CN102121448B - 一种微波等离子体汽车发动机点火器 - Google Patents

一种微波等离子体汽车发动机点火器 Download PDF

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Abstract

微波等离子体汽车发动机点火器，属于微波应用技术领域，涉及汽车发动机点火装置。本发明提供了七种不同结构的微波等离子体汽车发动机点火器，利用四分之一同轴谐振腔的末端电压幅度最大的电磁学原理，在激发器末端实现极高的电场强度，内导体末端的尖端结构可进一步增强电场强度从而击穿周围的油气混合物并产生等离子体，实现点火；随后，通过等离子体的电子在燃烧室内的快速运动，从而极快地实现整个燃烧室的体燃烧和对油气混合物的充分燃烧。本发明提供的发动机点火器的外部轮廓与现有火花塞相同，可在不改变发动机气缸结构的基础上直接替代现有火花塞点火系统；其工作中心频率为2.45GHz，一体化集成设计，具有效率高，成本低，容易大批量生产等特点。

Description

一种微波等离子体汽车发动机点火器
技术领域
本发明属于微波应用技术领域，涉及汽车发动机点火装置。
背景技术
进入21世纪，汽车污染日益成为全球性问题。随着汽车数量越来越多，使用范围越来越广，其对世界环境的负面效应也越来越大，尤其体现在危害城市环境，引发呼吸系统疾病，造成地表空气臭氧含量过高，加重城市热岛效应，使城市环境转向恶化等方面。目前，我国主要大城市70％的空气污染都来源于汽车尾气排放。随着机动车的增加，尾气污染有愈演愈烈之势，由局部性转变成连续性和累积性，而城市市民则成为汽车尾气污染的直接受害者。因此，作为世界上最大的汽车生产和消费国，中国的汽车工业必须走出一条环保节能的汽车之路。“十二五”规划提出积极开发低碳技术，加强科技储备。在交通结构方面，优先考虑在短期内放慢排放量增长速度，同时开发替代的新技术和交通方式。
目前，汽车发动机点火系统通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。点火系统将电源的低电压变成高电压，再按照发动机点火顺序轮流送至各气缸，点燃压缩混合气；并能适应发动机工况和使用条件的变化，自动调节点火时刻，实现可靠而准确的点火；还能在更换燃油或安装分电器时进行人工校准点火时刻。然而，随着世界能源的不断消耗，油价的不断上升，提高点火系统的燃烧效率就成为缓解能源紧缺压力的一种行之有效的办法。
最近的研究表明，微波等离子体点火可使燃烧更迅速、更充分，燃烧效率大大提高。同时，针对当前一些改进汽油机燃油经济性的重要手段，诸如汽油机稀薄燃烧技术，微波等离子体点火具有明显的优势。微波等离子体点火系统中最为关键的技术即为等离子体激发器。其不仅需要满足微波等离子体点火系统的指标要求，也需要具有与现有火花塞一致的外形，以便于直接替代现有的火花塞点火器。
发明内容
本发明提供一种微波等离子体汽车发动机点火器，该点火器采用中心频率为2.45GHz的微波作为激励源，整个点火器设计成现有火花塞外形，与常规汽车发动机气缸相匹配，具有效率高，成本低，容易大批量生产等特点。
本发明设计了七种不同形式的可使用于微波等离子体汽车点火系统的等离子体激发器，其外部轮廓均与现有火花塞相同，可在不改变发动机气缸结构的基础上直接替代现有火花塞点火系统。七种等离子体激发器均包含外导体和内导体，外导体与内导体之间的相应区域填充陶瓷材料，实现燃烧室与能量输入电路之间的有效隔离。这些等离子激发器的工作原理一致，都是利用四分之一同轴谐振腔的末端电压幅度最大这一基本电磁学原理，可在激发器末端实现极高的电场强度，内导体的末端形成尖端结构可进一步增强电场强度(在10个标准大气压下，输入功率为500W时，尖端的平均电场强度可大于2.25*107V/m)，从而击穿激发器末端周围的油气混合物并产生等离子体，实现点火。