[发明专利]一种微波辐射下燃料燃烧和碳烟生成特性的实验装置

说明书

本发明属于发动机节能减排相关技术领域，并公开了一种微波辐射下燃料燃烧和碳烟生成特性的实验装置。该实验装置，包括高压电源、信号发生器、磁控管、调谐器、燃烧室、轴流燃烧器和毛细管，磁控管用于产生微波，调谐器用于调节线路中的阻抗；燃烧室为封闭的金属腔体；轴流燃烧器用于在燃烧器室中产生轴向的火焰；毛细管设置在火焰中，其上开设有小孔，其所在位置处火焰中的物质在负压的作用下吸入小孔中，然后进入气体分析仪中，在该分析仪的分析下获得所述火焰中物质的成分，调节毛细管在火焰中的位置，实现不同位置处燃烧产物的分析，以此实现燃烧产物的全面检测，通过本发明，实现燃烧过程中中间产物的检测，操作简单，节能环保，安全可靠。

技术领域

本发明属于发动机相关技术领域，更具体地，涉及一种微波辅助燃烧的燃烧和碳烟生成特性的实验装置。

背景技术

随着发动机保有量的增多，发动机已经成为最主要的化石能源消耗产品之一，并且发动机尾气中的颗粒物其最主要的成分是碳烟颗粒等，给人类环境带来了严重危害。因此，如何使发动机燃烧效率提升的同时降低有害物排放，对发动机的进一步发展尤为重要。

一方面，常见的发动机节能减排的策略包括稀薄燃烧以及废气再循环技术，两种策略本质上都是对燃料与空气的混合物进行稀释。然而，当稀释比例过大时，会降低发动机中燃料燃烧的速度，不利于其功率输出。因此，解决极限条件下燃料燃烧速度过慢的问题是此类节能减排策略应用的关键。另一方面，发动机燃烧所生成的碳烟颗粒有着分形的积聚结构，每个积聚结构的颗粒又由相当数量的球形初级颗粒组成，这些颗粒由汽车尾气排出后形成了PM，其中PM2.5由于能无阻碍的进入人体的呼吸道而危害性极大；为了减少发动机工作过程中的碳烟生成，研究人员往往采用降低燃空当量比的做法。特别在柴油机中，由于柴油机是将燃油喷入气缸后压缩着火燃烧，燃料由液相吸热蒸发到气相均匀混合需要较长的时间，导致实际燃烧过程中混合物存在燃料浓区，从而使局部燃料燃烧不充分，进而生成碳烟。

近年来，研究人员尝试利用外加电场的方式，改善燃油燃烧过程，加速燃料氧化，提高燃烧效率并减少碳烟生成。由于火焰实质上是大量带电粒子的集合，在外加电场的作用下，部分粒子会被加速从而碰撞激发产生更多活性粒子，加速燃烧反应的进行。这种方式在一定程度上提高了燃烧效率并减少了碳烟生成，由于直接在发动机中设置电场存在困难，施加电场以提高燃烧效率并减少碳烟生成的方法是否能够实用，还有待进一步的研究。

由于发动机气缸是一个密闭的金属壁面空间，采用微波辐射在气缸中形成强电场是一种有潜力的减少发动机碳烟排放的方法。专利CN106762330B公开了一种可视化研究微波等离子体辅助点火的实验装置，利用火花塞点火形成初始等离子体，再向其中辐射微波能量，使其扩大，从而达到增强点火的效果，该文献通过微波增强稀薄混合气的点火过程从而可以使可燃混合气更稀薄，进而提高了发动机热效率，达到节能减排的作用，但其主要应用背景在于汽油机，针对的是点火过程，与扩散燃烧为主要燃烧模式的柴油机场景有所不同。此外，由于专利CN 106762330 B针对的是点火瞬态过程的可视化，不利于燃料燃烧和碳烟生成过程的诊断；以往工程师们通常采用稳态的轴流火焰的形式来进行燃料燃烧碳烟生成过程的基础研究工作，利用探针，深入到轴流火焰中使部分碳烟凝结在探针上，通过改变探针的高度从而得到不同位置的碳烟生成情况。这种方式的优点是方便快捷，且价格便宜，但由于探针采样的过程中，燃烧反应并没有停止，难以采集到碳烟生成过程中的中间物质，所以会给后续的分析带来一定的困难，随着激光诊断技术的发展，研究人员采用激光诱导荧光技术，激光诱导炽光技术等对轴流火焰进行诊断，这种方式的诊断能够较为精准的探测到碳烟生成过程中的中间物质及其分布，因此受到广泛关注，但是激光诊断装置的价格比较高昂，且在研究电磁场对碳烟生成过程的影响时，激光能量会给电磁场带来额外的影响，从而会对电磁场下的燃烧分析带来干扰，因此目前也只是用于常规轴流火焰的基础研究。

综上所述，发明一种利于探究电磁场辅助燃烧下燃料燃烧特性和碳烟生成特性的实验装置及方法显得尤为重要。

发明内容