本發(fā)明涉及等離子體輔助點(diǎn)火及燃燒領(lǐng)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(diǎn)火性能及火焰發(fā)展特性的實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

隨著環(huán)境的惡化以及能源的超前消耗，保護(hù)環(huán)境以及高效利用能源愈來(lái)愈成為人類切身的訴求，發(fā)動(dòng)機(jī)研究人員也在不斷探索“節(jié)能減排”的技術(shù)。稀薄燃燒技術(shù)利用高空燃比和高壓縮比來(lái)提高燃油經(jīng)濟(jì)性并提高尾氣排放水平，是內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域中最具潛力的提高內(nèi)燃機(jī)熱效率的燃燒方式之一。但內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒甚至超稀薄燃燒時(shí)，存在點(diǎn)火困難，火焰?zhèn)鞑ゲ环€(wěn)定等問(wèn)題。

目前車用點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)普遍采用火花塞來(lái)進(jìn)行點(diǎn)火，火花塞點(diǎn)火技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)很成熟。內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)后，在火花塞上施加一個(gè)瞬時(shí)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(qiáng)度電場(chǎng)，電弧擊穿燃?xì)饣旌衔铮a(chǎn)生高溫高壓的等離子體火花，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。但當(dāng)混合燃?xì)猱?dāng)量比較小時(shí)，即燃料較稀時(shí)，常規(guī)火花塞只能擊穿混合氣體并形成初始的等離子體團(tuán)，而無(wú)法提供足夠的能量來(lái)滿足點(diǎn)火過(guò)程的需要，這就導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)稀薄燃燒點(diǎn)火面臨了困難。通過(guò)提高傳統(tǒng)火花塞點(diǎn)火能的方法，效果不明顯，并且會(huì)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(tuán)中質(zhì)量較輕的電子耦合能量，從而對(duì)等離子體團(tuán)及周圍環(huán)境產(chǎn)生熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面的影響，促進(jìn)混合氣的著火。

此外，微波在空間傳播時(shí)遇金屬材料就會(huì)發(fā)生反射，而遇非金屬材料如玻璃等就會(huì)穿透，而且損失不大。市場(chǎng)上標(biāo)準(zhǔn)的射頻同軸連接器就是基于這個(gè)原理制成的，其應(yīng)用也已經(jīng)相當(dāng)廣泛。

本文所涉及的一種依靠微波向火花放電產(chǎn)生的等離子體團(tuán)中耦合能量擴(kuò)大等離子體團(tuán)從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的技術(shù)，就是應(yīng)用了微波的以上的特點(diǎn)。該技術(shù)對(duì)稀薄燃?xì)獾狞c(diǎn)火極限有一定的拓展且具有相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)實(shí)用潛力。但在理論上，對(duì)于此種方法改善內(nèi)燃機(jī)燃燒性能的物理化學(xué)機(jī)理仍然缺乏深層次研究。

近些年來(lái)，利用光學(xué)儀器配合定容燃燒彈對(duì)燃燒學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行可視化研究的技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越普遍。該類技術(shù)建立光通道貫穿定容燃燒彈體，利用紋影、激光誘導(dǎo)熒光等技術(shù)記錄捕捉燃燒過(guò)程，已是比較成熟的技術(shù)。

專利文獻(xiàn)2016111635892公開(kāi)了一種微波輔助火花塞點(diǎn)火集成裝置，該裝置集成了內(nèi)燃機(jī)中火花塞電弧擊穿稀薄燃?xì)猱a(chǎn)生等離子體團(tuán)以及微波向等離子體團(tuán)中耦合能量的優(yōu)點(diǎn)，能在不對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒室進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造的前提條件下拓展內(nèi)燃機(jī)稀燃極限并改善其稀薄燃燒性能，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)實(shí)用性。

但在實(shí)驗(yàn)條件下，若想可視化研究微波作用等離子體輔助點(diǎn)火火焰發(fā)展的特性，該專利中擬公開(kāi)的一種微波輔助火花塞點(diǎn)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(fā)展；