随后，通过等离子体的电子在燃烧室内的快速运动，从而极快地实现整个燃烧室的体燃烧和对油气混合物的充分燃烧。磁控管等高能微波器件输出的微波能量通过波导和同轴电缆馈入等离子体激发器，这要求等离子体激发器的输入端同轴结构的内外径尺寸与标准N型连接器的输出端结构尺寸一致，便于一体化集成加工。七种结构分别选用了不同的能量耦合方式将微波能量输入四分之一同轴谐振腔，此时需要不同的过渡匹配结构以实现N型连接器与四分之一同轴谐振腔之间的良好阻抗匹配，具有不同内外径的多级同轴线可以方便地实现阻抗变换。
有益效果：
本发明具有以下优点：
1、可点燃理非常稀薄的油气混合物，使得污染物排放理论上降低25％【1】【2】；
2、点火速度快，且不产生爆燃，燃烧充分，有效减低一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物的排放量【3】；
3、在点火前，微波能量就可以进入燃烧室，能够助燃。
4、可以方便的移植到其他等离子体点火系统中使用。
附图说明
图1是本发明提供的第一种等离子体激发器的剖视图。
图2是本发明提供的第一种等离子体激发器的俯视图。
图3是本发明提供的第二种等离子体激发器的剖视图。
图4是本发明提供的第二种等离子体激发器的俯视图。
图5是本发明提供的第三种等离子体激发器的剖视图。
图6是本发明提供的第三种等离子体激发器的俯视图。
图7是本发明提供的第四种等离子体激发器的剖视图。
图8是本发明提供的第四种等离子体激发器的俯视图。
图9是本发明提供的第五种等离子体激发器的剖视图。
图10是本发明提供的第五种等离子体激发器的俯视图。
图11是本发明提供的第六种等离子体激发器的剖视图。
图12是本发明提供的第六种等离子体激发器的俯视图。
图13是本发明提供的第七种等离子体激发器的剖视图。
图14是本发明提供的第七种等离子体激发器的俯视图。
具体实施方式
这一系列的等离子体激发器均可视作由内导体、外导体和微波能量输入端口1构成。
外导体均由外导体外轮廓和外导体内轮廓封闭构成；等离子体激发器的外观均与现有的火花塞一致，便于替代或升级；其外导体外轮廓均可分为三部分，包括螺纹结构的外导体外轮廓一21、圆柱面结构的外导体外轮廓二22、正六棱柱面结构的外导体外轮廓三23；外导体内轮廓均由不同半径的圆柱面结构外导体内轮廓一31、外导体内轮廓二32、外导体内轮廓三33、外导体内轮廓四34、外导体内轮廓五35构成；外导体内轮廓二22、外导体内轮廓三23、外导体内轮廓四24与相应的内导体之间的区域内填充介质8，外导体内轮廓一31的半径均应小于外导体内轮廓二32的半径，以防止填充的介质8出现移动；外导体内轮廓五35与相应的内导体的区域内填充空气，以构成能量输入端口1，其尺寸均与N型连接器一致，可以一体化加工。内导体尖端5均为圆锥结构，其尖端为一半球体，内导体尖端5均与外导体内轮廓一31之间的区域内填充空气；内导体尖端5的材料选用白金，其余导体材料选用铜，介质8的材料选用陶瓷；不同类型的等离子体激发器的其余内导体结构有所不同。
实施例1
一种微波等离子体汽车发动机点火器，包括内导体和外导体，所述内导体由内导体一41、内导体二42、内导体三43、内导体四44、内导体尖端5构成；内导体一41、内导体二42、内导体三43、内导体四44为圆柱体结构，内导体尖端5为圆锥体，其尖端为半球体；内导体尖端5与内导体一41相连，内导体一41和内导体二42之间有耦合缝隙6；内导体二42、内导体三43和内导体四44顺序相连，三者的半径逐渐增加；所述外导体的内轮廓为不同半径的圆柱面结构，包括分别与内导体尖端5相对应的外导体内轮廓一31、与内导体一41相对应的外导体内轮廓二32、与内导体二42相对应的外导体内轮廓三33、与内导体三43相对应的外导体内轮廓四34、与内导体四44相对应的外导体内轮廓五35；内导体一41靠近耦合缝隙6的侧面通过水平连接导体7与外导体相连；内导体与外导体之间除内导体尖端5与外导体内轮廓一31之间的区域以及内导体四44与外导体内轮廓五35之间的区域之外的其他区域填充介质8；所述外导体的外轮廓至少包括一个与汽车发动机气缸连接的外螺纹21和一个便于拆卸和安装的六棱柱工作面23。
