CN113175398A - 基于滑动弧放电耦合交变磁场的辅助燃油雾化激励系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于滑动弧放电耦合交变磁场的辅助燃油雾化激励系统，包括刀型电极，所述刀型电极放置在激励座体的放电通道中，所述放电通道一端与进气接头相连，所述激励座体上面设有盖板，该盖板中安装有上电磁铁，所述上电磁铁底面与盖板下面的上石棉垫接触，所述上石棉垫位于放电通道顶部，所述放电通道底部设有下石棉垫，所述下石棉垫的通孔连接有喷嘴，该喷嘴旁设有位于激励座体中的下电磁铁，该下电磁铁顶面与下石棉垫接触。本系统使得电弧产生的活性粒子能够在喷雾径向方向上进行上下、左右方向的高频运动，从而在整个喷雾截面上布满活性粒子，增加活性粒子与喷雾液滴颗粒的接触频率，增强等离子体辅助燃油雾化的效果，提高燃烧效率。

Description

基于滑动弧放电耦合交变磁场的辅助燃油雾化激励系统

技术领域

本发明属于等离子体辅助雾化技术领域，具体涉及基于滑动弧放电耦合交变磁场的辅助燃油雾化激励系统。

背景技术

作为一种不可再生能源，以石油为主的化石燃料在世界能源消耗中占比很大，日益增长的石油需求量以及有限的石油储量使得人们对节能环保越来越重视。未来航空发动机的发展趋势必然是朝着高推重比、高温升及低排放方向发展。因此需要不断探索高效、清洁的燃烧技术，实现提高发动机经济性、可靠性及降低污染排放的目的。

燃油经喷嘴喷出后，先后经历液滴破碎、雾化、蒸发、混合、燃烧等一系列过程。其中，液滴破碎和雾化作为燃烧的初始阶段，破碎程度及雾化质量直接影响燃烧过程和污染物的排放水平。人们采用优化喷嘴结构、燃烧室形式、新型喷射技术、以及外加强电场、磁场等方法来改善雾化质量、并对雾化流场进行控制。传统雾化技术是通过改变喷射压差、采用气动辅助、优化喷嘴结构等方法实现，只能从改变燃油物理形态来优化雾化，而不能产生活性粒子来提高反应活性。

研究表明，采用等离子体激励的方法可对流场产生扰动、强化油气混合、且产生的等离子体能提高反应活性、缩短点火延迟时间，故通过该方法可改善雾化质量、从而提高燃烧效率并降低污染排放水平。近年来，国内外研究人员已开始将等离子体激励作用应用于燃油雾化流场优化研究。目前，用于辅助燃油雾化的等离子体激励方式主要有介质阻挡放电和滑动弧放电两种。其中，滑动弧是高速气体来流在电极间隙最窄处放电产生电弧，电弧在高速气流的推动下沿着电极滑动，直至达到极限后熄灭、同时在电极间隙最窄处产生新电弧并以此模式在电极上周期性滑动。滑动弧激励雾化与其他等离子体相比，结构较简单、能产生更高浓度的活性粒子且能对流场造成强扰动。

现有的滑动弧等离子体激励器主要是在旋转滑动弧或是刀型电极的基础上实现，旋转滑动弧相比刀型电极结构更复杂，而刀型电极只能在喷雾空间内形成一条电弧，无法保证全部雾化场均被电场空间覆盖，这将影响等离子体辅助雾化的效果。申请号为2013101425733，名称为一种三刀型电极式滑动电弧放电等离子体发生装置的专利申请，其公开了气体从底部的进气管进入喷嘴，经喷嘴上方的尖口以较高速度进入反应腔，在刀型电极和中心电极之间形成的放电区域处进行等离子体反应，最后从上部的出气管排出。优点是在反应腔内形成较大的放电区域，进而使得导入的混合气在反应腔内电离更充分，提高混合气的转化效率和氢气产量，缺点是放电区域不能布满整个反应腔，会消耗较大比例的电能，降低能效且有很大部分混合气不能与放电区域接触从而不能有效电离。申请号为2016102955459，名称为一种滑动弧放电低温等离子污水处理反应器的专利申请，其公开了利用高压滑动弧放电产生的超强活性粒子氧化、臭氧氧化、等离子体降解几种效应同时作用，瞬间将污水中有机物的分子键打断，小部分甚至直接转化为二氧化碳、水。滑动弧放电产生的等离子体及超强活性粒子可以同时在水面作用，从而降低污水中的有害物质含量，使污水得到净化。该方案的优点是滑动弧放电可以同时作用于雾化器喷出的污水和蓄水箱中的污水，且可以根据需要多个并行，提高了污水的处理效率；缺点是放电区域不能布满整个雾化区域，会消耗较多的电能，且大部分水雾不能与放电区域接触。

