CN102360868A - 一种用于内燃发动机点火的电磁耦合装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于内燃发动机点火的电磁耦合装置，包括：传输单元及处于所述传输单元延伸方向的耦合天线，其中，所述传输单元的内部尺寸根据内燃发动机的汽缸的等效输入阻抗或几何形状直接进行设置；所述耦合天线，进一步包括：中心天线，所述中心天线为所述传输单元的中心导体的延伸，并伸入汽缸内。本发明能够在不改变现有内燃发动机结构的前提下，替代现有内燃发动机高压火花点火系统的火花塞将电磁波有效地耦合入汽缸内，并大大提高射频和电磁波点火的成功机率。
Description
技术领域
本发明属于汽车工业与电子技术领域，具体地说，涉及一种用于内燃发动机点火的电磁耦合装置，以下简称耦合装置。
背景技术
现有汽油(以及天然气，包括压缩和液化天然气)内燃发动机的点火系统由高电压脉冲火花放电来点燃汽缸内匀质油气混合物。当这个高压电脉冲(8千伏以上)加到火花塞的相距大约1毫米的电极之间时，一个瞬态的等效高电场(8×106伏/米)产生于汽缸内火花塞的两个(或多个)电极之间。这个等效高电场引起油气混合介质的击穿放电，继而开始燃烧。这一传统的点火方法有一系列的缺点，主要是低能量转换效率及很大的废气排放。其结果是对环境产生污染，而且浪费宝贵的燃油。引起低效率的根本原因在于：为了达到油气的击穿放电，电极的尺寸及距离都很小(约1毫米)，因而放电发生在一个极小的点上。
与汽油和天然气内燃发动机不同，柴油机使用的是空气高压升温后喷油着火，燃烧面开始得更宽，燃油效率和机械功率及动力有所提高，但要增加机械噪音，并排放煤烟。而且，一辆柴油汽车的价格高出同比汽油汽车20％，因为柴油内燃发动机需要承受更大的气压，内燃发动机及喷油系统的材料要求较高，汽缸需要增厚。汽车增加的重量也使燃油的里程效益受到节制。
与二者相比，电磁波点火可使燃烧效率大为提高，在内燃发动机做功里程不变的情况下，大幅度的降低燃料消耗，减少尾气排放，提高内燃发动机的动力和汽车性价比，具有无火化噪音、无触点蚀耗、可靠性高、寿命长及维持费用低等竞争优势，而且汽车冷却系统、尾气催化器以及微粒滤清器的费用将明显降低，直接应用于常规汽油机，也可用于柴油(并减少其汽缸压力和制造成本)，还可用于天然气、压缩或液化天然气、液化石油气、生物或可再生油和混合燃料，也可用于混合动力车。
近年来，国内外诸多研究已经考虑将电磁波点火技术引入内燃发动机领域。现有技术中介绍了一种输入电磁波能量和激光能量以产生等离子体点火的复合方法，其耦合装置的安装需要改变汽缸的结构，因此，对电磁波点火的产业化、实用化必然造成障碍；现有技术中还介绍了通过电磁波产生等离子以及原子化的燃料空气混合物的磁力电离点火的复合方法，但是其点火装置和耦合装置都变得非常复杂。显然，上述现有技术显示了内燃发动机电磁波点火的可行性和优越性，但都没有有效地解决实际技术问题，而且增加了实现成本。由于内燃发动机的电磁波点火需要的“电磁波发射天线”置于汽缸中，故发射不是开放式的。由于汽缸顶部的汽缸盖形成的电磁波腔体的几何形状不规则，无固定或常见的电磁波振荡模式可言，故仅仅依靠车载蓄电池电量，使用现有的耦合装置的结构无法获得电磁波点火所需的能量。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供了一种用于内燃发动机点火的电磁耦合装置，能够在不改变现有内燃发动机结构的前提下，替代现有内燃发动机的高压火花点火系统的火花塞并大大提高电磁波点火的成功机率。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种用于内燃发动机点火的电磁耦合装置，包括：传输单元及处于所述传输单元延伸方向的耦合天线，其中，所述传输单元的内部尺寸根据汽缸的等效输入阻抗或几何形状直接进行设置；所述耦合天线，进一步包括：中心天线，所述中心天线为所述传输单元的中心导体的延伸，并伸入汽缸内。
