CN107290133A - 一种实现腔内微波点火燃烧过程可视化观测的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种实现腔内微波点火燃烧过程可视化观测的系统，属于微波点火、微波助燃领域，包括微波点火装置和位于其一侧的微波点火可视化装置；前者包括由顶端正中心和边缘处分别安装微波耦合器和配气气路阀门的U型上端盖、正中心处嵌固有一侧镀透明导电层石英玻璃的平面下端盖构成的微波燃烧腔，上端盖顶端内侧为镜面；后者包括与石英玻璃共轴的白光光源发生器和凸透镜、半透半反镜、共轴设置的刀口及成像屏；刀口位于凸透镜经半透半反镜反射光汇聚的焦点处。本系统能保证微波在腔体中的良好反射特性及微波谐振模式，避免微波的外界泄露，保证外界可见光穿透腔体，通过纹影法对燃烧腔内微波点火全过程进行直观观测。

Description

一种实现腔内微波点火燃烧过程可视化观测的系统

技术领域

本发明涉及一种实现腔内微波点火燃烧过程可视化观测的系统，具体是利用脉冲微波能量，在混合燃料的定容燃烧腔内，产生点火燃烧，并可对其进行观察测量的系统，属于微波点火、微波助燃领域。

背景技术

目前，应用在内燃机、航空发动机、大型燃烧炉中的点火技术包括单点点火、火花塞点火以及微波点火。其中，微波点火技术是利用微波辐射、微波谐振方式点火，与传统的单点点火，火花塞点火不同。微波点火消除了单点点火效能较低的分步燃烧，分层燃烧的局限。微波电场可存在于整个燃烧腔空间(该燃烧腔为由U型上端盖与平面下端盖构成的闭合腔体，在该腔体内壁上包裹具有良好导电性能的金属，以实现微波在该腔体内的完全发射叠加)，可以产生多个点火点，使得燃烧变得更加迅速，更加充分，也降低了燃料消耗。微波点火同时可以可利用某些分子的吸收微波能力，降低燃烧反应活化能，从而促进某些燃烧相关自由基的链式反应，加快燃烧过程。同时，由于不存在分层燃烧过程，微波点火可能实现更加稀薄的燃烧(即发动机在空燃比大于理论空燃比时的燃烧)，进一步节省了燃料。

通过燃烧过程可视化观测能够清晰地了解燃烧的特征规律，加强对燃烧机理的理解和认识。如果得到清晰的燃烧图像，可通过亮度、辐射强度等测得缸内的温度场分布，对于燃烧效果改进，促进燃烧等都有重要意义。然而目前，微波点火现象难以进行直观的观察研究，只能通过外部参数如燃烧压力、燃烧尾气等对燃烧过程进行判断。

目前，可利用纹影法研究不可直接观测到的燃烧、气流变化，定性、定量地对燃烧过程进行分析和量化，从机理上探讨燃烧反应过程。所述纹影法是利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度的基本原理进行测量，广泛用于观测气流的边界层、燃烧、激波、气体内的冷热对流以及风洞或水洞流场。

目前基于纹影法进行燃烧过程可视化装置的组成及工作原理如图1所示，包括依次共轴设置的白光光源发生器9、两个凸透镜(11、14)、刀口12和成像屏13；其中，白光光源发生器9位于第一凸透镜11的焦点处，刀口12设置在第二凸透镜14与成像屏13之间，且该刀口12位于第二凸透镜14的焦点处，在两个凸透镜之间布置被观测对象(燃烧腔体)15。

该装置的工作原理为：该被观测对象15的中心与第二凸透镜的中心距离为p(p为第二凸透镜的物距)，该刀口位于第二凸透镜14的焦点f₂处，；该刀口用于阻挡一部分经过偏折的光线。成像屏距离第二凸透镜的距离为q(q为第二凸透镜的像距)。物距p与像距q于第二凸透镜为共轭关系，即满足关系式：该关系保证了在位于被观测对象内的任意一点A，经过第二凸透镜及刀口后在成像于成像屏的A’处；而由于气体折射率变化导致的光线发生偏折角α，仅引起像平面处A’的亮度变化。

然而，由于微波燃烧腔体难以实现大面积的透光，无法满足纹影光路展现燃烧细节的条件；若燃烧腔体满足大面积透光要求时将会造成微波泄露，同时，由于微波无法反射谐振，造成无法产生微波点火；此外，由于燃烧腔内壁上包裹有金属，则无法实现对燃烧腔内的观测。因此将常规的基于纹影法进行燃烧过程可视化装置应用在微波点火上存在困难。

发明内容

本发明的目的是解决微波点火过程可视化观测的问题，既能够实现微波点火，同时实现利用纹影法对微波点火发展过程的观察，提出一种实现腔内微波点火燃烧过程可视化观测的系统，本发明具有实现微波谐振点火，同时满足纹影法大面积透光的要求，实现了展现燃烧细节，定量分析计算，研究燃烧机理的需求。

