基于功率诊断的微波辅助点火能量沉积研究

基于功率诊断方法,研究了不同微波参数(脉冲波形和馈入延迟时间)下对微波辅助点火的增强效果,精确测量了点火过程中与火核耦合的微波能量,并分析了能量耦合的内在机制.结果表明:入射的部分微波能量以产生等离子体的形式耦合到点火火核中,耦合能量随微波脉冲功率的增大而提高,随延迟时间的增大而减小,最高耦合能量达到6.16 mJ;火核的增强效果与耦合能量的变化趋势一致,表明耦合的微波能量是点火增强的内在原因;能量耦合效率(耦合能量/入射能量)一般随脉宽和延迟时间增大而减小,最高耦合效率达到7.23%;并发现了微波能量耦合过程中存在从较低的效率转变到较高的稳定耦合效率的现象,将后者定义为饱和耦合模式;脉冲持续时间内到达饱和耦合模式的转变过程越短,能量耦合效率越高;饱和耦合模式下的能量耦合效率不受微波参数的影响,但高功率短脉宽的脉冲波形和低延迟时间能够更快达到饱和耦合模式,明显提高点火增强效果.

氩气氛围下微波辅助点火机理

基于自行搭建的微波辅助点火(MAI)试验台架,引入高时间分辨率的电气诊断系统,对比了N_(2)氛围和Ar氛围对微波辅助点火核心发展的影响,并从微波等离子体形成和放电电流演变等方面探究了MAI点火核心发展的内在机制.结果表明:当量比为0.80时,N_(2)氛围和Ar氛围中的微波增强作用均与微波等离子体的强度明显相关,但二者等离子体生成特征存在明显区别,Ar氛围中微波等离子体的生成阈值更低.将Ar氛围的当量比降低至0.65时,微波等离子体的生成特征与当量比为0.80的Ar氛围中基本一致,与当量比为0.80的N_(2)氛围存在显著差异,故微波等离子体的生成特征主要由工质氛围决定.用电气诊断系统得到的微波辅助放电窗口能定量表征微波等离子体的强度,同时,微波等离子体强度与微波对点火核心的增强效果呈线性相关.最终明确了微波辅助点火存在两个作用窗口,分别是增强火花放电的微波辅助放电窗口和增强点火核心的微波辅助点火窗口,二者共同作用决定着微波增强的最终效果.

微波辅助点火对甲烷预混球形火焰的影响

基于微波等离子体辅助点火可视化试验台架和分离影响因素的研究思路,试验了不同脉冲频率和峰值功率下微波辅助火花塞的放电特性,以及当量比为0.6~1.0、环境压力为0.1~0.7 MPa下的甲烷-空气预混球形火焰的着火及传播特性.干放电试验结果表明:微波脉冲频率为1 kHz时,由于第一个微波脉冲正处于放电电子密度高峰时刻,微波对火花塞放电核心膨胀的加速作用最明显,随着微波脉冲频率的增大,微波强化放电的效果减弱;随微波源的峰值功率增大,微波脉冲对放电的强化作用愈发明显.点火试验结果表明:频率为1 kHz、峰值功率为1 kW微波脉冲的馈入,使当量比为0.6、环境压力为0.1 MPa下的早期火核生长速度提升了60%,随着当量比的增加,微波对火焰发展的增强幅度减小;随着环境压力的增加,微波对点火的增强作用减弱.总之,微波对火焰发展的增强作用主要是对初始火核发展的促进;在火焰后期,燃料燃烧的热能远大于微波能量,导致微波的馈入对后期燃烧过程没有明显影响.

微波特性对放电/点火核心形貌特征影响

基于微波辅助点火/放电试验台架,采用因素解耦的方法,探究了微波辅助放电/点火过程中,微波脉冲频率、峰值功率对放电/点火核心半径及形貌的影响规律及其内在机制.研究发现:在频率为1 kHz和功率为1 kW时微波辅助模式的放电/点火核心半径是火花点火模式的173.6%,同时微波馈入导致核心表面出现褶皱;中断效应的存在使不同脉冲频率下放电/点火核心对微波能量的吸收效率不同,脉冲频率为40 kHz时微波能量吸收效率基本饱和,40~80 kHz增强效果相差不到10%;峰值功率对点火核心半径的增强效果呈两段式增强,动力学增强比热增强的增强效果更显著.增大脉冲频率或增大峰值功率,放电/点火核心表面褶皱增多.探索了放电/点火核心表面出现褶皱的形成机制,表明馈入微波导致核心表面出现压力梯度和温度梯度,进而形成褶皱.放电/点火核心半径和形貌与微波参数紧密相关.

