宋　鵬，陳　雷，宮長明

(1．大連民族大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 大連 116605;2．沈陽航空航天大學(xué)

遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測試技術(shù)重點(diǎn)實驗室，遼寧 沈陽 110136；

3．大連理工大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)研究所，遼寧 大連 116024)

?

氣體燃料非平衡等離子體點(diǎn)火技術(shù)研究進(jìn)展

宋鵬1,3，陳雷2,3，宮長明1

(1．大連民族大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 大連 116605;2．沈陽航空航天大學(xué)

遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測試技術(shù)重點(diǎn)實驗室，遼寧 沈陽 110136；

3．大連理工大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)研究所，遼寧 大連 116024)

摘要：介紹了非平衡等離子體點(diǎn)火技術(shù)的原理，從試驗及數(shù)值模擬研究兩個方面分別綜述了近五年來非平衡等離子體點(diǎn)火技術(shù)在氣體燃料助燃研究領(lǐng)域的研究進(jìn)展，指出了現(xiàn)階段研究在低溫反應(yīng)機(jī)理及其驗證數(shù)據(jù)與該技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用研究方面存在的問題，最后展望了非平衡等離子體點(diǎn)火技術(shù)未來的研究方向。

關(guān)鍵詞：非平衡等離子體；點(diǎn)火；氣體燃料

隨著能源短缺和環(huán)境污染的日益嚴(yán)峻，石油資源匱乏及能源結(jié)構(gòu)中對石油的過分依賴已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸問題，并引起了學(xué)術(shù)界及政府機(jī)構(gòu)的高度重視。國務(wù)院、工信部、交通部先后發(fā)布了《中國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》《公路水路交通運(yùn)輸節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》《關(guān)于印發(fā)“十二五”水運(yùn)節(jié)能減排總體推進(jìn)實施方案的通知》《關(guān)于加強(qiáng)內(nèi)燃機(jī)工業(yè)節(jié)能減排的意見》等文件，文件中對內(nèi)燃機(jī)的油耗、污染物排放等指標(biāo)做出了詳細(xì)規(guī)定。這些政令的頒布對內(nèi)燃機(jī)及能源技術(shù)的發(fā)展提出了極為嚴(yán)格的要求。

為了滿足這些要求，實施能源多元化和進(jìn)行能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整，人們進(jìn)行了大量石油替代能源的研究工作。目前石油替代能源主要包括天然氣、液化石油氣、頁巖氣、可燃冰等氣層資源，甲醇和乙醇等醇類燃料，以及二甲醚、氫能、生物柴油和生物質(zhì)能等。在這些石油替代能源中，以天然氣、丙烷等為代表的氣體燃料由于具有燃燒清潔、安全經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，成為研究最多、最具應(yīng)用前景的替代能源，有望在船舶動力、陸用發(fā)電、公共交通等領(lǐng)域得以大量應(yīng)用，并成為社會公認(rèn)的首選綠色能源。

