上海交通大学学报

上海交通大学学报, 2024, 58(8): 1167-1178 doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.464

机械与动力工程

非平衡等离子体预处理对丙烷/空气混合气燃烧特性的影响

熊勇, 赵庆武, 刘澎, 刘静远, 程勇,

山东大学 能源与动力工程学院,济南 250061

Effect of Non-Equilibrium Plasma Pretreatment on Combustion Characteristics of Propane/Air Mixtures

XIONG Yong, ZHAO Qingwu, LIU Peng, LIU Jingyuan, CHENG Yong,

School of Energy and Power Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China

通讯作者: 程 勇,教授,博士生导师;E-mail:cysgd@sdu.edu.cn.

责任编辑: 王历历

收稿日期: 2022-11-18   修回日期: 2023-01-18   接受日期: 2023-01-19  

基金资助: 国家自然科学基金(51976107)
北京理工大学高效低排放内燃机技术工业和信息化部重点实验室科研基地科技支撑专项计划(2017CX02015)

Received: 2022-11-18   Revised: 2023-01-18   Accepted: 2023-01-19  

作者简介 About authors

熊勇(1992-),博士生,从事等离子体辅助燃烧方向研究.

摘要

探索在内燃机缸内压力较低时利用非平衡等离子体对缸内工质进行预处理,改善燃烧过程的可行性.在初始压力为0.1 MPa,初始温度为303 K,当量比为1的丙烷/空气混合气中,基于高频纳秒脉冲驱动沿面介质阻挡放电等离子体发生系统,在定容燃烧弹中研究不同点火间隔和放电脉冲数下非平衡等离子体预处理混合气的放电形态与能量特性及其对燃烧的影响.放电试验表明:单脉冲能量约为5.2 mJ,平均功率为30 kW;脉冲间隔80 μs的80个脉冲能产生约40个放电通道.预处理混合气试验表明:混合气经过脉冲间隔80 μs的80个脉冲处理后,燃烧持续期缩短1.33 ms,缩短了16%;随着放电脉冲数的增加,燃烧持续期先线性降低,然后趋于稳定;随着点火间隔的增大,燃烧持续期延长.

关键词： 纳秒脉冲放电; 非平衡等离子体; 燃烧控制; 沿面介质阻挡放电

Abstract

The feasibility of using non-equilibrium plasma to pretreat in-cylinder mass at low in-cylinder pressures in internal combustion engines to improve the combustion process is explored. In a propane/air mixture with an initial pressure of 0.1 MPa, an initial temperature of 303 K, and an equivalence ratio of 1, and based on a high-frequency nanosecond pulse-driven along-surface dielectric barrier discharge plasma generation system, the morphology and energy characteristics of discharge of propane-air mixture and the effect on combustion at different ignition intervals and numbers of discharge pulse are studied in a constant-volume combustion bomb. The results of the discharge test show that the energy of a single pulse is about 5.2 mJ. The average power is 30 kW, and 80 pulses at 80 μs intervals produce approximately 40 discharge channels. When the mixture is treated with 80 pulses at 80 μs intervals, the combustion duration is reduced by 1.33 ms, which is a 16% reduction. As the number of discharge pulses increases, the burning duration first decreases linearly and then stabilizes, and the duration of combustion increases with the increasing ignition interval.

Keywords： nanosecond pulse discharge; nonequilibrium plasma; combustion control; surface dielectric barrier discharge (SDBD)

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本文引用格式

熊勇, 赵庆武, 刘澎, 刘静远, 程勇. 非平衡等离子体预处理对丙烷/空气混合气燃烧特性的影响[J]. 上海交通大学学报, 2024, 58(8): 1167-1178 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.464

XIONG Yong, ZHAO Qingwu, LIU Peng, LIU Jingyuan, CHENG Yong. Effect of Non-Equilibrium Plasma Pretreatment on Combustion Characteristics of Propane/Air Mixtures[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2024, 58(8): 1167-1178 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.464

非平衡等离子体被证明可以扩大点火极限[1]、强化燃烧[2].这主要归因于非平衡等离子体的化学作用和热作用[3].非平衡等离子体的化学作用与向工质中添加多种不同反应活性的物质作用类似[4],热作用则与进气加热[5-6]、电热塞[7]的作用类似.Cathey等[8]、Shiraishi等[9-10]围绕脉冲放电非平衡等离子体点火过程做了一系列研究,研究结果表明纳秒脉冲放电非平衡等离子体能实现大体积点火的效果.由于点火时缸内气压很高,而且非平衡等离子体的激发属于过电压激发,缸压越高需要的约化场强越高,对放电电压的要求越高.在高气压下应用非平衡等离子体放电,高电压发生器的设计、绝缘都比较困难[11⇓-13].低气压下分子数密度更低[14],产生大面积非平衡等离子体更容易.文献[15⇓-17]中在常压下利用纳秒脉冲非平衡等离子体放电进行了燃料重整的研究.

