CN108770170B - 一种非平衡低温等离子体发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非平衡低温等离子体发生装置，所述装置包括负电子释放电极；弧形质子正电极释放端；以及将负电子释放电极和质子正电极释放端组合在一起的一对支撑结构体。本发明技术方案基于发动机运行的基础理论研究，并在此基础上进行创新，对离子体生成数量与发动机功率动态变化通过芯片技术进行了科学配置。经过大量实验的结果对比，本发明技术对柴油、汽油发动机在节能和减排方面的作用十分明显，意义重大。

Description

一种非平衡低温等离子体发生装置

技术领域

本发明涉及等离子体技术领域，具体涉及一种非平衡低温等离子体发生装置。

背景技术

低温等离子体放电空间中富含的电子、离子、激发态粒子和自由基都是极为活泼的化学反应物，这些活泼的粒子有助于实现一些常规条件下难以发生的化学反应，因此低温等离子体已被广泛运用于材料表面处理、废水废气处理、消毒杀菌和医学辅助治疗等方面。

通过对大量的同类原理性技术产品使用情况的调查和应用分析，此类产品主要集中在空气除尘、净化、消毒、点火及切割等生产环节的使用，很少有用于发动机空气预处理前置方面的应用。通过对大量的发动机前置空气处理技术研究，略有相似的产品是通过对负离子发生器进行改装后，置于发动机空气滤清器的腔体内使用。然而，这种应用会破坏发动机空燃比的气通量结构性设计，且由于没有统一的标准化过程，使得产品运行过程不安全且效率较低下。

因此，本领域中需要对低温等离子体发生装置进行改进和创新，以能将其合理地用于发动机空气预处理应用，从而有利于节能减排。

发明内容

本发明技术方案基于发动机运行的基础理论研究，并在此基础上进行创新，不仅理清了等离子、负离子复合效能与发动机做工的关系；同时，对离子体生成数量与发动机功率动态变化通过芯片技术进行了科学配置。从大量实验的结果对比，本发明技术对柴油、汽油发动机在节能和减排方面的作用十分明显，意义重大。

为实现上述目的，本发明的技术方案为一种非平衡低温等离子体发生装置，所述装置包括以下三个部分：由碳刷负离子释放端子与合金牙盘组组成的负电子释放电极；由金属离子屏蔽环作为弧形质子正电极释放端；以及将负电子释放电极和质子正电极释放端组合在一起的一对支撑结构体，其中，碳刷负离子释放端子、合金牙盘组、金属离子屏蔽环和支撑结构体均为在水平方向上同圆心设置，并通过中心轴螺栓杆串连和紧固，且所述碳刷负离子释放端子安装在两个支撑结构体的外侧。

上述三个部分组合成的非平衡低温等离子体发生装置在工作时会形成高速的离子风，离子风可以使流经的空气产生加速度，因此也称之为加速环或加速头。

所述合金牙盘组包括7-10个牙盘片体来组成结构件总成，牙盘片体之间通过金属环来间隔，所有的牙盘片体和金属环在水平方向上同圆心设置；牙盘片体之间的距离≥1mm，例如1-3mm，如2mm。

进一步的，所述牙盘片体的直径为15-35mm，厚度为0.1-0.3mm；齿形为三角形，齿高度≥0.6mm，例如0.6-0.8mm，如0.7mm，齿尖间距≥0.7mm，例如0.7-1.0mm，如0.8mm。

进一步的，所述牙盘片体以不锈钢材料作为基材，表面镀有铱、铂、金、银等惰性金属镀膜。为确保加速头装置在工作过程中尽量降低风阻，金属牙盘片体为中部镂空结构。即牙盘片体除四周齿部外的中间部分采用镂空设计和制作。

所述碳刷负离子释放端子为Y型结构，包括3条结构相同的碳刷端子臂，所述3条碳刷端子臂位于同一平面内，尾端汇聚连接于Y型结构中心点，头端展开且相互间隔120°夹角设置。

进一步的，所述碳刷负离子释放端子由碳纤维或碳纳米管制成。

进一步的，所述碳刷端子臂的长度大于牙盘片体的半径。在一个实施方案中，所述碳刷端子臂的长度为牙盘片体半径的1.1至1.4倍，优选为牙盘片体半径的1.2倍。

所述金属离子屏蔽环两端分别卡接支撑结构体，并将合金牙盘组套在其中。进一步的，所述金属离子屏蔽环以铜或不锈钢管材为基材，并以环氧树脂、聚四氟乙烯、硅橡胶等绝缘材料进行绝缘涂层处理，绝缘涂层厚度为0.05-1.5mm。

