CN114033597A - 一种基于纳秒脉冲放电的大体积点火系统 - Google Patents

一种基于纳秒脉冲放电的大体积点火系统 Download PDF

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Abstract

本公开提出了一种基于纳秒脉冲放电的大体积点火系统及发动机，包括纳秒脉冲生成装置和点火端，点火端的放电电极设置为同轴分布的金属箔电极；纳秒脉冲生成装置输出纳秒量级的设定幅值的纳秒脉冲信号，作用至金属箔电极的正负极，进行点火。本公开采用纳秒脉冲信号，与常用的点火线圈放电相比，点火效果好且能量利用率高。同时重新设计的电极，实现了在无需借助其他辅助装置的情况下，以弥散放电的形式在大体积空间内产生等离子体。在低输出功率前提下实现纳秒级高频和较大电流的高能放电，且使大部分能量被用于提高电子温度，产生大量高能电子，提高反应体系的化学活性，增加初始火核体积，加快燃烧速度，从而提高稀薄燃烧条件下的点火成功率。

Description

一种基于纳秒脉冲放电的大体积点火系统
技术领域
本公开涉及发动机相关技术领域，具体的说，是涉及一种基于纳秒脉冲放电的大体积点火系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。
为应对日益严苛的环保法规以及可能发生的石油危机，高效清洁的内燃机技术一直是研究重点。稀薄燃烧，是一种很有潜力的燃烧方式。但存在着点火困难，火焰传播不稳定的问题。非平衡等离子体的化学作用更加显著，在无焰燃烧、超频燃烧、低温燃烧等新兴燃烧技术领域有广阔的应用前景。
发明人发现，应用于发动机稀薄燃烧点火的现有技术存在一定的问题，专利CN103470427A公开的一种微波等离子体点火内燃机燃烧系统利用微波点火装置向内燃机燃烧室内馈入特定频率的微波脉冲，使微波在燃烧室内发生谐振，从而在空间产生一个均布的电磁场，以击穿燃气混合物并实现空间多点点火，改善内燃机稀薄燃烧燃烧性能。但是微波谐振效果有限，难以稳定击穿稀薄燃气，且为了发生谐振，需要对燃烧室进行改造，成本较高。
激光诱导等离子体多点点火技术，用分束器把高能光束分成多束，或使用多光束输出的微片激光器产生兆瓦量级的峰值激光，并将其聚焦到缸内多个点火位置，通过激光诱导产生等离子体，以实现多点点火。但高能光束容易损坏激光多点点火系统中的镀膜反射镜等光学器件，降低系统使用寿命；同时传统的硅光纤光损伤阈值较低，不能满足内燃机点火用激光脉冲的传输要求。所以，高可靠性、高效率、低成本的高能光束传输系统的开发是此项技术的瓶颈。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种基于纳秒脉冲放电的大体积点火系统，能够实现高效率的大体积点火，加快燃烧速度，提高稀薄燃烧条件下的点火成功率。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一个或多个实施例提供了一种基于纳秒脉冲放电的大体积点火系统，包括纳秒脉冲生成装置和点火端，点火端的放电电极设置为同轴分布的金属箔电极；纳秒脉冲生成装置输出纳秒量级的设定幅值的纳秒脉冲信号，作用至金属箔电极的正负极，进行点火。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
(1)本公开重新设计的电极，实现了在无需借助其他辅助装置的情况下，以弥散放电的形式在大体积空间内产生等离子体。在低输出功率前提下实现纳秒级高频和较大电流的高能放电，且使大部分能量被用于提高电子温度，产生大量高能电子，提高反应体系的化学活性，增加初始火核体积，加快燃烧速度，从而提高稀薄燃烧条件下的点火成功率。
(2)本公开采用纳秒脉冲信号，与常用的点火线圈放电相比，点火效果好且能量利用率高：在相同的气体状态下，较高的电压上升速率使得气隙击穿时的电压高于直流击穿阈值，气体击穿时的约化场强更大，产生的等离子体中的电子能量更高，化学活性更强；较短的放电持续时间可以防止放电转变为电弧，减小直接转变为热量的放电能量的比例，进而降低散热损失，提高能量利用效率。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。
图1是根据一个或多个实施方式的系统的结构示意图；
图2是本公开实施例1的点火器的结构示意图；
图3是本公开实施例1的点火器图2视图中的C区域的放大图；
图4是本公开实施例1的图3的结构的A向视图；
