CN114991947A - 一种转子发动机燃烧室内超声波点火装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种转子发动机燃烧室内超声波点火装置及方法，涉及转子发动机技术领域。不仅增大了转子发动机的压缩比、降低了产生淬熄效应的概率，还降低了点火难度。该超声波点火装置包括发动机气缸；发动机气缸内设有三角转子；发动机气缸的侧壁上设有超声波点火器，超声波点火器的发射端的端面与发动机气缸的内壁面齐平；超声波点火器的发射端的端面上设有凹聚焦弧面，凹聚焦弧面能够聚焦超声波，并在凹聚焦弧面的聚焦点产生主点火点；三角转子的凹坑处设有凹反射聚焦弧面；凹反射聚焦弧面能够聚焦反射超声波，并在凹反射聚焦弧面的反射聚焦点产生副点火点。本申请同时公开了一种基于上述超声波点火装置的点火方法。

Description

一种转子发动机燃烧室内超声波点火装置及方法

技术领域

本申请涉及转子发动机技术领域，尤其涉及一种转子发动机燃烧室内超声波点火装置及方法。

背景技术

由于转子发动机结构简单轻巧、运动部件相对较少、功率重量比较高且振动噪声较低。因此，转子发动机经常在一些对空间和重量有特定限制的领域应用。

现有的转子发动机大多采用火花塞进行点火，参照图1和图2，现有的转子发动机火花塞点火装置包括发动机气缸01、三角转子02、火花塞03、火花塞通道04以及点火室05。三角转子02的三个顶点处的密封片09将发动机气缸01与三角转子02之间的空腔分隔为第一工作腔06、第二工作腔07和第三工作腔08。其中，第二工作腔07在图1、2时刻为燃烧室。该点火方式导致转子发动机需要给火花塞03预留单独的点火室05和火花塞通道04。因此该结构具有以下缺点：

1、密封片09扫过火花塞通道04时，火花塞通道04两边的两个工作腔会通过火花塞通道04和点火室05连通，使转子发动机工作腔之间窜气严重，导致能量损失严重，热效率降低，进而影响发动机的性能。

2、由于火花塞点火方式的火核位于点火室05内，初始火焰要从点火室05开始燃烧，再经过火花塞通道04，最后再点燃燃烧室内的可燃混合气，如此曲折的点火过程使转子发动机的滞燃期极大延长，这样就增加了火焰的传播距离，极容易产生淬熄效应。

3、由于燃烧过程中火花塞通道04和点火室05中产生的废气不容易排出，一部分废气会弥漫在火花塞电极周围，增加火花塞点燃混合气的难度。

4、火花点火转子发动机的点火在点火室中进行，而主燃在燃烧室中，点火室与燃烧室间的流动伴随着强烈的节流，且从整体来看，这样的布置导致着火稳定性差，火焰传播速度慢，燃烧效率低。

发明内容

本申请的实施例提供一种转子发动机燃烧室内超声波点火装置及方法，通过在转子发动机内设置超声波点火器，不仅增大了转子发动机的压缩比、降低了产生淬熄效应的概率，还降低了点火难度。

为达到上述目的，一方面，本申请的实施例提供了一种转子发动机燃烧室内超声波点火装置，包括发动机气缸；所述发动机气缸内设有三角转子；所述发动机气缸的侧壁上设有超声波点火器，所述超声波点火器的发射端的端面与所述发动机气缸的内壁面齐平；所述超声波点火器的发射端的端面上设有凹聚焦弧面，所述凹聚焦弧面能够聚焦超声波，并在所述凹聚焦弧面的聚焦点产生主点火点；所述三角转子的凹坑处设有凹反射聚焦弧面；所述凹反射聚焦弧面能够聚焦反射超声波，并在所述凹反射聚焦弧面的反射聚焦点产生副点火点。

进一步地，所述凹反射聚焦弧面为六个，六个所述凹反射聚焦弧面圆周等距分布在所述凹坑的底面上，且六个所述凹反射聚焦弧面均与所述超声波点火器的发射端的位置相对应。

进一步地，所述发动机气缸的侧壁上设有限位凸台和安装孔，所述安装孔用于安装所述超声波点火器，所述限位凸台用于阻止所述超声波点火器与所述发动机气缸的相对运动。

进一步地，所述超声波点火器上设有尾部台阶；所述限位凸台位于所述发动机气缸的外侧，所述安装孔贯穿所述发动机气缸的侧壁和所述限位凸台，所述超声波点火器的发射端伸入所述安装孔内，中部通过螺纹连接在所述安装孔的孔壁上，尾部台阶抵靠在所述限位凸台上。

