CN114109692B - 一种快脉冲多点放电系统及发动机燃烧控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于发动机相关领域，提供了一种快脉冲多点放电系统及发动机燃烧控制方法。该快脉冲多点放电系统包括：快脉冲电源装置、第一电极和第二电极；所述快脉冲电源装置的第一输出端连接第一电极，所述快脉冲电源装置的第二输出端连接第二电极；所述快脉冲电源装置产生一定幅值的陡上升沿电压脉冲，作用给第一电极和第二电极后在第一电极和第二电极之间产生沿特定方向移动的电弧，在第一电极和第二电极之间实现多点放电。

Description

一种快脉冲多点放电系统及发动机燃烧控制方法
技术领域
本发明属于发动机相关领域，尤其涉及一种快脉冲多点放电系统及发动机燃烧控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
现有的点燃式发动机燃烧控制方法主要通过改变火花塞的放电时间来控制着火时刻，无法控制火焰的着火位置及初始火核面积。而多点放电通过对点火时刻、点火位置以及初始火核面积进行调控，不仅能够提高点火成功率，加快燃烧速度，还可以扩展发动机稀燃界限，减少燃料消耗。
发明人发现，现有的多点放电技术主要分为两种：
1.单个放电装置和多个电极产生多点放电，“US20180241180-MULTIPOINTIGNITION DEVICE AND MULTIPOINT IGNITION ENGINE”中公开了一种在燃烧室内布置多个不同间隙的点火电极的装置。此方法通过布置多个点火电极形成多点放电，进而控制燃烧，但此方法结构较为复杂，成本较高。
2.单个放电装置和单个电极产生多点放电，如沿面闪络放电、滑动弧放电、重复纳秒脉冲放电。
沿面闪络放电是采用高频高压交流电激励，在电极间的绝缘介质表面形成多道电弧放电但放电覆盖面积较小。
滑动弧放电依靠洛伦兹力及气流运动来推动电弧移动，移动速度与电流强度成正比。滑动弧放电进行多点点火，需要将电流提高到很高数值才能使电弧速度超过火焰传播速度，形成有效的多点点火，这会带来较高的能耗和较严重的电极烧蚀，除此之外，电弧运动的过程中存在着电弧分流现象，导致电弧长度发生变化，形成不可控的燃烧。
在对称性较好的电极结构(如同轴电极)下，重复纳秒脉冲放电会形成多点放电，下一个脉冲的击穿点会相对于前一个脉冲发生位移，形成类似滑动弧放电的现象，“CN102913365 A-一种基于环形放电的瞬态等离子体点火器”公布了一种环形放电多点点火器，通过布置同轴环形电极实现多点点火，能够实现大面积点火，但着火位置相对固定，对燃烧的可控性较差。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种快脉冲多点放电系统及发动机燃烧控制方法，不仅能够提高点火成功率，加快燃烧速度，还可以扩展发动机稀燃界限，减少燃料的消耗。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种快脉冲多点放电系统。
一种快脉冲多点放电系统，包括：
快脉冲电源装置、第一电极和第二电极；
所述快脉冲电源装置的第一输出端连接第一电极，所述快脉冲电源装置的第二输出端连接第二电极；
所述快脉冲电源装置产生一定幅值的陡上升沿电压脉冲，作用给第一电极和第二电极后在第一电极和第二电极之间产生沿特定方向移动的电弧，在第一电极和第二电极之间实现多点放电。
本发明的第二个方面提供一种快脉冲多点放电的发动机燃烧控制方法。
一种快脉冲多点放电的发动机燃烧控制方法，采用第一个方面所述的快脉冲多点放电系统，包括：
在一定的区间内，通过调节快脉冲电源装置生成的快脉冲信号的脉冲幅值和脉冲数，改变放电能量，进而改变初始火核面积，实现燃烧控制；
在一定的区间内，通过调节快脉冲电源装置中电源的重复频率，改变电弧覆盖范围，进而改变点火位置，在发动机不同运行工况下实现对燃烧的控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在不依靠气流运动的情况下，通过快脉冲电源及平行电极使放电电弧沿指定方向移动，进而实现多点放电。
本发明通过调整快脉冲幅值和脉冲数实现点火能量的调节，进而改变初始火核面积，实现发动机燃烧控制。
本发明通过调整快脉冲电源频率改变电弧覆盖面积，实现点火空间位置可调，加快火焰传播速度。
本发明相比传统火花塞放电及滑动弧放电，可以提高电弧放电面积，实现对燃烧的精准控制。
本发明采用快脉冲放电，放电时电源间歇式工作，能耗比滑动弧放电小很多，电极烧蚀现象也会改善。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例一示出的快脉冲多点放电系统的结构图；
图2是本发明实施例一示出的快脉冲电源装置的结构图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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。
实施例一
本实施例提供了一种快脉冲多点放电系统。
一种快脉冲多点放电系统，包括：
快脉冲电源装置、第一电极和第二电极；
所述快脉冲电源装置的第一输出端连接第一电极，所述快脉冲电源装置的第二输出端连接第二电极；
