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《中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)》 2011年
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非平衡等离子体增强燃烧的光谱诊断研究

汤洁  
【摘要】:全球迅速增长的能源需求极易诱发能源危机,同时伴随能源消费总量的增长,环保问题日益突出。在汽车工业领域,燃油的不完全燃烧造成了大量的能源浪费和严重的大气污染,这无疑给节能环保型社会的建设带来了巨大的压力。目前市场上用来提高汽车发动机燃烧效率的几种产品,比如磁性材料节油器、远红外线材料节油器等,由于技术本身不完善的原因,存在各种条件限制,在实际使用中节油的效果并不明显,没有从根本上起到节能减排的作用。 鉴于此,我们提出了可用于增强引擎燃烧效率的非平衡等离子体技术。非平衡等离子体凭借其组份的高度活性可以改善有机燃料的燃烧状况,提高燃烧效率并降低废气排放。因而,此技术有望促进节能环保型社会的建设。 非平衡等离子体增强引擎燃烧技术是在现有燃料喷嘴处安装一个电极设备(等离子体发生器),在雾化的燃料进入气缸燃烧之前,对其进行高压放电,形成非平衡等离子体。该作用使得燃料中的有机大分子裂解成易燃的小分子,也可以产生具有高度活性的自由基和化学物质,这些物质能够通过强的氧化本领或维持链反应的能力来促进燃烧。在探索非平衡等离子体增强引擎燃烧技术的过程中,我们在实验室里采用发射光谱分析的方法开展了介质阻挡放电非平衡等离子体增强有机燃料(丙烷和柴油)燃烧的实验研究。 首先,介绍了等离子体的基本特性,并通过理论分析给出了介质阻挡放电等离子体发生器合适的结构设计方案,在此基础之上研制出不同结构的等离子体发生器。 其次,在大气中开展了介质阻挡放电非平衡等离子体的实验研究,实验发现了在特定的实验环境下放电电流或放电功率随着电压增加而减少的异常现象,阐释了放电电流或放电功率随着电压增加而减少的原因,给出了微放电通道和通道中传输电荷随着电压的变化规律,最后通过理论分析计算得到了微放电通道中电荷损失系数。 再次,采用相同结构的等离子体发生器和不同的活化方式,在大气中开展了非平衡等离子体增强丙烷燃烧的实验研究。实验发现在两种活化方式下非平衡等离子体能够提升火焰的燃烧温度或亮度,并在贫燃状况下维持燃料稳定燃烧,放电功率局限在一个较小的范围内;阐释了维持燃料稳定燃烧实验操作窗口狭小的原因。结合发射光谱分析的方法,研究了两种活化方式下燃烧火焰中主要成份的变化特征,以及等离子体放电空间和燃烧区间可能的物理化学反应机理。两种活化方式下的火焰极限速度测试表明非平衡等离子体可以在一定程度上增加火焰熄灭时刻的空气流速。并进一步发现在低丙烷流速区域,较大空燃比的情况下,活化空气所产生的活性物种对增强燃烧的贡献要大于活化丙烷所产生的自由基和小分子组份。 再次,采用不同结构的等离子体发生器和不同的活化方式,在大气中开展了非平衡等离子体增强丙烷燃烧的实验研究。实验结果表明非平衡等离子体的作用可以增加火焰主要燃烧区域的温度,活化丙烷时温升30℃,而活化空气时温升50℃。并相继通过光谱分析法探讨了两种活化方式下非平衡等离子体增强丙烷燃烧的物理化学反应机理。对比两种活化方式得出在实验富燃的燃烧状况下空气放电产生的活性物种对燃烧增强效应所起的作用比丙烷放电产生的小分子燃料和活性自由基等物质所起的作用要明显。 最后,自行设计出增强汽油或柴油燃烧的等离子体发生器,并在大气中开展了非平衡等离子体增强柴油燃烧的实验研究。实验现象显示在非平衡等离子体的作用下燃烧火焰的物理特征发生了极大的变化;实验数据表明非平衡等离子体能够使得柴油中更多的碳被氧化成一氧化碳和二氧化碳,同时降低了HC颗粒和氮氧化物的排放量。 通过理论分析和实验研究验证了非平衡等离子体增强有机化石燃料燃烧的可行性,并为后续的非平衡等离子体增强引擎的应用研究奠下坚实的理论基础和技术方案。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TQ038.1

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【引证文献】
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