等離子體助燃技術(shù)在發(fā)動機(jī)上的研究

張瑞(平陰縣第一中學(xué),山東 濟(jì)南 250400)

等離子體助燃技術(shù)在發(fā)動機(jī)上的研究

張瑞(平陰縣第一中學(xué),山東 濟(jì)南 250400)

本文從發(fā)動機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，分析了發(fā)動機(jī)在點(diǎn)火和助燃方面存在的問題，介紹了等離子體助燃技術(shù)并著重分析了等離子體強(qiáng)化燃燒的機(jī)制和原理，列舉了大量等離子體助燃技術(shù)在各類發(fā)動機(jī)上應(yīng)用的實(shí)例，也希望能啟發(fā)和引導(dǎo)更多等離子體助燃技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機(jī)中，解決發(fā)動機(jī)實(shí)際存在的問題，不斷創(chuàng)新和突破。

等離子體助燃;發(fā)動機(jī);活性粒子

如今，汽車、飛機(jī)、輪船等都是我們非常重要的交通工具，而核心部件發(fā)動機(jī)的性能關(guān)系著交通工具的動力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適度等指標(biāo)。從世界上第一臺發(fā)動機(jī)出現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有三百多年的時(shí)間，發(fā)動機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)都得到了極大的提升，但是仍存在著許多未解決的問題，如：點(diǎn)火時(shí)間較長；燃料燃燒不充分；燃?xì)庵械趸锏任廴疚锖枯^高等問題。隨著燃燒動力學(xué)和其它相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，等離子體助燃技術(shù)因可有效減少點(diǎn)火延遲時(shí)間，擴(kuò)展可燃極限，增加火焰?zhèn)鞑ニ俣?，提高火焰穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)低溫燃燒等優(yōu)點(diǎn)，逐漸受到各國的廣泛關(guān)注，必將成為未來發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要應(yīng)用技術(shù)。

等離子體被稱為物質(zhì)的第四態(tài)，由電子、原子、離子或分子等粒子組成的正負(fù)電荷相等，對內(nèi)為良導(dǎo)體，對外為中性的粒子集合，通常由氣體電離后生成。放電等離子體主要通過熱力學(xué)、動力學(xué)和輸運(yùn)三條路徑來強(qiáng)化點(diǎn)火和燃燒過程。放電能量一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使混合氣體溫度升高，粒子活性增強(qiáng)，更容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這是熱力學(xué)方面；放電過程會產(chǎn)生許多活性粒子，如O原子、H原子、OH、振動激發(fā)態(tài)和電子激發(fā)態(tài)分子，這些活性粒子會促進(jìn)支鏈反應(yīng)的進(jìn)行，從而加速化學(xué)反應(yīng)，這是動力學(xué)方面；放電過程會將大部分的燃料分子分解為小的燃料碎片，同時(shí)兩極之間形成的離子風(fēng)也加速了燃料和氧化劑的混合，這些都有助于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，這是輸運(yùn)方面。

通常我們將等離子體分為平衡態(tài)等離子體和非平衡態(tài)等離子體。平衡態(tài)等離子體氣體的溫度相對較高，但粒子的活性相對較弱，因此平衡態(tài)等離子體更多的體現(xiàn)熱力學(xué)效應(yīng)；非平衡態(tài)等離子體氣體的溫度相對較低，粒子的活性相對較強(qiáng)，因此非平衡態(tài)等離子體更多的體現(xiàn)動力學(xué)和輸運(yùn)效應(yīng)。兩者之間沒有明顯的界限，不同類型的等離子體需要不同的電源生成，通常用納秒脈沖、微波、射頻電源產(chǎn)生非平衡等離子體，用電火花產(chǎn)生平衡態(tài)等離子體。不同放電方式產(chǎn)生的等離子體對發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火和燃燒過程會產(chǎn)生不同的影響，下文分別介紹了等離子體助燃技術(shù)在不同類型發(fā)動機(jī)上的研究和應(yīng)用。

1 火花塞點(diǎn)火發(fā)動機(jī)

對于電火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)，初始火核體積的變化強(qiáng)烈影響著發(fā)動機(jī)的貧燃極限和排放特性。研究人員在實(shí)驗(yàn)條件下，用不同類型的等離子體電源，如微波電源、納秒脈沖電源等，替代或結(jié)合傳統(tǒng)火花塞來改進(jìn)發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)。