在内燃机的进气行程和压缩行程早期,缸内压力和温度都较低,非常适合产生大面积非平衡等离子体,可以方便地利用纳秒脉冲放电产生活性粒子,促进低温反应,改变缸内局部混合气的成分和温度,进而控制随后的点火和燃烧过程.根据内燃机的这些工况特点,在燃烧室低压时间段直接对缸内混合气进行非平衡等离子体处理是一种更加方便有效的燃烧控制方法.但是,低压下非平衡等离子体产生的活性粒子和热作用对燃烧过程的影响还不清楚,活性粒子浓度和热作用随着时间的衰减及其对燃烧影响程度尚不明确,且放电参数对非平衡等离子体处理后混合气燃烧特性的影响也需要进一步研究.

丙烷作为化学结构相对简单的气体燃料,可以为等离子体辅助燃烧机理研究提供便利.因此,在定容弹内采用纳秒脉冲沿面介质阻挡(Surface Dielectric Barrier Discharge,SDBD)放电对丙烷/空气混合气进行预处理,经过一定延时后点火,测量并比较混合气有预处理和无处理时的燃烧特性;搭建纹影测试系统,观测预处理时混合气状态及火焰传播过程的变化,分析预处理对混合气燃烧的影响;针对不同放电参数,研究纳秒脉冲SDBD放电特性及其对丙烷/空气混合气燃烧特性的影响.研究结果可以为改善低温下混合气燃烧速度和提高燃烧等容度提供实验基础.

1 实验设计

1.1 实验系统设计

搭建可视化纳秒脉冲驱动SDBD处理混合气的定容燃烧弹系统,如图1所示.图中:I为电流,U为电压.系统主要包括定容燃烧弹、配气及温控系统、纹影系统、点火系统、纳秒脉冲等离子体发生系统、数据及图像采集系统.定容燃烧弹内腔由两内径为40 mm的圆柱体相交组成,定容弹内一对窗口安装向燃烧室伸入10 mm的凸台状绝缘座,凸台一侧安装有SDBD预处理电极,如图2(a)所示;另一对窗口安装石英玻璃,用于纹影观测,容弹燃烧容积约65 ml.丙烷/空气混合气当量比根据分压定律进行配置.温控系统包含加热塞和数字温控仪,定容弹温度控制在(303±0.2) K.等离子体发生系统包括基于变压器和磁压缩技术自行开发的脉冲电源[12]和SDBD电极.脉冲电源产生的高压脉冲上升沿和半高宽可达到纳秒量级,最高重复频率可达到20 kHz.SDBD电极含2个环形箔电极,采用FR-4 PCB制成,铜箔厚 35 μm,介质板厚为1 mm,其中掩埋电极环外径为35 mm,内径为6 mm,接脉冲电源的负极,暴露电极环外径为20 mm,内径为14 mm,接脉冲电源的正极.暴露电极接线通过介质板中心孔向后引出,掩埋电极接线直接从后面引出,用绝缘灌封胶对掩埋电极和接线孔进行密封绝缘,其结构示意图如图2(b)所示.纹影系统采用“Z”字型布置方式,凹面镜直径为150 mm,焦距为150 cm,光源采用功率为5 W的LED光源,利用可调光栅调节出光量.采集系统包含放电信号采集、压力采集和图像采集.放电信号采用高压探头Tektronix P6015A和高频电流传感器 Pearson 2877分别采集电压和电流.燃烧压力采用Kistler 6045B缸压传感器与Kistler 5064D电荷放大器,配合Tektronix DPO2014B示波器进行采集.放电及纹影图像采用Phantom VEO710高速照相机记录.利用单片机控制系统对脉冲电源、示波器及高速照相机进行同步触发.

