提高内燃发动机燃烧效率的微波点火系统的制作方法

专利名称：提高内燃发动机燃烧效率的微波点火系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃发动机，具体地说是一种用于点燃油气混合气体等燃料的一套用微波能量点火的系统、装置及方法。
背景技术：
发动机中一个基本的部件是将燃料的化学能转化为机械能的燃烧室。对涡轮发动机，如气体涡轮飞机发动机，其典型的燃烧室形状为一端开口的桶状或者部分或全部由环状形壳所构成。实际上，一个发动机可以有多个桶状燃烧室，或一个环状燃烧室。发动机也可以有预燃烧室和补燃烧室。其它发动机包括用于汽车的旋转发动机及往复活塞式发动机；火箭发动机；冲压式喷射发动机和脉动式空气喷气发动机。
燃烧室内燃料的点燃取决于几个因素油气温度、点火器的类型、点火能量、燃料空气比、点火能量输入点及燃料由喷油嘴输油的自动化程度。
燃烧室需要一个点火器来触发燃烧过程。普遍用于汽车及飞机发动机上的众所周知的点火器为火花塞点火系统。该点火系统产生一个高电压脉冲加到火花塞上，在火花塞的两个电极之间产生一个瞬态的达到107伏米-1量级的高电场。这个高电场引起油气混合气体击穿或放电，形成等离子体火花继而导致燃烧室内油气混合体的燃烧。但是火花塞通常装在燃烧室壁上以增加其寿命(它在燃料燃烧的过程中会慢慢烧蚀毁坏)及防止其妨碍活塞的运动。在飞机发动机的燃烧室里，点火器是装在燃烧室壁上的一个凹糟里。因燃烧室壁会吸热而导致火焰的熄灭(只有当火焰中心的体积足够大才能克服这种初期熄火)，从而导致百分之三到十的燃油浪费。
另外，为了达到油气混合气体的击穿放电，电极的尺寸及距离都很小(≤2mm)，因而放电发生在一个极小的点上(即点点燃)，由于小火点的传播速度极慢，需要大约100-200微秒的时间，汽车的发动机的汽缸才能达到整体燃烧，这个慢的燃烧过程导致了以下结果(1)为了与发动机同步，点火需提前。在这段时间内，局部燃烧所做的功抵抗发动机的动能，从而导致能量浪费，整体效率低(浪费百分之五到十的能量)。事实上用火花塞点火的发动机的能量效率确实较低，只有约30％，浪费宝贵的燃油。(2)对环境产生污染。众所周知，一氧化碳(CO)的排放量随着内燃发动机空气燃料比的增加而减少。最好内燃机的燃料空气比选择在超过“化工理想”比率1∶14.7而达到“贫限”的范围内，例如1∶20-25。另一方面，氧化氮(NOx)的产生对点火的时间最敏感(用上死点前[BTDC]的度数来测量)。当点火时间提前20度时，每英哩所产生的的氧化氮(NOx)从大约1000急增到3000份。因此为了减少一氧化碳、氧化氮和其它碳氢化合物，必须使内燃机运行在燃料空气比较低且点火时间越接近上死点(TDC)越好。
最近，激光能量，或红外激光能量，已被引入点火概念，见DeFreitas美国专利号5367869。在此发明之前，已有人利用微波能量研究活塞型内燃机中活塞的运动及其燃料的燃烧过程，见Merlo美国专利号3589177和Merlo美国专利号3703825。这些专利侧重在如何获得一个发动机圆柱体汽缸内其圆柱体头，圆柱壁及活塞面之间的共振，从而分析活塞的运动及汽缸内的成分。因为这些方法以诊断发动机为目标，因而使用非常低的微波能量以免干扰系统的运行。

发明内容
本发明的目的在于寻求一种更好、更可靠及更有效地提高内燃发动机燃烧效率的微波点火系统。只须最小的改动便可用于现有的内燃机上，造价低，容易制造和安装，且运行成本要求低。
包括提供一种改进型的点火器，它没有常规的等离子体火花和火焰点火器所具有的缺点。从实际角度来看，这种点火器及点火系统应能够作为一种直接替代品或取代现有点火系统，从而最小程度或不需要为使用新系统而重新设计燃烧室，以便容易地取代现有点火系统及点火系统的升级。