本发明的金属离子屏蔽环可以根据实际需要加工成不同规格短管，并可以根据管内的电压值强度进行匹配调整，制成高电压场晕金属离子屏蔽环。

进一步的，牙盘片体直径与金属离子屏蔽环的内径成正比；牙盘片体齿尖顶点与金属离子屏蔽环内壁间的距离与场压强度成区间线性关系，即在牙盘片体齿尖顶点与金属离子屏蔽环内壁间的距离为10-25mm的范围内，场压变化与距离变化的比值为700V/1mm。例如，金属离子屏蔽环腔体内以20KV场强电压为基准场强电压，牙盘片体齿尖顶点与金属离子屏蔽环内壁间的标准距离为20mm；电压每降低700V，距离缩小1mm，直至距离≤10mm时为止；反之亦然，工作电压每增加700V，距离加大1mm；直至距离增加到25mm时为止。

进一步的，金属离子屏蔽环腔体内工作电压不超过30KV，电流强度≤500mA。

所述支撑结构体包括可伸缩Y型支架，所述可伸缩Y型支架包括位于同一平面内的3条结构相同的可伸缩支架臂，所述可伸缩支架臂包括固定部和套接在固定部上并能沿固定部移动的伸缩部，从而能够通过伸缩部的移动改变可伸缩支架臂的长度；所述3条可伸缩支架臂的固定部汇聚连接于Y型支架结构中心点，伸缩部向四周展开并在顶端分别设置有弹性钢挡片；在3个伸缩部上还设置有同金属离子屏蔽环卡接的卡槽。

进一步的，所述3条可伸缩支架臂相互间隔120°夹角设置，并与碳刷负离子释放端子的碳刷端子臂间隔45°-60°夹角设置；且所述弹性钢挡片与可伸缩支架臂垂直设置。

在一个实施方案中，所述可伸缩Y型支架由ABS工程塑料制成。

进一步的，所述非平衡低温等离子体发生装置还设置有外屏蔽环，所述外屏蔽环由矩形弹性金属片卷制而成，且卷制连接部为自由端开口结构，从而可以方便调节外屏蔽环的直径，以适应不同尺寸规格的内部组件。

通过上述设置，由可伸缩支架臂和弹性钢挡片组成的可伸缩Y型支架可方便灵活地调节外形尺寸，以适应不同尺寸规格的金属离子屏蔽环，通过伸缩部上的卡槽同金属离子屏蔽环的端部卡接；另外，通过自由端开口结构来调节外屏蔽环的直径以适应金属离子屏蔽环的尺寸，并通过伸缩部顶端的弹性钢挡片来限制和固定矩形弹性金属片卷制而成的外屏蔽环。

在本发明非平衡低温等离子体发生装置工作时，中心轴螺栓杆连接等离子发生变压器负高压输出端；金属离子屏蔽环连接正高压输出端。牙盘齿尖与金属离子屏蔽环内壁在高压电场的作用下相互激发产生离子，正高压端释放正离子，负高压端释放负离子。正、负离子在高压电场的作用下，形成场晕，电离流经空气中的氮、氧、水蒸气分子，即瞬间形成空气等离子体，又称等离子气团。

本发明装置结构简单，实用性强，易制作，成本低。在制造本发明装置时，需注意牙盘片体材料需要高精度制作，另外装配时需要间隙配合紧密，否则可能出现放电不均匀、拉弧打火、击穿内筒绝缘层现象，从而导致器件损毁，造成经济损失。

本发明的目的在于通过双胆(内、外金属屏蔽环)防止离子粒子外逸，最大限度地保证了带电离子与通道内气体的融合和100％的利用率。此加速器放置于发动机空气入口的通道内，并能与节气门最大限度接近。其主要作用是：

1)形成电位场压效应，使通过的即将参与燃烧氧化的空气进行电离，使空气中的水蒸气生成氧和氢离子，与空气中的氧气、氮气被电离后形成的离子状气团一并被吸入发动机气缸，使气缸内的燃烧更加强烈，热均匀性更加平衡，促进完全燃烧。

2)由于高电压场的存在，使通过的气体分子被瞬间加速到光速，空气分子被瞬间压缩，致使空气分子化学键被挤压变形、断裂，并吸收了大量的热能。

3)由于空气分子中旧化学键的断裂吸收了大量热，这些热能来自发动机运行释放的热和周边环境的热，这也是加速头产生的离子风气团的温度比周边温度低很多的原因。

4)经加速头处理后的离子风气团进入发动机气缸燃烧时又组成了新物质的化学键，释放出了大量的热能，支持和增强了燃料的燃烧强度，促使燃料达到了近100％的燃烧，发动机动力明显得到提升，有害气体的生成和排放明显降低。解决了“节能减排”生产环节中的燃料燃烧效率与排放的核心技术问题。提升了发动机动力，进而提高输出功率。

