一種內燃發動機點火方法和系統的製作方法
2023-07-11 00:33:11
專利名稱：一種內燃發動機點火方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於汽車工業與電子技術領域，具體地說，涉及一種內燃發動機點火方法和系統。
背景技術：
現有汽油(以及天然氣，包括壓縮和液化天然氣)內燃發動機的點火系統由高電壓脈衝火花放電來點燃汽缸內勻質油氣混合物。當這個高壓電脈衝(8千伏以上)加到火花塞的相距大約1毫米的電極之間時，一個瞬態的等效高電場(8X106伏/米)產生於汽缸內火花塞的兩個(或多個)電極之間。這個等效高電場引起油氣混合介質的擊穿放電， 繼而開始燃燒。這一傳統的點火方法有一系列的缺點，主要是低能量轉換效率及很大的廢氣排放。其結果是對環境產生汙染，而且浪費寶貴的燃油。引起低效率的根本原因在於為了達到油氣的擊穿放電，電極的尺寸及距離都很小(約1毫米)，因而放電發生在一個極小的點上。與汽油和天然氣內燃發動機不同，柴油機使用的是空氣高壓升溫後噴油著火，燃燒面開始得更寬，燃油效率和機械功率及動力有所提高，但要增加機械噪音，並排放煤煙。 而且，一輛柴油汽車的價格高出同比汽油汽車20%，因為柴油內燃發動機需要承受更大的氣壓，內燃發動機及噴油系統的材料要求較高，汽缸需要增厚。汽車增加的重量也使燃油的裡程效益受到節制。與二者相比，電磁波點火可使燃燒效率大為提高，在內燃發動機做功裡程不變的情況下，大幅度的降低燃料消耗，減少尾氣排放，提高內燃發動機的動力和汽車性價比，具有無火化噪音、無觸點蝕耗、可靠性高、壽命長及維持費用低等競爭優勢，而且汽車冷卻系統、尾氣催化器以及微粒濾清器的費用將明顯降低，直接應用於常規汽油機，也可用於柴油 (並減少其汽缸壓力和製造成本)，還可用於天然氣、壓縮或液化天然氣、液化石油氣、生物或可再生油和混合燃料，也可用於混合動力車。近年來，國內外諸多研究已經考慮將電磁波點火技術引入內燃發動機領域。美國專利US5983871介紹了一種輸入電磁波能量和雷射能量以產生等離子體點火的複合方法，其耦合裝置的安裝需要改變汽缸的結構，因此，對電磁波點火的產業化、實用化必然造成障礙；美國專利US6581581介紹了通過電磁波產生等離子以及原子化的燃料空氣混合物的磁力電離點火的複合方法，但是其點火裝置和耦合裝置都變得非常複雜；美國專利US 7793632提出了一種將電磁波點火裝置設計在火花塞點火的基礎上的電磁波點火裝置，在保留火花塞點火的前提下對火花塞進行一定的改裝，通過火花塞輸入電磁波能量從而釋放低溫的等離子體，以加強火花塞的點火效率，但該方案中的電磁波能量並不經過諧振放大， 從電磁波所起的作用可以看到其並不是真正依靠電磁波進行點火，而是輔以電磁波幫助的火花塞點火。顯然，上述現有技術顯示了內燃發動機電磁波點火的可行性和優越性，但都沒有有效地解決實際技術問題，而且增加了實現成本。由於內燃發動機電磁波點火需要的「電磁
4波發射天線」置於汽缸中，故發射不是開放式的。由於汽缸頂部的汽缸蓋形成的電磁波腔體的幾何形狀不規則，無固定或常見的電磁波振蕩模式可言，故僅僅依靠車載蓄電池電量，現有的電磁波點火結構無法獲得電磁波點火所需的能量。
發明內容
有鑑於此，本發明所要解決的技術問題是揭示了一種內燃發動機點火方法和系統，能夠在不改變現有內燃發動機結構的前提下，替代現有內燃發動機高壓火花點火系統的火花塞並大大提高電磁波點火的成功機率。為了解決上述技術問題，本發明提供了一種內燃發動機點火方法，包括監測當前的內燃發動機轉速，並在達到所述內燃發動機轉速的點火提前角度時產生一頻率處於汽缸的固有頻率範圍內的電磁波並輸入汽缸；所述電磁波在汽缸內被諧振放大後產生的電場強度大於發生點火的臨界電場強度。進一步地，根據內燃發動機的轉速範圍檢測其中每種轉速下對應的點火提前角度，得到所述點火提前角度的範圍。進一步地，根據點火提前角度範圍檢測其中每個點火提前角度下對應的汽缸具有的固有頻率，得到所述汽缸的固有頻率範圍。