氣體燃料非平衡等離子體點火技術研究進展

宋　鵬，陳　雷，宮長明

(1．大連民族大學 機電工程學院，遼寧 大連 116605;2．沈陽航空航天大學

遼寧省航空推進系統先進測試技術重點實驗室，遼寧 沈陽 110136；

3．大連理工大學 內燃機研究所，遼寧 大連 116024)

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氣體燃料非平衡等離子體點火技術研究進展

宋鵬1,3，陳雷2,3，宮長明1

(1．大連民族大學 機電工程學院，遼寧 大連 116605;2．沈陽航空航天大學

遼寧省航空推進系統先進測試技術重點實驗室，遼寧 沈陽 110136；

3．大連理工大學 內燃機研究所，遼寧 大連 116024)

摘要：介紹了非平衡等離子體點火技術的原理，從試驗及數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火技術在氣體燃料助燃研究領域的研究進展，指出了現階段研究在低溫反應機理及其驗證數據與該技術在內燃機領域的應用研究方面存在的問題，最后展望了非平衡等離子體點火技術未來的研究方向。

關鍵詞：非平衡等離子體；點火；氣體燃料

隨著能源短缺和環境污染的日益嚴峻，石油資源匱乏及能源結構中對石油的過分依賴已經成為制約我國經濟發展的瓶頸問題，并引起了學術界及政府機構的高度重視。國務院、工信部、交通部先后發布了《中國內燃機工業“十二五”發展規劃》《公路水路交通運輸節能減排“十二五”規劃》《關于印發“十二五”水運節能減排總體推進實施方案的通知》《關于加強內燃機工業節能減排的意見》等文件，文件中對內燃機的油耗、污染物排放等指標做出了詳細規定。這些政令的頒布對內燃機及能源技術的發展提出了極為嚴格的要求。

為了滿足這些要求，實施能源多元化和進行能源消費結構調整，人們進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、安全經濟等優勢，成為研究最多、最具應用前景的替代能源，有望在船舶動力、陸用發電、公共交通等領域得以大量應用，并成為社會公認的首選綠色能源。

氣體燃料發動機多采用稀薄燃燒技術改善經濟性、降低NOX排放。稀薄燃燒技術是近年來備受內燃機界重視的新型發動機燃燒技術，該技術要求發動機在當量比小于化學計量空燃比(Φ1)的條件下工作，通過提高缸內充量絕熱指數及降低燃燒溫度等方式實現較好的經濟性及較低的NOX排放。但是在稀薄條件下混合氣中的可燃物少，與化學計量比燃燒相比稀薄燃燒的燃燒過程不穩定，導致氣體燃料發動機循環變動的升高及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動的大范圍時空變化對點火系統的可靠性提出了很高要求，尤其當發動機在稀燃極限條件工作時由于著火的困難會導致經濟性及HC、CO排放的急劇惡化；稀薄燃燒還會導致火焰傳播速度的降低，在較大的缸徑尺度上應用容易導致爆震風險的加劇[1-2]。因此，為改善氣體燃料發動機稀薄燃燒的燃燒穩定性、縮短缸內火焰傳播距離、擴展稀燃極限并避免爆燃、實現高效清潔燃燒，需要研究能夠改善發動機著火及燃燒特性的原理及技術手段，探索新型多點點火方式。許多學者對提高氣體燃料稀薄燃燒的著火性能進行了研究，提出了多種不同技術路線。其中，等離子體點火技術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展。

1非平衡等離子點火技術

等離子體是由大量正負電荷數目近似相等的帶電粒子組成的非凝聚系統。與固、液、氣三態相比，作為第四態的等離子體的粒子平均動能大于電離能，這導致在軌道上運動的束縛態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鍵，使處于穩定狀態的物質變成氧化性極強的OH、O等自由基活性物質，從而提高反應物的活化度[3]，實現擴大點火范圍、縮短點火延遲、改善燃燒穩定性、拓寬稀燃極限的目的[4]。

