CN103758678A - 一种脉冲谐振电火花触发微波放电体模点火助燃装置 - Google Patents

一种脉冲谐振电火花触发微波放电体模点火助燃装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种脉冲谐振电火花触发微波放电体模点火助燃装置,包括20V直流电源、可控脉冲驱动信号源、MOSFET、固态高频自激谐振脉冲电源、2.45GHz微波源和体模点火助燃器，所述20V直流电源输出直流电压，通过MOSFET的通断实现开关脉冲直流输出，脉冲直流电压再通过三极管自激振荡施加在固态脉冲空心变压器的一次绕组上，实现高频自激励磁；脉冲磁场穿过固态脉冲空心变压器的二次绕组；脉冲高频高压通过高压传输线与体模点火助燃器的高电压接头相连；2.45GHz的微波源的微波功率输出，通过同轴波导与体模点火助燃器的同轴接头相连。本发明具有可控性、易实现性、价格成本低和易于移植替换现有点火装置的特点。

Description

一种脉冲谐振电火花触发微波放电体模点火助燃装置
技术领域
本发明属于高频放电等离子技术领域，涉及一种脉冲谐振电火花触发微波放电体模点火助燃装置。
背景技术
我国于2009年汽车产量超过日本，销量超过美国，成为世界第一大汽车生产国和销售国。汽车在提供交通便利的同时带来了大量污染，城市空气污染物主要来源于燃油汽车的废气排放。在车水马龙的街头，一股股浅蓝色的烟气从一辆辆机动车尾部喷出，这就是汽车尾气。这种气体不仅气味怪异，而且令人头昏、恶心，危害人的身体健康。燃油在缸内燃烧不充分，流失能量同时生成废气，其主要污染物包括一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）及亚微米颗粒物等，是阴霾天气的元凶。众所周知，火花点火一直是汽油机的技术核心，它利用火花塞产生火花，点燃压缩后的可燃混合气。然而,传统火花塞点火是基于电弧放电产生热平衡等离子体来点燃油气混合物的，电弧放电只有一条放电通道，不可能均匀快速点燃燃料，靠较慢的火焰前锋缓慢预燃，致使热损失和有害废气产生，这种工作过程效率低下，只有25～35%的能量用于实际行驶。混合气燃烧不充分又产生了大量的有害物质，原因在于火花点火后是从非常不充分的层流燃烧开始，且会形成火焰前锋，火焰前锋的传播速度约为20cm/s。在火焰前锋传播阶段，一面产生了大量的有害物质，另一面还会生成不必要的余热，这些余热不能被转化为机械功及在压缩冲程过早点火做负功。等到进入效率很高的涡流燃烧时，火焰的传播速度才达到200～300m/s。分析可见，若能准确控制点火时间且能很快涡流燃烧，就可以实现节能环保。
另一方面，顾及微波放电具有体模放电和产生低温高密度等离子体，微波点火技术已被成功开发。目前国际上主要流行四类微波点火技术，分属于中国、德国、日本和美国四国。清华大学张贵新教授报道了利用微波等离子体进行均质点燃压缩油气混合物的仿真及实验研究，其工作原理是微波场在谐振腔内共振增强，达到油气混合物的放电阈值就使得气缸内的燃料同时点燃；仿真结果和实验情况吻合，只是在模拟实验时，成功点火所需功率在5kW左右，改用脉冲调制微波源，控制技术要求和造价较高。德国MWI公司通过向燃烧室内辐射微波，燃料吸收微波能量，实现均匀准同时的大体积点火燃烧；据其专利报告，实现油耗下降30%、CO2降低30%和CO+SOx+NOx+CH排放量降到20%；唯一的不足也是使用了脉冲调制微波源，控制代价高。日本IkedaY等人在火花塞上加一个天线向缸内辐射微波，火花塞预电离，微波放电点火燃烧，提高了效率，降低CO尾气到50%；只是也要用脉冲信号来控制微波输出。第四种，是基于设计微波共振器来取代火花塞放电的微波点火技术，改善了直射汽油机的点火性能(需用脉冲调制微波源)，成功实现了低功率放电点燃甲烷-氧气混合气，开发了新型空间等离子体推进点火技术。综述这四种典型的微波点火技术，可见微波点火能取得节能环保，但需要使用价格昂贵的脉冲调制微波源，这就使得控制技术复杂，设备投入较大，实用难度增加。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种脉冲谐振电火花触发微波放电体模点火助燃装置,是谐振高频高压电源控制火花放电、可控火花放电控制微波体模放电和微波场燃烧区放电助燃的综合，其具有可控性、易实现性、价格成本低和易于移植替换现有点火装置的特点。采用5V直流方波信号进行高频脉冲驱动固态高频开关，易控制谐振高频高电压的单极电火花放电；可控脉冲电火花瞬时触发微波在整个燃烧区内同时体模放电；微波体模放电可同步点燃燃料；微波放电作用于燃烧燃料提高燃烧值而减少有机废气。其技术方案如下：