本发明采用如下技术方案：

一种实现腔内微波点火燃烧过程可视化观测的系统，其特征在于，该系统包括：微波点火装置和微波点火可视化装置两部分；

所述微波点火装置包括U型上端盖、中部开口的平面下端盖、石英玻璃、微波耦合器、微波源发生器、配气气路阀门以及配气气路；其中，上端盖与下端盖压紧固定形成微波燃烧腔，上端盖的顶端内侧为镜面，上端盖侧壁内侧包裹金属；所述微波耦合器嵌固于上端盖顶部正中心处，该微波耦合器的输入端凸出于上端盖外，并与微波源发生器输出端连接，微波耦合器输出端的天线位于微波燃烧腔内；所述配气气路阀门固定于上端盖顶端的边缘，并与所述配气气路连接，该配气气路通过配气气路阀门向微波燃烧腔内输送燃料空气混合物；所述石英玻璃嵌固于下端盖中心开口处，该石英玻璃位于微波燃烧腔一侧镀有透明导电层；

所述微波点火可视化装置包括位于靠近微波点火装置的下端盖一侧由近及远依次设置的凸透镜、半透半反镜和白光光源发生器，以及刀口和成像屏；其中，所述凸透镜、半透半反镜和白光光源发生器均与所述石英玻璃共中心轴线，白光光源发生器位于凸透镜的焦点处，半透半反镜与所述中心轴线成45°设置，刀口和成像屏设置在垂直于所述中心轴线的上方，且所述刀口位于凸透镜经与半透半反镜反射光汇聚的焦点处，经半透半反镜的反射光通过刀口后最终在成像屏上成像。

本发明的特点及有益效果：

本发明采用了镀有透明导电层的石英玻璃，满足了微波谐振的基本电导率要求和光线透过条件，可实现微波谐振、微波电场叠加增强以及微波能量不泄露的效果，同时使得外界光线进入燃烧腔，腔体内部燃烧情况可视化；燃烧腔内的镜面结构实现了反射式纹影法的应用，使得发生在燃烧腔中原不可观测、计算的燃烧现象得以观测和定量研究。通过对微波点火的可视化观测，能够分析微波点火、燃烧过程的发展细节，并可以分析利于微波点火、燃烧发展的因素，可以为改进燃烧质量，提高燃料利用率产生重大意义，从而实现燃料的节能减排技术的突破。

附图说明

图1是常规纹影法观测装置的结构原理示意图；

图2是本发明的微波点火燃烧过程可视化观测系统的结构示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明提出的一种实现腔内微波点火燃烧过程可视化观测系统进一步说明如下。

本发明提出的一种实现腔内微波点火燃烧过程可视化观测系统的结构示意图参见图2，该系统包括微波点火装置和微波点火可视化装置两部分；

所述微波点火装置包括U型上端盖1、中部开口的平面下端盖2、石英玻璃3、微波耦合器5、微波源发生器7、配气气路阀门6以及配气气路8；其中，上端盖1与下端盖2压紧固定形成微波燃烧腔，上端盖1顶端内侧为镜面，上端盖1侧壁内侧包裹具有良好导电性能的金属；微波耦合器5嵌固于上端盖1顶部的正中心处，该微波耦合器的输入端凸出于上端盖1外，并与微波源发生器7输出端连接，微波耦合器输出端的天线位于微波燃烧腔内；配气气路阀门6固定于上端盖1顶端的边缘，并与配气气路8连接，配气气路8通过配气气路阀门6向微波燃烧腔内输送燃料空气混合物；石英玻璃3嵌固于下端盖2中心开口处，该石英玻璃3位于微波燃烧腔一侧镀有透明导电层4；

所述微波点火可视化装置包括位于靠近微波点火装置的下端盖2一侧由近及远依次设置的凸透镜11、半透半反镜10和白光光源发生器9，以及刀口和成像屏；其中，凸透镜11、半透半反镜10和白光光源发生器9均与石英玻璃3共中心轴线，白光光源发生器9位于凸透镜11的焦点处，且该白光光源发生器产生的白光光源平行于凸透镜11的光轴，半透半反镜10与所述中心轴线成45°设置；刀口12和成像屏13设置在垂直于所述中心轴线的上方，且刀口12位于凸透镜11经与半透半反镜10反射光汇聚的焦点处，经半透半反镜10的反射光通过刀口后最终在成像屏13上成像。

本发明各器件的具体实现方式及功能说明如下：

微波点火装置中的微波燃烧腔为微波点火提供了燃烧了空间，通过石英玻璃3一侧表面的透明导电层4可保证微波反射并使可见光透过，从而避免了微波泄露；通过固定在上端盖1内侧的镜面起到了反射进入腔体的可见光，使得燃烧的细节可以被外界观察的效果；固定于上端盖正中心处的微波耦合器可加强局部电场，使得点火顺利发生；通过配气气路8和配气气路阀门6，将腔体空间充满燃料空气混合物；当燃料空气混合物充分混合后，微波源发生器7将发出脉冲式单一频率的微波，引发微波点火。本实施例的微波燃烧腔为圆柱型。