另一方面，本申请的实施例还提供了一种基于上述转子发动机燃烧室内超声波点火装置的点火方法，包括以下步骤：三角转子即将运行至压缩上止点位置时，超声波点火器产生高频超声波，高频超声波在超声波点火器的凹聚焦弧面内聚焦超声能量，并在所述凹聚焦弧面的聚焦点产生主点火点，同时对燃烧室内的气体进行催化助燃；三角转子运行至压缩上止点位置时，所述三角转子上的凹反射聚焦弧面聚焦反射超声波，并在所述凹反射聚焦弧面的反射聚焦点产生副点火点，同时对燃烧室内的气体进行扰动助燃。

本申请相比现有技术具有以下有益效果：

1、本申请实施例中的超声波点火器的发射端的端面与发动机气缸的内壁面齐平，封闭了发动机气缸型面，由此，当密封片扫过超声波点火器时，能够显著减少转子发动机燃烧室之间的窜气量，从而减少能量损失、提高燃烧效率、增大压缩比。

2、本申请实施例中的超声波点火器占据了现有火花点火转子发动机的火花塞通道和点火室的空间，尺度越小的发动机压缩比提升的幅度越大。

3、本申请实施例直接在燃烧室内点火，打破了传统火花点火的单向火焰传播模式，火焰从聚焦点火点处向四周传播，这意味着火焰的传播速度已经超越转子发动机燃烧室内部强烈的单向流动速度，是传统火花点火系统所无法实现的传播模式。

4、燃烧室内直接点火可以有效降低火焰的传播距离，增加燃烧室内部可燃混合气的燃烧速度，初始火核可以从远离点火室，甚至是远离壁面的燃烧室深处开始发展，有效地提高转子发动机的点火效率。

5、本申请实施例中的主副点火点均直接作用在压缩后的燃烧室混合气内，残余废气的影响降低，点火环境显著改善，点火难度大大降低。

6、本申请实施例避免传统火花塞点火电极的腐蚀、积碳等导致的点火不良问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为现有技术转子发动机火花塞点火装置的结构示意图；

图2为现有技术转子发动机火花塞点火装置在密封片扫过火花塞通道时的窜气示意图；

图3为本申请实施例转子发动机燃烧室内超声波点火装置的结构示意图；

图4为本申请实施例转子发动机燃烧室内超声波点火装置在密封片扫过超声波点火器时的窜气示意图；

图5为本申请实施例转子发动机燃烧室内超声波点火装置中超声波点火器的立体结构示意图；

图6为本申请实施例中三角转子上的凹反射聚焦弧面的位置示意图；

图7为本申请实施例中超声波聚焦点火示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参照图3和图4，本申请实施例提供了一种转子发动机燃烧室内超声波点火装置，包括发动机气缸1、三角转子2和超声波点火器3。其中，三角转子2设置在发动机气缸1内，且三角转子2的三个顶点处的密封片9将发动机气缸1与三角转子2之间的空腔分隔为第一工作腔4、第二工作腔5和第三工作腔6。当其中一个工作腔达到最小容积时，称该工作腔达到压缩上止点，称该工作腔为燃烧室。即，在图3所示的状态下，第二工作腔5即燃烧室。

发动机气缸1的侧壁上设有限位凸台11和安装孔12，安装孔12用于安装超声波点火器3，限位凸台11用于阻止超声波点火器3向发动机气缸1的内部运动。具体的，参照图3和图5，超声波点火器3上设有尾部台阶35，限位凸台11位于发动机气缸1的外侧，安装孔12贯穿发动机气缸1的侧壁和限位凸台11。超声波点火器3的中部通过螺纹连接在安装孔12的孔壁上，超声波点火器3的发射端伸入安装孔12内，且发射端的端面341与发动机气缸1的内壁面齐平，尾部台阶35抵靠在限位凸台11上。由此，只需控制超声波点火器3的发射端的长度与安装孔12的深度相适配，即可确保超声波点火器3的发射端的端面341与发动机气缸1的内壁面齐平。

参照图5和图7，超声波点火器3包括依次连接的超声波发生器31、换能器32、变幅器33、超声波聚焦复合探头34。其中，超声波聚焦复合探头34即为超声波点火器3的发射端。超声波聚焦复合探头34的端面(即发射端的端面341)上设有凹聚焦弧面342，在三角转子2运行至压缩上止点位置之前，凹聚焦弧面342能够聚焦超声波，并在凹聚焦弧面342的聚焦点A产生主点火点。同时，超声波对燃烧室内已燃和未燃工质催化强化其燃烧活性。

