CN110513187A - 一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置及方法，属于小型转子发动机领域。本发明的装置包括：包括第一工作室、第二工作室、三角转子、普通火花塞、火花塞通道、引燃室、密封片、第三工作室。还包括发动机气缸、改造火花塞、改造火花塞阳极、衬套、凹槽。本发明通过去除引燃室带来如下优点：(1)降低能量损失，降低相邻两缸窜气概率；(2)在其余结构不改变的情况下，压缩比也可以得到提升，尺度越小的发动机压缩比提升的幅度越大。通过将点火位置由引燃室内部改进到燃烧室边缘带来如下优点：(1)大幅缩短火焰传播距离，减少小型转子发动机爆震与火焰淬熄的可能性；(2)火花直接接触压缩后的新鲜混合气，点火难度大大降低。

Description

一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置及方法

技术领域

本发明涉及小型转子发动机的基础零部件组成，尤其涉及一种基于小型转子发动机的燃烧室边缘火花塞点火装置及工作方法，属于小型转子发动机领域。

背景技术

随着微电子机械系统(MEMS)的发展和多种微型化军事装备概念的提出，研制体积小、质量轻、能量密度高、能持续运行的微能量系统已成为各国关注的焦点。与传统的便携式电源相比，微小型发动机采用碳氢作为燃料，其能量密度要高的多，电压也能保持稳定，还具有成本低廉的优点。因此微小型发动机在工业、农业、环境保护、医疗卫生等各行各业的电子器件将有广泛的应用前景，还可直接为微型汽车、微型飞机、微型泵等微型机械提供动力。

目前，根据所用燃料的不同，用于小型转子发动机的点火装置主要分为两种：电热塞点火装置与火花塞点火装置。

电热塞点火装置主要用于使用低闪点燃料的小型转子发动机。在这种小型转子发动机中，电热塞维持持续的高温(高于燃料闭口闪点)来引燃低闪点燃料。这种燃料例如：甲醇(闭口闪点8℃)、乙醇(闭口闪点12℃)等。

火花塞点火装置则主要用于小型汽油小型转子发动机、小型煤油小型转子发动机和其他小型重油小型转子发动机中。这些小型转子发动机使用的燃料无法使用电热塞进行点燃，只能依靠能量较高的火花塞进行点燃。

无论是采用电热塞点火装置，还是采用普通火花塞点火装置，在小型转子发动机中，都需要给电热塞/火花塞预留单独的引燃室，同样都要给电热塞/火花塞预留连通引燃室与燃烧室的电热塞/火花塞通道(以后统称火花塞通道)。在传统小型转子发动机正常工作情况下，位于燃烧室内部的可燃压缩混合气的一部分通过火花塞通道被压入引燃室，经电热塞/火花塞点燃之后，产生火焰，并再次通过火花塞通道将位于燃烧室内部的混合气点燃。这样，引燃室的存在将不可避免地增加了火焰传播距离、提高了混合气引燃难度、并会造成一部分能量损失，成为了阻碍小型转子发动机效率进一步提升的绊脚石。同时，在密封片扫过火花塞通道时，相邻两缸之间会发生严重的窜气，同样会降低小型转子发动机的性能表现。

发明内容

针对传统小型转子发动机点火装置的引燃室带来的点火过程火焰传播距离长、点火难度大、能量损失严重、密封片扫过时刻窜气严重等问题，本发明公开一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置及方法要解决的技术问题是：提供一种不需要引燃室的火花塞点火装置及方法，即采用小型转子发动机燃烧室边缘直接点火，使火花塞点火的位置由引燃室内部改进为燃烧室边缘，同时将引燃室与燃烧室隔离开，进而在点火装置中省去引燃室与火花塞通道的结构，避免该结构造成的火焰传播距离长、点火难度大、能量损失严重、密封片扫过时刻窜气严重等问题，即：通过去除引燃室带来如下优点：(1)降低能量损失，降低相邻两缸窜气概率；(2)在其余结构不改变的情况下，压缩比也可以得到提升，尺度越小的发动机压缩比提升的幅度越大。通过将点火位置由引燃室内部改进到燃烧室边缘带来如下优点：(1)大幅缩短火焰传播距离，减少小型转子发动机爆震与火焰淬熄的可能性；(2)火花直接接触压缩后的新鲜混合气，点火难度大大降低。

