
发明内容
依照本发明，公开了一种可以利用微波能量的脉冲点燃气缸内的燃料混合物的微波燃烧系统。在一些实施例中，一个或多个脉冲的微波能量被供给到插入气缸中的塞子。在一些实施例中，除了提供点火的那些脉冲之外，还向塞子供给预处理脉冲和/或后处理脉冲。
依照本发明的一些实施例的微波燃烧系统包括微波源；联接在高压电源和微波源之间的高压脉冲发生器，该高压脉冲发生器响应触发信号向微波源提供高压脉冲；和塞子，该塞子被联接以在高压脉冲被供给微波源时从微波源接收微波能量。触发信号可以由联接到火花塞线上的脉冲发生器提供。触发信号可以提供在火花塞线上提供的高压瞬时火花信号的下边沿上。在另一个实施例中，触发信号可以由发动机控制模块提供。
微波燃烧系统可以包括联接在微波源和塞子之间的循环器。微波燃烧系统还可以包括双定向耦合器以帮助监测耦合在微波源和塞子之间的正向和反向传播的微波能量。微波燃烧系统还可以包括联接在微波源和塞子之间的调谐器。
微波能量可以通过波导耦合在微波源和塞子之间。微波燃烧系统还包括波导到同轴的转接器以将微波能量耦合到联接到塞子上的同轴电缆。同轴电缆或同轴波导可以把微波源连接到塞子上。微波源也可以直接连接到塞子上并且是塞子的一部分。
塞子可以包括微波馈源和接地线。接地线可以由金属垫圈构成。金属垫圈可以包括一系列围绕中心孔的孔。金属垫圈的中心孔可以在微波馈源附近具有非圆形状的开口。接地线可以由丝网构成。接地线可以是围绕微波馈源布置的一或多个尖端。
一种用于依照本发明的一些实施例点燃燃料混合物的方法包括接收与用于气缸内燃烧的时间相关的触发信号；并且响应触发信号向联接到气缸上的塞子的微波馈源提供至少一个脉冲的微波能量。接收触发信号可以包括将来自火花塞线的信号接收进入脉冲发生器；并且响应来自火花塞线的信号而生成触发信号。接收触发信号可以包括从发动机控制模块接收信号。提供至少一个脉冲的微波能量可以包括响应触发信号生成高压脉冲的脉冲串；接收微波源中的高压脉冲的脉冲串以生成微波能量的脉冲串；并且将微波能量的脉冲串耦合到微波馈源。脉冲串可以包括一个脉冲。脉冲串可以包括后接长持续时间的脉冲的一个或多个短持续时间的脉冲。脉冲串可以包括后接或先高微波功率脉冲的一个或多个低微波功率的脉冲。
附图说明
通过下面的详细说明并连同附图可以更完全地理解本发明，其中：
图1A显示了依照本发明的一些实施例的微波燃烧系统；
图1B显示了在依照本发明的一些实施例的多缸发动机内的微波燃烧系统；
图2显示了本发明的一些实施例可以利用的塞子；
图3A至3C显示了本发明的一些实施例可以利用的塞子尖端设计；
图4A至4C显示了本发明的一些实施例可以利用的另一种塞子尖端设计；
图5A至5C显示了本发明的一些实施例可以利用的另一种塞子尖端设计；
图6A至6C显示了本发明的一些实施例可以利用的另一种塞子尖端设计；
图7显示了本发明的一些实施例可以利用的另一种塞子尖端设计；并且
图8显示了在依照本发明的实施例的柴油机内可以利用的塞子尖端设计。
图中，具有相同标识的原件具有相同或相似的功能。
具体实施方式
图1A显示了依照本发明的一些实施例的微波燃烧系统。图1A中所示的系统的实施例例如已经成功地用于操作单缸剪草机发动机。
如图1A所示，通常将直接连接到火花塞113上并且提供所需的10-30kV高压脉冲以在气缸115的容积116内生成火花的火花塞线101连接到脉冲发生器102上。在一些实施例中，脉冲发生器102可以联接到发动机控制单元或是随着发动机的旋转而同步拾取，而不是联接到火花塞线101上。脉冲发生器102响应火花塞线101上脉冲的下边沿而向高压脉冲发生器104生成控制脉冲。脉冲发生器104可以是高压开关装置，它可以将高压电源103连接到微波源105上。脉冲发生器104联接到电源103上从而供给电压以操作微波源105。电源103可以为例如大约4000V的直流电源。微波源105可以是磁控管、速调管、行波管或任意其它微波能量源。例如，本发明还提供了固态微波源的使用，固态微波源可能不需要这种高压作为磁控管或速调管。而且，两个或更多固态微波源可以组合以实现更大的功率输出。
在本发明的一些实施例中，脉冲发生器104可以供给电压脉冲串。电压脉冲串可以包括不同持续时间的脉冲以及具有不同电压的脉冲。然后，微波源105取决于电压脉冲串中脉冲的持续时间和电压生成具有变能量和脉冲持续时间的微波脉冲的脉冲串。灯丝电压电源106也联接到微波源105上以保持微波源105的灯丝连续地发热。在一些实施例中，脉冲发生器104可以包括感应线圈。
