CN106762330B - 一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置，该装置包括：火花塞系统、微波系统、定容燃烧弹系统、光学摄影系统及控制系统；所述控制系统发出三路存在特定相差的同步脉冲信号，第一路脉冲信号触发所述火花塞系统产生脉冲高电压用于放电击穿稀薄混合燃气形成初始等离子体团；第二路脉冲信号触发所述微波系统产生特定频率及特定功率的微波脉冲向所述等离子体团中耦合能量以扩大等离子体团实现点火；第三路脉冲信号触发所述光学系统透过所述定容燃烧弹系统的石英窗聚焦于微波天线与高压电极中心开始拍摄，记录所述实验的全过程。本发明的装置，保留了微波集成火花塞的点火方式，能够真实的反映微波等离子体辅助点火的作用过程。

Description

一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置

技术领域

本发明涉及等离子体辅助点火及燃烧领域，更具体地，涉及一种用于可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置。

背景技术

随着环境的恶化以及能源的超前消耗，保护环境以及高效利用能源愈来愈成为人类切身的诉求，发动机研究人员也在不断探索“节能减排”的技术。稀薄燃烧技术利用高空燃比和高压缩比来提高燃油经济性并提高尾气排放水平，是内燃机领域中最具潜力的提高内燃机热效率的燃烧方式之一。但内燃机实现稀薄燃烧甚至超稀薄燃烧时，存在点火困难，火焰传播不稳定等问题。

目前车用点燃式内燃机普遍采用火花塞来进行点火，火花塞点火技术在内燃机领域的应用已经很成熟。内燃机启动后，在火花塞上施加一个瞬时的脉冲高电压(一般为15000V)，在高压电极与接地电极间形成高强度电场，电弧击穿燃气混合物，产生高温高压的等离子体火花，从而实现点火。但当混合燃气当量比较小时，即燃料较稀时，常规火花塞只能击穿混合气体并形成初始的等离子体团，而无法提供足够的能量来满足点火过程的需要，这就导致内燃机稀薄燃烧点火面临了困难。通过提高传统火花塞点火能的方法，效果不明显，并且会缩短火花塞寿命。

微波作为一种高频电磁波，可以向等离子体团中质量较轻的电子耦合能量，从而对等离子体团及周围环境产生热力学和动力学方面的影响，促进混合气的着火。

此外，微波在空间传播时遇金属材料就会发生反射，而遇非金属材料如玻璃等就会穿透，而且损失不大。市场上标准的射频同轴连接器就是基于这个原理制成的，其应用也已经相当广泛。

本文所涉及的一种依靠微波向火花放电产生的等离子体团中耦合能量扩大等离子体团从而实现点火的技术，就是应用了微波的以上的特点。该技术对稀薄燃气的点火极限有一定的拓展且具有相当的市场实用潜力。但在理论上，对于此种方法改善内燃机燃烧性能的物理化学机理仍然缺乏深层次研究。

近些年来，利用光学仪器配合定容燃烧弹对燃烧学现象进行可视化研究的技术应用越来越普遍。该类技术建立光通道贯穿定容燃烧弹体，利用纹影、激光诱导荧光等技术记录捕捉燃烧过程，已是比较成熟的技术。

专利文献2016111635892公开了一种微波辅助火花塞点火集成装置，该装置集成了内燃机中火花塞电弧击穿稀薄燃气产生等离子体团以及微波向等离子体团中耦合能量的优点，能在不对内燃机燃烧室进行结构改造的前提条件下拓展内燃机稀燃极限并改善其稀薄燃烧性能，具有很强的市场实用性。

但在实验条件下，若想可视化研究微波作用等离子体辅助点火火焰发展的特性，该专利中拟公开的一种微波辅助火花塞点火的集成装置仍存在以下不足：

(1)集成火花塞由于接地极与正极间的空间狭小，限制了球形火焰的自由发展；

(2)由于纹影等技术基本为平面光拍摄，而集成火花塞圆柱体部分和“L”型接地极会阻挡光路；

(3)集成火花塞圆柱体部分以及“L”型接地极相对尺寸较大，会增加传热损失，使微波能作用等离子体的效果减弱。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置，其目的在于，在实验条件下，通过光学手段，探究微波与等离子体作用的物理化学机理，并研究微波作用下火花点火火焰发展的特性，为微波辅助火花塞点火改善内燃机稀薄燃烧特性这一技术的实际应用提供更有力的理论依据。

为了实现上述目的，本发明提供一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置，该装置包括：火花塞系统、微波系统、定容燃烧弹系统、光学摄影系统及控制系统；

其中，所述微波系统设置于所述定容燃烧弹系统的一侧，通过同轴连接器与所述定容燃烧弹系统连接；所述火花塞系统设置于所述定容燃烧弹系统的另一侧，并通过导线与所述控制系统连接；所述控制系统则通过导线与所述微波系统和所述光学摄影系统连接；

