一種可視化研究微波等離子體輔助點火的實驗裝置的制作方法

本發明涉及等離子體輔助點火及燃燒領域，更具體地，涉及一種用于可視化研究微波等離子體輔助火花塞點火性能及火焰發展特性的實驗裝置。

背景技術：

隨著環境的惡化以及能源的超前消耗，保護環境以及高效利用能源愈來愈成為人類切身的訴求，發動機研究人員也在不斷探索“節能減排”的技術。稀薄燃燒技術利用高空燃比和高壓縮比來提高燃油經濟性并提高尾氣排放水平，是內燃機領域中最具潛力的提高內燃機熱效率的燃燒方式之一。但內燃機實現稀薄燃燒甚至超稀薄燃燒時，存在點火困難，火焰傳播不穩定等問題。

目前車用點燃式內燃機普遍采用火花塞來進行點火，火花塞點火技術在內燃機領域的應用已經很成熟。內燃機啟動后，在火花塞上施加一個瞬時的脈沖高電壓(一般為15000V)，在高壓電極與接地電極間形成高強度電場，電弧擊穿燃氣混合物，產生高溫高壓的等離子體火花，從而實現點火。但當混合燃氣當量比較小時，即燃料較稀時，常規火花塞只能擊穿混合氣體并形成初始的等離子體團，而無法提供足夠的能量來滿足點火過程的需要，這就導致內燃機稀薄燃燒點火面臨了困難。通過提高傳統火花塞點火能的方法，效果不明顯，并且會縮短火花塞壽命。

微波作為一種高頻電磁波，可以向等離子體團中質量較輕的電子耦合能量，從而對等離子體團及周圍環境產生熱力學和動力學方面的影響，促進混合氣的著火。

此外，微波在空間傳播時遇金屬材料就會發生反射，而遇非金屬材料如玻璃等就會穿透，而且損失不大。市場上標準的射頻同軸連接器就是基于這個原理制成的，其應用也已經相當廣泛。

本文所涉及的一種依靠微波向火花放電產生的等離子體團中耦合能量擴大等離子體團從而實現點火的技術，就是應用了微波的以上的特點。該技術對稀薄燃氣的點火極限有一定的拓展且具有相當的市場實用潛力。但在理論上，對于此種方法改善內燃機燃燒性能的物理化學機理仍然缺乏深層次研究。

近些年來，利用光學儀器配合定容燃燒彈對燃燒學現象進行可視化研究的技術應用越來越普遍。該類技術建立光通道貫穿定容燃燒彈體，利用紋影、激光誘導熒光等技術記錄捕捉燃燒過程，已是比較成熟的技術。

專利文獻2016111635892公開了一種微波輔助火花塞點火集成裝置，該裝置集成了內燃機中火花塞電弧擊穿稀薄燃氣產生等離子體團以及微波向等離子體團中耦合能量的優點，能在不對內燃機燃燒室進行結構改造的前提條件下拓展內燃機稀燃極限并改善其稀薄燃燒性能，具有很強的市場實用性。

但在實驗條件下，若想可視化研究微波作用等離子體輔助點火火焰發展的特性，該專利中擬公開的一種微波輔助火花塞點火的集成裝置仍存在以下不足：

(1)集成火花塞由于接地極與正極間的空間狹小，限制了球形火焰的自由發展；

(2)由于紋影等技術基本為平面光拍攝，而集成火花塞圓柱體部分和“L”型接地極會阻擋光路；

(3)集成火花塞圓柱體部分以及“L”型接地極相對尺寸較大，會增加傳熱損失，使微波能作用等離子體的效果減弱；

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供一種可視化研究微波等離子體輔助點火的實驗裝置，其目的在于，在實驗條件下，通過光學手段，探究微波與等離子體作用的物理化學機理，并研究微波作用下火花點火火焰發展的特性，為微波輔助火花塞點火改善內燃機稀薄燃燒特性這一技術的實際應用提供更有力的理論依據。

為了實現上述目的，本發明提供一種可視化研究微波等離子體輔助點火的實驗裝置，該裝置包括：火花塞系統、微波系統、定容燃燒彈系統、光學攝影系統及控制系統；

其中，所述微波系統設置于所述定容燃燒彈系統的一側，通過同軸連接器與所述定容燃燒彈系統連接，所述火花塞系統設置于所述定容燃燒彈系統的另一側，并通過導線與所述控制系統連接，所述控制系統通過導線與所述微波系統和光學攝影系統連接；

所述控制系統發出三路存在特定相差的同步脈沖信號，第一路脈沖信號觸發所述火花塞系統產生脈沖高電壓用于放電擊穿稀薄混合燃氣形成初始等離子體團；

第二路脈沖信號觸發所述微波系統產生特定頻率及特定功率的微波脈沖向所述等離子體團中耦合能量以擴大等離子體團實現點火；

第三路脈沖信號觸發所述光學系統透過所述定容燃燒彈系統的石英窗聚焦于微波天線與高壓電極中心開始拍攝，記錄所述高壓放電擊穿稀薄混合燃氣形成初始等離子體團以及微波脈沖向所述等離子體團中耦合能量以擴大等離子體團實現點火后，火焰發展的全過程。

