CN113357048B - 基于介质阻挡放电的超燃冲压发动机燃烧增强装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于介质阻挡放电的超燃冲压发动机燃烧增强装置，将介质阻挡放电与超燃冲压发动机的凹腔相结合，借助凹腔台阶或金属底壁实现沿面介质阻挡放电。本发明通过介质阻挡放电促使流场局部电离形成等离子体，增加等离子体与燃烧室内气流的作用面积，有望增强燃料与空气的掺混，增加凹腔内活性粒子数，改变化学反应路径，有效强化燃烧，提高燃烧效率，增加火焰稳定性。

Description

基于介质阻挡放电的超燃冲压发动机燃烧增强装置

技术领域

本发明属于超燃冲压发动机技术领域，具体涉及一种基于介质阻挡放电的超燃冲压发动机燃烧增强装置。

背景技术

超燃冲压发动机燃烧室内空气来流速度过快，燃料与空气在燃烧室内驻留时间极短，燃料来如此短的驻留时间内难以充分燃烧，因此面临火焰稳定的巨大挑战。超燃冲压发动机内通常利用凹腔作为火焰稳定器，但是凹腔结构存在一定的稳定极限，当来流条件、燃料当量比等发生改变，超出凹腔稳定极限时，将会面临吹熄的风险。

目前超燃冲压发动机燃烧增强方案主要采用纳秒脉冲放电。纳秒脉冲放电的放电时间通常在纳秒量级，因其脉冲宽度极小，在放电过程中没有热效应的积累，而且通过产生大量的活性组分，改变化学反应路径，提高化学反应速率，增强燃烧效果。在较贫燃或较富燃的气态燃料条件下，均表现出一定增强燃烧的能力。但是纳秒脉冲放电放电作用面积较小，在煤油等液态燃料中的助燃效果尚不明晰。纳秒脉冲放电会带来较强的电磁干扰，这对相关设备的电磁兼容性带来一定的挑战。

发明内容

现有技术中纳秒脉冲放电技术的放电作用面积小，燃烧增强能力有限。另外，对纳秒脉冲放电会给其他设备造成较强的电磁干扰，带来电磁兼容性问题，针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供一种基于介质阻挡放电的超燃冲压发动机燃烧增强装置，通过介质阻挡放电促使流场局部电离形成等离子体，增加等离子体与燃烧室内气流的作用面积，有望增强燃料与空气的掺混，增加凹腔内活性粒子数量，改变化学反应路径，有效强化燃烧，提高燃烧效率，增加火焰稳定性。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

基于介质阻挡放电的超燃冲压发动机燃烧增强装置，在燃烧室内设置有凹腔，凹腔内设置有介质阻挡放电结构，所述介质阻挡放电结构包括绝缘体、第一电极、第二电极和交流高压电源，绝缘体设置在凹腔内的前端，绝缘体顶壁面、绝缘体后壁面与凹腔底壁面之间形成台阶，第一电极和第二电极均为平板电极，第一电极设在绝缘体顶壁面上，第二电极设置在绝缘体内且平行于绝缘体后壁面，第一电极和第二电极相互垂直且彼此绝缘隔离；将第一电极或者第二电极与交流高压电源相连，分别在不同位置处形成介质阻挡放电(即DBD)，进而实现燃烧增强。

本发明通过将两块电极分别与交流高压电相连，可实现两种沿面介质阻挡放电(DBD)方式。具体地：

将第一电极作为高压电极与交流高压电源连接、第二电极作为地极，在台阶前缘的上方位置实现介质阻挡放电。

将第二电极作为高压电极与交流高压电源连接、金属凹腔底壁面作为地极时，在金属凹腔底壁面和台阶的交界处附近形成介质阻挡放电。

进一步地，点火器设置在介质阻挡放电结构下游的凹腔底壁面上。

介质阻挡放电(DBD)主要应用于超燃冲压发动机的燃烧振荡、近贫、富燃吹熄极限等极端工况。具体的工作过程可分为点火过程和稳定燃烧两个过程。本发明可以通过在不同位置形成介质阻挡放电(DBD)，分别实现可靠点火以及稳定燃烧，具体地：