所述控制系统发出三路存在特定相差的同步脉冲信号，其中，第一路脉冲信号触发所述火花塞系统产生脉冲高电压，用于放电击穿稀薄混合燃气形成初始等离子体团；第二路脉冲信号触发所述微波系统产生特定频率及特定功率的微波脉冲，向所述初始等离子体团中耦合能量以扩大等离子体团实现点火；第三路脉冲信号触发所述光学摄影系统透过所述定容燃烧弹系统的石英窗聚焦于微波天线与高压电极中心开始拍摄，记录所述脉高电压放电击穿稀薄混合燃气形成初始等离子体团以及微波脉冲向所述初始等离子体团中耦合能量以扩大等离子体团实现点火后，火焰发展的全过程。

进一步地，所述同轴连接器包括中心导体、金属丝、绝缘玻璃，其中所述中心导体用于插入所述定容燃烧弹系统，并与所述火花塞系统的正极对齐，由此通过谐振在尖端产生强微波场，用于向所述等离子体团中耦合能量；同时作为所述火花塞的接地电极，与所述火花塞的正极共同构成高压放电击穿点火的完整结构。

进一步地，所述火花塞系统包括火花塞，所述火花塞包括中心电极和放电针端，其中所述放电针端插入所述定容燃烧弹系统，并与所述中心导体对齐，用于产生脉冲高电压。

进一步地，所述定容燃烧弹系统还包括定容燃烧弹体和传感器，其中定容燃烧弹体用于作为微波等离子体辅助点火的实验的反应容器，以实现不同实验环境下的研究；该传感器的一端与所述定容燃烧弹体及所述石英窗连接，它的另一端与所述控制系统连接，由此用于测量所述反应容器中的压力和温度信号，并传递给所述控制系统。

进一步地，所述微波系统包括微波源和定向耦合器，其中所述定向耦合器用于将所述微波源发出的入射微波以及被系统反射的反射微波进行分离。

进一步地，所述微波系统还包括电动销钉调谐器和波导同轴转换器，其中所述电动销钉调谐器位于所述波导同轴转换器内部，用于对所述微波源发出的微波能量进行调谐；所述波导同轴转换器用于将微波由波导传输转换为柔性的同轴电缆传输，以便于装置的灵活摆放。

进一步地，所述微波系统还包括微波功率计，其中所述微波功率计与所述控制系统连接，用于测量所述分离后的入射和反射的微波功率，以得出进入到所述定容燃烧弹系统内的微波功率，并传输给所述控制系统。

进一步地，所述微波系统还包括衰减器，其与所述定向耦合器连接，用于对所述入射微波和反射微波功率进行衰减，从而保护所述微波功率计不受损坏。

进一步地，所述光学摄影系统包括钠灯、球面镜及高速相机，其中所述钠灯用于发射光源，经所述球面镜反射进入所述定容燃烧弹体及所述石英窗后，再次经过另一个球面镜反射后进入所述高速相机，以拍摄记录所述高压放电击穿稀薄混合燃气形成初始等离子体团以及微波脉冲向所述等离子体团中耦合能量以扩大等离子体团实现点火后，火焰发展的全过程，并将图像传输给所述控制系统。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的装置保留了微波集成火花塞的作用方式，能够真实的反映微波等离子体辅助点火的作用过程；

(2)本发明的装置火花塞正极放电针端与同轴连接器尖端対置，对预混球形火焰的发展影响较小，易于清晰反映微波作用下点火及火焰发展的过程；

(3)本发明的装置火花塞正极放电针端与同轴连接器的尖端直径都较小，遮光面积小，易于高速相机拍摄；

(4)本发明的装置火花塞正极放电针端与同轴连接器的尖端直径都较小，且都利用了绝热材料，使得热损失较小，更易于观察微波的作用效果；

(5)本发明的装置可以实现不同实验环境下的微波集成火花塞的点火，以进行不同实验环境下的微波辅助点火规律和机理的研究。

附图说明

图1为本发明实施例一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置示意图；

图2为本发明实施例的一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置涉及的同轴连接器结构示意图；

图3为本发明实施例的一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置涉及的火花塞端部结构示意图。

所有附图中，相同的附图标记表示同一结构元件，其中：1-微波功率计、2-衰减器、3-定向耦合器、4-钠灯、5-球面镜、6-定容燃烧弹体及石英窗、7-进排气口、8-火花塞、9-点火线圈、10-单片机、11-高速相机、12-传感器、13-同轴连接器、14-隔直电容、15-计算机、16-波导同轴转换器、17-电动销钉调谐器、18-微波源、19-连接器金属外壳、20-聚四氟乙烯、21-中心导体、22-金属丝、23-绝缘玻璃、24-放电针端、25-中心电极、26-绝缘陶瓷、27-火花塞金属外壳。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明实施例一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置示意图。如图1所示，该装置包括火花塞系统、微波系统、定容燃烧弹系统、光学摄影系统、控制系统。

