專利名稱：一種汽車發(fā)動機用折疊同軸腔微波點火器的制作方法
技術領域：
本實用新型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：
火花點火一直是汽油發(fā)動機的技術核心，它利用火花塞產(chǎn)生火花，從而使壓縮后的可燃混合氣體燃燒。然而，在上述燃燒過程中有很多潛在能量未被利用，而且燃燒不充分、燃燒效率較低。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。微波點火技術通過對發(fā)動機燃燒室內輻照微波功率實現(xiàn)點火，可消除常規(guī)效能很差的分層燃燒，混合氣體的燃燒更迅速、更充分， 燃燒效率大為提高，同時也大幅度降低了燃料消耗。這項技術可使內燃機向節(jié)能減排跨出非常重要的一步。目前，最為實用的微波點火技術是通過專用的等離子體點火器實現(xiàn)。該點火器能在輸入微波功率較低時，產(chǎn)生可以擊穿油氣混合物的電場強度，激發(fā)等離子體，實現(xiàn)微波點火。故此，對等離子體點火器的設計非常關鍵。其不僅需要滿足微波等離子體點火系統(tǒng)的指標要求，也需要具有與現(xiàn)有火花塞一致的外形，以便于直接替代現(xiàn)有的火花塞。值得注意的是，為了滿足大規(guī)模的商用需求，此類點火器應該具有一體化、免調試、高一致性、高可靠性的優(yōu)點。而目前常見的等離子體激發(fā)器不具備上述特點，不能滿足微波點火技術的實際需求。
發(fā)明內容本實用新型提供一種汽車發(fā)動機用折疊同軸腔微波點火器，其外形均與現(xiàn)有火花塞外形一致，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。本實用新型技術方案為一種汽車發(fā)動機用折疊同軸腔微波點火器，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 ；所述內導體由內導體一 41、內導體二 42、內導體三43、內導體尖端5構成；內導體一 41、內導體二 42、內導體三43為共軸連接的圓柱體結構，三者的半徑逐漸增加；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靠近底部的側面與圓盤連接導體61相連，圓盤連接導體61通過兩個扇形柱狀連接導體62與外導體相連；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。[0007]—種汽車發(fā)動機用折疊同軸腔微波點火器，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 ；所述內導體由內導體一 41、內導體
二42、內導體三43、內導體尖端5構成；內導體一 41、內導體二 42、內導體三43為共軸連接的圓柱體結構，三者的半徑逐漸增加；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靠近底部的側面與圓盤連接導體61相連，圓盤連接導體61通過四個圓柱形連接導體62與外導體相連；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。本實用新型所述折疊同軸腔微波點火器包含四分之一波長同軸諧振腔、折疊同軸耦合結構、階梯同軸匹配結構、N型射頻同軸連接器四部分。磁控管等大功率微波器件輸出的微波能量通過波導或同軸電纜饋入N型射頻同軸連接器，再通過階梯同軸匹配結構和折疊同軸耦合結構進入四分之一波長同軸諧振腔中，諧振腔末端插入燃燒室內；當四分之一波長同軸諧振腔諧振時，輸入500W的微波功率就可在諧振腔內導體末端實現(xiàn)大于 2. 25*107V/m的電場強度，滿足10個標準大氣壓下激發(fā)等離子體的門限條件，從而擊穿諧振腔內導體末端周圍的油氣混合物并產(chǎn)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)整個燃燒室的體燃燒和對油氣混合物的充分燃燒。四分之一波長同軸諧振腔的內外導體之間填充陶瓷，以實現(xiàn)燃油與點火器內部的隔離。有益效果本實用新型具有以下優(yōu)點1、相較普通火花塞，該點火器可點燃非常稀薄的油氣混合物(詳見K Linkenheil, et al， A novel spark-plug for improved ignition in engines with gasoline direct injection (GDI)，IEEE Transactions on Plasma Science，33，2005， 1696-1702，以及 F A Pertl, et al, Electromagnetic design of a novel microwave internal combustion engine ignition source, the quarter wave coaxial cavity igniter，Proceeding IMechE Part D J. Automobile Engineering，223，2009， 1450-1474)；2、相較普通火花塞，該點火器的點火效率更高(詳見J E SmithiIntegration of microwave plasma ignition into a multi-fuel engine，2009)；3、該點火器無陰極結構，可避免傳統(tǒng)火花塞兩個電極間產(chǎn)生的熱點荷載(詳見J E Smith,Integration of microwave plasma ignition into a multi-fuel engine，2009)；4、該點火器外形與現(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、該點火器中的折疊同軸耦合結構的耦合度大小易于調節(jié)，便于設計；6、該點火器可一體化設計加工，無需調試，結構對稱，適于大批量生產(chǎn)；7、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是本實用新型提供的第一種汽車發(fā)動機用折疊同軸腔微波點火器的剖視圖。圖2是本實用新型提供的第一種汽車發(fā)動機用折疊同軸腔微波點火器的俯視圖。圖3是本實用新型提供的第二種汽車發(fā)動機用折疊同軸腔微波點火器的剖視圖。圖4是本實用新型提供的第二種汽車發(fā)動機用折疊同軸腔微波點火器的俯視圖。
具體實施方式
實施例1一種汽車發(fā)動機用折疊同軸腔微波點火器，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 ；所述內導體由內導體一 41、內導體