進一步地，向汽缸內發射的電磁波的能量不高於200瓦，電磁波被諧振放大後產生的電場強度達到IO6伏/米量級。為了解決上述技術問題，本發明還提供了一種內燃發動機點火系統，包括電磁波源、耦合裝置、汽缸和控制單元，其中，所述控制單元，監測當前的內燃發動機轉速，並在達到所述內燃發動機轉速的點火提前角度時通知電磁波源；所述電磁波源，產生一處於所述汽缸固有頻率的範圍內的固定頻率的電磁波；所述耦合裝置，將所述電磁波輸入所述汽缸； 所述耦合裝置的探入汽缸的火花塞接口的部分和汽缸，構成諧振腔，使所述電磁波在汽缸內被諧振放大後產生的電場強度大於發生點火的臨界電場強度。進一步地，所述控制單元，根據內燃發動機的轉速範圍檢測其中每種轉速下對應的點火提前角度，得到所述點火提前角度的範圍。進一步地，所述控制單元，根據點火提前角度範圍檢測其中每個點火提前角度下對應的汽缸具有的固有頻率，得到所述汽缸的固有頻率範圍。進一步地，所述耦合裝置，向汽缸內發射的電磁波的能量不高於200瓦；所述諧振腔，使電磁波被諧振放大後產生的電場強度達到IO6伏/米量級。進一步地，所述耦合裝置，還包括傳輸單元及處於所述傳輸單元延伸方向的耦合天線，其中，所述傳輸單元的內部尺寸根據所述汽缸的等效輸入阻抗或幾何形狀直接進行設置；所述耦合天線，進一步包括中心天線，所述中心天線為所述傳輸單元的中心導體的延伸，並伸入所述汽缸內。進一步地，所述傳輸單元的中心導體處於所述傳輸單元的中心軸，絕緣層圍繞著所述中心軸包覆所述中心導體，外層導體同柱圍繞著所述中心軸包覆所述絕緣層。進一步地，根據汽缸的等效輸入阻抗或幾何形狀設置所述中心導體的半徑和絕緣
層的厚度。進一步地，在所述耦合天線與所述傳輸單元的連接處，所述絕緣層暴露，當所述絕緣層使用非耐熱材料時，所述絕緣層暴露的表面覆蓋具有透射電磁波能力的電介質隔熱材料，如陶瓷。進一步地，所述傳輸單元的外層導體的形狀尺寸與汽缸的火花塞接口處的形狀尺寸相適應。進一步地，所述耦合天線，還包括與所述中心天線同軸的外圍天線，所述外圍天線為所述傳輸單元的外層導體的延伸，圍繞著所述中心天線並伸入汽缸內，所述外圍天線的數量不小於所述中心天線。進一步地，所述傳輸單元的中心導體處於所述傳輸單元的中心軸，絕緣層圍繞著所述中心軸包覆所述中心導體，外層導體同柱圍繞著所述中心軸包覆所述絕緣層；探入所述汽缸的火花塞接口的部分傳輸單元中的絕緣層、所述外圍天線與所述中心天線圍成的空間以及所述汽缸，構成所述諧振腔。進一步地，所述外圍天線在所述外層導體的延伸方向上成陣列式密閉排布，將所述中心天線包圍。進一步地，所述封閉結構為環形結構。進一步地，所述外圍天線在所述外層導體的延伸方向上成陣列式分散分布，環繞所述中心天線。進一步地，所述開放結構為爪形結構。進一步地，所述電磁波源，採用同軸傳輸線或波導與所述耦合裝置對接；所述耦合裝置，安裝在所述汽缸的火花塞接口處。進一步地，所述中心天線的長度與所述電磁波源所產生的電磁波的波長有關，所述電磁波的波長與諧振放大發生點火的時刻的汽缸深度有關。進一步地，所述中心天線的長度大於零且小於所述汽缸的汽缸蓋深度的50% ；同時所述中心天線的長度為所述電磁波源所產生的電磁波波長的1/3 士 10%。進一步地，所述中心天線的長度為所述電磁波源所產生的電磁波波長的1/3 ；同時所述中心天線的長度為所述汽缸的汽缸蓋深度的30%。與現有的方案相比，本發明所獲得的技術效果1)由本發明的耦合裝置替代火花塞，點火控制將與傳統內燃發動機類似，無需依靠檢測汽缸溫度或壓力的閉環控制系統。2)本發明的耦合裝置可以獲取到與內燃發動機汽缸的等效輸入阻抗最佳配合的輸出阻抗，從而將電磁波能量反射減到最小，提高了點火成功的機率。這樣輸入電磁波的功率不需要高於200瓦，即能可靠點火；3)因為等離子體的產生會造成失諧，因此等離子體的產生對本專利中的電磁波點火方案具有負面影響，而本發明的方案可以精確控制電磁波點火的時間，在特定的時間輸入電磁波，因此可以有效避免電磁波因提前輸入而導致在諧振點火前就產生等離子體。