Ikeda等人開發(fā)并測試了一個結(jié)合微波的火花點(diǎn)火器，用于現(xiàn)有的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，而無需對發(fā)動機(jī)進(jìn)行改造?；鸹ㄈ膬蓚€電極也是微波的電極，磁控管會產(chǎn)生2.45GHz頻率的微波放電，微波放電在標(biāo)準(zhǔn)火花開始前和結(jié)束后將微波能量傳遞到火花塞，其能量被火花放電產(chǎn)生的電子吸收，使電子達(dá)到更高的溫度，這些電子與氣體分子碰撞會提高氣體溫度，同時(shí)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)組分和活性自由基。使用正?；鸹ㄈ?，曲軸轉(zhuǎn)角在上止點(diǎn)后-14.2°觀察到火花塞點(diǎn)火，在上止點(diǎn)后-7.0°形成火焰內(nèi)核，在上止點(diǎn)后0.2°火焰開始傳播；而用微波強(qiáng)化火花塞，在點(diǎn)火不久后就能觀察到來自等離子體的強(qiáng)光，接著在上止點(diǎn)后0.2°，由于微波能量的添加而形成了大的火核[1]。

Wolk等人進(jìn)一步研究了微波強(qiáng)化火花塞的表現(xiàn)。該研究是在1.45L的燃燒容器中進(jìn)行，通過改變初始壓力和當(dāng)量比來研究微波對火花塞點(diǎn)火的影響。實(shí)驗(yàn)中輸入的微波能量大約為225mJ，用火焰形成時(shí)間和火焰抬升時(shí)間來標(biāo)定燃燒過程的兩個階段。通過對比點(diǎn)火極限和初始壓力的關(guān)系，可以看到：微波的使用擴(kuò)展了貧燃和富燃的點(diǎn)火極限，尤其對貧燃極限的擴(kuò)展要更大；同時(shí)，隨著初始壓力的增加，微波對火焰形成時(shí)間的影響逐漸減弱，當(dāng)初始壓力大于3bar時(shí)，基本可以忽略。

微波助燃系統(tǒng)也用于小型發(fā)動機(jī)的研究。由于小型發(fā)動機(jī)面容比大，所以受火花點(diǎn)火能量的影響較大，同時(shí)活性自由基容易與壁面碰撞而損失?？梢园l(fā)現(xiàn)：750mJ的微波能量輸入產(chǎn)生了更大的點(diǎn)火核，使得總體上點(diǎn)火更快；從平均指示壓力的循環(huán)變動系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，貧燃極限擴(kuò)展了20%-30%。這些表明微波強(qiáng)化點(diǎn)火對微型和中尺度發(fā)動機(jī)也是一種有效的方法。

南加利福尼亞大學(xué)為汽油發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)了各種瞬態(tài)等離子體點(diǎn)火器。瞬態(tài)等離子體是高壓短脈沖產(chǎn)生的分布式陣列“飄帶”，即在納秒尺度下，電子碰撞燃料和氧氣分子，使其分解產(chǎn)生活性自由基而生成。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：使用這樣一個瞬態(tài)等離子體點(diǎn)火器，能大大改善點(diǎn)火延遲時(shí)間。當(dāng)輸入20ns的脈沖時(shí)，能產(chǎn)生穩(wěn)定的貧燃；通過高速攝影儀看到，瞬態(tài)等離子體點(diǎn)火器比火花塞點(diǎn)火的火焰?zhèn)鞑ニ俣雀臁?/p>

2 燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)

貧燃熄火和火焰不穩(wěn)定是燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵性問題。等離子體作為一項(xiàng)新的技術(shù)用于增加火焰穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)超稀薄燃燒。

Moeck等人模擬燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的燃燒環(huán)境，研究了1atm下的納秒脈沖放電對燃燒穩(wěn)定性的影響。脈沖放電由固態(tài)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，放電位置在旋流穩(wěn)定燃燒室的噴嘴出口處。中央針電極作為陽極，安裝在進(jìn)入燃燒室的旋流出口處。這樣的電極排列使得中央針電極和盤區(qū)環(huán)電極間產(chǎn)生納秒脈沖放電絲。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：沒有放電等離子體時(shí)，火焰被抬升，穩(wěn)定在回流區(qū)的剪切層，隨著放電開始以及脈沖頻率增加，火焰不斷向上游移動，最終穩(wěn)定在燃燒器通道中。

Lacoste等人對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，研究了納秒脈沖放電對1atm、4kW熱功率下穩(wěn)定旋流貧燃預(yù)混CH4/air火焰動力學(xué)影響。研究表明：運(yùn)用納秒脈沖放電能夠有效增加火焰穩(wěn)定性，減少速度波動幅度近一個數(shù)量級。作者認(rèn)為這一現(xiàn)象主要由等離子體熱力學(xué)效應(yīng)引起，等離子體對混合氣快速加熱，使得氣體迅速膨脹，產(chǎn)生沖擊波，影響氣體流速，改變了旋渦結(jié)構(gòu)，從而對輸運(yùn)過程產(chǎn)生影響，因此也會改變火焰?zhèn)鞑ニ俣萚2]。