在等離子體物理化學反應中，物質(電子和離子)的能量狀態是一個重要參數，一般用電子溫度Te和離子溫度Ti表示。在燃燒相關領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中最典型的應用是火花塞點火。火花塞放電產生熱平衡等離子體，位于放電通道及其周圍空間極小范圍內的可燃混合氣分子受熱而著火，其著火的實質是氣體分子受熱、分解、形成活性基團，從而引起燃料氧化反應，其自身燃燒釋放的能量產生新的活性物質使燃燒得以繼續[6]。然而，這種自身產生活性物質的方式對反應物濃度十分敏感，因此在稀薄條件下難以維持燃燒，而且由于絕大部分點火能量被用于加熱電極及工作氣體，導致了點火效率較低；在熱平衡等離子體中電子、離子和中性物質的能量處于熱平衡狀態，因而廢氣也有較高的溫度，這導致排放時廢氣會攜帶大量的能量，對發動機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，非平衡等離子體點火技術并不依靠自身產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，發生一系列的激發、離解及電離等反應生成具有高度反應活性的自由基及離子等組分，使得燃燒反應得以開始并繼續[2]。該技術的關鍵在于，把熱平衡等離子體技術中主要用來加熱和低能振動激發的等離子體能量轉而用到高能電子激發和電離[7-8]，因此其電子溫度遠高于重離子溫度，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反應提供了良好的條件：首先，較高的電子能量使反應物激發、離解和電離，導致反應物具有較強的化學活性，降低了化學反應對初始條件的要求；其次，較低的重粒子溫度使反應體系得以保持較低的溫度，降低了反應體系能耗，同時較低的溫度為化學反應提供了理想條件，保證了反應的定向進行及產物的獲取；而且，電離產生的等離子體廣泛分布于缸內空間，使非平衡等離子體點火方式具有實現空間多點點火的潛力，從而縮短火焰傳播距離并有效避免爆燃的發生。因此，非平衡等離子體點火技術在氣體燃料稀薄燃燒領域具有良好的應用潛力。

圖1　大氣條件下非平衡等離子體放電照片[9]

2研究現狀

國內外學者圍繞非平衡等離子體的點火及燃燒特性進行了一系列實驗及數值模擬研究。

2.1　實驗研究進展

清華大學的王志[10]采用微波等離子技術，在一個諧振腔內使用300W微波源進行了微波放電非平衡等離子體點火性能研究，并與傳統的火花點火方式進行了對比，對比結果如圖2。微波在整個腔體內產生諧振，在整個燃燒室高度范圍內產生了大面積的等離子體云團，點火作用的空間體積遠大于火花點火作用的空間體積。研究發現，在常溫、Φ=1.0~0.65的初始條件下微波點火能夠實現穩定著火，但當Φ<0.06時著火不穩定，在高壓條件下微波等離子體點火方式尚難以實現有效點火。當初始壓力較低時，混合氣容易被擊穿，產生大量等離子體；當初始壓力較高時，混合氣難以被擊穿，但著火后的燃燒速度較快。但是，微波等離子技術對諧振腔的幾何結構及尺寸有較嚴格的要求。

中科院西安光學精密機械研究所的湯潔[11-13]進行了介質阻擋放電非平衡等離子體增強有機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)實現了對丙烷的成功電離，并在Φ=0.43的條件下實現了穩定燃燒。不同放電功率條件下丙烷-空氣等離子點火示意圖如圖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，躍出這個范圍，丙烷燃燒就不穩定。Randonnier.A等人[14]結合軸對稱介質阻擋放電技術對甲烷燃燒火焰的形狀和結構進行了研究，并分析測量了火焰不同部位的物質組份。Rakitin.A等人[15]采用快速壓縮機實驗手段，分別在20-40bar條件下實現了Φ=1.0的丙烷-空氣混合氣的成功電離及穩定燃燒。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、采用介質阻擋放電技術及高壓納秒放電的方法，實現了極稀薄條件(Φ=0.06)下甲烷空氣混合氣的成功放電著火。

