РАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ

Область техники
Полезная модель относится к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания, и может бьпъ использована в энергетических установках с принудительным воспламенением рабочей смеси. Полезная модель предназначена для интенсификации химических процессов в топливно-воздушных и топливно-кислородных смесях на стадии воспламенения в двигателях внутреннего сгорания, энергетических горелках, реформерах, камерах сгорания реактивных и газотурбинных двигателей.
Уровень техники
Одной из задач, на решение которой направлены усилия исследователей, является ускорение воспламенения топливно-воздушных смесей в камерах сгорания двигателей. Из уровня техники известно, что достичь такого эффекта можно следующим образом.
1) Увеличить объем области воспламенения за счет увеличения длины искрового канала (RU 2176122), создания факела пламени в форкамерных свечах (например RU 2155422), использования других систем зажигания (RU 2212559, RU 2436991).
2) Проводить предварительную подготовку топлива и/или окислителя для образования более реакционно-способных атомов и радикалов в топливно-воздушной смеси (RU 94028477, RU 2161728).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является свеча зажигания описанная в заявке на полезную модель №2012141313, в которой используется поверхностный барьерный разряд, распространяющийся вдоль диэлектрического слоя постоянной толщины. Использование в предлагаемом техническом решении диэлектрического барьера переменной толщины позволит улучшить эксплуатационные характеристики рассматриваемой системы зажигания за счет увеличения количества нарабатываемых химически активных атомов и радикалов, что приводит к увеличению начального объема воспламенения и увеличению срока службы диэлектрика.
Техническая задача
В основу настоящего технического решения положена задача улучшения разрядных характеристик и увеличения срока службы разрядного устройства для воспламенения топливных смесей.
Решение задачи
Для решения поставленной задачи в разрядном устройстве для воспламенения топливно-воздушной смеси, содержащем корпус с размещенными в нем высоковольтным (1) и заземленным (2) электродами, разделенными между собой диэлектрическим слоем (3), согласно полезной модели, диэлектрический слой (3), имеет переменную толщину, причем максимальная толщина Н слоя расположена в зоне контакта указанных электродов.
Причем, разрядное устройство выполнено таким образом, что максимальная толщина Н диэлектрического слоя выбрана удовлетворяющей следующему неравенству:
прив1
прив2
U/(EN)<H<U/(EN),
-3
прив1
прив2
где U - напряжение на электродах, В; N - плотность частиц вблизи поверхности диэлектрического слоя, м; Е и Е - приведенные поля, равные 1000 и 100 Тд соответственно.
При этом, разрядное устройство выполнено таким образом, что минимальная толщина h диэлектрического слоя выбрана удовлетворяющей следующему соотношению: h/Н=0,35÷0,75.
Конструкция предлагаемой полезной модели позволяет создать поверхностный барьерный разряд, который сочетает в себе все описанные выше преимущества известных разрядных устройств:
- с одной стороны, поверхностный разряд распространяется вдоль поверхности диэлектрического слоя, образуя, таким образом, достаточно большой объем, по сравнению с искровыми разрядниками, плазмы газового разряда для воздействия на топливно-воздушную смесь;
- с другой стороны, при достаточно высоких приведенных электрических полях в таком типе разряда образуется большое количество активных частиц (атомов и радикалов), которые способствуют ускорению процесса воспламенения и горения.
При этом, в отличие от искрового воспламенения, где термически нагреваются все степени свободы частиц, при барьерном разряде вкладываемая энергия в основном идет на создание полезных для воспламенения химически активных частиц.
Также немаловажным достоинством поверхностного барьерного разряда является практическое отсутствие эрозии электродов, что связано с отсутствием токов проводимости в таких типах газовых разрядов.
Предлагаемое разрядное устройство позволяет использовать более высокие напряжения без опасности электрического пробоя диэлектрического барьера за счет увеличения толщины диэлектрика в месте наибольшей напряженности электрического поля. Уменьшение толщины диэлектрика вдали от стыка электродов приводит к увеличению напряженности электрического поля и, как следствие, к увеличению эффективности образования важных для воспламенения химически активных частиц.
Сущность полезной модели поясняется следующими графическими изображениями.
На фиг.1 приведена общая конструкция разрядного устройства, основанного на поверхностном барьерном разряде с диэлектрическим слоем постоянной толщины (аналог).
На фиг.2 приведен вид с боку устройства, изображенного на фиг.1.
