一种微波加热激光辅助点火的氨柴定容燃烧弹装置

技术领域

本发明涉及一种定容燃烧弹装置，特别涉及一种微波加热激光辅助点火的氨柴定容燃烧弹装置，属于新能源技术领域。

背景技术

随着全球能源危机的影响世界各国都在寻求一种新型替代燃料以及新型燃烧策略以缓解传统化石能源危机，同时由于温室效应对全球气候的影响，降低碳排放的重担落在了世界各国头上。在众多清洁能源中，氨燃料作为氢的载体有着很大的发展潜力，氨气分子不含碳元素作为零碳燃料很好的响应了我国的政策，对于节能低碳有着很大的推动作用。但氨气的燃烧也存在诸多问题，其燃烧速度缓慢，汽化潜热大不易点燃。因此需要一种高活性燃料进行引燃或者采用激光点火的方式拓宽氨气的稀燃极限，提高燃烧速度。

可燃混合气在定容燃烧弹中的燃烧与汽油机的燃烧比较接近。把定容燃烧弹分成四部分，其中包含有等量的可燃混合气，其状态为（p0，T0），当第一部分燃烧以后，压力温度升高，压缩其余未燃部分，本区域温度从T0上升到T1，其余部分由于压缩与传热的影响，温度和压力也有所提高。当第二部分区域开始燃烧时，该部分的混合气是在比始压p0，始温T0较高的压力温度下燃烧。在燃烧时，这部分气体要膨胀，进而压缩第一部分已燃烧气体和未燃烧的第三和四部分气体，使他们的压力、温度在升高，然后依次燃烧第三和第四部分的混合气。

柴油和氨气双燃料燃烧是柴油机的新型燃烧模式，氨气在发动机中是进气道喷射，柴油高压直喷，定容弹模拟的这个过程，先充氨气，再直喷柴油，柴油的作用就是引燃，相当于点火作用

激光作为一种“精密”点火源，是一种安全、可靠、轻便的新型点火技术，与常规的电桥丝雷管点火相比，其优点是：抗干扰能力强，避免了电磁波、静电等电信号的干扰。目前，日本和罗马尼亚的工程师们开发出了一种陶瓷粉末激光器，其大小相当于一个火花塞，从而允许它嵌入汽缸中。这是一种设计独特的激光装置，它能以较低能级的激光为基础产生高能激光束。而高活性燃料的选取通常采用柴油或者生物柴油，国内大连理工大学利用柴油引燃液氨在直喷发动机上做了相关研究，而目前氨气在定容弹上的研究并不多，传统的定容弹装置难以满足氨气燃烧的条件，其试验周期长，在氨气试验中可靠性不佳，功能单一，且传统的定容弹存在电加热丝加热时间长，加热丝易熔断的问题，拆装费时费力，且内部的保温材料石棉在拆卸时扬起的灰尘对人体有害。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提出一种微波加热激光辅助点火的氨柴定容燃烧弹装置；本发明采用微波加热可以缩短加热时间，且微波加热稳定可靠，避免了传统电热丝易熔断的问题，极大的节约了时间成本；采用激光辅助点火可以提高燃烧速度，实现更高效的燃烧，从而减少燃烧不完全造成的污染；并且可通过调整光学仪器的焦距，调整激光在装置内部的点火位置，可以进一步研究点火位置对燃烧完全度的影响；同时，本发明增添了液氨和柴油喷射装置，实现双燃料喷射，根据试验要求可实现氨气预混点火和氨/柴双燃料的RCCI压燃燃烧模式的灵活切换。