该发明的优点将从以下的描述及图解中得到明确的解释。
简要地讲，该发明的特点是设计了应用于形状固定的、由金属构成的燃烧室的微波点火系统、装置及方法。对于微波来说，这样的燃烧室也是一个微波腔体。该系统在适当的时候产生及传输一定频率、功率和脉冲长度的微波能量到所述燃烧室。只要我们选择的微波频率与该腔体的某个微波共振模式的本征频率相同，那么微波便可以用共振的方式输入进该腔体。当输入的微波功率足够大时，腔体内的电场强度会在极短的时间内增强到足够的高幅度(107伏米-1量级)，从而引起腔体内的油气混合体的击穿或放电、形成等离子体火花继而导致燃烧室内的燃烧反应。点燃后剩余的微波能量与燃烧室内燃烧的等离子体作用，等离子体中的电子在腔体内快速运动，从而极快地达到燃烧室内整体燃烧，即达到理想的体点燃目的。以后所有的剩余微波能量继续与等离子体作用促使油汽混合物更完全地燃烧。
体点火可缩短5到25倍的燃烧时间1。微波或微波产生的等离子体形成的体点火能将燃烧时间缩小到可能的最小值且不产生爆燃2。这将导致能量效率提高约20％3。NOx、CO、HC的排放量也相对地分别降低15％、35％及60％4、5。因此采用微波点火系统后，汽车发动机可望不用催化转换器同样能满足现行的废气排放限量标准。采用微波点火系统后，发动机能产生更大的功率，而且能在1∶25的超瘦油气比的情况下可靠点火6。


图1为整个微波点火系统方框图。
图2圆柱腔体的TM010本征频率及品质因子随腔体半径和长度的变化关系。
图3为使用波导将微波输入喷气、涡轮发动机的示意图。
图4为使用同轴线将微波输入发动机燃烧室内的磁场耦合法示意图。
图5为使用同轴线将微波输入发动机燃烧室内的电场耦合法示意图。
图6为一个用于汽车发动机的微波塞示意图。
图7为发动机汽缸内的计算机模拟电场分布图。
图8表示了一个由圆柱波导转到四个矩行波导的微波分配器示意图。
图9为一个用于微波分配器的机械分配部件示意图。
图10为重复脉冲电源线路图。
具体实施例方式
正如本发明权利要求书所述，本发明可应用于所有的内燃发动机上。为了作更进一步的描述，以下仅以该发明用于一个四缸汽车发动机中的方法、装置及系统来示意说明。
图1为整个点火系统的方框图。首先选择一个能输出合适频率、频带宽度、功率和脉冲长度的微波源。有关如何选取这些参数的方法稍后会介绍。该微波源由一个重复脉冲电源驱动。该脉冲电源根据发动机控制单元来的指令在合适的时候输出微波源所需的脉冲电能。这脉冲电能通过微波源转化为微波能量。
由于该微波源的输出脉冲功率比较大，因此需要用隔离器进行隔离。这样微波能量只能单向从微波源传输出去。任何可能反射回来的微波能量将被隔离或吸收，以防微波源被损坏。之后微波源输出的微波由波导或同轴线传输到四通道微波分配器。某些微波源可能用矩行波导输出。此时，若用同轴线传输，将需要一个矩形至同轴的转换器。反之亦然。图1中所示的微波源的附件就包括上述的隔离器及转换器等附件。
顾名思义，图1中所示的微波分配器的功用是将微波准确无误地传输到某个汽缸内。该微波分配器接受从发动机控制单元来的指令，当第n号汽缸需要点火时，它立即打开第n号微波通道，将微波能量全部传输到第n号汽缸内。以发动机曲柄轴的转动度数为参考(即发动机转两圈)，那么在0-4π的转动范围内，四个汽缸依次被点燃。例如，1号汽缸在“0”度时点燃，2号、3号、及4号汽缸分别在“π”，“2π”及“3π”时被点燃。然后1号汽缸又在“4π”时被点燃，这样周而复始。
为了将微波输入某个汽缸，必须在传输末端有一个微波耦合装置。该微波耦合装置的主要用途是将微波耦合到汽缸内，同时也起到将汽缸封闭的作用，因而可简称为微波塞。
