一种微波辐射下燃料燃烧和碳烟生成特性的实验装置的制作方法

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cn106762330b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。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微波辐射下燃料燃烧和碳烟生成特性的实验装置，通过采用微波与轴流火焰耦合以及侵入式的毛细管采集方法，一方面通过微波辅助燃烧，促进燃料的燃烧和减少碳烟的生成，另一方面方便快捷的采集不同火焰处的燃烧产物，提供一种简单便捷的实验检测装置，节能环保，安全可靠。

为实现上述目的，按照本发明提供了一种微波辐射下燃料燃烧和碳烟生成特性的实验装置，该研究装置包括高压电源、信号发生器、磁控管、调谐器、燃烧室、轴流燃烧器和毛细管，其中：

所述高压电源与所述磁控管连接，为所述磁控管提供高压电源，所述磁控管用于产生微波，该磁控管和高压电源之间还设置有信号发生器，该信号发生器用于发出波形信号，以此调控所述磁控管产生微波的脉冲时间和频率；所述调谐器和所述磁控管连接，用于调节所述磁控管至所述燃烧室之间线路中的阻抗，进而使得传输至所述燃烧室中的微波传输效率最大；

所述燃烧室包括金属外壳和金属网，所述金属网设置在所述金属外壳的上下两端，以此形成封闭的金属腔体；所述轴流燃烧器设置在所述燃烧室的下方，用于在微波辐射下的所述燃烧器室中产生轴向的火焰；

所述毛细管设置在所述火焰中，其上开设有小孔，该毛细管所在位置处火焰中的物质在该毛细管中负压的作用下吸入所述小孔，然后进入与所述毛细管连接的气体分析仪中，在该分析仪的分析下获得所述火焰中物质的成分，即实现燃烧产物的分析，通过调节所述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。

进一步优选地，所述实验装置中还设置有环形器，该环形器设置在所述磁控管与调谐器连接，该环形器的一端还连接有水负载，该环形器用于将从所述燃烧室反射回的微波导入所述水负载中被吸收，避免反射回的微波进入所述磁控管。

进一步优选地，所述毛细管的一端连接有带标尺的滑轨，用于调节所述毛细管在火焰中的高度和位置。

进一步优选地，所述燃烧室上端的金属网的一端设置有滑轨，用于调节该金属网的高度，进而调节燃烧室的大小。

进一步优选地，所述毛细管的一端与高压氮气瓶连接，一方面利用氮气流经所述毛细管形成负压，以吸收燃烧产物；另一方面利用氮气的低温以及化学惰性，使局部燃烧反应瞬间终止，从而较好的获取燃烧过程中的中间物质。

进一步优选地，所述轴向燃烧器中设置有交错分布的玻璃纤维，用于充分混合进入所述轴向燃烧器中的气体。

进一步优选地，所述轴向燃烧器中还设置有蜂窝芯材，该蜂窝芯材上设置有多个均匀分布的气孔，使得经过所述轴向燃烧器输出的气流均匀且稳定。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明中在燃烧室中充分利用了微波谐振的原理，通过调整金属网位置，使微波在火焰区产生谐振，从而加强火焰与微波的相互作用，利用微波的电磁效应，加速火焰区的带电粒子，产生更多的活性粒子从而加快反应进行同时减少碳烟生成；

2.本发明的燃烧室采用金属外壳和金属网形成封闭的金属腔体，由于本发明利用的微波的固有频率是2.45ghz，其对应的波长基本介于厘米这个量级，而只需要金属网的网格尺寸小于四分之一微波波长，即可实现燃烧室对微波的电磁屏蔽，防止微波泄漏造成对外部操作人员的辐射危害以及因泄漏带来的微波能量损失，再加以调节上端金属网的位置，改变整个燃烧室的空间结构尺寸，微波在燃烧室的各壁面经过反射与其它入射波在空间进行叠加，就有利于微波谐振产生强电场；

3.本发明中通过采用毛细管侵入式的采集方法，其中采用利用低温惰性氮气一方面制止反应进行，从而保留中间产物，另一方面保证毛细管内的负压状态，有利于采集过程；

4.本发明提供的微波辐射下燃料燃烧产物的检测装置，将微波与燃料燃烧的火焰进行耦合，实现采集燃烧过程中间物质的目的，且操作简单，节能环保，安全可靠。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式提供的微波辐射下燃料燃烧产物的检测装置结构示意图；