实施例2
一种微波等离子体汽车发动机点火器，包括内导体和外导体，所述内导体由内导体一41、内导体二42、内导体三43、内导体四44、内导体尖端5构成；内导体一41、内导体二42、内导体三43、内导体四44为圆柱体结构，内导体尖端5为圆锥体，其尖端为半球体；内导体尖端5与内导体一41相连，内导体一41和内导体二42之间有耦合缝隙6；内导体二42、内导体三43和内导体四44顺序相连，三者的半径逐渐增加；所述外导体的内轮廓为不同半径的圆柱面结构，包括分别与内导体尖端5相对应的外导体内轮廓一31、与内导体一41相对应的外导体内轮廓二32、与内导体二42相对应的外导体内轮廓三33、与内导体三43相对应的外导体内轮廓四34、与内导体四44相对应的外导体内轮廓五35；内导体一41靠近耦合缝隙6的侧面依次通过水平连接导体71和垂直连接导体72与外导体相连；内导体与外导体之间除内导体尖端5与外导体内轮廓一31之间的区域以及内导体四44与外导体内轮廓五35之间的区域之外的其他区域填充介质8；所述外导体的外轮廓至少包括一个与汽车发动机气缸连接的外螺纹21和一个便于拆卸和安装的六棱柱工作面23。
实施例3
一种微波等离子体汽车发动机点火器，包括内导体和外导体，所述内导体由内导体一41、内导体二42、内导体三43、内导体四44、内导体尖端5构成；内导体一41、内导体二42、内导体三43、内导体四44为圆柱体结构，内导体尖端5为圆锥体，其尖端为半球体；内导体尖端5与内导体一41相连，内导体一41底部的侧面依次通过耦合缝隙6和水平连接导体7与内导体二42相连；内导体二42、内导体三43和内导体四44顺序相连，三者的半径逐渐增加；所述外导体的内轮廓为不同半径的圆柱面结构，包括分别与内导体尖端5相对应的外导体内轮廓一31、与内导体一41相对应的外导体内轮廓二32、与内导体二42相对应的外导体内轮廓三33、与内导体三43相对应的外导体内轮廓四34、与内导体四44相对应的外导体内轮廓五35；内导体一41与外导体相连；内导体与外导体之间除内导体尖端5与外导体内轮廓一31之间的区域以及内导体四44与外导体内轮廓五35之间的区域之外的其他区域填充介质8；所述外导体的外轮廓至少包括一个与汽车发动机气缸连接的外螺纹21和一个便于拆卸和安装的六棱柱工作面23。
实施例4
一种微波等离子体汽车发动机点火器，包括内导体和外导体，所述内导体由内导体一41、内导体二42、内导体三43、内导体四44、内导体尖端5构成；内导体一41、内导体二42、内导体三43、内导体四44为圆柱体结构，内导体尖端5为圆锥体，其尖端为半球体；内导体尖端5与内导体一41相连，内导体一41底部的侧面通过水平连接导体7与内导体二42相连；内导体二42、内导体三43和内导体四44顺序相连，三者的半径逐渐增加；所述外导体的内轮廓为不同半径的圆柱面结构，包括分别与内导体尖端5相对应的外导体内轮廓一31、与内导体一41相对应的外导体内轮廓二32、与内导体二42相对应的外导体内轮廓三33、与内导体三43相对应的外导体内轮廓四34、与内导体四44相对应的外导体内轮廓五35；内导体一41与外导体相连；内导体与外导体之间除内导体尖端5与外导体内轮廓一31之间的区域以及内导体四44与外导体内轮廓五35之间的区域之外的其他区域填充介质8；所述外导体的外轮廓至少包括一个与汽车发动机气缸连接的外螺纹21和一个便于拆卸和安装的六棱柱工作面23。
