CN102121448A - 一种汽车发动机用折叠同轴腔微波点火器 - Google Patents

一种汽车发动机用折叠同轴腔微波点火器 Download PDF

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Abstract

一种汽车发动机用折叠同轴腔微波点火器，属于微波应用技术领域。由四分之一波长同轴谐振腔、折叠同轴耦合结构、阶梯同轴匹配结构、N型射频同轴连接器一体化加工而成。百瓦量级的输入功率通过N型射频同轴连接器和阶梯同轴匹配结构，由折叠同轴耦合结构将微波功率耦合进入四分之一波长同轴谐振腔，再由同轴谐振腔传入发动机气缸，可在点火器末端实现高电场强度，击穿末端周围的油气混合物，产生等离子体，从而极快地实现整个燃烧室的体燃烧和对油气混合物的充分燃烧。本发明与现有火花塞相似，可在不改变发动机气缸结构的基础上直接替代现有火花塞；且一体化设计，耦合度易于控制，具有点火效率高，加工成本低，可重复性好等特点。

Description

一种汽车发动机用折叠同轴腔微波点火器
技术领域
本发明属于微波应用技术领域，涉及汽车发动机点火装置。
背景技术
火花点火一直是汽油发动机的技术核心，它利用火花塞产生火花，从而使压缩后的可燃混合气体燃烧。然而，在上述燃烧过程中有很多潜在能量未被利用，而且燃烧不充分、燃烧效率较低。随着世界能源的不断消耗，油价的不断上升，提高点火***的燃烧效率就成为缓解能源紧缺压力的一种行之有效的办法。微波点火技术通过对发动机燃烧室内辐照微波功率实现点火，可消除常规效能很差的分层燃烧，混合气体的燃烧更迅速、更充分，燃烧效率大为提高，同时也大幅度降低了燃料消耗。这项技术可使内燃机向节能减排跨出非常重要的一步。
目前，最为实用的微波点火技术是通过专用的等离子体点火器实现。该点火器能在输入微波功率较低时，产生可以击穿油气混合物的电场强度，激发等离子体，实现微波点火。故此，对等离子体点火器的设计非常关键。其不仅需要满足微波等离子体点火***的指标要求，也需要具有与现有火花塞一致的外形，以便于直接替代现有的火花塞。值得注意的是，为了满足大规模的商用需求，此类点火器应该具有一体化、免调试、高一致性、高可靠性的优点。而目前常见的等离子体激发器不具备上述特点，不能满足微波点火技术的实际需求。
发明内容
本发明提供一种汽车发动机用折叠同轴腔微波点火器，其外形均与现有火花塞外形一致，可在不改变发动机气缸结构的基础上直接替代现有火花塞。
本发明所述折叠同轴腔微波点火器包含四分之一波长同轴谐振腔、折叠同轴耦合结构、阶梯同轴匹配结构、N型射频同轴连接器四部分。磁控管等大功率微波器件输出的微波能量通过波导或同轴电缆馈入N型射频同轴连接器，再通过阶梯同轴匹配结构和折叠同轴耦合结构进入四分之一波长同轴谐振腔中，谐振腔末端***燃烧室内；当四分之一波长同轴谐振腔谐振时，输入500W的微波功率就可在谐振腔内导体末端实现大于2.25*107V/m的电场强度，满足10个标准大气压下激发等离子体的门限条件，从而击穿谐振腔内导体末端周围的油气混合物并产生等离子体，实现点火；随后，通过等离子体的电子在燃烧室内的快速运动，极快地实现整个燃烧室的体燃烧和对油气混合物的充分燃烧。四分之一波长同轴谐振腔的内外导体之间填充陶瓷，以实现燃油与点火器内部的隔离。
有益效果：
本发明具有以下优点：
1、相较普通火花塞，该点火器可点燃非常稀薄的油气混合物【1】【2】；
2、相较普通火花塞，该点火器的点火效率更高【3】；
3、该点火器无阴极结构，可避免传统火花塞两个电极间产生的热点荷载【3】；
4、该点火器外形与现有火花塞的外形一致，与常规汽车发动机气缸相匹配；
5、该点火器中的折叠同轴耦合结构的耦合度大小易于调节，便于设计；
6、该点火器可一体化设计加工，无需调试，结构对称，适于大批量生产；
7、该点火器可以方便的移植到其他等离子体点火***中使用。
附图说明
图1是本发明提供的第一种汽车发动机用折叠同轴腔微波点火器的剖视图。
图2是本发明提供的第一种汽车发动机用折叠同轴腔微波点火器的俯视图。
图3是本发明提供的第二种汽车发动机用折叠同轴腔微波点火器的剖视图。
图4是本发明提供的第二种汽车发动机用折叠同轴腔微波点火器的俯视图。
具体实施方式
实施例1
一种汽车发动机用折叠同轴腔微波点火器，包括内导体和外导体；所述外导体由外导体外轮廓和外导体内轮廓封闭构成；所述外导体的外轮廓至少包括一个与汽车发动机气缸连接的外螺纹21和一个便于拆卸和安装的六棱柱工作面23；所述外导体的内轮廓为不同半径的圆柱面结构，包括分别与内导体尖端5相对应的外导体内轮廓一31、与内导体一41相对应的外导体内轮廓二32和外导体内轮廓三33、与内导体二42相对应的外导体内轮廓四34、与内导体三43相对应的外导体内轮廓五35；所述内导体由内导体一41、内导体二42、内导体三43、内导体尖端5构成；内导体一41、内导体二42、内导体三43为共轴连接的圆柱体结构，三者的半径逐渐增加；内导体尖端5为圆锥体，圆锥体顶部为半球体；内导体尖端5与内导体一41相连，内导体一41靠近底部的侧面与圆盘连接导体61相连，圆盘连接导体61通过两个扇形柱状连接导体62与外导体相连；内导体与外导体之间除内导体尖端5与外导体内轮廓一31之间的区域以及内导体三43与外导体内轮廓五35之间的区域之外的其他区域填充绝缘介质7，外导体内轮廓五35与内导体三43构成微波输入端口1，其尺寸与标准N型射频同轴连接器一致。