圖1為本發明實施例的內燃發動機點火系統的結構示意圖；圖2為本發明實施例的耦合裝置與汽缸的組合的截面示意圖；圖3為本發明實施例的第一種開放結構的耦合裝置與汽缸的組合的立體6
圖4為本發明實施例的第一種開放結構的耦合裝置的放大示圖；圖5為本發明實施例的第一種開放結構的耦合裝置的截面示意圖；圖6為本發明實施例的第二種開放結構的耦合裝置的截面示意圖；圖7為本發明實施例的封閉結構的耦合裝置與汽缸的組合的立體圖；圖8為本發明實施例的封閉結構的耦合裝置的放大示圖；圖9為本發明實施例的第三種開放結構的耦合裝置與汽缸的組合的立體圖；圖10為本發明實施例的第三種開放結構的耦合裝置的放大示圖；圖11為本發明實施例的第三種開放結構的耦合裝置的截面示意圖；圖12為本發明實施例的第四種開放結構的耦合裝置與汽缸的組合的立體圖；圖13為本發明實施例的第四種開放結構的耦合裝置的放大示圖；圖14為本發明實施例的第四種開放結構的耦合裝置的截面示意圖；圖15為本發明實施例的第五種開放結構的耦合裝置的截面示意圖；圖16為本發明實施例的第六種開放結構的耦合裝置與汽缸的組合的立體圖；圖17為本發明實施例的第六種開放結構的耦合裝置的放大示圖；圖18為本發明實施例的第六種開放結構的耦合裝置的截面示意圖；圖19為圖3的耦合裝置與汽缸的組合在諧振時的電場強度三維等高線示圖；圖20為圖3的耦合裝置與汽缸的組合在諧振時的電場強度分布示圖；圖21為圖7的耦合裝置與汽缸的組合在諧振時的電場強度三維等高線示圖；圖22為圖7的耦合裝置與汽缸的組合在諧振時的電場強度分布示圖；圖23為圖9的耦合裝置與汽缸的組合在諧振時的電場強度三維等高線示圖；圖M為圖9的耦合裝置與汽缸的組合在諧振時的電場強度分布示圖；圖25為圖12的耦合裝置與汽缸的組合在諧振時的電場強度三維等高線示圖；圖沈為圖12的耦合裝置與汽缸的組合在諧振時的電場強度分布示圖；圖27為圖16的耦合裝置與汽缸的組合在諧振時的電場強度三維等高線示圖；圖觀為圖16的耦合裝置與汽缸的組合在諧振時的電場強度分布示圖；圖四為本發明實施例的內燃發動機點火方法的流程圖。
具體實施例方式以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。以下描沭下本發明的應用場景如圖1所示，為一種內燃發動機的結構示意圖。耦合裝置A與內燃發動機汽缸B 形成類似電容、電感的電磁諧振結構，即電磁波諧振腔，控制單元E監測當前的內燃發動機轉速，並在達到所述內燃發動機轉速的點火提前角度時通知電磁波源C，電磁波源C產生電磁波並通過同軸傳輸線或波導D傳輸至耦合裝置A，由耦合裝置A將電磁波能量耦合傳輸進入汽缸B，利用汽缸B使電磁波發生諧振；其中，類似普通電磁波天線的耦合裝置A位於汽缸B火花塞接口處，外形尺寸與相應的汽油內燃發動機火花塞相同，由任何耐高溫高壓的導體製成。需要說明的是，圖1所示的雙氣門內燃發動機是本發明的眾多應用實例中一個， 本方案所針對的內燃發動機結構並不限於此，本方案也可應用於其他類型的多氣門內燃發動機，例如四氣門內燃發動機、五氣門內燃發動機等等。本方案中的電磁波源C 一般為微波源，其所產生的電磁波一般為微波，當然本發明並不限於此。以下描沭下本發明的設計原理本發明點火的基礎是讓電磁波在汽缸內發生諧振，這就要求輸入電磁波與汽缸的固有頻率一致從而發生諧振。但是汽缸的固有頻率不是固定不變的，活塞的運動會造成汽缸B的固有頻率的變化，而這個變化是連續的，從而產生一個汽缸的固有頻率的範圍，而輸入的電磁波的頻率是不可能隨汽缸的固有頻率的變化而進行控制的，但是當活塞向上止點的方向運動時，如果輸入電磁波的頻率處於汽缸的固有頻率的範圍內，那麼當活塞向上止點的方向運動到某一點時，必然會有一個時刻汽缸的固有頻率與電磁波的頻率一致，從而產生諧振，使得場強超過點火的臨界點，從而點火成功。