(2)由于紋影等技術(shù)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(huì)阻擋光路；

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

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供一種可視化研究微波等離子體輔助點(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)裝置，其目的在于，在實(shí)驗(yàn)條件下，通過(guò)光學(xué)手段，探究微波與等離子體作用的物理化學(xué)機(jī)理，并研究微波作用下火花點(diǎn)火火焰發(fā)展的特性，為微波輔助火花塞點(diǎn)火改善內(nèi)燃機(jī)稀薄燃燒特性這一技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供更有力的理論依據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種可視化研究微波等離子體輔助點(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置包括：火花塞系統(tǒng)、微波系統(tǒng)、定容燃燒彈系統(tǒng)、光學(xué)攝影系統(tǒng)及控制系統(tǒng)；

其中，所述微波系統(tǒng)設(shè)置于所述定容燃燒彈系統(tǒng)的一側(cè)，通過(guò)同軸連接器與所述定容燃燒彈系統(tǒng)連接，所述火花塞系統(tǒng)設(shè)置于所述定容燃燒彈系統(tǒng)的另一側(cè)，并通過(guò)導(dǎo)線與所述控制系統(tǒng)連接，所述控制系統(tǒng)通過(guò)導(dǎo)線與所述微波系統(tǒng)和光學(xué)攝影系統(tǒng)連接；

所述控制系統(tǒng)發(fā)出三路存在特定相差的同步脈沖信號(hào)，第一路脈沖信號(hào)觸發(fā)所述火花塞系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖高電壓用于放電擊穿稀薄混合燃?xì)庑纬沙跏嫉入x子體團(tuán)；

第二路脈沖信號(hào)觸發(fā)所述微波系統(tǒng)產(chǎn)生特定頻率及特定功率的微波脈沖向所述等離子體團(tuán)中耦合能量以擴(kuò)大等離子體團(tuán)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火；

第三路脈沖信號(hào)觸發(fā)所述光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)所述定容燃燒彈系統(tǒng)的石英窗聚焦于微波天線與高壓電極中心開(kāi)始拍攝，記錄所述高壓放電擊穿稀薄混合燃?xì)庑纬沙跏嫉入x子體團(tuán)以及微波脈沖向所述等離子體團(tuán)中耦合能量以擴(kuò)大等離子體團(tuán)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火后，火焰發(fā)展的全過(guò)程。

進(jìn)一步地，所述同軸連接器包括中心導(dǎo)體、金屬絲、絕緣玻璃，所述中心導(dǎo)體用于插入所述定容燃燒彈系統(tǒng)，并與所述火花塞系統(tǒng)的正極對(duì)齊，通過(guò)諧振在尖端產(chǎn)生強(qiáng)微波場(chǎng)，用于向所述等離子體團(tuán)中耦合能量，同時(shí)作為所述火花塞的接地電極，與所述火花塞的正極共同構(gòu)成高壓放電擊穿點(diǎn)火的完整結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述火花塞系統(tǒng)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(tǒng)，并與所述中心導(dǎo)體對(duì)齊，用于產(chǎn)生脈沖高電壓。

進(jìn)一步地，所述定容燃燒彈系統(tǒng)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(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)容器，以實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的研究。

進(jìn)一步地，所述定容燃燒彈系統(tǒng)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(tǒng)連接，用于測(cè)量所述定反應(yīng)容器中的壓力和溫度信號(hào)，并傳輸給所述控制系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述微波系統(tǒng)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(fā)出的入射微波以及被系統(tǒng)反射的反射微波進(jìn)行分離。

進(jìn)一步地，所述微波系統(tǒng)還包括電動(dòng)銷釘調(diào)諧器和波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器，所述電動(dòng)銷釘調(diào)諧器位于所述波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器內(nèi)部，用于對(duì)所述微波源發(fā)出的微波能量進(jìn)行調(diào)諧，所述波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器用于將微波由波導(dǎo)傳輸轉(zhuǎn)換為柔性的同軸電纜傳輸，以便于裝置的靈活擺放。

進(jìn)一步地，所述微波系統(tǒng)還包括微波功率計(jì)，所述微波功率計(jì)與所述控制系統(tǒng)連接，用于測(cè)量所述分離后的入射和反射的微波功率，以得出進(jìn)入到所述定容燃燒彈系統(tǒng)內(nèi)的微波功率，并傳輸給所述控制系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述微波系統(tǒng)還包括衰減器，其與所述定向耦合器連接，用于對(duì)所述入射微波和反射微波功率進(jìn)行衰減，從而保護(hù)所述微波功率計(jì)不受損壞。