发明内容

为改善现有等离子体辅助雾化的雾化效果，实现电弧对喷雾空间的全面覆盖，本发明目的在于提供一种基于滑动弧放电耦合交变磁场的辅助燃油雾化激励系统。

为实现上述目的，本申请的技术方案为：基于滑动弧放电耦合交变磁场的辅助燃油雾化激励系统，包括刀型电极，所述刀型电极放置在激励座体的放电通道中，所述放电通道一端与进气接头相连，所述激励座体上面设有盖板，该盖板中安装有上电磁铁，所述上电磁铁底面与盖板下面的上石棉垫接触，所述上石棉垫位于放电通道顶部，所述放电通道底部设有下石棉垫，所述下石棉垫的通孔连接有喷嘴，该喷嘴旁设有位于激励座体中的下电磁铁，该下电磁铁顶面与下石棉垫接触。

进一步的，所述放电通道前侧设有位于激励座体中的前电磁铁；放电通道后侧设有位于激励座体中的后电磁铁。

进一步的，所述上电磁铁包括电磁铁A和电磁铁B，所述电磁铁A和电磁铁B顶面与固定板接触，所述固定板通过紧固螺栓固定在激励座体上。

进一步的，所述下电磁铁包括位于喷嘴两侧的电磁铁C和电磁铁D，所述电磁铁C和电磁铁D底面与挡板接触，所述挡板通过紧固螺栓固定在激励座体上。

进一步的，所述刀型电极一侧接正极，另一侧接负极。

更进一步的，工作时，所述前电磁铁与后电磁铁的极性相反且高频变换。

更进一步的，所述电磁铁A、电磁铁B与电磁铁C、电磁铁D对称设置，且工作时极性相反且高频变换。

更进一步的，高速空气通过进气接头进入放电通道，通入空气后在刀型电极最窄间隙处击穿放电，放电过程中产生电弧及高活性粒子并放出大量热量。

作为更进一步的，所述前电磁铁与后电磁铁、电磁铁A与电磁铁C、电磁铁B与电磁铁D产生的磁场耦合下对放电通道中带电荷的活性粒子施加向四周运动的加速度；同时磁场也会给电弧施加向四周运动的加速度。

作为更进一步的，燃油经喷嘴喷出后发生初步破碎产生的燃油雾锥在高速横向来流的剪切作用下发生进一步破碎，破碎后的油雾与高速横向来流相结合，且放电通道内的高活性粒子与燃料分子发生碰撞，使燃料大分子碳链断裂为小分子碳链及活性粒子。

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：本申请采用横向进气剪切初次破碎的雾锥发生二次破碎，且二次破碎油雾在电磁场作用下与刀型电极产生的电弧相结合激励燃油雾化的方式，可产生大量的高活性粒子，这类粒子能帮助大分子碳链裂解为小分子碳链、提高油气混合气的化学反应活性，而且横向进气及电磁场的加速也能增强油气混合气的扰动。该系统能优化燃油雾化且能提高油气混合气的化学反应活性及其燃烧初始温度，从而提高燃油燃烧效率。