但是在汽缸的固有頻率偏離電磁波的頻率時，這樣是出於失諧狀態的，在失諧的狀態下，場強不會立即衰減到零，但是會隨著失諧狀態的加劇而慢慢降低，所以在失諧狀態下是很難點火成功的。所以，本發明要完成讓電磁波在汽缸內發生諧振的目的，則必須完成這個技術環節點火時機——在適合的時機點火以最大化電磁波頻率與汽缸的固有頻率發生一致的機率，使電磁波在汽缸內發生諧振。同時配合點火時機的選取，還可以在電磁波傳輸發生部分輔以這樣的技術環節 最佳耦合——將小輸入功率的電磁波，以最佳地方式耦合入汽缸內，使反射最小，同時可以協助增加諧振後電場強度的放大倍數。以下描述下本發明的核心構思基於以上，我們可以獲知汽車的內燃發動機的轉速一般為650轉/分鐘到7200轉 /分鐘的範圍，在這個範圍內的每種轉速下，點火時活塞的位置是不同的，即點火提前角度不同，這樣就得到了本發明的核心構思在活塞移近上止點附近時，監測當前的內燃發動機轉速，從而可以獲知該轉速對應的點火提前角度，在達到所述點火提前角度時通知電磁波源產生一電磁波，這個電磁波處於預先獲得的汽缸的固有頻率範圍內；所述電磁波在汽缸內被諧振放大後產生的電場強度大於發生點火的臨界電場強度。對於點火時機的解決需要說明的是，電磁波源所產生的電磁波的頻率是恆定的，但是在不同的點火提前角度下汽缸的固有頻率是不同的，所以在不同轉速下對應的點火提前角度下輸入一恆定的電磁波，電磁波並不一定會立刻與當前點火提前角度下的汽缸固有頻率一致，會有一些偏差，這時並不會立刻點火成功，但是隨著活塞的繼續運動，汽缸的固有頻率會在固有頻率範圍內繼續發生線形變化，所以在經過很短的時延後電磁波必然會與汽缸的某一固有頻率一致，從而發生諧振。本發明通過在活塞運動到上止點附近時，預先根據內燃發動機的轉速範圍可以檢測出每種轉速下對應的點火提前角度，即點火時活塞的位置，得到所述點火提前角度的範圍。進而根據點火提前角度的範圍檢測其中每個點火提前角度下對應的汽缸的固有頻率，獲得了汽缸的固有頻率範圍，這樣使得這個固有頻率範圍會很小，可以保證在很短的時延後發生諧振，使失諧的時間儘可能縮小。因此，可以將每種轉速下的點火提前角度考慮為點火時機，但是諧振時機則由汽缸與電磁波頻率的碰撞時機決定，通過本發明的方式以保證點火時機和諧振時機儘可能一致。最佳耦合的解決耦合裝置存在輸出阻抗，而汽缸本身存在輸入阻抗。在理想狀態下，耦合裝置的輸出阻抗和汽缸的等效輸入阻抗一致，此時電磁波的能量不會發生反射，電磁波能量會完全進入汽缸。但是在實際應用中，由於汽缸的不規則形狀，汽缸的等效輸入阻抗不是一個固定的數值，可能是一個變化的曲線且很難準確獲取，這些導致耦合裝置的輸出阻抗和汽缸的等效輸入阻抗很難保持一致。因此，若使用普通天線，電磁波發射進入汽缸後，能量會反射回耦合裝置，這樣進入汽缸的能量就會發生衰減，輸出阻抗與輸入阻抗匹配得越不好，反射越大，能量進入汽缸的衰減越厲害。而輸出阻抗可以由耦合裝置的結構來決定，所以本發明的耦合裝置結構與內燃發動機的汽缸的等效輸入阻抗曲線配合將電磁波能量最大耦合輸入汽缸，從而提高電磁波和電磁場點火的可靠性。這樣輸入電磁波的功率不需要高於200瓦，一般輸入功率達到100 瓦即能可靠點火。以下以一實施例對本發明的內燃發動機點火系統進行說明。如圖1所示，內燃發動機點火系統，包括電磁波源C、耦合裝置A、汽缸B和控制單元E，其中，所述控制單元E，監測當前的內燃發動機轉速，並在達到所述內燃發動機轉速的點火提前角度時通知電磁波源C ；所述電磁波源C，產生一處於所述汽缸固有頻率的範圍內的固定頻率的電磁波；所述耦合裝置A，將所述電磁波輸入所述汽缸B，耦合裝置A向汽缸內發射的電磁波的能量不高於200瓦；所述耦合裝置A的探入汽缸的火花塞接口的部分(主要是探入所述汽缸的火花塞接口的部分傳輸單元中的絕緣層、外圍天線與中心天線圍成的空間)和汽缸B，構成諧振腔，使所述電磁波在汽缸內被諧振放大後產生的電場強度大於發生點火的臨界電場強度，諧振腔使電磁波被諧振放大後產生的電場強度達到IO6伏/米量級。