实施例5
一种微波等离子体汽车发动机点火器，包括内导体和外导体，所述内导体由顺序相连的内导体尖端5、内导体一41、内导体二42、内导体三43和内导体四44构成；内导体一41、内导体二42、内导体三43、内导体四44为圆柱体结构，内导体尖端5为圆锥体，其尖端为半球体；内导体一41底部的对称的两个侧面分别依次通过水平连接导体71、垂直连接导体72与外导体相连；内导体二42、内导体三43和内导体四44的半径逐渐增加；所述外导体的内轮廓为不同半径的圆柱面结构，包括分别与内导体尖端5相对应的外导体内轮廓一31、与内导体一41相对应的外导体内轮廓二32、与内导体二42相对应的外导体内轮廓三33、与内导体三43相对应的外导体内轮廓四34、与内导体四44相对应的外导体内轮廓五35；内导体与外导体之间除内导体尖端5与外导体内轮廓一31之间的区域以及内导体四44与外导体内轮廓五35之间的区域之外的其他区域填充介质8；所述外导体的外轮廓至少包括一个与汽车发动机气缸连接的外螺纹21和一个便于拆卸和安装的六棱柱工作面23。
实施例6
一种微波等离子体汽车发动机点火器，包括内导体和外导体，所述内导体由顺序相连的内导体尖端5、内导体一41、内导体二42、内导体三43和内导体四44构成；内导体一41、内导体二42、内导体三43、内导体四44为圆柱体结构，内导体尖端5为圆锥体，其尖端为半球体；内导体一41底部的侧面与一个圆盘状水平连接导体7相连、圆盘状水平连接导体7通过四个垂直连接导体72与外导体相连；内导体二42、内导体三43和内导体四44的半径逐渐增加；所述外导体的内轮廓为不同半径的圆柱面结构，包括分别与内导体尖端5相对应的外导体内轮廓一31、与内导体一41相对应的外导体内轮廓二32、与内导体二42相对应的外导体内轮廓三33、与内导体三43相对应的外导体内轮廓四34、与内导体四44相对应的外导体内轮廓五35；内导体与外导体之间除内导体尖端5与外导体内轮廓一31之间的区域以及内导体四44与外导体内轮廓五35之间的区域之外的其他区域填充介质8；所述外导体的外轮廓至少包括一个与汽车发动机气缸连接的外螺纹21和一个便于拆卸和安装的六棱柱工作面23。
实施例7
一种微波等离子体汽车发动机点火器，包括内导体和外导体，所述内导体由顺序相连的内导体尖端5、内导体一41、内导体二42、内导体三43和内导体四44构成；内导体一41、内导体二42、内导体三43、内导体四44为圆柱体结构，内导体尖端5为圆锥体，其尖端为半球体；内导体一41底部的侧面与一个圆盘状水平连接导体7相连、圆盘状水平连接导体7通过两个扇形柱状垂直连接导体72与外导体相连；内导体二42、内导体三43和内导体四44的半径逐渐增加；所述外导体的内轮廓为不同半径的圆柱面结构，包括分别与内导体尖端5相对应的外导体内轮廓一31、与内导体一41相对应的外导体内轮廓二32、与内导体二42相对应的外导体内轮廓三33、与内导体三43相对应的外导体内轮廓四34、与内导体四44相对应的外导体内轮廓五35；内导体与外导体之间除内导体尖端5与外导体内轮廓一31之间的区域以及内导体四44与外导体内轮廓五35之间的区域之外的其他区域填充介质8；所述外导体的外轮廓至少包括一个与汽车发动机气缸连接的外螺纹21和一个便于拆卸和安装的六棱柱工作面23。
以上实施方案所述任一微波等离子体汽车发动机点火器，其特征在于，所述外导体的外轮廓还包括一个圆柱形过渡面22，所述圆柱形过渡面22位于与汽车发动机气缸连接的外螺纹21和一个便于拆卸和安装的六棱柱工作面23之间。