На фиг.3 приведена конструкция разрядного устройства с диэлектрическим слоем переменной толщины и плоской геометрией электродов (электроды выполнены в виде параллельных полос, разделенных диэлектриком) (Пример 1).
На фиг.4а изображена конструкция разрядного устройства, основанного на поверхностном барьерном разряде с диэлектрическим слоем постоянной толщины, состоящем из отдельных тонких слоев диэлектрической пленки ORACAL.
На фиг.4б изображена конструкция разрядного устройства, основанного на поверхностном барьерном разряде с диэлектрическим слоем переменной толщины, выполненный в виде слоев диэлектрической пленки, имеющих различную ширину, что приводит к ступенчатому изменению толщины диэлектрика вдоль распространения разряда.
На фиг.5 изображены экспериментальные кривые зависимости интенсивности излучения поверхностного барьерного разряда при напряжении импульса 14 кВ с постоянной и переменной толщиной диэлектрического слоя.
На фиг.6 изображены экспериментальные кривые зависимости интенсивности излучения поверхностного барьерного разряда при напряжении импульса 19 кВ с постоянной и переменной толщиной диэлектрического слоя.
На фиг.7 изображено разрядное устройство с диэлектрическим барьером переменной толщины с электродами в коаксиальной геометрии (Пример 2).
Предлагаемое разрядное устройство для воспламенения топливно-воздушных смесей содержит корпус (не показан), включающий высоковольтный (1) и заземленный (2) электроды (фиг.7). Электроды разделены между собой диэлектрическим слоем (3) переменной толщины, причем максимальная толщина Н слоя расположена в зоне контакта указанных электродов (точка «а» фиг.3).
прив1
прив2
прив1
прив2
-3
Максимальная толщина Н диэлектрического слоя (3) определяется областью значений приведенных полей, при которых происходит эффективное образование активных частиц и радикалов поверхностным барьерным разрядом. Приемлемый диапазон приведенных полей составляет от 100 до 1000 Тд,, что соответствует толщинам диэлектрика U/(EN)<H<U/(EN), где U - напряжение на электродах. В; N - плотность частиц вблизи поверхности диэлектрика, м; Е и Е - приведенные поля, равные 1000 и 100 Тд соответственно.
В процессе распространения разряда напряженность поля постоянно падает, согласно [1] в первом приближении можно считать характер такого спада линейным, при достижении края заземленного электрода (2) значение напряженности поля может составлять от 0,35 до 0,75 от поля в наиболее напряженной точке разрядного устройства (точка «а» фиг.3) [1].
Таким образом, толщина диэлектрического слоя в устройстве должна изменяться по линейному закону и у края электрода может составлять значение h в диапазоне от 0,3 5 Н до 0.75 Н.
По конструктивному исполнению разрядное устройство может быть:
- с плоской геометрией электродов: электроды (1) и (2) выполнены в виде металлических полос, разделенных диэлектриком (3) (фиг.3);
- с коаксиальной геометрией электродов: электрод (1) выполнен в виде диска, электрод (2) выполнен в виде кольца, соосного с электродом (1) (фиг.7).
Разрядное устройство работает следующим образом. При подаче высоковольтного импульса на электроды, между электродами (1) и (2) (фиг.7) возникает разность потенциалов, которая приводит к развитию поверхностного барьерного разряда, который распространяется в виде набора стримерных каналов от электрода (1) к электроду (2). В стримерных каналах, за счет соударений с энергетичными электронами, происходит образование ионов и радикалов, которые, вступая в реакцию с нейтральными молекулами топлива, приводят к воспламенению топливно-воздушной смеси.
Обоснование принципиальной возможности работы устройства.
Обычная геометрия поверхностного барьерного разряда (с диэлектриком постоянной толщины) приведена на фиг.1. Разрядный ток определяется эффективностью образования заряда на внешней поверхности диэлектрического слоя. Чем больше погонная емкость «конденсатора», образуемого плоским слоем плазмы над диэлектрическим слоем (3) и электродом (2) (фиг.2, фиг 3.), тем больше ток разряда и образование активных частиц электронным ударом. Так как емкость конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между его обкладками (С~1/d), то для практических приложений предпочтительнее работать с тонким диэлектрическим слоем, однако при малых толщинах диэлектрического слоя может произойти его электрический пробой. Пробой диэлектрика, являясь нежелательным явлением, происходит в месте наибольшей напряженности электрического поля. Использование в этом месте диэлектрика наибольшей толщины позволит уменьшить вероятность пробоя разрядного устройства. Известно, что напряженность поля максимальна в месте контакта двух электродов (точка «а» на фиг.2 и фиг.3). В то же время, напряженность уменьшается по направлению распространения разряда (от электрода 1 к электроду 2) из-за падения напряжения на столбе разрядной плазмы между электродом (1) и текущей точкой. Уменьшение напряженности поля вдоль диэлектрика приводит к уменьшению эффективности разряда по образованию активных частиц, что в большинстве практических приложений эквивалентно снижению эффективности разрядного устройства.