图1

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图1   实验装置示意图

Fig.1   Schematic diagram of experimental setup


图2

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图2   电极布置及电极结构示意图

Fig.2   Electrode arrangement and electrode structure


点火系统包含中心点火电极和电感储能放电式点火器(Transistor Controlled Ignition, TCI).中心点火电极置于定容弹中心截面,两根针电极呈180° 分布,如图2(a)所示,针电极直径为0.5 mm,间距为 2 mm.采用Bosch的点火器进行点火,单次放电能量约为30 mJ.

脉冲放电时刻与TCI点火时刻的触发时序如图3所示,混合气进入定容弹后,在参考信号上升沿触发纳秒脉冲放电信号序列,经过一定延时后触发TCI点火信号,将纳秒脉冲序列结束时刻与TCI点火时刻之间的时间定义为点火间隔tTI,在点火信号下降沿触发照相机拍摄.

图3

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图3   触发时序

Fig.3   Trigger timing


1.2 实验方案与数据处理

1.2.1 实验方案

实验中,利用定容弹测试纳秒脉冲SDBD放电特性和经纳秒脉冲处理后的丙烷/空气混合气燃烧特性.实验方案如下.

(1) 纳秒脉冲SDBD放电特性.

在初始压力p0=0.1 MPa,初始温度T0=303 K,当量比ϕ=1 的丙烷/空气混合气中进行放电特性测试,脉冲间隔tPI和脉冲数nPN分别固定为80 μs和80个.利用高压探头和电流传感器测量放电电压和电流波形,并计算出放电能量和功率.利用高速照相机拍摄放电的形态及其演化情况.

(2) 混合气预处理实验.

为了研究非平衡等离子体在低气压环境下对可燃混合气进行预处理的燃烧促进作用,在p0=0.1 MPa,T0=303 K,ϕ=1的丙烷-空气混合气中,tPI=80 μs的条件下,设置tTI=1 ms, nPN=200,150,100,80,70,55,45,30,25;设置nPN=200, tTI=1,5,10,15,20,30 ms,分别对不同放电脉冲数和不同点火间隔参数下混合气的燃烧特性进行实验.利用纹影系统和高速照相机记录火焰传播情况,利用缸压采集系统采集燃烧压力并计算出燃烧特征参数.

1.2.2 数据处理方法

具体过程如下.

(1) 电流测量信号延迟.

据文献[18]可知,实际测得的电流和电压数据存在时间差,一般为数个纳秒,这是因为电流和电压探头及同轴线缆会引起信号传输延迟.由于纳秒脉冲放电的时间尺度在纳秒至微秒级且单个脉冲的能量较小,所以数个纳秒的时间差将使得放电能量计算出现较大误差,对此需要消除电流电压的测量时间差.文献[18]中给出电流电压数据同步的有效方法即采用高压陶瓷电容作为脉冲电源的负载,根据下式计算出流过电容的电流:

iC=CduCdt

式中:C为电容的容值;uC为测得的电容两端电压;t为时间.

将式(1)的计算值与实际电容充放电电流测量值进行比较,可以得到测量造成的时间差,如图4所示.由图可见,本系统实测的电流超前于实测的电压8 ns,后文所测试的数据将以该时间差进行同步,然后进行相关计算.

图4

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图4   电容充放电电流的测量值与计算值对比

Fig.4   Comparison of tested capacitor discharge current with calculation results


(2) 放电能量计算.

脉冲放电能量根据下式利用电压、电流信号乘积的积分求得:

Ep= ∫0t UIdt

(3) 燃烧参数计算.

利用测得的缸压数据根据下式可以计算出指示放热率(Representative Heat Release Rate, RHRR):

hRHRR= dPin-chdt

式中:Pin-ch为定容弹内气体压力.基于hRHRR并根据下式积分可得到约化累计放热率(Normalized Cumulative Heat Release Rate, NCHR)[19]为

hNCHR= ∫t0thRHRRdt∫t0tpeakhRHRRdt

式中:t0为TCI点火触发信号的上升沿时刻;tpeak为缸内压力峰值出现时刻.

基于hNCHR可以分析得到燃烧过程中的燃烧特征参数,如图5所示,图中实验参数为tPI =80 μs,nPN =30,p0=0.1 MPa,T0=303 K,ϕ=1.火焰发展期(Flame Development Time,FDT) tFDT定义为t0到 10% hNCHR的时间长度;火焰增长期(Flame Rise Time,FRT) tFRT定义为10%~90% hNCHR对应的时间长度[19].由于实验存在误差,所以根据文献[18]中提出的方法,对每个方案点进行3次实验,计算出tFDT及tFRT的平均值与标准偏差.