这一系列的等离子体激发器均可以看作四分之一波长同轴谐振腔与过渡匹配结构组合而成；理论上讲，四分之一波长同轴谐振腔的长度应为介质填充同轴线波长的四分之一，但是实际设计时受到内导体尖端5、能量耦合馈入形式的影响略有不同；对每一种等离子体激发器，四分之一波长同轴谐振腔的内外径也有所不同；根据不同四分之一波长同轴谐振器的结构和电气特性，需设计相应的过渡匹配结构，该过渡匹配结构由外导体内轮廓三33、外导体内轮廓四34、外导体内轮廓五35和相应的内导体构成；设计目标为：中心频率2.45GHz时反射系数尽可能小，品质因素尽可能高，在输入微波能为500W时，尖端的平均电场强度需大于2.25*107V/m，以保证在10个标准大气压的气缸内能有效地激发等离子体。
经过电磁全波仿真软件的设计，这七种的等离子体激发器在2.45GHz时反射系数均小于-20dB，尖端的平均电场强度均大于2.25*107V/m。
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Claims (4)

1.一种微波等离子体汽车发动机点火器，包括内导体和外导体，所述内导体由顺序相连的内导体尖端(5)、内导体一(41)、内导体二(42)、内导体三(43)和内导体四(44)构成；内导体一(41)、内导体二(42)、内导体三(43)和内导体四(44)为圆柱体结构，内导体尖端(5)为圆锥体，其尖端为半球体；内导体一(41)底部的侧面与一个圆盘状水平连接导体(7)相连、圆盘状水平连接导体(7)通过四个垂直连接导体(72)与外导体相连；内导体二(42)、内导体三(43)和内导体三(44)的半径逐渐增加；所述外导体的内轮廓为不同半径的圆柱面结构，包括分别与内导体尖端(5)相对应的外导体内轮廓一(31)、与内导体一(41)相对应的外导体内轮廓二(32)、与内导体二(42)相对应的外导体内轮廓三(33)、与内导体三(43)相对应的外导体内轮廓四(34)、与内导体四(44)相对应的外导体内轮廓四(35)；内导体与外导体之间除内导体尖端(5)与外导体内轮廓一(31)之间的区域以及内导体四(44)与外导体内轮廓五(35)之间的区域之外的其他区域填充介质(8)；所述外导体的外轮廓至少包括一个与汽车发动机气缸连接的外螺纹(21)和一个便于拆卸和安装的六棱柱工作面(23)。
2.一种微波等离子体汽车发动机点火器，包括内导体和外导体，所述内导体由顺序相连的内导体尖端(5)、内导体一(41)、内导体二(42)、内导体三(43)和内导体四(44)构成；内导体一(41)、内导体二(42)、内导体三(43)和内导体四(44)为圆柱体结构，内导体尖端(5)为圆锥体，其尖端为半球体；内导体一(41)底部的侧面与一个圆盘状水平连接导体(7)相连、圆盘状水平连接导体(7)通过两个扇形柱状垂直连接导体(72)与外导体相连；内导体二(42)、内导体三(43)和内导体四(44)的半径逐渐增加；所述外导体的内轮廓为不同半径的圆柱面结构，包括分别与内导体尖端(5)相对应的外导体内轮廓一(31)、与内导体一(41)相对应的外导体内轮廓二(32)、与内导体二(42)相对应的外导体内轮廓三(33)、与内导体三(43)相对应的外导体内轮廓四(34)、与内导体四(44)相对应的外导体内轮廓五(35)；内导体与外导体之间除内导体尖端(5)与外导体内轮廓一(31)之间的区域以及内导体四(44)与外导体内轮廓五(35)之间的区域之外的其他区域填充介质(8)；所述外导体的外轮廓至少包括一个与汽车发动机气缸连接的外螺纹(21)和一个便于拆卸和安装的六棱柱工作面(23)。
3.根据权利要求1或2所述微波等离子体汽车发动机点火器，其特征在于，所述外导体的外轮廓还包括一个圆柱形过渡面(22)，所述圆柱形过渡面(22)位于与汽车发动机气缸连接的外螺纹(21)和一个便于拆卸和安装的六棱柱工作面(23)之间。
4.根据权利要求1或2所述微波等离子体汽车发动机点火器，其特征在于，所述介质(8)为陶瓷介质。
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