Одним из решений данной проблемы является использование диэлектрического слоя переменной толщины. Данное решение проиллюстрировано на фиг.3. В наиболее электрически напряженной части разрядного устройства (точка «а») толщина диэлектрического слоя остается значительной и пробоя диэлектрика не происходит. В то же время, уменьшение толщины диэлектрического слоя вдоль распространения разряда приводит к увеличению накопления заряда на поверхности диэлектрика и разрядного тока при развитии разряда. Как следствие, при этом увеличивается площадь воспламенения топливно-воздушной смеси поверхностным разрядом.
Для проверки работоспособности данного технического решения были проведены экспериментальные испытания, которые заключались в сравнении разрядных характеристик двух поверхностных барьерных разрядов: с диэлектрическим слоем постоянной толщины (Пример 1) и с диэлектрическим слоем переменной толщины (Пример 2).
Пример 1.
В разрядном устройстве для воспламенения топливно-воздушных смесей диэлектриком служили десять слоев самоклеющейся ПВХ пленки ORACAL толщиной 0,1 мм каждый. В качестве электродов использовались полосы алюминиевой фольги толщиной 0,1 мм. Изготовленное таким образом разрядное устройство, для придания ему жесткости, размещалось на оргстеклянной основе толщиной ~2 cм (фиг.4а).
Пример 2.
Как и в Примере 1, в качестве электродов использовались полосы алюминиевой фольги толщиной 0,1 мм. В качестве диэлектрика использовались 10 слоев ПВХ пленки ORACAL, толщина каждого слоя составляла 0,1 мм. Существенным отличием Примера 2 является различная ширина каждого слоя диэлектрической пленки, что привело к ступенчатому характеру изменения толщины диэлектрика (фиг.4б). Характерный размер «ступенек» составил ~5 мм.
Для инициирования скользящего барьерного разряда использовался генератор импульсных напряжений ГИН-1, с характерной полушириной сигнала ^ 30 не и амплитудой до 12 кВ (в кабеле). Измерения проводились при двух различных напряжениях - 7,0 и 9,5 кВ в кабеле, что соответствовало 14 и 19 кВ на разрядном промежутке соответственно. На фотографиях разряда, полученных с большой выдержкой видно, что площадь поверхности разряда больше в случае использования диэлектрического слоя переменной толщины. Связь свечения разряда с образованием активных частиц вызвана тем, что в обоих процессах (возбуждение излучающих состояний и наработка активных частиц) ключевую роль играют энергетичные электроны, нагреваемые в разряде под действием внешнего поля.
Для большей наглядности этого явления лучше использовать кривые интенсивности излучения, которые приведены на фиг.3. При напряжении 14 кВ ширина свечения разряда соответствует 1,6 мм при использовании диэлектрика постоянной толщины и 2,6 мм диэлектрика переменной толщины. При амплитуде импульса 19 кВ ширина свечения с диэлектриком постоянной и переменной толщины составляет 2,0 и 3,8 мм, соответственно. Таким образом, использование диэлектрического слоя переменной толщины при рассмотренных напряжениях увеличивает область разряда в 1,6 и в 1,9 раз.
Выводы
Использование в предлагаемой полезной модели при поверхностном барьерном разряде диэлектрического слоя переменной толщины позволяет значительно увеличить область разряда, а значит и размер области, а также повысить эффективность образования активных частиц. Данное обстоятельство должно благоприятно сказаться на условиях воспламенения топливно-воздушных смесей. Полезная модель может быть использована в двигателях внутреннего сгорания и в энергетическом машиностроении в системах с принудительным воспламенением рабочих смесей.
Литература
1. V.R.Soloviev, V.M.Krivtsov. Surface brrier discharge modeling for aerodynamic applications. J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009), 125208 (13 pp).