图2是图1中毛细管前后连接段的局部示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-高压电源，2-信号发生器，3-磁控管，4-环形器，5-调谐器，6-金属外壳，7-金属网，8-滑轨，9-带标尺的滑轨，10-火焰，11-毛细管，12-高压氮气瓶，13-蜂窝芯材，14-玻璃纤维，15-轴流燃烧器，16-气体分析仪，17-水负载，18-绝缘栅双极型晶体管，19-小孔，20-橡胶软管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明较佳实施方式提供的一种微波辐射下燃料燃烧和碳烟生成特性的实验装置，充分利用了微波谐振的原理，通过调整细密金属网位置，使微波在火焰区产生谐振，从而加强火焰与微波的相互作用；利用微波的电磁效应，加速火焰区的带电粒子，产生更多的活性粒子从而加快反应进行同时减少碳烟生成；利用氮气流经毛细管形成管内负压，将反应某过程中的粒子抽吸入毛细管，再利用氮气的低温以及化学惰性，使局部燃烧反应瞬间终止，从而较好的获取燃烧过程中的中间物质，实现基础研究的目的。此外，磁控管产生微波的功率实质上可以由信号发生器发出目标波形与igbt联用而共同决定。

检测装置包括高压电源1，信号发生器2，磁控管3，环形器4，调谐器5，金属外壳6，金属网7，滑轨8，带标尺的滑轨9，毛细管11，高压氮气瓶12，蜂窝芯材13，玻璃纤维14，轴流燃烧器15，气体分析仪16，水负载17，绝缘栅双极型晶体管(igbt)18，小孔19和橡胶软管20。

高压电源1连接磁控管3，高压电源1与磁控管3中间由绝缘栅双极型晶体管(igbt)18连接，igbt另一端与信号发生器2连接，磁控管3依次与环形器4，调谐器5以及金属外壳6连接，水负载17与环形器4另一端连接，轴流燃烧器15位于金属外壳6下方，金属外壳6上方与下方均有金属网7，其共同组成一个电磁屏蔽的封闭空腔，此处的封闭是广义上的封闭，是指在电磁层面上的封闭，使得微波无法从燃烧室辐射出去，由于燃烧室中燃烧过后的尾气能要及时排出，因此上下层需要采用金属网的设置，轴流燃烧器15的火焰10收容于空腔之中，毛细管11两端分别接橡胶软管20，再分别与高压气瓶12以及气体分析仪16相连。

高压电源1给磁控管3供电，信号发生器2发出特定波形信号，经igbt18控制通断，从而控制磁控管3的输出模式，环形器4将反射微波导入水负载17吸收，避免微波反射入磁控管造成损毁，调谐器5调整传输阻抗，使微波能量损失最小而传输进入金属外壳6的能量最大，调整金属外壳6的上部金属网7，使微波达到最好的谐振效果，微波与火焰10相互作用，最终减少碳烟生成，带标尺滑轨9可调节毛细管11与火焰10的相对位置，毛细管11上有小孔19，高压氮气瓶12带有节流阀，将低温氮气导入毛细管11，在毛细管11中形成负压，将火焰10局部的物质经小孔19吸入毛细管11，最终随氮气流入气体分析仪16，低温氮气能将燃烧反应迅速停止，达到采集燃烧过程中间物质的目的，毛细管11由橡胶软管20分别于高压气瓶12以及气体分析仪16相连接，使毛细管11能自由上下移动，轴流燃烧器15底部有多个进气口，方便研究诸如预混燃烧、扩散燃烧等多种模式的燃料燃烧，且内置有玻璃纤维14段和蜂窝芯材13段，使气体混合更加均匀，金属外壳6壁面开有石英窗，且涂布ito薄膜，既屏蔽微波，又能方便从外部进行光学观测，得到诸如羟基分布，火焰速度等燃烧特性参数，以对燃料燃烧特性进行分析。金属网7能拆卸能移动，既能屏蔽微波，又能使火焰10燃烧生成地废气及时排除。此外，在进行扩散燃烧模式的实验时，金属网7还能允许外部空气进入，使燃烧得以进行。

一种微波辐射下燃料燃烧和碳烟生成特性的实验装置的使用方法，该使用方法包括以下步骤：

s1将预研燃料从不同的进气口按要求充入轴流燃烧器；拆下金属外壳下方的金属网，在轴流燃烧器出口处利用点火装置点燃燃料，调整细密金属网的位置，使之与轴流燃烧器出口齐平或者略低于该出口，调整上部细密金属网使其与火焰尖端保持合理距离；

s2调整信号发生器的输出波形，以达到实验目的。调整调谐器以使微波传输效率最大；

s3待火焰稳定后，调整毛细管与火焰的相对位置，打开高压氮气瓶，调整其氮气流速，以满足实验要求；

s4通过金属外壳壁面的石英视窗进行光学观察；收集轴流火焰不同高度处的燃烧物质，由气体分析仪进行诊断。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。