氣體燃料發(fā)動機(jī)多采用稀薄燃燒技術(shù)改善經(jīng)濟(jì)性、降低NOX排放。稀薄燃燒技術(shù)是近年來備受內(nèi)燃機(jī)界重視的新型發(fā)動機(jī)燃燒技術(shù)，該技術(shù)要求發(fā)動機(jī)在當(dāng)量比小于化學(xué)計量空燃比(Φ1)的條件下工作，通過提高缸內(nèi)充量絕熱指數(shù)及降低燃燒溫度等方式實現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)性及較低的NOX排放。但是在稀薄條件下混合氣中的可燃物少，與化學(xué)計量比燃燒相比稀薄燃燒的燃燒過程不穩(wěn)定，導(dǎo)致氣體燃料發(fā)動機(jī)循環(huán)變動的升高及HC、CO排放的惡化；處于火花位置附近的混合氣成分及充量運(yùn)動的大范圍時空變化對點(diǎn)火系統(tǒng)的可靠性提出了很高要求，尤其當(dāng)發(fā)動機(jī)在稀燃極限條件工作時由于著火的困難會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性及HC、CO排放的急劇惡化；稀薄燃燒還會導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊慕档?，在較大的缸徑尺度上應(yīng)用容易導(dǎo)致爆震風(fēng)險的加劇[1-2]。因此，為改善氣體燃料發(fā)動機(jī)稀薄燃燒的燃燒穩(wěn)定性、縮短缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x、擴(kuò)展稀燃極限并避免爆燃、實現(xiàn)高效清潔燃燒，需要研究能夠改善發(fā)動機(jī)著火及燃燒特性的原理及技術(shù)手段，探索新型多點(diǎn)點(diǎn)火方式。許多學(xué)者對提高氣體燃料稀薄燃燒的著火性能進(jìn)行了研究，提出了多種不同技術(shù)路線。其中，等離子體點(diǎn)火技術(shù)由于具有控制超稀薄、低溫火焰的能力[2]，近年來得到了迅猛發(fā)展。

1非平衡等離子點(diǎn)火技術(shù)

等離子體是由大量正負(fù)電荷數(shù)目近似相等的帶電粒子組成的非凝聚系統(tǒng)。與固、液、氣三態(tài)相比，作為第四態(tài)的等離子體的粒子平均動能大于電離能，這導(dǎo)致在軌道上運(yùn)動的束縛態(tài)電子能夠脫離原子或分子成為自由電子。這些自由電子能夠打斷周圍空氣和燃料分子的化學(xué)鍵，使處于穩(wěn)定狀態(tài)的物質(zhì)變成氧化性極強(qiáng)的OH、O等自由基活性物質(zhì)，從而提高反應(yīng)物的活化度[3]，實現(xiàn)擴(kuò)大點(diǎn)火范圍、縮短點(diǎn)火延遲、改善燃燒穩(wěn)定性、拓寬稀燃極限的目的[4]。

在等離子體物理化學(xué)反應(yīng)中，物質(zhì)(電子和離子)的能量狀態(tài)是一個重要參數(shù)，一般用電子溫度Te和離子溫度Ti表示。在燃燒相關(guān)領(lǐng)域研究中等離子體一般分為Te≈Ti和Te>>Ti兩種情況，前者被稱為熱平衡等離子體(Thermal Equilibrium Plasma)，后者被稱為非平衡等離子體(Non-equilibrium Plasma)[5]。熱平衡等離子體在燃燒技術(shù)中最典型的應(yīng)用是火花塞點(diǎn)火?；鸹ㄈ烹姰a(chǎn)生熱平衡等離子體，位于放電通道及其周圍空間極小范圍內(nèi)的可燃混合氣分子受熱而著火，其著火的實質(zhì)是氣體分子受熱、分解、形成活性基團(tuán)，從而引起燃料氧化反應(yīng)，其自身燃燒釋放的能量產(chǎn)生新的活性物質(zhì)使燃燒得以繼續(xù)[6]。然而，這種自身產(chǎn)生活性物質(zhì)的方式對反應(yīng)物濃度十分敏感，因此在稀薄條件下難以維持燃燒，而且由于絕大部分點(diǎn)火能量被用于加熱電極及工作氣體，導(dǎo)致了點(diǎn)火效率較低；在熱平衡等離子體中電子、離子和中性物質(zhì)的能量處于熱平衡狀態(tài)，因而廢氣也有較高的溫度，這導(dǎo)致排放時廢氣會攜帶大量的能量，對發(fā)動機(jī)的熱效率造成不利影響[7]。