进一步地，所述传输单元的中心导体处于所述传输单元的中心轴，绝缘层围绕着所述中心轴包覆所述中心导体，外层导体同柱围绕着所述中心轴包覆所述绝缘层。
进一步地，根据汽缸的等效输入阻抗或几何形状设置所述中心导体和绝缘层的厚度。
进一步地，在所述耦合天线与所述传输单元的连接处，所述绝缘层暴露；当所述绝缘层使用非耐热材料时，所述绝缘层暴露的表面覆盖具有透射电磁波能力的隔热电介质材料，比如陶瓷。
进一步地，所述传输单元的外层导体的形状尺寸与汽缸的火花塞接口处的形状尺寸相适应，使所述耦合装置的尺寸适配所述火花塞的尺寸以将所述耦合装置直接安装在汽缸盖顶部的火花塞接口处。
进一步地，所述耦合天线，还包括：与所述中心天线同轴的外围天线，所述外围天线为所述传输单元的外层导体的延伸，同柱围绕着所述中心天线并伸入汽缸内；所述外围天线的数量不小于所述中心天线。
进一步地，所述外围天线在所述外层导体的延伸方向上成阵列式密闭排布，将所述中心天线包围。
进一步地，所述封闭结构为环形结构。
进一步地，所述外围天线在所述外层导体的延伸方向上成阵列式分散分布，环绕所述中心天线。
进一步地，所述开放结构为爪形结构。
进一步地，采用同轴传输线或波导与所述传输单元对接以完成电磁波的输入。
进一步地，所述中心天线的长度与所述电磁波源所产生的电磁波的波长有关，所述电磁波的波长与谐振放大发生点火的时刻的汽缸深度有关。
进一步地，所述中心天线的长度大于零且小于所述汽缸的汽缸盖深度的50％；同时所述中心天线的长度为所述电磁波源所产生的电磁波波长的1/3±10％。
进一步地，所述中心天线的长度为所述输入电磁波波长的1/3；同时所述中心天线的长度为所述汽缸的汽缸盖深度的30％。
与现有的方案相比，本发明所获得的技术效果：
1)由本发明的耦合装置替代火花塞，点火控制将与传统内燃发动机类似，无需依靠检测汽缸温度或压力的闭环控制系统。
2)本发明的耦合装置可以获取到与内燃发动机的汽缸的等效输入阻抗最佳配合的输出阻抗，从而将电磁波能量反射减到最小，提高了点火成功的机率。这样输入电磁波的功率不需要高于200瓦，即能可靠点火。
附图说明
图1为本发明实施例的内燃发动机的结构示意图；
图2为本发明实施例的耦合装置与汽缸的组合的截面示意图；
图3为本发明实施例的第一种开放结构的耦合装置与汽缸的组合的立体图；
图4为本发明实施例的第一种开放结构的耦合装置的放大示图；
图5为本发明实施例的第一种开放结构的耦合装置的截面示意图；
图6为本发明实施例的第二种开放结构的耦合装置的截面示意图；
图7为本发明实施例的封闭结构的耦合装置与汽缸的组合的立体图；
图8为本发明实施例的封闭结构的耦合装置的放大示图；
图9为本发明实施例的第三种开放结构的耦合装置与汽缸的组合的立体图；
图10为本发明实施例的第三种开放结构的耦合装置的放大示图；
图11为本发明实施例的第三种开放结构的耦合装置的截面示意图；
图12为本发明实施例的第四种开放结构的耦合装置与汽缸的组合的立体图；
图13为本发明实施例的第四种开放结构的耦合装置的放大示图；