图5是本公开实施例1的脉冲成型电路原理图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。
实施例1
在一个或多个实施方式公开的技术方案中，如图1-5所示，一种基于纳秒脉冲放电的大体积点火系统，包括纳秒脉冲生成装置和设置在燃烧室内的点火端，点火端的放电电极设置为同轴分布的金属箔电极；纳秒脉冲生成装置输出纳秒量级的设定幅值的纳秒脉冲信号，作用至金属箔电极的正负极，进行大面积的点火。
本实施例的点火系统，产生的高压纳秒脉冲会促进非平衡等离子体的产生，能够提高反应体系的化学活性，增加初始火核体积，加快燃烧速度，提高稀薄燃烧条件下的点火成功率。
同时，设置同轴分布的金属箔电极，可以促进正负电极间电场均匀分布，在施加高重复频率的纳秒脉冲时，产生均匀的放电区间，增大点火面积和产生的非平衡等离子体体积。
可选的，点火端为点火器、点火线圈等，所述点火器的放电电极设置于燃烧室。
在一些实施例中，如图2所示，同轴分布的金属箔电极的结构为：包括设置在中心的正电极，围绕正电极周圈同轴设置的负电极，设置在中心的正电极与周圈的负电极相对。
可以实现的，正电极和负电极的位置可以互换。
在另一些实施例中，同轴分布的金属箔电极包括设置在中心的负电极，围绕负电极周圈同轴设置的正电极，正电极与负电极相对。
同轴设置以设置在中心的电极的轴心为轴，中心的电极可以为圆柱体、多面体等，设置在周圈的电极与中心的电极的弧面相适应并相对设置。当为多面体时，周圈的电极与多面体的各个面相对，当为圆柱体时，周圈的电极板面弧度与相对的圆柱体的弧度一致。
一个具体的示例，电极的设置数量可以根据具体的需要设置，本实施例设置了四个负电极的极片，两两相对设置；
可选的，负极片设置为圆弧形状，与中心的正电极的弧面相对应。
可选的，电极可以采用任意导电材料制成的箔电极，导电材料可以为铜、银、铝、铁，也可以为合金。
一种可以是实现的结构，金属箔电极包括基板和附着在基板上的金属层。
在一些实施例中，金属箔电极的厚度可以设置为200um以下。
相较于激光诱导产生等离子体通过分束器或微片激光器实现多光束聚焦多点点火，金属箔电极在材料上门槛相对较低，可以很方便地附着在绝缘基板上，以提高电极机械强度，耐热性能等，也方便安装更换；较高的机械强度，也利于增大电极尺度，提高放电等离子体覆盖体积，改变结构所需成本相对较低。
本实施例正负电极之间能够高压纳秒脉冲的作用下均匀地产生非平衡等离子体，从而提高了点火面积。
进一步的技术方案，纳秒脉冲生成装置包括驱动控制模块以及脉冲成型电路，驱动控制模块被配置为输出特定的低压脉冲给脉冲成型电路；脉冲成型电路将直流电压转化为生成纳秒脉冲。
脉冲成型电路以设定的频率将直流电压转化为上升沿和半高宽在纳秒量级的设定幅值的高压脉冲。
本实施例中，高压脉冲是指幅值在10kV以上的脉冲。
可选的，纳秒脉冲生成装置还包括通信模块以及控制终端，所述控制终端通过通信模块与驱动控制模块连接。
纳秒脉冲生成装置还包括脉冲电源，所述脉冲电源包括第一电源和第二电源，第二电源用于为脉冲成型电路供电，第一电源用于为纳秒脉冲生成装置中的通信模块、驱动控制模块供电，第一电源的电压小于第二电源的电压。
第一电源为低压电源，可以设定电压值为9-12V供电，第二电源设置为中压电源，可以设定电压范围为24V左右。
第一电源和第二电源均可以采用蓄电池。
纳秒脉冲生成装置的控制终端将驱动命令下达至控制模块，控制模块输出特定的低压脉冲给脉冲成型电路，脉冲成型电路以特定频率将储能电容中的直流电压转化为上升沿和半高宽在纳秒量级的特定幅值(如10kV以上)的高压脉冲,产生所需幅值和频率的脉冲信号。
其中，脉冲成型电路输出的脉冲信号斜率大于0.5kV/ns；
可选的，脉冲成型电路输出的纳秒脉冲波形可以为单极性脉冲。
可选的，脉冲成型电路由输入信号来控制输出脉冲幅值、放电频率和形成脉冲数；输出脉冲并非与输入信号完全相同。
脉冲成型电路，具体的结构可以如图5所示，包括依次连接的充电电路、脉冲变压器以及电压叠加输出电路。
其中，充电电路包括并联连接的初级电容C1和储能电容C0,所述初级电容C1串联连接有第一开关管S1、第一二极管N1和电感L,电感L和初级电容C1连接点N2处连接第二开关管S2,第一二极管D1和电感L的连接点N1处连接第二二极管D2，初级电容C1通过第一磁开关MS1连接至变压器PT。
电压叠加输出电路包括连接在脉冲变压器PT次级线圈两端的第二电容C2,与第二电容C2串联连接的第三电容C3、第二磁开关MS2与负载电阻R，负载电阻R的两端并联连接第三二极管D3。