当活塞压缩到距上死点约10-20微秒时，即活塞达到距上死点约1-2度的位置时(相当于发动机曲柄轴的0.5-1度)，微波输入汽缸内并且在亚微秒的时间内其谐振电场强度达到107伏米-1，使得汽缸内气体立即击穿。由于微波的体点燃效应，且活塞移动到上死点时的汽缸总体积只有50厘米3或更少，因而燃烧能在亚微秒的时间内传播到汽缸内的每个角落。这样预先点火的时间量极小可忽略，不再随发动机的转速、负荷或环境温度而变。从而极大地简化了发动机的点火控制。
如微波工程技术人员所知，所述的作为微波腔体的燃烧室，可以有无穷多个电磁本征谐振模式。通常这些模式为TEmnl或TMmnl(对于这些代号的定义，请参考有关的教科书)，且每个所述模式都有一个对应的本征频率f及品质因子Q。对于拥有简单形状的腔体，例如，圆柱体或矩行体，这些模式、本征频率及品质因子可以用解析公式表示。对于复杂形状的腔体，或者简单形状的腔体中拥有不均匀介质时，这些量可以用特殊的电磁波软件模拟得到。Agilent的HFSS或Comsol的FEMLAB软件都可以满足这里的要求。对于一些飞机及所有汽车采用的活塞型发动机，汽缸为圆柱形的，可选TMmn0作为共振模式。该模式在汽缸内产生一个轴向电场，且其本征频率不随活塞的往返运动变化。根据汽缸的半径可选用合适的非负整数m及n，使微波源的频率与其一致。在相同功率下，通常频率越低微波源的价格也越低。所以m及n的值应低。
图2给出了TM010模式的本征频率及品质因子随汽缸的半径和长度而变化的关系。对典型的汽车发动机汽缸的半径4.0-5.5厘米来说，其对应的本征频率为2.875-2.1GHz。若制造汽缸所用的材料为铝合金，则品质因子约为3000。当然，实际上汽缸中存在油气混合气体，这时其本征频率应比图2中的结果略低1-2％。而且实际的汽缸由于喷油及气嘴的存在其本征频率会随活塞的运动略有变化。
由于微波点火具有“体点燃”的优势，微波点火总是选择在非常接近TDC的某点下进行，这样腔体的共振频率就几乎没有变化。但是在不同的运行情况下，由于每次所用的燃油会有所不同，例如，在寒冷的气候下，发动机最初运行时，每次点火时输入汽缸的燃油相对较多，这样当汽缸活塞压缩到TDC时，油气混合气体的介电常数将略有变化。按照汽车发动机通常的每次进油量的变化(0.15-0.6厘米3)推算，腔体内的气体介电常数变化为1.005-1.020。这将带来共振频率的变化Δf/f＝-Δεr/2εr，即约0.75％的变化，即使频带宽度很差的磁控管都能满足这样的带宽要求。
当然腔体某模式的本征频率及品质因子也可以实际测量得到。微波专业人员只要拥有频率可调的微波源及矢量网络分析仪，都知道如何测量。这里不再细述。
微波源输出的脉冲功率必须足够大才能引起汽缸内油气混合体的击穿。对于上述的TM010模式，假如汽缸内场强107伏米-1为所需击穿电压，那么半径r＝5厘米和长度l＝0.5厘米(在TDC时)的汽缸内点火时的总电磁能量由下式计算为4毫焦耳。
W0≈πϵlE0max2(r28)]]>假如我们选择微波脉冲长度为τ，输入功率为Pin，则腔体内电磁能量W随时间t以如下数学关系增加W=QPin2πf(1-e-2πfQt)]]>为了在脉冲长度τ内达到所需的W0，必须满足τ≈Q/f以及Pin＝2πfW0/Q对于上述的汽车发动机汽缸来说，微波脉冲长度应该1微秒就可以，微波脉冲功率应至少20kW。考虑到通常的汽车发动机汽缸点火的最高频率为280Hz，那么微波脉冲的时间占空因子最大值为3×10-5，因此微波源的平均功率为几瓦。不过当考虑到微波在系统中的损耗，以及部分微波将用于油气混合气体的加热，实际所需的功率会大些。
