CN115288906A - 一种发动机用等离子体射流点火系统及其点火控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发动机用等离子体射流点火系统及其点火控制方法，其采用低温等离子体点火的方式来实现可靠点火，并且避免传统火花塞式热等离子体跳火过程对电极的烧蚀作用；利用滑动弧等离子体发生的方式实现电弧的拉伸，增大电弧与混合气的接触面积，实现对可燃混合气的有效引燃；利用等离子体内腔形成环状等离子体团的射流通道，有效降低传统多孔式布置的预燃室点火装置射流过程所带来的节流损失，且等离子体射流在筒形接地电极开口端外部的燃烧室空间中形成伞状结构，能够在射流周围带来更大幅度的卷吸流，强化燃烧室空间内的湍动能，有效提高燃烧速率。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机点火技术领域，具体为一种发动机用等离子体射流点火系统及其点火控制方法。
背景技术
传统点燃式汽油机由于采用火花塞点燃的方式，初始火核只能形成于火花塞附近，在燃烧室空间内为单点燃烧，然后以火焰传播形式进行燃料燃烧，具有易爆震的问题。同时火花塞电极间跳火属于热平衡等离子过程，电弧产生后，利用高温对电极间混合气进行引燃，同时带来电极温度快速升高，烧蚀及耐久问题突出。
现有技术中的传统点火，主要包括以下三种模式：
方案一，传统火花塞点火，利用击穿电极间隙空气后电弧产生的大量热量对电极间隙附近可燃混合气进行引燃，过程中存在大量热量传递，点火效率低。
方案二，电晕点火，利用电极间强不均匀电场作为诱导，通常为尖端/平面之间形成局部空气击穿，在高频脉冲下，减少电弧持续产生所带来的热量损失，以低温等离子体形式触发燃烧室空间内混合气电离，主要问题是对电源需求较高，造价高昂，且对于燃烧室形状有明确限定，难以实现高压缩比设计。
方案三，微波点火，利用电极将高频微波耦入燃烧室内部，利用微波自身固有属性，实现在金属燃烧室内腔内多次反射，实现燃烧室空间内多点混合气体发生电离，从而实现燃烧室多点着火，主要问题在于微波需要在金属燃烧室内腔内进行多次反射来触发混合气体电离发生，对于点火时刻不受控，难以保证对燃烧循环变动率的需求。
因此，如何设计一种新的点火方式，用以解决上述现有技术中存在的不足，即成为本领域人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种发动机用等离子体射流点火系统及其点火控制方法，其采用低温等离子体点火的方式来实现可靠点火，强化燃烧室空间内的湍动能，在提高燃烧速率方面更有优势。
电磁阀，电磁阀包括电磁阀体、锥形电极、电绝缘阀杆及筒形接地电极，其中筒形接地电极一端开口而另一端封闭，该筒形接地电极的内部同轴并间隔固设锥形电极；锥形电极和筒形接地电极上连接有高压电源；电绝缘阀杆轴向滑动穿透筒形接地电极的封闭端以及锥形电极，该电绝缘阀杆的一端固设电磁阀体，电绝缘阀杆的另一端同轴固设有调节封堵筒形接地电极开口端的锥形塞，且电绝缘阀杆的外周、锥形电极的外周以及筒形接地电极的内轴共同围成有等离子体内腔；
两位三通阀，两位三通阀上连通有进气气路、排气气路及转换气路，其中转换气路连通筒形接地电极的等离子体内腔；
容积式气泵，容积式气泵连接在两位三通阀的进气气路上；
真空泵，真空泵连接在两位三通阀的排气气路上；
电子控制模块，电子控制模块分别连接高压电源、电磁阀体及两位三通阀，由电子控制模块控制两位三通阀进行进气气路与转换气路，以及排气气路与转换气路的连通切换。
一种发动机用等离子体射流点火系统的点火控制方法，包括以下步骤：
步骤一：电子控制模块控制两位三通阀连通排气气路与转换气路，同时电子控制模块为电绝缘阀杆上行提供一个初速度，并配合真空泵开启以负压带动电绝缘阀杆上行，直至电绝缘阀杆的锥形塞封堵筒形接地电极的开口端，封闭等离子体内腔；
步骤二：电子控制模块控制高压电源导通至锥形电极和筒形接地电极，在封闭的等离子体内腔中形成环形的等离子体团，并形成电弧；
步骤三：电子控制模块控制两位三通阀连通进气气路与转换气路，同时电子控制模块为电绝缘阀杆下行提供一个初速度，容积式气泵向等离子体内腔泵入可燃混合气，由带有泵入动能并在等离子体内腔执行旋流动作的可燃混合气拉伸并延展电弧，并由电弧点燃可燃混合气；