技术方案：一种微波加热激光辅助点火的氨柴定容燃烧弹试验装置，包括定容燃烧弹组件、燃料供给系统、排气系统、微波加热系统、激光点火系统、试验观察系统和系统控制器；

所述定容燃烧弹组件包括中空密闭的定容弹壳体，所述定容弹壳体内壁设有微波吸收层，所述定容弹壳体上设有激光透射窗口和观测窗口；

所述燃料供给系统包括氨气供给装置、柴油供给装置和氧气供给装置，所述氨气供给装置、柴油供给装置和氧气供给装置分别与定容弹壳体内腔连通；

所述定容弹壳体通过排气系统与大气连通；

所述微波加热系统包括磁控装置、导波管和微波发射机，所述磁控装置产生微波通过导波管传送至微波发射机，微波发射机将微波发送至定容弹壳体内由微波吸收层吸收；

所述激光点火系统包括激光发射器和调焦组件，所述激光发射器激发的激光经过调焦组件透过激光透射窗口射入定容弹壳体内部；

所述试验观察系统通过定容弹壳体的观测窗口观测燃烧过程；

所述系统控制器分别协调控制燃料供给系统、排气系统、微波加热系统、激光点火系统和试验观察系统。

本发明采用微波加热和激光点火，实现了加热速度快，点火能量高以及点火位置的灵活可控。取代了传统电加热丝与电火花塞，提高了试验的可靠性和整体燃烧的效率。

优选项，为了实现氨气预混燃烧与氨/柴双燃料RCCI压燃燃烧模式的灵活切换，所述定容弹壳体上设有液氨喷射器、柴油喷射器、氧气阀和排气阀；所述氨气供给装置通过液氨喷射器与定容弹壳体连通；所述柴油供给装置通过柴油喷射器与定容弹壳体连通；所述氧气供给装置通过氧气阀与定容弹壳体连通；所述排气系统通过排气阀与定容弹壳体连通。通过增置液氨喷射器与柴油喷射器可实现氨气预混燃烧与氨/柴双燃料RCCI压燃燃烧模式的灵活切换。

优选项，为了进一步加快加热速度，所述定容弹壳体与微波吸收层之间设有保温层，所述保温层外壁涂装微波反射材料，内部采用复合吸波材料。保温层外壁涂装微波反射材料可以反射微波，内部采用复合吸波材料可以吸收微波能量产生热量，进一步加快了加热速度，可靠性高有利于缩短试验周期，提高试验准确率。

优选项，为了进一步加快加热速度，所述定容弹壳体为钢板结构，所述微波吸收层为碳化硅与陶瓷的复合吸波材料构成。金属钢板结构用来防止微波泄漏，具有高反射率、高辐射率、低导热系数、低蓄热系数等热工性能，具有卓越的隔热反射功能。

优选项，为了进一步加快加热速度，所述保温层为由悬浮于惰性乳胶中的微小陶瓷颗粒构成的绝热反射瓷层。具有高反射率、高辐射率、低导热系数、低蓄热系数等热工性能。

优选项，为了实现微波加热功率可控，所述系统控制器包括微波控制器，所述微波控制器通过控制磁控装置调节微波加热功率。采用微波加热功率可控，可根据不同工况需求调节功率，最大优势是加热速度快，提高实验效率改良了传统电热丝加热高能耗，易熔断的缺陷。

优选项，为了实现对点火时间的控制，所述系统控制器包括激光控制器，所述激光控制器通过控制激光发射器的激发时间控制点火时间。通过激光控制器可以根据试验需要对点火时间进行精准的控制。

优选项，为了灵活调节激光点火点在定容弹壳体内部的点火位置，所述调焦组件包括调焦凹透镜、第一调焦凸透镜和第二调焦凸透镜，所述激光发射器产生的激光光束依次经过调焦凹透镜、第一调焦凸透镜、第二调焦凸透镜和激光透射窗口聚焦于定容弹壳体内的激光点火点。激光点火装置的应用改善了传统电火花塞点火只能在触发器附近点燃燃料的缺陷，并且激光点火可提高燃烧速度，拓宽稀燃极限有利于提高装置整体的燃烧效率。