本发明的目的通过下述技术装置实现。

本发明公开一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置，包括第一工作室、第二工作室、三角转子、普通火花塞、火花塞通道、引燃室、密封片、第三工作室。还包括发动机气缸、改造火花塞、改造火花塞阳极、衬套、凹槽。

所述衬套由绝缘耐高温材料制成。所述改造火花塞摘除其自身的L形阴极结构。所述发动机气缸上安装改造火花塞的安装孔结构，适应改造火花塞的结构以及安装要求，整体安装孔深增加，并且发动机气缸在本发明中需要作为改造火花塞的阴极，必须由金属材料制成。

改造火花塞安装在发动机气缸上，改造火花塞安装位置需保证改造火花塞阳极与发动机气缸型面贴近，改造火花塞阳极与发动机气缸型面贴近距离需保证改造火花塞阳极与位于发动机气缸上的火花塞通道被衬套绝缘，而又通过衬套上的凹槽与火花塞通道通过空气连通，进而在需要打火的时刻，击穿空气，在改造火花塞阳极与火花塞通道之间进行打火。改造火花塞阳极与发动机气缸型面贴近距离还需保证最大程度减小火花塞通道与燃烧室连通的体积。衬套套在改造火花塞的阳极之上，与改造火花塞共同安装在发动机气缸内部，用于将燃烧室和引燃室隔绝开来，并将改造火花塞阳极与发动机气缸绝缘开，通过将改造火花塞阳极与发动机气缸绝缘避免改造火花塞与发动机气缸在任意位置直接打火，进而能够通过衬套上开设的凹槽的具体位置，控制改造火花塞阳极与发动机气缸上的火花塞通道在指定地点打火。改造火花塞的阴极即为发动机气缸上火花塞通道中，衬套上凹槽所对应的区域。

本发明公开一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置的工作方法为：发动机气缸是小型转子发动机中不参与复杂旋转运动的固定件，发动机气缸与三角转子在径向将发动机气缸内部空间分割成三个独立的工作室，每个工作室分别单独完成进气、压缩、膨胀做功、排气四个冲程。三角转子在发动机气缸中做复杂的行星运动，三个顶角扫过的路径即为发动机气缸型线。当三角转子运动到某个工作室达到最小容积时，称该工作室达到压缩上止点，称该工作室为燃烧室。燃烧室相对于发动机气缸的位置是固定的，燃烧室相对于三角转子的位置不是固定的，三角转子的每个弧边都能够与发动机气缸围成燃烧室。改造火花塞与衬套安装在燃烧室对应的发动机气缸型面之下，封闭型面之下原有的引燃室结构，降低能量损失，降低相邻两缸窜气概率，并且，在其余结构不改变的情况下，压缩比也能够得到提升，尺度越小的发动机压缩比提升的幅度越大。改造火花塞阳极与发动机气缸型面贴近，直接暴露在燃烧室边缘。改造火花塞阳极与发动机气缸之间被衬套绝缘开来，但是衬套中的凹槽结构使改造火花塞阳极与发动机气缸上的火花塞通道能够在指定位置满足打火的基本要求。在小型转子发动机运转过程中，在压缩上止点时刻，安装于前平衡重的感应磁铁触发霍尔传感器，再由霍尔传感器信号上升沿触发点火线圈，将能量聚集于改造火花塞的阳极，同一时刻，改造火花塞阳极通过衬套中预留的凹槽，与发动机气缸上的火花塞通道之间击穿空气，在燃烧室的边缘产生电火花。电火花的位置为燃烧室边缘，大幅缩短火焰传播距离，减少小型转子发动机爆震与火焰淬熄的可能性。电火花直接接触压缩后的新鲜混合气，使点火难度大大降低。火花由改造火花塞阳极导向发动机气缸，最终导入大地。

为了保障改造火花塞阳极与发动机气缸之间绝缘，且衬套可以长期暴露在高温高压燃气下而不失效，作为优选，所述衬套材料选陶瓷。

为了保障火花塞通道和改造火花塞阳极之间能够顺利打火，作为优选，火花塞通道和改造火花塞阳极的最佳半径差为0.5mm～1mm。

为了保障火花塞通道和改造火花塞阳极之间能够顺利打火，而又不引起密封片扫过衬套上凹槽时产生过大的漏气量，作为优选，凹槽的直径应小于2mm。

有益效果：

1、本发明公开一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置及方法，提供一种不需要引燃室的火花塞点火装置及方法，即采用小型转子发动机燃烧室边缘直接点火，使火花塞点火的位置由引燃室内部改进为燃烧室边缘，进而省去引燃室与火花塞通道的结构，避免该结构造成的火焰传播距离长、点火难度大、能量损失严重、密封片扫过时刻窜气严重等问题。

