定向自旋等離子體助燃系統技術方案

本發明專利技術涉及一種定向自旋等離子體助燃系統，該定向自旋等離子體助燃系統包括中空殼體、納秒脈沖等離子體電源以及與納秒脈沖等離子體電源相連的等離子體激勵器；中空殼體的頂端以及低端分別設置有氣體收集裝置以及氣體進口；中空殼體內部自上而下形成燃燒區以及預混區；等離子體激勵器以及納秒脈沖等離子體電源分別設置在中空殼體內部和外部；氣體進口依次通過預混區、燃燒區和氣體收集裝置相貫通。本發明專利技術提供了一種可提升助燃性能和能效比的定向自旋等離子體助燃系統。

Directional spin plasma combustion supporting system

The present invention relates to a directional spin plasma assisted combustion system, the oriented spin plasma assisted combustion system comprises a hollow shell, nanosecond pulse plasma power and plasma actuators connected with nanosecond pulsed plasma power supply; a hollow shell top and end are respectively provided with a gas inlet and a gas collecting device; hollow shell from top to bottom to form mixed zone combustion zone and the pre; the plasma actuator and nanosecond pulsed plasma power supply are respectively arranged in the hollow shell inside and outside; followed by the premixed gas inlet zone, combustion zone and gas collecting device is communicated. The invention provides a directional spin plasma combustion supporting system capable of enhancing combustion supporting performance and energy efficiency ratio.

