[發明專利]一種可視化研究微波等離子體輔助點火的實驗裝置

有效

• 申請號: 201611226136.X
• 申請日: 2016-12-27
• 公開（公告）號: CN106762330B
• 公開（公告）日: 2018-11-02
• 發明（設計）人: 王兆文;張新華;武文杰;成曉北
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: F02P17/00
• 分類號: F02P17/00;H01T13/20;H01T13/32
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李歡

本發明公開了一種可視化研究微波等離子體輔助點火的實驗裝置，該裝置包括：火花塞系統、微波系統、定容燃燒彈系統、光學攝影系統及控制系統；所述控制系統發出三路存在特定相差的同步脈沖信號，第一路脈沖信號觸發所述火花塞系統產生脈沖高電壓用于放電擊穿稀薄混合燃氣形成初始等離子體團；第二路脈沖信號觸發所述微波系統產生特定頻率及特定功率的微波脈沖向所述等離子體團中耦合能量以擴大等離子體團實現點火；第三路脈沖信號觸發所述光學系統透過所述定容燃燒彈系統的石英窗聚焦于微波天線與高壓電極中心開始拍攝，記錄所述實驗的全過程。本發明的裝置，保留了微波集成火花塞的點火方式，能夠真實的反映微波等離子體輔助點火的作用過程。

技術領域

本發明涉及等離子體輔助點火及燃燒領域，更具體地，涉及一種用于可視化研究微波等離子體輔助點火的實驗裝置。

背景技術

隨著環境的惡化以及能源的超前消耗，保護環境以及高效利用能源愈來愈成為人類切身的訴求，發動機研究人員也在不斷探索“節能減排”的技術。稀薄燃燒技術利用高空燃比和高壓縮比來提高燃油經濟性并提高尾氣排放水平，是內燃機領域中最具潛力的提高內燃機熱效率的燃燒方式之一。但內燃機實現稀薄燃燒甚至超稀薄燃燒時，存在點火困難，火焰傳播不穩定等問題。

目前車用點燃式內燃機普遍采用火花塞來進行點火，火花塞點火技術在內燃機領域的應用已經很成熟。內燃機啟動后，在火花塞上施加一個瞬時的脈沖高電壓(一般為15000V)，在高壓電極與接地電極間形成高強度電場，電弧擊穿燃氣混合物，產生高溫高壓的等離子體火花，從而實現點火。但當混合燃氣當量比較小時，即燃料較稀時，常規火花塞只能擊穿混合氣體并形成初始的等離子體團，而無法提供足夠的能量來滿足點火過程的需要，這就導致內燃機稀薄燃燒點火面臨了困難。通過提高傳統火花塞點火能的方法，效果不明顯，并且會縮短火花塞壽命。

微波作為一種高頻電磁波，可以向等離子體團中質量較輕的電子耦合能量，從而對等離子體團及周圍環境產生熱力學和動力學方面的影響，促進混合氣的著火。

此外，微波在空間傳播時遇金屬材料就會發生反射，而遇非金屬材料如玻璃等就會穿透，而且損失不大。市場上標準的射頻同軸連接器就是基于這個原理制成的，其應用也已經相當廣泛。

本文所涉及的一種依靠微波向火花放電產生的等離子體團中耦合能量擴大等離子體團從而實現點火的技術，就是應用了微波的以上的特點。該技術對稀薄燃氣的點火極限有一定的拓展且具有相當的市場實用潛力。但在理論上，對于此種方法改善內燃機燃燒性能的物理化學機理仍然缺乏深層次研究。

近些年來，利用光學儀器配合定容燃燒彈對燃燒學現象進行可視化研究的技術應用越來越普遍。該類技術建立光通道貫穿定容燃燒彈體，利用紋影、激光誘導熒光等技術記錄捕捉燃燒過程，已是比較成熟的技術。

專利文獻2016111635892公開了一種微波輔助火花塞點火集成裝置，該裝置集成了內燃機中火花塞電弧擊穿稀薄燃氣產生等離子體團以及微波向等離子體團中耦合能量的優點，能在不對內燃機燃燒室進行結構改造的前提條件下拓展內燃機稀燃極限并改善其稀薄燃燒性能，具有很強的市場實用性。

但在實驗條件下，若想可視化研究微波作用等離子體輔助點火火焰發展的特性，該專利中擬公開的一種微波輔助火花塞點火的集成裝置仍存在以下不足：

(1)集成火花塞由于接地極與正極間的空間狹小，限制了球形火焰的自由發展；

(2)由于紋影等技術基本為平面光拍攝，而集成火花塞圓柱體部分和“L”型接地極會阻擋光路；

(3)集成火花塞圓柱體部分以及“L”型接地極相對尺寸較大，會增加傳熱損失，使微波能作用等離子體的效果減弱。

發明內容