專利名稱：一種汽車發(fā)動機用磁耦合微波等離子體點火器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微波應用技術領域，涉及汽車發(fā)動機點火裝置。
背景技術：
進入21世紀，汽車污染日益成為全球性問題。隨著汽車數(shù)量越來越多，使用范圍 越來越廣，其對世界環(huán)境的負面效應也越來越大，尤其體現(xiàn)在危害城市環(huán)境，引發(fā)呼吸系統(tǒng) 疾病，造成地表空氣臭氧含量過高，加重城市熱島效應，使城市環(huán)境轉向惡化等方面。隨著 機動車數(shù)量的增加，尾氣污染有愈演愈烈之勢。與此同時，隨著世界能源的不斷消耗，油價 的不斷上升，提高點火系統(tǒng)的燃燒效率就成為緩解能源緊缺壓力的一種行之有效的辦法。 因此，作為世界上最大的汽車生產和消費國，中國的汽車工業(yè)必須走出一條環(huán)保節(jié)能之路。最近的研究表明，相對傳統(tǒng)的火花塞點火技術，微波等離子體點火技術具有諸多 優(yōu)勢。如可點燃非常稀薄的油氣混合物，使得污染物排放理論上降低25%12;點火 速度快，且不產生爆燃，燃燒充分；在點火之前，微波能量就可以進入燃燒室，起到助燃的作 用。因此，該項技術有非常好的應用前景。當前主要有兩類針對汽車發(fā)動機的微波等離子體點火實現(xiàn)方案，一類是利用同軸 電纜直接將微波能量饋入發(fā)動機氣缸，這種方式結構簡單，但存在一些問題，如需要改變 現(xiàn)有的發(fā)動機結構，耦合結構不穩(wěn)定，所需點火能量較高。而本專利則選用另外一種方案， 即在不改變現(xiàn)有發(fā)動機氣缸結構的基礎上，用專門的微波等離子點火器替代現(xiàn)有的火花塞 進行點火，以較低的輸入功率(比前一種方案低兩到四個數(shù)量級)就可實現(xiàn)微波點火。點火器作為該類微波等離子體點火系統(tǒng)的關鍵技術之一，不僅需要滿足微波等離 子體點火系統(tǒng)的技術指標要求，也需要具有與現(xiàn)有火花塞一致的外形，便于直接替代現(xiàn)有 的火花塞。為了使微波等離子體汽車發(fā)動機點火器能適應商業(yè)化需求，需要將點火器的各 個部件一體化設計，實現(xiàn)具有高可靠性、高一致性的集成化點火裝置，避免人工裝配調試。 此時，傳統(tǒng)的諧振腔饋電耦合結構，如環(huán)耦合，由于加工誤差較大，可重復性較低，需要人工 裝配調試，無法大規(guī)模生產，已經(jīng)不能滿足設計和應用要求。本專利將利用磁耦合結構對四 分之一波長同軸諧振腔進行有效饋電，實現(xiàn)四個子部件的一體化設計制作，降低加工誤差， 以適應大規(guī)模生產需求。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種汽車發(fā)動機用磁耦合微波等離子體點火器，其外部輪廓均與現(xiàn)有 火花塞相似，可在不改變發(fā)動機氣缸結構的基礎上直接替代現(xiàn)有火花塞。本發(fā)明由四個子部分一體化設計加工而成四分之一波長同軸諧振腔、縫隙耦合 結構、階梯同軸匹配結構、N型射頻同軸連接器。數(shù)百瓦的微波能量通過同軸電纜和N型射 頻同軸連接器輸入點火器。此時，為了降低工作頻帶內的能量反射，需要設計相應的阻抗變 換結構，完成N型射頻同軸連接器與點火器其余結構的良好匹配。本專利采用階梯同軸線 實現(xiàn)阻抗變換，與點火器的其余部分一體化集成設計加工，形成與標準N型射頻同軸連接器結構尺寸一致的微波輸入端口。進入點火器后的微波能量通過磁耦合結構饋入到四分之一波長同軸諧振腔中。在 本專利中，兩種點火器均采用磁耦合的饋電原理，但具體耦合結構不同，一個是單側磁耦 合，另一個為兩側對稱磁耦合。磁連接導體的直徑和位置決定了耦合量，調整耦合量就可調 整個點火器的品質因素，品質因素越高，同樣的輸入功率條件下，點火器所能產生的電場強 度越大。磁耦合結構對整個點火器的駐波性能也有明顯的影響。根據(jù)四分之一波長同軸諧振腔在諧振時電場強度的分布特點，以較低的微波功率 輸入就可在點火器的內導體末端實現(xiàn)極高的電場強度，內導體末端的尖端結構可進一步增 強電場強度(輸入功率為500W時，尖端的平均電場強度可大于2. 