CN114704416B - 一种多通道放电大面积分布式点火系统及方法 - Google Patents

一种多通道放电大面积分布式点火系统及方法 Download PDF

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Abstract

本公开属于电极点火技术领域，具体涉及一种多通道放电大面积分布式点火系统及方法，包括：包括脉冲发生器和多通道放电分布式点火电极；多通道放电分布式点火电极呈柱状结构，包括内电极、外电极和绝缘介质；外电极设置在中心轴处，外电极的一端延伸出多通道放电分布式点火电极一侧后与脉冲发生器的正极电连接，外电极的另一端以圆台状结构延伸出多通道放电分布式点火电极的另一侧；内电极包括设置在多通道放电分布式点火电极轴向外部的第一内电极，以及设置在靠近圆台状结构一侧的底面处的第二内电极，第一内电极与第二内电极连接；绝缘介质设置在第二内电极的外部，以及第一内电极与外电极之间；第一内电极与脉冲发生器的负极电连接。

Description

一种多通道放电大面积分布式点火系统及方法
技术领域
本公开属于电极点火技术领域，具体涉及一种多通道放电大面积分布式点火系统及方法。
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，不必然构成在先技术。
稀薄燃烧能提高发动机热效率，减少NOx等污染物排放。但是，稀薄燃烧导致点火困难，使得发动机循环变动增加。另外稀混合气燃烧速度慢，使得发动机循环等容度降低，这些因素限制了实际发动机中稀薄燃烧对热效率的提升效果。
新型清洁燃料，如氨气等，燃烧速度比甲烷等碳基燃料更慢，点火更加困难。此类清洁燃料在发动机中的应用，需要更加先进的点火系统支持。先进点火系统可以产生更大的初始火核，有助于提高点火成功率，降低发动机循环变动；同时加快燃烧速度，提高发动机热效率。射频电晕点火时目前较为实用的多点点火技术，但是放电通道的覆盖面积仍然较小，局限在电极尖端附近的小区域。另外，射频电晕放电容易形成单一的电弧通道而丧失多点点火的能力。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种多通道放电大面积分布式点火系统及方法，对电极的结构进行设计，通过调整高曲率部位的数量和分布，改变放电通道的数量和分布，进而调整点火点的位置和火核大小；通过高频高压快脉冲激励介质阻挡电极，产生大面积的多通道放电非平衡等离子体，增强了点火稳定性并提高燃烧速率，通过控制高频高压快脉冲参数，实现点火火核数、火核面积和点火时刻的实时调节。
根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种多通道放电大面积分布式点火系统，采用如下技术方案：
一种多通道放电大面积分布式点火系统，包括脉冲发生器和多通道放电分布式点火电极；其中，所述多通道放电分布式点火电极呈柱状结构，包括内电极、外电极和绝缘介质；所述外电极设置在所述多通道放电分布式点火电极的中心轴处，所述外电极的一端延伸出所述多通道放电分布式点火电极一侧后与所述脉冲发生器的正极电连接，所述外电极的另一端以圆台状结构延伸出所述多通道放电分布式点火电极的另一侧，所述圆台状结构的最小直径大于处于所述多通道放电分布式点火电极内部的外电极直径；所述内电极包括设置在所述多通道放电分布式点火电极轴向外部的第一内电极，以及设置在靠近所述圆台状结构的多通道放电分布式点火电极一侧的底面处的第二内电极，所述第一内电极与所述第二内电极连接；所述绝缘介质设置在所述第二内电极的外部，以及所述第一内电极与所述外电极之间；所述第一内电极与所述脉冲发生器的负极电连接。
作为进一步的技术限定，所述绝缘介质包括绝缘薄层和绝缘结构。
进一步的，所述绝缘薄层设置在靠近所述多通道放电分布式点火电极底面的所述第一内电极的外侧、所述第二内电极的外侧，以及靠近所述圆台状结构的所述外电极的外侧。
进一步的，设置在所述第一内电极与所述外电极之间的绝缘介质为绝缘结构。
