燃料-空气预混合匀质充量电磁体点火式内燃发动机及点火方法
阅读：944发布：2021-03-13
专利汇可以提供燃料-空气预混合匀质充量电磁体点火式内燃发动机及点火方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 燃料 -空气预混合匀质充量电磁体点火式内燃 发动机 及点火方法，包括 发动机控制单元 、 电磁波 源、耦合单元和汽缸。该内燃发动机可适用多种燃料，燃料包括但不限于 汽油 ，柴油， 天然气 。点火方式包括如下步骤：发动机控制单元在 指定 的点火提前 角 向电磁波源发送产生与当时汽缸谐振 频率 一致的电磁波的命令，电磁波源根据该命令产生电磁波，并通过耦合单元中的传输线和耦合天线，将电磁波输入到内燃发动机的汽缸腔体内谐振，产生强 电场 ，进行大体积点火。本发明保证电磁耦合和谐振时机与点火时机基本一致，大大提高点火时汽缸内发生电磁谐振的几率，实现内燃发动机的燃料-空气预混合匀质充量电磁体点火。，下面是燃料-空气预混合匀质充量电磁体点火式内燃发动机及点火方法专利的具体信息内容。
1.一种燃料-空气预混合匀质充量电磁体点火式内燃发动机，包括发动机控制单元、电磁波源、耦合单元和汽缸，耦合单元连接电磁波源和汽缸，由发动机控制单元控制电磁波的产生，其特征在于，点火时机由发动机控制单元决定，点火发生在电磁波频率与当时的汽缸腔体谐振频率相一致。
2.根据权利要求1所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，电磁体点火式内燃发动机的点火方式适用于多种燃料，燃料包括但不限于汽油，柴油，天然气。
3.根据权利要求1所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，燃料与空气在点火前已预混合。
4.根据权利要求1所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，发动机控制单元监控内燃发动机转速和活塞位置，发出指令控制电磁波的产生时间。
5.根据权利要求1所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，电磁波源发出的电磁波频率可调节为与使用所述内燃发动机点火提前角度对应的汽缸谐振频率一致。
6.根据权利要求1所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，电磁波源发出的电磁波功率不低于100瓦且不高于200瓦。
7.根据权利要求1所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，电磁波频率调节范围为国际公用频段：900MHz-949MHz、2.4GHz-2.5GHz或5GHz-5.825GHz。
8.根据权利要求1所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，发动机控制单元监测内燃发动机活塞运动位置，根据设定的点火提前角度，当内燃发动机活塞达到设定位置，向电磁波源发送产生电磁波的命令。
9.根据权利要求8所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，发动机控制单元设定位置位于点火提前角度之前。
10.根据权利要求8所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，发动机控制单元设定的点火提前角度，由内燃发动机的中高转速确定。
11.根据权利要求8所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，发动机控制单元设定的点火提前角度，由以下方法确定：
A、根据内燃发动机的转速范围，检测中高转速下，对应的满足燃烧累计放热50％的曲轴转角在上止点-5°的点火提前角度；
B、根据点火提前角度计算对应汽缸谐振频率，并计算电磁波谐振失谐前的活塞位置。
12.根据权利要求1所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，电磁波源包括电源、电磁波信号发生源电路和功率器件，电源与电磁波信号发生源电路连接并向电磁波信号发生源电路供电，电磁波信号发生源电路与功率器件连接，电磁波信号发生源电路发出的电磁波的频率可调节。
13.根据权利要求12所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，电磁波信号发生源电路采用反馈振荡电路。
14.根据权利要求12所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，电磁波信号发生源电路至少一个，电磁波信号发生源电路为一个时，功率器件为功率放大器；电磁波信号发生源电路为两个或两个以上并联时，功率器件为功率合成器。
15.根据权利要求13所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，反馈振荡电路采用可调电容器或/和可调线圈实现反馈振荡电路发出的电磁波频率可调。
16.根据权利要求12所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，所述电源为车载直流电源。
17.根据权利要求12所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，所述功率器件采用的半导体器件包括晶体管和/或场效应管。
18.根据权利要求12所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，所述电磁波信号发生源电路包括反馈振荡电路，所述反馈振荡电路采用的半导体器件包括且不限于雪崩二极管、体效应二极管、双极晶体管、场效应管和/或横向扩散金属氧化物半导体。