步骤四：等离子体内腔中可燃混合气剧烈燃烧并为电绝缘阀杆下行提供动力直至锥形塞不再封堵筒形接地电极的开口端；在此过程中电绝缘阀杆与锥形电极的相对运动进一步拉伸并延展电弧，充分点燃等离子体内腔中的可燃混合气，使燃烧状态的可燃混合气高速喷出筒形接地电极；
步骤五：重复步骤一至步骤四，实现发动机用等离子体射流点火系统的点火控制。
本发明的优点和技术效果是：
本发明的一种发动机用等离子体射流点火系统及其点火控制方法，采用低温等离子体点火的方式来实现可靠点火，并且避免传统火花塞式热等离子体跳火过程对电极的烧蚀作用；利用滑动弧等离子体发生的方式实现电弧的拉伸，增大电弧与混合气的接触面积，实现对可燃混合气的有效引燃；利用等离子体内腔形成环状等离子体团的射流通道，有效降低传统多孔式布置的预燃室点火装置射流过程所带来的节流损失，且等离子体射流在筒形接地电极开口端外部的燃烧室空间中形成伞状结构，能够在射流周围带来更大幅度的卷吸流，强化燃烧室空间内的湍动能，有效提高燃烧速率。
本发明的一种发动机用等离子体射流点火系统及其点火控制方法，能够在对现有发动机缸盖结构不做变更的情况下，直接替换传统火花塞系统，实现低温等离子体点火方式，降低电极间隙传热损失，避免电极在高温条件下过快烧蚀。同时，利用伞状等离子体射流实现燃烧室内更大空间尺度的卷吸流动过程，提升湍动能，加快燃烧速率，降低汽油机爆震倾向。
附图说明
图1为本发明中发动机用等离子体射流点火系统的结构示意图；
图中：1-电子控制模块；2-容积式气泵；3-进气气路；4-排气气路；5-真空泵；6-两位三通阀；7-转换气路；8-筒形接地电极；9-电绝缘阀杆；10-锥形电极；11-高压电源；12-电磁阀体；13-锥形塞；14-等离子体内腔。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。需要说明的是，本实施例是描述性的，不是限定性的，不能由此限定本发明的保护范围。
一种发动机用等离子体射流点火系统，包括：
电磁阀，电磁阀包括电磁阀体12、锥形电极10、电绝缘阀杆9及筒形接地电极8，其中筒形接地电极一端开口而另一端封闭，该筒形接地电极的内部同轴并间隔固设锥形电极；锥形电极和筒形接地电极上连接有高压电源11；电绝缘阀杆轴向滑动穿透筒形接地电极的封闭端以及锥形电极，该电绝缘阀杆的一端固设电磁阀体，电绝缘阀杆的另一端同轴固设有调节封堵筒形接地电极开口端的锥形塞13，且电绝缘阀杆的外周、锥形电极的外周以及筒形接地电极的内轴共同围成有等离子体内腔14；
两位三通阀6，两位三通阀上连通有进气气路3、排气气路4及转换气路7，其中转换气路连通筒形接地电极的等离子体内腔；
容积式气泵2，容积式气泵连接在两位三通阀的进气气路上；
真空泵5，真空泵连接在两位三通阀的排气气路上；
电子控制模块1，电子控制模块分别连接高压电源、电磁阀体及两位三通阀，由电子控制模块控制两位三通阀进行进气气路与转换气路，以及排气气路与转换气路的连通切换。
一种发动机用等离子体射流点火系统的点火控制方法，包括以下步骤：
步骤一：电子控制模块控制两位三通阀连通排气气路与转换气路，同时电子控制模块为电绝缘阀杆上行提供一个初速度，并配合真空泵开启以负压带动电绝缘阀杆上行，直至电绝缘阀杆的锥形塞封堵筒形接地电极的开口端，封闭等离子体内腔；
步骤二：电子控制模块控制高压电源导通至锥形电极和筒形接地电极，在封闭的等离子体内腔中形成环形的等离子体团，并形成电弧；
步骤三：电子控制模块控制两位三通阀连通进气气路与转换气路，同时电子控制模块为电绝缘阀杆下行提供一个初速度，容积式气泵向等离子体内腔泵入可燃混合气，由带有泵入动能并在等离子体内腔执行旋流动作的可燃混合气拉伸并延展电弧，并由电弧点燃可燃混合气；
步骤四：等离子体内腔中可燃混合气剧烈燃烧并为电绝缘阀杆下行提供动力直至锥形塞不再封堵筒形接地电极的开口端；在此过程中电绝缘阀杆与锥形电极的相对运动进一步拉伸并延展电弧，充分点燃等离子体内腔中的可燃混合气，使燃烧状态的可燃混合气高速喷出筒形接地电极；
步骤五：重复步骤一至步骤四，实现发动机用等离子体射流点火系统的点火控制。
另外，本发明优选的，电子控制模块采用现有技术中的成熟产品。
为可更清楚地描述本发明的具体实施方式，下面提供一种实施例：
(1)发动机压缩冲程活塞上行过程中，电绝缘阀杆的锥形塞与筒形接地电极开口端封闭接触，使等离子体内腔处于关闭状态；
(2)两位三通阀控制等离子体内腔与真空泵导通，真空泵工作使等离子体内腔处于负压状态；