所述控制單元E，根據內燃發動機的轉速範圍檢測其中每種轉速下對應的點火提前角度，得到所述點火提前角度的範圍；根據點火提前角度範圍檢測其中每個點火提前角度下對應的汽缸具有的固有頻率，得到所述汽缸的固有頻率範圍。以下以一實施例對本發明的內燃發動機點火方法進行說明。如圖四所示，為本發明實施例的內燃發動機點火方法的流程圖，包括步驟100，預先根據內燃發動機的轉速範圍檢測其中每種轉速下對應的點火提前角度，得到所述點火提前角度的範圍；根據點火提前角度範圍檢測其中每個點火提前角度下對應的汽缸具有的固有頻率，得到所述汽缸的固有頻率範圍；步驟200，監測當前的內燃發動機轉速；步驟300，在達到所述內燃發動機轉速的點火提前角度時產生一頻率處於汽缸的固有頻率範圍內的電磁波並輸入汽缸；向汽缸內發射的電磁波的能量不高於200瓦；步驟400，所述電磁波在汽缸內被諧振放大後產生的電場強度大於發生點火的臨界電場強度；電磁波被諧振放大後產生的電場強度達到106伏/米量級。以下再以一實施例對本發明內燃發動機點火系統中包含的耦合裝置進行說明。如圖2、3和4所示，耦合裝置，包括傳輸單元及處於所述傳輸單元延伸方向的耦合天線。所述傳輸單元的中心導體2處於所述傳輸單元的中心軸，絕緣層3圍繞著所述中心軸包覆所述中心導體2，外層導體1圍繞著所述中心軸包覆所述絕緣層3。所述耦合天線，包括中心天線5和與所述中心天線同軸的外圍天線4，其中，所述中心天線5為所述傳輸單元的中心導體2的延伸，並伸入汽缸內；所述外圍天線4為所述傳輸單元的外層導體1 的延伸，同柱圍繞著所述中心天線5並伸入汽缸內，所述外圍天線4的數量不小於所述中心天線5。汽缸分為汽缸蓋9和汽缸本體8，活塞在汽缸本體8內運動，當運動至上止點附近時，與汽缸蓋9的火花塞接口相連的耦合裝置會將電磁波能量耦合或輸入進汽缸以進行電磁波點火。所述耦合天線與所述傳輸單元在連接處6與汽缸交界，並一起組成諧振腔。當所述絕緣層使用非耐熱材料時，所述絕緣層在連接處6暴露的表面覆蓋具有透射電磁波能力的隔熱材料，所述隔熱材料可以是陶瓷材料，電磁波通過絕緣層，由隔熱材料透射進汽缸。 當然，當所述絕緣層使用耐熱材料時，如絕緣層本身為陶瓷材料，則無需隔熱材料。耦合裝置的輸出阻抗由中心導體2的半徑和絕緣層3的厚度決定，因此本發明根據汽缸的等效輸入阻抗或幾何形狀設計耦合裝置的中心導體2的半徑和絕緣層3的厚度和耦合天線形狀，達到以最小的電磁波輸入和最小的電池功耗產生超過點火所需的臨界電場強度。耦合裝置的安裝尺寸與火花塞的外形尺寸一致，耦合裝置的外徑與火花塞接口的直徑一致。在實際操作中，由於耦合裝置的輸出阻抗由中心導體2和絕緣層3決定，外層導體1的外徑固定，可以通過改變所述傳輸單元的外層導體1的形狀以適應汽缸的火花塞接口處的形狀，使所述耦合裝置的尺寸適配所述火花塞的尺寸以將所述耦合裝置直接安裝在汽缸蓋頂部的火花塞接口處。圖2中，探入所述汽缸的火花塞接口的部分傳輸單元中的絕緣層(即圖2中展示的絕緣層3)、所述外圍天線4與所述中心天線5圍成的空間(即圖2中外圍天線4與中心天線5所夾的處於汽缸蓋9中的部分)以及所述汽缸(即圖2中的汽缸蓋9和汽缸本體 8)，構成所述諧振腔。另外，對於耦合裝置的耦合天線結構，本發明也具有多種變形。以下再以若干實施例對本發明內燃發動機點火系統中包含的耦合裝置進行說明。1)如圖16、17和18，耦合裝置的耦合天線僅包括中心天線5，中心天線5呈圓柱形，並不包含外圍天線4，耦合裝置的傳輸單元的結構及耦合裝置的其他結構不變。此種耦合裝置的結構也可以獲取到與內燃發動機汽缸的等效輸入阻抗較佳配合的輸出阻抗，達到以較小的電磁波輸入和較小的電池功耗產生超過點火所需的臨界電場強度。本例中的結構也可基本滿足本發明的技術要求，但相比具有中心天線和外圍天線結構的耦合裝置的效果稍差。