从目前小批量的试制与应用效果和检测结果看，乘用车在装备本系统后同等条件的单位产能能耗下降10％-30％；综合排放下降30％以上；对降低机动车运行成本，减少机动车排放具有十分重要的意义。

本发明装置与传统的发生装置比较有3大优势和特点：

1、改变了现有平行结构的单一方向性的矩形结构设计，提高了电子伏特能量的密度和单位体积内的离子生成量；

2、由于结构的可伸缩性设计，可满足任何异形结构体放置的需求，同时提高了等离子体的利用率；

3、采用了双层金属屏蔽结构设计，更安全，更便于封闭使用。

附图说明

图1为本发明一个实施方案中非平衡低温等离子体发生装置的结构爆炸图。

图2为本发明一个实施方案中非平衡低温等离子体发生装置组装后的正视图。

图3为图2的顶视图。

图4为图2的右视图。

图5为本发明一个实施方案中非平衡低温等离子体发生装置连接高压变压器的工作示意图。

其中附图标记为：

1、碳刷负离子释放端子；2、金属离子屏蔽环；3、牙盘片体；4、金属环；5、外屏蔽环；6、第一支撑结构体；7、第二支撑结构体；8、中心轴螺栓杆；9、可伸缩Y型支架；10、弹性钢挡片；11、卡槽。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图1-4所示，显示了本发明一个实施方案中非平衡低温等离子体发生装置的结构爆炸图与组装后的视图。该非平衡低温等离子体发生装置包括由碳刷负离子释放端子1与合金牙盘组(包括8片牙盘片体3、8个金属环4，图中未完全显示出)组成的负电子释放电极，由金属离子屏蔽环2作为弧形质子正电极释放端，将负电子释放电极和质子正电极释放端组合在一起的一对支撑结构体6、7(包括可伸缩Y型支架9、弹性钢挡片10)，外屏蔽环5，以及中心轴螺栓杆8；其中，碳刷负离子释放端子1、牙盘片体3、金属环4、金属离子屏蔽环2、外屏蔽环5、可伸缩Y型支架9、均为在水平方向上同圆心设置，其圆心处均设置有卡位环，并通过中心轴螺栓杆8串连并通过螺母紧固，碳刷负离子释放端子1安装在两个支撑结构体6、7的左侧。

牙盘片体之间的距离为2mm，即相当于金属环4的长度；牙盘片体3的直径为25mm，厚度为0.2mm；齿形为三角形，齿高度0.7mm，齿尖间距0.8mm。牙盘片体3以不锈钢材料作为基材，表面镀有铱镀膜。牙盘片体3除四周齿部外的中间部分采用镂空设计和制作。

碳刷负离子释放端子1为Y型结构，包括3条结构相同的碳刷端子臂，所述3条碳刷端子臂位于同一平面内，尾端汇聚连接于Y型结构中心点，头端展开且相互间隔120°夹角设置。碳刷负离子释放端子由碳纳米管制成。碳刷端子臂的长度为牙盘片体3半径的1.2倍。

金属离子屏蔽环2两端分别卡接支撑结构体6、7，并将合金牙盘组套在其中。金属离子屏蔽环2以不锈钢管材为基材，并以环氧树脂进行绝缘涂层处理，绝缘涂层厚度为1mm。

支撑结构体6、7包括可伸缩Y型支架9，可伸缩Y型支架9包括位于同一平面内的3条结构相同的可伸缩支架臂，每条可伸缩支架臂包括固定部和套接在固定部上并能沿固定部移动的伸缩部，从而能够通过伸缩部的移动改变可伸缩支架臂的长度；3条可伸缩支架臂的固定部汇聚连接于Y型支架结构中心点，其圆心处设置有卡位环，以便通过中心轴螺栓杆8串连并通过螺母紧固，伸缩部向四周展开并在顶端分别设置有弹性钢挡片10且与可伸缩支架臂垂直设置，用于固定限制外屏蔽环5；在3个伸缩部上还设置有同金属离子屏蔽环2边缘卡接的卡槽11。3条可伸缩支架臂相互间隔120°夹角设置，并与碳刷负离子释放端子1的碳刷端子臂间隔60°夹角设置；可伸缩Y型支架由ABS工程塑料制成。

实施例2

如图5所示，显示了本发明一个实施方案中非平衡低温等离子体发生装置连接高压变压器的工作示意图。本发明非平衡低温等离子体发生装置工作时，中心轴螺栓杆8连接等离子发生变压器负高压输出端；金属离子屏蔽环2连接正高压输出端。牙盘片体3齿尖与金属离子屏蔽环2内壁在高压电场的作用下相互激发产生离子。