优选项，为了实现燃料和助燃剂的协同供给和燃烧完成后对排气的控制，所述系统控制器包括燃烧控制器，所述燃烧控制器分别与液氨喷射器、柴油喷射器、氧气阀和排气阀控制连接。

优选项，为了准确地采集试验数据，所述试验观察系统包括观测光源组件和图像采集组件，所述定容弹壳体的两侧分别设有观测窗口，所述观测光源组件产生通过校准的光线经过观测窗口反射进入定容弹壳体内部，图像采集组件通过另一个观测窗口对定容弹壳体内部的燃烧情况进行图像采集；所述系统控制器包括观测控制器，所述观测控制器分别与观测光源组件和图像采集组件控制连接。采用纹影法捕捉燃烧过程，通过更加准确地采集到试验图像。观测控制器分别与观测光源组件和图像采集组件控制连接可以实时进行图像采集。

试验步骤方法如下：

首先对氨气预混燃烧的方法步骤如下：

在工作前需对激光点火点位置以及测试纹影法的光路进行标定使其满足试验条件。系统在工作时，第一步由氨气供给装置将氨气通过液氨喷射器喷入定容燃烧弹组件内部，由氧气供给装置将高纯空气注入到定容燃烧弹组件内部，此时排气阀关闭；第二步由微波控制器控制磁控装置产生微波，微波通过导波管传送至微波发射机，此时微波存在于保温层与微波吸收层之间，由微波吸收层吸收微波能量产生热能加热定容燃烧弹组件内部，通过温压显示器观察定容燃烧弹组件内部的压力与温度，使其低于氨气着火极限；第三步由激光控制器控制激光发射器产生激光，激光通过标定好的光学仪器到达预定的点火点位置进行点火，同时定容燃烧弹组件内部燃烧情况由高速摄像机构成的图像采集组件进行捕捉传送至观测控制器中进行保存；试验结束后由微波控制器控制关闭磁控装置，排气阀打开将气体排至排气系统，观察温压显示器直至温度压力降低到安全标准，关闭所有设备。

其次对氨/柴双燃料的RCCI压燃燃烧模式的试验方法步骤如下：

工作前的光路标定与上述方法相同。系统在工作时，第一步和第二步与上述方法相同，第三步由燃烧控制器控制柴油供给装置，柴油通过柴油管道送至柴油喷射器，经柴油喷射器将柴油喷射进入定容燃烧弹组件内部，以柴油引燃氨气着火，定容燃烧弹组件内部燃烧情况由高速摄像机构成的图像采集组件进行捕捉传送至观测控制器中进行保存，试验结束后由微波控制器控制关闭磁控装置，排气阀打开将气体排至排气系统，观察温压显示器直至温度压力降低到安全标准，关闭所有设备。

综上所述，本发明提出一种微波加热激光辅助点火的氨柴定容燃烧弹试验装置，采用微波加热和激光点火，实现了加热速度快，点火能量高以及点火位置的灵活可控。取代了传统电加热丝与电火花塞，提高了试验的可靠性和整体燃烧的效率。增置液氨喷射器与柴油喷射器可实现氨气预混燃烧与氨/柴双燃料RCCI压燃燃烧模式的灵活切换。

有益效果：本发明解决了传统定容弹装置加热时间长，加热丝易熔断等问题，提高了试验效率。同时采用激光辅助点火解决了传统电火花塞只能在触发器附近点火的缺陷，拓宽了稀燃极限，有利于提高氨气预混燃烧的速度，其次激光点火装置可通过调整光学仪器的位置进而调节激光在定容弹内部的点火位置，方便进一步探究点火位置对整体燃烧的影响。定容弹壳体为金属钢板结构用来防止微波泄漏，内部以碳化硅为主体的复合吸波材料制造的陶瓷体，中间的保温材料采用绝热反射瓷层(Therma-Cover)，有利于微波能量的吸收，降低热能的损失，提高了试验工况的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构原理图；

