CN112096554B - 一种发动机低温等离子体点火方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种发动机低温等离子体点火方法及系统，该方法包括：在发动机的低压行程过程中，当预燃室内出现可燃气体后，在预燃室内生成高频均匀放电场；利用高频均匀放电场，在预燃室内产生低温等离子体，使位于预燃室内的所述可燃气体处于冷焰燃烧状态；在压缩行程至点火提前角位置时，使预燃室内的可燃气体生成活性射流，将活性射流注入至主燃烧室内，实现发动机活性射流点火。本发明实施例通过在四冲程发动机进气冲程和压缩冲程前段的低压环境中进行点火，利用可燃气体大体积均匀放电产生低温等离子体，使可燃混合气在冷焰状态下实现改质，提升了射流的化学活性，加速了主燃烧室内的燃烧过程，提高燃烧效率并降低排放。

Description

一种发动机低温等离子体点火方法及系统

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种发动机低温等离子体点火方法及系统。

背景技术

由于传统的发动机大部分工况均运行于燃油经济性差的低效区，追求发动机高效区的极致热效率收效甚微，研发性价比低。同时，传统发动机的全工况运行使发动机的开发受到种种限制，燃烧系统状态多变、控制难度高，因此通常采用火花塞等简单可靠的点火方式，导致进一步地限制了先进点火和燃烧技术应用可能性。但随着混合动力技术的引入给发动机燃烧技术提供了全新的发展可能性和研发思路。混合动力系统中电机与发动机协同运行，始终将发动机运行工况点控制在高效区，避免了高速、大负荷等极限工况，所开发的混合动力专用发动机除了提高极限工况的运行可靠性，更注重采用先进燃烧组织方式来提升高效区的最高热效率，实现混合动力汽车的节能减排。

目前混合动力发动机的点火方式如单点火花点火、预燃室射流点火、微波点火等，均属于燃烧始点附近的点火技术，即从点火提前角之后开始点火。其中，活性射流点火属于预燃室射流点火的一种，是可用于混合动力专用发动机的先进点火方式，能够在发动机高湍流、超稀薄燃料环境下实现稳定点火。活性射流点火是通过在主燃烧室顶部安装表面开若干微孔的预燃室实现，其点火包含两次着火过程。首次着火发生在预燃室内，腔内可燃混合气着火燃烧后形成的活性射流由孔喷出。较小的孔隙设计，熄灭了从预燃室喷出的燃烧的气体，成为不完全燃烧状态的活性基团，传递到主燃烧室。这些活性基团在主燃烧室内再次发生自燃，引燃周围的稀薄可燃混合气，实现第二次的多火核群着火。

针对现有的燃烧始点附近的点火技术，为在活塞压缩上止点附近极短的时间内点燃可燃混合气，目前常采用提高点火器放电功率、改变初始火核群形态(多点点火)等手段来强化点火效果。活性射流点火目前的技术方案也通过采用大功率脉冲式放电，从而达到在放电瞬间注入更多能量来产生更多自由基。然而，高能点火手段并没有突破燃烧始点附近点火的传统点火模式，因此难以实现在短暂瞬间产生大量自由基的目标，效果不佳且降低点火器寿命。

综上所述，现有的活性射流点火技术，由于其在燃烧始点前的有限时间内进行点火，时间太过短暂，即使采用高能点火方式，依然难以改善大分子燃料的着火性能，对活性射流的化学活性提高程度有限。同时，高功率点火设备大幅增加了系统成本并降低点火系统寿命，暂不具备应用的可行性。

发明内容

本发明实施例提供一种发动机低温等离子体点火方法及系统，用以解决现有技术中仅能够在燃烧始点前的有限时间内进行点火，由于时间太过短暂，无法改变大分子燃料的着火性能，因此出现难以提高活性射流化学活性的技术瓶颈。

第一方面，本发明实施例提供一种发动机低温等离子体点火方法，主要包括：在发动机的低压行程过程中，当预燃室内出现可燃气体后，在预燃室内生成高频均匀放电场；利用高频均匀放电场，在预燃室内产生低温等离子体，使位于预燃室内的所述可燃气体处于冷焰燃烧状态；在压缩行程至点火提前角位置时，使预燃室内的可燃气体生成活性射流，将活性射流注入至主燃烧室内，实现发动机活性射流点火。

可选地，发动机的低压行程过程，主要包括发动机的进气行程以及发动机的压缩行程的前段。

可选地，利用高频均匀放电场，在预燃室内产生低温等离子体，使位于所述预燃室内的所述可燃气体处于冷焰燃烧状态，包括：

利用所述高频放电场，使所述可燃气体在所述预燃室内的低气压环境下生成非平衡态等离子体，并使所述非平衡态等离子体保持在所述冷焰燃烧状态实现改质；非平衡态等离子体使可燃气体在所述冷焰燃烧状态下改质；可燃气体改质后的成分包括自由基、激发态原子、离子以及由离子重新结合所形成的较小的均匀烃链。