一种脉冲谐振电火花触发微波放电体模点火助燃装置,包括20V直流电源、可控脉冲驱动信号源、MOSFET、固态高频自激谐振脉冲电源、2.45GHz微波源和体模点火助燃器，所述20V直流电源输出直流电压，通过MOSFET的通断实现开关脉冲直流输出，脉冲直流电压再通过三极管自激振荡施加在固态脉冲空心变压器的一次绕组上，实现高频自激励磁；脉冲磁场穿过固态脉冲空心变压器的二次绕组，二次绕组有20kV的脉冲高频高压输出，其电流值为毫安级；脉冲高频高压通过高压传输线与体模点火助燃器的高电压接头相连；另一支路，2.45GHz的微波源的微波功率输出，通过同轴波导与体模点火助燃器的同轴接头相连。
进一步优选，所述体模点火助燃器包括同轴接头、高电压接头、微波环形天线、钢针和螺纹固定装置，钢针尖端的脉冲高频电火花放电实现气体预电离，所述微波环形天线的作用为实现微波功率向燃烧区域均匀辐射。
进一步优选，所述同轴接头的直径为1.6cm。
进一步优选，所述高电压接头的直径为0.8cm。
进一步优选，所述微波环形天线为半椭圆弧形镍铜合金金属丝。
进一步优选，所述钢针为不锈钢材质。
进一步优选，所述螺纹固定装置的直径为2.0cm。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明脉冲谐振电火花触发微波放电体模点火助燃装置是谐振高频高压电源控制火花放电、可控火花放电控制微波体模放电和微波场燃烧区放电助燃的综合，其具有可控性、易实现性、价格成本低和易于移植替换现有点火装置的特点。采用5V直流方波信号进行高频脉冲驱动固态高频开关，易控制谐振高频高电压的单极电火花放电；可控脉冲电火花瞬时触发微波在整个燃烧区内同时体模放电；微波体模放电可同步点燃燃料；微波放电作用于燃烧燃料提高燃烧值而减少有机废气；综合比较与现有的点火助燃装置，采用本发明所述的体模点火助燃装置，更能实现节能减排。
附图说明
图1为本发明脉冲谐振电火花触发微波放电体模点火助燃装置的结构示意图；
图2为本发明脉冲谐振电火花触发微波放电体模点火助燃装置中体模点火助燃器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
参照图1，一种脉冲谐振电火花触发微波放电体模点火助燃装置,包括20V直流电源、可控脉冲驱动信号源、MOSFET（金属-氧化物半导体场效晶体管）、固态高频自激谐振脉冲电源、2.45GHz微波源和体模点火助燃器，所述20V直流电源输出直流电压，通过MOSFET的通断实现开关脉冲直流输出，脉冲直流电压再通过三极管自激振荡施加在固态脉冲空心变压器的一次绕组上，实现高频自激励磁；脉冲磁场穿过固态脉冲空心变压器的二次绕组，由于固态脉冲空心变压器的一、二次绕组的匝数比达600和特斯拉线圈谐振效应，二次绕组有约20kV的脉冲高频高压输出，其电流值约毫安级；脉冲高频高压通过高压传输线与体模点火助燃器的高电压接头相连；另一支路，2.45GHz的微波源（100～200W的微波功率输出）的微波功率输出，通过同轴波导与体模点火助燃器的同轴接头相连。
参照图2，本发明所述体模点火助燃器包括同轴接头、高电压接头、微波环形天线、钢针和螺纹固定装置，钢针尖端的脉冲高频电火花放电实现气体预电离，起到引导触发微波放电的效果；微波环形天线实现微波功率向燃烧区域均匀辐射的结果；当电火花未发生时，微波辐射场与燃料混合物分子相互作用，可以活化燃料分子而降低着火点和微波放电的阈值功率；当电火花发生时，微波辐射场在整个燃烧区实现体模放电，同时点燃燃料；燃烧做功阶段，微波放电与燃烧混合进行，促进了燃料燃烧效率和减少有机废气排放。所述同轴接头的直径为1.6cm。所述高电压接头的直径为0.8cm。，所述微波环形天线为半椭圆弧形镍铜合金金属丝。所述钢针为不锈钢材质。所述螺纹固定装置的直径为2.0cm。