脉冲成型电路的工作原理为：脉冲电源采用电容储能，通过初级电容C1的连续充放电产生高重复频率的电压脉冲序列。放电开始前，中压电源(第二电源)为储能电容C0充电，以提供短时高重复频率脉冲放电所需的能量。脉冲放电过程通过开关管S1和S2来控制。S1闭合后，储能电容C0通过第一二极管D1和电感L为初级电容C1充电。
C1充电完毕后，开关管S2闭合，C1通过脉冲变压器PT将能量传递至次级电容C2、C3；C2充电过程中PT饱和，C2与PT次级发生震荡，C2电压迅速反转，并与C3的电压叠加，作用在磁开关MS2上；MS2饱和后，在负载电阻R上形成陡前沿高压脉冲。
脉冲成型电路以特定频率将储能电容中的直流电压转化为上升沿和半高宽在纳秒量级的特定幅值(10kV以上)的高压脉冲,产生所需幅值和频率的脉冲信号。
具体的，脉冲成型电路输出通过高压连接线连接至放电电极的正负极。
上述装置的点火过程如下：脉冲成型电路输出的高压脉冲经过高压连接线作用至放电电极的正负极，纳秒脉冲信号作用于正负电极，两电极间的气体在电压持续升高的过程中不断积累能量，当电压达到击穿阈值时，电极间气体被击穿，此时电极端电压开始迅速下降，而脉冲电源输出电压在电极正负极之间形成强电场，粒子在电场中做加速运动使击穿后电极端电流迅速上升，此时放电能量开始同步上升，当脉冲输出电压降为0后，完成了整个放电过程。
本实施例在当前技术背景下，应用于发动机点火系统，该方法研究涉及面广，包括调节纳秒脉冲的频率和幅值产生等离子体作用于发动机点火，以及燃料改质，燃烧过程的影响等仍需要深入研究，本实施例为纳秒脉冲点火研究提供了实验基础，可以推动后续一系列研究工作的开展。
实施例2
基于实施例1，本实施例提供一种点火式设备，所述点火式设备包括实施例1所述的一种基于纳秒脉冲放电的大体积点火系统，点火端的放电电极设置在点火式设备的燃烧室内。
可选的，点火式设备可以包括动力设备和燃烧设备，动力设备可以为发动机，具体的可以是内燃机。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于纳秒脉冲放电的大体积点火系统，其特征是：包括纳秒脉冲生成装置和点火端，点火端的放电电极设置为同轴分布的金属箔电极；纳秒脉冲生成装置输出纳秒量级的设定幅值的纳秒脉冲信号，作用至金属箔电极的正负极，进行点火。
2.如权利要求1所述的一种基于纳秒脉冲放电的大体积点火系统，其特征是：同轴分布的金属箔电极的结构为：同轴分布的金属箔电极包括设置在中心的正电极，围绕正电极周圈同轴设置的负电极，正电极与负电极相对；
或者，同轴分布的金属箔电极包括设置在中心的负电极，围绕负电极周圈同轴设置的正电极，正电极与负电极相对。
3.如权利要求2所述的一种基于纳秒脉冲放电的大体积点火系统，其特征是：设置在中心的电极为圆柱体或多面体，设置在周圈的电极与中心的电极的弧面相适应并相对设置。
4.如权利要求1所述的一种基于纳秒脉冲放电的大体积点火系统，其特征是：金属箔电极包括基板和附着在绝缘基板上的金属层。
5.如权利要求1所述的一种基于纳秒脉冲放电的大体积点火系统，其特征是：纳秒脉冲生成装置包括驱动控制模块以及脉冲成型电路，驱动控制模块被配置为输出低压脉冲给脉冲成型电路；脉冲成型电路将直流电压转化为纳秒脉冲信号。
6.如权利要求5所述的一种基于纳秒脉冲放电的大体积点火系统，其特征是：纳秒脉冲生成装置还包括通信模块以及控制终端，所述控制终端通过通信模块与驱动控制模块连接。
7.如权利要求5所述的一种基于纳秒脉冲放电的大体积点火系统，其特征是：纳秒脉冲生成装置还包括脉冲电源，所述脉冲电源包括第一电源和第二电源，第二电源用于为纳秒脉冲生成装置中的脉冲成型电路供电，第一电源用于为纳秒脉冲生成装置中的通信模块、驱动控制模块供电，第一电源的电压小于第二电源的电压。
8.如权利要求5所述的一种基于纳秒脉冲放电的大体积点火系统，其特征是：纳秒脉冲信号为单极性脉冲。
9.如权利要求5所述的一种基于纳秒脉冲放电的大体积点火系统，其特征是：脉冲成型电路包括依次连接的充电电路、脉冲变压器以及电压叠加输出电路。
10.如权利要求9所述的一种基于纳秒脉冲放电的大体积点火系统，其特征是：充电电路包括并联连接的初级电容和储能电容,所述初级电容串联连接有第一开关管、第一二极管和电感,电感和初级电容连接点处连接第二开关管,第一二极管和电感的连接点处连接第二二极管，初级电容通过第一磁开关连接至脉冲变压器；
或者，电压叠加输出电路包括连接在脉冲变压器次级线圈两端的第二电容,与第二电容串联连接的第三电容、第二磁开关与负载电阻，负载电阻的两端并联连接第三二极管。
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