19.根据权利要求12所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，所述电磁波源还包括散热装置和/或温度补偿电路，散热装置和/或温度补偿电路与功率器件连接，散热装置用于对所述功率器件产生的热量进行散热处理，温度补偿电路用于对所述功率器件进行温度补偿。
20.根据权利要求12所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，所述电磁波源还包括升压电路，升压电路连接在电源与电磁波信号发生源电路之间。
21.根据权利要求20所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，当电源电压小于设定电压值时，升压电路启动。
22.根据权利要求1所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，耦合单元连接电磁波源和汽缸，耦合天线设置在汽缸火花塞接口上，一部分伸入到汽缸腔体内，耦合天线的形状和尺寸与汽缸火花塞接口匹配。
23.根据权利要求22所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，传输线与耦合天线连接。
24.根据权利要求23所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，传输线为同轴传输线或波导。
25.根据权利要求23所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，传输线的内部尺寸根据所述汽缸的等效输入阻抗或几何形状进行设置。
26.根据权利要求23所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，传输线包括中心导体、绝缘层和外层导体，中心导体位于传输线的中心位置，绝缘层围绕着中心导体并包覆中心导体，外层导体同轴围绕着中心导体并包覆绝缘层。
27.根据权利要求23所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，所述耦合天线包括中心天线和外围天线，外围天线设置在中心天线的外侧。
28.根据权利要求27所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，中心天线是中心导体的延伸，外围天线是外层导体的部分或全部延伸。
29.根据权利要求26所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，根据汽缸的等效输入阻抗或几何形状设置中心导体的半径和绝缘层的厚度。
30.根据权利要求23所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，耦合天线与传输线连接处的绝缘层表面覆盖具有透射电磁波能力的电介质隔热材料。
31.根据权利要求23所述的电磁体点火式内燃发动机，其特征在于，所述外围天线在所述外层导体的延伸方向上成阵列式密闭排布，构成侧面封闭，顶部保持开放结构，将所述中心天线包围，或外围天线在所述外层导体的延伸方向上成阵列式分散分布，构成侧面开放，顶部保持开放的结构，环绕所述中心天线。
32.一种电磁体点火方法，应用于燃料-空气预混合匀质充量电磁体点火式内燃发动机中，包括如下步骤：
发动机控制单元监测内燃发动机活塞位置，当活塞达到根据预设的点火提前角度确定的预定位置，发动机控制单元向电磁波源发送产生与当时汽缸谐振频率一致的电磁波的命令，电磁波源根据该命令产生电磁波并通过耦合单元中的传输线将电磁波发送至汽缸，耦合单元中的耦合天线将电磁波输入到汽缸腔体内，汽缸腔内产生燃料-空气预混合匀质充量电磁谐振，电磁场被谐振放大后产生大面积强电场，进行大体积点火。
33.根据权利要求32所述的电磁体点火方法，其特征在于，电磁体点火式内燃发动机的点火方式适用于多种燃料，燃料包括但不限于汽油，柴油，天然气。
34.根据权利要求32所述的电磁体点火方法，其特征在于，燃料与空气在点火前已预混合。
35.根据权利要求32所述的电磁体点火方法，其特征在于，所述产生的电磁波的功率不低于100瓦且不高于200瓦，且所述电磁波被谐振放大后产生的电场强度达到106伏/米量级。
36.根据权利要求32所述的电磁体点火方法，其特征在于，预定位置位于活塞到达点火提前角度之前。
燃料-空气预混合匀质充量电磁体点火式内燃发动机及点火
方法
技术领域
背景技术
[0002] 现有的内燃发动机按照点火系统的不同可分为两类，一类是由高电压脉冲火花放电来点燃汽缸内匀质油气混合物，为火花点火(spark ignition)发动机；另一类点火系统是空气高压升温后喷油着火，为压燃(compress ignition)发动机。火花点火适用于不同燃料的发动家，包括汽油发动机，天然气(包括压缩和液化天然气)发动机，以及可同时使用油气的双燃料发动机和可在两种燃料(汽油和天然气)中切换使用的两用燃料发动机，而压燃发动机一般为柴油机。
[0003] 当采用高电压脉冲火花点火时，以汽油发动机为例，8千伏以上高压电脉冲加到火花塞的相距大约1毫米的电极之间时，于汽缸内火花塞的两个(或多个) 电极之间产生一个瞬态的等效高电场(8×106伏/米)。这个等效高电场引起油气混合介质的击穿放电，继而开始燃烧。由于天然气发动机所需的点火能量高于汽油内燃机的点火能量，所以天然气发动机通常缩小火花塞间距至0.3到0.45毫米，从而形成大于汽油内燃机火花塞点火时的瞬态等效高电场以实现混合气体击穿放电。