進(jìn)一步地，所述光學(xué)攝影系統(tǒng)包括鈉燈、球面鏡及高速相機(jī)，所述鈉燈用于發(fā)射光源，經(jīng)所述球面鏡反射進(jìn)入所述定容燃燒彈體及石英窗后，再次經(jīng)過(guò)另一個(gè)球面鏡反射后進(jìn)入所述高速相機(jī)，以拍攝記錄所述高壓放電擊穿稀薄混合燃?xì)庑纬沙跏嫉入x子體團(tuán)以及微波脈沖向所述等離子體團(tuán)中耦合能量以擴(kuò)大等離子體團(tuán)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火后，火焰發(fā)展的全過(guò)程，并將圖像傳輸給所述控制系統(tǒng)。

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

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

(2)本發(fā)明的裝置火花塞正極放電針端與同軸連接器尖端対置，對(duì)預(yù)混球形火焰的發(fā)展影響較小，易于清晰反映微波作用下點(diǎn)火及火焰發(fā)展的過(guò)程；

(3)本發(fā)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(jī)拍攝；

(4)本發(fā)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(fā)明的裝置可以實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的微波集成火花塞的點(diǎn)火，以進(jìn)行不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的微波輔助點(diǎn)火規(guī)律和機(jī)理的研究。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一種可視化研究微波等離子體輔助點(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的一種可視化研究微波等離子體輔助點(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)裝置涉及的同軸連接器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的一種可視化研究微波等離子體輔助點(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)裝置涉及的火花塞端部結(jié)構(gòu)示意圖。

所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示同一結(jié)構(gòu)元件，其中：1-微波功率計(jì)、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(jìn)排氣口、8-火花塞、9-點(diǎn)火線圈、10-單片機(jī)、11-高速相機(jī)、12-傳感器、13-同軸連接器、14-隔直電容、15-計(jì)算機(jī)、16-波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器、17-電動(dòng)銷釘調(diào)諧器、18-微波源、19-連接器金屬外殼、20-聚四氟乙烯、21-中心導(dǎo)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(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一種可視化研究微波等離子體輔助點(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。如圖1所示，該裝置包括火花塞系統(tǒng)、微波系統(tǒng)、定容燃燒彈系統(tǒng)、光學(xué)攝影系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。

所述控制系統(tǒng)發(fā)出三路存在特定相差的同步信號(hào)，分別觸發(fā)所述火花塞系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖高電壓用于放電擊穿稀薄混合燃?xì)庑纬沙跏嫉入x子體團(tuán)；觸發(fā)所述微波系統(tǒng)產(chǎn)生特定頻率及特定功率的微波脈沖向所述等離子體團(tuán)中耦合能量以擴(kuò)大等離子體團(tuán)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火；觸發(fā)所述光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)所述定容燃燒彈系統(tǒng)的石英窗聚焦于微波天線與高壓電極中心開(kāi)始拍攝。繼而對(duì)微波作用于等離子體和火焰發(fā)展的全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

具體實(shí)施方案為：由單片機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出三路同步脈沖信號(hào)，所述三路同步脈沖信號(hào)間可以設(shè)置特定的相差，分別用于觸發(fā)火花塞系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖高電壓，觸發(fā)微波系統(tǒng)產(chǎn)生特定頻率和特定功率的微波脈沖，觸發(fā)光學(xué)攝影系統(tǒng)開(kāi)啟。所述脈沖高電壓用于擊穿稀薄燃?xì)猱a(chǎn)生等離子體團(tuán)，所述微波脈沖用于向所述等離子體團(tuán)中輻射微波能以擴(kuò)大等離子體團(tuán)，并最終實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，所述光學(xué)攝影系統(tǒng)用于拍攝記錄定容燃燒彈內(nèi)的這一系列點(diǎn)火及燃燒過(guò)程。