凹腔上游喷注的燃料与超声速空气来流掺混，形成可燃混合气；在点火器点火过程中，将第一电极作为高压电极与交流高压电源连接、第二电极作为地极，在台阶前缘的上方位置实现介质阻挡放电(DBD)，诱导部分可燃混合气电离，增强燃料与空气的掺混，可燃混合气电离后产生具有大量活性粒子，具有活性粒子的可燃混合气更易实现点火，火焰传播速度更快，进而缩短点火延迟时间；

当火焰不充分燃烧的过程中，将第二电极作为高压电极与交流高压电源连接、金属凹腔底壁面作为地极，在金属凹腔底壁面和台阶的交界处附近流场形成介质阻挡放电，增强燃料与空气的掺混，增加流场中活性粒子的数量，降低燃烧反应活化能，进而促进局部火焰的形成，增强燃烧稳定性。

进一步地，本发明所述绝缘体为陶瓷绝缘体。

进一步地，本发明所述第一电极和第二电极等宽，满足沿边型介质阻挡放电特征，实现介质阻挡放电；且第一电极和第二电极的宽度均小于燃烧室内流道宽度的1/2，保证电极与燃烧室内流道侧壁面具有一点间距，避免发生漏电现象。

进一步地，本发明所述第一电极所处高度与绝缘体的顶壁面高度相同，绝缘体的高度与凹腔台阶高度相同。进一步地，本发明所述第二电极与绝缘体的顶壁面之间的距离、第二电极与绝缘体后壁面之间的距离以及第二电极与凹腔底壁面之间的距离相等。

本发明提供一种超燃冲压发动机，包括燃烧室，所述燃烧室内设置有上述任一种基于介质阻挡放电的超燃冲压发动机燃烧增强装置。

通过上述技术方案，本发明能够达到的有益技术效果是：

当对火焰施加一个外加电场时，放电产生的等离子体可以促进燃料与空气的掺混，提高火焰传播速度，增强燃烧稳定性，提高燃烧效率。介质阻挡放电(DBD放电)等离子体作为一种典型的非热平衡等离子体，具有很强的化学效应，在燃烧增强等方面具有重要作用。本发明将介质阻挡放电(DBD放电)结构与超燃冲压发动机的凹腔结构相结合，借助凹腔台阶或金属底壁实现沿面介质阻挡放电，进而实现燃烧增强的效果。

本发明创造性的设计了介质阻挡放电结构，其包括两块平板电极以及陶瓷绝缘体，通过对其布局以及电路进行设计，不仅可以有效实现沿面介质阻挡放电，同时还具有一定的灵活性，本发明可通过改变高压电极的连接方式，实现不同位置介质阻挡放电。通过形成介质阻挡放电(DBD)，进而增加电子数和活性自由粒子数，有效促进火焰传播，提高燃烧效率。

本发明中的介质阻挡放电结构整体的能耗更低，同样能够促进燃烧增强。

本发明中的介质阻挡放电等离子体作用面积更大，与电极板的尺寸有关。

本发明中的介质阻挡放电的电源为交流电源，产生的电磁干扰相对较弱，对其他设备的电磁兼容性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明一实施例的结构示意图；

图2是本发明一实施例的结构示意图；

图中标号：

1、凹腔；2、绝缘体；3、第一电极；4、第二电极；5、交流高压电源；6、点火器；7、台阶。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参照图1，本发明一实施例提供一种基于介质阻挡放电的超燃冲压发动机燃烧增强装置，在燃烧室内设置有凹腔1，燃烧室侧壁以及凹腔侧壁均为金属壁面。凹腔1内设置有介质阻挡放电结构，所述介质阻挡放电结构包括绝缘体2、第一电极3、第二电极4和交流高压电源5，所述绝缘体2为陶瓷绝缘体。绝缘体2设置在凹腔1内的前端，绝缘体2的前、底以及左右侧壁分别与凹腔前端的前、底以及左右侧壁无缝贴合，绝缘体2与凹腔侧壁之间通过金属螺纹连接，绝缘体的高度与凹腔台阶高度相同。

绝缘体顶壁面、绝缘体后壁面与凹腔底壁面之间形成台阶7，台阶7的高度与凹腔台阶高度相同。第一电极3和第二电极4均为平板电极。第一电极和第二电极等宽，这样能确保满足沿边型介质阻挡放电特征，实现介质阻挡放电(DBD)。且第一电极和第二电极的宽度均小于燃烧室内流道宽度的1/2，，保证电极与燃烧室内流道侧壁面具有一点间距，避免发生漏电现象。