上述技术方案中，所述外导体的外轮廓还包括一个圆柱形过渡面22，所述圆柱形过渡面22位于与汽车发动机气缸连接的外螺纹21和一个便于拆卸和安装的六棱柱工作面23之间。
上述技术方案中，所述内导体尖端5的材料选用铂金，其余内导体和外导体的材料选用抗高温、防炭化、防氧化的金属，所述绝缘介质8为陶瓷介质。
实施例2
一种汽车发动机用折叠同轴腔微波点火器，包括内导体和外导体；所述外导体由外导体外轮廓和外导体内轮廓封闭构成；所述外导体的外轮廓至少包括一个与汽车发动机气缸连接的外螺纹21和一个便于拆卸和安装的六棱柱工作面23；所述外导体的内轮廓为不同半径的圆柱面结构，包括分别与内导体尖端5相对应的外导体内轮廓一31、与内导体一41相对应的外导体内轮廓二32和外导体内轮廓三33、与内导体二42相对应的外导体内轮廓四34、与内导体三43相对应的外导体内轮廓五35；所述内导体由内导体一41、内导体二42、内导体三43、内导体尖端5构成；内导体一41、内导体二42、内导体三43为共轴连接的圆柱体结构，三者的半径逐渐增加；内导体尖端5为圆锥体，圆锥体顶部为半球体；内导体尖端5与内导体一41相连，内导体一41靠近底部的侧面与圆盘连接导体61相连，圆盘连接导体61通过四个圆柱形连接导体62与外导体相连；内导体与外导体之间除内导体尖端5与外导体内轮廓一31之间的区域以及内导体三43与外导体内轮廓五35之间的区域之外的其他区域填充绝缘介质7，外导体内轮廓五35与内导体三43构成微波输入端口1，其尺寸与标准N型射频同轴连接器一致。
上述技术方案中，所述外导体的外轮廓还包括一个圆柱形过渡面22，所述圆柱形过渡面22位于与汽车发动机气缸连接的外螺纹21和一个便于拆卸和安装的六棱柱工作面23之间。
上述技术方案中，所述内导体尖端5的材料选用铂金，其余内导体和外导体的材料选用抗高温、防炭化、防氧化的金属，所述绝缘介质8为陶瓷介质。
本发明提供的折叠同轴腔点火器可以看作由四分之一波长同轴谐振腔、折叠同轴耦合结构、阶梯同轴匹配结构、N型射频同轴连接器组合而成；理论上讲，四分之一波长同轴谐振腔的长度应为介质填充同轴线波长的四分之一，但是实际设计时受到内导体尖端5、能量耦合馈入形式的影响略有不同；每一种折叠同轴腔点火器的四分之一波长同轴谐振腔的内外径也有所不同；四分之一波长同轴谐振腔的底部为折叠同轴耦合结构，其可看作由内外两层同轴结构构成，外层同轴结构的外导体为四分之一波长同轴谐振腔外导体，内层同轴结构的内导体为四分之一波长同轴谐振腔内导体，外层同轴结构的内导体即为内层同轴结构的外导体；通过外层同轴结构内导体侧壁上的感性窗口将能量耦合进四分之一波长同轴谐振腔，调节感性窗口的大小可以在较大的范围内控制耦合的强弱，从而控制整个折叠同轴腔点火器的品质因素，便于设计；根据不同四分之一波长同轴谐振腔和折叠同轴耦合结构的电气特性，需设计相应的阶梯同轴匹配结构，该结构由外导体内轮廓三33、外导体内轮廓四34、外导体内轮廓五35和相应的内导体构成；阶梯同轴匹配结构具有对称的结构，便于加工，且易与其余部件一体集成；折叠同轴腔点火器的设计目标为：在谐振频率处的反射系数尽可能小，品质因素尽可能高，当输入微波功率为500W时，折叠同轴腔点火器末端的平均电场强度需大于2.25*107V/m，以保证在10个标准大气压的气缸内能有效地激发等离子体，实现点火。
经过电磁全波仿真软件的设计，这两种的折叠同轴腔点火器在谐振时反射系数均小于-20dB，当输入微波功率为500W时，点火器末端的平均电场强度均大于2.25*107V/m。
参考文献
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【2】F A Pertl，et al，Electromagnetic design of a novel microwave internal combustion engine ignition source，the quarter wave coaxial cavity igniter，Proceeding IMechE Part D：J.Automobile Engineering，223，2009，1450-1474。
【3】J E Smith，Integration of microwave plasma ignition into a multi-fuel engine，2009。