2)如圖7和8所示，所述外圍天線4在所述外層導體1的延伸方向上成陣列式密閉排布，構成側面封閉結構(頂部保持開放)，將所述中心天線5包圍，所述外圍天線4的數量不小於所述中心天線5。所述封閉結構優選為環形結構，也可以是其它側面封閉結構，本發明並不限於此。這種結構可以得到較好的傳輸結構的輸出阻抗與汽缸的等效輸入阻抗配合的效果，基本滿足減小反射的要求。3)如圖3和4所示，所述外圍天線4在所述外層導體1的延伸方向上成陣列式分散分布，形成側面半開放結構(頂部保持開放)，環繞所述中心天線5，所述外圍天線4的數量不小於所述中心天線5。所述開放結構為爪形結構，也可以是其它側面半開放結構，本發明並不限於此。這種側面半開放式結構較上一種側面封閉結構可以達到更佳的傳輸結構的輸出阻抗與汽缸的等效輸入阻抗配合的效果，最大程度地減小了反射，是最佳的耦合結構。第3項的開放式結構在具體實現上則多種多樣，如i)如圖3、4和5所示，三根外圍天線4均呈針形(倒錐形)結構，均勻排列，中心天線5呈柱形結構，中心天線5的長度Ll大於外圍天線4。ii)如圖6所示，三根外圍天線4均呈L形結構，均勻排列，中心天線5呈柱形結構，中心天線5的長度Ll大於外圍天線4。iii)如圖9、10和11所示，兩根外圍天線4均呈倒L型結構，對稱排列，中心天線 5呈柱形結構，外圍天線4的末端扣在中心天線5的末端，中心天線5的長度小於外圍天線 4。iv)如圖12、13和14所示，三根外圍天線4均呈倒L型結構，均勻排列，中心天線 5呈針形(倒錐形)結構，中心天線5的長度Ll大於外圍天線4。ν)如圖15所示，三根外圍天線4均呈倒L型結構，均勻排列，中心天線5呈柱形結構，中心天線5的長度Ll大於外圍天線4。要說明的是，參見圖13，為了耦合裝置與汽缸的火花塞接口便於連接，還可以在耦合裝置上相應設置螺紋結構10，以便旋入火花塞接口處以緊密固定。其他實時方式中也可以設置這種螺紋結構。另外，在本實施例中所述外圍天線可以設置為三根或者兩根環繞中心天線。當然，也可以是其它數量或者方式環繞，本發明並不限於此，任何屬於本發明的構思的變形都屬於本發明的保護範圍。以上所公開的耦合裝置中天線部分的幾何形狀不僅僅只是限於所出示的例子，任何屬於本發明的構思的變形都屬於本發明的保護範圍。下面通過一組實驗數據來支持本發明的技術效果和工業實用性。當在輸入功率為1瓦，汽缸活塞在壓縮衝程移近上止點通過諧振點火時，汽缸頂部的電場分布可以參見一下視圖圖19和20分別為第一種開放結構的耦合裝置與汽缸的組合在諧振時的電場強度三維等高線示圖和電場強度分布示圖；圖21和22分別為封閉結構的耦合裝置與汽缸的組合在諧振時的電場強度三維等高線示圖和電場強度分布示圖；圖23和M分別為第三種開放結構的耦合裝置與汽缸的組合在諧振時的電場強度三維等高線示圖和電場強度分布示圖25和沈分別為第四種開放結構的耦合裝置與汽缸的組合在諧振時的電場強度三維等高線示圖和電場強度分布示圖；圖27和觀分別為第六種開放結構的耦合裝置與汽缸的組合在諧振時的電場強度三維等高線示圖和電場強度分布示圖。表1是基於圖16和17所示的耦合裝置結構，以三種電磁波頻率為例，列出了在輸入功率為1瓦時，這三種頻率的電磁波在汽缸內諧振產生的電場強度的大小，可見最小場強均已超過1 X IO5伏/米，也就是說，若輸入100瓦，電場強度即可達1 X IO6伏/米。而研究證明電磁波點火的電場強度只需達到IO6伏/米量級即可成功點火。由此， 使用現有車載蓄電池就足夠使點火時的電場強度維持在臨界場強之上。本發明所產生的電場場強不但能點燃比1 25更稀薄的混合氣，亦可點燃比汽油更難點燃的丙烷。