图2为本发明定容燃烧弹组件平面图；

图3为本发明的试验流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1和2所示，一种微波加热激光辅助点火的氨柴定容燃烧弹试验装置，包括定容燃烧弹组件1、燃料供给系统2、排气系统3、微波加热系统4、激光点火系统5、试验观察系统6和系统控制器7；

所述定容燃烧弹组件1包括中空密闭的定容弹壳体11，所述定容弹壳体11内壁设有微波吸收层12，所述定容弹壳体11上设有激光透射窗口13和观测窗口14；

所述燃料供给系统2包括氨气供给装置21、柴油供给装置22和氧气供给装置23，所述氨气供给装置21、柴油供给装置22和氧气供给装置23分别与定容弹壳体11内腔连通；

所述定容弹壳体11通过排气系统3与大气连通；

所述微波加热系统4包括磁控装置41、导波管42和微波发射机43，所述磁控装置41产生微波通过导波管42传送至微波发射机43，微波发射机43将微波发送至定容弹壳体11内由微波吸收层12吸收；

所述激光点火系统5包括激光发射器51和调焦组件52，所述激光发射器51激发的激光经过调焦组件52透过激光透射窗口13射入定容弹壳体11内部；

所述试验观察系统6通过定容弹壳体11的观测窗口14观测燃烧过程；

所述系统控制器7分别协调控制燃料供给系统2、排气系统3、微波加热系统4、激光点火系统5和试验观察系统6。

本发明采用微波加热和激光点火，实现了加热速度快，点火能量高以及点火位置的灵活可控。取代了传统电加热丝与电火花塞，提高了试验的可靠性和整体燃烧的效率。

为了实现氨气预混燃烧与氨/柴双燃料RCCI压燃燃烧模式的灵活切换，所述定容弹壳体11上设有液氨喷射器15、柴油喷射器16、氧气阀17和排气阀18；所述氨气供给装置21通过液氨喷射器15与定容弹壳体11连通；所述柴油供给装置22通过柴油喷射器16与定容弹壳体11连通；所述氧气供给装置23通过氧气阀17与定容弹壳体11连通；所述排气系统3通过排气阀18与定容弹壳体11连通。通过增置液氨喷射器15与柴油喷射器16可实现氨气预混燃烧与氨/柴双燃料RCCI压燃燃烧模式的灵活切换。

为了进一步加快加热速度，所述定容弹壳体11与微波吸收层12之间设有保温层19，所述保温层19外壁涂装微波反射材料，内部采用复合吸波材料。保温层19外壁涂装微波反射材料可以反射微波，内部采用复合吸波材料可以吸收微波能量产生热量，进一步加快了加热速度，可靠性高有利于缩短试验周期，提高试验准确率。

为了进一步加快加热速度，所述定容弹壳体11为钢板结构，所述微波吸收层12为碳化硅与陶瓷的复合吸波材料构成。金属钢板结构用来防止微波泄漏，具有高反射率、高辐射率、低导热系数、低蓄热系数等热工性能，具有卓越的隔热反射功能。

为了进一步加快加热速度，所述保温层19为由悬浮于惰性乳胶中的微小陶瓷颗粒构成的绝热反射瓷层。具有高反射率、高辐射率、低导热系数、低蓄热系数等热工性能。

为了实现微波加热功率可控，所述系统控制器7包括微波控制器71，所述微波控制器71通过控制磁控装置41调节微波加热功率。采用微波加热功率可控，可根据不同工况需求调节功率，最大优势是加热速度快，提高实验效率改良了传统电热丝加热高能耗，易熔断的缺陷。

为了实现对点火时间的控制，所述系统控制器7包括激光控制器72，所述激光控制器72通过控制激光发射器51的激发时间控制点火时间。通过激光控制器72可以根据试验需要对点火时间进行精准的控制。