進一步地，所述同軸連接器包括中心導體、金屬絲、絕緣玻璃，所述中心導體用于插入所述定容燃燒彈系統，并與所述火花塞系統的正極對齊，通過諧振在尖端產生強微波場，用于向所述等離子體團中耦合能量，同時作為所述火花塞的接地電極，與所述火花塞的正極共同構成高壓放電擊穿點火的完整結構。

進一步地，所述火花塞系統包括火花塞，所述火花塞包括中心電極和放電針端，所述放電針端插入所述定容燃燒彈系統，并與所述中心導體對齊，用于產生脈沖高電壓。

進一步地，所述定容燃燒彈系統包括定容燃燒彈體及石英窗，用于作為微波等離子體輔助點火的實驗的反應容器，以實現不同實驗環境下的研究。

進一步地，所述定容燃燒彈系統還包括傳感器，其一端與所述定容燃燒彈體及石英窗連接，另一端與所述控制系統連接，用于測量所述定反應容器中的壓力和溫度信號，并傳輸給所述控制系統。

進一步地，所述微波系統包括微波源和定向耦合器，所述定向耦合器用于將所述微波源發出的入射微波以及被系統反射的反射微波進行分離。

進一步地，所述微波系統還包括電動銷釘調諧器和波導同軸轉換器，所述電動銷釘調諧器位于所述波導同軸轉換器內部，用于對所述微波源發出的微波能量進行調諧，所述波導同軸轉換器用于將微波由波導傳輸轉換為柔性的同軸電纜傳輸，以便于裝置的靈活擺放。

進一步地，所述微波系統還包括微波功率計，所述微波功率計與所述控制系統連接，用于測量所述分離后的入射和反射的微波功率，以得出進入到所述定容燃燒彈系統內的微波功率，并傳輸給所述控制系統。

進一步地，所述微波系統還包括衰減器，其與所述定向耦合器連接，用于對所述入射微波和反射微波功率進行衰減，從而保護所述微波功率計不受損壞。

進一步地，所述光學攝影系統包括鈉燈、球面鏡及高速相機，所述鈉燈用于發射光源，經所述球面鏡反射進入所述定容燃燒彈體及石英窗后，再次經過另一個球面鏡反射后進入所述高速相機，以拍攝記錄所述高壓放電擊穿稀薄混合燃氣形成初始等離子體團以及微波脈沖向所述等離子體團中耦合能量以擴大等離子體團實現點火后，火焰發展的全過程，并將圖像傳輸給所述控制系統。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發明的裝置保留了微波集成火花塞的作用方式，能夠真實的反映微波等離子體輔助點火的作用過程；

(2)本發明的裝置火花塞正極放電針端與同軸連接器尖端対置，對預混球形火焰的發展影響較小，易于清晰反映微波作用下點火及火焰發展的過程；

(3)本發明的裝置火花塞正極放電針端與同軸連接器的尖端直徑都較小，遮光面積小，易于高速相機拍攝；

(4)本發明的裝置火花塞正極放電針端與同軸連接器的尖端直徑都較小，且都利用了絕熱材料，使得熱損失較小，更易于觀察微波的作用效果；

(5)本發明的裝置可以實現不同實驗環境下的微波集成火花塞的點火，以進行不同實驗環境下的微波輔助點火規律和機理的研究。

附圖說明

圖1為本發明實施例一種可視化研究微波等離子體輔助點火的實驗裝置示意圖；

圖2為本發明實施例的一種可視化研究微波等離子體輔助點火的實驗裝置涉及的同軸連接器結構示意圖；

圖3為本發明實施例的一種可視化研究微波等離子體輔助點火的實驗裝置涉及的火花塞端部結構示意圖。

所有附圖中，相同的附圖標記表示同一結構元件，其中：1-微波功率計、2-衰減器、3-定向耦合器、4-鈉燈、5-球面鏡、6-定容燃燒彈體及石英窗、7-進排氣口、8-火花塞、9-點火線圈、10-單片機、11-高速相機、12-傳感器、13-同軸連接器、14-隔直電容、15-計算機、16-波導同軸轉換器、17-電動銷釘調諧器、18-微波源、19-連接器金屬外殼、20-聚四氟乙烯、21-中心導體、22-金屬絲、23-絕緣玻璃、24-放電針端、25-中心電極、26-絕緣陶瓷、27-火花塞金屬外殼。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

圖1為本發明實施例一種可視化研究微波等離子體輔助點火的實驗裝置示意圖。如圖1所示，該裝置包括火花塞系統、微波系統、定容燃燒彈系統、光學攝影系統、控制系統。

所述控制系統發出三路存在特定相差的同步信號，分別觸發所述火花塞系統產生脈沖高電壓用于放電擊穿稀薄混合燃氣形成初始等離子體團；觸發所述微波系統產生特定頻率及特定功率的微波脈沖向所述等離子體團中耦合能量以擴大等離子體團實現點火；觸發所述光學系統透過所述定容燃燒彈系統的石英窗聚焦于微波天線與高壓電極中心開始拍攝。繼而對微波作用于等離子體和火焰發展的全過程進行監測。