附图说明

图1为辅助燃油雾化激励系统侧视图；

图2为辅助燃油雾化激励系统俯视图；

图3为刀型电极三视图；

图4为喷嘴结构三视图；

图5为t时刻燃油雾化激励系统工作示意图；

图6为t+△t时刻燃油雾化激励系统工作示意图。

图中序号说明：1固定板，2盖板，3上石棉垫、4电磁铁D，5喷嘴，51喷孔，52固定座，6紧固螺栓，7进气接头，8刀型电极，9放电通道，10电磁铁C，11电磁铁A，12电磁铁B，13前电磁铁，14后电磁铁。

具体实施方式

本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

实施例1

本实施例提供一种基于滑动弧放电耦合交变磁场的辅助燃油雾化激励方法，在上述辅助燃油雾化激励系统中实施的，如图1-6所示，需要说明的是，本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非是限定本发明可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。其辅助燃油雾化激励方法，包括：

空气从进气接头通入后在刀型电极8最窄间隙处放电产生电弧，并在气流推动下在放电通道9内高速滑动，同时电磁铁A11、电磁铁C10及前电磁铁13、后电磁铁14在高频率交流电压的激励下产生高频变化的磁场，如图5所示，在t时刻前电磁铁13、后电磁铁14(前电磁铁13为N极、后电磁铁14为S极)产生的磁场对活性粒子中的正(负)电荷活性粒子产生向前(后)的洛伦兹力，使得正(负)电荷活性粒子获得向前(后)的加速度。电磁铁A11、电磁铁C10、电磁铁B12、电磁铁D4(电磁铁A11、B12为N极、电磁铁C10、D4为S极)产生的磁场对活性粒子中的正(负)电荷活性粒子产生向上(下)的洛伦兹力，使得正(负)电荷活性粒子获得上(下)的加速度。电磁铁A11、电磁铁C10、电磁铁B12、电磁铁D4、前电磁铁13、后电磁铁14产生的磁场耦合下对带电荷的活性粒子施加向四周运动的加速度。同时磁场也会给电弧施加向四周运动的加速度。如图6所示，在t+△t时刻前电磁铁13、后电磁铁14(前电磁铁13为S极、后电磁铁14为N极)产生的磁场对活性粒子中的正(负)电荷活性粒子产生向后(前)的洛伦兹力，使得正(负)电荷活性粒子获得向后(前)的加速度。电磁铁A11、电磁铁C10、电磁铁B12、电磁铁D4(电磁铁A11、B12为S极、电磁铁C10、D4为为N极)产生的磁场对活性粒子中的正(负)电荷活性粒子产生向下(上)的洛伦兹力，使得正(负)电荷活性粒子获得向下(上)的加速度。电磁铁A11、电磁铁C10、电磁铁B12、电磁铁D4、前电磁铁13、后电磁铁14产生的磁场耦合下对带电荷的活性粒子施加向四周运动的加速度。同时磁场也会给滑动弧施加向四周运动的加速度。电弧滑动过程中产生的高活性带电粒子在上述磁场加速作用下快速布满整个放电通道9，电弧也会在磁场作用下加速运动，从而在整个放电通道9内任意方向发生随机运动使得电弧在放电通道9内分布区域变广。燃油经喷嘴5喷出后发生初步破碎产生的燃油雾锥在高速横向来流的剪切作用下发生进一步破碎，破碎后的油雾与高速横向来流相结合，且通道内的高活性粒子与燃料分子发生碰撞，使燃料大分子碳链断裂为小分子碳链及活性粒子。高活性粒子在前电磁铁13、后电磁铁14，及电磁铁B12、电磁铁D4产生的高频变化的磁场作用下继续加速从而进一步增大活性粒子与燃油分子的碰撞解离以及进一步增强对油气混合气的扰动。磁场对带电粒子的加速也会增强气体分子的热运动从而提高气体分子的温度使得油气混合气能有更高的初始温度参加燃烧，携带大量活性粒子的雾化良好的油气混合气从放电通道喷出。