二42、內導體三43、內導體尖端5構成；內導體一 41、內導體二 42、內導體三43為共軸連接的圓柱體結構，三者的半徑逐漸增加；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靠近底部的側面與圓盤連接導體61相連，圓盤連接導體61通過兩個扇形柱狀連接導體62與外導體相連；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的材料選用鉬金，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8為陶瓷介質。實施例2—種汽車發(fā)動機用折疊同軸腔微波點火器，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 ；所述內導體由內導體一 41、內導體
二42、內導體三43、內導體尖端5構成；內導體一 41、內導體二 42、內導體三43為共軸連接的圓柱體結構，三者的半徑逐漸增加；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靠近底部的側面與圓盤連接導體61相連，圓盤連接導體61通過四個圓柱形連接導體62與外導體相連；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的材料選用鉬金，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8為陶瓷介質。本實用新型提供的折疊同軸腔點火器可以看作由四分之一波長同軸諧振腔、折疊同軸耦合結構、階梯同軸匹配結構、N型射頻同軸連接器組合而成；理論上講，四分之一波長同軸諧振腔的長度應為介質填充同軸線波長的四分之一，但是實際設計時受到內導體尖端5、能量耦合饋入形式的影響略有不同；每一種折疊同軸腔點火器的四分之一波長同軸諧振腔的內外徑也有所不同；四分之一波長同軸諧振腔的底部為折疊同軸耦合結構，其可看作由內外兩層同軸結構構成，外層同軸結構的外導體為四分之一波長同軸諧振腔外導體，內層同軸結構的內導體為四分之一波長同軸諧振腔內導體，外層同軸結構的內導體即為內層同軸結構的外導體；通過外層同軸結構內導體側壁上的感性窗口將能量耦合進四分之一波長同軸諧振腔，調節(jié)感性窗口的大小可以在較大的范圍內控制耦合的強弱，從而控制整個折疊同軸腔點火器的品質因素，便于設計；根據(jù)不同四分之一波長同軸諧振腔和折疊同軸耦合結構的電氣特性，需設計相應的階梯同軸匹配結構，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；階梯同軸匹配結構具有對稱的結構，便于加工，且易與其余部件一體集成；折疊同軸腔點火器的設計目標為在諧振頻率處的反射系數(shù)盡可能小，品質因素盡可能高，當輸入微波功率為500W時，折疊同軸腔點火器末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，實現(xiàn)點火。經(jīng)過電磁全波仿真軟件的設計，這兩種的折疊同軸腔點火器在諧振時反射系數(shù)均小于-20dB，當輸入微波功率為500W時，點火器末端的平均電場強度均大于2. 25*107V/m。
權利要求1.一種汽車發(fā)動機用折疊同軸腔微波點火器，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(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 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 02)相對應的外導體內輪廓四034)、與內導體三03)相對應的外導體內輪廓五(35)；所述內導體由內導體一 G1)、內導體二 02)、內導體三03)、內導體尖端(5)構成；內導體一 01)、內導體二 0 、內導體三為共軸連接的圓柱體結構，三者的半徑逐漸增加；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) 靠近底部的側面與圓盤連接導體(61)相連，圓盤連接導體(61)通過兩個扇形柱狀連接導體(62)與外導體相連；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。
2.一種汽車發(fā)動機用折疊同軸腔微波點火器，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(5)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 02)相對應的外導體內輪廓四034)、與內導體三03)相對應的外導體內輪廓五(35)；所述內導體由內導體一 G1)、內導體二 02)、內導體三03)、內導體尖端(5)構成；內導體一 01)、內導體二 0 、內導體三為共軸連接的圓柱體結構，三者的半徑逐漸增加；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) 靠近底部的側面與圓盤連接導體(61)相連，圓盤連接導體(61)通過四個圓柱形連接導體 (62)與外導體相連；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)域以及內導體三與外導體內輪廓五(3 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所述的汽車發(fā)動機用折疊同軸腔微波點火器，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所述的汽車發(fā)動機用折疊同軸腔微波點火器，其特征在于，所述內導體尖端(5)的材料選用鉬金，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(8)為陶瓷介質。
專利摘要一種汽車發(fā)動機用折疊同軸腔微波點火器，屬于微波應用技術領域。由四分之一波長同軸諧振腔、縫隙耦合結構、階梯同軸匹配結構、N型射頻同軸連接器一體化設計加工而成。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；縫隙耦合結構完成對四分之一波長同軸諧振腔的微波能量輸入，降低外部電路對諧振腔的影響；階梯同軸匹配結構實現(xiàn)整個電路的良好匹配；N型射頻同軸連接器作為微波輸入端口，可直接與現(xiàn)有低成本的微波源配套使用。本實用新型與現(xiàn)有火花塞具有相似的外形，可與常規(guī)內燃機氣缸匹配，在不改變氣缸結構的基礎上直接替代現(xiàn)有火花塞，具有燃燒效率高，生產(chǎn)成本低，加工可重復性好，易于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點。
文檔編號H05H1/46GK202040001SQ20112007529
公開日2011年11月16日 申請日期2011年3月21日 優(yōu)先權日2011年3月21日
發(fā)明者樊勇, 程鈺間, 鄭偉 申請人:電子科技大學