[0005] 表1汽油和天然气燃料特性
[0006]
[0007]
[0008] 为了达到油气的击穿放电，电极的尺寸及距离都很小(约1毫米)，在天然气发动机中更小，因而放电发生在一个极小的点上，依靠混合气体燃烧放热点燃周围的混合气体。这种单点点火使得燃料燃烧不稳定、不迅速、不完全。从而，在整个燃烧过程中，释放的可用化学能不可逆损失包括燃烧可用能损失(以高温废气形式排放)和气体对缸壁传热。其结果是对环境产生污染，而且浪费宝贵的燃料。
[0009] 与汽油和天然气内燃发动机不同，柴油机使用的是空气高压升温后喷油着火，燃烧面开始得更宽，燃油效率和机械功率及动力有所提高，但要增加机械噪音，并排放煤烟(PM2.5主要来源)和氮氧化物(NOx)。由于是喷油着火，油气不能充分混合，也限制了燃油效率的提高。
[0010] 由于不同燃料的物理特性不同，因此使用不同燃料的发动机一般采用不同的点火方式和点火提前时间。即便是双燃料发动机，也是在两种性质相近的燃料中折中选取能同时满足点火要求的点火提前时间。
[0011] 改变点火方式通常需要相应的改变发动机结构。一辆柴油汽车的价格高出同比汽油汽车20％，因为柴油内燃发动机需要承受比汽油发动机更大的气压和更高的温度，因此对其内燃发动机及喷油系统的材料要求较高，汽缸需要增厚。汽车增加的重量也使燃油的里程效益受到节制。
[0012] 马自达公司新研发的压缩自动点火发动机(CN 104047766 A)，采用匀质充量压燃点火(homogeneous charge compression ignition,HCCI)燃烧方式，引起了广泛关注。HCCI燃烧方式是指预先混合燃料和空气得到的预混合气通过压缩自动点火的燃烧方式。该燃烧方式结合了火花点火和压缩点火各自的优点，对改善燃烧状况，提升能量效率有显著优势。但是点火时间控制对于HCCI是一个难点，因为很难保证压缩气体温度升高到自燃温度的时间。在马自达公司之前，通用集团 (CN101454551B)和丰电集团(CN100416058C)也针对HCCI进行过研究，但是目前只有马自达公司的HCCI汽车成功进入市场。
[0013] 本发明的匀质充量电磁体点火(homogeneous charge electromagnetic ignition, HCEMI)采用电磁波作为点火能量源，因电磁波频率由汽缸谐振频率决定。匀质充量电磁体点火与上述的火花点火，压燃点火和匀质充量压缩点火相比，具有如下优点：1)适用于现行的火花点火发动机，而不需要针对电磁体点火对发动机进行改造或重铸；2)实现稀薄燃烧，可使燃烧效率大为提高，在内燃发动机做功里程不变的情况下，大幅度的降低燃料消耗；3)减少污染物排放；3)缩短燃烧时间，减少不可逆能量损失；4)燃烧更稳定可控；5)提高内燃发动机的动力和汽车性价比，具有无火化噪音、无触点蚀耗、可靠性高、寿命长及维持费用低等竞争优势，而且汽车冷却系统、尾气催化器以及微粒滤清器的费用将明显降低； 6)实用性高，可直接应用于常规汽油机，也可用于天然气、压缩或液化天然气、液化石油气发动机，包括双燃料两用机和混合燃料机。
[0014] 近年来，国内外诸多研究已经考虑将电磁体点火技术引入内燃发动机点火技术领域，发明人在实现本发明的过程中发现：
[0015] 由于内燃发动机点火系统中，汽缸的频率是不固定的，因为汽缸形成的电磁波谐振腔的几何形状不规则且由于活塞运动一直在变化，没有固定的振荡频率。但是，现有的电磁体点火技术中均采用磁控管作为电磁波源件，而基于谐振原理产生电磁波的磁控管输出电磁波的频率为固定的2.45GHz。这一固定频率并不适用于目前市场上流行的不同型号的发动机，可能会偏离发动机点火时刻的汽缸谐振频率，从而使汽缸处于失谐状态，场强降低，点火效率较低，限制了电磁体点火技术的实际应用。
发明内容
[0016] 有鉴于此，本申请提供一种燃料-空气预混合匀质充量电磁体点火式内燃发动机及点火方法，该内燃发动机采取的匀质充量电磁体点火方式，能够产生与当前的点火提前角度下的汽缸谐振频率一致的电磁波，保证点火时机与电磁耦合和谐振时机基本一致，从而发生谐振的几率大大提高，点火成功率也相应得到大大提高，可以解决现有的电磁体点火技术的点火成功率不高的问题，实现内燃发动机的燃料-空气预混合匀质充量电磁体点火。
[0017] 为了解决上述技术问题，本申请的技术方案为：一种燃料-空气预混合匀质充量电磁体点火式内燃发动机，包括发动机控制单元，电磁波源、耦合单元和汽缸。耦合单元和电磁波源和汽缸连接，由发动机控制单元控制电磁波的产生，点火时机由发动机控制单元决定，点火发生在电磁波频率与当时的汽缸腔体谐振频率相一致时。电磁波源发出的电磁波频率可调节。由于保持了内燃发动机机械机构和几何形状不变，适用于所有基于火花点火的发动机，具有通用性。同时，燃料空气预混合，并且由于点火不依赖于燃料的燃点，可以适用于多种燃料，燃料包括但不限于汽油，柴油，天然气。
[0018] 燃料与空气在点火前已经预混合。
[0019] 电磁波源发出的电磁波频率可调节为与使用所述电磁体点火式内燃发动机的点火提前角度对应的汽缸谐振频率一致，汽缸谐振频率由汽缸形状和填充在腔体的空燃混合气体共同决定。
[0020] 电磁波源发出的电磁波功率不低于100瓦且不高于200瓦。
[0021] 电磁波源发出的电磁波频率在国际公用频段范围内： 900MHz-949MHz,2.4GHz-2.5GHz或5GHz-5.825GHz，以免对正常通讯频段的干扰。
[0022] 针对通信，900MHz允许带宽为26M，一个频道，比如从902到928，算一个频道；2.4GHz带宽为22MHz，一共有14个频道；5GHz更为复杂，通常各国不一定，澳大利亚对大部分频段规定功率在500mw以下 (https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_WLAN_channels#