所述喷嘴通过自身的固定座安装在激励座体上，喷嘴的喷孔与放电通道连通。

本申请横向进气剪切雾锥与电磁场作用下刀型电极产生的电弧相结合激励燃油雾化；在喷雾流动的径向方向上，上下、前后各布置有电磁铁形成磁场，通过电磁铁的控制策略，使得电弧产生的活性粒子能够在喷雾径向方向上进行上下、左右方向的高频运动，从而在整个喷雾截面上布满活性粒子，增加活性粒子与喷雾液滴颗粒的接触频率，增强等离子体辅助燃油雾化的效果，提高化学反应活性、提高燃烧效率。

本发明的实施例有较佳的实施性，并非是对本发明任何形式的限定。本发明实施例中描述的技术特征或技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被互相组合从而达到更好的技术效果。本发明优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被发明实施例所属技术领域的技术人员所理解。

Claims (10)

1.基于滑动弧放电耦合交变磁场的辅助燃油雾化激励系统，其特征在于，包括刀型电极，所述刀型电极放置在激励座体的放电通道中，所述放电通道一端与进气接头相连，所述激励座体上面设有盖板，该盖板中安装有上电磁铁，所述上电磁铁底面与盖板下面的上石棉垫接触，所述上石棉垫位于放电通道顶部，所述放电通道底部设有下石棉垫，所述下石棉垫的通孔连接有喷嘴，该喷嘴旁设有位于激励座体中的下电磁铁，该下电磁铁顶面与下石棉垫接触。

2.根据权利要求1所述基于滑动弧放电耦合交变磁场的辅助燃油雾化激励系统，其特征在于，所述放电通道前侧设有位于激励座体中的前电磁铁；放电通道后侧设有位于激励座体中的后电磁铁。

3.根据权利要求1所述基于滑动弧放电耦合交变磁场的辅助燃油雾化激励系统，其特征在于，所述上电磁铁包括电磁铁A和电磁铁B，所述电磁铁A和电磁铁B顶面与固定板接触，所述固定板通过紧固螺栓固定在激励座体上。

4.根据权利要求1所述基于滑动弧放电耦合交变磁场的辅助燃油雾化激励系统，其特征在于，所述下电磁铁包括位于喷嘴两侧的电磁铁C和电磁铁D，所述电磁铁C和电磁铁D底面与挡板接触，所述挡板通过紧固螺栓固定在激励座体上。

5.根据权利要求1所述基于滑动弧放电耦合交变磁场的辅助燃油雾化激励系统，其特征在于，所述刀型电极一侧接正极，另一侧接负极。

6.根据权利要求2所述基于滑动弧放电耦合交变磁场的辅助燃油雾化激励系统，其特征在于，工作时，所述前电磁铁与后电磁铁的极性相反且高频变换。

7.根据权利要求3所述基于滑动弧放电耦合交变磁场的辅助燃油雾化激励系统，其特征在于，所述电磁铁A、电磁铁B与电磁铁C、电磁铁D对称设置，且工作时极性相反且高频变换。

8.根据权利要求1所述基于滑动弧放电耦合交变磁场的辅助燃油雾化激励系统，其特征在于，高速空气通过进气接头进入放电通道，通入空气后在刀片电极最窄间隙处击穿放电，放电过程中产生电弧及高活性粒子并放出大量热量。

9.根据权利要求8所述基于滑动弧放电耦合交变磁场的辅助燃油雾化激励系统，其特征在于，所述前电磁铁与后电磁铁、电磁铁A与电磁铁C、电磁铁B与电磁铁D产生的磁场耦合下对放电通道中带电荷的活性粒子施加向四周运动的加速度；同时磁场也会给电弧施加向四周运动的加速度。

10.根据权利要求8所述基于滑动弧放电耦合交变磁场的辅助燃油雾化激励系统，其特征在于，燃油经喷嘴喷出后发生初步破碎产生的燃油雾锥在高速横向来流的剪切作用下发生进一步破碎，破碎后的油雾与高速横向来流相结合，且放电通道内的高活性粒子与燃料分子发生碰撞，使燃料大分子碳链断裂为小分子碳链及活性粒子。

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