2、传统的小型转子发动机正常工作情况下，位于燃烧室内部的可燃压缩混合气的一部分通过火花塞通道被压入引燃室，经电热塞/火花塞点燃之后，产生火焰，并再次通过火花塞通道将位于燃烧室内部的混合气点燃。引燃室的存在将不可避免地增加了火焰传播距离和气流流动损失。本发明公开一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置及方法，通过去除引燃室，能够达到降低火焰传播距离，降低气流流动损失，提升小型转子发动机整体性能的效果。

3、小型转子发动机的压缩比为工作室最大体积与压缩上止点时刻气体总体积的商值。在传统小型转子发动机中，压缩上止点时刻气体总体积包括燃烧室体积、火花塞通道体积以及引燃室体积。而本发明公开一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置及方法，通过去除引燃室，在压缩上止点时刻气体总体积即为燃烧室体积，不包含火花塞通道体积和引燃室体积，在其余结构不改变的情况下，压缩比也可以得到提升。尺度越小的发动机压缩比提升的幅度越大。

4、传统的小型转子发动机因为存在引燃室两个结构，当三角转子的一个顶角密封片扫过火花塞通道时，将会在一个较短的时间段内连通该三角转子顶角两侧的工作室，其中一侧正处于进气冲程中期，另一侧正处于做功冲程中期，两侧压力差巨大，因而会造成很大的窜气量。本发明公开一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置及方法，去除引燃室，在密封片扫过阳极时，能够漏气的间隙从一整个引燃室减小为改造火花塞阳极和衬套与发动机气缸型面之间微小的配合间隙，从而有效降低密封片扫过火花塞通道时相邻两缸之间的窜气量，有助于减小小型转子发动机的功率损失。

5、传统小型转子发动机在燃烧过程中，可燃混合气在引燃室内部点燃，进而通过火花塞通道传入燃烧室内部，这样必然会在燃烧末期有一定量的废气残留在引燃室内部无法排出。这部分残留的废气压力比进气压力高，会在下一缸进气过程中排出一部分到燃烧室内部，使火花塞周围弥漫上一循环的废气，影响点燃效果。本发明公开的一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置及方法，通过将点火位置由引燃室内部改进到燃烧室边缘，火花直接接触压缩后的新鲜混合气，没有废气的影响，点火难度大大降低。

6、本发明公开一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置及方法，通过将点火位置由引燃室内部改进到燃烧室边缘，能够大幅缩短火焰传播距离，减少小型转子发动机爆震与火焰淬熄的可能性。

7、本发明公开一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置及方法，改造火花塞阳极可以维持很高的温度，有助于改造火花塞的自洁，不容易产生积碳。

附图说明

图1为传统小型转子发动机火花塞点火装置。

图2为本实施例公开的一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置示意图。

图3为传统小型转子发动机火花塞点火装置在密封片扫过火花塞通道时刻窜气示意图。

图4为本实施例公开的本发明公开一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置及方法在密封片扫过火花塞通道时刻窜气示意图。

图5为改造火花塞三维结构示意图。

图6为衬套三维结构示意图。

图7为衬套及改造火花塞在发动机气缸中的安装位置示意图。

其中：1—发动机气缸；2—第一工作室；3—第二工作室(图1、2时刻为燃烧室)；4—三角转子；5—普通火花塞；6—火花塞通道；7—引燃室；8—密封片；9—第三工作室；10—改造火花塞；11—衬套；12—凹槽；13—改造火花塞阳极。

具体实施方式

现在结合附图对本发明进行进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构及其工作方式，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例1：

图1所示的传统小型转子发动机火花塞点火装置与图2所示的一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置及方法对比可知，两种装置的火花塞点火装置具有同样的结构：发动机气缸1、第一工作室2、第二工作室(图1、2时刻为燃烧室)3、三角转子4、火花塞通道6、密封片8、第三工作室9，这些结构为小型转子发动机的基本结构。而图1中的普通火花塞5以及引燃室7为传统小型转子发动机火花塞点火装置所特有的结构；图2中的改造火花塞10、衬套11以及凹槽12则为本实施例公开的一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置及方法所特有的结构。