第一电极3设在绝缘体顶壁面上，第二电极4设置在绝缘体2内且平行于绝缘体后壁面，第一电极3和第二电极4相互垂直且彼此间通过陶瓷绝缘隔离。

第一电极3所处高度与绝缘体2的顶壁面高度相同，绝缘体2的高度与凹腔台阶高度相同。陶瓷绝缘体可以充当凹腔台阶的作用，这样在设置陶瓷绝缘体的情况下，保证燃烧室内流道截面积不变，避免由于装配陶瓷绝缘体而对燃烧室内的流场产生扰动。第二电极4与绝缘体顶壁面之间的距离(即第二电极4与绝缘体顶壁面之间的绝缘陶瓷厚度)、第二电极4与绝缘体后壁面之间的距离(即第二电极4与绝缘体后壁面之间的绝缘陶瓷厚度)、以及第二电极4与凹腔底壁面之间的距离(第二电极4与凹腔底壁面之间的绝缘陶瓷厚度)相等。第二电极4与绝缘体顶壁面之间的绝缘陶瓷、第二电极4与绝缘体后壁面之间的绝缘陶瓷、第二电极4与凹腔底壁面之间的绝缘陶瓷需要具有一定的厚度，充当介质阻挡放电中的介质，且一定的厚度保证陶瓷材料的抗震性。同时，第二电极4与绝缘体顶壁面之间的绝缘陶瓷、第二电极4与绝缘体后壁面之间的绝缘陶瓷、第二电极4与凹腔底壁面之间的绝缘陶瓷的厚度不能过厚，否则不能保证能够成功实现介质阻挡放电。本实施例中将上述距离设为1mm，即第二电极4与绝缘体顶壁面、绝缘体后壁面、凹腔底壁面之间的绝缘陶瓷的厚度为1mm，这样能在保证成功实现沿边型介质阻挡放电的前提下，确保绝缘体具有一定的厚度，提高陶瓷材料的抗震性。

本发明通过将第一电极3或者第二电极4与交流高压电源5相连，分别在不同位置处形成介质阻挡放电(DBD)，进而实现燃烧增强。

本发明通过将两块电极分别与交流高压电相连，可实现两种沿面介质阻挡放电(DBD)方式。具体地：

参照图1，将第一电极作为高压电极与交流高压电源连接、第二电极作为地极，在台阶前缘的上方位置实现介质阻挡放电(DBD)。

参照图2，将第二电极作为高压电极与交流高压电源连接、金属凹腔底壁面作为地极时，在金属凹腔底壁面和台阶的交界处附近形成介质阻挡放电(DBD)。

介质阻挡放电(DBD)的整体能耗较低，不足以成功点火，所以需要搭配点火器，如火花塞等。具体地：点火器6设置在介质阻挡放电结构下游的凹腔底壁面上。介质阻挡放电(DBD)可应用于燃烧不稳定、近贫/富燃吹熄极限等工况，将有效增加活性自由基数量，改变化学反应路径，进而强化燃烧。具体的工作过程可分为点火过程和稳定燃烧两个过程。本发明可以通过在不同位置形成介质阻挡放电(DBD)，分别实现可靠点火以及稳定燃烧，具体地：

凹腔上游喷注的燃料与超声速空气来流掺混，形成可燃混合气；在点火器点火过程中，将第一电极作为高压电极与交流高压电源连接、第二电极作为地极，在台阶前缘的上方位置实现介质阻挡放电(DBD)，诱导部分可燃混合气电离，增强燃料与空气的掺混，可燃混合气电离后产生具有大量活性粒子，包括激发态的燃料粒子、阴离子、阳离子和自由电子等，大量活性粒子有助于改变化学反应路径，降低化学反应所需的活化能。在点火器点火的过程中，具有活性粒子的可燃混合气更易实现点火，火焰传播速度更快，进而缩短点火延迟时间。

