等離子體助燃技術在發動機上的研究

張瑞(平陰縣第一中學,山東 濟南 250400)

等離子體助燃技術在發動機上的研究

張瑞(平陰縣第一中學,山東 濟南 250400)

本文從發動機的發展現狀出發，分析了發動機在點火和助燃方面存在的問題，介紹了等離子體助燃技術并著重分析了等離子體強化燃燒的機制和原理，列舉了大量等離子體助燃技術在各類發動機上應用的實例，也希望能啟發和引導更多等離子體助燃技術應用于發動機中，解決發動機實際存在的問題，不斷創新和突破。

等離子體助燃;發動機;活性粒子

如今，汽車、飛機、輪船等都是我們非常重要的交通工具，而核心部件發動機的性能關系著交通工具的動力性、經濟性和舒適度等指標。從世界上第一臺發動機出現到現在已經有三百多年的時間，發動機的各項性能指標都得到了極大的提升，但是仍存在著許多未解決的問題，如：點火時間較長；燃料燃燒不充分；燃氣中氮氧化物等污染物含量較高等問題。隨著燃燒動力學和其它相關學科的發展，等離子體助燃技術因可有效減少點火延遲時間，擴展可燃極限，增加火焰傳播速度，提高火焰穩定性，實現低溫燃燒等優點，逐漸受到各國的廣泛關注，必將成為未來發動機設計的一項重要應用技術。

等離子體被稱為物質的第四態，由電子、原子、離子或分子等粒子組成的正負電荷相等，對內為良導體，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、動力學和輸運三條路徑來強化點火和燃燒過程。放電能量一部分轉變為熱能，使混合氣體溫度升高，粒子活性增強，更容易發生化學反應，這是熱力學方面；放電過程會產生許多活性粒子，如O原子、H原子、OH、振動激發態和電子激發態分子，這些活性粒子會促進支鏈反應的進行，從而加速化學反應，這是動力學方面；放電過程會將大部分的燃料分子分解為小的燃料碎片，同時兩極之間形成的離子風也加速了燃料和氧化劑的混合，這些都有助于化學反應的進行，這是輸運方面。

通常我們將等離子體分為平衡態等離子體和非平衡態等離子體。平衡態等離子體氣體的溫度相對較高，但粒子的活性相對較弱，因此平衡態等離子體更多的體現熱力學效應；非平衡態等離子體氣體的溫度相對較低，粒子的活性相對較強，因此非平衡態等離子體更多的體現動力學和輸運效應。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、射頻電源產生非平衡等離子體，用電火花產生平衡態等離子體。不同放電方式產生的等離子體對發動機的點火和燃燒過程會產生不同的影響，下文分別介紹了等離子體助燃技術在不同類型發動機上的研究和應用。

1 火花塞點火發動機

對于電火花點火發動機，初始火核體積的變化強烈影響著發動機的貧燃極限和排放特性。研究人員在實驗條件下，用不同類型的等離子體電源，如微波電源、納秒脈沖電源等，替代或結合傳統火花塞來改進發動機點火系統。

Ikeda等人開發并測試了一個結合微波的火花點火器，用于現有的發動機系統，而無需對發動機進行改造。火花塞的兩個電極也是微波的電極，磁控管會產生2.45GHz頻率的微波放電，微波放電在標準火花開始前和結束后將微波能量傳遞到火花塞，其能量被火花放電產生的電子吸收，使電子達到更高的溫度，這些電子與氣體分子碰撞會提高氣體溫度，同時產生激發態組分和活性自由基。使用正常火花塞，曲軸轉角在上止點后-14.2°觀察到火花塞點火，在上止點后-7.0°形成火焰內核，在上止點后0.2°火焰開始傳播；而用微波強化火花塞，在點火不久后就能觀察到來自等離子體的強光，接著在上止點后0.2°，由于微波能量的添加而形成了大的火核[1]。

Wolk等人進一步研究了微波強化火花塞的表現。該研究是在1.45L的燃燒容器中進行，通過改變初始壓力和當量比來研究微波對火花塞點火的影響。實驗中輸入的微波能量大約為225mJ，用火焰形成時間和火焰抬升時間來標定燃燒過程的兩個階段。通過對比點火極限和初始壓力的關系，可以看到：微波的使用擴展了貧燃和富燃的點火極限，尤其對貧燃極限的擴展要更大；同時，隨著初始壓力的增加，微波對火焰形成時間的影響逐漸減弱，當初始壓力大于3bar時，基本可以忽略。

微波助燃系統也用于小型發動機的研究。由于小型發動機面容比大，所以受火花點火能量的影響較大，同時活性自由基容易與壁面碰撞而損失。可以發現：750mJ的微波能量輸入產生了更大的點火核，使得總體上點火更快；從平均指示壓力的循環變動系數實驗結果可以看到，貧燃極限擴展了20%-30%。這些表明微波強化點火對微型和中尺度發動機也是一種有效的方法。