图14为本发明实施例的第四种开放结构的耦合装置的截面示意图；
图15为本发明实施例的第五种开放结构的耦合装置的截面示意图；
图16为本发明实施例的第六种开放结构的耦合装置与汽缸的组合的立体图；
图17为本发明实施例的第六种开放结构的耦合装置的放大示图；
图18为本发明实施例的第六种开放结构的耦合装置的截面示意图；
图19为图3的耦合装置与汽缸的组合在谐振时的电场强度三维等高线示图；
图20为图3的耦合装置与汽缸的组合在谐振时的电场强度分布示图；
图21为图7的耦合装置与汽缸的组合在谐振时的电场强度三维等高线示图；
图22为图7的耦合装置与汽缸的组合在谐振时的电场强度分布示图；
图23为图9的耦合装置与汽缸的组合在谐振时的电场强度三维等高线示图；
图24为图9的耦合装置与汽缸的组合在谐振时的电场强度分布示图；
图25为图12的耦合装置与汽缸的组合在谐振时的电场强度三维等高线示图；
图26为图12的耦合装置与汽缸的组合在谐振时的电场强度分布示图；
图27为图16的耦合装置与汽缸的组合在谐振时的电场强度三维等高线示图；
图28为图16的耦合装置与汽缸的组合在谐振时的电场强度分布示图。
具体实施方式
以下将配合图式及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明的核心构思在于：用于内燃发动机点火的电磁耦合装置，包括：传输单元及处于所述传输单元延伸方向的耦合天线，其中，所述传输单元的内部尺寸根据汽缸的等效输入阻抗或几何形状直接进行设置，所述传输单元的中心导体处于所述传输单元的中心轴，绝缘层围绕着所述中心轴包覆所述中心导体，外层导体同柱围绕着所述中心轴包覆所述绝缘层；所述耦合天线，进一步包括：中心天线，其中，所述中心天线为所述传输单元的中心导体的延伸，并伸入汽缸内，
所述耦合天线，还可以包括：与所述中心天线同轴的外围天线，其中，所述外围天线为所述传输单元的外层导体的延伸，围绕着所述中心天线并伸入汽缸内。
以下描述下本发明的应用场景。
如图1所示，为一种内燃发动机的结构示意图。耦合装置A与内燃发动机的汽缸B形成类似电容、电感的电磁谐振结构，即电磁波谐振腔；电磁波源C产生电磁波并通过同轴传输线或波导D传输至耦合装置A，由耦合装置A将电磁波能量耦合传输进入汽缸B，利用汽缸B使电磁波发生谐振；其中，类似普通电磁波天线的耦合装置A位于汽缸B火花塞接口处，外形尺寸与相应的汽油内燃发动机的火花塞相同，由任何耐高温高压的导体制成。需要说明的是，图1所示的双气门内燃发动机是本发明的众多应用实例中一个，本方案所针对的内燃发动机结构并不限于此，本方案也可应用于其他类型的单或多气门内燃发动机，例如四气门内燃发动机、五气门内燃发动机等等。本方案中的电磁波源C一般为微波源，其所产生的电磁波一般为微波，当然本发明并不限于此。
耦合装置存在输出阻抗，而汽缸本身存在输入阻抗。在理想状态下，耦合装置的输出阻抗和汽缸的等效输入阻抗一致，此时电磁波的能量不会发生反射，电磁波能量会完全进入汽缸。
但是在实际应用中，由于汽缸的不规则形状，汽缸的等效输入阻抗不是一个固定的数值，可能是一个变化的曲线且很难准确获取，这些导致耦合装置的输出阻抗和汽缸的等效输入阻抗很难保持一致。因此，若使用普通天线，电磁波发射进入汽缸后，能量会反射回耦合装置，这样进入汽缸的能量就会发生衰减，输出阻抗与输入阻抗匹配得越不好，反射越大，能量进入汽缸的衰减越厉害。
而输出阻抗可以由耦合装置的结构来决定，所以本发明的耦合装置结构与内燃发动机的汽缸的等效输入阻抗曲线配合将电磁波能量最大耦合输入汽缸，从而提高电磁波和电磁场点火的可靠性。这样输入电磁波的功率不需要高于200瓦，一般输入功率达到100瓦即能可靠点火。