【技術實現步驟摘要】
定向自旋等離子體助燃系統
本專利技術涉及一種等離子體助燃系統，尤其涉及一種定向自旋等離子體助燃系統。技術背景等離子體助燃的基本原理是利用產生的非平衡等離子體的化學活性提高燃料的點火性能及燃燒特性，其實質是等離子體中高能電子與反應物分子的非彈性碰撞，使反應物分子內能增加或能量轉移及“形變”，導致分子鍵松弛、斷裂或裂解成自由基，放電過程中產生了大量的活性原子、基團，從而影響燃燒系統的化學平衡，加速燃燒的化學動力學過程。采用等離子體點火和助燃會有諸多好處：等離子體不僅能快速加熱氣流，而且還會產生大量化學活性物質，如處于激發態的分子和自由基，可以實現大范圍點火、減小點火延遲、改善火焰穩定性、拓寬可燃極限并且同時保持低NOx的排放等。此外，等離子體激勵沒有運動部件，具有結構簡單緊湊、激勵參數容易調節、響應迅速等優點。近年來，等離子體點火和助燃成為國際上應用基礎研究領域中頗受關注的一個研究方向。在一些高寒地帶，因海拔高度的上升，大氣壓力下降，空氣密度逐漸減小，易使柴油機增壓器效率降低，柴油機后燃現象增加，燃燒持續時間長，冒煙嚴重。柴油機的動力性和經濟性顯著降低，排放惡化。另一方面，因氣候嚴寒，機油黏度大，起動阻力大；燃油黏度高，混合氣形成質量差；壓縮溫度與壓力降低，首次著火困難；蓄電池內部化學反應緩慢，內阻增大，端電壓下降，起動力矩降低，著火困難。對于航空發動機，當在高空發生熄火時，要求能夠重新點火。由于高空中氧氣含量低，壓力和溫度低，同時由于壓氣機處于風車狀態，也無法為燃燒室提供高壓空氣，這些因素都增加了點火的難度，因此對于燃燒室的點火性能提出了很大的挑戰，需要采用更加可靠的點火方式。等離子體激勵在點火、助燃、提高燃燒穩定性和效率等方面，都有顯著效果，對提高航空發動機、柴油發動機等在在惡劣條件下(低溫、缺氧)啟動穩定性及燃燒速度等有重要作用和意義。
技術實現思路
為了解決
技術介紹
中存在的上述技術問題，本專利技術提供了一種可提升助燃性能和能效比的定向自旋等離子體助燃系統。本專利技術的技術解決方案是：本專利技術提供了一種定向自旋等離子體助燃系統，其特征在于：所述定向自旋等離子體助燃系統包括中空殼體、納秒脈沖等離子體電源以及與納秒脈沖等離子體電源相連的等離子體激勵器；所述中空殼體的頂端以及低端分別設置有氣體收集裝置以及氣體進口；所述中空殼體內部自上而下形成燃燒區以及預混區；所述等離子體激勵器以及納秒脈沖等離子體電源分別設置在中空殼體內部和外部；所述氣體進口依次通過預混區、燃燒區和氣體收集裝置相貫通。上述等離子體激勵器包括高壓電極、低壓電極以及設置在高壓電極和低壓電極之間的絕緣介質，所述高壓電極、絕緣介質以及低壓電極依次疊加后環繞設置在中空殼體的內壁上；所述高壓電極以及低壓電極分別與納秒脈沖等離子體電源相連。上述高壓電極以及低壓電極均是紫銅電極、銅鍍鋅電極或不銹鋼電極。上述高壓電極的寬度是3-8mm；所述低壓電極的寬度是3-20mm；所述高壓電極以及低壓電極的厚度均是0.1-0.3mm；所述高壓電極與低壓電極之間的放電間隙是0-0.2mm。上述絕緣介質是由聚酰亞胺或聚四氟乙烯所形成的絕緣介質。上述絕緣介質的厚度是0.3-0.5mm。上述納秒脈沖等離子體電源的輸出電壓是0～40kV，放電頻率是6～30kV，上升時間是20ns，脈沖寬度是50ns，中心頻率是22kHz，脈沖頻率是10～2000Hz，占空比是10％～99％。上述定向自旋等離子體助燃系統還包括套裝在中空殼體外部的水冷套。上述水冷套的底部和頂部分別設置有冷卻液進口以及冷卻液出口；所述冷卻液進口通過水冷套與冷卻液出口相貫通。上述氣體進口包括燃料氣體入口以及空氣入口；所述燃料氣體入口以及空氣入口分別通過預混區、燃燒區和氣體收集裝置相貫通。本專利技術的優點是：本專利技術提出了一種定向自旋等離子體助燃系統，利用燃燒過程產生的活性自由基助燃的同時，又可充分利用等離子體激勵產生的氣動效應，增強等離子體活性粒子和燃料氣體分子的動量和能量交換，提升助燃性能和能效比。本專利技術基于納秒脈沖放電過程中，電子從電場中獲得能量，與燃燒氣體分子等中性粒子碰撞，導致激發、電離等物理化學過程的發生，伴隨著能量的轉移、釋放，并通過轉動激發、振動激發、離解、復合等途徑導致氣體加熱，使得局部壓力升高；納秒脈沖放電產生定向自旋，這種定向自旋的沖擊波在燃料流體中傳播，將帶動燃料流體中粒子運動，形成氣動激勵，沖擊波的擾動誘導燃料流體劇烈流動并在電極邊緣形成局部的旋渦，促進了燃燒室壁面氣流與主流的摻混，充分增加了燃料流體與等離子體活性粒子的相互作用，增加了它們之間的能量和動量交換的速度和效率，實現了助燃性能的提升。附圖說明圖1是本專利技術所提供的等離子體助燃系統的結構示意圖；其中：1-冷卻水進口；2-冷卻水出口；3-燃料氣體入口；4-空氣入口；5-預混區；6-等離子體激勵器；7-低壓電極；8-高壓電極；9-燃燒區；10-外殼；11-水冷套；12-氣體收集器；13-氣體檢測器；14-氣體出口。具體實施方式本專利技術提供了一種定向自旋等離子體助燃系統，該定向自旋等離子體助燃系統包括中空殼體、納秒脈沖等離子體電源以及與納秒脈沖等離子體電源相連的等離子體激勵器；中空殼體的頂端以及低端分別設置有氣體收集裝置以及氣體進口；中空殼體內部自上而下形成燃燒區以及預混區；等離子體激勵器以及納秒脈沖等離子體電源分別設置在中空殼體內部和外部；氣體進口依次通過預混區、燃燒區和氣體收集裝置相貫通。等離子體激勵器包括高壓電極、低壓電極以及設置在高壓電極和低壓電極之間的絕緣介質，高壓電極、絕緣介質以及低壓電極依次疊加后環繞設置在中空殼體的內壁上；高壓電極以及低壓電極分別與納秒脈沖等離子體電源相連。定向自旋等離子體助燃系統還包括套裝在中空殼體外部的水冷套，冷卻液例如水可以對中空殼體進行冷卻。本專利技術是基于納秒脈沖放電過程中，電子從電場中獲得能量，與燃燒氣體分子等中性粒子碰撞，導致激發、電離等物理化學過程的發生，伴隨著能量的轉移、釋放，并通過轉動激發、振動激發、離解、復合等途徑導致氣體加熱，使得局部壓力升高；納秒脈沖放電產生定向自旋，這種定向自旋的沖擊波在燃料流體中傳播，將帶動燃料流體中粒子運動，形成氣動激勵，沖擊波的擾動誘導燃料流體劇烈流動并在電極邊緣形成局部的旋渦，促進了燃燒室壁面氣流與主流的摻混，充分增加了燃料流體與等離子體活性粒子的相互作用，增加了它們之間的能量和動量交換的速度和效率，實現了助燃性能的提升。本專利技術的具體工作過程是：本專利技術提供一種定向自旋等離子體助燃系統，以解決高寒地帶柴油機缺氧以及其他稀薄燃燒工況下點火困難及燃燒不穩定的問題。本專利技術所采用的等離子體激勵方式為納秒脈沖電源激勵產生介質阻擋放電，輸入能量小，產生的活性粒子濃度更高。參見圖1，燃料氣體(CH4、C3H8)和空氣分布從燃料氣體入口3以及空氣入口4進入體系。納秒脈沖等離子體電源的具體參數：納秒脈沖等離子體電源，輸出電壓0～40kV可調，放電頻率6～30kV可調，上升時間為20ns，脈沖寬度50ns，中心頻率22kHz，脈沖頻率10～2000Hz可調，占空比10％～99％可調，主要由調節器、電路發生器組成。等離子體激勵器6的具體參數：電極材料為紫銅或銅鍍鋅或不銹鋼，高壓電本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種定向自旋等離子體助燃系統，其特征在于：所述定向自旋等離子體助燃系統包括中空殼體、納秒脈沖等離子體電源以及與納秒脈沖等離子體電源相連的等離子體激勵器；所述中空殼體的頂端以及低端分別設置有氣體收集裝置以及氣體進口；所述中空殼體內部自上而下形成燃燒區以及預混區；所述等離子體激勵器以及納秒脈沖等離子體電源分別設置在中空殼體內部和外部；所述氣體進口依次通過預混區、燃燒區和氣體收集裝置相貫通；所述等離子體激勵器包括高壓電極、低壓電極以及設置在高壓電極和低壓電極之間的絕緣介質，所述高壓電極、絕緣介質以及低壓電極依次疊加后環繞設置在中空殼體的內壁上；所述高壓電極以及低壓電極分別與納秒脈沖等離子體電源相連。

