CN103982917B - 利用电磁波等离子体实现的可控多点点火装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用电磁波等离子体实现的可控多点点火装置，包括：电磁波发射源、电磁波传输单元、耦合器、谐振腔以及多个电场畸变导体，其中所述电磁波发射源、电磁波传输单元、耦合器以及谐振腔依次连接，所述电磁波发射源用于产生电磁波，所述电磁波通过所述电磁波传输单元传输到所述耦合器中进行耦合，所述电磁波通过所述耦合器耦合后馈入到该谐振腔内部，以使电磁波在该谐振腔内部形成谐振，该多个该电场畸变导体间隔设置在所述谐振腔内用于使该电场畸变导体周围的电场产生畸变，以增加每个该电场畸变导体附近的电场强度，进而在该多个电场畸变导体附近产生电磁波等离子体来实现多点点火。
Description
技术领域
本发明涉及一种点火装置，尤其涉及一种利用电磁波等离子体实现可控的多点点火装置。
背景技术
以火花塞为代表的点火系统常用于发动机中，该点火系统产生一个脉冲高电压加到火花塞上，在火花塞的两个电极之间产生一个瞬态的强电场，从而引起油气混合气体击穿或放电，进而产生电火花来导致燃烧室内的油气混合体的燃烧。然而基于火花塞的点火系统存在燃烧不稳定、燃烧不完全、以及燃烧速度较慢这三大问题，到目前为止，仍然没有得到很好的解决。
等离子体含有很多高能电子以及离子基团，这些高能电子和离子基团可以与油气混合体迅速发生化学反应，能够使油气混合物大体积燃烧，产生更多能量。
现有技术中采用微波等离子体来实现点火的方式是通过将微波传输到燃烧室中，并使微波能量在燃烧室中来回反射形成谐振，从而最终在某处产生高场强击穿形成等离子体来实现点火。然而这种点火方式虽然火核体积比较大，但仍然属于单点点火方式，这种方式下，燃料的燃烧过程仍然很缓慢，燃烧产生的火焰在整个燃烧室中的发展过程燃烧效率低下，从而会产生大量的一氧化碳等有害排放物，所以这种微波等离子体单点点火方式在点火系统性能上的改善并不大，而且采用这种微波等离子体单点点火对产生的微波等离子体的位置无法控制，从而直接导致了点火性能的不稳定。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种可以提高燃烧效率且点火点可控的点火装置。
一种利用电磁波等离子体实现的可控多点点火装置，包括：电磁波发射源、电磁波传输单元、耦合器、谐振腔以及多个电场畸变导体，其中所述电磁波发射源、电磁波传输单元、耦合器以及谐振腔依次连接，所述电磁波发射源用于产生电磁波，所述电磁波通过所述电磁波传输单元传输到所述耦合器中进行耦合，所述电磁波通过所述耦合器耦合后馈入到该谐振腔内部，以使电磁波在该谐振腔内部形成谐振，多个所述电场畸变导体间隔设置在所述谐振腔内用于使每个该电场畸变导体周围的电场产生畸变，以增加该电场畸变导体附近的电场强度，进而在多个该电场畸变导体附近产生电磁波等离子体来实现可控多点点火。
相对于现有技术，本发明实施例的可控多点点火装置通过在所述谐振腔内的预先设定的位置设置多个所述电场畸变导体，通过每个该电场畸变导体来增强该电场畸变导体附近的电场强度，从而可以在该谐振腔内的特定位置较容易地产生电磁波等离子体来实现稳定的可控点火。另外，设置多个所述电场畸变导体可在该谐振腔内同时产生位置可控的多点点火，从而极大地加速了燃烧过程，缩短了燃烧时间，而且加快了燃料的反应速率，这一方面提高了燃烧效率，另一方面减少了燃烧过程中产生的有害气体如一氧化碳、氮氧化物等的排放，较好地实现了节能减排。
附图说明
图1是本发明实施例提供的利用电磁波等离子体实现的可控多点点火装置的第一结构示意图。
图2是本发明实施例提供的利用电磁波等离子体实现的可控多点点火装置的第二结构示意图。
图3是本发明实施例提供的利用电磁波等离子体实现的可控多点点火装置的第三结构示意图。
主要元件符号说明
| 可控多点点火装置 | 100 |
| 电磁波发射源 | 10 |
| 电磁波传输单元 | 12 |
| 耦合器 | 14 |
| 谐振腔 | 16 |
| 电场畸变导体 | 18 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明实施例提供的利用电磁波等离子体实现的可控多点点火装置。