可选地，上述利用高频均匀放电场，在预燃室内产生低温等离子体，使位于预燃室内的所述可燃气体处于冷焰燃烧状态，还可以包括：

根据发动机的工作循环状态，对高频放电场进行脉宽调制，控制预燃室内的可燃气体处于冷焰燃烧状态，以实现对可燃气体着火性能的实时调整。

可选地，上述在预燃室内生成高频放电场的方式，包括：微波放电方式和纳秒脉冲放电方式。

可选地，将活性射流注入至主燃烧室内，主要包括：采用主动式活性射流点火技术将所述活性射流注入至主燃烧室内和采用被动式活性射流点火技术将所述活性射流注入至主燃烧室内。

可选地，发动机的低压行程过程，包括发动机的进气行程以及发动机的压缩行程的前段，具体是指：若发动机为主动式低温等离子体点火发动机，则低压行程过程包括整个所述进气行程以及压缩压缩行程的前段；若发动机为被动式低温等离子体点火发动机，则低压行程过程包括压缩行程的前段。

第二方面，本发明实施例还提供一种发动机低温等离子体点火系统，主要包括：主燃烧室、预燃室、喷油器和电源装置，其中：喷油器用于在发动机的低压行程过程中，向主燃烧室和预燃室内提供燃油；电源装置用于在预燃室内出现可燃气体之后，在预燃室内生成高频均匀放电场，并利用高频均匀放电场，使位于预燃室内的所述可燃气体在冷焰燃烧状态下进行改质，并生成冷焰燃烧状态的活性射流；在压缩行程至点火提前角位置时，预燃室内的活性射流被注入至主燃烧室内，实现发动机活性射流点火。

可选地，预燃室可以选用采用微波放电方式的等离子体放电预燃室或采用纳秒脉冲放电方式的等离子体放电预燃室。

可选地，本发明实施例提供的发动机低温等离子体点火系统，还可以包括高频放电控制器用于根据所述发动机的工作循环状态，对所述高频放电场进行脉宽调制，以实现对所述可燃气体着火性能的实时调整，控制所述预燃室内的可燃气体处于冷焰燃烧状态。

第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述发动机低温等离子体点火方法的步骤。

第四方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述发动机低温等离子体点火方法的步骤。

本发明实施例提供的发动机低温等离子体点火方法及系统，在四冲程发动机进气冲程和压缩冲程前段的低压环境中进行点火，利用可燃气体放电产生低温等离子体，使可燃混合气在冷焰状态下实现改质，提升了射流的化学活性，加速了主燃烧室内的燃烧过程，提高燃烧效率并降低排放。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种发动机低温等离子体点火方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种发动机低温等离子体点火方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于微波放电的主动式低温等离子体点火系统；

图4为本发明实施例提供的一种基于微波放电的被动式低温等离子体点火系统；

图5为本发明实施例提供的一种基于纳秒脉冲放电的被动式低温等离子体点火系统；

图6为基于微波放电的主动式低温等离子体点火过程中进气行程的喷油动作示意图；

图7为基于微波放电的主动式低温等离子体点火过程中在进气冲程喷油结束后进行等离子体放电的动作示意图；

图8为基于微波放电的主动式低温等离子体点火过程中在压缩上止点附近形成活性射流进入主燃烧室的动作示意图；

图9为基于微波放电的被动式低温等离子体点火过程中进气行程的喷油动作示意图；

图10为基于微波放电的被动式低温等离子体点火过程中在进气冲程喷油结束后进行等离子体放电的动作示意图；

图11为基于微波放电的被动式低温等离子体点火过程中在压缩上止点附近形成活性射流进入主燃烧室的动作示意图；

图12为基于纳秒脉冲放电的被动式低温等离子体点火过程中进气行程的喷油动作示意图；

图13为基于纳秒脉冲放电的被动式低温等离子体点火过程中在进气冲程喷油结束后进行等离子体放电的动作示意图；

图14为基于纳秒脉冲放电的被动式低温等离子体点火过程中在压缩上止点附近形成活性射流进入主燃烧室的动作示意图；

图15为本发明实施例提供的等离子体放电预燃室的不同结构示意图；

图16为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于现有技术中所提供的发动机进行点火的方式，均为燃烧始点附近的点火技术，为了在活塞压缩上止点附近这一极短的时间内，充分点燃可燃混合气体，目前常采用提高点火器放电功率或改变初始火核群形态(即采用多点点火)等手段来强化点火效果。

例如，目前较为先进的采用的活性射流点火的技术方案，是通过采用大功率脉冲式放电的方式，通过在放电瞬间注入更多能量来产生更多自由基并加速腔内着火过程。然而，即使采用高能点火手段能够一定程度上改善可燃混合气体的燃烧效率，但依旧没有突破燃烧始点附近点火的传统点火模式，因此点火效果不佳且大大的降低点火器寿命。