所述快脉冲电源装置产生一定幅值的陡上升沿电压脉冲，作用给第一电极和第二电极后在第一电极和第二电极之间产生沿特定方向移动的电弧，在第一电极和第二电极之间实现多点放电。
作为一种或多种实施方式，所述快脉冲电源装置包括驱动模块和通信模块，所述驱动模块、控制模块和通信模块均连接脉冲成型电路。
作为一种或多种实施方式，所述快脉冲电源装置包括第一电源，所述第一电源用于为驱动模块、控制模块和通信模块供电。
作为一种或多种实施方式，所述快脉冲电源装置包括第二电源，所述第二电源用于为脉冲成型电路供电。
该实例公开了快脉冲多点放电系统，该系统具体的组成部分参见附图1-2所示，快脉冲多点放电系统包括快脉冲电源装置，平行电极A和平行电极B，快脉冲电源装置的两个输出端分别与两个平行电极相连接。快脉冲电源装置产生一定幅值的陡上升沿电压脉冲，作用给平行度较高的平行电极A和B后在AB间产生沿特定方向移动的电弧，从而在平行电极AB间实现多点放电的功能。任意可导电材料制成的平行度较高的电极，斜脉冲上升斜率在10kV/μs,以上，不限于单极性脉冲，双极性脉冲，交流射频。
快脉冲电源装置包括第一电源和第二电源，第一电源用于为快脉冲电源装置的通信模块、驱动模块供电，第二电源用于脉冲成型电路供电。
快脉冲电源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。脉冲成型电路输出的脉冲信号斜率大于10kV/μs，不限于单极性脉冲，双极性脉冲，交流射频。
平行电极A、B两极正负极可以交换，平行电极A、B之间有运动的电荷产生磁场。快脉冲电源装置输出的一定幅值的陡上升沿电压脉冲作用在两极后，使两极之间的磁通量发生变化，根据电磁感应定律，磁通量发生变化后产生感应电动势。运动的电荷在其中平行电极A、B之间受洛伦兹力的作用，洛伦兹力推动这些电荷沿着特定的方向移动形成电弧。由于平行电极A、B的平行度较高，因此洛伦兹力推动的电弧可以沿特定的方向移动，快脉冲电源装置放电时电源间歇式工作，实现多点放电。电弧放电的击穿点是由平行电极之间的距离大小所决定的。
本实例提到的快脉冲多点放电的方法在当前的技术背景下，应用于发动机的燃烧系统，对燃烧能够进行控制，有效提高点火成功率，加快燃烧速度，扩展发动机稀燃极限，减少燃料消耗。后续对燃料改质以及燃烧影响仍需要深入研究，本实例为其提供了理论实验基础，推动了研究工作的开展。
实施例二
本实施例提供了一种快脉冲多点放电的发动机燃烧控制方法。
一种快脉冲多点放电的发动机燃烧控制方法，采用实施例一所述的快脉冲多点放电系统，包括：
在一定的区间内，通过调节快脉冲电源装置生成的快脉冲信号的脉冲幅值和脉冲数，改变放电能量，进而改变初始火核面积，实现燃烧控制；
在一定的区间内，通过调节快脉冲电源装置中电源的重复频率，改变电弧覆盖范围，进而改变点火位置，在发动机不同运行工况下实现对燃烧的控制。脉冲电源重复频率可以达到10kHz。
本实例可以通过对特定的放电参数进行控制，从而对点火时刻、点火位置以及初始火核面积进行调控，进而控制燃烧过程，能够达到非常好的多点点火效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种快脉冲多点放电系统，其特征在于，包括：
快脉冲电源装置、第一电极和第二电极；
所述快脉冲电源装置的第一输出端连接第一电极，所述快脉冲电源装置的第二输出端连接第二电极；
所述快脉冲电源装置产生一定幅值的陡上升沿电压脉冲，作用给第一电极和第二电极后在第一电极和第二电极之间产生沿特定方向移动的电弧，在第一电极和第二电极之间实现多点放电；
所述快脉冲电源装置包括驱动模块和通信模块，所述驱动模块、控制模块和通信模块均连接脉冲成型电路；
所述控制模块接收驱动指令，然后输出特定的低压脉冲给脉冲成型电路，所述脉冲成型电路以特定频率将储能电容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的高压脉冲，所述高压脉冲产生所需幅值和频率的快脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的快脉冲多点放电系统，其特征在于，所述快脉冲电源装置包括第一电源，所述第一电源用于为驱动模块、控制模块和通信模块供电。
3.根据权利要求1所述的快脉冲多点放电系统，其特征在于，所述快脉冲电源装置包括第二电源，所述第二电源用于为脉冲成型电路供电。
4.根据权利要求1所述的快脉冲多点放电系统，其特征在于，所述脉冲成型电路输出的脉冲信号斜率大于10kV/μs。
5.根据权利要求1所述的快脉冲多点放电系统，其特征在于，所述脉冲成型电路输出的脉冲信号不限于单极性脉冲信号、双极性脉冲信号和交流射频信号。
6.根据权利要求1所述的快脉冲多点放电系统，其特征在于，所述第一电极和第二电极的正负极允许交换。
7.一种快脉冲多点放电的发动机燃烧控制方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的快脉冲多点放电系统，包括：
在一定的区间内，通过调节快脉冲电源装置生成的快脉冲信号的脉冲幅值和脉冲数，改变放电能量，进而改变初始火核面积，实现燃烧控制；
在一定的区间内，通过调节快脉冲电源装置中电源的重复频率，改变电弧覆盖范围，进而改变点火位置，在发动机不同运行工况下实现对燃烧的控制。
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