当全局火焰建立后，如果发生燃烧振荡，或因来流条件改变而达到近贫、富燃吹熄极限时，燃料燃烧不充分将导致火焰出现吹熄的危险。当火焰不充分燃烧的过程中，将第二电极作为高压电极与交流高压电源连接、金属凹腔底壁面作为地极，在金属凹腔底壁面和台阶的交界处附近流场形成介质阻挡放电(DBD)，增强燃料与空气的掺混，增加流场中活性粒子的数量，降低燃烧反应活化能，进而促进局部火焰的形成。局部火焰的燃烧增强，有助于促进整体全局火焰的燃烧释热，提高燃烧效率，增强燃烧稳定性。

本发明一实施例提供一种超燃冲压发动机，包括燃烧室，所述燃烧室内设置有上述任一种基于介质阻挡放电的超燃冲压发动机燃烧增强装置。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (10)

1.基于介质阻挡放电的超燃冲压发动机燃烧增强装置，其特征在于：在燃烧室内设置有凹腔，凹腔内设置有介质阻挡放电结构，所述介质阻挡放电结构包括绝缘体、第一电极、第二电极和交流高压电源，绝缘体设置在凹腔内的前端，绝缘体顶壁面、绝缘体后壁面与凹腔底壁面之间形成台阶，第一电极和第二电极均为平板电极，第一电极设在绝缘体顶壁面上，第二电极设置在绝缘体内且平行于绝缘体后壁面，第一电极和第二电极相互垂直且彼此绝缘隔离；将第一电极或者第二电极与交流高压电源相连，分别在不同位置处形成介质阻挡放电，进而实现燃烧增强。

2.根据权利要求1所述的基于介质阻挡放电的超燃冲压发动机燃烧增强装置，其特征在于：将第一电极作为高压电极与交流高压电源连接、第二电极作为地极，在台阶前缘的上方位置实现介质阻挡放电。

3.根据权利要求1所述的基于介质阻挡放电的超燃冲压发动机燃烧增强装置，其特征在于：将第二电极作为高压电极与交流高压电源连接、金属凹腔底壁面作为地极时，在金属凹腔底壁面和台阶的交界处附近形成介质阻挡放电。

4.根据权利要求1所述的基于介质阻挡放电的超燃冲压发动机燃烧增强装置，其特征在于：点火器设置在介质阻挡放电结构下游的凹腔底壁面上。

5.根据权利要求4所述的基于介质阻挡放电的超燃冲压发动机燃烧增强装置，其特征在于：凹腔上游喷注的燃料与超声速空气来流掺混，形成可燃混合气；在点火器点火过程中，将第一电极作为高压电极与交流高压电源连接、第二电极作为地极，在台阶前缘的上方位置实现介质阻挡放电，诱导部分可燃混合气电离，增强燃料与空气的掺混，可燃混合气电离后产生具有大量活性粒子，具有活性粒子的可燃混合气更易实现点火，火焰传播速度更快，进而缩短点火延迟时间；

当火焰不充分燃烧的过程中，将第二电极作为高压电极与交流高压电源连接、金属凹腔底壁面作为地极，在金属凹腔底壁面和台阶的交界处附近流场形成介质阻挡放电，增强燃料与空气的掺混，增加流场中活性粒子的数量，降低燃烧反应活化能，进而促进局部火焰的形成，增强燃烧稳定性。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于介质阻挡放电的超燃冲压发动机燃烧增强装置，其特征在于：所述绝缘体为陶瓷绝缘体。

7.根据权利要求6所述的基于介质阻挡放电的超燃冲压发动机燃烧增强装置，其特征在于：第一电极和第二电极等宽，且第一电极和第二电极的宽度均小于燃烧室内流道宽度的1/2。

8.根据权利要求6所述的基于介质阻挡放电的超燃冲压发动机燃烧增强装置，其特征在于：第一电极所处高度与绝缘体的顶壁面高度相同，绝缘体的高度与凹腔台阶高度相同。

9.根据权利要求8所述的基于介质阻挡放电的超燃冲压发动机燃烧增强装置，其特征在于：第二电极与绝缘体的顶壁面之间的距离、第二电极与绝缘体后壁面之间的距离以及第二电极与凹腔底壁面之间的距离相等。

10.一种超燃冲压发动机，包括燃烧室，其特征在于，所述燃烧室内设置有如权利要求1所述的基于介质阻挡放电的超燃冲压发动机燃烧增强装置。

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