根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种多通道放电大面积分布式点火方法，采用如下技术方案：
一种多通道放电大面积分布式点火方法，包括以下步骤：
对脉冲发生器施加高频高压快脉冲参数；
呈圆台状结构的外电极边缘在所施加的高频高压快脉冲的作用下沿绝缘薄层表面生成多个丝状放电通道，实现多点点火。
作为进一步的技术限定，调节脉冲发生器的脉冲幅值、脉冲数和电源重复频率，实现高频高压快脉冲参数的调节。
进一步的，调节所述脉冲幅值和所述脉冲数，改变点火系统的放电能量，控制所述丝状放电通道的面积，改变点火火核数量和点火面积。
进一步的，所述脉冲幅值和所述脉冲数越大，产生的点火火核数量越多，点火面积越大。
进一步的，调节所述脉冲发生器的电源重复频率，控制脉冲电源开闭时间，控制火核出现时刻；所述电源重复频率越大，火核出现的越早。
作为进一步的技术限定，所述丝状放电通道处于所述圆台状结构的外电极外部、且与所述绝缘薄层相平行的平面。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
(1)由于电极间绝缘介质的存在，内外电极不会完全击穿，放电时两极间电压较高；加上放电通道沿结缘介质分布，与内电极的间隙小，放电通道的约化场强很高。放电通道的非平衡等离子体可以产生大量活性自由基，降低最小点火能量。
(2)在快脉冲激励下，可以在中心对称的外电极边沿产生多个丝状放电通道，形成多个点火核，提高点火成功率和点火稳定性。
(3)放电通道可以沿绝缘介质表面发展而增长，形成大范围的分布式点火；在火核形成后，火核外的放电通道可以促进初始火核增长，形成长条状火核，大大加快燃烧速度。
(4)调控快脉冲参数可以方便的控制点火效果，包括火核数、点火面积及火核出现时刻；参数可以根据发动机工况进行实时的调节，优化发动机的燃烧。
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不当限定。
图1是本公开实施例一中的多通道放电大面积分布式点火系统的结构示意图；
图2是本公开实施例一中的多通道放电分布式点火电极的结构示意图；
图3(a)是本公开实施例一中的多通道放电分布式点火电极的一种俯视结构示意图；
图3(b)是本公开实施例一中的多通道放电分布式点火电极的一种俯视结构示意图；
图3(c)是本公开实施例一中的多通道放电分布式点火电极的一种俯视结构示意图；
图4是本公开实施例一中的多通道放电分布式点火电极的一种结构示意图；
图5是本公开实施例一中的多通道放电分布式点火电极的一种结构示意图；
图6是本公开实施例二中的多通道放电分布式点火电极的放电效果图；
图7是本公开实施例二中的多通道放电分布式点火电极放电产生的火核结构示意图；
图8是本公开实施例三中的不同脉冲间隔下多流注放电的火核发展过程示意图；
图9是本公开实施例三中的不同脉冲数时多流注放电的火核发展过程示意图；
其中，1、脉冲发生器，11、正极，12、负极，2、多通道放电分布式点火电极，21、内电极，211、第一内电极，212、第二内电极，22、外电极，23、绝缘介质，231、绝缘薄层，232、绝缘结构。
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，以下详细说明都是例示性的，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。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本公开实施例一介绍了一种多通道放电大面积分布式点火系统。
如图1和图2所示的一种多通道放电大面积分布式点火系统，包括脉冲发生器1和多通道放电分布式点火电极2。
在本实施例中，多通道放电分布式点火电极2呈柱状结构，包括内电极21、外电极22和绝缘介质23。