图5

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图5   燃烧过程特征参数tFDT与tFRT

Fig.5   Combustion characteristic parameters of tFDT and tFRT


2 实验结果分析

2.1 纳秒脉冲SDBD放电形态与能量特性

非平衡等离子体的放电特性对混合气预处理效果有很大影响.放电通道的形态和强度与放电能量和放电参数相关,放电通道的形态和强度决定了混合气预处理的面积和主要活性物质的生成,同时混合气预处理过程中活性成分的累积也与放电参数相关[20-21].对放电的形态和能量特性进行分析.

2.1.1 放电形态及其演化

图6为在p0=0.1 MPa,T0=303 K,ϕ=1的丙烷/空气混合气中,放电参数nPN =80, tPI =80 μs的放电图像,外侧白色轮廓为整个电极边缘.高速照相机拍摄参数为156 帧/s, 曝光时间 6 400 μs.由图可见放电通道从暴露电极内外边缘沿着绝缘介质表面进行传播,放电形态与文献[22]中所观察到的放电形态类似.本电极为环形电极,因为环形电极外边缘比内边缘的周长更长,且覆盖电极在外边缘侧的覆盖面积更大,所以环形电极外边缘比内边缘放电通道数更多,长度更长.

图6

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图6   高频重复纳秒脉冲SDBD放电典型图像(tPI =80 μs,nPN =80)

Fig.6   Typical image of high-frequency repetitive nanosecond pulse SDBD discharge (tPI =80 μs,nPN =80)


从总体的放电图像效果中,可以看到纳秒脉冲SDBD放电能够形成大面积的放电通道,覆盖整个绝缘介质表面,这对混合气预处理有很大的帮助,可以增加混合气的总体预处理面积,提升整体预处理效果.其次,放电所形成的通道数较多,几乎占据外边缘周长的一半,相比文献[22]中的放电通道数增加将近4倍.因为对可燃混合气进行预处理需要在不引起误点火的情况下进行,所以增加放电通道数可以降低单个放电通道的能量,进而降低预处理过程中误点火的可能性.

图7为纳秒脉冲SDBD放电随着脉冲数变化的图像.高速照相机拍摄参数为 6 250 帧/s,曝光时间160 μs,即每张图片覆盖两个放电脉冲.由图可见第3~4个放电脉冲时,放电形态类似流注模式,放电通道沿着暴露电极边缘呈现弥散形态,分布均匀,放电通道的长度很短.随着脉冲数的增加,放电形态向丝状模式转变,放电通道数开始减少,放电通道长度增加.文献[14]中认为随着电场约化场强E/N增大,放电形态将从流注模式向丝状模式转变,E为电场强度,N为气体分子数密度;同时,文献[23]中指出,放电间隔小于加热和活性粒子的衰减时间时,后续放电的效果将不断累积并促进放电的发展.因此,认为本实验中放电形态随着脉冲数变化的主要原因是放电效果的累积效应,放电产生的激发态粒子猝灭会对放电通道内和周围气体产生快速加热的效果并产生活性粒子,增加后续放电的E/N.

图7

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图7   SDBD放电随脉冲数变化(tPI =80 μs)

Fig.7   SDBD discharge image at different pulse numbers (tPI =80 μs)


2.1.2 放电能量特性

图8展示了单个脉冲的放电参数,图8(a)为放电电压和电流的典型曲线,图8(b)为功率(P)和能量(E')变化曲线.放电电压上升沿时间约为30 ns,最大值为14.3 kV, 半高宽约为37 ns,电流最大绝对值为24.2 A.放电功率峰值为280 kW,由于放电结束后存在放电振荡,选择放电能量稳定后的时刻计算放电持续期,大约为90 ns,计算平均功率为30 kW,单个脉冲放电能量5.2 mJ.