(a)火花點火

(b)微波點火

(a)活化丙烷

(b)活化空氣

2.2　數值模擬研究進展

在數值模擬研究方面，為了探討非平衡等離子體對甲烷點火和火焰傳播速度影響，沈懷榮等人[18]采用化學動力學機理GRI-Mech3.0，利用零維、均質、完全混合模型和火焰傳播速度模型，對大氣條件下的甲烷點火及火焰傳播過程進行了數值模擬研究(0.6<Φ<1.4)，計算得到了O及NOX自由基對點火延遲時間和火焰傳播速度的影響規律，闡明了O自由基濃度及初始溫度的變化對點火延遲時間的影響規律，以及NOX自由基濃度的變化在不同當量比條件下對火焰傳播速度的不同影響機制。Starikovskaya.S等人[19]指出利用放電產生的非平衡等離子體縮短點火時間的機理主要是由于電子碰撞造成的分子裂解和激發。其研究結果表明,高壓納秒脈沖介質阻擋放電可以顯著縮短點火延遲，同時大幅降低著火溫度。Aleksandrov.N等人[20]開展了碳氫燃料高壓納秒介質阻擋放電點火的實驗和數值模擬研究。數值模擬結果表明，在較高的氣體溫度時等離子體的作用可以歸納為產生原子和自由基，以及由此引發的鏈式反應。氣體溫度較低時，放電的作用與活性粒子復合造成的氣體加熱相關，這種方式的氣體加熱較外部熱源加熱的方式更快，因此鏈式反應能更早發生，縮短了點火時間。Kosarev.I等人[21]對甲烷空氣氬氣混合物非平衡等離子體點火動力學進行了實驗和數值模擬研究，發現放電能量在10-30 mJ/cm3時可以減小點火延遲達一個數量級，點火延遲的計算結果和實驗結果吻合得很好。對模擬結果的分析表明，放電時電子碰撞使分子裂解，由此產生的氧原子和氫原子引起一系列鏈式反應加速，這是非平衡等離子體縮短點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，非平衡等離子體點火能夠拓寬稀燃極限、改善燃燒穩定性，而且非平衡等離子體點火及燃燒過程作用的主要機理與放電過程中活性基的產生是密不可分的。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度E/N決定[1,15](E為電場強度，N為氣體密度)，該能量取決于放電過程及電脈沖持續期、放電電流、氣體密度、氣體溫度等氣體參數；而燃燒的具體過程則牽涉到環境溫度、環境氣壓、氣體流速、放電模式等諸多因素，甚至等離子體發生器的結構都會影響燃燒狀況。因此，利用非平衡等離子體增強燃燒的物理化學反應過程相當復雜，研究中尚有一些問題函待解決。

在理論方面，低溫反應機理及其驗證數據的缺失是目前非平衡等離子體點火研究的一個重點和難點。用于描述甲烷燃燒反應的GRI Mech-3.0、Konnov等機理的適用溫度條件較高[22]，因此獲取用于構建低溫反應機理的實驗數據對準確模擬甲烷非平衡等離子體點火的反應過程具有重要意義，這需要考慮在低溫條件下伴隨鏈式反應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火對燃燒過程促進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火燃燒的理論及模型[23]。

在應用方面，非平衡等離子體點火技術在內燃機上的應用研究還處于探索階段，相關研究成果還較少。因此，相關研究應該結合定容燃燒裝置，獲取在內燃機點火瞬間的缸內壓力、溫度等條件下非平衡等離子體點火的放電特性、點火及燃燒特性數據，揭示天然氣非平衡等離子體低溫點火的燃燒現象及規律，建立全新的、經驗證的低溫反應機理及計算模型，用來描述天然氣非平衡等離子體低溫點火及燃燒過程。這對于反應機理、模型的建立及適用于內燃機的非平衡等離子體點火技術研究均有重要意義。

參考文獻：

[1] LEWIS B, VONELBE G. Combustion, flames and explosions of gases[M]. Amsterdam:Elsevier, 2012.

[2] STARIKOVSKIY A, ALEKSANDROV N. Plasma-assisted ignition and combustion[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2013(39):61-110.

[3] STARRIKOVSKAIA S M. Plasma assisted ignition and combustion[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2006, 39(16): R265.

[4] STARIKOVSKIY A, ALEKSANDROV N. Plasma-assisted ignition and combustion[M]. Croatia:INTECH Open Access Publisher, 2011.

[5] 邁克·力伯曼, 阿倫·里登伯格. 等離子體放電原理與材料處理[M]. 蒲以康，譯.北京: 科學出版社, 2007.

[6] WARNATZ J, MAAS U, DIBBLE R. Combustion: Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments, and Pollutant Formation[M]. Berlin:Springer, 1996.