【技術特征摘要】
1.一種定向自旋等離子體助燃系統，其特征在于：所述定向自旋等離子體助燃系統包括中空殼體、納秒脈沖等離子體電源以及與納秒脈沖等離子體電源相連的等離子體激勵器；所述中空殼體的頂端以及低端分別設置有氣體收集裝置以及氣體進口；所述中空殼體內部自上而下形成燃燒區以及預混區；所述等離子體激勵器以及納秒脈沖等離子體電源分別設置在中空殼體內部和外部；所述氣體進口依次通過預混區、燃燒區和氣體收集裝置相貫通；所述等離子體激勵器包括高壓電極、低壓電極以及設置在高壓電極和低壓電極之間的絕緣介質，所述高壓電極、絕緣介質以及低壓電極依次疊加后環繞設置在中空殼體的內壁上；所述高壓電極以及低壓電極分別與納秒脈沖等離子體電源相連。2.根據權利要求1所述的定向自旋等離子體助燃系統，其特征在于：所述高壓電極以及低壓電極均是紫銅電極、銅鍍鋅電極或不銹鋼電極。3.根據權利要求2所述的定向自旋等離子體助燃系統，其特征在于：所述高壓電極的寬度是3-8mm；所述低壓電極的寬度是3-20mm；所述高壓電極以及低壓電極的厚度均是0.1-0.3mm；所述高壓電極與低壓電極之間的放電間隙是0-0.2m...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊利青，王紅飛，劉歡，周倩倩，王浩靜，張洪，
申請(專利權)人：中國科學院西安光學精密機械研究所，
類型：發明
國別省市：陜西,61