改造火花塞10安装在发动机气缸1上，改造火花塞10安装位置需保证改造火花塞阳极13与发动机气缸1型面贴近，改造火花塞阳极13与发动机气缸1型面贴近距离需保证改造火花塞阳极13与位于发动机气缸1上的火花塞通道6被衬套11绝缘，而又可以通过衬套11上的凹槽12与火花塞通道6通过空气连通，进而在需要打火的时刻，可以击穿空气，在改造火花塞阳极13与火花塞通道6之间进行打火。本实施例中，衬套11选择陶瓷材料，衬套11上的凹槽12直径选择1mm，衬套11的半径与改造火花塞阳极13的半径之差为0.65mm。改造火花塞阳极13与发动机气缸1型面贴近距离还需保证最大程度减小火花塞通道6与燃烧室3连通的体积。陶瓷衬套11套在改造火花塞10的阳极之上，与改造火花塞10共同安装在发动机气缸1内部，用于将燃烧室3和引燃室7隔绝开来，并将改造火花塞阳极13与发动机气缸1绝缘开，通过将改造火花塞阳极13与发动机气缸1绝缘避免改造火花塞10与发动机气缸1在任意位置直接打火，进而能够通过陶瓷衬套11上开设的凹槽12的具体位置，控制改造火花塞阳极13与发动机气缸1上的火花塞通道6在指定地点打火。改造火花塞10的阴极即为发动机气缸1上火花塞通道6中，陶瓷衬套11上凹槽12所对应的区域。

本实施例公开一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置的工作方法为：发动机气缸1是小型转子发动机中不参与复杂旋转运动的固定件，发动机气缸1与三角转子4在径向将发动机气缸1内部空间分割成三个独立的工作室，每个工作室分别单独完成进气、压缩、膨胀做功、排气四个冲程。三角转子4在发动机气缸1中做复杂的行星运动，三个顶角扫过的路径即为发动机气缸1型线。当三角转子4运动到某个工作室达到最小容积时，称该工作室达到压缩上止点，称该工作室为燃烧室3。燃烧室3相对于发动机气缸1的位置是固定的，燃烧室3相对于三角转子4的位置不是固定的，三角转子4的每个弧边都能够与发动机气缸1围成燃烧室3。改造火花塞10与陶瓷衬套11安装在燃烧室3对应的发动机气缸1型面之下，封闭型面之下原有的引燃室7结构，降低能量损失，降低相邻两缸窜气概率，并且，在其余结构不改变的情况下，压缩比也能够得到提升，尺度越小的发动机压缩比提升的幅度越大。改造火花塞阳极13与发动机气缸1型面贴近，直接暴露在燃烧室3边缘。改造火花塞阳极13与发动机气缸1之间被陶瓷衬套11绝缘开来，但是陶瓷衬套11中的凹槽12结构使改造火花塞阳极13与发动机气缸1上的火花塞通道6能够在指定位置满足打火的基本要求。在小型转子发动机运转过程中，在压缩上止点时刻，安装于前平衡重的感应磁铁触发霍尔传感器，再由霍尔传感器信号上升沿触发点火线圈，将能量聚集于改造火花塞10的阳极，同一时刻，改造火花塞阳极13通过陶瓷衬套11中预留的凹槽12，与发动机气缸1上的火花塞通道6之间击穿空气，在燃烧室3的边缘产生电火花。电火花的位置为燃烧室3边缘，大幅缩短火焰传播距离，减少小型转子发动机爆震与火焰淬熄的可能性。电火花直接接触压缩后的新鲜混合气，使点火难度大大降低。火花由改造火花塞阳极13导向发动机气缸1，最终导入大地。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术装置和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置，其特征在于：包括第一工作室(2)、第二工作室(3)、三角转子(4)、普通火花塞(5)、火花塞通道(6)、引燃室(7)、密封片(8)、第三工作室(9)；还包括发动机气缸(1)、改造火花塞(10)、改造火花塞阳极(13)、衬套(11)、凹槽(12)；

所述衬套(11)由绝缘耐高温材料制成；所述改造火花塞(10)摘除其自身的L形阴极结构；所述发动机气缸(1)上安装改造火花塞(10)的安装孔结构，适应改造火花塞(10)的结构以及安装要求，整体安装孔深增加，并且发动机气缸(1)作为改造火花塞(10)的阴极，必须由金属材料制成；