南加利福尼亞大學為汽油發動機設計了各種瞬態等離子體點火器。瞬態等離子體是高壓短脈沖產生的分布式陣列“飄帶”，即在納秒尺度下，電子碰撞燃料和氧氣分子，使其分解產生活性自由基而生成。實驗發現：使用這樣一個瞬態等離子體點火器，能大大改善點火延遲時間。當輸入20ns的脈沖時，能產生穩定的貧燃；通過高速攝影儀看到，瞬態等離子體點火器比火花塞點火的火焰傳播速度更快。

2 燃氣渦輪發動機

貧燃熄火和火焰不穩定是燃氣渦輪發動機的關鍵性問題。等離子體作為一項新的技術用于增加火焰穩定性，可實現超稀薄燃燒。

Moeck等人模擬燃氣渦輪發動機的燃燒環境，研究了1atm下的納秒脈沖放電對燃燒穩定性的影響。脈沖放電由固態脈沖發生器產生，放電位置在旋流穩定燃燒室的噴嘴出口處。中央針電極作為陽極，安裝在進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環電極間產生納秒脈沖放電絲。實驗發現：沒有放電等離子體時，火焰被抬升，穩定在回流區的剪切層，隨著放電開始以及脈沖頻率增加，火焰不斷向上游移動，最終穩定在燃燒器通道中。

Lacoste等人對實驗進行了重新設計，研究了納秒脈沖放電對1atm、4kW熱功率下穩定旋流貧燃預混CH4/air火焰動力學影響。研究表明：運用納秒脈沖放電能夠有效增加火焰穩定性，減少速度波動幅度近一個數量級。作者認為這一現象主要由等離子體熱力學效應引起，等離子體對混合氣快速加熱，使得氣體迅速膨脹，產生沖擊波，影響氣體流速，改變了旋渦結構，從而對輸運過程產生影響，因此也會改變火焰傳播速度[2]。

Barbosa等人進一步研究了納秒脈沖放電等離子體對旋流燃燒器中預混貧燃C3H8/air的火焰穩定性作用。二級旋流注射器連接到附有光學接入端口的矩形燃燒器上，兩級都通入C3H8和air，設置兩個旋流器的旋流方向相同，確保產生共旋旋轉運動，兩級混合氣C3H8/air混合在一起后進入燃燒器中。實驗發現：沒有放電等離子體時，當量比達到0.41時觀察到火焰熄滅；在有放電等離子體時，火焰穩定極限減小到0.11，因此放電等離子體可極大地拓展總體火焰穩定極限以及燃氣渦輪燃燒器的穩定工作域。

3 超音速推進和超燃沖壓發動機

超音速沖壓噴氣發動機的主要挑戰是燃料與空氣的混合、點火、火焰穩定和冷卻。在高馬赫數、溫度為900K時，發動機中的流動駐留時間甚至小于傳統的噴氣燃料的自動點火時間；即使燃料被點著，流動駐留時間可能仍然小于燃料完全燃燒的時間。此外，如果燃燒熱釋放太快，快速的熱釋放速率可能導致流動熱堵塞，使得發動機熄火。因此，有必要對點火和燃燒熱釋放速率進行控制。

作為超音速條件下點火和穩定燃燒的一種有效方法，等離子體焰炬已經被廣泛研究。等離子體焰炬是一種平衡態弧光放電，由于其熱效應和大量活性自由基，通常被用于強化點火。等離子體焰炬極其高的溫度使得其熱力學效應要遠遠大于動力學效應。

最早嘗試在超音速流動中用等離子體焰炬強化點火的是Kimura等人。從那以后，大量實驗研究超音速流動中運用不同等離子體焰炬和添加物來控制點火。例如Takita等人開發了一個等離子體點火器，實驗在間歇吸氣式風洞中進行，在Ma=2.3的超音速流動中測試了等離子體焰炬，實驗發現：H2被成功點燃，同時隨著H2摩爾分數以及等離子體功率增加，燃燒會變得更強烈。通過使用雙等離子體焰炬，并結合上下游燃料注入，實現了H2和CH4火焰的穩定燃燒[3]。

Leonov等人結合多極準直流放電（類似于滑動弧放電）開發出一個等離子體輔助H2或C2H4與air混合物超音速燃燒的實驗平臺，探討了凹腔中的流動放電動力學。研究發現：流動結構（如凹腔或背風側）對放電的影響在于相互作用區強烈的氣體湍流以及分離區體積的略微增加。當H2注入時，燃燒發生在熱剪切層和凹腔中；當C2H4注入時，燃燒只發生在凹腔中。

4 結語

在等離子體助燃技術應用于發動機的研究中，主要考慮溫度、壓力、當量比、火花塞的幾何結構、放電方式、氣缸的幾何構型等因素對點火和燃燒的影響，目的在于增加其中的激發態組分和活性自由基，從而達到減少點火延遲時間、增加火焰傳播速度、擴展燃燒極限、提高火焰穩定性等要求。其中非平衡態等離子體是人們研究的重點、難點和創新點。可以預見，等離子體助燃技術將極大地提升發動機的性能，將是未來先進發動機的關鍵技術之一。

[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.俄羅斯等離子體點火和輔助燃燒研究進展[J].科技導報,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，高中在讀，研究方向是能源與動力