以下以第一实施例对本发明的耦合装置进行说明。
如图2、3和4所示，分别为本发明的耦合装置与汽缸的沿装置长度方向的截面图、立体图，以及耦合装置的立体图。
耦合装置，包括：传输单元及处于所述传输单元延伸方向的耦合天线。
所述传输单元的中心导体2处于所述传输单元的中心轴，绝缘层3围绕着所述中心轴包覆所述中心导体2，外层导体1围绕着所述中心轴包覆所述绝缘层3。所述耦合天线，包括：中心天线5和与所述中心天线同轴的外围天线4，其中，所述中心天线5为所述传输单元的中心导体2的延伸，并伸入汽缸内；所述外围天线4为所述传输单元的外层导体1的延伸，同柱围绕着所述中心天线5并伸入汽缸内，所述外围天线4的数量不小于所述中心天线5。
汽缸分为汽缸盖9和汽缸本体8，活塞在汽缸本体8内运动，当运动至上止点附近时，与汽缸盖9的火花塞接口相连的耦合装置会将电磁波能量耦合或输入进汽缸以进行电磁波点火。
所述耦合天线与所述传输单元在连接处6与汽缸交界，并一起组成谐振腔。当所述绝缘层使用非耐热材料时，所述绝缘层在连接处6暴露的表面覆盖具有透射电磁波能力的隔热材料，所述隔热材料可以是陶瓷材料，电磁波通过绝缘层，由隔热材料透射进汽缸。当然，当所述绝缘层使用耐热材料时，如绝缘层本身为陶瓷材料，则无需隔热材料。
耦合装置的输出阻抗由中心导体2的半径和绝缘层3的厚度决定，因此本发明根据汽缸的等效输入阻抗或几何形状设计耦合装置的中心导体2的半径和绝缘层3的厚度和耦合天线形状，达到以最小的电磁波输入和最小的电池功耗产生超过点火所需的临界电场强度。
耦合装置的安装尺寸与火花塞的外形尺寸一致，耦合装置的外径与火花塞接口的直径一致。在实际操作中，由于耦合装置的输出阻抗由中心导体2和绝缘层3决定，外层导体1的外径固定，可以通过改变所述传输单元的外层导体1的形状以适应汽缸的火花塞接口处的形状，使所述耦合装置的尺寸适配所述火花塞的尺寸以将所述耦合装置直接安装在汽缸盖顶部的火花塞接口处。
另外，对于第一实施例中的耦合装置的耦合天线结构，本发明也具有多种变形。
1)如图7和8所示，所述外围天线4在所述外层导体1的延伸方向上成阵列式密闭排布，构成侧面封闭结构(顶部保持开放)，将所述中心天线5包围。所述侧面封闭结构优选为环形结构，也可以是其它侧面封闭结构，本发明并不限于此。
这种结构可以得到较好的传输结构的输出阻抗与汽缸的等效输入阻抗配合的效果，基本满足减小反射的要求。
2)如图3和4所示，所述外围天线4在所述外层导体1的延伸方向上成阵列式分散分布，形成侧面半开放结构(顶部保持开放)，环绕所述中心天线5。所述侧面半开放结构为爪形结构，也可以是其它侧面半开放结构，本发明并不限于此。
这种侧面半开放式结构较上一种侧面封闭结构可以达到更佳的传输结构的输出阻抗与汽缸的等效输入阻抗配合的效果，最大程度地减小了反射，是最佳的耦合结构。
第2项的侧面半开放式结构在具体实现上则多种多样，如：
i)如图3、4和5所示，三根外围天线4均呈针形(倒锥形)结构，均匀排列，中心天线5呈柱形结构，中心天线5的长度L1大于外围天线4。
ii)如图6所示，三根外围天线4均呈L形结构，均匀排列，中心天线5呈柱形结构，中心天线5的长度L1大于外围天线4。
iii)如图9、10和11所示，两根外围天线4均呈倒L型结构，对称排列，中心天线5呈柱形结构，外围天线4的末端扣在中心天线5的末端，中心天线5的长度小于外围天线4。