Claims (4)

1.一种汽车发动机用折叠同轴腔微波点火器，包括内导体和外导体；所述外导体由外导体外轮廓和外导体内轮廓封闭构成；所述外导体的外轮廓至少包括一个与汽车发动机气缸连接的外螺纹(21)和一个便于拆卸和安装的六棱柱工作面(23)；所述外导体的内轮廓为不同半径的圆柱面结构，包括分别与内导体尖端(5)相对应的外导体内轮廓一(31)、与内导体一(41)相对应的外导体内轮廓二(32)和外导体内轮廓三(33)、与内导体二(42)相对应的外导体内轮廓四(34)、与内导体三(43)相对应的外导体内轮廓五(35)；所述内导体由内导体一(41)、内导体二(42)、内导体三(43)、内导体尖端(5)构成；内导体一(41)、内导体二(42)、内导体三(43)为共轴连接的圆柱体结构，三者的半径逐渐增加；内导体尖端(5)为圆锥体，圆锥体顶部为半球体；内导体尖端(5)与内导体一(41)相连，内导体一(41)靠近底部的侧面与圆盘连接导体(61)相连，圆盘连接导体(61)通过两个扇形柱状连接导体(62)与外导体相连；内导体与外导体之间除内导体尖端(5)与外导体内轮廓一(31)之间的区域以及内导体三(43)与外导体内轮廓五(35)之间的区域之外的其他区域填充绝缘介质(7)，外导体内轮廓五(35)与内导体三(43)构成微波输入端口(1)，其尺寸与标准N型射频同轴连接器一致。
2.一种汽车发动机用折叠同轴腔微波点火器，包括内导体和外导体；所述外导体由外导体外轮廓和外导体内轮廓封闭构成；所述外导体的外轮廓至少包括一个与汽车发动机气缸连接的外螺纹(21)和一个便于拆卸和安装的六棱柱工作面(23)；所述外导体的内轮廓为不同半径的圆柱面结构，包括分别与内导体尖端(5)相对应的外导体内轮廓一(31)、与内导体一(41)相对应的外导体内轮廓二(32)和外导体内轮廓三(33)、与内导体二(42)相对应的外导体内轮廓四(34)、与内导体三(43)相对应的外导体内轮廓五(35)；所述内导体由内导体一(41)、内导体二(42)、内导体三(43)、内导体尖端(5)构成；内导体一(41)、内导体二(42)、内导体三(43)为共轴连接的圆柱体结构，三者的半径逐渐增加；内导体尖端(5)为圆锥体，圆锥体顶部为半球体；内导体尖端(5)与内导体一(41)相连，内导体一(41)靠近底部的侧面与圆盘连接导体(61)相连，圆盘连接导体(61)通过四个圆柱形连接导体(62)与外导体相连；内导体与外导体之间除内导体尖端(5)与外导体内轮廓一(31)之间的区域以及内导体三(43)与外导体内轮廓五(35)之间的区域之外的其他区域填充绝缘介质(7)，外导体内轮廓五(35)与内导体三(43)构成微波输入端口(1)，其尺寸与标准N型射频同轴连接器一致。
3.根据权利要求1或2所述的汽车发动机用折叠同轴腔微波点火器，其特征在于，所述外导体的外轮廓还包括一个圆柱形过渡面(22)，所述圆柱形过渡面(22)位于与汽车发动机气缸连接的外螺纹(21)和一个便于拆卸和安装的六棱柱工作面(23)之间。
4.根据权利要求1或2所述的汽车发动机用折叠同轴腔微波点火器，其特征在于，所述内导体尖端(5)的材料选用铂金，其余内导体和外导体的材料选用抗高温、防炭化、防氧化的金属，所述绝缘介质(8)为陶瓷介质。
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