本发明实施例提供了一种发动机低温等离子体点火方法，如图1所示，主要包括但不限于以下步骤：

步骤S1：在发动机的低压行程过程中，当预燃室内出现可燃气体后，在所述预燃室内生成高频均匀放电场；

步骤S2：利用所述高频均匀放电场，在所述预燃室内产生低温等离子体，使位于所述预燃室内的所述可燃气体处于冷焰燃烧状态；

步骤S3：在压缩行程至点火提前角位置时，使所述预燃室内的所述可燃气体生成活性射流，将所述活性射流注入至主燃烧室内，实现发动机活性射流点火。

针对现有技术中存在的点火技术中存在的由于必须在燃烧始点前的有限时间内进行点火，导致点火时间太过短暂，即使采用高能点火方式，依然难以改善大分子燃料的着火性能，对活性射流的强化程度有限，同时，高功率点火设备大幅增加了系统成本并降低点火系统寿命等缺陷，本发明实施例提供的发动机低温等离子体点火方法，能够实现在发动机各冲程过程中的低压环境中进行点火。

其中，本发明实施例中的发动机可以是两冲程发动机也可以是四冲程的发动机，对此本实施例不作具体地限定。为便于表述，在后续实施例中均以四冲程发动机为例进行说明，将不作赘述。

如图2所示，本发明实施例中具体实现低压环境中进行点火的方式，可以主要包括以下步骤：

步骤K1：当预燃室内出现可燃混合气，在发动机进气冲程和压缩冲程前段等低压环境中进行点火；

步骤K2：预燃室内的可燃混合气进行大体积均匀放电，产生可控的低温等离子体。

步骤K3：预燃室内的可燃混合气在低温等离子体作用下发生改质，从而生成大量自由基，激发态原子，离子，以及由离子重新结合所形成的小分子。

步骤K4：可以实时控制放电的脉宽，为在冷焰状态下实现对射流点火腔内混合气着火性能的实时调整提供理论支持。

步骤K5：在发动机的活塞运在运行周期内到达点火提前角位置后，即形成活性射流从预燃室进入主燃烧室，以达到控制高温阶段的着火过程的目的。

需要说明的是，由于主燃烧室体积过大，现有点火技术无法产生均匀放电，也就不能实现冷焰改质。因此，本发明实施例所提供的发动机低温等离子体点火方法，能够实现持续时间较长的脉冲低温等离子体点火，仅适合于带有预燃室的发动机。

另一方面，现有的发动机依然选择压缩上止点附近点火，通过选择大功率，希望瞬间形成剧烈燃烧，但操作起来比较难，因为腔内物质是仍是汽油。在本发明实施例的步骤S2中，采用低功率、长脉冲放电，相当于先对进入预燃室内的可燃气体改质(即第一次点火，以汽油为例进行说明)，汽油断键形成小分子，最终压缩上止点时，点燃的是小分子，甚至是小分子发生自燃。然后基于上述第一次点火，生成冷焰燃烧状态的活性射流(由自由基等构成)，这样产生的自由基含量会大幅提高。

进一步地，在对于进入至预燃室内的可燃气体生成冷焰燃烧状态的活性射流，并进行保持，当在压缩行程中的活塞位置位于上止点位置时，则将上述活性射流注入至主燃烧室内，实现发动机的二次点火，从而达到控制压缩至上止点附近主燃烧室内高温阶段的着火过程。

本发明实施例提供的发动机低温等离子体点火方法及系统，在四冲程发动机进气冲程和压缩冲程前段的低压环境中进行点火，利用可燃气体放电产生低温等离子体，使可燃混合气在冷焰状态下实现改质，提升了射流的化学活性，加速了主燃烧室内的燃烧过程，提高燃烧效率并降低排放。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述发动机的低压行程过程，可以包括：发动机的进气行程以及发动机的压缩行程的前段。

在低气压环境下的可燃气体放电，能够产生的非平衡态等离子体，也称低温等离子体。进一步地，在高频电场作用下，电子雪崩形成的自由电荷载体通过电场加速，从而使气体分子离子化。在本发明实施例中，空气中的双原子分子O₂、N₂和大分子燃油所组成混合性可燃气体，在电场作用下将发生化学键断裂和各种基元反应形成等离子体。其组分主要包含：自由基(如OH基等)、激发态原子、离子以及离子重新结合所形成的小分子(如CH20，H202以及均匀烃链等)，以使得预燃室内的可燃气体具有较高的化学活性，从本质上改变可燃混合气的着火性能，上述过程可以称作可燃气体的改质过程。

一方面，在四冲程发动机进行循环点火的过程中，特别是在发动机的进气行程以及发动机的压缩行程的前段，进入至预燃室内的可燃气体则是处于低压环境中。另一方面，通过将预燃室的腔体设置成等离子体放电预燃室，例如：在预燃室的腔体内形成一个电容加载型同谐振腔结构，以通过外部施加电源，则能够提供使可燃气体发生改质的电场环境。通过上述两个外部环境的构建，通过在发动机的进气行程以及发动机的压缩行程的前段，并在预燃室内出现可燃气体后，在所述预燃室内生成高频放电场，能够实现利用高频放电场，使位于预燃室内的可燃气体生成冷焰燃烧状态的活性射流。