iv)如图12、13和14所示，三根外围天线4均呈倒L型结构，均匀排列，中心天线5呈针形(倒锥形)结构，中心天线5的长度L1大于外围天线4。
v)如图15所示，三根外围天线4均呈倒L型结构，均匀排列，中心天线5呈柱形结构，中心天线5的长度L1大于外围天线4。
要说明的是，参见图13，为了耦合装置与汽缸的火花塞接口便于连接，还可以在耦合装置上相应设置螺纹结构10，以便旋入火花塞接口处以紧密固定。其他实施方式中也可以设置这种螺纹结构。另外，在本实施例中所述外围天线可以设置为三根或者两根环绕中心天线。当然，也可以是其它数量(不小于所述中心天线的数量)或者方式环绕，本发明并不限于此，任何属于本发明的构思的变形都属于本发明的保护范围。
以下以第二实施例对本发明的耦合装置进行说明。
在本实施例中，如图16、17和18，耦合装置的耦合天线仅包括中心天线5，中心天线5呈圆柱形，并不包含外围天线4，耦合装置的传输单元的结构及耦合装置的其他结构不变。
此种耦合装置的结构也可以获取到与内燃发动机的汽缸的等效输入阻抗较佳配合的输出阻抗，达到以较小的电磁波输入和较小的电池功耗产生超过点火所需的临界电场强度。本例中的结构也可基本满足本发明的技术要求，但相比具有中心天线和外围天线结构的耦合装置的效果稍差。
以上所公开的耦合装置中耦合天线部分的几何形状不仅仅只是限于所出示的例子，任何属于本发明的构思的变形都属于本发明的保护范围。下面通过一组实验数据来支持本发明的技术效果和工业实用性。
当在输入功率为1瓦，汽缸活塞在压缩冲程移近上止点通过谐振点火时，汽缸顶部的电场分布可以参见一下视图：
图19和20分别为第一种开放结构的耦合装置与汽缸的组合在谐振时的电场强度三维等高线示图和电场强度分布示图；
图21和22分别为封闭结构的耦合装置与汽缸的组合在谐振时的电场强度三维等高线示图和电场强度分布示图；
图23和24分别为第三种开放结构的耦合装置与汽缸的组合在谐振时的电场强度三维等高线示图和电场强度分布示图；
图25和26分别为第四种开放结构的耦合装置与汽缸的组合在谐振时的电场强度三维等高线示图和电场强度分布示图；
图27和28分别为第六种开放结构的耦合装置与汽缸的组合在谐振时的电场强度三维等高线示图和电场强度分布示图。
表1是基于图16和17所示的耦合装置结构，以三种电磁波频率为例，列出了在输入功率为1瓦时，这三种频率的电磁波在汽缸内谐振产生的电场强度的大小，可见最小场强均已超过1×105伏/米，也就是说，若输入100瓦，电场强度即可达1×106伏/米。
而现有研究已经证明电磁波点火的电场强度只需达到106伏/米量级即可成功点火。由此，现有车载蓄电池就足够使点火时的电场强度维持在1×106伏/米的临界场强之上。本发明所产生的电场场强不但能点燃比1∶25更稀薄的混合气，亦可点燃比汽油更难点燃的丙烷。
表1.输入为1瓦功率时汽缸顶部的电场强度
传统理论认为，天线的设计结构主要与电磁波的波长密切相关，并且当天线长度为1/4波长时效果最佳，在本例中当输入功率为1瓦时谐振所产生的电场强度可达到5.8×105伏/米。
然而在本发明中，考虑利用耦合装置和汽缸作为谐振腔的特点，实际中汽缸是不规则腔体，发生谐振时的电磁场本征模式和频率则与汽缸的深度(即活塞的位置，活塞位置决定当前了汽缸的深度)必然相关，因此，天线结构的设计间接受到汽缸深度的影响。
通过实验仿真数据可以获知，中心天线5的长度与电磁波源所产生的电磁波波长有关，所述电磁波的波长与谐振放大发生点火的时刻谐振腔(本发明中即为耦合装置和汽缸)深度有关。所述中心天线的长度L1的基础范围需保证大于零且小于所述汽缸的汽缸盖深度的50％，同时所述中心天线的长度L1还要保证处于所述电磁波源所产生的电磁波波长的1/3±10％的范围。
