[发明专利]一种汽车发动机用磁耦合微波等离子体点火器

说明书

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

进入21世纪，汽车污染日益成为全球性问题。随着汽车数量越来越多，使用范围越来越广，其对世界环境的负面效应也越来越大，尤其体现在危害城市环境，引发呼吸系统疾病，造成地表空气臭氧含量过高，加重城市热岛效应，使城市环境转向恶化等方面。随着机动车数量的增加，尾气污染有愈演愈烈之势。与此同时，随着世界能源的不断消耗，油价的不断上升，提高点火系统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。因此，作为世界上最大的汽车生产和消费国，中国的汽车工业必须走出一条环保节能之路。

最近的研究表明，相对传统的火花塞点火技术，微波等离子体点火技术具有诸多优势。如：可点燃非常稀薄的油气混合物，使得污染物排放理论上降低25％【1】【2】；点火速度快，且不产生爆燃，燃烧充分；在点火之前，微波能量就可以进入燃烧室，起到助燃的作用。因此，该项技术有非常好的应用前景。

当前主要有两类针对汽车发动机的微波等离子体点火实现方案，一类是利用同轴电缆直接将微波能量馈入发动机气缸，这种方式结构简单，但存在一些问题，如：需要改变现有的发动机结构，耦合结构不稳定，所需点火能量较高。而本专利则选用另外一种方案，即在不改变现有发动机气缸结构的基础上，用专门的微波等离子点火器替代现有的火花塞进行点火，以较低的输入功率(比前一种方案低两到四个数量级)就可实现微波点火。

点火器作为该类微波等离子体点火系统的关键技术之一，不仅需要满足微波等离子体点火系统的技术指标要求，也需要具有与现有火花塞一致的外形，便于直接替代现有的火花塞。为了使微波等离子体汽车发动机点火器能适应商业化需求，需要将点火器的各个部件一体化设计，实现具有高可靠性、高一致性的集成化点火装置，避免人工装配调试。此时，传统的谐振腔馈电耦合结构，如环耦合，由于加工误差较大，可重复性较低，需要人工装配调试，无法大规模生产，已经不能满足设计和应用要求。本专利将利用磁耦合结构对四分之一波长同轴谐振腔进行有效馈电，实现四个子部件的一体化设计制作，降低加工误差，以适应大规模生产需求。

发明内容

本发明提供一种汽车发动机用磁耦合微波等离子体点火器，其外部轮廓均与现有火花塞相似，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。

本发明由四个子部分一体化设计加工而成：四分之一波长同轴谐振腔、缝隙耦合结构、阶梯同轴匹配结构、N型射频同轴连接器。数百瓦的微波能量通过同轴电缆和N型射频同轴连接器输入点火器。此时，为了降低工作频带内的能量反射，需要设计相应的阻抗变换结构，完成N型射频同轴连接器与点火器其余结构的良好匹配。本专利采用阶梯同轴线实现阻抗变换，与点火器的其余部分一体化集成设计加工，形成与标准N型射频同轴连接器结构尺寸一致的微波输入端口。

进入点火器后的微波能量通过磁耦合结构馈入到四分之一波长同轴谐振腔中。在本专利中，两种点火器均采用磁耦合的馈电原理，但具体耦合结构不同，一个是单侧磁耦合，另一个为两侧对称磁耦合。磁连接导体的直径和位置决定了耦合量，调整耦合量就可调整个点火器的品质因素，品质因素越高，同样的输入功率条件下，点火器所能产生的电场强度越大。磁耦合结构对整个点火器的驻波性能也有明显的影响。

根据四分之一波长同轴谐振腔在谐振时电场强度的分布特点，以较低的微波功率输入就可在点火器的内导体末端实现极高的电场强度，内导体末端的尖端结构可进一步增强电场强度(输入功率为500W时，尖端的平均电场强度可大于2.25*10⁷V/m)，达到并超过10个标准大气压下等离子体激发门限条件，从而击穿点火器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内的体燃烧和对油气混合物的充分燃烧。当同轴谐振腔的外内径之比为3.6时，可以得到同轴谐振腔的最佳品质因数。

点火器的外导体与内导体之间的相应区域填充陶瓷材料，实现燃烧室与能量输入电路之间的有效隔离。

有益效果：

本发明具有以下优点：

1、相对普通火花塞，该点火器可点燃非常稀薄的油气混合物【1】【2】；

2、相对普通火花塞，该点火器的点火效率更高【3】；

3、该点火器无阴极结构，可避免普通火花塞两个电极间产生的热点荷载【3】；

4、该点火器从底部输入微波，其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；