图8

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图8   纳秒脉冲SDBD放电的单脉冲电气特性(tPI =80 μs,nPN =80,第10个脉冲)

Fig.8   Electrical characteristics of a single pulse of nanosecond pulse SDBD (tPI =80 μs, nPN =80, 10th pulse)


从电流曲线和功率曲线可以看出,一个脉冲周期内在脉冲的上升沿和下降沿都发生放电,这与文献[22]中观察到的波形相符合.在脉冲上升沿,随着电压的上升,两个电极之间的E/N值不断增大,当达到气体击穿阈值时,绝缘介质表面的气体被电离形成放电通道,两个电极之间的等效电阻减小,放电电流突然增大.在脉冲下降沿,由于脉冲上升沿放电沉积在介质表面的电荷与暴露电极形成足够的电压差,导致开始第二次放电[24].放电能量曲线在达到峰值后会有一个下降阶段,主要是因为两个电极之间的绝缘介质和气体形成等效电容[25],电容的充放电做无用功,所以能量曲线会出现下降.

2.2 混合气预处理对燃烧过程的影响

在定容弹上研究混合气有无预处理时的火焰传播情况和燃烧参数的变化,同时研究放电参数对火焰传播和燃烧参数的影响.

2.2.1 混合气预处理与无预处理时燃烧过程的对比研究

图9为混合气无预处理与有预处理情况下火焰传播的纹影图像对比,所有纹影图像拍摄的方向垂直于预处理电极中心轴,因此图中展示的是单侧预处理纹影图像,图中右侧布置有预处理电极.图9中以TCI点火时刻作为0时刻,实验工况为p0=0.1 MPa,T0=303 K,ϕ=1,高速照相机拍摄参数为 20 000 帧/s, 曝光时间10 μs,预处理组放电参数为tTI=1 ms,tPI=80 μs,nPN=80.

图9

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图9   无预处理和预处理燃烧纹影图像(tTI =1 ms,tPI =80 μs,nPN =80)

Fig.9   Schlieren images of unpreprocessed and preprocessed combustion (tTI=1 ms,tPI=80 μs,nPN=80)


由图可见,初始TCI点火火核大小相同,表明两种情况下TCI点火能量几乎相同.对比0 ms图像,在混合气预处理后可看见明显的热扰动,扰动几乎扩散到中心电极附近.这种扰动在文献[26]中也被观察到,纳秒脉冲SDBD放电产生的热扰动会形成激波和热羽流.激波的传播速度可达408 m/s[27],因此在点火前已经完全衰减,而热羽流的弛豫时间较长,可以达到ms量级[26].所形成的热羽流相比文献[26]中的传播速度更快且扰动面积更大,主要原因是所使用的放电电压和频率更高,放电之间的耦合作用更强.相比文献[26]中在空气中进行放电,在可燃混合气中放电机理更加复杂,放电会促进混合气低温反应进行放热,加强热扰动.对比3 ms时刻的图像,因为定容弹左侧没有预处理电极,所以混合气有无预处理时火焰左侧扩散速度几乎相同.而右侧布置有预处理电极,纳秒脉冲SDBD放电产生活性粒子和热扰动,混合气预处理后较无预处理时的火焰扩散速度略快.纳秒脉冲SDBD放电的E/N值可以达到几百Td[28-29](1 Td=10-17 V/cm2),放电通道分布在绝缘介质表面,因此靠近绝缘介质表面的E/N值最大.由于E/N值决定了电子能量的分布和能量沉积的方向,所以靠近电极侧所产生的活性粒子浓度最大.活性粒子会向外扩散,但分子的扩散速度较慢[30],造成靠近预处理电极侧的活性粒子浓度较大.

由6.5 ms时预处理组的图像可见,在预处理电极侧火焰出现明显皱褶,并且火焰沿电极表面发展的速度比无预处理时更快.这表明纳秒脉冲 SDBD 放电处理混合气所产生的影响可明显加快燃烧速度.燃烧速度加快的主要原因应该是放电产生的热效应和活性成分,纳秒脉冲SDBD放电时间在纳秒量级,因此很难形成较强的离子风效应和大尺度湍流效果.根据文献[31⇓⇓-34]中的结果可知,非平衡等离子体氧化丙烷后的稳定化合物可能有C2H4、CH4、C2H6、C3H6、CH3CHO、C2H2、C4H10等,其中低碳成分都可以加快燃烧速度.同时,在较高的脉冲频率下,脉冲之间的耦合作用增强,产生的活性粒子浓度可能会不断增加,主要有羟基、碳氢自由基、氧原子等活性粒子,这些活性成分也可以促进燃烧.放电会形成较强的活性分层和热分层,使火焰面燃烧速度不一致,火焰面出现褶皱,增加火焰面与未燃混合气的接触面积,进一步加速火焰的传播速度.由预处理组的图像可见,8 ms相比6.5 ms时火焰皱褶区域更大且靠近预处理电极处皱褶更强,这是因为靠近电极附近区域的活性粒子浓度和热效应更强.实验中,放电过程持续6.4 ms,表明在内燃机的进气和压缩过程中有充足的时间完成混合气处理过程.