在图1A中所示的系统内，来自微波源105的微波脉冲耦合到波导，波导然后联接到循环器107上。通常会利用循环器来使微波源105与来自系统剩余部分的反射微波能量隔绝。同样地，微波脉冲在循环器107的第一端口107a处耦合到另一个波导，而循环器107的第二端口107b将进入第一端口的反射能量耦合到匹配负载116。
来自循环器107的微波脉冲因此能耦合到双定向耦合器108，这样就可以沿正向和反向监视微波功率。来自双定向耦合器108的功率的大部分耦合到调谐器109中，但是一些功率耦合到第一端口108a用于监视正向功率。从调谐器109进入双定向耦合器108的反射功率中的一些被耦合到第二端口108b用于监视反向功率。可以利用调谐器109来对微波系统调谐，这样沿正向耦合的微波功率就最大化并且反射功率最小化。在图1中所示的系统中，来自调谐器109的微波功率可以耦合到到波导110上。
波导110可以是柔性波导，因此它可以经由波导-同轴电缆转接器联接到塞子113的中央芯部上，而波导-同轴电缆转接器插入气缸115的容积116的顶部中。为了提供更好的屏蔽和同轴型能量供给，可以围绕火花塞113布置金属屏蔽114。
在试验中，在上至100Hz频率中50至100μs持续时间的微波脉冲已成功地在塞子113的尖端处生成可靠的火花，这在一个实例中是由传统火花塞得到的，此时它在发动机的外部。火花的该产生率将对应于4冲程发动机的大约12000rpm的转速。
在图1A中所示的微波燃烧系统100的操作实例中，电源103是大约4000V的直流电源。脉冲发生器104是HV开关，它能够在没有使用来自脉冲发生器102的TTL脉冲触发时将HV电源103联接到微波源105上多达大约100μs。微波源105在由电源103供给高压时，会生成持续时间大约为100μs的2.45GHz的微波脉冲。脉冲发生器102可以是由Stanford Research Systems，Inc生产的型号DG 535。HV电源103可以是由Spellman High Voltage ElectronicsCorp生产的型号SR6PN6。HV脉冲发生器104可以是由DiversifiedTechnologies，Inc生产的具有脉冲控制单元的型号″Power Mod″固态调制器。微波源105可以是由意大利的Alter生产的型号TM020。灯丝电源106可以是由Richardson Electronics，Ltd生产的开关式电力发电机PM740。循环器107、定向耦合器108和调谐器109是标准微波设备(例如，循环器107保护微波源105免于反射功率，双向耦合器108提供可以从中测量前项和反射微波功率的信号，并且调谐器109可以是三短截线调谐器以使由于阻抗沿线进一步向下的不匹配而引起的微波反射减小到最低)。波导略微从WR340到WR248的减小可以在调谐器109处实现，这样就可以利用更小尺寸的更具柔性的波导110。波导/同轴电缆转接器111向安装在波导侧面上的同轴电缆112的内导体供给微波能量。
塞子113可以由传统的火花塞得到。火花塞的上端通常可以利用火花塞线101进行改变。上连接器端的尺寸可以减小，这样它就可以紧密地装配在同轴电缆连接器的内导体上出现的孔中。这允许将微波能量很容易地耦合到火花塞本身中。屏蔽114可以是薄铜箔，它围绕着波导/同轴电缆转接器111的同轴连接器的外部导体并且在塞子113的六边形金属底座的一个端部处紧密地缠绕。当塞子113和气缸115的气缸盖联接时，屏蔽114的铜箔可以形成同轴波导的外导体。此外，用于塞子113的火花塞的间隙略微减小以便于使用微波脉冲更好地点燃。
如上所述的操作实例可以成功地操作割草机发动机。微波脉冲功率在标准脉冲方式中被限于8kW。此外，最大脉冲持续时间为100微秒。在火花塞线101上的火花脉冲的到达和在火花塞113处微波脉冲的输送之间测量大约2微秒的固有延迟。
如图1A所示，信号是由火花塞线101接收的。在一些实施例中，拾波线圈可以缠绕在火花塞线101的外护套上以拾取触发脉冲以用于微波源的最终点火。触发脉冲连接到脉冲发生器102上用于适当的成形并且然后供给HV脉冲发生器104。标准火花塞的火花塞电压通常是负的；因此脉冲发生器102会在从火花塞线101提取的触发脉冲的下降边沿上生成脉冲。这会保证当火花塞113被火花塞线直接正常点火的时间与一个或多个微波脉冲的脉冲串被供给火花塞113的时间之间的最小延迟。在特定实例中，固有的延迟测量于大约2毫秒处，这对于以每分钟几千转的速度运行的发动机而言可以忽略不计。