本发明实施例提供的发动机低温等离子体点火方法，通过在预燃室内构建高频放电场，可以实现在发动机的低压行程的整个过程中，对预燃室内的可燃气体进行改质，并在发动机的活塞在点火周期运行至上止点附近(点火提前角位置)时，将处于冷焰燃烧状态的活性射流注入至主燃烧室内，实现发动机活性射流点火，突破了现有技术中必须在燃烧始点前的有限时间内进行点火，致使点火时间太过短暂，而导致难以改善大分子燃料的着火性能，难以提高可燃气体的热效率等技术壁垒，有效的提升了射流的化学活性，加速了主燃烧室内的燃烧过程，提高燃烧效率并降低排放。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，

利用高频均匀放电场，在预燃室内产生低温等离子体，使位于所述预燃室内的所述可燃气体处于冷焰燃烧状态，包括：利用所述高频放电场，使所述可燃气体在所述预燃室内的低气压环境下生成非平衡态等离子体，并使所述非平衡态等离子体保持在所述冷焰燃烧状态实现改质；非平衡态等离子体使可燃气体在所述冷焰燃烧状态下改质；可燃气体改质后的成分包括自由基、激发态原子、离子以及由离子重新结合所形成的较小的均匀烃链。

由于在低气压环境下的可燃气体放电，能够产生的非平衡态等离子体，也称低温等离子体。进一步地，在高频电场作用下，电子雪崩形成的自由电荷载体通过电场加速，从而使气体分子离子化。在本发明实施例中，空气中的双原子分子O₂、N₂和大分子燃油所组成混合性可燃气体，在电场作用下将发生化学键断裂和各种基元反应形成等离子体。其组分主要包含：自由基(如OH基等)、激发态原子、离子以及离子重新结合所形成的小分子(如CH20，H202以及均匀烃链等)。

作为一种可选的实施例，本发明实施例提供一种在预燃室内可燃气体流动方法，包括但不限于以下步骤：

1)预燃室活性射流喷射阶段：在压缩上止点前某时刻，控制预燃室内改质后的可燃气体燃烧，预燃室内压强迅速提升并且大于主燃烧室内压强，预燃室腔内燃烧状态气体在由小孔喷出过程中淬熄，形成活性射流喷入所述主燃烧室，引发所述主燃烧室内混合气体燃烧，并生成燃后气体；

2)预燃室内燃料积聚阶段：对于主动式预燃室，在进气行程过程中，预燃室中内置有喷油器，电子控制系统控制预燃室喷油器向预燃室内喷入可燃燃料；对于被动式预燃室，在压缩行程过程中，主燃烧室内的可燃混合气在预燃室内压力开始低于主燃烧室内压力后进入预燃室；

3)改质阶段：预燃室内出现可燃混合气后，大体积均匀放电使预燃室腔体内产生非平衡态等离子体，可燃燃料在腔体内发生改质反应，形成用于预燃室活性射流喷射阶段的高化学活性可燃气体；

4)在发动机下一工作循环重复步骤1)～步骤3)。

作为一种可选的实施例，本发明实施例提供一种在预燃室的腔体内构建高频放电场的方法，例如：采用纳秒脉冲放电方式的等离子体放电预燃室。其中，采用打孔的半球形金属壳体作为预燃室外壳，其中半球形壳体内表面可设置若干尖端。高压电极接纳秒放电装置的高压端子，高压电极尖端置于半球腔体球心位置，将预燃室球形外壳作为地电极，初预燃室半球体空间以外的高压电极周围，填充陶瓷等绝缘材料。在发动机的低压行程过程，通过在高压电极施加的高频电源，则可以在预燃室内生成高频放电场。

本发明实施例提供的一种利用所述高频放电场，使位于所述预燃室内的所述可燃气体生成冷焰燃烧状态的活性射流的方法，以实现在发动机的低压行程的整个过程中，对预燃室内的可燃气体进行改质，并在发动机的活塞在点火周期运行至点火提前角位置时，将处于冷焰燃烧状态的活性射流注入至主燃烧室内，实现发动机活性射流点火，突破了现有技术中必须在燃烧始点前的有限时间内进行点火，致使点火时间太过短暂，而导致难以改善大分子燃料的着火性能，难以提高可燃气体的热效率等技术壁垒，有效的提升了射流的化学活性，加速了主燃烧室内的燃烧过程，提高燃烧效率并降低排放。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，