本發(fā)明基于微波輔助火花塞點(diǎn)火的方法，對(duì)實(shí)現(xiàn)該方法的集成裝置進(jìn)行了改造，以滿足在實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)微波等離子體輔助點(diǎn)火進(jìn)行可視化研究的需求。具體改造過(guò)程，即去除常規(guī)火花塞的接地電極，并延長(zhǎng)高壓電極的針端以進(jìn)入光學(xué)視窗中心；再對(duì)市場(chǎng)上標(biāo)準(zhǔn)的射頻同軸連接器進(jìn)行改造作為微波發(fā)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(gòu)成完整的點(diǎn)火系統(tǒng)。本發(fā)明充分考慮了實(shí)驗(yàn)要求與實(shí)際應(yīng)用間的差異問(wèn)題，對(duì)微波天線以及火花塞相互位置放置方式進(jìn)行了驗(yàn)證，盡可能做到既不明顯改變火花塞放電點(diǎn)火及微波耦合的效果，也能充分利用光學(xué)攝影系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)微波等離子體輔助點(diǎn)火及燃燒全過(guò)程進(jìn)行可視化研究。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的一種可視化研究微波等離子體輔助點(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。如圖1所示，該裝置包括微波功率計(jì)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(jìn)排氣口7、火花塞8、點(diǎn)火線圈9、單片機(jī)10、高速相機(jī)11、傳感器12、同軸連接器13、隔直電容14、計(jì)算機(jī)15、波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器16、電動(dòng)銷釘調(diào)諧器17、微波源18；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的一種可視化研究微波等離子體輔助點(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)裝置涉及的同軸連接器結(jié)構(gòu)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(dǎo)體21、金屬絲22、絕緣玻璃23。其中，金屬絲22用來(lái)連接中心導(dǎo)體21和金屬外殼19，使中心導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)同軸連接器金屬外殼19延伸的長(zhǎng)度，L2是中心導(dǎo)體21伸出金屬外殼的長(zhǎng)度，L4是中心導(dǎo)體21末端圓錐形尖端的長(zhǎng)度，L3是金屬絲22距離金屬外殼19末端的長(zhǎng)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(fā)明實(shí)施例的一種可視化研究微波等離子體輔助點(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)裝置涉及的火花塞頭部結(jié)構(gòu)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(shí)，單片機(jī)10向點(diǎn)火線圈9發(fā)出脈沖信號(hào)B，觸發(fā)點(diǎn)火線圈9產(chǎn)生脈沖高電壓直流信號(hào)，脈沖高電壓直流經(jīng)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(dǎo)體21尖端之間放電擊穿稀薄混合燃?xì)庑纬沙跏嫉入x子體團(tuán)。

另一方面，由單片機(jī)10向微波源18發(fā)出脈沖信號(hào)A，觸發(fā)微波源18產(chǎn)生特定頻率和特定功率的微波脈沖，經(jīng)電動(dòng)銷釘調(diào)諧器17進(jìn)行阻抗匹配后，由波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器16將微波由波導(dǎo)傳播轉(zhuǎn)換為由同軸電纜傳播，隨后微波脈沖進(jìn)入定向耦合器3，入射和被反射的微波脈沖分別經(jīng)由衰減器2衰減以后進(jìn)入微波功率計(jì)1以測(cè)量其功率，測(cè)量結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)15以數(shù)值記錄，微波脈沖經(jīng)過(guò)所述定向耦合器3后，穿過(guò)隔直電容14(防止火花塞正極高電壓擊穿后形成電流進(jìn)入微波源造成損傷)后，進(jìn)入同軸連接器13，并從同軸連接器13的中心導(dǎo)體21與金屬外殼19間的聚四氟乙烯20通過(guò)，在中心導(dǎo)體21尖端向所述初始等離子體團(tuán)中輻射能量。

接著，由單片機(jī)10向高速相機(jī)11發(fā)出脈沖信號(hào)C，觸發(fā)高速相機(jī)11開(kāi)始工作。由鈉燈4提供紋影所需光源，經(jīng)球面鏡5反射后穿透定容燃燒彈體及石英窗6，最終進(jìn)入高速相機(jī)11,。由此，火花放電、微波輻射能量等過(guò)程中點(diǎn)火火核及隨后的火焰發(fā)展情況由高速相機(jī)11完整記錄，并將所拍攝的圖象導(dǎo)入計(jì)算機(jī)15。

由于微波可以穿透石英玻璃，對(duì)人體產(chǎn)生傷害的同時(shí)也造成了能量浪費(fèi)。因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，利用高透光率高電導(dǎo)率的ITO薄膜材料覆蓋石英窗，從而防止微波泄漏對(duì)人體造成傷害和能量損失。

最后，燃料以及燃燒產(chǎn)物由進(jìn)排氣口7進(jìn)入或排出定容燃燒彈6，點(diǎn)火燃燒過(guò)程引起的溫度、壓力的變化則由傳感器12探測(cè)記錄并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)15。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。