中心天线5的长度L1的最佳范围应处于1/3波长附近(一般为波长的30％-35％)，并且中心天线5的长度L1的最佳范围同时满足处于汽缸盖深度的30％附近，实验证实L1为波长的33.74％时效果最佳，在本例中当输入功率为1瓦时谐振所产生的电场强度可达到1.18×106伏/米，远远超过传统理论上的最佳谐振电场强度。
因此，有理由认为本发明的提出，克服了传统理论所产生的技术偏见。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (14)
1.一种用于内燃发动机点火的电磁耦合装置，其特征在于，包括：传输单元及处于所述传输单元延伸方向的耦合天线，其中，所述传输单元的内部尺寸根据内燃发动机的汽缸的等效输入阻抗或几何形状直接进行设置；所述耦合天线，进一步包括：中心天线，所述中心天线为所述传输单元的中心导体的延伸，并伸入所述汽缸内。
2.如权利要求1所述的电磁耦合装置，其特征在于，
所述传输单元的中心导体处于所述传输单元的中心轴，绝缘层围绕着所述中心轴包覆所述中心导体，外层导体围同柱绕着所述中心轴包覆所述绝缘层。
3.如权利要求2所述的电磁耦合装置，其特征在于，
根据所述汽缸的等效输入阻抗或几何形状设置所述中心导体的半径和绝缘层的厚度。
4.如权利要求2所述的电磁耦合装置，其特征在于，
在所述耦合天线与所述传输单元的连接处，所述绝缘层暴露；当所述绝缘层使用非耐热材料时，所述绝缘层暴露的表面覆盖具有透射电磁波能力的隔热电介质材料。
5.如权利要求2所述的电磁耦合装置，其特征在于，
所述传输单元的外层导体的形状尺寸与汽缸的火花塞接口处的形状尺寸相适应，使所述耦合装置的尺寸适配所述火花塞的尺寸以将所述耦合装置直接安装在汽缸盖顶部的火花塞接口处。
6.如权利要求1或2所述的电磁耦合装置，其特征在于，
所述耦合天线，还包括：与所述中心天线同轴的外围天线，所述外围天线为所述传输单元的外层导体的延伸，围绕着所述中心天线并伸入汽缸内；所述外围天线的数量不小于所述中心天线。
7.如权利要求6所述的电磁耦合装置，其特征在于，
所述外围天线在所述外层导体的延伸方向上成阵列式密闭排布，将所述中心天线包围。
8.如权利要求7所述的电磁耦合装置，其特征在于，
所述封闭结构为环形结构。
9.如权利要求6所述的电磁耦合装置，其特征在于，
所述外围天线在所述外层导体的延伸方向上成阵列式分散分布，环绕所述中心天线。
10.如权利要求9所述的电磁耦合装置，其特征在于，
所述开放结构为爪形结构。
11.如权利要求1所述的电磁耦合装置，其特征在于，
采用同轴传输线或波导与所述传输单元对接以完成电磁波的输入。
12.如权利要求11所述的电磁耦合装置，其特征在于，
所述中心天线的长度与所述电磁波源所产生的电磁波的波长有关，所述电磁波的波长与谐振放大发生点火的时刻的汽缸深度有关。
13.如权利要求12所述的电磁耦合装置，其特征在于，
所述中心天线的长度大于零且小于所述汽缸的汽缸盖深度的50％；同时所述中心天线的长度处于所述输入电磁波波长的1/3±10％的范围。
14.如权利要求12所述的电磁耦合装置，其特征在于，
所述中心天线的长度为所述输入电磁波波长的1/3；同时所述中心天线的长度为所述汽缸的汽缸盖深度的30％。
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