参照图6和图7，三角转子2上设有凹坑21。为了能够实现多点空间立体点火分布，提升点火可靠性与燃烧品质。本申请实施例的凹坑21的中心区域设有六个凹反射聚焦弧面22。六个凹反射聚焦弧面22圆周等距分布在凹坑的底面上，且六个凹反射聚焦弧面22均与超声波点火器3的发射端的位置相对应。由此，当三角转子2运行至压缩上止点位置时，凹反射聚焦弧面22能够聚焦反射超声波，并在凹反射聚焦弧面22的反射聚焦点B产生副点火点。同时，超声波继续对已燃火焰面起到扰动助燃、加速扩散的作用。两个点火点直接接触压缩后的可燃混合气，使点火难度大大降低。同时由于点火点的位置在燃烧室内部，能大幅缩短火焰传播距离，消除火焰淬熄这类异常现象，提升了转子发动机的整体性能表现。需要说明的是，凹反射聚焦弧面22的数量可以是五个也可以是七个或其他数量，具体可以按需设计，此处不做限定。

本申请实施例超声波点火装置的工作过程如下：

发动机起动，超声波发生器31将供电转换成与换能器32相匹配的高频交流电，换能器32将交流电转换为超声波能量，经过变幅器33产生谐振形成高频率超声波。如图3所示，当三角转子2即将运行至压缩上止点位置时，超声波聚焦复合探头34产生超声波，凹聚焦弧面342聚焦超声波，并在其聚焦点A产生主点火点。当三角转子2运行至压缩上止点位置时，超声波聚焦复合探头34发出的超声波辐射到三角转子2的凹反射聚焦弧面22的超声能量，发生超声反射聚焦作用，反射聚焦点B产生副点火点。同时，超声波聚焦复合探头34的端面向外扩散辐射出大量超声波，对燃烧室内已燃和未燃工质催化活化其燃烧活性，并对已燃火焰面起到扰动助燃、加速扩散的作用，通过二者耦合作用，使燃油会产生空化效应纳微尺度空泡，并迅速破裂形成热点和界面激波，进一步促进缸内燃料的物理化学反应速率，促进燃烧进程以推动三角转子2做功。

另一方面，参照图本申请的实施例还提供了一种基于上述转子发动机燃烧室内超声波点火装置的点火方法，包括以下步骤：

S1、转子发动机运转过程中，在三角转子2即将运行至压缩上止点位置时，超声波点火器3产生高频超声波，高频超声波在超声波点火器3的凹聚焦弧面342内聚焦超声能量，并在凹聚焦弧面342的聚焦点产生主点火点，同时对燃烧室内的气体进行催化助燃。

S2、三角转子2运行至压缩上止点位置时，三角转子2上的凹反射聚焦弧面22聚焦反射超声波，并在凹反射聚焦弧面22的反射聚焦点产生副点火点，同时对燃烧室内的气体进行扰动助燃。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种转子发动机燃烧室内超声波点火装置，其特征在于，

包括发动机气缸；所述发动机气缸内设有三角转子；

所述发动机气缸的侧壁上设有超声波点火器，所述超声波点火器的发射端的端面与所述发动机气缸的内壁面齐平；

所述超声波点火器的发射端的端面上设有凹聚焦弧面，所述凹聚焦弧面能够聚焦超声波，并在所述凹聚焦弧面的聚焦点产生主点火点；

所述三角转子的凹坑处设有凹反射聚焦弧面；所述凹反射聚焦弧面能够聚焦反射超声波，并在所述凹反射聚焦弧面的反射聚焦点产生副点火点。

2.根据权利要求1所述的转子发动机燃烧室内超声波点火装置，其特征在于，所述凹反射聚焦弧面为六个，六个所述凹反射聚焦弧面圆周等距分布在所述凹坑的底面上，且六个所述凹反射聚焦弧面均与所述超声波点火器的发射端的位置相对应。

3.根据权利要求2所述的转子发动机燃烧室内超声波点火装置，其特征在于，所述发动机气缸的侧壁上设有限位凸台和安装孔，所述安装孔用于安装所述超声波点火器，所述限位凸台用于阻止所述超声波点火器与所述发动机气缸的相对运动。

4.根据权利要求3所述的转子发动机燃烧室内超声波点火装置，其特征在于，所述超声波点火器上设有尾部台阶；所述限位凸台位于所述发动机气缸的外侧，所述安装孔贯穿所述发动机气缸的侧壁和所述限位凸台，所述超声波点火器的发射端伸入所述安装孔内，中部通过螺纹连接在所述安装孔的孔壁上，尾部台阶抵靠在所述限位凸台上。

5.一种基于权利要求1～4任一所述的转子发动机燃烧室内超声波点火装置的点火方法，其特征在于，包括以下步骤：

三角转子即将运行至压缩上止点位置时，超声波点火器产生高频超声波，高频超声波在超声波点火器的凹聚焦弧面内聚焦超声能量，并在所述凹聚焦弧面的聚焦点产生主点火点，同时对燃烧室内的气体进行催化助燃；

三角转子运行至压缩上止点位置时，所述三角转子上的凹反射聚焦弧面聚焦反射超声波，并在所述凹反射聚焦弧面的反射聚焦点产生副点火点，同时对燃烧室内的气体进行扰动助燃。

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