本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)微波點(diǎn)火燃燒過(guò)程可視化觀測(cè)的系統(tǒng)，具體是利用脈沖微波能量，在混合燃料的定容燃燒腔內(nèi)，產(chǎn)生點(diǎn)火燃燒，并可對(duì)其進(jìn)行觀察測(cè)量的系統(tǒng)，屬于微波點(diǎn)火、微波助燃領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、大型燃燒爐中的點(diǎn)火技術(shù)包括單點(diǎn)點(diǎn)火、火花塞點(diǎn)火以及微波點(diǎn)火。其中，微波點(diǎn)火技術(shù)是利用微波輻射、微波諧振方式點(diǎn)火，與傳統(tǒng)的單點(diǎn)點(diǎn)火，火花塞點(diǎn)火不同。微波點(diǎn)火消除了單點(diǎn)點(diǎn)火效能較低的分步燃燒，分層燃燒的局限。微波電場(chǎng)可存在于整個(gè)燃燒腔空間(該燃燒腔為由u型上端蓋與平面下端蓋構(gòu)成的閉合腔體，在該腔體內(nèi)壁上包裹具有良好導(dǎo)電性能的金屬，以實(shí)現(xiàn)微波在該腔體內(nèi)的完全發(fā)射疊加)，可以產(chǎn)生多個(gè)點(diǎn)火點(diǎn)，使得燃燒變得更加迅速，更加充分，也降低了燃料消耗。微波點(diǎn)火同時(shí)可以可利用某些分子的吸收微波能力，降低燃燒反應(yīng)活化能，從而促進(jìn)某些燃燒相關(guān)自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，加快燃燒過(guò)程。同時(shí)，由于不存在分層燃燒過(guò)程，微波點(diǎn)火可能實(shí)現(xiàn)更加稀薄的燃燒(即發(fā)動(dòng)機(jī)在空燃比大于理論空燃比時(shí)的燃燒)，進(jìn)一步節(jié)省了燃料。

通過(guò)燃燒過(guò)程可視化觀測(cè)能夠清晰地了解燃燒的特征規(guī)律，加強(qiáng)對(duì)燃燒機(jī)理的理解和認(rèn)識(shí)。如果得到清晰的燃燒圖像，可通過(guò)亮度、輻射強(qiáng)度等測(cè)得缸內(nèi)的溫度場(chǎng)分布，對(duì)于燃燒效果改進(jìn)，促進(jìn)燃燒等都有重要意義。然而目前，微波點(diǎn)火現(xiàn)象難以進(jìn)行直觀的觀察研究，只能通過(guò)外部參數(shù)如燃燒壓力、燃燒尾氣等對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行判斷。

目前，可利用紋影法研究不可直接觀測(cè)到的燃燒、氣流變化，定性、定量地對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行分析和量化，從機(jī)理上探討燃燒反應(yīng)過(guò)程。所述紋影法是利用光在被測(cè)流場(chǎng)中的折射率梯度正比于流場(chǎng)的氣流密度的基本原理進(jìn)行測(cè)量，廣泛用于觀測(cè)氣流的邊界層、燃燒、激波、氣體內(nèi)的冷熱對(duì)流以及風(fēng)洞或水洞流場(chǎng)。

目前基于紋影法進(jìn)行燃燒過(guò)程可視化裝置的組成及工作原理如圖1所示，包括依次共軸設(shè)置的白光光源發(fā)生器9、兩個(gè)凸透鏡(11、14)、刀口12和成像屏13；其中，白光光源發(fā)生器9位于第一凸透鏡11的焦點(diǎn)處，刀口12設(shè)置在第二凸透鏡14與成像屏13之間，且該刀口12位于第二凸透鏡14的焦點(diǎn)處，在兩個(gè)凸透鏡之間布置被觀測(cè)對(duì)象(燃燒腔體)15。