改造火花塞(10)安装在发动机气缸(1)上，改造火花塞(10)安装位置需保证改造火花塞阳极(13)与发动机气缸(1)型面贴近，改造火花塞阳极(13)与发动机气缸(1)型面贴近距离需保证改造火花塞阳极(13)与位于发动机气缸(1)上的火花塞通道(6)被衬套(11)绝缘，而又通过衬套(11)上的凹槽(12)与火花塞通道(6)通过空气连通，进而在需要打火的时刻，击穿空气，在改造火花塞阳极(13)与火花塞通道(6)之间进行打火；改造火花塞阳极(13)与发动机气缸(1)型面贴近距离还需保证最大程度减小火花塞通道(6)与燃烧室(3)连通的体积；衬套(11)套在改造火花塞(10)的阳极之上，与改造火花塞(10)共同安装在发动机气缸(1)内部，用于将燃烧室(3)和引燃室(7)隔绝开来，并将改造火花塞阳极(13)与发动机气缸(1)绝缘开，通过将改造火花塞阳极(13)与发动机气缸(1)绝缘避免改造火花塞(10)与发动机气缸(1)在任意位置直接打火，进而能够通过衬套(11)上开设的凹槽(12)的具体位置，控制改造火花塞阳极(13)与发动机气缸(1)上的火花塞通道(6)在指定地点打火；改造火花塞(10)的阴极即为发动机气缸(1)上火花塞通道(6)中，衬套(11)上凹槽(12)所对应的区域。

2.如权利要求1所述的一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置，其特征在于：为了保障改造火花塞阳极(13)与发动机气缸(1)之间绝缘，且衬套(11)长期暴露在高温高压燃气下而不失效，所述衬套(11)材料选陶瓷。

3.如权利要求1所述的一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置，其特征在于：为了保障火花塞通道(6)和改造火花塞阳极(13)之间能够顺利打火，火花塞通道(6)和改造火花塞阳极(13)的最佳半径差为0.5mm～1mm。

4.如权利要求1所述的一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置，其特征在于：为了保障火花塞通道(6)和改造火花塞阳极(13)之间能够顺利打火，而又不引起密封片(8)扫过衬套(11)上凹槽(12)时产生过大的漏气量，凹槽(12)的直径应小于2mm。

5.如权利要求1、2、3或4所述的一种小型转子发动机燃烧室边缘火花塞点火装置，其特征在于：工作方法为，发动机气缸(1)是小型转子发动机中不参与复杂旋转运动的固定件，发动机气缸(1)与三角转子(4)在径向将发动机气缸(1)内部空间分割成三个独立的工作室，每个工作室分别单独完成进气、压缩、膨胀做功、排气四个冲程；三角转子(4)在发动机气缸(1)中做复杂的行星运动，三个顶角扫过的路径即为发动机气缸(1)型线；当三角转子(4)运动到某个工作室达到最小容积时，称该工作室达到压缩上止点，称该工作室为燃烧室(3)；燃烧室(3)相对于发动机气缸(1)的位置是固定的，燃烧室(3)相对于三角转子(4)的位置不是固定的，三角转子(4)的每个弧边都能够与发动机气缸(1)围成燃烧室(3)；改造火花塞(10)与衬套(11)安装在燃烧室(3)对应的发动机气缸(1)型面之下，封闭型面之下原有的引燃室(7)结构，降低能量损失，降低相邻两缸窜气概率，并且，在其余结构不改变的情况下，压缩比也能够得到提升，尺度越小的发动机压缩比提升的幅度越大；改造火花塞阳极(13)与发动机气缸(1)型面贴近，直接暴露在燃烧室(3)边缘；改造火花塞阳极(13)与发动机气缸(1)之间被衬套(11)绝缘开来，但是衬套(11)中的凹槽(12)结构使改造火花塞阳极(13)与发动机气缸(1)上的火花塞通道(6)能够在指定位置满足打火的基本要求；在小型转子发动机运转过程中，在压缩上止点时刻，安装于前平衡重的感应磁铁触发霍尔传感器，再由霍尔传感器信号上升沿触发点火线圈，将能量聚集于改造火花塞(10)的阳极，同一时刻，改造火花塞阳极(13)通过衬套(11)中预留的凹槽(12)，与发动机气缸(1)上的火花塞通道(6)之间击穿空气，在燃烧室(3)的边缘产生电火花；电火花的位置为燃烧室(3)边缘，大幅缩短火焰传播距离，减少小型转子发动机爆震与火焰淬熄的可能性；电火花直接接触压缩后的新鲜混合气，使点火难度大大降低；火花由改造火花塞阳极(13)导向发动机气缸(1)，最终导入大地。