非平衡等離子體放電過程如圖1。與熱平衡等離子體不同，非平衡等離子體點(diǎn)火技術(shù)并不依靠自身產(chǎn)生的活性物種維持燃燒，而是憑借其高能電子與燃料及氧化劑分子的相互作用，發(fā)生一系列的激發(fā)、離解及電離等反應(yīng)生成具有高度反應(yīng)活性的自由基及離子等組分，使得燃燒反應(yīng)得以開始并繼續(xù)[2]。該技術(shù)的關(guān)鍵在于，把熱平衡等離子體技術(shù)中主要用來加熱和低能振動激發(fā)的等離子體能量轉(zhuǎn)而用到高能電子激發(fā)和電離[7-8]，因此其電子溫度遠(yuǎn)高于重離子溫度，氣體本身的溫升很小。非平衡等離子體較高的電子溫度及較低的重粒子溫度為化學(xué)反應(yīng)提供了良好的條件：首先，較高的電子能量使反應(yīng)物激發(fā)、離解和電離，導(dǎo)致反應(yīng)物具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，降低了化學(xué)反應(yīng)對初始條件的要求；其次，較低的重粒子溫度使反應(yīng)體系得以保持較低的溫度，降低了反應(yīng)體系能耗，同時較低的溫度為化學(xué)反應(yīng)提供了理想條件，保證了反應(yīng)的定向進(jìn)行及產(chǎn)物的獲??；而且，電離產(chǎn)生的等離子體廣泛分布于缸內(nèi)空間，使非平衡等離子體點(diǎn)火方式具有實現(xiàn)空間多點(diǎn)點(diǎn)火的潛力，從而縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x并有效避免爆燃的發(fā)生。因此，非平衡等離子體點(diǎn)火技術(shù)在氣體燃料稀薄燃燒領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力。

圖1　大氣條件下非平衡等離子體放電照片[9]

2研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外學(xué)者圍繞非平衡等離子體的點(diǎn)火及燃燒特性進(jìn)行了一系列實驗及數(shù)值模擬研究。

2.1　實驗研究進(jìn)展

清華大學(xué)的王志[10]采用微波等離子技術(shù)，在一個諧振腔內(nèi)使用300W微波源進(jìn)行了微波放電非平衡等離子體點(diǎn)火性能研究，并與傳統(tǒng)的火花點(diǎn)火方式進(jìn)行了對比，對比結(jié)果如圖2。微波在整個腔體內(nèi)產(chǎn)生諧振，在整個燃燒室高度范圍內(nèi)產(chǎn)生了大面積的等離子體云團(tuán)，點(diǎn)火作用的空間體積遠(yuǎn)大于火花點(diǎn)火作用的空間體積。研究發(fā)現(xiàn)，在常溫、Φ=1.0~0.65的初始條件下微波點(diǎn)火能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定著火，但當(dāng)Φ<0.06時著火不穩(wěn)定，在高壓條件下微波等離子體點(diǎn)火方式尚難以實現(xiàn)有效點(diǎn)火。當(dāng)初始壓力較低時，混合氣容易被擊穿，產(chǎn)生大量等離子體；當(dāng)初始壓力較高時，混合氣難以被擊穿，但著火后的燃燒速度較快。但是，微波等離子技術(shù)對諧振腔的幾何結(jié)構(gòu)及尺寸有較嚴(yán)格的要求。

中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所的湯潔[11-13]進(jìn)行了介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體增強(qiáng)有機(jī)燃料燃燒的實驗研究, 在大氣條件下分別采用兩種活化方式(燃料活化及空氣活化)實現(xiàn)了對丙烷的成功電離，并在Φ=0.43的條件下實現(xiàn)了穩(wěn)定燃燒。不同放電功率條件下丙烷-空氣等離子點(diǎn)火示意圖如圖3，非平衡等離子體在一定程度上能夠改善丙烷的燃燒穩(wěn)定性，增加燃燒火焰的亮度。兩種活化方式下的丙烷燃燒均表明維持燃料的穩(wěn)定燃燒并不是等離子體的能量越大越好，而是局限在一定的范圍內(nèi)，躍出這個范圍，丙烷燃燒就不穩(wěn)定。Randonnier.A等人[14]結(jié)合軸對稱介質(zhì)阻擋放電技術(shù)對甲烷燃燒火焰的形狀和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并分析測量了火焰不同部位的物質(zhì)組份。Rakitin.A等人[15]采用快速壓縮機(jī)實驗手段，分別在20-40bar條件下實現(xiàn)了Φ=1.0的丙烷-空氣混合氣的成功電離及穩(wěn)定燃燒。Nikipelov.A等人[16-17]分析了放電頻率、放電電壓等條件對放電效果的影響，并在大氣條件下、采用介質(zhì)阻擋放電技術(shù)及高壓納秒放電的方法，實現(xiàn)了極稀薄條件(Φ=0.06)下甲烷空氣混合氣的成功放電著火。