正如本发明权利要求书所述，本发明所述的微波塞可以用包括环形磁场耦合，电场耦合或波导耦合的方法。为了作更进一步的描述，以下用三个不同的类型来示意说明。
图3为使用矩形波导(也可以是圆形波导)将微波输入飞机喷气式发动机燃烧室内的示意图。波导的末端用陶瓷封住以防燃油及气体喷入波导。而且可以采用波导端面的长边的不同取向，选取TM或TE波作为谐振腔模式。图3中空气5从右、微波6从上而入，1为燃料输入部件，2为燃烧室，3为封闭用陶瓷，4为输入波导，7为空气入口。陶瓷的厚度以及波导的具体尺寸应由类似HFSS的软件模拟使微波的反射在设计的工作频率下最小。
图4为使用同轴线将微波输入发动机燃烧室内的示意图。同轴线的中心与外皮在末端由一环形或方形的线圈短路。这是磁场耦合法，微波从燃烧室内的圆周边输入。同轴线的末端用陶瓷封住以防高温损坏同轴线。而且也可以通过采用不同的线圈取向来选取TM或TE波作为谐振腔模式。
图5为使用同轴线将微波输入汽车发动机汽缸内的示意图。图中1为同轴线，2为燃烧室，3为活塞。微波输入用末端开路的同轴线，而且用陶瓷封住以防高温损坏同轴线。这种方法能激发TM谐振腔模式。而且微波塞的外型可以设计成与标准火花塞的外形和尺寸一致，可以直接安装到发动机上，无须修改发动机(见图6)。
图7为微波输入汽车发动机的汽缸内的计算机模拟。汽缸半径r＝4.5厘米和长度l＝2厘米，输入的微波频率为2.5GHz，脉冲功率P为100kW。模拟结果显示汽缸内激发的微波腔体模式为TM010，在汽缸内产生一个轴向电场。而且该轴向电场在亚微秒之内达到107伏米-1。
正如本发明权利要求书所述，本发明中所述的微波分配器可以用包括机械传动、电子控制在内的所有合适的办法。为了作更进一步的描述，以下用一个例子来示意说明(见图8)。图8表示了一个由圆柱波导转到四个矩行波导的办法。四个矩行波导分两对且在圆柱轴线上位于不同的位置。其间隔为λg/2的整数倍，而且有一对紧靠短路的圆柱波导的末端。其中两个矩行波导在圆周方向上的位置相同，剩余的两个与前两个在圆周相位上相差180°。可以在矩形波导与圆柱波导的四个接口处各安置一个由发动机控制单元的指令控制的阀门来控制其开或闭，正如发动机内的其它阀门一样。当某通道的汽缸需要点火时，该通道的阀门就打开让微波传输过去。
当然微波通道的选择也可以用纯机械的方法。例如可用一个如图9所示的一端开口的圆柱形金属盒。该金属盒装配在图8所示的圆柱末端内，且其内径与上述的圆柱波导的内径相同。在其圆周上开两个略大的矩形口。这两个矩形口在相位上相差90°。该装置可在圆柱波导内自由转动并由发动机控制其转速。应选取其为发动机转速的一半。当某通道的汽缸需要点火时，开口正好与该通道的矩形波导相对应，因而微波能传输到这个通道上去。
驱动微波源的重复脉冲电源可以利用发动机现有的高压产生线路稍加改动而成。汽车发动机现有的点火系统产生的高压为一个RC放电形成的瞬态脉冲，没有平顶宽度。而微波源需要一个有一定平顶宽度τ的电压重复脉冲。将发动机现有的高压产生线路中的电容器换成一个脉冲形成线即能达到要求(见图10)。图10所示的是一个“Blumlein”脉冲形成线，由两段相同长度的同轴线组成。该电路产生的脉冲平顶宽度τ＝l/v，这里l为两段同轴线的总长度，v为电磁波在同轴线中的vl＝传播速度。对于通常的50Ω同轴线，v约为2×108米秒-1。当然脉冲形成线也可以用RL集中电路组成。图10中的脉冲形成线也可以是其他形式的。而且该脉冲形成线也可以换到图10所示的变压器的次级以产生更好的脉冲波形，但对形成线的耐压要求更高。
参考文献1JB Heywood，Internal Combustion Engine Fundamentals，McGraw-Hill，New York，1988。