(3)当活塞运行至上止点附近需要点火时，电子控制模块控制两位三通阀动作，使等离子体内腔与容积式气泵相连通；
(4)电子控制模块同步控制高压电源向锥形电极施加高电压，并在锥形电极底部与筒形接地电极之间的等离子体内腔中产生等离子体电弧；
(5)由于容积式气泵输出端与等离子体内腔之间存在气体的压力差，由容积式气泵增压后的可燃混合气迅速引射进入等离子体内腔并形成旋流，冲击两电极间的等离子体电弧，使得等离子体电弧沿锥形电极大截面端向小截面端滑动，并逐步拉伸延长；
(6)可燃混合气在电弧间发生电离并发生部分燃烧，等离子体内腔中气体膨胀；
(7)同时电子控制模块控制电磁阀体，使电绝缘阀杆下行，等离子体内腔中的膨胀气体由筒形接地电极的开口处喷入燃烧室空间中，实现燃烧室空间内的多点着火。
本发明提出了一种发动机用等离子体射流点火系统及点火控制方法，等离子体射流点火系统实际工作中，在压缩冲程末期需要有点火动作时，利用高压电源对锥形电极和筒形接地电极，使等离子体内腔中形成拉伸电弧，并击穿电极间流动的可燃混合气，可燃混合气由于自身具有沿筒形接地电极内壁面做旋流运动的动能，因此能够推动初始的电弧沿锥形电极表面做滑动位移，电弧由此被拉伸并延展，从而增大与可燃混合气的接触面积。当可燃混合气被电离后，由于化学反应活性自由基的存在会加速燃烧过程，从而在筒形接地电极内腔发生剧烈化学反应，气体膨胀并通过电绝缘阀杆的锥形塞与筒形接地电极的开口端缝隙，以射流的形式冲入燃烧室内腔空间。由于射流中含有大量被电离的活性自由基组分，同样可以诱使燃烧室内混合气发生多点自燃，加快燃烧速率。
最后，本发明的未述之处均采用现有技术中的成熟产品及成熟技术手段。
本发明公开和提出的方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。并且应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (2)
1.一种发动机用等离子体射流点火系统，其特征在于，包括：
电磁阀，所述电磁阀包括电磁阀体、锥形电极、电绝缘阀杆及筒形接地电极，其中筒形接地电极一端开口而另一端封闭，该筒形接地电极的内部同轴并间隔固设锥形电极；所述锥形电极和筒形接地电极上连接有高压电源；所述电绝缘阀杆轴向滑动穿透筒形接地电极的封闭端以及锥形电极，该电绝缘阀杆的一端固设电磁阀体，电绝缘阀杆的另一端同轴固设有调节封堵筒形接地电极开口端的锥形塞，且电绝缘阀杆的外周、锥形电极的外周以及筒形接地电极的内轴共同围成有等离子体内腔；
两位三通阀，所述两位三通阀上连通有进气气路、排气气路及转换气路，其中转换气路连通筒形接地电极的等离子体内腔；
容积式气泵，所述容积式气泵连接在两位三通阀的进气气路上；
真空泵，所述真空泵连接在两位三通阀的排气气路上；
电子控制模块，所述电子控制模块分别连接高压电源、电磁阀体及两位三通阀，由电子控制模块控制两位三通阀进行进气气路与转换气路，以及排气气路与转换气路的连通切换。
2.一种如权利要求1所述的发动机用等离子体射流点火系统的点火控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：电子控制模块控制两位三通阀连通排气气路与转换气路，同时电子控制模块为电绝缘阀杆上行提供一个初速度，并配合真空泵开启以负压带动电绝缘阀杆上行，直至电绝缘阀杆的锥形塞封堵筒形接地电极的开口端，封闭等离子体内腔；
步骤二：电子控制模块控制高压电源导通至锥形电极和筒形接地电极，在封闭的等离子体内腔中形成环形的等离子体团，并形成电弧；
步骤三：电子控制模块控制两位三通阀连通进气气路与转换气路，同时电子控制模块为电绝缘阀杆下行提供一个初速度，容积式气泵向等离子体内腔泵入可燃混合气，由带有泵入动能并在等离子体内腔执行旋流动作的可燃混合气拉伸并延展电弧，并由电弧点燃可燃混合气；
步骤四：等离子体内腔中可燃混合气剧烈燃烧并为电绝缘阀杆下行提供动力直至锥形塞不再封堵筒形接地电极的开口端；在此过程中电绝缘阀杆与锥形电极的相对运动进一步拉伸并延展电弧，充分点燃等离子体内腔中的可燃混合气，使燃烧状态的可燃混合气高速喷出筒形接地电极；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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