上述利用高频均匀放电场，在预燃室内产生低温等离子体，使位于预燃室内的所述可燃气体处于冷焰燃烧状态，还可以包括：

根据发动机的工作循环状态，对高频放电场进行脉宽调制，控制预燃室内的可燃气体处于冷焰燃烧状态，以实现对可燃气体着火性能的实时调整。

具体地，由于气体的击穿电压随环境气压上升而增大，即高压下进行气体放电所需要的电场强度远高于一个标准大气压下气体放电所需要施加的电压。对于相同的放电装置，高气压下放电所产生等离子体的体积较小，在低气压或标准大气压环境下则能够形成大体积放电。本发明实施例利用进气冲程和压缩冲程前段的低压环境，通过上述结构设计，增加高频放电场控制单元，在发动机的低压行程过程，于预燃室内产生与腔室体积相当的可燃气体放电，并通过不同的放电功率实现改质燃料性能的实时调整。

具体地，在本发明实施例中所涉及的等离子体放电形式，主要为高频的脉宽可调放电，具有放电频率高以及脉宽可调两个特征。其中，高的放电频率通过叠加效应能够实现大体积均匀放电，产生非平衡态等离子体。而脉宽可调的放电通过功率变化从而实现对燃料着火性能的实时调整，控制预燃室内混合气处于冷焰燃烧状态，包括：在进气冲程和压缩冲程前段的低压环境中，施加窄脉宽即能够产生能量密度低、与预燃室体积相当的低温等离子体，用于燃料改质；在压缩至点火提前角位置的高压环境中，施加宽脉宽产生能量密度高、温度较高的等离子体，形成非燃烧状态的活性射流进入主燃烧室，控制主燃烧室内的空间多点着火。

本发明实施例提供的发动机低温等离子体点火方法，通过设置高频的脉宽可调放电这一特征，能够根据发动机的工作循环状态实时调整高频放电场的场强，以实现对燃料改质的不同要求，进一步的提高了可燃混合气在冷焰状态下实现改质效率，提升了射流的化学活性，加速了主燃烧室内的燃烧过程，提高燃烧效率并降低排放。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述在预燃室内生成高频放电场的方式，主要包括：微波放电方式和纳秒脉冲放电方式。

其中，微波放电的电磁波的波长和耦合器及谐振腔的尺寸可以比拟，在这一的放电方式中，由于频率很高的电子如果不与周围粒子碰撞就很难得到足够的能量来激发原子(分子)，因此在微波放电中电子与周围粒子的弹性碰撞具有决定性作用。电子通过弹性碰撞来不断改变运动方向，逐渐从微波场中得到足够能量来激发和电离原子(分子)。由于微波频率较高，因此有较高的耦合效率。且由于微波频率高的缘故，需要波导和耦合器等装置。

纳秒脉冲气体放电是脉冲功率技术中最受关注的研究领域，纳秒脉冲放电的机理是指放电发展过程中，二次电子崩的产生不是单纯依赖空间光电离，而是基于主电子崩发展中产生的高能量电子引导产生的二次电子崩。

在本发明实施例中，提供了一种基于微波放电方式构建的预燃室，其腔体可以采用电容加载型四分之一同谐振腔结构，其放电区域为中心导体顶端至电容加载端的整个空间，中心导体顶端平面至底面空间采用不阻挡电磁波传导的固体材填充(如陶瓷)，将电容加载端壳体的顶部及周围打孔形成预燃室。

进一步地，本发明实施例还提供一种基于纳秒脉冲放电方式构建的预燃室，采用打孔的半球形金属壳体作为预燃室外壳，其中半球形壳体内表面可设置若干尖端。高压电极接纳秒放电装置的高压端子，高压电极尖端置于半球腔体球心位置，将预燃室球形外壳作为地电极，初预燃室半球体空间以外的高压电极周围，填充陶瓷等绝缘材料。

需要说明的是，本发明实施例将预燃室的整个腔室作为放电区域，能够在预燃室内形成与腔室体积相当的气体放电，利用功率可调的大体积放电产生的等离子体，以控制腔内可燃混合气处于冷焰状态。其中预燃室内的放电可以有多种实现形式，上述实施例中提出的微波放电方式以及纳秒脉冲放电方式仅仅是两种可选的实时方式，不视为对本发明实施例保护范围的具体限定。

基于上述实施例的内容给，作为一种可选实施例，上述将活性射流注入至主燃烧室内，可以包括以下两种方式：采用主动式活性射流点火技术将所述活性射流注入至主燃烧室内以及采用被动式活性射流点火技术将所述活性射流注入至主燃烧室内。

具体地，如图3所示，为本发明实施例提供的一种基于微波放电的主动式低温等离子体点火系统的结构示意图，图4为本发明实施例提供的一种基于微波放电的被动式低温等离子体点火系统的结构示意图；图5为本发明实施例提供的一种基于纳秒脉冲放电的被动式低温等离子体点火系统的结构示意图。

其中，如图3所示，基于微波放电的主动式低温等离子体点火系统的结构主要包括：主燃烧室1、预燃室2(等离子体放电预燃室)、喷油器3、电源4、微波发生器5、供油系统6和调谐及耦合装置7。