[7] ROSOCHA L, COATES D, PLATTS D, STANGE S. Plasma-enhanced combustion of propane using a silent discharge[J]. Physics of Plasmas, 2004, 11(5):2950-2956.

[8] RAIZER Y. Gas Discharge Physics[M]. New York: Springer-Verlag, 1991.

[9] SINGLETON D, PENDLETON S, Gundersen M. The role of non-thermal transient plasma for enhanced flame ignition in C2H4-air[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2011(44):81-91

[10] 黃健, 王志, 蘭光, 等. 微波等離子體點火的試驗研究[J]. 工程熱物理學報, 2015, 3: 045.

[11] TANG J, DUAN Y, ZHAO W, LUO W. Study of dielectric barrier discharge non-equilibrium plasma-assisted combustion for more efficient engine[J]. High Voltage Engineering, 2010(36): 733-738.

[12] TANG J, DUAN Y, ZHAO W. Characterization and mechanism studies of dielectric barrier discharges generated at atmospheric pressure[J]. Applied Physics Letters, 2010(96):191503.1-191503.3.

[13] TANG J, ZHAO W, DUAN Y. Some observations on plasma-assisted combustion enhancement using dielectric barrier discharges[J]. Plasma Sources Science and Technology, 2011(20):045009.1-045009.7.

[14] RANDONNIER A, LARIGALDIE S, MAGRE P, Sabel'nikov V. Plasma assisted combustion: Effect of a coaxial DBD on a methane diffusion flame[J]. Plasma Sources Sci. Technol., 2009,16(1): 149-160.

[15] RAKITIN A, NIKIPELOV A, STARIKOVSKIY A. Ignition of Hydrocarbon-Air Mixtures with Non-Equilibrium Plasma at Elevated Pressures[C]. Grapevine: 51st AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition,2013.

[16] NIKIPELOV A, RAKITIN A, CORREALE G, STARIKOVSKII A. Ignition of hydrocarbon-air mixtures with non-equilibrium plasma at elevated pressures up to 40 bar[C]. Nashville: 50th AIAA aerospace sciences meeting including the new horizons forum and aerospace exposition, 2012.

[17] NIKIPELOV A, RAKITIN A, POPOV I, CORREALE G, STARIKOVSKII A. Plasmatrons powered by pulsed high-voltage nanosecond discharge for ultra-lean flames stabilization[C]. Orlando: 49th AIAA aerospace sciences meeting including the new horizons forum and aerospace exposition,2011.

[18] 李勇, 沈懷榮. 非平衡等離子體對甲烷點火和火焰傳播影響的機理分析[J]. 推進技術, 2013,34(11):651-655.

[19] STARIKOVSKAYA S, ALEKSANDROV N, KOSAREV I, KINDYSHEVA S, Starikovskii A. Ignition with low-temperature plasma: Kinetic mechanism and experimental verification[J]. High Energy Chemistry, 2009(43):213-218.

[20] ALEKSANDROV N, KINDYSHEVA S, KOSAREV I, STARIKOVSKAIA S, STARIKOVSKII A. Mechanism of ignition by non-equilibrium plasma[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2009(32): 205-212.

[21] KOSAREV I, ALEKSANDROV N, KINDYSHEVA S, STARIKOVSKAIA S, STARIKOVSKII A. Kinetics of ignition of saturated hydrocarbons by nonequilibrium plasma: CH4-containing mixtures[J]. Combustion and Flame, 2009(154): 569-586.

[22] POPOV N. The effect of non-equilibrium excitation on the ignition of hydrogen-oxygen mixtures[J]. High Temperature, 2009,45(2):261-79.

[23] UDDI M, GUO H, SUN W, JU Y. Studies of C2H6/air and C3H8/air plasma assisted combustion kinetics in a nanosecond discharge[C]. Orlando: 49th AIAA aerospace sciences meeting including the new horizons forum and aerospace exposition, 2011.

(責任編輯王楠楠)

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

文獻標志碼：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，大連理工大學博士研究生，主要從事內燃機高能點火技術研究。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51409158)；中國博士后基金資助項目(2014M551078)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(DC201502010203，DC201502010401)。

收稿日期：2015-04-01；最后修回日期：2015-06-03