一般而言，依照本发明的实施例的微波燃烧系统不需要图1A的文本实例中所示的许多元件，尤其是微波部件。图2显示了所提出的塞子200可以直接联接代替图1A中所示的微波源105。这种塞子外加脉冲发生器102、电源103、脉冲发生器105和灯丝电源106，可以直接替换传统发动机中的火花塞。如图2所示，塞子200包括微波源201、熔线202、微波馈源205和接地电极或线206。塞子200由螺纹204拧紧到发动机组上直至底座203与气缸盖的顶部齐平。灯丝电源106可以直接供给微波源201。另外，脉冲发生器104的脉冲可以供给微波源201。在一些实施例中，微波源201可以被除去，暴露出可以直接联接到火花塞线101上的熔线202。在操作中，微波能量会在微波馈源205和接地线206之间的间隙中辐射。如果脉冲包含足够的微波能量，等离子可以在该间隙中受激。在一些操作方式中，可以利用不会激励等离子的微波脉冲来对燃料混合物预激励，其中燃料混合物可以是在提供点燃等离子的脉冲之前在容积116中提供的燃料空气混合物。使用成形微波脉冲的脉冲串的这种操作可以被优化以有效并且清洁地控制容积116内提供的燃料混合物的燃烧。
可以通过用图1A中所示的微波燃烧系统100代替每个气缸的火花塞来配置多缸发动机。图1B显示了分享单微波源的多气缸微波燃烧系统。如图1B所示，微波源105通过微波分配器151联接到N个塞子113-1至113-N中的每一个上。火花塞线101-1至101-N联接到脉冲和信号发生器150上，脉冲和信号发生器150既生成驱动脉冲发生器104的脉冲又向分配器151提供指示塞子113-1至113-N中的那一个接收来自微波源105的微波脉冲串的选择信号。如图1B中所示，脉冲发生器104在气缸115-1至115-N中的每一个内的燃料混合物被点火时接收触发信号。到分配器151的选择信号将由微波源105生成的微波脉冲串发送给气缸115-1至115-N中的适当一个。
图1A和1B均显示了汽油机。在柴油机内，火花塞线101被替换为来自发动机控制模块的信号线。另外，塞子113比火花塞更接近地类似于电热塞。微波能量由发动机组和微波馈源之间的线圈辐射以代替供给间隙。
对将微波能量耦合到容积116内供给的燃料混合物以便无论是点燃等离子还是激励混合物的一个影响因素是围绕微波馈源205的端部的塞子200的形状，尤其是微波馈源205和接地线206之间的间隙。图3A至图7显示了用于该间隙区域的配置的各种实例。图8显示了可以在柴油机内利用的塞子800。除了特别地显示并且在此所述的之外，其它设备和配置可以用于将能量转移到火花塞间隙。
图3A至图6C显示了可以在本发明的在一些实施例中利用的塞子的一些示例性实施例。图3A至3C显示了实例塞子300，图4A至图4C显示了实例塞子400，图5A至图5C显示了实例塞子500，图6A至图6C显示了实例塞子600，并且图7显示了实例塞子700。实例塞子300、400、500、600和700在微波馈源205和接地线206之间的间隙区域的配置中不同。一般而言，依照本发明的塞子可以是能够将微波脉冲功率有效地发送到间隙区域中从而激励燃料混合物或是点燃燃料混合物内的等离子的任意设备。点燃燃料空气混合物中的等离子会开始燃料混合物的燃烧。图8显示了可以在柴油机内利用的实例塞子800。
例如，图3A内显示的塞子300包括尖端301，它可以是微波源201或导电尖端例如火花塞113上的导电尖端。任一情形中，微波能量由尖端301供给微波馈源205。微波馈源205由陶瓷绝缘体302围绕。塞子300可以通过螺纹304安装在气缸115的气缸盖中。塞子300通常被插入气缸盖中直至六边形底座303与气缸115的气缸盖电和物理接触。
如图3A至图3C和图5A至图5C所示，接地线206由预先钻有多个孔的环形金属构件或垫圈构成。在图3A至图3C的塞子300中，接地线206包括4个孔305。在图5A至图5C的塞子500中，接地线206包括3个孔501。一般而言，可以利用任意数目的孔。另外，孔的尺寸可以改变。孔305和501允许燃料混合物可以很容易地进入环形构件的背面以与由微波脉冲在接地线206和微波馈源205之间生成的等离子更好的接触。可以利用1毫米或更小的孔来捕获接地线206和微波馈源205之间的间隙内的微波能量从而增强等离子在该区域中的生成。具有利用来形成塞子300和500内的接地线206的预置孔的环形构件可以就在螺纹304下方被分别焊接到塞子300和500的底座上。
