[发明专利]自控保温热面点火装置及其方法

说明书

本发明属内燃机点火装置及其方法，它适用于多种燃料转子发动机、直喷式多种燃料往复式发动机、代用燃料（如甲醇、乙醇等）直喷式往复发动机点火，特别适用于强载发动机及点火处于异常恶劣工况的发动机点火。

目前世界上只有美国研制出多种燃料转子发动机，并计划九十年代将推出SCORE70、SCORE170、SCORE580系列多种燃料转子发动机，但都一直沿用火花塞点火方案。火花塞点火包括电池高压线圈点火、磁电机点火及各种电子点火装置，目前，点火式内燃机均采用火花塞点火方案，而火花塞点火方案存在许多缺点：（1）火花穿过的空间很小、点火面积小，且火花持续时间很短，对于内部气体混合及气体流场不稳定的场合，点火率低，工作不稳定;（2）虽然转子发动机燃烧室内气体流动宏观上是单向流动，且主要燃烧阶段的火焰传播速度小于气体流动速度，但多种燃料转子发动机燃烧室气体流场极不稳定，混合气的混合比分布规律变化激烈，一般火花塞点火不能适应其点火要求，必须具有足够长的火花持续时间才能保证点火可靠。这就需用电子控制装置延长其火花放电时间，即使这样，仍存在点火能量小，点火面积小的缺点。美国Curtiss    Wright公司研制了专门设备，以控制持续振荡时间方式来延长火花持续时间，但长的火花持续时间与大的点火能量导致了火花塞电极的加速烧蚀;（2）转子发动机的火花塞位置处于缸体内的热弧区，不象往复发动机那样每循环均可借新鲜充气冲刷、冷却火花塞，因温度高，对火花塞的材料、结构、工艺要求很高。同时延长火花持续时间的专门设备结构复杂、价格昂贵;（3）当燃烧象柴油等汽化性能差的燃料时，燃油容易沾污火花塞电极，导致电极跳火失效;（4）火花点火方案虽可提高放电能量，但都在焦耳能级以下，由于火花穿过的空间非常小，且混合气的混合比分布规律变化激烈，故即使在不变工况下实际着火正时变化也大;（5）火花点火的点火正时与喷油正时共同控制着火正时，对不同工况则各有其本身的最佳值，难以统一与控制。电热塞点火方案可以克服上述火花塞点火的缺点，但其又存在下列的严重问题：一般电热塞只能承受连续几分钟的短期工作，且只能用于小型柴油机的起动，因柴油机起动后即切断电源，靠正常的压缩产生高温，使燃料混合气自燃。而对发动机正常运转时仍需电热塞点火的情况，理论上可在发动机起动时，电热塞按额定功率供电。起动后，改为降压供电或控制供电脉冲宽度（额定电压）来降低供电功率，但由于影响电热塞发热体（电热塞芯部）表面温度的因素很多，难于准确控制，故实际上发动机仍无法实现。同时，对于转子发动机因电热塞所处的位置长期受到高温燃气的包围，不象往复活塞式发动机那样周期性地受到新鲜充气冷却，电热塞难于满足从起动、怠速到全速、全负荷的广阔工况范围的点火要求。综上所述，实用的多种燃料转子机均不采用电热塞点火方案。虽然美国专利（专利号：US    4806734）提供了一种陶瓷（SiAlON）发热体的电热塞，其功能与一般电热塞相同，只是比一般电热塞有较长的使用寿命和耐腐蚀性能，但一般电热塞点火存在的问题，陶瓷电热塞仍同样存在，而且对于多种燃料转子发动机有较多的燃料雾滴落在发热体表面，由于陶瓷的导热系数远小于金属，因此需要起点火作用的发热体一侧反而表面温度低，难以正常点火，另一侧表面温度又过高;又如美国专利（专利号：US    4162669）提供的点火系统是一种火花塞点火系统，由火花塞点火，其转子机属预混合气点火燃烧的进气管喷射汽油的汽油转子机，所配备的电热塞只作为减少排气中的未燃烃含量，对未燃烃起补燃作用且对油耗有所改善而已。虽然该专利采用了控制喷油持续角（喷油量）和采用进气流传感器与转速传感器通过“或非门”逻辑控制来改变电热塞供电功率（即供电电压不变而改变供电脉冲宽度），以使电热塞发热体的表面温度控制在900～1000℃之间，以图解决电热塞不能长期工作的问题。但实际上电热塞发热体表面温度不仅由循环供油量及转速所决定，还与如进气温度、进气压力、冷却剂性质和流量、发动机结构及材料导热系数、压缩比等许多结构因素、运转因素有关，因此，该专利仅靠两个参数来控制是无法解决保护实际发动机的电热塞问题，无法真正实用，故在实际转子机（尤其是多种燃料转子发动机）中并没采用。以上就是内燃机点火现有技术中存在的问题和缺点。由于发动机的负荷和转速工况变化范围大，其中每循环喷油量变化一般达10倍以上，转速变化一般达3～6倍。若只采用简单的加强或减小电热塞的散热方法，绝不能满足全部工况点火的要求。