为了更加清晰地对比混合气有预处理和无预处理对燃烧过程的影响,测量两种情况下的缸压曲线并进行分析,结果如图10所示.图中:p为压力.从图9的纹影图像发现,在靠近壁面时预处理才对火焰传播表现出较大影响,无法直接从图像量化火焰加速的程度,因此根据缸压曲线的变化和燃烧参数来定量比较燃烧加速的程度.两种情况下的火焰发展期几乎相同,并且在火焰发展期缸压曲线重叠,这与纹影图像相符合.在燃烧持续期,预处理组燃烧速度比无预处理组快1.33 ms,燃烧持续期缩短16%.由图10可以看出,对混合气进行预处理主要影响燃烧持续期内燃烧过程,这与纳秒脉冲放电辅助点火过程有较大区别.纳秒脉冲辅助点火在点火电极附近形成小范围化学活性区域,只影响火核初期发展,而采用纳秒脉冲SDBD放电能够形成大范围化学活性区域,对火焰发展后期也能有较大影响.

图10

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图10   无预处理和预处理缸压曲线和燃烧参数对比(tTI =1 ms,tPI =80 μs,nPN =80)

Fig.10   Comparison of cylinder pressure curves and combustion parameters without preprocess and with preprocess (tTI =1 ms,tPI =80 μs,nPN =80)


2.2.2 放电参数对混合气预处理效果影响

图11为不同脉冲数放电结束时的纹影图像,对不同脉冲数的典型图像进行挑选以便清晰地展示脉冲数对放电的影响规律,图中红色虚线表示热扰动扩散边缘,由图可见随着脉冲数增加,热扰动扩散距离及扰动强度不断增大,表明放电效果可累积.图12为不同脉冲数下火焰传播的纹影图像,对不同脉冲数的典型图像进行挑选,随着脉冲数增加,火焰褶皱不断扩大和增强.对比不同脉冲数时的火焰纹影图像可知,脉冲数较少时,放电产生的活性粒子浓度较低且热扰动较弱,对燃烧的影响相对较小,随着脉冲数增多,活性粒子浓度和热扰动不断增大,对燃烧的影响不断增强.对比nPN =55,70,80时的火焰纹影图像,在9 ms时刻3种参数所形成的火焰皱褶区域几乎相同,但是随着脉冲数增多,火焰皱褶变得更加复杂,特别是预处理电极附近,这说明随着脉冲数增多,放电形成的活性区域和热扰动区域分层在加强.

图11

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图11   不同脉冲数下SDBD放电的纹影图像(tTI =1 ms,tPI =80 μs)

Fig.11   Schlieren images of SDBD discharge at different pulse numbers (tTI =1 ms,tPI =80 μs)


图12

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图12   不同脉冲数下火焰的发展过程(tTI =1 ms, tPI =80 μs)

Fig.12   Flame development at different pulse numbers (tTI =1 ms,tPI =80 μs)


图13展示定容弹内燃烧过程随着脉冲数的变化情况,图中上下限为数据误差带.图13(a)为FDT随着脉冲的变化情况,可以看出火焰发展期随着放电脉冲数几乎不变,与纹影图像相符合,因为活性粒子和热扰动分层,在火焰未扩散到活性粒子高浓度和强热扰动区域时,预处理对火焰的影响较弱.图13(b)为FRT随着脉冲数的变化情况,可以看出燃烧持续期随着脉冲数的增加有较大变化.在nPN =100之前,随着脉冲数增多,燃烧持续期接近线性的下降,随后燃烧持续期趋于稳定.表明脉冲数达到一定数目后,放电产生活性粒子的速率和加热速率与活性粒子衰减速率和热损失速率达到平衡[23],因此更多脉冲并不能进一步增强混合气中活性粒子浓度和热扰动强度.