該裝置的工作原理為：該被觀測(cè)對(duì)象15的中心與第二凸透鏡的中心距離為p(p為第二凸透鏡的物距)，該刀口位于第二凸透鏡14的焦點(diǎn)f2處，；該刀口用于阻擋一部分經(jīng)過(guò)偏折的光線。成像屏距離第二凸透鏡的距離為q(q為第二凸透鏡的像距)。物距p與像距q于第二凸透鏡為共軛關(guān)系，即滿足關(guān)系式：該關(guān)系保證了在位于被觀測(cè)對(duì)象內(nèi)的任意一點(diǎn)a，經(jīng)過(guò)第二凸透鏡及刀口后在成像于成像屏的a’處；而由于氣體折射率變化導(dǎo)致的光線發(fā)生偏折角α，僅引起像平面處a’的亮度變化。

然而，由于微波燃燒腔體難以實(shí)現(xiàn)大面積的透光，無(wú)法滿足紋影光路展現(xiàn)燃燒細(xì)節(jié)的條件；若燃燒腔體滿足大面積透光要求時(shí)將會(huì)造成微波泄露，同時(shí)，由于微波無(wú)法反射諧振，造成無(wú)法產(chǎn)生微波點(diǎn)火；此外，由于燃燒腔內(nèi)壁上包裹有金屬，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒腔內(nèi)的觀測(cè)。因此將常規(guī)的基于紋影法進(jìn)行燃燒過(guò)程可視化裝置應(yīng)用在微波點(diǎn)火上存在困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決微波點(diǎn)火過(guò)程可視化觀測(cè)的問(wèn)題，既能夠?qū)崿F(xiàn)微波點(diǎn)火，同時(shí)實(shí)現(xiàn)利用紋影法對(duì)微波點(diǎn)火發(fā)展過(guò)程的觀察，提出一種實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)微波點(diǎn)火燃燒過(guò)程可視化觀測(cè)的系統(tǒng)，本發(fā)明具有實(shí)現(xiàn)微波諧振點(diǎn)火，同時(shí)滿足紋影法大面積透光的要求，實(shí)現(xiàn)了展現(xiàn)燃燒細(xì)節(jié)，定量分析計(jì)算，研究燃燒機(jī)理的需求。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)微波點(diǎn)火燃燒過(guò)程可視化觀測(cè)的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括：微波點(diǎn)火裝置和微波點(diǎn)火可視化裝置兩部分；

所述微波點(diǎn)火裝置包括u型上端蓋、中部開(kāi)口的平面下端蓋、石英玻璃、微波耦合器、微波源發(fā)生器、配氣氣路閥門以及配氣氣路；其中，上端蓋與下端蓋壓緊固定形成微波燃燒腔，上端蓋的頂端內(nèi)側(cè)為鏡面，上端蓋側(cè)壁內(nèi)側(cè)包裹金屬；所述微波耦合器嵌固于上端蓋頂部正中心處，該微波耦合器的輸入端凸出于上端蓋外，并與微波源發(fā)生器輸出端連接，微波耦合器輸出端的天線位于微波燃燒腔內(nèi)；所述配氣氣路閥門固定于上端蓋頂端的邊緣，并與所述配氣氣路連接，該配氣氣路通過(guò)配氣氣路閥門向微波燃燒腔內(nèi)輸送燃料空氣混合物；所述石英玻璃嵌固于下端蓋中心開(kāi)口處，該石英玻璃位于微波燃燒腔一側(cè)鍍有透明導(dǎo)電層；

所述微波點(diǎn)火可視化裝置包括位于靠近微波點(diǎn)火裝置的下端蓋一側(cè)由近及遠(yuǎn)依次設(shè)置的凸透鏡、半透半反鏡和白光光源發(fā)生器，以及刀口和成像屏；其中，所述凸透鏡、半透半反鏡和白光光源發(fā)生器均與所述石英玻璃共中心軸線，白光光源發(fā)生器位于凸透鏡的焦點(diǎn)處，半透半反鏡與所述中心軸線成45°設(shè)置，刀口和成像屏設(shè)置在垂直于所述中心軸線的上方，且所述刀口位于凸透鏡經(jīng)與半透半反鏡反射光匯聚的焦點(diǎn)處，經(jīng)半透半反鏡的反射光通過(guò)刀口后最終在成像屏上成像。

