[发明专利]一种可应用于发动机燃烧室的微波点火系统及方法

说明书

本发明公开了一种可应用于发动机燃烧室的微波点火系统，包括发动机控制单元、微波源、微波分配器和燃烧室，微波源通过微波分配器分别与若干燃烧室连通，微波分配器每个分配通道中均安装有微波塞，发动机控制单元分别与重复高压电源、微波分配器和燃烧器控制连接，所述重复高压电源与微波源电性连接。本发明中，微波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。发动机工作时将一定频率的微波能量耦合进发动机的汽缸内，并在恰当的时刻点燃该燃烧室内的油气混合气体。点然后，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。

技术领域

本发明涉及一种微波点火系统及方法，特别涉及一种可应用于发动机燃烧室的微波点火系统及方法，属于发动机技术领域。

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，等等。

燃烧室需要一个点火器来触发燃烧过程。众所周知，普遍用于汽车及飞机发动机上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高电场(10⁷伏每米量级)。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或靠近燃烧室壁以增加其寿命(它在燃料燃烧的过程中会慢慢烧蚀毁坏)，同时防止其妨碍活塞的运动。在某些飞机发动机的燃烧室里，点火器甚至装在燃烧室壁上的一个凹糟里。因为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)，由于燃烧点的传播速度极慢，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1，000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。

本专利的目标是寻找一种更好，更可靠及更有效地点燃及维持燃烧的设备和方法。这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。