所述控制系统发出三路存在特定相差的同步信号，分别触发所述火花塞系统产生脉冲高电压用于放电击穿稀薄混合燃气形成初始等离子体团；触发所述微波系统产生特定频率及特定功率的微波脉冲向所述等离子体团中耦合能量以扩大等离子体团实现点火；触发所述光学系统透过所述定容燃烧弹系统的石英窗聚焦于微波天线与高压电极中心开始拍摄。继而对微波作用于等离子体和火焰发展的全过程进行监测。

具体实施方案为：由单片机控制系统发出三路同步脉冲信号，所述三路同步脉冲信号间可以设置特定的相差，分别用于触发火花塞系统产生脉冲高电压，触发微波系统产生特定频率和特定功率的微波脉冲，触发光学摄影系统开启。所述脉冲高电压用于击穿稀薄燃气产生等离子体团，所述微波脉冲用于向所述等离子体团中辐射微波能以扩大等离子体团，并最终实现点火，所述光学摄影系统用于拍摄记录定容燃烧弹内的这一系列点火及燃烧过程。

本发明基于微波辅助火花塞点火的方法，对实现该方法的集成装置进行了改造，以满足在实验条件下对微波等离子体辅助点火进行可视化研究的需求。具体改造过程，即去除常规火花塞的接地电极，并延长高压电极的针端以进入光学视窗中心；再对市场上标准的射频同轴连接器进行改造作为微波发射天线，并与火花塞的高压电极対置，使其也作为火花塞的接地电极，从而构成完整的点火系统。本发明充分考虑了实验要求与实际应用间的差异问题，对微波天线以及火花塞相互位置放置方式进行了验证，尽可能做到既不明显改变火花塞放电点火及微波耦合的效果，也能充分利用光学摄影系统，在实验条件下对微波等离子体辅助点火及燃烧全过程进行可视化研究。

图1为本发明实施例的一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置示意图。如图1所示，该装置包括微波功率计1、衰减器2、定向耦合器3、钠灯4、球面镜5、定容燃烧弹体及石英窗6、进排气口7、火花塞8、点火线圈9、单片机10、高速相机11、传感器12、同轴连接器13、隔直电容14、计算机15、波导同轴转换器16、电动销钉调谐器17、微波源18；

图2为本发明实施例的一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置涉及的同轴连接器结构示意图。如图2所示，该装置还包括连接器金属外壳19、聚四氟乙烯20、中心导体21、金属丝22、绝缘玻璃23。其中，金属丝22用来连接中心导体21和金属外壳19，使中心导体21接地起到火花塞接地电极的作用。而绝缘玻璃23起隔热防止聚四氟乙烯20被烧损，和密封的作用。此外，图2中，L1是标准同轴连接器金属外壳19延伸的长度，L2是中心导体21伸出金属外壳的长度，L4是中心导体21末端圆锥形尖端的长度，L3是金属丝22距离金属外壳19末端的长度。L1、L2、L3、L4的尺寸选取合适与否，直接影响微波耦合的效率高低。

图3为本发明实施例的一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置涉及的火花塞头部结构示意图。如图3所示，该装置还包括放电针端24、中心电极25、绝缘陶瓷26、火花塞金属外壳27。

工作时，单片机10向点火线圈9发出脉冲信号B，触发点火线圈9产生脉冲高电压直流信号，脉冲高电压直流经中心电极25作用于放电针端24，在放电针端24与同轴连接器13的中心导体21尖端之间放电击穿稀薄混合燃气形成初始等离子体团。

另一方面，由单片机10向微波源18发出脉冲信号A，触发微波源18产生特定频率和特定功率的微波脉冲，经电动销钉调谐器17进行阻抗匹配后，由波导同轴转换器16将微波由波导传播转换为由同轴电缆传播，随后微波脉冲进入定向耦合器3，入射和被反射的微波脉冲分别经由衰减器2衰减以后进入微波功率计1以测量其功率，测量结果输入计算机15以数值记录，微波脉冲经过所述定向耦合器3后，穿过隔直电容14(防止火花塞正极高电压击穿后形成电流进入微波源造成损伤)后，进入同轴连接器13，并从同轴连接器13的中心导体21与金属外壳19间的聚四氟乙烯20通过，在中心导体21尖端向所述初始等离子体团中辐射能量。