本发明的工作原理：100～200W的2.45GHz微波功率在燃烧区内不会自发放电，但是微波辐射场会与燃料混合物分子相互作用，起到活化燃料分子而降低着火点和微波放电的阈值功率的效果。当有高频脉冲电火花的预电离引导触发作用时，点火助燃器的微波天线表面和钢针表面与微波场发生共振效应，沿着微波天线表面和钢针表面出现局域增强电场，引起局域放电，增加了电离区域；在大气环境下，微波放电表现为丝状放电，丝状放电通道的电导率很大，丝状放电丝的顶端处均出现局域增强电场，使得放电区域快速（微秒级）发展到整个燃烧区，进而几乎瞬时（相对于火焰发展速度）同步体模点燃燃料混合物。当电火花未发生时，微波辐射场与燃料混合物分子相互作用，可以活化燃料分子而降低着火点和微波放电的阈值功率；当电火花发生时，微波辐射场在整个燃烧区实现体模放电，同时点燃燃料；燃烧做功阶段，微波放电与燃烧混合进行，促进了燃料燃烧效率和减少有机废气排放。调节可控脉冲驱动信号源的频率(20～1000Hz)及占空比(1%～100%)，可以控制点火助燃器的工作频率，实现可控点火助燃。
由此可见本发明相对于现有技术具有如下特点：
1.放电器的构型：现有的传统火花塞，其是双电极结构，点火过程是基于电弧放电产生热平衡等离子体来点燃油气混合物的，电弧放电只有一条放电通道，不可能均匀快速点燃燃料，靠较慢的火焰前锋缓慢预燃，致使热损失和有害废气产生；本发明采用单电极结构实现高频脉冲火花放电，进一步引导触发微波辐射场在整个燃烧区同步体模点燃燃料混合物，点火助燃器的结构简单，易于制作；点火助燃器的结构、尺寸及操作技术，是特有的；
2.体模点火助燃装置系统的构建方案：采用20V直流电源、可控脉冲驱动信号源、MOSFET（金属-氧化物半导体场效晶体管）、固态高频自激谐振脉冲电源、2.45GHz微波源和体模点火助燃器构成，这种构建系统是特有的；
3.基于1-2两点，实现了开放式的点火助燃装置，其燃烧区内的燃料瞬时体模点燃、点火前的燃料微波活化和点火后微波放电助燃，使得燃烧效率提高和降低有机危害废气排放量。
以上所述，仅为本发明最佳实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种脉冲谐振电火花触发微波放电体模点火助燃装置,其特征在于，包括20V直流电源、可控脉冲驱动信号源、MOSFET、固态高频自激谐振脉冲电源、2.45GHz微波源和体模点火助燃器，所述20V直流电源输出直流电压，通过MOSFET的通断实现开关脉冲直流输出，脉冲直流电压再通过三极管自激振荡施加在固态脉冲空心变压器的一次绕组上，实现高频自激励磁；脉冲磁场穿过固态脉冲空心变压器的二次绕组，二次绕组有20kV的脉冲高频高压输出，其电流值为毫安级；脉冲高频高压通过高压传输线与体模点火助燃器的高电压接头相连；另一支路，2.45GHz的微波源的微波功率输出，通过同轴波导与体模点火助燃器的同轴接头相连。
2.根据权利要求1所述的脉冲谐振电火花触发微波放电体模点火助燃装置,其特征在于，所述体模点火助燃器包括同轴接头、高电压接头、微波环形天线、钢针和螺纹固定装置，钢针尖端的脉冲高频电火花放电实现气体预电离，所述微波环形天线的作用为实现微波功率向燃烧区域均匀辐射。
3.根据权利要求2所述的脉冲谐振电火花触发微波放电体模点火助燃装置,其特征在于，所述同轴接头的直径为1.6cm。
4.根据权利要求2所述的脉冲谐振电火花触发微波放电体模点火助燃装置,其特征在于，所述高电压接头的直径为0.8cm。
5.根据权利要求2所述的脉冲谐振电火花触发微波放电体模点火助燃装置,其特征在于，所述微波环形天线为半椭圆弧形镍铜合金金属丝。
6.根据权利要求2所述的脉冲谐振电火花触发微波放电体模点火助燃装置,其特征在于，所述钢针为不锈钢材质。
7.根据权利要求2所述的脉冲谐振电火花触发微波放电体模点火助燃装置,其特征在于，所述螺纹固定装置的直径为2.0cm。
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