汽缸頂部電場到同柱腔末端的距離(釐米)0. 0230. 0250. 0270. 0300. 035輸入頻率 (IO9赫茲)電場強度(IO5伏/米)2. 7283881. 1662. 5893. 1352. 5692. 1012. 7283781. 9684. 3685. 2914. 3363. 5462. 7283684. 3309. 60811. 649. 5417. 082表1.輸入為1瓦功率時汽缸頂部的電場強度傳統理論認為，耦合天線的設計結構主要與電磁波的波長密切相關，並且當耦合天線長度為1/4波長時效果最佳，在本例中當輸入功率為1瓦時諧振所產生的電場強度可達到5. 8 X IO5伏/米。然而在本發明中，考慮利用汽缸作為諧振腔的特點，實際中汽缸是不規則腔體，發生諧振時的電磁場本徵模式和頻率則與汽缸的深度(即活塞的位置，活塞位置決定當前了汽缸的深度)必然相關，因此，耦合天線結構的設計間接受到汽缸深度的影響。通過實驗仿真數據可以獲知，中心天線5的長度與電磁波源所產生的電磁波波長有關，所述電磁波的波長與諧振放大發生點火的時刻諧振腔(本發明中即為汽缸)深度有關。所述中心天線的長度Ll的基礎範圍需保證大於零且小於所述汽缸的汽缸蓋深度的50%，同時所述中心天線的長度Ll還要保證處於所述電磁波源所產生的電磁波波長的 1/3 士 10%的範圍。中心天線5的長度Ll的最佳範圍應處於1/3波長附近(一般為波長的 30%-35%)，並且中心天線5的長度Ll的最佳範圍同時滿足處於汽缸蓋深度的30%附近， 實驗證實Ll為波長的33. 74%時效果最佳，在本例中當輸入功率為1瓦時諧振所產生的電場強度可達到1. 18X106伏/米，遠遠超過傳統理論上的最佳諧振電場強度。因此，有理由認為本發明的提出，克服了傳統理論所產生的技術偏見。上述說明示出並描述了本發明的若干優選實施例，但如前所述，應當理解本發明並非局限於本文所披露的形式，不應看作是對其他實施例的排除，而可用於各種其他組合、 修改和環境，並能夠在本文所述發明構想範圍內，通過上述教導或相關領域的技術或知識進行改動。而本領域人員所進行的改動和變化不脫離本發明的精神和範圍，則都應在本發
12明所附權利要求的保護範圍內。
權利要求
1.一種內燃發動機點火方法，其特徵在於，包括監測當前的內燃發動機轉速，並在達到所述內燃發動機轉速的點火提前角度時產生一頻率處於汽缸的固有頻率範圍內的電磁波並輸入汽缸；所述電磁波在汽缸內被諧振放大後產生的電場強度大於發生點火的臨界電場強度。
2.如權利要求1所述的內燃發動機點火方法，其特徵在於，根據內燃發動機的轉速範圍檢測其中每種轉速下對應的點火提前角度，得到所述點火提前角度的範圍。
3.如權利要求2所述的內燃發動機點火方法，其特徵在於，根據點火提前角度範圍檢測其中每個點火提前角度下對應的汽缸具有的固有頻率，得到所述汽缸的固有頻率範圍。
4.如權利要求1所述的內燃發動機點火方法，其特徵在於，向汽缸內發射的電磁波的能量不高於200瓦，電磁波被諧振放大後產生的電場強度達到IO6伏/米量級。
5.一種內燃發動機點火系統，其特徵在於，包括電磁波源、耦合裝置、汽缸和控制單元，其中，所述控制單元，監測當前的內燃發動機轉速，並在達到所述內燃發動機轉速的點火提前角度時通知電磁波源；所述電磁波源，產生一處於所述汽缸固有頻率的範圍內的固定頻率的電磁波；所述耦合裝置，將所述電磁波輸入所述汽缸；所述耦合裝置的探入汽缸的火花塞接口的部分和汽缸，構成諧振腔，使所述電磁波在汽缸內被諧振放大後產生的電場強度大於發生點火的臨界電場強度。
6.如權利要求5所述的內燃發動機點火系統，其特徵在於，所述控制單元，根據內燃發動機的轉速範圍檢測其中每種轉速下對應的點火提前角度，得到所述點火提前角度的範圍。
7.如權利要求6所述的內燃發動機點火系統，其特徵在於，所述控制單元，根據點火提前角度範圍檢測其中每個點火提前角度下對應的汽缸具有的固有頻率，得到所述汽缸的固有頻率範圍。
8.如權利要求5所述的內燃發動機點火系統，其特徵在於，所述耦合裝置，向汽缸內發射的電磁波的能量不高於200瓦；所述諧振腔，使電磁波被諧振放大後產生的電場強度達到IO6伏/米量級。
9.如權利要求5所述的內燃發動機點火系統，其特徵在於，所述耦合裝置，還包括傳輸單元及處於所述傳輸單元延伸方向的耦合天線，其中，所述傳輸單元的內部尺寸根據所述汽缸的等效輸入阻抗或幾何形狀直接進行設置；所述耦合天線，進一步包括中心天線，所述中心天線為所述傳輸單元的中心導體的延伸，並伸入所述汽缸內。