本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果：

本發(fā)明采用了鍍有透明導(dǎo)電層的石英玻璃，滿足了微波諧振的基本電導(dǎo)率要求和光線透過(guò)條件，可實(shí)現(xiàn)微波諧振、微波電場(chǎng)疊加增強(qiáng)以及微波能量不泄露的效果，同時(shí)使得外界光線進(jìn)入燃燒腔，腔體內(nèi)部燃燒情況可視化；燃燒腔內(nèi)的鏡面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了反射式紋影法的應(yīng)用，使得發(fā)生在燃燒腔中原不可觀測(cè)、計(jì)算的燃燒現(xiàn)象得以觀測(cè)和定量研究。通過(guò)對(duì)微波點(diǎn)火的可視化觀測(cè)，能夠分析微波點(diǎn)火、燃燒過(guò)程的發(fā)展細(xì)節(jié)，并可以分析利于微波點(diǎn)火、燃燒發(fā)展的因素，可以為改進(jìn)燃燒質(zhì)量，提高燃料利用率產(chǎn)生重大意義，從而實(shí)現(xiàn)燃料的節(jié)能減排技術(shù)的突破。

附圖說(shuō)明

圖1是常規(guī)紋影法觀測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖；

圖2是本發(fā)明的微波點(diǎn)火燃燒過(guò)程可視化觀測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提出的一種實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)微波點(diǎn)火燃燒過(guò)程可視化觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)一步說(shuō)明如下。

本發(fā)明提出的一種實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)微波點(diǎn)火燃燒過(guò)程可視化觀測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖參見(jiàn)圖2，該系統(tǒng)包括微波點(diǎn)火裝置和微波點(diǎn)火可視化裝置兩部分；

所述微波點(diǎn)火裝置包括u型上端蓋1、中部開(kāi)口的平面下端蓋2、石英玻璃3、微波耦合器5、微波源發(fā)生器7、配氣氣路閥門6以及配氣氣路8；其中，上端蓋1與下端蓋2壓緊固定形成微波燃燒腔，上端蓋1頂端內(nèi)側(cè)為鏡面，上端蓋1側(cè)壁內(nèi)側(cè)包裹具有良好導(dǎo)電性能的金屬；微波耦合器5嵌固于上端蓋1頂部的正中心處，該微波耦合器的輸入端凸出于上端蓋1外，并與微波源發(fā)生器7輸出端連接，微波耦合器輸出端的天線位于微波燃燒腔內(nèi)；配氣氣路閥門6固定于上端蓋1頂端的邊緣，并與配氣氣路8連接，配氣氣路8通過(guò)配氣氣路閥門6向微波燃燒腔內(nèi)輸送燃料空氣混合物；石英玻璃3嵌固于下端蓋2中心開(kāi)口處，該石英玻璃3位于微波燃燒腔一側(cè)鍍有透明導(dǎo)電層4；

所述微波點(diǎn)火可視化裝置包括位于靠近微波點(diǎn)火裝置的下端蓋2一側(cè)由近及遠(yuǎn)依次設(shè)置的凸透鏡11、半透半反鏡10和白光光源發(fā)生器9，以及刀口和成像屏；其中，凸透鏡11、半透半反鏡10和白光光源發(fā)生器9均與石英玻璃3共中心軸線，白光光源發(fā)生器9位于凸透鏡11的焦點(diǎn)處，且該白光光源發(fā)生器產(chǎn)生的白光光源平行于凸透鏡11的光軸，半透半反鏡10與所述中心軸線成45°設(shè)置；刀口12和成像屏13設(shè)置在垂直于所述中心軸線的上方，且刀口12位于凸透鏡11經(jīng)與半透半反鏡10反射光匯聚的焦點(diǎn)處，經(jīng)半透半反鏡10的反射光通過(guò)刀口后最終在成像屏13上成像。

本發(fā)明各器件的具體實(shí)現(xiàn)方式及功能說(shuō)明如下：

微波點(diǎn)火裝置中的微波燃燒腔為微波點(diǎn)火提供了燃燒了空間，通過(guò)石英玻璃3一側(cè)表面的透明導(dǎo)電層4可保證微波反射并使可見(jiàn)光透過(guò)，從而避免了微波泄露；通過(guò)固定在上端蓋1內(nèi)側(cè)的鏡面起到了反射進(jìn)入腔體的可見(jiàn)光，使得燃燒的細(xì)節(jié)可以被外界觀察的效果；固定于上端蓋正中心處的微波耦合器可加強(qiáng)局部電場(chǎng)，使得點(diǎn)火順利發(fā)生；通過(guò)配氣氣路8和配氣氣路閥門6，將腔體空間充滿燃料空氣混合物；當(dāng)燃料空氣混合物充分混合后，微波源發(fā)生器7將發(fā)出脈沖式單一頻率的微波，引發(fā)微波點(diǎn)火。本實(shí)施例的微波燃燒腔為圓柱型。