图13

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图13   不同脉冲数对燃烧特征参数的影响(tTI =1 ms, tPI =80 μs)

Fig.13   Impact of different pulse numbers on combustion characteristic parameters (tTI =1 ms,tPI=80 μs)


图14为nPN =200, tPI =80 μs时放电结束后不同时刻的纹影图像.由图可见,放电形成的扰动随着时间缓慢向左扩散并减弱,25 ms时扰动几乎完全消失.图15为不同点火间隔下火焰传播的纹影图像.对比5 ms时刻的火核大小可见,随着tTI 增大,火核略微增大,这是因为活性粒子和热扰动向左扩散,增加了初期火核周围的化学活性;另外,当活性粒子和热扰动扩散至中心电极附近后也会促进点火过程.对比9 ms时刻纹影图像可见,随着tTI 增大,火焰皱褶程度开始变弱,tTI =25 ms时火焰皱褶几乎消失.火焰皱褶变弱主要有两个方面的原因:一是活性粒子的衰减和热传递损失降低混合气整体化学活性;根据文献[35]中的实验结果,非平衡等离子体产物对燃烧的影响在几十毫秒左右;二是随着活性粒子和热扰动的扩散活性分层程度降低,活性粒子和热扰动的扩散虽然可以增加混合气化学活性的均匀程度,但是降低了单位体积内的化学活性程度,活性粒子和热扰动过于稀释,使得其对燃烧过程的影响不断减弱.从图15可以看出放电形成的热扰动弛豫时间在几十毫秒时间尺度,这与非平衡等离子体产物衰减的时间尺度[35]在同一数量级,两种作用在时间尺度上相互耦合.

图14

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图14   不同时间间隔下SDBD放电后的纹影图像(nPN =200,tPI =80 μs)

Fig.14   Schlieren images of SDBD discharge at different ignition intervals (nPN =200,tPI =80 μs)


图15

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图15   不同点火间隔下的火焰发展过程(nPN =200,tPI =80 μs)

Fig.15   Flame development at different ignition intervals (nPN =200,tPI =80 μs)


图16为不同点火间隔下混合气燃烧参数变化情况,图中上下限为数据误差带.由图可见,随着tTI 增加,火焰发展期先略微下降;燃烧持续期随着tTI 的增加不断增加.火焰发展期降低的主要原因是活性粒子和热扰动扩散到中心点火电极附近,增加了火焰初期的化学活性.燃烧持续期随着tTI 的增大而增加,主要是因为活性粒子和热扰动消散和活性分层程度降低所致.

图16

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图16   不同点火间隔对燃烧特征参数的影响(nPN =200,tPI =80 μs)

Fig.16   Impact of different ignition intervals on combustion characteristic parameters (nPN =200,tPI =80 μs)


综上,调整放电脉冲数可以调节放电产生的活性粒子浓度和热扰动强度,同时调节活性区域的分层程度,而调整点火间隔可以调节活性区域的扩散程度和活性粒子浓度与热扰动强度的衰减程度.点火间隔的实验结果表明,在本文实验条件下放电处理混合气的时效性可以达到25 ms.以1 000 r/min的发动机为例,25 ms相应的曲柄转角约150 °CA(1°CA 为曲轴转动360°中的1°), 可以实现在缸内压力较低的阶段采用纳秒脉冲SDBD放电对缸内工质进行处理.研究结果可以为改善低温下混合气燃烧速度和提高燃烧等容度提供实验数据参考,对稀燃和残余废气系数较大时的燃烧促进效果有待进一步研究.

3 结论

提出在内燃机缸内压力较低时利用非平衡等离子体对缸内工质进行预处理改善燃烧,并在p0=0.1 MPa,T0=303 K,ϕ=1的丙烷-空气混合气中,通过实验对纳秒SDBD放电特性、非平衡等离子预处理的有效性和放电参数对燃烧过程的影响进行研究,研究结果如下:

(1) 纳秒SDBD放电可以产生大面积的放电,平均放电功率约30 kW,单脉冲能量约5.2 mJ.纳秒SDBD放电可以使单通道放电能量降低,抑制缸内工质预处理时出现误点火的可能性.

(2) 纳秒SDBD放电对丙烷-空气混合气预处理后,火焰在传播过程中出现强烈的皱褶,对燃烧的促进作用明显.tTI =1 ms,tPI =80 μs,nPN =80时,可以使预处理混合气的燃烧持续期比无预处理时缩短1.33 ms,缩短了16%.

(3) tPI =80 μs时,存在一个最佳放电脉冲数使燃烧持续期最小.不同点火间隔下,燃烧持续期随着tTI 的增大而增加.

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