一种微波辅助火花塞点火方法及其集成装置与流程

本发明涉及内燃机领域，更具体地，涉及一种微波辅助火花塞点火方法及其集成装置。

背景技术：

为应对日益严苛的环保法规以及严峻的石油资源消耗态势，内燃机工程师需要不断致力于开发出高效清洁的内燃机技术。稀薄燃烧技术利用高空燃比和高压缩比来提高燃油经济性并提高尾气排放水平，是内燃机中最具潜力的提高内燃机热效率的燃烧方式之一。但内燃机实现稀薄燃烧甚至超稀薄燃烧时，存在点火困难，火焰传播不稳定等问题。通过传统的提高点火能方法，效果不明显，并且会缩短火花塞寿命。

目前车用点燃式内燃机普遍采用火花塞来进行点火，火花塞点火技术在内燃机领域的应用已经很成熟。内燃机启动后，在火花塞上施加一个瞬时的脉冲高电压(一般为15000V)，在高压电极与接地电极间形成高强度电场，电弧击穿燃气混合物，产生高温高压的等离子体火花，从而实现点火。但当混合燃气当量比较小时，即燃油较稀时，常规火花塞只能击穿混合气体形成初始的等离子体团，而无法供给足够能量来满足点火过程的需要，这就导致内燃机稀薄燃烧点火面临了困难。

磁控管作为一种产生微波的装置，在日常生活中(微波炉)的应用也已经相当普遍。微波作为一种高频电磁波，能向等离子体中质量较轻的电子耦合能量，从而对等离子体及周围环境产生热力学和动力学方面的影响。此外，微波在空间传播时遇金属材料就会发生反射，而遇非金属材料如玻璃等就会穿透，而且损失不大。

专利文献CN103470427A公开了一种微波等离子体点火内燃机燃烧系统。该系统利用微波点火装置向内燃机燃烧室内馈入特定频率的微波脉冲，使微波在燃烧室内发生谐振，从而在空间产生一个均布的强电场，以击穿燃气混合物并实现空间多点着火，改善内燃机稀薄燃烧燃烧性能。该系统拟利用微波谐振腔点火完全替代传统火花塞，具有一定的应用前景。

但是专利文献CN103470427A公开的一种微波等离子体点火内燃机燃烧系统仍存在如下不足：

(1)要使微波在内燃机燃烧室内发生谐振，就必须对传统经典内燃机燃烧室构型进行改造以达到适配尺寸，这不仅改造成本大，而且会影响内燃机的喷雾和燃烧；

(2)在内燃机燃烧室高压环境下，仅依靠微波谐振，仍难以稳定击穿稀薄燃气，使得点火不稳定。

技术实现要素：

针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供一种微波辅助火花塞点火方法及其集成装置，其目的在于，结合火花塞高电压放电击穿以及微波向等离子体团耦合能量的优点，实现稀薄燃气的稳定点火。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种微波辅助火花塞点火方法，该方法包括如下步骤：