接着，由单片机10向高速相机11发出脉冲信号C，触发高速相机11开始工作。由钠灯4提供纹影所需光源，经球面镜5反射后穿透定容燃烧弹体及石英窗6，最终进入高速相机11。由此，火花放电、微波辐射能量等过程中点火火核及随后的火焰发展情况由高速相机11完整记录，并将所拍摄的图象导入计算机15。

由于微波可以穿透石英玻璃，对人体产生伤害的同时也造成了能量浪费。因此，在本发明的优选实施例中，利用高透光率高电导率的ITO薄膜材料覆盖石英窗，从而防止微波泄漏对人体造成伤害和能量损失。

最后，燃料以及燃烧产物由进排气口7进入或排出定容燃烧弹6，点火燃烧过程引起的温度、压力的变化则由传感器12探测记录并将数据导入计算机15。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置，其特征在于，该装置包括：火花塞系统、微波系统、定容燃烧弹系统、光学摄影系统及控制系统；

其中，所述微波系统设置于所述定容燃烧弹系统的一侧，通过同轴连接器与所述定容燃烧弹系统连接；所述火花塞系统设置于所述定容燃烧弹系统的另一侧，并通过导线与所述控制系统连接；所述控制系统则通过导线与所述微波系统和所述光学摄影系统连接；

所述控制系统发出三路存在特定相差的同步脉冲信号，其中，第一路脉冲信号触发所述火花塞系统产生脉冲高电压，用于放电击穿稀薄混合燃气形成初始等离子体团；第二路脉冲信号触发所述微波系统产生特定频率及特定功率的微波脉冲，向所述初始等离子体团中耦合能量以扩大等离子体团实现点火；第三路脉冲信号触发所述光学摄影系统透过所述定容燃烧弹系统的石英窗聚焦于微波天线与高压电极中心开始拍摄，记录所述脉冲高电压放电击穿稀薄混合燃气形成初始等离子体团以及微波脉冲向所述初始等离子体团中耦合能量以扩大等离子体团实现点火后，火焰发展的全过程。

2.根据权利要求1所述的一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置，其特征在于，所述同轴连接器包括中心导体(21)、金属丝(22)、绝缘玻璃(23)，其中所述中心导体(21)用于插入所述定容燃烧弹系统，并与所述火花塞系统的正极对齐，通过谐振在尖端产生强微波场用于向所述初始等离子体团中耦合能量；同时作为所述火花塞的接地电极，用于与所述火花塞的正极共同构成高压放电击穿点火的完整结构。

3.根据权利要求2所述的一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置，其特征在于，所述火花塞系统包括火花塞(8)，所述火花塞(8)包括中心电极(15)和放电针端(24)，其中所述放电针端(24)插入所述定容燃烧弹系统，并与所述中心导体(21)对齐，用于产生脉冲高电压。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置，其特征在于，所述定容燃烧弹系统还包括定容燃烧弹体和传感器(12)，其中该定容燃烧弹体用于作为微波等离子体辅助点火的实验的反应容器，以实现不同实验环境下的研究；该传感器的一端与所述定容燃烧弹体及所述石英窗连接，它的另一端与所述控制系统连接，由此用于测量所述反应容器中的压力和温度信号，并传递给所述控制系统。

5.根据权利要求1所述的一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置，其特征在于，所述微波系统包括微波源(18)和定向耦合器(3)，其中所述定向耦合器(3)用于将所述微波源(18)发出的入射微波以及被系统反射的反射微波进行分离。

6.根据权利要求5所述的一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置，其特征在于，所述微波系统还包括电动销钉调谐器(17)和波导同轴转换器(16)，其中所述电动销钉调谐器(17)位于所述波导同轴转换器(16)的内部，用于对所述微波源(18)发出的微波能量进行调谐；所述波导同轴转换器(16)用于将微波由波导传输转换为柔性的同轴电缆传输，以便于装置的灵活摆放。

7.根据权利要求6所述的一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置，其特征在于，所述微波系统还包括微波功率计(1)，其中所述微波功率计(1)与所述控制系统连接，用于测量所述分离后的入射和反射的微波功率，以得出进入到所述定容燃烧弹系统内的微波功率，并传输给所述控制系统。

8.根据权利要求7所述的一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置，其特征在于，所述微波系统还包括衰减器(2)，其与所述定向耦合器(3)连接，用于对所述入射微波和反射微波功率进行衰减，从而保护所述微波功率计(1)不受损坏。

9.根据权利要求4所述的一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置，其特征在于，所述光学摄影系统包括钠灯(4)、球面镜(5)及高速相机(11)，其中所述钠灯(4)用于发射光源，经所述球面镜(5)反射进入所述定容燃烧弹体及所述石英窗后，再次经过另一个球面镜反射后进入所述高速相机(11)，以拍摄记录所述火焰发展的全过程，并将图像传输给所述控制系统。