而如图4所示，基于微波放电的被动式低温等离子体点火系统的结构则主要包括：主燃烧室1、预燃室2(等离子体放电预燃室)、喷油器3、电源4、微波发生器5、供油系统6。

需要说明的是，在本发明实施例中是根据活性射流点火的方式不同，决定是否在射流点火腔内设置喷油器，并将点火系统划分为主动式和被动式两种。其中主动式低温等离子体点火系统指在进气冲程通过微型喷油器在预燃室内喷射燃料，而被动式低温等离子体点火系统则指在压缩冲程中燃料混合气由主燃烧室进入预燃室。本发明实施例中的低温等离子体点火过程发生在预燃室内出现可燃混合气之后，至压缩上止点附近时刻之前的阶段，其具体地点火过程如图6-图8所示：图6为基于微波放电的主动式低温等离子体点火过程中进气行程的喷油动作示意图；图7为基于微波放电的主动式低温等离子体点火过程中在进气冲程喷油结束后进行等离子体放电的动作示意图；其中还包括进气门7、排气门8和活塞11。进气门7位于进气道9中，用于与控制进入到主燃烧室中的混合可燃气气体的通断；排气门8位于排气道10中，用于与控制从主燃烧室内的燃后气体的排放与否。图8为基于微波放电的主动式低温等离子体点火过程中在压缩上止点附近形成活性射流进入主燃烧室的动作示意图。需要说明的是，在其他附图中未对与图7中相同或相似的部件进行标注说明，但可以根据图7所示各部件的位置在合理的范围内进行类推获知。

对于主动式射流点火，燃料改质过程包括整个进气冲程以及压缩冲程的前段低压环境；而对于被动式射流点火，燃料改质过程包括压缩冲程的前段低压环境。其具体地点火过程如图9-图11所示：其中，图9为基于微波放电的被动式低温等离子体点火过程中进气行程的喷油动作示意图；图10为基于微波放电的被动式低温等离子体点火过程中在进气冲程喷油结束后进行等离子体放电的动作示意图；图11为基于微波放电的被动式低温等离子体点火过程中在压缩上止点附近形成活性射流进入主燃烧室的动作示意图。

进一步地，基于纳秒脉冲放电的低温等离子体点火系统，则仅能设置为被动式，如图5所示，其具体结构包括但不限于：主燃烧室1、预燃室2(等离子体放电预燃室)、喷油器3、电源4和供油系统6。

具体地，如图12-图14所示为基于纳秒脉冲放电的被动式低温等离子体点火过程的示意图，其中，图12为基于纳秒脉冲放电的被动式低温等离子体点火过程中进气行程的喷油动作示意图；图13为基于纳秒脉冲放电的被动式低温等离子体点火过程中在进气冲程喷油结束后进行等离子体放电的动作示意图；图14为基于纳秒脉冲放电的被动式低温等离子体点火过程中在压缩上止点附近形成活性射流进入主燃烧室的动作示意图。

本发明实施例中所涉及的电源是一种广义的概念，可以包括交流电压源、直流脉冲电压源、微波发生器等，为等离子体放电预燃室提供所需能量。喷油器为主燃烧室和预燃室提供燃料，其中预燃室可内置微型喷嘴式喷油器(即主动式射流点火)，也可以取消预燃室中喷油器(即被动式射流点火)，燃料在压缩冲程中由主燃烧室压入，控制器用于实现本发明实施例所涉及的放电脉冲调整以及时序控制。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述发动机的低压行程过程，包括发动机的进气行程以及发动机的压缩行程的前段，具体是指：若发动机为主动式低温等离子体点火发动机，则低压行程过程包括整个所述进气行程以及压缩压缩行程的前段；若发动机为被动式低温等离子体点火发动机，则所述低压行程过程包括压缩行程的前段。

本发明实施例中的低温等离子体点火过程发生在预燃室内出现可燃混合气之后，至压缩上止点附近时刻之前的阶段。对于主动式射流点火，燃料改质过程包括整个进气冲程以及压缩冲程的前段低压环境；对于被动式射流点火，燃料改质过程包括压缩冲程的前段低压环境。

本发明实施例提供一种发动机低温等离子体点火系统，主要包括：主燃烧室1、预燃室2、喷油器3和电源装置4；喷油器3主要用于在发动机的低压行程过程中，向主燃烧室1和预燃室2内提供燃油；电源装置4用于在预燃室2内出现可燃气体之后，在预燃室2内生成高频均匀放电场，并利用高频均匀放电场，使位于预燃室2内的所述可燃气体在冷焰燃烧状态下进行改质，并生成冷焰燃烧状态的活性射流；在压缩行程至上止点位置时，预燃室2内的活性射流被注入至主燃烧室1内，实现发动机活性射流点火。

其中，本发明实施例中的发动机可以是两冲程发动机也可以是四冲程的发动机，对此本实施例不作具体地限定。为便于表述，在后续实施例中均以四冲程发动机为例进行说明，将不作赘述。