10.如權利要求9所述的內燃發動機點火系統，其特徵在於，所述傳輸單元的中心導體處於所述傳輸單元的中心軸，絕緣層圍繞著所述中心軸包覆所述中心導體，外層導體同柱圍繞著所述中心軸包覆所述絕緣層。
11.如權利要求10所述的內燃發動機點火系統，其特徵在於，根據汽缸的等效輸入阻抗或幾何形狀設置所述中心導體的半徑和絕緣層的厚度。
12.如權利要求10所述的內燃發動機點火系統，其特徵在於，在所述耦合天線與所述傳輸單元的連接處，所述絕緣層暴露，當所述絕緣層使用非耐熱材料時，所述絕緣層暴露的表面覆蓋具有透射電磁波能力的電介質隔熱材料。
13.如權利要求10所述的內燃發動機點火系統，其特徵在於，所述傳輸單元的外層導體的形狀尺寸與汽缸的火花塞接口處的形狀尺寸相適應。
14.如權利要求9所述的內燃發動機點火系統，其特徵在於，所述耦合天線，還包括與所述中心天線同軸的外圍天線，所述外圍天線為所述傳輸單元的外層導體的延伸，圍繞著所述中心天線並伸入汽缸內，所述外圍天線的數量不小於所述中心天線。
15.如權利要求14所述的內燃發動機點火系統，其特徵在於，所述傳輸單元的中心導體處於所述傳輸單元的中心軸，絕緣層圍繞著所述中心軸包覆所述中心導體，外層導體同柱圍繞著所述中心軸包覆所述絕緣層；探入所述汽缸的火花塞接口的部分傳輸單元中的絕緣層、所述外圍天線與所述中心天線圍成的空間以及所述汽缸，構成所述諧振腔。
16.如權利要求14所述的內燃發動機點火系統，其特徵在於，所述外圍天線在所述外層導體的延伸方向上成陣列式密閉排布，將所述中心天線包圍。
17.如權利要求16所述的內燃發動機點火系統，其特徵在於， 所述封閉結構為環形結構。
18.如權利要求14所述的內燃發動機點火系統，其特徵在於，所述外圍天線在所述外層導體的延伸方向上成陣列式分散分布，環繞所述中心天線。
19.如權利要求18所述的內燃發動機點火系統，其特徵在於， 所述開放結構為爪形結構。
20.如權利要求5所述的內燃發動機點火系統，其特徵在於，所述電磁波源，採用同軸傳輸線或波導與所述耦合裝置對接；所述耦合裝置，安裝在所述汽缸的火花塞接口處。
21.如權利要求9所述的內燃發動機點火系統，其特徵在於，所述中心天線的長度與所述電磁波源所產生的電磁波的波長有關，所述電磁波的波長與諧振放大發生點火的時刻的汽缸深度有關。
22.如權利要求21所述的內燃發動機點火系統，其特徵在於，所述中心天線的長度大於零且小於所述汽缸的汽缸蓋深度的50% ；同時所述中心天線的長度處於所述電磁波源所產生的電磁波波長的1/3 士 10%的範圍。
23.如權利要求21所述的內燃發動機點火系統，其特徵在於，所述中心天線的長度為所述電磁波源所產生的電磁波波長的1/3 ；同時所述中心天線的長度為所述汽缸的汽缸蓋深度的30%。
全文摘要
本發明公開了一種內燃發動機點火方法和系統，其中，內燃發動機點火系統包括電磁波源、耦合裝置、汽缸和控制單元，其中，控制單元，監測當前的內燃發動機轉速，並在達到所述內燃發動機轉速的點火提前角度時通知電磁波源；電磁波源，產生一處於所述汽缸固有頻率的範圍內的固定頻率的電磁波；耦合裝置，將所述電磁波輸入所述汽缸；耦合裝置的探入汽缸的火花塞接口的部分和汽缸，構成諧振腔，使所述電磁波在汽缸內被諧振放大後產生的電場強度大於發生點火的臨界電場強度。本發明能夠在不改變現有內燃發動機結構的前提下，替代現有內燃發動機高壓火花點火系統的火花塞將電磁波有效地耦合入汽缸內，並大大提高射頻和電磁波點火的成功機率。
文檔編號F02P23/04GK102410126SQ201110301998
公開日2012年4月11日 申請日期2011年9月28日 優先權日2011年9月28日
發明者孫方, 李耘, 陳偉 申請人:四川得弘電子科技有限公司, 英國格拉斯哥大學