在图4A至图4C的塞子400中，接地线206由薄金属网或在螺纹304附近焊接到底座上的筛构成。网(或筛)总体上为穹顶(凸)形并且可以允许从筛辐射受控量的微波辐射。网内的孔的尺寸可以控制辐射输出。
在图6A至图6C的塞子600中，接地线206由金属环形构件或具有形成于垫圈中的开口601的垫圈构成。如前所述，金属垫圈在螺纹304下面焊接到塞子600的底座上。开口601的形状可以构成为可以优化进入燃料混合物的微波能量泄漏而同时保持微波能量以点燃在接地线206和微波馈源205之间构成的间隙内的等离子。
可以对图3A至图6C中所示的实例塞子做出变化。例如，如图7的塞子700所示，接地线206可以由围绕微波馈源205间隔的多个尖端701构成。在一些实施例中，接地电极206可以由围绕微波馈源205间隔的2、3或4个接地电极构成。在一些实施例中，分离的接地电极可以围绕微波馈源205对称地布置(即，2、3或4个接地电极围绕微波馈源205相隔180、120或90度布置)。一般而言，接地线206可以构成为能够以可靠的方式使用微波诱导的等离子点燃燃料混合物，并且还允许受控量的微波能量泄露以助于改进总的点火过程。
图8显示了可以在柴油机内利用的塞子800。塞子800包括当微波功率施加给微波馈源205时将微波能量辐射到气缸内的天线或线圈801。塞子可以包括连接在中心微波馈源导体205和外接地主体之间的一或多条导线或薄金属带。此外，塞子800可以充当标准电热塞。
如此前提出的那样，依照本发明的微波系统可以利用微波脉冲的脉冲串。可以提供不会点燃等离子的短持续时间的脉冲或低能量脉冲以预先处理燃料混合物以助于改进燃烧过程。然后点燃等离子的高能量、较长持续时间的脉冲可以助于提供燃料混合物的更高效的燃烧。
本发明的燃烧系统还可以在更宽范围的电磁波频谱中操作。例如，可以由低于微波频率范围的RF频率例如UHF、VHF等的脉冲生成火花并且因此生成点火。固态电源可以在这种RF频率下操作并且可以用于这种应用。本发明并不限于已经特别显示和描述的，除了在所附权利要求书中指示的之外。

Claims (42)

1.一种微波燃烧系统，包括：
微波源；
联接在电源和微波源之间的脉冲发生器，该脉冲发生器响应触发信号向微波源提供具有足够电压的脉冲；和
塞子，该塞子被联接以在脉冲被供给微波源时从微波源接收微波能量。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，触发信号是由联接到火花塞线上的脉冲发生器提供的。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，在火花塞线上提供的高压瞬时火花信号的下边沿上提供触发信号。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，触发脉冲是由发动机控制模块提供的。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，脉冲发生器包括高压脉冲发生器。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括联接在微波源和塞子之间的循环器。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括双定向耦合器以监测在微波源和塞子之间耦合的正向和反向传播微波能量。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括联接在微波源和塞子之间的调谐器。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，微波能量通过波导耦合在微波源和塞子之间。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括波导到同轴的转接器以将微波能量耦合到联接到塞子上的同轴电缆。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，微波源使用同轴电缆联接到塞子上。