微波辅助点火对CO_(2)稀释甲烷燃烧的影响

为提高内燃机热效率和降低污染物排放,研究了CO_(2)稀释条件下的甲烷微波辅助点火特性。基于定容燃烧弹台架,将微波馈入到对置式电极以促进点火,采用高速纹影法探索不同试验条件下火核早期发展规律。结果表明:微波辅助点火(MAI)模式下,CO_(2)稀释极限得到提高,16%CO_(2)稀释比仍能成功点火。在8%CO_(2)稀释比时,馈入微波能将甲烷可燃极限从火花点火(SI)模式下的0.7拓展到0.6。随微波功率的升高,火核等效半径增大,但增大程度逐步减小;在不同CO_(2)稀释比条件下,微波频率对火核的增强效果出现不同规律。本研究结果可为废气再循环(EGR)氛围下应用微波辅助点火技术提供理论支撑。

某航空汽油机增压器特性的模拟研究

针对某航空汽油机的增压设计需求,进行了其机械增压器内气体流动的CFD模拟分析,得到了不同转速下该机械增压器的压比、流量和等熵效率等增压器特性参数,获得了不同转速下的压气机特性曲线以及流场分布结果,为该汽油机增压器的匹配和设计提供了数据支撑。

CO_(2)稀释条件下微波辅助点火对早期甲烷空气球形火焰的影响

在定容燃烧弹中利用甲烷空气球形火焰探索了微波辅助点火(MAI)技术在CO_(2)稀释条件下的点火性能。通过对比环境压力0.2 MPa下点火后火焰核心半径以及形貌等特征,评估了MAI在CO_(2)稀释比0~20%以及当量比0.6~1.4范围内较火花点火(SI)模式的增强效果。试验结果表明,脉冲重复频率为1 kHz的微波可以在火焰表面诱发褶皱并使火焰明显变形。在当量比0.75的条件下,采用MAI模式将CO_(2)稀释比极限拓展到了16%,而在此条件下SI模式无法点燃混合气。随着CO_(2)稀释比由0增大到16%时,微波诱发的火褶皱愈发不明显,而微波对火焰半径的增量在CO_(2)稀释比为4%时达到峰值。这被认为是随着CO_(2)稀释比的增加,微波引起的反应动力学增强与热效应之间此消彼长共同作用的结果。8%的CO_(2)稀释比明显缩小了SI点火的可燃当量比范围,而MAI可以维持相同的点火当量比范围。

甲醇喷雾撞击气门特性试验研究

甲醇被称为“液态阳光”,可以通过捕集二氧化碳合成制备,能有效解决内燃机二氧化碳排放问题。但甲醇发动机的冷启动困难,成为甲醇发动机发展的瓶颈。本文基于光学畸变矫正技术,采用透明气道可视化研究了不同喷射压力、气门升程、气门温度对进气道甲醇喷雾撞击气门特性的影响。结果表明:适当提高喷射压力和增加气门升程可以促进喷雾撞击气门后的扩散,增加喷雾面积,从而提高喷雾与空气的混合。而随着气门温度的升高,喷雾在气门表面上形成蒸汽膜,抑制喷雾撞壁,显著增加了喷雾扩展距离和喷雾面积,明显弱化了甲醇的气门湿壁,具体地,本文实验中,甲醇喷雾撞击气门形成蒸汽膜的气门温度阈值为200℃。

微波辅助强化乙炔-空气火花点火的实验研究

利用乙炔-空气球形火焰的发展特性,对比研究了微波辅助点火(MAI)在燃空当量比0.4~1.4、环境压力0.1~0.6MPa,微波脉冲频率1~ 80 kHz、微波馈入时刻-2~2 ms条件下的点火性能增强效能。并通过干放电实验,探究了微波对火焰核心促进作用的内在机制。结果表明:MAI能将常压下当量比分别为0.4和1.4的早期火焰发展速度提升60%和270%;随着环境压力的增大,MAI对早期火焰的增强作用有所减弱;微波脉冲频率从1 kHz增到80 kHz时,MAI的增强效能先快速增强后逐渐放缓;微波提前触发有助于提升MAI性能。