等离子体助燃技术在发动机上的研究

张瑞(平阴县第一中学,山东 济南 250400)

等离子体助燃技术在发动机上的研究

张瑞(平阴县第一中学,山东 济南 250400)

本文从发动机的发展现状出发，分析了发动机在点火和助燃方面存在的问题，介绍了等离子体助燃技术并着重分析了等离子体强化燃烧的机制和原理，列举了大量等离子体助燃技术在各类发动机上应用的实例，也希望能启发和引导更多等离子体助燃技术应用于发动机中，解决发动机实际存在的问题，不断创新和突破。

等离子体助燃;发动机;活性粒子

如今，汽车、飞机、轮船等都是我们非常重要的交通工具，而核心部件发动机的性能关系着交通工具的动力性、经济性和舒适度等指标。从世界上第一台发动机出现到现在已经有三百多年的时间，发动机的各项性能指标都得到了极大的提升，但是仍存在着许多未解决的问题，如：点火时间较长；燃料燃烧不充分；燃气中氮氧化物等污染物含量较高等问题。随着燃烧动力学和其它相关学科的发展，等离子体助燃技术因可有效减少点火延迟时间，扩展可燃极限，增加火焰传播速度，提高火焰稳定性，实现低温燃烧等优点，逐渐受到各国的广泛关注，必将成为未来发动机设计的一项重要应用技术。

等离子体被称为物质的第四态，由电子、原子、离子或分子等粒子组成的正负电荷相等，对内为良导体，对外为中性的粒子集合，通常由气体电离后生成。放电等离子体主要通过热力学、动力学和输运三条路径来强化点火和燃烧过程。放电能量一部分转变为热能，使混合气体温度升高，粒子活性增强，更容易发生化学反应，这是热力学方面；放电过程会产生许多活性粒子，如O原子、H原子、OH、振动激发态和电子激发态分子，这些活性粒子会促进支链反应的进行，从而加速化学反应，这是动力学方面；放电过程会将大部分的燃料分子分解为小的燃料碎片，同时两极之间形成的离子风也加速了燃料和氧化剂的混合，这些都有助于化学反应的进行，这是输运方面。

通常我们将等离子体分为平衡态等离子体和非平衡态等离子体。平衡态等离子体气体的温度相对较高，但粒子的活性相对较弱，因此平衡态等离子体更多的体现热力学效应；非平衡态等离子体气体的温度相对较低，粒子的活性相对较强，因此非平衡态等离子体更多的体现动力学和输运效应。两者之间没有明显的界限，不同类型的等离子体需要不同的电源生成，通常用纳秒脉冲、微波、射频电源产生非平衡等离子体，用电火花产生平衡态等离子体。不同放电方式产生的等离子体对发动机的点火和燃烧过程会产生不同的影响，下文分别介绍了等离子体助燃技术在不同类型发动机上的研究和应用。

1 火花塞点火发动机

对于电火花点火发动机，初始火核体积的变化强烈影响着发动机的贫燃极限和排放特性。研究人员在实验条件下，用不同类型的等离子体电源，如微波电源、纳秒脉冲电源等，替代或结合传统火花塞来改进发动机点火系统。

Ikeda等人开发并测试了一个结合微波的火花点火器，用于现有的发动机系统，而无需对发动机进行改造。火花塞的两个电极也是微波的电极，磁控管会产生2.45GHz频率的微波放电，微波放电在标准火花开始前和结束后将微波能量传递到火花塞，其能量被火花放电产生的电子吸收，使电子达到更高的温度，这些电子与气体分子碰撞会提高气体温度，同时产生激发态组分和活性自由基。使用正常火花塞，曲轴转角在上止点后-14.2°观察到火花塞点火，在上止点后-7.0°形成火焰内核，在上止点后0.2°火焰开始传播；而用微波强化火花塞，在点火不久后就能观察到来自等离子体的强光，接着在上止点后0.2°，由于微波能量的添加而形成了大的火核[1]。

Wolk等人进一步研究了微波强化火花塞的表现。该研究是在1.45L的燃烧容器中进行，通过改变初始压力和当量比来研究微波对火花塞点火的影响。实验中输入的微波能量大约为225mJ，用火焰形成时间和火焰抬升时间来标定燃烧过程的两个阶段。通过对比点火极限和初始压力的关系，可以看到：微波的使用扩展了贫燃和富燃的点火极限，尤其对贫燃极限的扩展要更大；同时，随着初始压力的增加，微波对火焰形成时间的影响逐渐减弱，当初始压力大于3bar时，基本可以忽略。

微波助燃系统也用于小型发动机的研究。由于小型发动机面容比大，所以受火花点火能量的影响较大，同时活性自由基容易与壁面碰撞而损失。可以发现：750mJ的微波能量输入产生了更大的点火核，使得总体上点火更快；从平均指示压力的循环变动系数实验结果可以看到，贫燃极限扩展了20%-30%。这些表明微波强化点火对微型和中尺度发动机也是一种有效的方法。