(a)火花點(diǎn)火

(b)微波點(diǎn)火

(a)活化丙烷

(b)活化空氣

2.2　數(shù)值模擬研究進(jìn)展

在數(shù)值模擬研究方面，為了探討非平衡等離子體對甲烷點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊?，沈懷榮等人[18]采用化學(xué)動力學(xué)機(jī)理GRI-Mech3.0，利用零維、均質(zhì)、完全混合模型和火焰?zhèn)鞑ニ俣饶Ｐ停瑢Υ髿鈼l件下的甲烷點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑ミ^程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究(0.6<Φ<1.4)，計算得到了O及NOX自由基對點(diǎn)火延遲時間和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸?guī)律，闡明了O自由基濃度及初始溫度的變化對點(diǎn)火延遲時間的影響規(guī)律，以及NOX自由基濃度的變化在不同當(dāng)量比條件下對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊牟煌绊憴C(jī)制。Starikovskaya.S等人[19]指出利用放電產(chǎn)生的非平衡等離子體縮短點(diǎn)火時間的機(jī)理主要是由于電子碰撞造成的分子裂解和激發(fā)。其研究結(jié)果表明,高壓納秒脈沖介質(zhì)阻擋放電可以顯著縮短點(diǎn)火延遲，同時大幅降低著火溫度。Aleksandrov.N等人[20]開展了碳?xì)淙剂细邏杭{秒介質(zhì)阻擋放電點(diǎn)火的實驗和數(shù)值模擬研究。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在較高的氣體溫度時等離子體的作用可以歸納為產(chǎn)生原子和自由基，以及由此引發(fā)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。氣體溫度較低時，放電的作用與活性粒子復(fù)合造成的氣體加熱相關(guān)，這種方式的氣體加熱較外部熱源加熱的方式更快，因此鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能更早發(fā)生，縮短了點(diǎn)火時間。Kosarev.I等人[21]對甲烷空氣氬氣混合物非平衡等離子體點(diǎn)火動力學(xué)進(jìn)行了實驗和數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)放電能量在10-30 mJ/cm3時可以減小點(diǎn)火延遲達(dá)一個數(shù)量級，點(diǎn)火延遲的計算結(jié)果和實驗結(jié)果吻合得很好。對模擬結(jié)果的分析表明，放電時電子碰撞使分子裂解，由此產(chǎn)生的氧原子和氫原子引起一系列鏈?zhǔn)椒磻?yīng)加速，這是非平衡等離子體縮短點(diǎn)火延遲時間的主要原因。

3研究中存在問題及展望

上述研究成果表明，非平衡等離子體點(diǎn)火能夠拓寬稀燃極限、改善燃燒穩(wěn)定性，而且非平衡等離子體點(diǎn)火及燃燒過程作用的主要機(jī)理與放電過程中活性基的產(chǎn)生是密不可分的。對放電過程的研究顯示，放電中的平均電子能量由折合電場強(qiáng)度E/N決定[1,15](E為電場強(qiáng)度，N為氣體密度)，該能量取決于放電過程及電脈沖持續(xù)期、放電電流、氣體密度、氣體溫度等氣體參數(shù)；而燃燒的具體過程則牽涉到環(huán)境溫度、環(huán)境氣壓、氣體流速、放電模式等諸多因素，甚至等離子體發(fā)生器的結(jié)構(gòu)都會影響燃燒狀況。因此，利用非平衡等離子體增強(qiáng)燃燒的物理化學(xué)反應(yīng)過程相當(dāng)復(fù)雜，研究中尚有一些問題函待解決。