请参阅图1，本发明实施例提供了一种利用电磁波等离子体实现的可控多点点火装置100，该可控多点点火装置100包括电磁波发射源10、电磁波传输单元12、耦合器14、谐振腔16以及多个电场畸变导体18，其中所述电磁波发射源10、电磁波传输单元12、耦合器14以及谐振腔16依次连接，所述多个电场畸变导体18间隔设置在所述谐振腔16内。
所述电磁波发射源10用于产生特定功率和频率的电磁波。所述电磁波发射源10的功率和频率可根据实际的需要场合或环境来选择设定。所述电磁波发射源可以产生连续电磁波或可控脉冲式电磁波。所述电磁波的种类没有特殊限定只要能产生谐振即可。本发明实施例中，所述电磁波发射源10为微波发射源。所述可控多点点火装置100可具有多个所述电磁波发射源以发射多种电池波。此外，所述可控多点点火装置100也可仅具有单一发射源以发射单一电磁波，即所述可控多点点火装置100仅含有一个所述电磁波发射源10。本发明实施例中，所述可控多点点火装置100仅具有一个所述所述电磁波发射源10。
所述电磁波传输单元12用于传输所述电磁波发射源10产生的电磁波。所述电磁波传输单元12优选地选取与所述电磁波的频率相匹配的元件来减少所述电磁波能量的损耗。该电磁波传输单元12可以为电缆以及波导中的至少一种。
所述耦合器14用于将所述电磁波传输单元12传输来的电磁波进行耦合并馈入到所述谐振腔16中。所述耦合器14将所述电磁波馈入到所述谐振腔16中的方式不限，优选地可以为孔缝耦合、探针耦合以及直接耦合中的至少一种。本发明实施例中所述耦合器14为微波耦合器。具体地采用谷波公司生产的型号为G11-022-00的微波耦合器。
所述谐振腔16为一密闭腔体，该谐振腔16可作为一燃烧室，内部设置有燃料以及与燃料反应的气体介质。该谐振腔16的形状以及几何尺寸不限，只要能使所述馈入的电磁波产生谐振即可。所述谐振可以为完全谐振或准谐振。所述准谐振是指部分谐振。该谐振腔16的形状可以为但不限于矩形或圆柱形。该谐振腔16的材料为金属。
所述多个电场畸变导体18间隔设置在所述谐振腔16内。每个该电场畸变导体18可使所述谐振腔16内由馈入的所述电磁波谐振产生的电场产生畸变。具体地，每个该电场畸变导体18可增强该电场畸变导体18周围的电场强度，从而所述电磁波在该谐振腔16内发生谐振时，只在所述电场畸变导体18附近击穿该谐振腔16中的介质产生电磁波等离子体，进而在该电场畸变导体18处点火，从而实现位置可控点火。
所述电场畸变导体18在该谐振腔16内的位置可根据使用的需要预先自行设定。所述电场畸变导体18可固定于所述谐振腔16的内壁，也可以悬空设置在该谐振腔16内。所述电场畸变导体18可以与所述谐振腔16的内壁接触也可以不接触。
该电场畸变导体18优选地在至少一位置具有较大的曲率。选取较大曲率的导电体可进一步增强该电场畸变导体18附近的电场强度，进而可以更容易地在该电场畸变导体18附近激发出等离子体，从而实现可控点火。具体地，更容易地在该电场畸变导体18曲率较大的位置处实现点火。更为优选地，该电场畸变导体18在至少一位置的曲率大于所述谐振腔内壁各个位置的曲率。更为优选地，该电场畸变导体18具有至少一尖端，从而进一步增强该电场畸变导体18附近的电场强度。此外，该电场畸变导体18优选地可以为具有较大的长径比的导电体，如突起结构，可以为但不限于线状、柱状以及锥状结构。该突起结构在该谐振腔16的设置方式不限，如可以一端固定在所述谐振腔16的内壁，在长度延伸方向上的另一端暴露在所述谐振腔16内的介质中。此外也可以将该突起结构铺设在所述谐振腔16内。所述铺设的方式使该突起结构的轴向或长度延伸方向平行于所述谐振腔16的底部。
此外，所述电场畸变导体18也可以为凹痕。所述凹痕可通过图案化所述谐振腔16的内壁的特定位置来实现。如通过刻蚀的方式在所述谐振腔16的特定位置形成凹槽或凹痕。该凹痕的形状不限可根据使用的需要来选择。
所述电场畸变导体18相对于所述谐振腔16而言可以是独立的、额外的元件，此时，每个所述电场畸变导体18可具有一本体，该本体表面可设置或图案化有一个或多个所述突起结构以及所述凹痕中的至少一种。此外，所述所述电场畸变导体18也可以是所述谐振腔16内壁中的一部分，具体地，如可以是通过图案化所述谐振腔16内壁的特定位置形成的如所述突起结构以及凹痕中的至少一种微结构。