25*107V/m)，達到并超過 10個標準大氣壓下等離子體激發(fā)門限條件，從而擊穿點火器末端周圍的油氣混合物并產生 等離子體，實現(xiàn)點火。隨后，通過等離子體的電子在燃燒室內的快速運動，極快地實現(xiàn)整個 燃燒室內的體燃燒和對油氣混合物的充分燃燒。當同軸諧振腔的外內徑之比為3. 6時，可 以得到同軸諧振腔的最佳品質因數(shù)。點火器的外導體與內導體之間的相應區(qū)域填充陶瓷材料，實現(xiàn)燃燒室與能量輸入 電路之間的有效隔離。有益效果本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、相對普通火花塞，該點火器可點燃非常稀薄的油氣混合物12；2、相對普通火花塞，該點火器的點火效率更高3；3、該點火器無陰極結構，可避免普通火花塞兩個電極間產生的熱點荷載3；4、該點火器從底部輸入微波，其外形與現(xiàn)有火花塞的外形一致，與常規(guī)汽車發(fā)動 機氣缸相匹配；5、相對其他的微波等離子體點火器，該點火器容差性能較好，可一體化集成加工， 重復性好，一致性高，適于大批量生產；6、該點火器可以方便的移植到其他等離子體點火系統(tǒng)中使用。


圖1是本發(fā)明提供的第一種汽車發(fā)動機用磁耦合微波等離子體點火器的剖視圖。圖2是本發(fā)明提供的第一種汽車發(fā)動機用磁耦合微波等離子體點火器的俯視圖。圖3是本發(fā)明提供的第二種汽車發(fā)動機用磁耦合微波等離子體點火器的剖視圖。圖4是本發(fā)明提供的第二種汽車發(fā)動機用磁耦合微波等離子體點火器的俯視圖。
具體實施例方式實施例1一種汽車發(fā)動機用磁耦合微波等離子體點火器，包括內導體和外導體；所述外導 體由外導體外輪廓和外導體內輪廓封閉構成；所述外導體的外輪廓至少包括一個與汽車發(fā) 動機氣缸連接的外螺紋21和一個便于拆卸和安裝的六棱柱工作面23 ；所述外導體的內輪 廓為不同半徑的圓柱面結構，包括分別與內導體尖端5相對應的外導體內輪廓一 31、與內 導體一 41相對應的外導體內輪廓二 32、與內導體二 42相對應的外導體內輪廓三33、與內
4導體三43相對應的外導體內輪廓四34、與內導體三43相對應的外導體內輪廓四34、與內 導體四44相對應的外導體內輪廓五35 ；所述內導體包括內導體一 41、內導體二 42、內導體 三43、內導體四44、內導體尖端5 ；內導體一 41、內導體二 42、內導體三43、內導體四44為 圓柱體結構，內導體尖端5為圓錐體，圓錐體頂部為半球體；內導體尖端5與內導體一 41相 連，內導體一 41底部的側面通過圓柱體水平連接導體6與內導體二 42相連，內導體二 42、 內導體三43和內導體四44順序共軸連接，三者的半徑逐漸增加，圓柱體水平連接導體6的 軸線與內導體一 41的軸線垂直；內導體一 41的底部與外導體直接相連；內導體與外導體 之間除內導體尖端5與外導體內輪廓一 31之間的區(qū)域以及內導體四44與外導體內輪廓五 35之間的區(qū)域之外的其他區(qū)域填充絕緣介質7 ；外導體內輪廓五35與內導體四44構成微 波輸入端口 1，其尺寸與標準N型射頻同軸連接器一致。上述技術方案中，所述外導體的外輪廓還包括一個圓柱形過渡面22，所述圓柱形 過渡面22位于與汽車發(fā)動機氣缸連接的外螺紋21和一個便于拆卸和安裝的六棱柱工作面 23之間。上述技術方案中，所述內導體尖端5的材料選用白金，其余內導體和外導體的材 料選用抗高溫、防炭化、防氧化的金屬，所述絕緣介質7的材料選用陶瓷。實施例2一種汽車發(fā)動機用磁耦合微波等離子體點火器，包括內導體和外導體；所述外導 體由外導體外輪廓和外導體內輪廓封閉構成；所述外導體的外輪廓至少包括一個與汽車發(fā) 動機氣缸連接的外螺紋21和一個便于拆卸和安裝的六棱柱工作面23 ；所述外導體的內輪 廓為不同半徑的圓柱面結構，包括分別與內導體尖端5相對應的外導體內輪廓一 31、與內 導體一 41相對應的外導體內輪廓二 32和外導體內輪廓三33、與內導體二 42相對應的外導 體內輪廓四；34、與內導體三43相對應的外導體內輪廓五35 ；所述內導體包括內導體一 41、 內導體二 42、內導體三43、內導體尖端5 ；內導體一 41、內導體二 42、內導體三43為圓柱體 結構，內導體尖端5為圓錐體，圓錐體頂部為半球體；內導體尖端5與內導體一 