900_MHz_(802.11ah)。
900_MHz_(802.11ah)。
[0023] 中国，5G频段的5500-5745非公用，5035-5170非公用。此外，国内， 430MHz-440Mhz，868-915MHz也属于公用。用于通信，辐射功率大多数地区规定不能高于1W，但是可以购买许可提高功率；这些功率规定均针对非扫频设备。
[0025] 设定位置位于点火提前角度之前。点火提前角度体现了点火时间，因此，向电磁波源发送产生电磁波的命令比实际点火提前角度提前一些时间更优，更能保证在活塞继续运动时，汽缸谐振频率与电磁波源发送的电磁波频率一致。
[0026] 发动机发动机控制单元设定的点火提前角度，由内燃发动机的中高转速确定。
[0027] 发动机发动机控制单元设定的点火提前角度，由以下方法确定：
[0029] B、根据点火提前角度计算对应汽缸谐振频率，并计算电磁波谐振失谐前的活塞位置。
[0030] 电磁波源包括电源、电磁波信号发生源电路和功率器件，电源与电磁波信号发生源电路连接并向电磁波信号发生源电路供电，电磁波信号发生源电路与功率器件连接，电磁波信号发生源电路发出的电磁波的频率可调节。
[0031] 电磁波信号发生源电路采用反馈振荡电路。反馈振荡电路包括LC振荡电路、晶体管振荡器等。
[0032] 电磁波信号发生源电路至少一个，电磁波信号发生源电路为一个时，功率器件为功率放大器；电磁波信号发生源电路为两个或两个以上并联时，功率器件为功率合成器。功率合成器是用于两个或两个以上并联的电磁波信号发生源电路各自产生的电磁波进行相位调整处理，使多个电磁波的相位相同。多个电磁波信息发射源电路发出的电磁波频率相同，为了保证输出功率，多个电磁波信号相加时需要其相位相同，因此需要功率合成器。
[0033] 反馈振荡电路采用可调电容器或/和可调线圈实现反馈振荡电路发出的电磁波频率可调。
[0034] 所述电源为车载直流电源。
[0038] 所述电磁波源还包括升压电路，升压电路连接在电源与电磁波信号发生源电路之间。升压电路用于电源小于一定电压值时，对所述电源的电压进行升压处理，以使所述电磁波信号发生源电路产生功率不低于100瓦且不高于200瓦的电磁波。
[0039] 当电源电压小于设定电压值时，升压电路启动。
[0041] 耦合单元包括耦合天线，与传输线连接。
[0042] 所述传输线的内部尺寸根据所述汽缸的等效输入阻抗或几何形状直接进行设置。设置方式主要解决阻抗匹配问题。天线不同的形状导致其输出阻抗变化。而同轴线阻抗一般在50或75欧姆。阻抗匹配要求输入输出阻抗相同，常用方法是串联或并联一个电阻。
[0043] 传输线包括中心导体、绝缘层和外层导体，中心导体位于传输线的中心位置，绝缘层围绕着中心导体并包覆中心导体，外层导体同轴围绕着中心导体并包覆绝缘层。三层之间没有间隙。
[0044] 所述耦合天线，包括中心天线和外围天线，外围天线设置在中心天线的外侧。
[0045] 中心天线是中心导体的延伸，外围天线是外层导体的部分或全部延伸。
[0046] 根据汽缸的等效输入阻抗或几何形状设置中心导体的半径和绝缘层的厚度。
[0048] 所述外围天线在所述外层导体的延伸方向上成阵列式密闭排布，构成侧面封闭，顶部保持开放结构，将所述中心天线包围(外围天线为环形结构)，或外围天线在所述外层导体的延伸方向上成阵列式分散分布，构成侧面开放，顶部保持开放的结构，环绕所述中心天线。外围天线为爪形结构。
[0049] 所述传输线为同轴传输线或波导，电磁波源通过传输线与耦合天线对接。
[0050] 本发明还提供一种电磁体点火方法，应用于燃料-空气预混合匀质充量电磁体点火式内燃发动机中，包括：
[0051] 发动机控制单元监测内燃发动机活塞位置，当活塞达到根据预设的点火提前角度确定的预定位置，发动机控制单元向电磁波源发送产生与汽缸谐振频率一致的电磁波的命令，电磁波源根据该命令产生电磁波并通过传输线将电磁波发送给耦合天线，耦合天线将电磁波输入到汽缸腔体内，汽缸腔内产生谐振放大后产生强电场后点火。该电场的强度大于发生点火的临界电场强度。
[0052] 可选地，所述产生的电磁波的功率不低于100瓦且不高于200瓦，且所述电磁波被谐振放大后产生的电场强度达到106伏/米量级。
[0053] 可选地，预定位置位于活塞到达点火提前角度之前。
[0054] 本发明实施例的电磁波源首先可以直接通过车载直流电源进行供电产生电磁波，可以有效利用车载直流电源，降低电磁体点火式内燃发动机的实现成本；而现有的磁控管产生电磁波时需要额外配置高压变压器以保证足够的高压驱动，增加了实现成本。
[0055] 其次，本发明的电磁波源产生的电磁波的频率是可控的，无论是什么燃料的内燃发动机，均可以获取不同点火提前角度以及对应的汽缸谐振频率，并产生与当前的点火提前角度下的汽缸谐振频率一致的电磁波，保证点火时机和谐振时机基本一致，从而发生谐振的几率大大提高，点火成功率也相应得到大大提高，失谐的时间非常短(几乎可以忽略不计)。而现有的利用电磁体点火的技术采用的磁控管产生的电磁波的频率是固定2.45GHz，但是发动机腔体谐振频率不能保证固定在2.45GHz。因此，现有的磁控管产生的电磁波的频率偏离点火时刻的汽缸谐振频率的几率很大，汽缸处于失谐状态时间较长，在失谐的状态下，场强会随着失谐状态的加剧而降低，所以在失谐状态下是很难点火成功的。
[0056] 再次，本发明的耦合单元可以获取到与内燃发动机汽缸的等效输入阻抗最佳配合的输出阻抗，从而将电磁波能量反射减到最小，提高了点火成功的机率。这样输入电磁波的功率不需要高于200瓦，即能可靠点火。
[0058] 此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0059] 图1本发明实施例的匀质冲量电磁体点火式内燃发动机的框图；