所述电场畸变导体18的材料只要导电即可，如可以为但不限于金属、导电金属氧化物以及碳材料中的至少一种。当所述可控多点点火装置100只需要一次性点火时，可使用导电且易燃的材料，如所述碳材料。当所述可控多点点火装置100需要重复点火时，可使用导电且不易燃的材料。
该多个电场畸变导体18间隔设置在所述谐振腔16内。该多个电场畸变导体18的形状、尺寸、材料以及类型可以相同也可以不同。此外，该多个电场畸变导体18在该谐振腔16内的设置方式可以相同也可以不同。请参阅图1，本发明第一实施例中，所述多个电场畸变导体18为所述突起结构，且间隔的固定的所述谐振腔16的底部内壁。请参阅图2，本发明第二实施例中，所述多个电场畸变导体18为凹痕，通过图案化所述谐振腔16的内壁的方式间隔形成在所述所述谐振腔16的内壁。请参阅图3，本发明第三实施例中，所述多个电场畸变导体18同时包括所述突起结构和凹痕。
在所述谐振腔16内间隔设置多个所述电场畸变导体18可使该可控多点点火装置100在该多个所述电场畸变导体18附近实现可控的多点点火，从而可极大地提高该可控多点点火装置100的燃烧效率以及点火稳定性。所述多点点火方式之一可以是在该谐振腔16内同时产生多个火焰核心，火焰从多点向外发展实现快速且充分地燃烧。
本发明实施例的可控多点点火装置100通过在所述谐振腔16内的预先设定的位置设置多个所述电场畸变导体18，通过每个该电场畸变导体18来增强该电场畸变导体18附近的电场强度，从而可以在该谐振腔16内的特定位置较容易地产生电磁波等离子体，从而可以实现稳定的可控点火。另外，设置多个所述电场畸变导体18可在该谐振腔16内同时产生位置可控的多点点火，从而极大地加速了燃烧过程，缩短了燃烧时间，而且加快了燃料的反应速率，这一方面提高了燃烧效率，另一方面减少了燃烧过程中产生的有害气体如一氧化碳、氮氧化物等的排放，较好地实现了节能减排。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种利用电磁波等离子体实现的可控多点点火装置，包括：
电磁波发射源，用于产生电磁波；
电磁波传输单元，用于传输所述电磁波；
耦合器，用于将所述电磁波通过所述电磁波传输单元传输到所述耦合器中进行耦合；
谐振腔，所述电磁波通过所述耦合器耦合后馈入到该谐振腔内部，以使电磁波在该谐振腔内部形成谐振，以及
多个电场畸变导体，多个该电场畸变导体间隔设置在所述谐振腔内用于使该电场畸变导体周围的电场产生畸变，以增加每个该电场畸变导体附近的电场强度，进而在多个该电场畸变导体附近产生电磁波等离子体来实现多点点火。
2.如权利要求1所述的利用电磁波等离子体实现的可控多点点火装置，其特征在于，所述电场畸变导体为突起结构。
3.如权利要求2所述的利用电磁波等离子体实现的可控多点点火装置，其特征在于，所述突起结构为线状、柱状或锥状结构中的至少一种。
4.如权利要求1所述的利用电磁波等离子体实现的可控多点点火装置，其特征在于，所述电场畸变导体具有至少一尖端。
5.如权利要求1所述的利用电磁波等离子体实现的可控多点点火装置，其特征在于，所述电场畸变导体为凹痕，该凹痕通过图案化所述谐振腔的内壁的特定位置获得。
6.如权利要求1所述的利用电磁波等离子体实现的可控多点点火装置，其特征在于，多个所述电场畸变导体同时包括突起结构和凹痕，该凹痕通过图案化所述谐振腔的内壁的特定位置形成。
7.如权利要求1所述的利用电磁波等离子体实现的可控多点点火装置，其特征在于，每个所述电场畸变导体在某一位置的曲率大于所述谐振腔内壁在各个位置的曲率。
8.如权利要求1所述的利用电磁波等离子体实现的可控多点点火装置，其特征在于，仅具有一个所述电磁波发射源以发射单一电磁波。
9.如权利要求1所述的利用电磁波等离子体实现的可控多点点火装置，其特征在于，多个所述电场畸变导体悬空设置在所述谐振腔内。
10.如权利要求1所述的利用电磁波等离子体实现的可控多点点火装置，其特征在于，多个所述电场畸变导体固定在所述谐振腔的内壁上。
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