41相連，內 導體一 41、內導體二 42和內導體三43共軸順序相連，三者的半徑逐漸增加；內導體一 41 底部對稱的兩個側面分別依次通過圓柱體水平連接導體61和圓柱體垂直連接導體62與外 導體相連，圓柱體水平連接導體61的軸線與內導體一 41的軸線垂直，圓柱體垂直連接導體 62的軸線與內導體一 41的軸線平行；內導體與外導體之間除內導體尖端5與外導體內輪 廓一 31之間的區(qū)域以及內導體三43與外導體內輪廓五35之間的區(qū)域之外的其他區(qū)域填 充絕緣介質7 ；外導體內輪廓五35與內導體三43構成微波輸入端口 1，其尺寸與標準N型 射頻同軸連接器一致。上述技術方案中，所述外導體的外輪廓還包括一個圓柱形過渡面22，所述圓柱形 過渡面22位于與汽車發(fā)動機氣缸連接的外螺紋21和一個便于拆卸和安裝的六棱柱工作面 23之間。上述技術方案中，所述內導體尖端5的材料選用白金，其余內導體和外導體的材 料選用抗高溫、防炭化、防氧化的金屬，所述絕緣介質7的材料選用陶瓷。本發(fā)明提供的汽車發(fā)動機用磁耦合微波等離子體點火器可以看作由四分之一波 長同軸諧振腔、磁耦合結構、階梯阻抗變換結構、N型射頻同軸連接器四部分一體化組合而 成；理論上講，四分之一波長同軸諧振腔的長度應等于介質填充同軸波長的四分之一，但是實際設計時受到內導體尖端5、耦合結構的影響略有不同；對每一種點火器，四分之一波長 同軸諧振腔的內外徑也有所不同，設計時在兼顧電路結構和加工限制的前提下，盡可能提 高諧振腔的品質因素；磁耦合結構能有效地將微波能量饋入四分之一波長同軸諧振腔，其 結構特點在于階梯阻抗變換結構的內導體和四分之一波長同軸諧振腔的內導體接觸，以獲 得穩(wěn)定的加工工藝；耦合系數(shù)的大小由水平連接導體或垂直連接導體的直徑和位置決定； 根據(jù)不同四分之一波長同軸諧振腔和磁耦合的結構、電氣特性，需設計相應的階梯阻抗變 換結構，該結構由外導體內輪廓三33、外導體內輪廓四34、外導體內輪廓五35和相應的內 導體構成；點火器的設計目標為諧振時反射系數(shù)盡可能小，品質因素盡可能高，在輸入微 波能量為500W時，尖端的平均電場強度需大于2. 25*107V/m,以保證在10個標準大氣壓的 氣缸內能有效地激發(fā)等離子體。經(jīng)過電磁全波仿真軟件的設計，此類磁耦合微波等離子體汽車發(fā)動機點火器在諧 振頻率均具有低于_20dB的反射系數(shù)，尖端的平均電場強度均大于2. 25*107V/m。參考文獻1K Linkenhei 1, et al, A novel spark-plug for improved ignition in engines with gasolinedirect injection (GDI), IEEE Transactions on Plasma Science,33，2005，1696—1702。2]F A Pertl,et al,Electromagnetic design of a novel microwave internal combustion engineignition source, the quarter wave coaxial cavity igniter, Proceeding IMechE Part D :J. AutomobileEngineering，223，2009，1450-1474。3J E Smith,Integration of microwave plasma ignition into a multi-fuel engine,2009。
權利要求
1.一種汽車發(fā)動機用磁耦合微波等離子體點火器，包括內導體和外導體；所述外導體 由外導體外輪廓和外導體內輪廓封閉構成；所述外導體的外輪廓至少包括一個與汽車發(fā) 動機氣缸連接的外螺紋和一個便于拆卸和安裝的六棱柱工作面03)；所述外導體的 內輪廓為不同半徑的圓柱面結構，包括分別與內導體尖端( 相對應的外導體內輪廓一 (31)、與內導體一 Gl)相對應的外導體內輪廓二(32)、與內導體二 02)相對應的外導體 內輪廓三(33)、與內導體三03)相對應的外導體內輪廓四(34)、與內導體三03)相對應 的外導體內輪廓四(34)、與內導體四04)相對應的外導體內輪廓五(35)；所述內導體包括 內導體一 