[0060] 图2为本发明实施例的第一种开放结构的耦合单元的放大示图；
[0061] 图3为本发明实施例的第二种开放结构的耦合单元的放大示图；
[0062] 图4为本发明实施例的第一种耦合单元与汽缸的组合在谐振时的电场强度三维等高线示图；
[0063] 图5为本发明实施例的第一种耦合单元与汽缸的组合在谐振时的电场强度矢量分布示图；
[0064] 图6为本发明实施例的第二种耦合单元与汽缸的组合在谐振时的电场强度三维等高线示图；
[0065] 图7为本发明实施例的第二种耦合单元与汽缸的组合在谐振时的电场强度矢量分布示图；
[0066] 图8为本发明实施例的内燃发动机点火方法的流程图；
[0067] 图9为本发明实施例的内燃发动机结构示意图；
[0068] 图10为本发明实施例的第一种电磁波源结构示意图；
[0069] 图11为本发明实施例的第一种电磁波源结构中电磁波信号发生源原理图；
[0070] 图12为本发明实施例的第二种电磁波源结构示意图；
[0071] 图13为双极晶体管的反馈振荡电路的一个实现电路；
[0072] 图14为砷化镓金属-半导体场效应管振荡电路的一个实现电路；
[0073] 图15为直流升压电路；
[0075] 图17为不同转速下燃料燃烧速度。
具体实施方式
[0076] 以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
[0077] 本发明中，用于产生电磁波的电磁波源，其频率可控，容易根据具体应用的发动机结构和燃料成分确定点火提前角度下的汽缸共振频率进行设置。因此本发明中的匀质预混合电磁体点火内燃发动机具有通用性。
[0078] 而一旦发动机型号和燃料成分确定，发动机可采用固定点火提前角度点火，与目前火花点火发动机类似，固定点火提前角度设定为发动机运行于中高速区，而在发动机低速区，存在轻微爆震现象。
[0079] 对于电磁体点火式内燃发动机，固定点火提前角度的选取需要兼顾空燃比变化和活塞运动控制精度。空燃比变化会影响空燃混合气体的相对介电常数。由图 16可知空燃比变化对混合气体相对介电常数的影响，从而可以根据仿真得到点火提前角度一定时的空燃比变化对应的共振频率的变化范围。再考虑活塞运动，由于不同发动机转速对应着不同的活塞运动速度，理论上，每个不同的转速都有一个最佳点火提前角度对应的活塞位置，使得当活塞运动到上止点附近(-5°) 时，正好50％的燃料(CA50)已经完成燃烧。由图17给出固定点火提前角度下，不同转速的燃料燃烧比例关系。选择合适的点火提前角度，使得转速变化时，CA50 对应的转轴角度在360°-5°的范围内。
[0080] 还需要考虑到汽缸共振频率对活塞运动到不同位置的敏感程度，即共振产生后，活塞再运动多久会产生失谐。根据仿真结果，活塞越远离上止点，即点火提前角度越大，谐振频率对活塞运动越不敏感。最后，综合空燃比、转速和活塞运动对谐振频率的影响，选出合适的固定点火提前角度。
[0081] 以下描述下本发明的应用场景：
[0082] 如图9所示，为一种燃料-空气预混合匀质充量电磁体点火式内燃发动机的结构示意图。发动机结构如图所示有进气阀、出气阀、活塞，有汽缸，活塞在汽缸内运动，图中所指活塞位置即活塞运动到的位置。该内燃机燃料可以是汽油，也可以是天然气或者柴油，采用高压电脉冲火花塞点火的内燃机都适用于本专利。
[0083] 如图1所示，电磁体点火系统B，包括发动机控制单元E，电磁波源B1和耦合单元B4以及汽缸C等。电磁波源与耦合单元中的传输线B2相连接，耦合单元由耦合天线B3和传输线B2组成，耦合单元与内燃发动机汽缸C形成类似电容、电感的电磁谐振结构，即汽缸电磁波腔体。发动机控制单元E监测当前的内燃发动机转速，并在达到所述内燃发动机转速的点火提前角度时通知电磁波源B1，电磁波源B1产生电磁波并通过同轴传输线B2传输至耦合天线B3，最终将电磁波能量耦合传输进入汽缸电磁波腔体C，利用汽缸电磁波腔体C使电磁波发生谐振；其中，类似普通电磁波天线的耦合天线B3位于汽缸电磁波腔体C火花塞接口处，外形尺寸与相应的汽油内燃发动机火花塞相同，由任何耐高温高压的导体制成。需要说明的是，图9所示的双气门内燃发动机是本发明的众多应用实例中一个，本方案所针对的内燃发动机结构并不限于此，本方案也可应用于其他类型的多气门内燃发动机，例如四气门内燃发动机、五气门内燃发动机等等。本方案中的电磁波源B1一般为微波源，其所产生的电磁波一般为微波，当然本发明并不限于此。
[0084] 以下描述下本发明的设计原理：
[0085] 本发明点火的基础是让电磁波在汽缸内发生谐振，这就要求输入电磁波与汽缸的频率一致从而发生谐振。
[0086] 但是汽缸的频率是不固定，也就是说，活塞的运动会造成汽缸电磁波腔体C 的频率变化，而这个频率变化是连续的，从而产生活塞位置与汽缸的频率的对应关系，通过不同点火提前角度对应的不同的活塞位置，得到点火提前角度与汽缸谐振频率的对应关系。这个对应关系是可以预先计算出来，如果汽缸形状和燃料类型确定。而点火提前角度依照燃料类型和燃烧时间，预先确定使得当活塞运行至-5°区域时，燃料燃烧过半。最终，针对每个不同发动机和燃料确定相应的点火提前角度和汽缸电磁波腔体共振频率。
[0087] 而现有的磁控管产生的电磁波的频率是固定的，当电磁波的频率偏离点火时刻的汽缸谐振频率时，汽缸处于失谐状态的，在失谐的状态下，场强会随着失谐状态的加剧而降低，所以在失谐状态下是很难点火成功的。
[0088] 所以，本发明要完成让电磁波在汽缸内发生谐振的目的，则本发明必须要完成的技术环节是产生频率可控的电磁波，使得电磁波的频率与点火时刻的汽缸谐振频率相一致的几率最大化。
[0089] 同时，还可以在电磁波传输发生部分辅以这样的技术环节：最佳耦合——将输入小功率的电磁波，以最佳地方式耦合入汽缸内，使反射最小，同时可以协助增加谐振后电场强度的放大倍数。