南加利福尼亚大学为汽油发动机设计了各种瞬态等离子体点火器。瞬态等离子体是高压短脉冲产生的分布式阵列“飘带”，即在纳秒尺度下，电子碰撞燃料和氧气分子，使其分解产生活性自由基而生成。实验发现：使用这样一个瞬态等离子体点火器，能大大改善点火延迟时间。当输入20ns的脉冲时，能产生稳定的贫燃；通过高速摄影仪看到，瞬态等离子体点火器比火花塞点火的火焰传播速度更快。

2 燃气涡轮发动机

贫燃熄火和火焰不稳定是燃气涡轮发动机的关键性问题。等离子体作为一项新的技术用于增加火焰稳定性，可实现超稀薄燃烧。

Moeck等人模拟燃气涡轮发动机的燃烧环境，研究了1atm下的纳秒脉冲放电对燃烧稳定性的影响。脉冲放电由固态脉冲发生器产生，放电位置在旋流稳定燃烧室的喷嘴出口处。中央针电极作为阳极，安装在进入燃烧室的旋流出口处。这样的电极排列使得中央针电极和盘区环电极间产生纳秒脉冲放电丝。实验发现：没有放电等离子体时，火焰被抬升，稳定在回流区的剪切层，随着放电开始以及脉冲频率增加，火焰不断向上游移动，最终稳定在燃烧器通道中。

Lacoste等人对实验进行了重新设计，研究了纳秒脉冲放电对1atm、4kW热功率下稳定旋流贫燃预混CH4/air火焰动力学影响。研究表明：运用纳秒脉冲放电能够有效增加火焰稳定性，减少速度波动幅度近一个数量级。作者认为这一现象主要由等离子体热力学效应引起，等离子体对混合气快速加热，使得气体迅速膨胀，产生冲击波，影响气体流速，改变了旋涡结构，从而对输运过程产生影响，因此也会改变火焰传播速度[2]。

Barbosa等人进一步研究了纳秒脉冲放电等离子体对旋流燃烧器中预混贫燃C3H8/air的火焰稳定性作用。二级旋流注射器连接到附有光学接入端口的矩形燃烧器上，两级都通入C3H8和air，设置两个旋流器的旋流方向相同，确保产生共旋旋转运动，两级混合气C3H8/air混合在一起后进入燃烧器中。实验发现：没有放电等离子体时，当量比达到0.41时观察到火焰熄灭；在有放电等离子体时，火焰稳定极限减小到0.11，因此放电等离子体可极大地拓展总体火焰稳定极限以及燃气涡轮燃烧器的稳定工作域。

3 超音速推进和超燃冲压发动机

超音速冲压喷气发动机的主要挑战是燃料与空气的混合、点火、火焰稳定和冷却。在高马赫数、温度为900K时，发动机中的流动驻留时间甚至小于传统的喷气燃料的自动点火时间；即使燃料被点着，流动驻留时间可能仍然小于燃料完全燃烧的时间。此外，如果燃烧热释放太快，快速的热释放速率可能导致流动热堵塞，使得发动机熄火。因此，有必要对点火和燃烧热释放速率进行控制。

作为超音速条件下点火和稳定燃烧的一种有效方法，等离子体焰炬已经被广泛研究。等离子体焰炬是一种平衡态弧光放电，由于其热效应和大量活性自由基，通常被用于强化点火。等离子体焰炬极其高的温度使得其热力学效应要远远大于动力学效应。

最早尝试在超音速流动中用等离子体焰炬强化点火的是Kimura等人。从那以后，大量实验研究超音速流动中运用不同等离子体焰炬和添加物来控制点火。例如Takita等人开发了一个等离子体点火器，实验在间歇吸气式风洞中进行，在Ma=2.3的超音速流动中测试了等离子体焰炬，实验发现：H2被成功点燃，同时随着H2摩尔分数以及等离子体功率增加，燃烧会变得更强烈。通过使用双等离子体焰炬，并结合上下游燃料注入，实现了H2和CH4火焰的稳定燃烧[3]。

Leonov等人结合多极准直流放电（类似于滑动弧放电）开发出一个等离子体辅助H2或C2H4与air混合物超音速燃烧的实验平台，探讨了凹腔中的流动放电动力学。研究发现：流动结构（如凹腔或背风侧）对放电的影响在于相互作用区强烈的气体湍流以及分离区体积的略微增加。当H2注入时，燃烧发生在热剪切层和凹腔中；当C2H4注入时，燃烧只发生在凹腔中。

4 结语

在等离子体助燃技术应用于发动机的研究中，主要考虑温度、压力、当量比、火花塞的几何结构、放电方式、气缸的几何构型等因素对点火和燃烧的影响，目的在于增加其中的激发态组分和活性自由基，从而达到减少点火延迟时间、增加火焰传播速度、扩展燃烧极限、提高火焰稳定性等要求。其中非平衡态等离子体是人们研究的重点、难点和创新点。可以预见，等离子体助燃技术将极大地提升发动机的性能，将是未来先进发动机的关键技术之一。

[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]李钢,李华,杨凌元.俄罗斯等离子体点火和辅助燃烧研究进展[J].科技导报,2012,30(17):66-72.

张瑞（1998-），男，汉族，籍贯山东省，就读于平阴县第一中学，高中在读，研究方向是能源与动力