G1)、內導體二 02)、內導體三03)、內導體四(44)、內導體尖端(5)；內導體一 G1)、內導體二 G2)、內導體三03)、內導體四04)為圓柱體結構，內導體尖端(5)為圓錐 體，圓錐體頂部為半球體；內導體尖端(5)與內導體一 Gl)相連，內導體一 Gl)底部的側 面通過圓柱體水平連接導體(6)與內導體二 G2)相連，內導體二 02)、內導體三03)和 內導體四G4)順序共軸連接，三者的半徑逐漸增加，圓柱體水平連接導體(6)的軸線與內 導體一 Gl)的軸線垂直；內導體一 Gl)的底部與外導體直接相連；內導體與外導體之間 除內導體尖端(5)與外導體內輪廓一(31)之間的區(qū)域以及內導體四G4)與外導體內輪廓 五(35)之間的區(qū)域之外的其他區(qū)域填充絕緣介質(7)；外導體內輪廓五(35)與內導體四 (44)構成微波輸入端口(1)，其尺寸與標準N型射頻同軸連接器一致。
2.一種汽車發(fā)動機用磁耦合微波等離子體點火器，包括內導體和外導體；所述外導體 由外導體外輪廓和外導體內輪廓封閉構成；所述外導體的外輪廓至少包括一個與汽車發(fā) 動機氣缸連接的外螺紋和一個便于拆卸和安裝的六棱柱工作面03)；所述外導體的 內輪廓為不同半徑的圓柱面結構，包括分別與內導體尖端( 相對應的外導體內輪廓一 (31)、與內導體一 Gl)相對應的外導體內輪廓二(32)和外導體內輪廓三(33)、與內導體 二 G2)相對應的外導體內輪廓四(34)、與內導體三03)相對應的外導體內輪廓五(35)； 所述內導體包括內導體一 G1)、內導體二 02)、內導體三03)、內導體尖端(5)；內導體一 G1)、內導體二 G2)、內導體三03)為圓柱體結構，內導體尖端(5)為圓錐體，圓錐體頂部 為半球體；內導體尖端(5)與內導體一 Gl)相連，內導體一 01)、內導體二 G2)和內導體 三^幻共軸順序相連，三者的半徑逐漸增加；內導體一 Gl)底部對稱的兩個側面分別依次 通過圓柱體水平連接導體(61)和圓柱體垂直連接導體(6 與外導體相連，圓柱體水平連 接導體(61)的軸線與內導體一 Gl)的軸線垂直，圓柱體垂直連接導體(62)的軸線與內導 體一 Gl)的軸線平行；內導體與外導體之間除內導體尖端(5)與外導體內輪廓一(31)之 間的區(qū)域以及內導體三G3)與外導體內輪廓五(35)之間的區(qū)域之外的其他區(qū)域填充絕緣 介質(7)；外導體內輪廓五(35)與內導體三G3)構成微波輸入端口(1)，其尺寸與標準N 型射頻同軸連接器一致。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種汽車發(fā)動機用磁耦合微波等離子體點火器，其特征 在于，所述外導體的外輪廓還包括一個圓柱形過渡面(22)，所述圓柱形過渡面0 位于與 汽車發(fā)動機氣缸連接的外螺紋和一個便于拆卸和安裝的六棱柱工作面03)之間。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的一種汽車發(fā)動機用磁耦合微波等離子體點火器，其特征 在于，所述內導體尖端(5)的材料選用白金，其余內導體和外導體的材料選用抗高溫、防炭 化、防氧化的金屬，所述絕緣介質(7)的材料選用陶瓷。
全文摘要
一種汽車發(fā)動機用磁耦合微波等離子體點火器，屬于微波應用技術領域。由四分之一波長同軸諧振腔、磁耦合結構、階梯阻抗變換結構、N型射頻同軸連接器一體化加工而成。N型射頻同軸連接器與外部輸入同軸電纜連接；階梯阻抗變換結構實現(xiàn)微波輸入端口與點火器其余內部結構之間的良好匹配；微波能量通過磁耦合的方式饋入四分之一波長同軸諧振腔，再由同軸諧振腔傳入發(fā)動機氣缸；利用四分之一波長同軸諧振腔實現(xiàn)較低輸入功率下燃燒室的體燃燒和對油氣混合物的充分燃燒。本發(fā)明提供的發(fā)動機點火器的外部輪廓與現(xiàn)有火花塞相似，可在不改變發(fā)動機氣缸結構的基礎上直接替代現(xiàn)有火花塞，一體化集成設計，具有點火效率高，加工成本低，可重復性好等特點。
文檔編號F02P23/00GK102121447SQ20111006782
公開日2011年7月13日 申請日期2011年1月21日 優(yōu)先權日2011年1月21日
發(fā)明者樊勇, 程鈺間, 鄭偉 申請人:電子科技大學