本发明微波燃烧腔内的气压强度可根据实际情况设置为0.1-10个大气压，即能满足低压、常压、高压的要求。

本发明的透明导电层4可采用以下材料制成：氧化铟锡(ITO)、掺铝氧化锌(AZO)、锂氟氧化锡(LFTO)、石墨烯等。该透明导电层通过常规的镀膜方式固定在石英玻璃3一侧，如蒸镀、喷溅镀膜等。

本发明的微波发生器7可由射频发生器或激光发生器替代，对应地，微波耦合器5由射频耦合器或激光耦合器等其他种类电磁波耦合器替代，微波发生器可以由其他电磁波发生器替代。

微波点火可视化装置能够使得燃烧中气体密度的变化转变为成像屏上成像亮度的变化，进而反映燃烧火焰状态，燃烧温度等重要参数。本发明的第一、第二凸透镜，半透半反镜均为常规的光学器件，本实施例的第一、第二凸透镜，半透半反镜均由石英玻璃制成；刀口12、成像屏13与常规纹影法观测装置中的刀口和成像屏相同

采用本发明系统进行微波点火燃烧过程可视化观测的步骤如下：

步骤1)通过配气阀门6将燃料空气混合气体加注进入微波燃烧腔(可根据实际情况选择低、中、高气压(通常为0.1-10个大气压，但不限于)以及不同的加注气体配比)，加注后关闭配气阀门6；

步骤2)对微波燃烧腔进行微波入射功率测试，采用测试级功率(10W或以下)测试微波的入射情况，检测微波点火装置是否存在连接或阻抗改变等问题，同时检测微波点火可视化装置是否存在光学阴影、光路遮挡或仪器正常工作等方面的问题；若存在问题，则需进行相应的调整(如微波入射功率过低，则需进行阻抗匹配调整；如光路存在倾斜，无法得到清晰图像，则需进行光轴调整等)直至系统正常，执行步骤3)；

步骤3)静置微波燃烧腔5分钟，使得燃料在微波燃烧腔中混合分布均匀，保证燃料的均一性；

步骤4)触发微波源发生器产生微波，同时记录成像屏上的纹影记录；

步骤5)对纹影记录进行基本的测量，数据存储，检查数据有效性等；

步骤6)为腔内微波点火燃烧过程可视化观测的后处理过程，包括观测过程的条件记录，纹影数据导出，数据格式转换，数据分析等内容；

步骤7)进行燃烧废气的排放，结束观测进程。

通过本系统能够可靠获取微波点火的纹影图像数据，并对点火、燃烧过程进行细致定量研究。这对于研究高效能燃烧，提高燃料利用率，实现内燃机、汽油机的节能减排，都有重要的意义。

Claims (3)

1.一种实现腔内微波点火燃烧过程可视化观测的系统，其特征在于，该系统包括：微波点火装置和微波点火可视化装置两部分；

所述微波点火装置包括U型上端盖、中部开口的平面下端盖、石英玻璃、微波耦合器、微波源发生器、配气气路阀门以及配气气路；其中，上端盖与下端盖压紧固定形成微波燃烧腔，上端盖的顶端内侧为镜面，上端盖侧壁内侧包裹金属；所述微波耦合器嵌固于上端盖顶部正中心处，该微波耦合器的输入端凸出于上端盖外，并与微波源发生器输出端连接，微波耦合器输出端的天线位于微波燃烧腔内；所述配气气路阀门固定于上端盖顶端的边缘，并与所述配气气路连接，该配气气路通过配气气路阀门向微波燃烧腔内输送燃料空气混合物；所述石英玻璃嵌固于下端盖中心开口处，该石英玻璃位于微波燃烧腔一侧镀有透明导电层；

所述微波点火可视化装置包括位于靠近微波点火装置的下端盖一侧由近及远依次设置的凸透镜、半透半反镜和白光光源发生器，以及刀口和成像屏；其中，所述凸透镜、半透半反镜和白光光源发生器均与所述石英玻璃共中心轴线，白光光源发生器位于凸透镜的焦点处，半透半反镜与所述中心轴线成45°设置，刀口和成像屏设置在垂直于所述中心轴线的上方，且所述刀口位于凸透镜经与半透半反镜反射光汇聚的焦点处，经半透半反镜的反射光通过刀口后最终在成像屏上成像。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃烧腔内的气压范围为0.1-10个大气压。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述透明导电层采用氧化铟锡(ITO)、掺铝氧化锌(AZO)、锂氟氧化锡(LFTO)或石墨烯制成。