[0090] 同时为保证谐振后电场强度超过点火的临界点，电磁波功率需要不小于 50dBm或100瓦。
[0091] 以下描述下本发明的核心构思:
[0092] 通常来说，汽车的内燃发动机的转速一般为650转/分钟到7200转/分钟的范围，在这个范围内的每种转速下，点火时刻活塞的位置是不同的，即点火提前角度是不同的；同时，在相同转速下，天然气发动机的点火提前角度一般要比汽油内燃机的角度提前8-10度，如果是双燃料发动机，点火提前角度比汽油内燃机角度提前但迟于天然气发动机。
[0093] 本发明预先根据内燃发动机的转速范围，检测每种转速下对应的满足CA50 在上止点-5°的点火提前角度；进一步地，根据点火提前角度，计算对应的汽缸谐振频率和达到失谐前允许的活塞运动范围。
[0094] 基于以上建立的内燃发动机的转速范围与点火提前角度范围之间的对应关系，以及点火提前角度与所述汽缸谐振频率之间的对应关系，从而可以预先确定内燃发动机的固定点火提前角度以及该点火提前角度对应的汽缸谐振频率，设置电磁波源产生与所述汽缸谐振频率一致的电磁波。在内燃机实际运行时，由发动机控制单元通知电磁波源产生预先设置频率的电磁波，由于这个电磁波的频率与点火时刻的汽缸谐振频率一致，并且具有足够大的能量，所述电磁波在汽缸内被谐振放大后产生的电场强度大于发生点火的临界电场强度。
[0095] 在理论上，由于本发明所产生的电磁波的频率是可控的，所以无论是什么燃料的内燃发动机，均可以获取不同转速下的点火提前角度以及对应的汽缸谐振频率，并产生与当前的点火提前角度下的汽缸谐振频率一致的电磁波。
[0096] 但是在实际应用中，产生的电磁波的频率与当前的点火提前角度下的汽缸谐振频率会有一点点偏差，因此在本发明的实际应用中选择电磁波频率是应考虑偏差范围，使得活塞只要稍微继续运动一点点距离，可以保证在经过非常短的时延后，电磁波的频率必然会与汽缸谐振频率一致，从而发生谐振点火成功，使失谐的时间非常短(几乎可以忽略不计)，从而保证点火时机和谐振时机基本一致，点火成功率得到很大的提升。而在现有的磁控管产生的电磁波的频率是固定不可调的，因此，现有的磁控管产生的电磁波的频率偏离点火时刻的汽缸谐振频率的几率很大，汽缸处于失谐状态时间较长，在失谐的状态下，场强会随着失谐状态的加剧而降低，所以在失谐状态下是很难点火成功的。
[0097] 最佳耦合的解决:
[0098] 耦合单元存在输出阻抗，而汽缸本身存在输入阻抗。在理想状态下，耦合单元的输出阻抗和汽缸的等效输入阻抗一致，此时电磁波的能量不会发生反射，电磁波能量会完全进入汽缸。
[0099] 但是在实际应用中，由于汽缸的不规则形状，汽缸的等效输入阻抗不是一个固定的数值，可能是一个变化的曲线且很难准确获取，这些导致耦合单元的输出阻抗和汽缸的等效输入阻抗很难保持一致。因此，若使用普通天线，电磁波发射进入汽缸后，能量会反射回耦合单元，这样进入汽缸的能量就会发生衰减，输出阻抗与输入阻抗匹配得越不好，反射越大，能量进入汽缸的衰减越厉害。
[0100] 而输出阻抗可以由耦合单元的结构来决定，所以本发明的耦合单元结构与内燃发动机的汽缸的等效输入阻抗曲线配合将电磁波能量最大耦合输入汽缸，从而提高电磁波和电磁场点火的可靠性。这样输入电磁波的功率不需要高于200瓦，一般输入功率达到100瓦即能成功点火。
[0101] 以下以一实施例对本发明的电磁体点火式内燃发动机进行说明。
[0102] 如图1所示，电磁体点火式系统B，包括：发动机控制单元E、电磁波源B1、耦合单元B4，耦合单元B4包括传输线B2和耦合天线B3。电磁体点火式系统B 向汽缸电磁波腔体C输出电磁体点火后驱动发动机机械部分D运行，车载电源A 为电磁体点火式系统B供电。
[0103] 如图9所示，首先，在点火前，燃料与空气在点火前已预混合，点火时刻，所述发动机控制单元E，监测当前的内燃发动机活塞运动位置，根据当前设定的点火提前角度，给所述电磁波源B1发送产生电磁波的通知，所述通知应比实际点火提前角度提前一些时间，以保证在活塞继续运动时，汽缸电磁波腔体C的共振频率会与电磁波源B1发送的电磁波频率一致；
[0104] 所述电磁波源B1，接到产生电磁波的信号后，立刻产生与所述汽缸谐振频率一致的电磁波，并将产生的与所述汽缸谐振频率一致的电磁波发送给耦合单元 B4；
[0105] 所述耦合单元B4，用于将与所述汽缸谐振频率一致的电磁波输入到汽缸电磁波腔体C，以使所述电磁波在汽缸内产生谐振并被放大后产生电场强度大于发生点火的临界电场强度的电场，其中，耦合单元B4向汽缸内发射的电磁波的能量不低于100瓦不高于200瓦；
[0106] 所述耦合单元B4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传输线中的绝缘层、外围天线与中心天线围成的空间)和汽缸电磁波腔体C，构成电磁波谐振腔，使所述电磁波在汽缸内被谐振放大后产生的电场强度大于发生点火的临界电场强度，谐振腔使电磁波被谐振放大后产生的电场强度达到106伏/米量级。
[0107] 以下以一实施例对本发明的电磁体点火方法进行说明。
[0108] 如图8所示，为本发明实施例的内燃发动机点火方法的流程图，包括：
[0109] 步骤100，监测当前的内燃发动机活塞运动位置，根据当前设定的点火提前角度，给所述电磁波源B1发送产生电磁波的通知，通知时间要提前于点火提前角度；
[0110] 步骤200，电磁波源根据所述通知中包括的汽缸谐振频率产生与所述汽缸谐振频率一致的电磁波。
[0111] 其中，产生的电磁波的功率(能量)不低于100瓦，且不高于200瓦；
[0112] 步骤300，电磁波源将产生的与所述汽缸谐振频率一致的电磁波发送给耦合单元；