(1)向火花塞系统发出脉冲信号，触发所述火花塞系统产生脉冲高电压；

(2)向微波系统发出脉冲信号，触发所述微波系统产生特定频率和特定功率的微波脉冲；

(3)所述脉冲高电压加载到所述火花塞上，电弧放电击穿稀薄燃气产生等离子体团；

(4)所述微波脉冲辐射微波能扩大所述等离子体团，实现稀薄燃烧的稳定点火。

进一步地，所述步骤(2)较步骤(1)延迟或者提前特定时间。

进一步地，所述微波脉冲的脉冲频率所述微波脉冲的脉冲频率为10KHZ～20KHZ，用于提高所述微波脉冲的利用率。

按照本发明的另一个方面，提供一种微波辅助火花塞点火集成装置，其特征在于，该装置包括火花塞系统、微波系统及混合器，所述火花塞系统和微波系统通过混合器实现集成；

其中，所述火花塞系统包括放电针端和接地电极，脉冲高电压作用于所述放电针端，在放电针端与接地电极之间形成强电场并击穿稀薄混合燃气形成初始等离子体团；

所述微波系统包括磁控管和磁控管驱动线圈，所述磁控管驱动线圈用于产生驱动磁控管所需的脉冲高电压信号，所述脉冲高电压信号驱动磁控管产生特定频率的微波脉冲。

进一步地，所述混合器包括电容，用于防止所述脉冲高电压传导至所述微波系统。

进一步地，所述混合器还包括电感，用于防止所述微波脉冲进入所述火花塞系统。

进一步地，所述微波系统还包括三销钉调谐器，用于进行阻抗匹配，使所述微波脉冲功率损失最小。

进一步地，所述微波系统还包括过渡波导，用于将所述微波脉冲传导给所述三销钉调谐器。

进一步地，所述火花塞系统还包括特定绝缘介质，作为通道传导所述微波脉冲，所述特定绝缘介质具有最佳的组合长度，能使放电针端和接地电极之间微波场最强且密封性能最佳。

进一步地，所述火花塞系统还包括中心电极，用于传导所述脉冲高电压信号给所述放电针端。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)结合火花塞高电压放电击穿以及微波向等离子体耦合能量的优点，本发明构思的以上技术能够在内燃机燃烧室高气压环境下，实现对稀薄燃气的稳定点火；

(2)拓宽现有火花点燃式内燃机的稀薄燃烧极限，而不需要进行内燃机燃烧室结构的改造，从而可以继承原有内燃机燃烧室结构的优点，并减少实现成本。

(3)该装置具体包含火花塞系统和微波系统，所述火花塞系统利用瞬时高电压击穿燃烧室内的稀薄混合燃气并产生热等离子体团，所述微波系统辐射微波能扩大所述等离子体团。该装置能在内燃机燃烧室高气压环境下，实现稀薄燃气的稳定点火。

附图说明

图1为本发明实施例的一种微波辅助火花塞点火集成装置示意图；

图2为本发明实施例的一种微波辅助火花塞点火集成装置涉及的火花塞头部的结构示意图。

所有附图中，相同的附图标记表示同一结构元件，其中：1-车载电源、2-发动机ECU控制系统、3-点火线圈、4-混合器、5-同轴连接器、6-火花塞7-波导同轴转换器、8-三销钉调谐器、9-过渡波导、10-磁控管、11-磁控管驱动线圈、12-导体外壳、13-绝缘介质、14-中心电极、15-放电针端、16-接地电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明实施例的一种微波辅助火花塞点火集成装置示意图。如图1所示，该装置包括车载电源1、发动机ECU控制系统2、点火线圈3、混合器4、同轴连接器5、火花塞6、波导同轴转换器7、三销钉调谐器8、过渡波导9、磁控管10、磁控管驱动线圈11；

图2为本发明实施例的一种微波辅助火花塞点火集成装置涉及的火花塞头部的结构示意图。如图2所示，该装置还包括导体外壳12、绝缘介质13、中心电极14、放电针端15、接地电极16。

工作时，车载电源1分别给点火线圈3和磁控管驱动线圈11提供电能；发动机ECU2向点火线圈3发出脉冲信号B，触发点火线圈3产生脉冲高电压直流信号，脉冲高电压直流经中心电极14作用于放电针端15，在放电针端15与接地电极16之间形成强电场并击穿稀薄混合燃气形成初始等离子体团，经一定时间的延迟或提前，微波从中心电极14与金属外壳12之间的绝缘介质13穿过并向已经产生的等离子体团辐射能量；

另一方面，由发动机ECU2向磁控管驱动线圈11发出特定频率的脉冲信号A，特定频率的脉冲信号A较脉冲信号B有一定时间的延迟或提前，特定频率的脉冲信号A触发磁控管驱动线圈11产生驱动磁控管10所需脉冲高电压信号，所述脉冲高电压信号驱动磁控管10产生10KHz的微波脉冲，微波频率为2.45GHz，并由过渡波导7传导，由三销钉调谐器8进行阻抗匹配使微波功率损失最小，再由波导同轴转换器9将微波由波导传播转换为由同轴电缆传播，接着，微波脉冲信号与点火线圈3产生的脉冲高电压直流信号经混合器4处理后形成集成信号，由同一根电缆传导，最终通过同轴连接器5和火花塞6，进入到内燃机燃烧室作用于混合燃气。所述微波系统向燃烧室中放电电极附近馈入微波能，使所述等离子体团与微波发生相互耦合作用。由于馈入微波的频率很高，其产生的交变电场的频率也很高，而等离子体团中的离子质量比电子大得多，使得离子难以被微波电场加速，因此等离子体团中主要是电子被微波电场加速而获得较高能量。随后，高能电子触发一系列碰撞、离解、激发等反应以扩大等离子体团并增加活性基团浓度，继而实现点火。

本发明结合了传统火花塞在较高环境压力下击穿稀薄混合燃气产生等离子体团的优点，通过向火花放电等离子体团中辐射微波能来辅助等离子体团扩展并加强点火过程，继而拓展点燃式内燃机的稀燃极限，在不改变内燃机常规结构形式的前提下，能大幅提升内燃机的稀薄燃烧性能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。