本发明实施例所提供的发动机低温等离子体点火系统，去具体实现低压环境中进行点火的方式，可以主要包括以下步骤：通过喷油器3向预燃室2内以及主燃烧室1内注入可燃混合气，在发动机进气冲程和压缩冲程前段等低压环境中，对预燃室2内的可燃混合气体进行点火，包括：利用电源装置4对预燃室2内的可燃混合气进行大体积均匀放电，以产生可控的低温等离子体。预燃室2内的可燃混合气在低温等离子体作用下发生改质，从而生成大量自由基，激发态原子，离子，以及由离子重新结合所形成的小分子。实时控制放电的脉宽，以为在冷焰状态下实现对射流点火腔内混合气着火性能的实时调整提供理论支持。最后，在发动机的活塞运在运行周期内到达点火提前角位置后，即形成活性射流从预燃室进入主燃烧室，以达到控制高温阶段的着火过程的目的。

需要说明的是，现有技术中采用活性射流点火技术进行点火的发动机。往往不带有预燃室而仅有主燃烧室，所以不能进行本发明实施例提供的两阶段点火的方式。同时，由于主燃烧室体积过大，现有点火技术无法产生均匀放电，也就不能实现冷焰改质。因此，本发明实施例所提供的发动机低温等离子体点火方法，能够实现持续时间较长的脉冲低温等离子体点火，仅适合于带有预燃室的发动机。

进一步地，在对于进入至预燃室内的可燃气体生成冷焰燃烧状态的活性射流，并进行保持，当在压缩行程中的活塞位置位于上止点位置时，则将上述活性射流注入至主燃烧室内，实现发动机低温等离子体的二次点火，从而达到控制压缩至上止点附近主燃烧室内高温阶段的着火过程。

本发明实施例提供的发动机低温等离子体点火系统，在四冲程发动机进气冲程和压缩冲程前段的低压环境中进行点火，利用可燃气体放电产生低温等离子体，使可燃混合气在冷焰状态下实现改质，提升了射流的化学活性，加速了主燃烧室内的燃烧过程，提高燃烧效率并降低排放。

需要说明的是，本发明实施例提供的发动机低温等离子体点火系统，在具体执行时，可以基于上述任一实施例所述的发动机低温等离子体点火方法来实现，对此本实施例不作赘述。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述预燃室选用采用微波放电方式的等离子体放电预燃室或采用纳秒脉冲放电方式的等离子体放电预燃室。

如图15所示，本发明实施例提供了集中等离子体放电预燃室的不同结构示意图；图15中的左图为基于微波放电的主动式等离子体放电预燃室；图15中的中间图为基于微波放电的被动式等离子体放电预燃室；图15中的右图为基于纳秒脉冲放电的被动式等离子体放电预燃室。

其中，基于微波放电的等离子体放电预燃室均包括耦合器153、耦合环152、中心导体154以及预燃室腔体155，其中耦合环152外包裹有绝缘材料151并与所述耦合器153构成密封连接结构，在所述预燃室腔体靠近主燃烧室侧至少设置有一个空隙156。相较于基于微波放电的被动式等离子体放电预燃室不同的是基于微波放电的主动式等离子体放电预燃室在预燃室腔体的一侧还设置有贯穿连接的喷油器，用于在发动机的低压行程过程中向预燃室内注入可燃气体。

基于纳秒脉冲放电的被动式等离子体放电预燃室，主要包括高压接头157、与该高压接头连接的高压电极158、高压电极158与预燃室腔体件160之间以密封的方式装填有绝缘材料159，高压电极158的第一个导电端露出于预燃室腔体160内，在预燃室的腔体内侧还设置有金属尖端161，以在高压电极通电后，于所述金属尖端之间形成均匀的纳秒脉冲。在预燃室腔体靠近主燃烧室侧至少设置有一个空隙。

基于上述实施例的内容，本发明实施例提供的发动机低温等离子体点火系统，还包括：高频放电控制器；高频放电控制器用于根据所述发动机的工作循环状态，对所述高频放电场进行脉宽调制，以实现对所述可燃气体着火性能的实时调整，控制所述预燃室内的可燃气体处于冷焰燃烧状态。

由于在本发明实施例中所涉及的等离子体放电形式，主要为高频的脉宽可调放电，具有放电频率高以及脉宽可调两个特征。其中，高的放电频率通过叠加效应能够实现大体积均匀放电，产生非平衡态等离子体。而脉宽可调的放电通过功率变化从而实现对燃料着火性能的实时调整，控制预燃室内混合气处于冷焰燃烧状态，包括：在进气冲程和压缩冲程前段的低压环境中，施加窄脉宽即能够产生能量密度低、与预燃室体积相当的低温等离子体，用于燃料改质；在压缩至上止点附近的高压环境中，施加宽脉宽产生能量密度高、温度较高的等离子体，形成非燃烧状态的活性射流进入主燃烧室，控制主燃烧室内的空间多点着火。

本发明实施例提供的发动机低温等离子体点火系统，通过设置高频放电控制器，能够根据发动机的工作循环状态实时调整高频放电场的场强，以实现对燃料改质的不同要求，进一步的提高了可燃混合气在冷焰状态下实现改质效率，提升了射流的化学活性，加速了主燃烧室内的燃烧过程，提高燃烧效率并降低排放。