[0113] 步骤400，耦合单元将所述电磁波输入到汽缸，以使所述电磁波在汽缸内产生谐振并被放大后产生电场强度大于发生点火的临界电场强度的电场；
[0114] 其中，电磁波被谐振放大后产生的电场强度达到106伏/米量级。
[0115] 以下以一实施例对本发明电磁体点火式内燃发动机中包含的电磁波源进行说明。
[0116] 本发明实施例提供的电磁波源包括：直流供电源、电磁波信号发生源电路和功率器件；
[0117] 其中，所述直流供电源为所述电磁体点火式内燃发动机的车载电源，为所述电磁波源提供直流电源，且为电磁波信号发生源电路提供产生电磁波所需的电压；
[0118] 所述电磁波信号发生源电路用于产生频率可控且稳定的电磁波，且所述产生的电磁波的频率与所述电磁体点火式内燃发动机中当前的内燃发动机转速的点火提前角度对应的汽缸谐振频率相一致；其中，电磁波信号发生源电路可以采用反馈振荡电路来实现；
[0119] 所述功率器件用于对所述电磁波信号发生源电路产生的电磁波进行功率放大处理或相位调整处理。
[0120] 可选地，本发明实施例中，若所述车载电源的电压小于一定电压值(如42V) 时，则所述电磁波源还包括升压电路，用于对所述车载电源的电压进行升压处理，以使所述电磁波信号发生源电路产生功率不低于100瓦且不高于200瓦的电磁波；
[0121] 可选地，本发明实施例中所述的电磁波源包括：一个或一个以上电磁波信号发生源电路；
[0122] 若所述电磁波源包括一个电磁波信号发生源电路，则所述功率器件为功率放大器，用于对所述电磁波信号发生源电路产生的电磁波进行功率放大处理；
[0123] 若所述电磁波源包括多个并联的电磁波信号发生源电路时，则所述功率器件为功率合成器，用于所述多个并联的电磁波信号发生源电路各自产生的电磁波进行相位调整处理，使多个电磁波的相位相同。
[0124] 可选地，本发明实施例所述的电磁波源还包括：散热装置和/或温度补偿电路；其中，所述散热装置用于对所述功率器件产生的热量进行散热处理；
[0125] 所述温度补偿电路用于对所述功率器件进行温度补偿。
[0126] 图1为本发明实施例的内燃发动机及点火系统的结构示意图，如图1所示，[0127] 需要指出的是，电磁波源的具体实现方法有多种，下面的两个实施例仅仅是其中两个实现结构。
[0128] 1)图10为本发明实施例的一种电磁波源的结构示意图，如图10所示，电磁波源包括直流供电、电磁波信号发生源和功率放大部分。
[0129] 所述直流供电由车载供电系统供电，如果车载供电系统是12伏供电系统，则根据电磁波信号源不同类型，决定是否增加升压电路。
[0132] 功率放大器采用的半导体器件包括晶体管和场效应管，如GaAs-HEMT(砷化镓-高电子转移率晶体管)、GaN-HEMT(氮化镓-高电子转移率晶体管)、 GaAs-MESFET(砷化镓-金属-半导体场效应管)、SiGe-HBT(硅锗异质结双极型晶体管)、InP-HBT(磷化铟异质结双极型晶体管)、GaAs-HBT(砷化镓异质结双极型晶体管)、LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)等等。由于半导体功率器件会产生一定热量，为了保证电磁波源输出频率稳定，需增加散热装置和温度补偿电路。
[0133] 图11为反馈振荡电路的原理图，是产生电磁波信号的多种电路中的一种实现，任何可以产生电磁波信号的电路都可以作为电磁波信号发生源。如图11所示，反馈振荡电路的反馈电压与原输入电压(这里的原输入电压可以是升压电路的输出电压)同相，经过具有线性放大半导体器件(放大器)后，反馈振荡电路的输出电压幅值增大。当反馈振荡电路中的反馈电压幅值超过放大器线性工作区后，输出电压增益减小，最终输出电压稳定，从而可以输出频率稳定的电磁波信号。
[0134] 以下对图11的反馈振荡电路产生的电磁波的频率如何可调进行说明：
[0135] 图13为反馈振荡电路的一种实现电路，如图13所示，是一种双极晶体管的反馈振荡电路，其中，VEE和VCC为电源，可以是升压电路的输出电压，Vout 为电磁波的输出电压。基于LC振荡电路的工作原理，当电容器充电后与线圈相连，电容器要放电，线圈对电流有阻碍作用，使得谐振电路的品质因数Q值渐渐减少，而电流放大系数B慢慢增加，所以电场能转化为磁场能，从而产生电磁波；其中，振荡电路产生的振荡电流的频率平方与线圈L以及电容C成反比，因此可以改变电容器的电容或者线圈的自感系数，就可以改变产生的电磁波的频率，若要产生频率高的电磁波，根据频率与波长之间的反比关系，需要电磁波的波长变短些，则可以通过减小电容器的电容，或减小线圈中的自感系数来实现。例如，减小电容器极板正对面积，电容器的电容变小，导致线圈的振荡频率变大，则产生的电磁波的波长变短。
[0136] 图14为反馈振荡电路的又一个实现电路，如图12所示，为GaAs MESFET振荡电路，基于振荡电路的工作原理，可以改变电容器的电容或者线圈的自感系数，就可以改变产生的电磁波的频率，Vout为电磁波的输出电压；
[0137] 需要说明的是，本发明的反馈振荡电路并不限于上述实现电路。
[0138] 2)图12为本发明实施例的又一种电磁波源的结构示意图，电磁波源包括直流供电、多个并联的电磁波信号发生源和功率合成部分。
[0139] 所述直流供电由车载供电系统供电，如果是42伏供电系统，则根据电磁波信号源不同类型，决定是否需要升压电路。所述若干电磁波信号发生源，可以是一个也可以是多个电磁波信号发生源。只要其输出功率能达到100瓦以上，并不需要对电磁波信号发生源的个数加以限制。所述功率合成部分，对多个电磁波信号发生源输出的电磁波的进行调相，使多个电磁波信号相位相同。
[0140] 其中，多个并联的电磁波信号发生源采用相同结构。任何可以产生电磁波信号的电路，包括图13和图14所示的振荡电路，都可以作为电磁波信号发生源。本发明并不限于上述实现电路。