具體實施方案為：由單片機控制系統發出三路同步脈沖信號，所述三路同步脈沖信號間可以設置特定的相差，分別用于觸發火花塞系統產生脈沖高電壓，觸發微波系統產生特定頻率和特定功率的微波脈沖，觸發光學攝影系統開啟。所述脈沖高電壓用于擊穿稀薄燃氣產生等離子體團，所述微波脈沖用于向所述等離子體團中輻射微波能以擴大等離子體團，并最終實現點火，所述光學攝影系統用于拍攝記錄定容燃燒彈內的這一系列點火及燃燒過程。

本發明基于微波輔助火花塞點火的方法，對實現該方法的集成裝置進行了改造，以滿足在實驗條件下對微波等離子體輔助點火進行可視化研究的需求。具體改造過程，即去除常規火花塞的接地電極，并延長高壓電極的針端以進入光學視窗中心；再對市場上標準的射頻同軸連接器進行改造作為微波發射天線，并與火花塞的高壓電極対置，使其也作為火花塞的接地電極，從而構成完整的點火系統。本發明充分考慮了實驗要求與實際應用間的差異問題，對微波天線以及火花塞相互位置放置方式進行了驗證，盡可能做到既不明顯改變火花塞放電點火及微波耦合的效果，也能充分利用光學攝影系統，在實驗條件下對微波等離子體輔助點火及燃燒全過程進行可視化研究。

圖1為本發明實施例的一種可視化研究微波等離子體輔助點火的實驗裝置示意圖。如圖1所示，該裝置包括微波功率計1、衰減器2、定向耦合器3、鈉燈4、球面鏡5、定容燃燒彈體及石英窗6、進排氣口7、火花塞8、點火線圈9、單片機10、高速相機11、傳感器12、同軸連接器13、隔直電容14、計算機15、波導同軸轉換器16、電動銷釘調諧器17、微波源18；

圖2為本發明實施例的一種可視化研究微波等離子體輔助點火的實驗裝置涉及的同軸連接器結構示意圖。如圖2所示，該裝置還包括連接器金屬外殼19、聚四氟乙烯20、中心導體21、金屬絲22、絕緣玻璃23。其中，金屬絲22用來連接中心導體21和金屬外殼19，使中心導體21接地起到火花塞接地電極的作用。而絕緣玻璃23起隔熱防止聚四氟乙烯20被燒損，和密封的作用。此外，圖2中，L1是標準同軸連接器金屬外殼19延伸的長度，L2是中心導體21伸出金屬外殼的長度，L4是中心導體21末端圓錐形尖端的長度，L3是金屬絲22距離金屬外殼19末端的長度。L1、L2、L3、L4的尺寸選取合適與否，直接影響微波耦合的效率高低。

圖3為本發明實施例的一種可視化研究微波等離子體輔助點火的實驗裝置涉及的火花塞頭部結構示意圖。如圖3所示，該裝置還包括放電針端24、中心電極25、絕緣陶瓷26、火花塞金屬外殼27。

工作時，單片機10向點火線圈9發出脈沖信號B，觸發點火線圈9產生脈沖高電壓直流信號，脈沖高電壓直流經中心電極25作用于放電針端24，在放電針端24與同軸連接器13的中心導體21尖端之間放電擊穿稀薄混合燃氣形成初始等離子體團。

另一方面，由單片機10向微波源18發出脈沖信號A，觸發微波源18產生特定頻率和特定功率的微波脈沖，經電動銷釘調諧器17進行阻抗匹配后，由波導同軸轉換器16將微波由波導傳播轉換為由同軸電纜傳播，隨后微波脈沖進入定向耦合器3，入射和被反射的微波脈沖分別經由衰減器2衰減以后進入微波功率計1以測量其功率，測量結果輸入計算機15以數值記錄，微波脈沖經過所述定向耦合器3后，穿過隔直電容14(防止火花塞正極高電壓擊穿后形成電流進入微波源造成損傷)后，進入同軸連接器13，并從同軸連接器13的中心導體21與金屬外殼19間的聚四氟乙烯20通過，在中心導體21尖端向所述初始等離子體團中輻射能量。

接著，由單片機10向高速相機11發出脈沖信號C，觸發高速相機11開始工作。由鈉燈4提供紋影所需光源，經球面鏡5反射后穿透定容燃燒彈體及石英窗6，最終進入高速相機11,。由此，火花放電、微波輻射能量等過程中點火火核及隨后的火焰發展情況由高速相機11完整記錄，并將所拍攝的圖象導入計算機15。

由于微波可以穿透石英玻璃，對人體產生傷害的同時也造成了能量浪費。因此，在本發明的優選實施例中，利用高透光率高電導率的ITO薄膜材料覆蓋石英窗，從而防止微波泄漏對人體造成傷害和能量損失。

最后，燃料以及燃燒產物由進排氣口7進入或排出定容燃燒彈6，點火燃燒過程引起的溫度、壓力的變化則由傳感器12探測記錄并將數據導入計算機15。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。