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原文传递瞬态高频纳秒脉冲沿面介质阻挡放电多通道点火技术应用基础研究

论文题名：	瞬态高频纳秒脉冲沿面介质阻挡放电多通道点火技术应用基础研究
关键词：	汽车发动机;点火技术;纳秒脉冲沿面介质阻挡放电;瞬态放电特性
摘要：	稀薄燃烧和废气再循环等技术的使用会影响点燃式内燃机的点火稳定性，增大其燃烧循环变动，高效清洁的低温燃烧模式也需要有效的技术提升燃烧相位及燃烧速率的可控性，以拓展其工况、燃料适应性，点火性能提升是解决这些问题的重要途径。大范围的非平衡等离子体点火是先进点火系统的发展方向，非平衡等离子体能扩展点火极限，增大点火体积有利于提高点火稳定性并提高燃烧速率。纳秒脉冲沿面介质阻挡放电(nSDBD)能产生大面积非平衡等离子体，但目前的nSDBD点火激发困难，所需要的电压脉冲幅值＞30kV，且不能实时控制点火能量及放电等离子体特性。本文提出瞬态高频nSDBD点火方法，可以降低nSDBD激发电压，增大放电电流及放电通道长度，并可通过改变放电参数调控产生的等离子体特性，进而对燃烧相位与燃烧速率进行更加灵活的控制。为此本文完成了以下工作: 　　1)进行了高频nSDBD点火系统设计。nSDBD点火系统由纳秒脉冲电源和SDBD电极组成。提高脉冲重复频率(PRF)可以降低nSDBD的激发电压，为此采用谐振充电方法提升脉冲成型阶段的充电速率以提高PRF;同时对充电电压、时间间隔等进行程控，改变输出脉冲幅值、PRF等参数。结合磁压缩方法，形成了程控紧凑型纳秒脉冲电源设计方案，通过瞬态电路仿真阐明了脉冲电源的工作原理并研究了器件参数选择对电源性能的影响。开发了脉冲电源硬件系统，设计了相关控制软件。对脉冲电源的输出特性的测试结果表明，电源可以产生20ns/100ns两种脉冲上升沿宽度的纳秒脉冲，脉冲幅值大于10kV，PRF大于10kHz。为实现多通道放电，通过静电场仿真分析了电极结构对SDBD电极边缘电场分布的影响;根据多通道放电的判据，设计了同轴SDBD电极。SDBD电极与纳秒脉冲电源配合可产生十多个放电通道，放电区域覆盖了直径40mm电极绝缘表面的大部分区域。　　2)进行了高频nSDBD的瞬态放电特性研究。nSDBD通过多条放电通道向混合气中沉积能量，对瞬态高频nSDBD能量沉积的时-空特性的深入认识是理解其点火效果的基础。基于实测的电压-电流信号测试及放电图像，利用等效电路模型计算得到了nSDBD的电流、功率、能量等电气特性和放电丝数量、长度、分布等形态特性，以及瞬态高频nSDBD过程中这些特性的变化规律。单脉冲nSDBD在脉冲上升沿和下降沿各产生一次放电，上升沿放电的能量约占单次放电能量70％，是下降沿放电能量的两倍以上。改变放电脉冲数量及PRF可以有效调整放电特性:随着脉冲数量增加，放电能量在逐渐增强后趋于稳定，PRF=10kHz下，放电能量约从3mJ提高到6mJ以上;PRF越高，放电能量和放电丝长度随脉冲数的增长也越快，放电稳定后的能量值也越大。由图像中显示的放电丝变化过程可知，相继脉冲产生的放电丝存在部分重叠的现象——根部存在偏移而中部重叠。多次重复脉冲产生的放电丝会形成多个树状的放电丝簇(FT)，FT中部区域累积亮度高于根部区域，这与以往的单脉冲nSDBD点火的能量分布不同。　　3)进行了nSDBD多通道点火过程研究。通过定容弹内燃烧压力测试和点火过程的高速摄影，分析了nSDBD的点火成功率、初始火核特征及持续放电对火核增长的促进作用。相比针-针电极点火(SND)，nSDBD的点火成功率随放电能量的增长速率更快，其点火成功率50％时对应的能量(MIE)稍高于SND，而点火成功率90％时对应的能量低于SND。nSDBD的每个FT都能同时产生独立的点火点，总体点火成功率随点火点数量增加呈指数增长。初始火核一般产生于FT中部，与放电丝累积亮度较高的区域相对应。相邻FT的发展存在“此消彼长”的规律，导致放电能量在FT间的分布不均匀，各FT区域的火核也非同时产生;随放电脉冲数增多，火核数量逐渐增加。火核形成后的持续放电使火核在径向方向明显变长，从初始火核的圆形变为长条形。在放电持续期内，火核与放电丝的空间关系可分为三个阶段:1）火核被放电丝从内、外两侧贯穿，2）仅火核外侧存在放电丝，3）放电区域完全被火核覆盖。由于火核外侧区域能较长时间接收到放电丝沉积的能量，火核向外侧的扩张是火核径向增长的主导。随放电能量增加，总体火焰当量半径的增长呈现双阶段特征，火核发展初期受放电能量增加的促进作用更大。　　4)进行了多通道点火对燃烧过程影响的研究。通过定容弹内火焰传播图像和缸压曲线，研究了不同放电参数下的火焰发展过程和燃烧速率;结合数值仿真，分析了初始火核数量和火核分布对燃烧特征参数的影响。结果表明改变放电参数可对初始火核数量、尺寸等的调控，进而影响火核发展过程及燃烧特征参数，尤其是在燃烧室轴向间隙较小时，改变火核参数可以同时对燃烧相位和燃烧速率进行调控。初始火核数量的增加不仅增大火核当量半径，也会提升当量半径的扩张速率。火核数量较小时，增加火核数对缩短火焰发展期(FDT)和火焰增长期(FRT)效果非常显著;火核数量增加到一定程度时，受火核融合的影响，继续增加火核数对燃烧过程的影响减弱。在火核数量一定时，火核的径向位置对燃烧过程的影响较为复杂，火核径向位置处于某一中间值时可以使FRT最短;径向位置过大或过小时，受壁面约束或火核融合影响，都会使得FRT增大。火核融合时刻受火核周向分布特性的影响很大，火核分布集中时较火核分散时FRT明显延长。　　本文提出并实现了基于瞬态高频nSDBD放电的多通道点火方法，对nSDBD点火的关键过程进行了较为系统的分析与阐释，表明了多通道点火用于燃烧控制的巨大潜力。研究结果可为nSDBD点火系统开发及瞬态高频nSDBD点火用于内燃机燃烧过程控制等方面的研究与应用提供技术支持。
作者：	赵庆武
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	程勇
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2023