如图2所示，为了灵活调节激光点火点在定容弹壳体内部的点火位置，所述调焦组件52包括调焦凹透镜521、第一调焦凸透镜522和第二调焦凸透镜523，所述激光发射器51产生的激光光束依次经过调焦凹透镜521、第一调焦凸透镜522、第二调焦凸透镜523和激光透射窗口13聚焦于定容弹壳体11内的激光点火点53。激光点火装置的应用改善了传统电火花塞点火只能在触发器附近点燃燃料的缺陷，并且激光点火可提高燃烧速度，拓宽稀燃极限有利于提高装置整体的燃烧效率。

为了实现燃料和助燃剂的协同供给和燃烧完成后对排气的控制，所述系统控制器7包括燃烧控制器73，所述燃烧控制器73分别与液氨喷射器15、柴油喷射器16、氧气阀17和排气阀18控制连接。

为了准确地采集试验数据，所述试验观察系统6包括观测光源组件61和图像采集组件62，所述定容弹壳体11的两侧分别设有观测窗口14，所述观测光源组件61产生通过校准的光线经过观测窗口14反射进入定容弹壳体11内部，图像采集组件62通过另一个观测窗口14对定容弹壳体11内部的燃烧情况进行图像采集；所述系统控制器7包括观测控制器74，所述观测控制器74分别与观测光源组件61和图像采集组件62控制连接。采用纹影法捕捉燃烧过程，通过更加准确地采集到试验图像。观测控制器分别与观测光源组件和图像采集组件控制连接可以实时进行图像采集。

如图3所示，本发明试验步骤方法如下：

首先对氨气预混燃烧的方法步骤如下：

在工作前需对激光点火点53位置以及测试纹影法的光路进行标定使其满足试验条件。系统在工作时，第一步由氨气供给装置21将氨气通过液氨喷射器15喷入定容燃烧弹组件1内部，由氧气供给装置23将高纯空气注入到定容燃烧弹组件1内部，此时排气阀18关闭；第二步由微波控制器71控制磁控装置41产生微波，微波通过导波管42传送至微波发射机43，此时微波存在于保温层19与微波吸收层12之间，由微波吸收层吸收微波能量产生热能加热定容燃烧弹组件1内部，通过温压显示器观察定容燃烧弹组件1内部的压力与温度，使其低于氨气着火极限；第三步由激光控制器72控制激光发射器51产生激光，激光通过标定好的光学仪器到达预定的点火点位置进行点火，同时定容燃烧弹组件1内部燃烧情况由高速摄像机构成的图像采集组件62进行捕捉传送至观测控制器74中进行保存；试验结束后由微波控制器71控制关闭磁控装置41，排气阀18打开将气体排至排气系统3，观察温压显示器直至温度压力降低到安全标准，关闭所有设备。

其次对氨/柴双燃料的RCCI压燃燃烧模式的试验方法步骤如下：

工作前的光路标定与上述方法相同。系统在工作时，第一步和第二步与上述方法相同，第三步由燃烧控制器73控制柴油供给装置22，柴油通过柴油管道送至柴油喷射器16，经柴油喷射器16将柴油喷射进入定容燃烧弹组件1内部，以柴油引燃氨气着火，定容燃烧弹组件1内部燃烧情况由高速摄像机构成的图像采集组件62进行捕捉传送至观测控制器74中进行保存，试验结束后由微波控制器71控制关闭磁控装置41，排气阀18打开将气体排至排气系统3，观察温压显示器直至温度压力降低到安全标准，关闭所有设备。

综上所述，本发明提出一种微波加热激光辅助点火的氨柴定容燃烧弹试验装置，采用微波加热和激光点火，实现了加热速度快，点火能量高以及点火位置的灵活可控。取代了传统电加热丝与电火花塞，提高了试验的可靠性和整体燃烧的效率。增置液氨喷射器15与柴油喷射器可实现氨气预混燃烧与氨/柴双燃料RCCI压燃燃烧模式的灵活切换。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本说明书中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。