本发生装置与等离子高压变压器相连。根据机动车发动机功率进行不同规格变压器功率参数和加速头规格的配置。具体相关参数如下：

离子发生量是依据以发动机的功率和排气量为主要参考数据。以汽油发动机为例，离子制取量范围是：

排气量2.0L以下的释放量设定值为：≥2.2×10⁷ions/cm³.s；排气量3.0L以下的释放量设定值为：≥3.5×10⁷ions/cm³.s；

排气量4.0L以下的释放量设定值为：≥9×10⁷ions/cm³.s；

排气量5.0L及轻卡、中型客车设定值：≥15×10⁸ions/cm³.s；

对柴油发动机的大型客车、载重量20吨以下的重型卡车设定值为≥25×10⁹ions/cm³.s；

对于特种起重设备、载重20吨以上的机车发动机设定值为：≥6×10¹¹ions/cm³.s，甚至更高：

变压器的功率范围：汽油发动机：3W—15W；

柴油发动机：30W-300W。

从目前小批量的试制与应用效果和检测结果看，乘用车在装备本系统后同等条件的单位产能能耗下降30％；综合排放下降42％；对降低机动车运行成本，减少机动车排放具有十分重要的意义。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种非平衡低温等离子体发生装置，其特征在于，所述装置包括以下三个部分：由碳刷负离子释放端子与合金牙盘组组成的负电子释放电极；由金属离子屏蔽环作为弧形质子正电极释放端；以及两个相同的支撑结构体，所述两个相同的支撑结构体用于将负电子释放电极和质子正电极释放端组合在一起，其中，碳刷负离子释放端子、合金牙盘组、金属离子屏蔽环和支撑结构体均为在水平方向上同圆心设置，并通过中心轴螺栓杆串连和紧固，且所述碳刷负离子释放端子安装在两个支撑结构体的外侧；

所述金属离子屏蔽环两端分别卡接所述支撑结构体，并将合金牙盘组套在其中；

所述碳刷负离子释放端子为Y型结构，包括3条结构相同的碳刷端子臂，所述3条碳刷端子臂位于同一平面内，尾端汇聚连接于Y型结构中心点，头端展开且相互间隔120°夹角设置；

所述合金牙盘组包括7-10个牙盘片体来组成结构件总成，牙盘片体之间通过金属环来间隔，所有的牙盘片体和金属环在水平方向上同圆心设置；

所述支撑结构体包括可伸缩Y型支架，所述可伸缩Y型支架包括位于同一平面内的3条结构相同的可伸缩支架臂，所述可伸缩支架臂包括固定部和套接在固定部上并能沿固定部移动的伸缩部；所述3条可伸缩支架臂的固定部汇聚连接于Y型支架结构中心点，伸缩部向四周展开并在顶端分别设置有弹性钢挡片；在3个伸缩部上还设置有同金属离子屏蔽环卡接的卡槽。

2.根据权利要求1所述的非平衡低温等离子体发生装置，其特征在于，所述牙盘片体之间的距离≥1mm。

3.根据权利要求2所述的非平衡低温等离子体发生装置，其特征在于，所述牙盘片体的直径为15-35mm，厚度为0.1-0.3mm；齿形为三角形，齿高度≥0.6mm；齿尖间距≥0.7mm。

4.根据权利要求2所述的非平衡低温等离子体发生装置，其特征在于，所述牙盘片体以不锈钢材料作为基材，表面镀有惰性金属镀膜；且金属牙盘片体为中部镂空结构。

5.根据权利要求2所述的非平衡低温等离子体发生装置，其特征在于，所述碳刷负离子释放端子由碳纤维或碳纳米管制成；所述碳刷端子臂的长度大于牙盘片体的半径。

6.根据权利要求2所述的非平衡低温等离子体发生装置，其特征在于，所述金属离子屏蔽环两端分别卡接支撑结构体，并将合金牙盘组套在其中；所述金属离子屏蔽环以铜或不锈钢管材为基材，并以绝缘材料进行绝缘涂层处理，绝缘涂层厚度为0.05-1.5mm。

7.根据权利要求2所述的非平衡低温等离子体发生装置，其特征在于，所述3条可伸缩支架臂相互间隔120°夹角设置，并与碳刷负离子释放端子的碳刷端子臂间隔45°-60°夹角设置；且所述弹性钢挡片与可伸缩支架臂垂直设置。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的非平衡低温等离子体发生装置，其特征在于，所述非平衡低温等离子体发生装置还设置有外屏蔽环，所述外屏蔽环由矩形弹性金属片卷制而成，且卷制连接部为自由端开口结构，从而方便调节外屏蔽环的直径。