图16示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图16所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)310、通信接口(communication interface)320、存储器(memory)330和通信总线(bus)340，其中，处理器310，通信接口320，存储器330通过通信总线340完成相互间的通信。处理器310可以调用存储器330中的逻辑指令，以执行发动机低温等离子体点火方法，主要包括：在发动机的低压行程过程中，当预燃室内出现可燃气体后，在预燃室内生成高频放电场；利用高频放电场，使位于预燃室内的所述可燃气体生成冷焰燃烧状态的活性射流；在压缩行程至上止点位置时，将活性射流注入至主燃烧室内，实现发动机低温等离子体点火。

此外，上述的存储器330中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，上述的存储器330中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的发动机低温等离子体点火方法，主要包括：在发动机的低压行程过程中，当预燃室内出现可燃气体后，在预燃室内生成高频放电场；利用高频放电场，使位于预燃室内的所述可燃气体生成冷焰燃烧状态的活性射流；在压缩行程至上止点位置时，将活性射流注入至主燃烧室内，实现发动机低温等离子体点火。

又一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的以执行发动机低温等离子体点火方法，主要包括：在发动机的低压行程过程中，当预燃室内出现可燃气体后，在预燃室内生成高频放电场；利用高频放电场，使位于预燃室内的所述可燃气体生成冷焰燃烧状态的活性射流；在压缩行程至上止点位置时，将活性射流注入至主燃烧室内，实现发动机活性射流点火。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种发动机低温等离子体点火方法，其特征在于，包括：

在发动机的低压行程过程中，当预燃室内出现可燃气体后，在所述预燃室内生成窄脉宽高频均匀放电场；

利用所述窄脉宽高频均匀放电场，在所述预燃室内产生低温等离子体，使位于所述预燃室内的可燃气体处于冷焰燃烧状态，使可燃气体在所述冷焰燃烧状态下改质；

在压缩行程至点火提前角位置时，施加宽脉宽高频放电场，利用所述预燃室内改质后的可燃气体生成活性射流，将所述活性射流注入至主燃烧室内，实现发动机活性射流点火；

所述发动机为主动式低温等离子体点火发动机。

2.根据权利要求1所述的发动机低温等离子体点火方法，其特征在于，所述利用所述高频均匀放电场，在预燃室内产生低温等离子体，使位于所述预燃室内的所述可燃气体处于冷焰燃烧状态，包括：

利用所述高频均匀放电场，使所述可燃气体在所述预燃室内的低气压环境下生成非平衡态等离子体，并使所述非平衡态等离子体保持在所述冷焰燃烧状态实现改质；

所述非平衡态等离子体使可燃气体在所述冷焰燃烧状态下改质；

所述可燃气体改质后的成分包括自由基、激发态原子、离子以及由离子重新结合所形成的较小的均匀烃链。

3.根据权利要求1所述的发动机低温等离子体点火方法，其特征在于，所述利用所述高频均匀放电场，在所述预燃室内产生低温等离子体，使位于所述预燃室内的所述可燃气体处于冷焰燃烧状态，还包括：

根据所述发动机的工作循环状态，对所述高频放电场进行脉宽调制，控制所述预燃室内的可燃气体处于冷焰燃烧状态，以实现对所述可燃气体着火性能的实时调整。

4.根据权利要求1所述的发动机低温等离子体点火方法，其特征在于，所述在所述预燃室内生成高频放电场的方式，是指微波放电方式。

5.根据权利要求1所述的发动机低温等离子体点火方法，其特征在于，所述将所述活性射流注入至主燃烧室内，是指采用主动式活性射流点火技术将所述活性射流注入至主燃烧室内。

6.一种用于实现如权利要求1-5任一所述的发动机低温等离子体点火方法的发动机低温等离子体点火系统，其特征在于，包括：主燃烧室、预燃室、喷油器和电源装置；

所述喷油器用于在发动机的进气冲程过程中，向主燃烧室和预燃室内提供燃油；

所述电源装置用于在所述预燃室内出现可燃气体之后，在所述预燃室内生成窄脉宽高频均匀放电场，并利用所述窄脉宽高频均匀放电场，使位于所述预燃室内的所述可燃气体在冷焰燃烧状态下进行改质；

在压缩行程至点火提前角位置时，施加宽脉宽高频放电场，利用利用所述预燃室内改质后的可燃气体生成活性射流，将所述活性射流注入至主燃烧室内，实现发动机活性射流点火。

7.根据权利要求6所述的发动机低温等离子体点火系统，其特征在于，所述预燃室选用采用微波放电方式的等离子体放电预燃室。

8.根据权利要求6所述的发动机低温等离子体点火系统，其特征在于，还包括：高频放电控制器；

所述高频放电控制器用于根据所述发动机的工作循环状态，对所述高频放电场进行脉宽调制，以实现对所述可燃气体着火性能的实时调整，控制所述预燃室内的可燃气体处于冷焰燃烧状态。

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