12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，微波源使用同轴波导联接到塞子上。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，微波源直接连接到塞子上并且是塞子的一部分。
14.如权利要求1所述的系统，其特征在于，高压脉冲发生器包括感应线圈。
15.如权利要求1所述的系统，其特征在于，塞子包括微波馈源和接地线。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，接地线包括具有中心开口的环形金属构件。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，环形金属构件包括围绕中心开口分布的一系列孔。
18.如权利要求16所述的系统，其特征在于，环形金属构件的中心开口成形为在微波馈源附近形成的非圆形开口。
19.如权利要求15所述的系统，其特征在于，接地线包括丝网。
20.如权利要求15所述的系统，其特征在于，接地线包括一或多个围绕微波馈源分布的尖端。
21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，一或多个尖端围绕微波馈源对称地分布。
22.如权利要求1所述的系统，其特征在于，塞子包括联接在微波馈源和接地之间的微波天线。
23.如权利要求1所述的系统，其特征在于，微波源包括磁控管。
24.如权利要求1所述的系统，其特征在于，微波源包括速调管。
25.如权利要求1所述的系统，其特征在于，微波源包括行波管。
26.如权利要求1所述的系统，其特征在于，微波源包括固态设备。
27.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括内燃机，塞子联接到内燃机的气缸上。
28.一种用于点燃燃料混合物的方法，包括：
接收与在气缸内提供火花的时间相关的触发信号；和
响应触发信号，向联接到气缸上的塞子的微波馈源提供至少一个脉冲的微波能量。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，接收触发信号包括：
将来自火花塞线的信号接收进入脉冲发生器；和
响应来自火花塞线的信号而生成触发信号。
30.如权利要求28所述的方法，其特征在于，接收触发信号包括：
将来自发动机控制单元的信号接收进入脉冲发生器；和
响应来自发动机控制单元的信号而生成触发信号。
31.如权利要求28所述的方法，其特征在于，提供至少一个脉冲的微波能量包括：
响应触发信号而生成高压脉冲的脉冲串；
接收微波源中的高压脉冲的脉冲串以生成微波能量的脉冲串；和
将微波能量的脉冲串耦合到微波馈源。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，脉冲串包括一个脉冲。
33.如权利要求31所述的方法，其特征在于，脉冲串包括后接长持续时间的脉冲的一个或多个短持续时间的脉冲。
34.如权利要求31所述的方法，其特征在于，脉冲串包括后接高微波功率脉冲的一个或多个低微波功率的脉冲。
35.如权利要求31所述的方法，其特征在于，脉冲串包含后接低微波功率脉冲的一个或多个高微波功率的脉冲。
36.一种用于内燃机的燃烧系统，包括：
电磁辐射源；
联接在电源和电磁辐射源之间的脉冲发生器，该脉冲发生器响应触发信号向电磁辐射源提供具有足够电压的脉冲；和
塞子，该塞子被联接以在脉冲被供给到电磁辐射源时从电磁辐射源接收能量，该塞子还联接到内燃机内的气缸上。
37.如权利要求36所述的系统，其特征在于，电磁辐射源包括微波源。
38.如权利要求37所述的系统，其特征在于，微波源包括磁控管。
39.如权利要求37所述的系统，其特征在于，微波源包括速调管。
40.如权利要求37所述的系统，其特征在于，微波源包括行波管。
41.如权利要求37所述的系统，其特征在于，微波源包括固态设备。
42.如权利要求36所述的系统，其特征在于，电磁辐射源包括射频源。
43.如权利要求42所述的系统，其特征在于，电磁辐射源包括固态设备。
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