本發(fā)明微波燃燒腔內(nèi)的氣壓強(qiáng)度可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置為0.1-10個(gè)大氣壓，即能滿足低壓、常壓、高壓的要求。

本發(fā)明的透明導(dǎo)電層4可采用以下材料制成：氧化銦錫(ito)、摻鋁氧化鋅(azo)、鋰氟氧化錫(lfto)、石墨烯等。該透明導(dǎo)電層通過(guò)常規(guī)的鍍膜方式固定在石英玻璃3一側(cè)，如蒸鍍、噴濺鍍膜等。

本發(fā)明的微波發(fā)生器7可由射頻發(fā)生器或激光發(fā)生器替代，對(duì)應(yīng)地，微波耦合器5由射頻耦合器或激光耦合器等其他種類電磁波耦合器替代，微波發(fā)生器可以由其他電磁波發(fā)生器替代。

微波點(diǎn)火可視化裝置能夠使得燃燒中氣體密度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)槌上衿辽铣上窳炼鹊淖兓?，進(jìn)而反映燃燒火焰狀態(tài)，燃燒溫度等重要參數(shù)。本發(fā)明的第一、第二凸透鏡，半透半反鏡均為常規(guī)的光學(xué)器件，本實(shí)施例的第一、第二凸透鏡，半透半反鏡均由石英玻璃制成；刀口12、成像屏13與常規(guī)紋影法觀測(cè)裝置中的刀口和成像屏相同

采用本發(fā)明系統(tǒng)進(jìn)行微波點(diǎn)火燃燒過(guò)程可視化觀測(cè)的步驟如下：

步驟1)通過(guò)配氣閥門6將燃料空氣混合氣體加注進(jìn)入微波燃燒腔(可根據(jù)實(shí)際情況選擇低、中、高氣壓(通常為0.1-10個(gè)大氣壓，但不限于)以及不同的加注氣體配比)，加注后關(guān)閉配氣閥門6；

步驟2)對(duì)微波燃燒腔進(jìn)行微波入射功率測(cè)試，采用測(cè)試級(jí)功率(10w或以下)測(cè)試微波的入射情況，檢測(cè)微波點(diǎn)火裝置是否存在連接或阻抗改變等問(wèn)題，同時(shí)檢測(cè)微波點(diǎn)火可視化裝置是否存在光學(xué)陰影、光路遮擋或儀器正常工作等方面的問(wèn)題；若存在問(wèn)題，則需進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整(如微波入射功率過(guò)低，則需進(jìn)行阻抗匹配調(diào)整；如光路存在傾斜，無(wú)法得到清晰圖像，則需進(jìn)行光軸調(diào)整等)直至系統(tǒng)正常，執(zhí)行步驟3)；

步驟3)靜置微波燃燒腔5分鐘，使得燃料在微波燃燒腔中混合分布均勻，保證燃料的均一性；

步驟4)觸發(fā)微波源發(fā)生器產(chǎn)生微波，同時(shí)記錄成像屏上的紋影記錄；

步驟5)對(duì)紋影記錄進(jìn)行基本的測(cè)量，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，檢查數(shù)據(jù)有效性等；

步驟6)為腔內(nèi)微波點(diǎn)火燃燒過(guò)程可視化觀測(cè)的后處理過(guò)程，包括觀測(cè)過(guò)程的條件記錄，紋影數(shù)據(jù)導(dǎo)出，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容；

步驟7)進(jìn)行燃燒廢氣的排放，結(jié)束觀測(cè)進(jìn)程。

通過(guò)本系統(tǒng)能夠可靠獲取微波點(diǎn)火的紋影圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)點(diǎn)火、燃燒過(guò)程進(jìn)行細(xì)致定量研究。這對(duì)于研究高效能燃燒，提高燃料利用率，實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)、汽油機(jī)的節(jié)能減排，都有重要的意義。