外电极22设置在多通道放电分布式点火电极2的中心轴处，外电极22的一端延伸出多通道放电分布式点火电极2一侧后与脉冲发生器1的正极电11连接，外电极22的另一端以圆台状结构延伸出多通道放电分布式点火电极2的另一侧，圆台状结构的最小直径大于处于多通道放电分布式点火电极2内部的外电极22直径。
内电极21包括设置在多通道放电分布式点火电极2轴向外部的第一内电极211，以及设置在靠近圆台状结构的多通道放电分布式点火电极2一侧的底面处的第二内电极212，第一内电极211与第二内电极212连接；绝缘介质23设置在第二内电极212的外部，以及第一内电极211与外电极22之间；第一内电极211与脉冲发生器1的负极11电连接。
绝缘介质23包括绝缘薄层231和绝缘结构232；绝缘薄层231呈U型结构，设置在靠近多通道放电分布式点火电极2底面的第一内电极211的外侧、第二内电极212的外侧，以及靠近圆台状结构的外电极22的外侧；绝缘结构232设置在第一内电极211与外电极22之间。
在图2中，外电极22位于轴心，内电极21位于四周，内电极21范围大于外电极22，放电通道从外电极外缘向外围发散。
作为一种或多种实施方式，内外电极的位置可以交换，如图4所示，22为外电极，21为内电极，231为绝缘薄层，232为绝缘结构；外电极22范围大于内电极21，放电通道从外电极内缘开始向中心发展；通过改变外电极的大小，限制放电丝的最大分布范围。
作为一种或多种实施方式，内电极21和工作区的绝缘薄层231可以不是平面，如图5所示，231为工作区绝缘薄层，22为外电极，21为内电极，232为绝缘结构，有效减小了放电丝表面与绝缘薄层的相对接触面积，减小散热，增大放电丝与新鲜混合气的接触面积，提升点火效果。
作为一种或多种实施方式，外电极22凸出部分的边缘可以设计成不同的曲率(比如多边形，锯齿状等)；外电极22凸出部分的边缘可以设计成不同的曲率(比如多边形，锯齿状等)，图3(a)、图3(b)和图3(c)是图2的底面的一种俯视结构图，分别表示三种不同的外电极凸出部分的结构设计，外电极可以是圆形边缘、六边形边缘或锯齿状边缘，也可以设计成其他非中心对称的形状。曲率大的地方电场更强，更容易击穿形成放电通道。因此可以通过调整高曲率部位的数量和分布，改变放电通道的数量和分布，进而调整点火点的位置和火核大小。
另外，图3(a)、图3(b)和图3(c)，图4，以及图5中的结构可以任意组合；组合后的结构仍属于本实施例所保护的范围。
实施例二
本公开实施例二提供了一种多通道放电大面积分布式点火方法，采用了实施例一中所提供的多通道放电大面积分布式点火系统。
一种多通道放电大面积分布式点火方法，包括以下步骤：
对脉冲发生器施加高频高压快脉冲参数；
呈圆台状结构的外电极边缘在所施加的高频高压快脉冲的作用下沿绝缘薄层表面生成多个丝状放电通道，实现多点点火。
调节脉冲发生器的脉冲幅值、脉冲数和电源重复频率，实现高频高压快脉冲参数的调节。
作为一种或多种实施方式，调节脉冲发生器1的脉冲幅值和脉冲数，改变点火系统的放电能量，控制丝状放电通道的面积，改变点火火核数量和点火面积；脉冲幅值和所述脉冲数越大，产生的点火火核数量越多，点火面积越大；调节脉冲发生器1的电源重复频率，控制脉冲电源开闭时间，控制火核出现时刻；电源重复频率越大，火核出现的越早；丝状放电通道处于圆台状结构的外电极22外部、且与绝缘薄层231相平行的平面。
作为一种或多种实施方式，绝缘薄层231采用玻璃、陶瓷或耐热高分子材料等。
脉冲发生器1可产生高频(>5kHz)的高压快脉冲(电压上升率>1kV/us，包括但不限于重复ns脉冲，高频AC等)，其放电参数(脉冲幅值、脉冲频率、脉冲时宽、脉冲数)可调。脉冲发生器1中的高压快脉冲施加至多通道放电分布式点火电极2上，产生大面积的多通道放电非平衡等离子体，形成多个放电通道，实现大面积点火。放电效果如图6，其中，径向的树枝状为放电丝，中心的圆圈为外电极边缘；放电产生的火核如图7。
通过调控高压快脉冲的参数(脉冲幅值、脉冲频率、脉冲时宽、脉冲数)，可以实现对点火效果的实时调控，高压快脉冲的参数可以形成多种组合，不限于单一参数单调的变化，可以根据不同工况和环境参数，调节高压快脉冲参数，达到预期点火效果。