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5Z Yang，et al，Microwave enhanced exhaust conversion of internal combustion engines，Applied Catalysis BEnvironmental.34，2001，129-135。
6VA Lisovskii，Criterion for microwave breakdown of gases，Zhurnal-Tekhnicheskoi-Fiziki，69(11)，1999，25-29。
权利要求
1.提高内燃发动机燃烧效率的微波点火系统，包括一个形状固定的、由金属构成的燃烧室及应用于该燃烧室的微波点火系统，其特征是该系统在适当的时候由微波源产生及传输一定频率、功率和脉冲长度的电磁能量到所述燃烧室；该频率与燃烧室的某个电磁本征频率一致，因而能共振地将微波能量耦合到燃烧室内。
2.根据权利要求1所述的提高内燃发动机燃烧效率的微波点火系统，其特征是内燃发动机包括汽车的旋转及往复活塞式发动机，飞机及坦克的气体涡轮发动机，飞机喷气式发动机，火箭发动机，内燃发电机；在内燃发动机有多个燃烧室时，所述电磁能量由一个微波分配器在适当的时候分别传输到每个所述的燃烧室。
3.根据权利要求1所述的提高内燃发动机燃烧效率的微波点火系统，其特征是燃烧室的本征模式包括任何合适的电磁本征模式，所述的微波为任何合适频率的电磁波。
4.根据权利要求1或2所述的提高内燃发动机燃烧效率的微波点火系统，其特征是燃烧室的形状为圆柱形时，采用谐振腔模式TMmn0，本征频率与所述燃烧室的长度无关。
5.根据权利要求1所述的提高内燃发动机燃烧效率的微波点火系统，其特征是微波源为磁控管或速调管。
6.根据权利要求1或5所述的提高内燃发动机燃烧效率的微波点火系统，其特征是微波源产生的微波频率与燃烧室的本征频率相一致，且其输出频带宽度应满足燃烧室多次点燃时本征频率可能的变动；微波源产生的微波能量在燃烧室内产生足够强的足以击穿及点燃燃烧室内的油气混合气体的电场；或者，微波源产生的微波脉冲功率在合适的脉冲长度下产生微波能量，该微波能量在燃烧室内产生足够强的足以击穿及点燃燃烧室内的油气混合气体的电场。
7.根据权利要求1所述的提高内燃发动机燃烧效率的微波点火系统，其特征是微波点火系统中的微波的传输采用波导或同轴线。
8.根据权利要求2所述的提高内燃发动机燃烧效率的微波点火系统，其特征是微波分配器采用机械传动或电子控制；电磁能量最终由各个微波耦合器将微波输入相应的燃烧室。
9.根据权利要求8所述的提高内燃发动机燃烧效率的微波点火系统，其特征是微波耦合器为环形磁场耦合或电场耦合或波导开口耦合。
10.根据权利要求1或8所述的提高内燃发动机燃烧效率的微波点火系统，其特征是微波源由一个合适的脉冲重复电源驱动，脉冲重复电源及微波分配器将由一个控制单元协调及控制，通常是发动机已有的电子控制单元。
全文摘要
本发明提出了一种增加内燃发动机燃烧效率、减少尾气排放的技术。该技术将一定频率的微波能量耦合进发动机的汽缸(燃烧室)内，并在恰当的时刻点燃该燃烧室内的油气混合气体。微波的频率与燃烧室的某个电磁本征频率一致，因而能共振地将微波能量耦合到燃烧室内。点燃后，剩余的微波能量与燃烧室内燃烧所产生的等离子体作用，从而极快地达到燃烧室内整体燃烧、促使油气混合物更完全地燃烧及减少尾气的排放。
文档编号F02P23/00GK1693699SQ20051004062
公开日2005年11月9日 申请日期2005年6月16日 优先权日2005年6月16日
发明者何文华, 董凤忠 申请人:王刚毅