[0141] 以下再以一实施例对本发明电磁体点火式内燃发动机中包含的耦合单元进行说明。
[0142] 如图2和3所示，耦合单元，包括：传输线及处于所述传输线延伸方向的耦合天线。
[0143] 所述传输线的中心导体2处于所述传输线的中心轴，绝缘层3围绕着所述中心轴包覆所述中心导体2，外层导体1围绕着所述中心轴包覆所述绝缘层3。所述耦合天线，包括：中心天线5和与所述中心天线同轴的外围天线4，其中，所述中心天线5为所述传输线的中心导体2的延伸，并伸入汽缸内；所述外围天线 4为所述传输线的外层导体1的延伸，同柱围绕着所述中心天线5并伸入汽缸内，所述外围天线4的数量不小于所述中心天线5。
[0145] 所述耦合天线与所述传输线在连接处6与汽缸交界，并一起组成谐振腔。当所述绝缘层使用非耐热材料时，所述绝缘层在连接处6暴露的表面覆盖具有透射电磁波能力的隔热材料，所述隔热材料可以是陶瓷材料，电磁波通过绝缘层，由隔热材料透射进汽缸。当然，当所述绝缘层使用耐热材料时，如绝缘层本身为陶瓷材料，则无需隔热材料。
[0146] 耦合单元的输出阻抗由中心导体2的半径和绝缘层3的厚度决定，因此本发明根据汽缸的等效输入阻抗或几何形状设计耦合单元的中心导体2的半径和绝缘层3的厚度和耦合天线形状，达到以最小的电磁波输入和最小的电池功耗产生超过点火所需的临界电场强度。
[0147] 耦合单元的安装尺寸与火花塞的外形尺寸一致，耦合单元的外径与火花塞接口的直径一致。在实际操作中，由于耦合单元的输出阻抗由中心导体2和绝缘层 3决定，外层导体1的外径固定，可以通过改变所述传输线的外层导体1的形状以适应汽缸的火花塞接口处的形状，使所述耦合单元的尺寸适配所述火花塞的尺寸以将所述耦合单元直接安装在汽缸盖顶部的火花塞接口处。
[0149] 当在输入功率为1瓦，汽缸活塞在压缩冲程移近上止点通过谐振点火时，汽缸顶部的电场分布可以参见一下视图：
[0150] 图4和5分别为第一种开放结构的耦合单元与汽缸的组合在谐振时的电场强度三维等高线示图和电场强度分布示图；
[0151] 图6和7分别为第二种开放结构的耦合单元与汽缸的组合在谐振时的电场强度三维等高线示图和电场强度分布示图；
[0152] 表2是基于图2所示的耦合单元结构，以三种外围天线长度(图2中4的沿汽缸中心轴方向的长度)为例，列出了在输入功率为1瓦时，这三种频率的电磁波在汽缸内谐振产生的电场强度的大小，可见最小场强均已超过1×105伏/米，也就是说，若输入100瓦，电场强度即可达1×106伏/米。
[0153] 而研究证明电磁体点火的电场强度只需达到106伏/米量级即可成功点火。由此，使用现有车载蓄电池就足够使点火时的电场强度维持在临界场强之上。本发明所产生的电场场强不但能点燃比1：25更稀薄的混合气，亦可点燃比汽油更难点燃的丙烷(液化石油气的主要成分之一)。同时，本发明中的耦合单元不限于表中给出的参数和结构[0154]
[0155] 表2.输入为1瓦功率时汽缸顶部的电场强度
[0156] 传统理论认为，耦合天线的设计结构主要与电磁波的波长密切相关，并且当耦合天线长度为1/4波长时效果最佳，在本例中当输入功率为1瓦时谐振所产生的电场强度可达到5.8×105伏/米。
[0157] 然而在本发明中，考虑利用汽缸作为谐振腔的特点，实际中汽缸是不规则腔体，发生谐振时的电磁场本征模式和频率则与汽缸的深度(即活塞的位置，活塞位置决定当前了汽缸的深度)必然相关，因此，耦合天线结构的设计间接受到汽缸深度的影响。
[0158] 通过实验仿真数据可以获知，中心天线5的长度与电磁波源所产生的电磁波波长有关，所述电磁波的波长与谐振放大发生点火的时刻谐振腔(本发明中即为汽缸)深度有关。所述中心天线的长度L1的基础范围需保证大于零且小于所述汽缸的汽缸盖深度的50％，同时所述中心天线的长度L1还要保证处于所述电磁波源所产生的电磁波波长的1/3±10％的范围。
[0159] 中心天线5的长度L1的最佳范围应处于1/3波长附近(一般为波长的 30％-35％)，并且中心天线5的长度L1的最佳范围同时满足处于汽缸盖深度的 30％附近，实验证实L1为波长的33.74％时效果最佳，在本例中当输入功率为1 瓦时谐振所产生的电场强度可达到1.18×106伏/米，远远超过传统理论上的最佳谐振电场强度。
[0160] 本发明实施例的电磁波源首先可以直接通过车载直流电源进行供电产生电磁波，可以有效利用车载直流电源，降低电磁体点火式内燃发动机的实现成本；而现有的磁控管产生电磁波时需要额外配置高压变压器以保证足够的高压驱动，增加了实现成本。
[0161] 其次，本发明的电磁波源产生的电磁波的频率是可控的，无论是什么燃料的内燃发动机，均可以获取不同的点火提前角度以及对应的汽缸谐振频率，并产生与当前的点火提前角度下的汽缸谐振频率一致的电磁波，保证点火时机和谐振时机基本一致，从而发生谐振的几率大大提高，点火成功率也相应得到大大提高，失谐的时间非常短(几乎可以忽略不计)。而现有的磁控管产生的电磁波的频率是固定在2.45GHz，因此，现有的磁控管产生的电磁波的频率偏离点火时刻的汽缸谐振频率的几率很大，汽缸处于失谐状态时间较长，在失谐的状态下，场强会随着失谐状态的加剧而降低，所以在失谐状态下是很难点火成功的。
[0162] 再次，本发明的耦合单元可以获取到与内燃发动机汽缸的等效输入阻抗最佳配合的输出阻抗，从而将电磁波能量反射减到最小，提高了点火成功的机率。这样输入电磁波的功率不需要高于200瓦，即能可靠点火。
[0163] 最后，本发明的方案可以精确控制电磁体点火的时间，在特定的时间输入电磁波，因此可以有效避免电磁波因提前输入而导致在谐振点火前就产生等离子体使得电场强度下降。
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