在理論方面，低溫反應(yīng)機(jī)理及其驗證數(shù)據(jù)的缺失是目前非平衡等離子體點(diǎn)火研究的一個重點(diǎn)和難點(diǎn)。用于描述甲烷燃燒反應(yīng)的GRI Mech-3.0、Konnov等機(jī)理的適用溫度條件較高[22]，因此獲取用于構(gòu)建低溫反應(yīng)機(jī)理的實驗數(shù)據(jù)對準(zhǔn)確模擬甲烷非平衡等離子體點(diǎn)火的反應(yīng)過程具有重要意義，這需要考慮在低溫條件下伴隨鏈?zhǔn)椒磻?yīng)開始的氣體放電以及等離子體生成等過程。目前，研究者們對這一方面的結(jié)論仍存在較大爭議，而且對高壓、稀薄條件下天然氣非平衡等離子體點(diǎn)火對燃燒過程促進(jìn)作用的信息仍然知之甚少，尚未找到被驗證的非平衡等離子體低溫點(diǎn)火燃燒的理論及模型[23]。

在應(yīng)用方面，非平衡等離子體點(diǎn)火技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用研究還處于探索階段，相關(guān)研究成果還較少。因此，相關(guān)研究應(yīng)該結(jié)合定容燃燒裝置，獲取在內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火瞬間的缸內(nèi)壓力、溫度等條件下非平衡等離子體點(diǎn)火的放電特性、點(diǎn)火及燃燒特性數(shù)據(jù)，揭示天然氣非平衡等離子體低溫點(diǎn)火的燃燒現(xiàn)象及規(guī)律，建立全新的、經(jīng)驗證的低溫反應(yīng)機(jī)理及計算模型，用來描述天然氣非平衡等離子體低溫點(diǎn)火及燃燒過程。這對于反應(yīng)機(jī)理、模型的建立及適用于內(nèi)燃機(jī)的非平衡等離子體點(diǎn)火技術(shù)研究均有重要意義。

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(責(zé)任編輯王楠楠)

The Progress in Non-equilibrium Plasma Assistant Ignition of Gaseous Fuel

SONG Peng1,3， CHEN Lei2,3， GONG Chang-ming1

(1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning,

116600, China;2. Shenyang Aerospace University, Liaoning Key Laboratory of Advanced Measurement

and Test Technology for Aviation Propulsion System, Shenyang Liaoning 110136, China;3. Institute of

Internal Combustion Engine, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China)

Abstract:Non-equilibrium plasma assistant ignition has become a focus of combustion research since high ignition energy, high ignition reliability and short ignition delay. This paper introduced the principle of non-equilibrium plasma assistant ignition technique and the progress in non-equilibrium plasma assistant ignition research of gaseous fuels within five years in both experimental and numerical simulation fields, summarized the problems existed in low temperature reaction mechanism research and internal combustion engine utilization of this technique, and prospected the research direction in the future.

Key words:non-equilibrium plasma; ignition; gaseous fuel

中圖分類號：Q539

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2096-1383(2016)01-0038-05

作者簡介：宋鵬(1978-)，女，蒙古族，高級工程師，大連理工大學(xué)博士研究生，主要從事內(nèi)燃機(jī)高能點(diǎn)火技術(shù)研究。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51409158)；中國博士后基金資助項目(2014M551078)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助項目(DC201502010203，DC201502010401)。

收稿日期：2015-04-01；最后修回日期：2015-06-03