Barbosa等人進(jìn)一步研究了納秒脈沖放電等離子體對旋流燃燒器中預(yù)混貧燃C3H8/air的火焰穩(wěn)定性作用。二級旋流注射器連接到附有光學(xué)接入端口的矩形燃燒器上，兩級都通入C3H8和air，設(shè)置兩個旋流器的旋流方向相同，確保產(chǎn)生共旋旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，兩級混合氣C3H8/air混合在一起后進(jìn)入燃燒器中。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：沒有放電等離子體時(shí)，當(dāng)量比達(dá)到0.41時(shí)觀察到火焰熄滅；在有放電等離子體時(shí)，火焰穩(wěn)定極限減小到0.11，因此放電等離子體可極大地拓展總體火焰穩(wěn)定極限以及燃?xì)鉁u輪燃燒器的穩(wěn)定工作域。

3 超音速推進(jìn)和超燃沖壓發(fā)動機(jī)

超音速沖壓噴氣發(fā)動機(jī)的主要挑戰(zhàn)是燃料與空氣的混合、點(diǎn)火、火焰穩(wěn)定和冷卻。在高馬赫數(shù)、溫度為900K時(shí)，發(fā)動機(jī)中的流動駐留時(shí)間甚至小于傳統(tǒng)的噴氣燃料的自動點(diǎn)火時(shí)間；即使燃料被點(diǎn)著，流動駐留時(shí)間可能仍然小于燃料完全燃燒的時(shí)間。此外，如果燃燒熱釋放太快，快速的熱釋放速率可能導(dǎo)致流動熱堵塞，使得發(fā)動機(jī)熄火。因此，有必要對點(diǎn)火和燃燒熱釋放速率進(jìn)行控制。

作為超音速條件下點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒的一種有效方法，等離子體焰炬已經(jīng)被廣泛研究。等離子體焰炬是一種平衡態(tài)弧光放電，由于其熱效應(yīng)和大量活性自由基，通常被用于強(qiáng)化點(diǎn)火。等離子體焰炬極其高的溫度使得其熱力學(xué)效應(yīng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于動力學(xué)效應(yīng)。

最早嘗試在超音速流動中用等離子體焰炬強(qiáng)化點(diǎn)火的是Kimura等人。從那以后，大量實(shí)驗(yàn)研究超音速流動中運(yùn)用不同等離子體焰炬和添加物來控制點(diǎn)火。例如Takita等人開發(fā)了一個等離子體點(diǎn)火器，實(shí)驗(yàn)在間歇吸氣式風(fēng)洞中進(jìn)行，在Ma=2.3的超音速流動中測試了等離子體焰炬，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：H2被成功點(diǎn)燃，同時(shí)隨著H2摩爾分?jǐn)?shù)以及等離子體功率增加，燃燒會變得更強(qiáng)烈。通過使用雙等離子體焰炬，并結(jié)合上下游燃料注入，實(shí)現(xiàn)了H2和CH4火焰的穩(wěn)定燃燒[3]。

Leonov等人結(jié)合多極準(zhǔn)直流放電（類似于滑動弧放電）開發(fā)出一個等離子體輔助H2或C2H4與air混合物超音速燃燒的實(shí)驗(yàn)平臺，探討了凹腔中的流動放電動力學(xué)。研究發(fā)現(xiàn)：流動結(jié)構(gòu)（如凹腔或背風(fēng)側(cè)）對放電的影響在于相互作用區(qū)強(qiáng)烈的氣體湍流以及分離區(qū)體積的略微增加。當(dāng)H2注入時(shí)，燃燒發(fā)生在熱剪切層和凹腔中；當(dāng)C2H4注入時(shí)，燃燒只發(fā)生在凹腔中。

4 結(jié)語

在等離子體助燃技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機(jī)的研究中，主要考慮溫度、壓力、當(dāng)量比、火花塞的幾何結(jié)構(gòu)、放電方式、氣缸的幾何構(gòu)型等因素對點(diǎn)火和燃燒的影響，目的在于增加其中的激發(fā)態(tài)組分和活性自由基，從而達(dá)到減少點(diǎn)火延遲時(shí)間、增加火焰?zhèn)鞑ニ俣?、擴(kuò)展燃燒極限、提高火焰穩(wěn)定性等要求。其中非平衡態(tài)等離子體是人們研究的重點(diǎn)、難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)?？梢灶A(yù)見，等離子體助燃技術(shù)將極大地提升發(fā)動機(jī)的性能，將是未來先進(jìn)發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

[1]Ikeda Y,Moon A,Kaneko M.Development of microwaveenhanced spark induced breakdown spectroscopy[J].Appl Opt, 2010,49:2471-2477.

[2]Lacoste DA,Moeck JP.Effect of nanosecond repetitively pulsed discharges on the dynamics of a swirl-stabilized lean pre?mixed flame[J].Eng Gas Turbines Power,2013,135.

[3]李鋼,李華,楊凌元.俄羅斯等離子體點(diǎn)火和輔助燃燒研究進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào),2012,30(17):66-72.

張瑞（1998-），男，漢族，籍貫山東省，就讀于平陰縣第一中學(xué)，高中在讀，研究方向是能源與動力