CN110541757B - 一种小型转子发动机燃烧室内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内火花塞点火装置及方法，属于小型转子发动机领域。本发明的装置包括第一工作室、第二工作室、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、阴极、三角转子。本发明通过去除引燃室和火花塞通道优点如下：(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内部带来如下优点：(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内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内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，引燃室和火花塞通道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和火花塞通道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内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和火花塞通道的火花塞点火装置及方法，即采用小型转子发动机燃烧室缸内直接点火，使火花塞点火的位置由引燃室内部改进为燃烧室内部，同时将引燃室和火花塞通道与燃烧室隔离开，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：通过去除引燃室和火花塞通道带来如下优点：(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内部带来如下优点：(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内火花塞点火装置，包括第一工作室、第二工作室、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、阴极、三角转子。

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。所述阴极由耐高温金属材料制成。所述三角转子凹坑中心加工有用于安装阴极的安装孔。

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既需保证改造火花塞阳极与位于三角转子上的阴极点火间隙满足点火要求，又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直接打火。改造火花塞的阴极与改造火花塞分离，装在三角转子凹坑中心，只有三角转子运动到压缩上止点时刻，阴极和改造火花塞阳极的距离才满足点火要求。

本发明公开一种小型转子发动机燃烧室内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火花塞通道和引燃室结构，降低能量损失，降低相邻两缸窜气概率，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。改造火花塞的阴极安装在做复杂行星运动的三角转子凹坑中心，当三角转子到达某个工作室的压缩上止点时刻，改造火花塞的阴极与改造火花塞阳极距离达到最短，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，紧贴于发动机气缸型面的改造火花塞阳极与安装于三角转子凹坑中心的阴极在给定的时刻和给定的地点击穿空气，在燃烧室内部产生电火花。电火花的位置为燃烧室内部，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阴极，然后由阴极-三角转子-密封片-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。

为了保障阴极和改造火花塞阳极之间能够顺利打火，作为优选，所述阴极材料选铱金。

为了保障阴极和改造火花塞阳极之间能够顺利打火，作为优选，改造火花塞阳极和位于三角转子凹坑中心的阴极在打火时刻的最佳距离为0.5mm～1mm。

有益效果：

1、本发明公开一种小型转子发动机燃烧室内火花塞点火装置及方法，提供一种不需要引燃室和火花塞通道的火花塞点火装置及方法，即采用小型转子发动机燃烧室缸内直接点火，使火花塞点火的位置由引燃室内部改进为燃烧室内部，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。引燃室和火花塞通道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内火花塞点火装置及方法，通过去除引燃室和火花塞通道，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内火花塞点火装置及方法，通过去除引燃室和火花塞通道，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火花塞通道和引燃室两个结构，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内火花塞点火装置及方法，去除引燃室和火花塞通道，在密封片扫过阳极时，能够漏气的间隙从一整个火花塞通道和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，必然会在燃烧末期有一定量的废气残留在引燃室和火花塞通道内部无法排出，所述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内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内部，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内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内部，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内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。

8、本发明公开的一种小型转子发动机燃烧室内火花塞点火装置及方法，改造火花塞阴阳极分离，不用担心积碳严重而导致的阴阳极之间漏电现象。

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内火花塞点火装置及方法。

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内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为阴极结构示意图。

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—阴极；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内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、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、火花塞通道6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以及阴极12则为本实施例公开的一种小型转子发动机燃烧室内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型面贴近距离既需保证改造火花塞阳极13与位于三角转子4上的阴极12点火间隙满足点火要求(本实施例中取0.65mm)，又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，材料为陶瓷，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直接打火。改造火花塞10的阴极12与改造火花塞10分离，材料为铱金，装在三角转子4凹坑中心，只有三角转子4运动到压缩上止点时刻，铱金阴极12和改造火花塞阳极13的距离才满足点火要求，为0.65mm。

本发明公开一种小型转子发动机燃烧室内火花塞点火装置及方法的工作方法为：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火花塞通道6和引燃室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10的铱金阴极12安装在做复杂行星运动的三角转子4凹坑中心，当三角转子4到达某个工作室的压缩上止点时刻，改造火花塞10的铱金阴极12与改造火花塞阳极13距离达到最短，为0.6mm，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，紧贴于发动机气缸1型面的改造火花塞阳极13与安装于三角转子4凹坑中心的铱金阴极12在给定的时刻和给定的地点击穿空气，在燃烧室3内部产生电火花。电火花的位置为燃烧室3内部，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导向铱金阴极12，然后由铱金阴极12-三角转子4-密封片8-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内火花塞点火装置，其特征在于：包括第一工作室(2)、第二工作室(3)、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)、阴极(12)、三角转子(4)；

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；所述阴极(12)由耐高温金属材料制成；所述三角转子(4)凹坑中心加工有用于安装阴极(12)的安装孔；

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)型面贴近距离既需保证改造火花塞阳极(13)与位于三角转子(4)上的阴极(12)点火间隙满足点火要求，又需保证最大程度减小改造火花塞(10)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，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)直接打火；改造火花塞(10)的阴极(12)与改造火花塞(10)分离，装在三角转子(4)凹坑中心，只有三角转子(4)运动到压缩上止点时刻，阴极(12)和改造火花塞阳极(13)的距离才满足点火要求。

2.如权利要求1所述的一种小型转子发动机燃烧室内火花塞点火装置，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内火花塞点火装置，其特征在于：为了保障阴极(12)和改造火花塞阳极(13)之间能够顺利打火，所述阴极(12)材料选铱金。

4.如权利要求1所述的一种小型转子发动机燃烧室内火花塞点火装置，其特征在于：为了保障阴极(12)和改造火花塞阳极(13)之间能够顺利打火，改造火花塞阳极(13)和位于三角转子(4)凹坑中心的阴极(12)在打火时刻的最佳距离为0.5mm～1mm。

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内火花塞点火装置，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火花塞通道(6)和引燃室(7)结构，降低能量损失，降低相邻两缸窜气概率，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(10)的阴极(12)安装在做复杂行星运动的三角转子(4)凹坑中心，当三角转子(4)到达某个工作室的压缩上止点时刻，改造火花塞(10)的阴极(12)与改造火花塞阳极(13)距离达到最短，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，紧贴于发动机气缸(1)型面的改造火花塞阳极(13)与安装于三角转子(4)凹坑中心的阴极(12)在给定的时刻和给定的地点击穿空气，在燃烧室(3)内部产生电火花；电火花的位置为燃烧室(3)内部，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)导向阴极(12)，然后由阴极(12)-三角转子(4)-密封片(8)-发动机气缸(1)最终导入大地。

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