曲率大的地方电场更强，更容易击穿形成放电通道。因此可以通过调整高曲率部位的数量和分布，改变放电通道的数量和分布，进而调整点火点的位置和火核大小。
图8是不同脉冲间隔下多流注放电的火核发展过程对比。测试时高速相机与高压脉冲同步触发，图片计时起点为第一个高压脉冲的触发时刻，每帧间隔0.4ms。每组图片从脉冲放电的最后一帧开始展示，不同组间同一行的图像分别对应不同的时刻。初始火核的产生的位置大致在各个主流注的第一个分叉点，离中心电极有一定偏离。虽然越靠近中心电极的区域，单位面积累积的放电能量越高，但是在壁温较低时(试验中为303K)，电极附近热损失较大，不利于火核形成与增长。
在本实施例中，流注出现了多处分叉，根据基尔霍夫定律，流注主干的电流大于分支的电流，越靠近外围的流注分叉的电流越小，单位长度流注能量越低，产生火核的可能性也越小。减小脉冲数，火核数量的变化与增大脉冲间隔时类似，如图9所示。
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)

1.一种多通道放电大面积分布式点火系统，其特征在于，包括脉冲发生器和多通道放电分布式点火电极；其中，所述多通道放电分布式点火电极呈柱状结构，包括内电极、外电极和绝缘介质；所述外电极设置在所述多通道放电分布式点火电极的中心轴处，所述外电极的一端延伸出所述多通道放电分布式点火电极一侧后与所述脉冲发生器的正极电连接，所述外电极的另一端以圆台状结构延伸出所述多通道放电分布式点火电极的另一侧，所述圆台状结构的最小直径大于处于所述多通道放电分布式点火电极内部的外电极直径；所述内电极包括设置在所述多通道放电分布式点火电极轴向外部的第一内电极，以及设置在靠近所述圆台状结构的多通道放电分布式点火电极一侧的底面处的第二内电极，所述第一内电极与所述第二内电极连接；所述绝缘介质设置在所述第二内电极的外部，以及所述第一内电极与所述外电极之间；所述第一内电极与所述脉冲发生器的负极电连接；放电通道沿绝缘介质分布，在快脉冲激励下产生若干个丝状放电通道，形成若干个点火核，实现分布式点火。
2.如权利要求1中所述的一种多通道放电大面积分布式点火系统，其特征在于，所述绝缘介质包括绝缘薄层和绝缘结构。
3.如权利要求2中所述的一种多通道放电大面积分布式点火系统，其特征在于，所述绝缘薄层设置在靠近所述多通道放电分布式点火电极底面的所述第一内电极的外侧、所述第二内电极的外侧，以及靠近所述圆台状结构的所述外电极的外侧。
4.如权利要求2中所述的一种多通道放电大面积分布式点火系统，其特征在于，设置在所述第一内电极与所述外电极之间的绝缘介质为绝缘结构。
5.一种多通道放电大面积分布式点火方法，采用了如权利要求1-4中任一项所述的多通道放电大面积分布式点火系统，其特征在于，包括以下步骤：
对脉冲发生器施加高频高压快脉冲参数；
呈圆台状结构的外电极边缘在所施加的高频高压快脉冲的作用下沿绝缘薄层表面生成多个丝状放电通道，实现多点点火。
6.如权利要求5中所述的一种多通道放电大面积分布式点火方法，其特征在于，调节脉冲发生器的脉冲幅值、脉冲数和电源重复频率，实现高频高压快脉冲参数的调节。
7.如权利要求6中所述的一种多通道放电大面积分布式点火方法，其特征在于，调节所述脉冲幅值和所述脉冲数，改变点火系统的放电能量，控制所述丝状放电通道的面积，改变点火火核数量和点火面积。
8.如权利要求7中所述的一种多通道放电大面积分布式点火方法，其特征在于，所述脉冲幅值和所述脉冲数越大，产生的点火火核数量越多，点火面积越大。
9.如权利要求6中所述的一种多通道放电大面积分布式点火方法，其特征在于，调节所述脉冲发生器的电源重复频率，控制脉冲电源开闭时间，控制火核出现时刻；所述电源重复频率越大，火核出现的越早。
10.如权利要求5中所述的一种多通道放电大面积分布式点火方法，其特征在于，所述丝状放电通道处于所述圆台状结构的外电极外部、且与所述绝缘薄层相平行的平面。
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