直流电弧等离子体点火器化学效应研究

基金项 目： 国家 自然科学基金项 目（ ５ ０ ７ ７ ６ １ Ｏ ０ ， ５ １ １ ０ ６ １ ７ ９ ） 资助 作者简介 ： 赵兵兵 ， １ ９ ８ ４ 年生 ， 空军工程大学航 空航天 工程学 院博士研究生 ｅ － ｍａ ｉ ｌ ： ｚ ｈ ａ ｏ ｂ ｉ ｎ ｇ １ ８ ６ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ
点 火 的动 力 学 机 理 ，结 果 表 明 １ ０ ￣３ ０ ｍＪ・ ｃ ｍ 的 放 电 可 大
器 的弧电流 由 Ｔ Ｃ Ｐ ０ ０ ３ ０电流探针测量 。
光谱测量采用 Ａｖ ａ ｎ ｔ ｅ ｓ 公 司的四通道 Ｃ Ｃ Ｄ光谱仪 ，内部 有 四个 光栅 ， 将 １ ８ ０ ～１ １ ２ ０ ｎ ｔ ｎ的输 出分 在 四个 波 长范 围
的研究 表明 ， 等离 子体点火 器可以产 生大量活性粒子 。Ｔ ａ ｋ ｉ —
１ 实验部分
实验系统如 图 １ 所 示 ，由等离子 体点 火器 、驱 动 电源 、
ｔ ａ ＿ ２ ］ 等研究表 明等 离子体射 流中的活性粒 子可 以极 大改善 点
火特性 ， 缩短点火延迟 时间 ， 扩大点火极限 。Ｌ ｉ ｕ ［ ］ 等进行 了 甲烷 、丙烷与空气混合物等离子 体点火 实验 ，结果 表明等离
文献标识 码 ： Ａ Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ — １ １ ７ １ — ０ ４ 主要原因为氧原子和氢原子引起 的一系列链 式反应加速 。王
中图分类号 ： ０５ ３ ６
引 言
等离子体射流 的化学效应是指等离 子体 点火 器放电使工
作介质电离产 生 大量 活性 粒 子 （ 如 激发 态粒 子 、带 电粒 子、 活性 基等） ， 增加活 化 中心附 近的活 性粒 子浓 度 ，提 高化 学
反应 速率 ， 减小点火延迟时 问， 加速点 火过程 。 Ｊ ａ ｃ ｏ ｂ ｓ ｅ ｎ Ｅ １ ］ 等
（ １ ８ ０ ～５ ４ ０ ， ３ ８ ０ ～７ ０ ０ ， ６ ６ ０ ￣９ ４ ０和 ８ ８ ０ ～１ １ ２ ０ ｎ ｍ） 内， 分 别
对应 四根光纤传输 的光信 号 ，接收装 置是 四个 面状 的 Ｃ Ｃ Ｄ，
大缩短点火延迟时 间。Ｋｏ ｓ ａ ｒ ｅ ｖ ［ 。 等 研究表 明 ，氧原子 对点
供 气系统 、 测 量设 备、数 据采集 系统等组 成Ｌ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ］ 。等离 子体点
火 器工作介质为氩气 ， 流 量变化 范 围 ０ ～４ ０ ０ Ｌ・ ｈ 一 。点 火
子体点火 的延 迟时间 、 峰值压力和上 升时间与常规 点火相 比 要小得多 。Ｂ ａ ｏ ［ ４ ］ 等进行 了非平衡 态等 离子体 点火 与燃 烧试 验 ，结果表明 ０，Ｈ和 ＯＨ 在等离子体化 学燃 料氧 化反应 中 起关键作用 。 Ａｌ ｅ ｋ ｓ ａ ｎ ｄ ｒ ｏ ｖ ［ ５ ］ 等研 究了纳秒脉冲放 电等离子体
等离子体是 由带 电的正粒子 、负粒子 、自由基 以及 各种 活性基 团组成 的集合体 ， 被称为物质 的第 四态 。随着 等离子 体技术 的发展 ，在诸多领域表现 出性 能和技 术上 的优势 。等 离子体点火技术就是基 于等离 子体 的高温 、高速射流所 固有
的特性发展起来 的。
峰等实验研究 了直流等离子体点火器 的点火 特性 ， 分 析 了氩 等 离子体的光谱特征 。 研究等 离子体点 火的化学 效应 ，可进
同时接 收四个光栅 的信号 ，即同时采集测 量范围 内的所有 谱
火延迟时 间影响显著 ， 非平衡等离子体缩短点 火延迟 时间的
收稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — ０ ９ — ２ ３ ．修订 日期 ： ２ ０ １ ２ 一 Ｉ Ｉ 一 ２ ３
线强度 。 等离子体射流喷入环境空气 中与其 相互作用产生 的
摘
要
为研究直流 电弧等 离子体点火器的化学效 应 ，测量 了点火 器喷 出的等离 子体射 流的发射 光谱 ，分
析得到等离子体射流与 常压环境 空气 相互作用产生的粒子 种类 ，通过烟气 分析仪 定量测 量 了距离 点火器 出 口８ ｃ ｍ处 的 Ｎ Ｏ和 Ｃ Ｏ含 量 ， 并研究 了点火器弧 电流 、 工作介质流量对 ＮＯ和 Ｃ Ｏ体积分数 的影 响。实验结 果表明 ：等离子体点火 器喷 出的等离子 体射流 与环境空气 相互作用 可产生 活性 粒子 Ｈ，０和 Ｎ，带 电粒 子 ０ ｚ ＋， Ｎｚ ＋和激发态粒子 Ｎ２ （ Ａ３ ） ， Ｎ ２ （ Ｂ ３ ） ， Ｎ２ （ Ｃ ３ ） 和０ ２ （ ｂ １ ） 等； 增 大弧电流、工作介 质流量 ， 等离子体射 流头部附近 Ｎ０和 Ｃ Ｏ体积 分数 增大 。 关键 词 直流 电弧 ； 等离子体射 流 ； 化学效应 ； 发射光谱 ；活性粒子
一
步揭示 等离子体点火的机理 ，为等离 子点火器 的实 际应用
提供理论基 础和技术储备 。 本 工作 采用 光谱仪测量等离子体点火器喷出的氩等离子 体射流 的发 射光 谱 ， 分析得到等离子体射 流与环境空气相 互 作用产生 的活性粒子 种类 ， 通过烟气分 析仪定量测 量 ＮＯ和 Ｃ Ｏ的含量 ， 研究 了点火 器工 作介 质氩气流量 、 弧 电流对 ＮＯ 和Ｃ Ｏ体积分数 的影响 。
第３ ３ 卷 ， 第５ 期
２ ０ １ ３年 ５月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ｖｏ １ ． ３ ３ ， Ｎｏ ． ５ ， ｐ ｐ ｌ １ ７ １ — １ １ ７ ４ Ｍａ ｙ，２ ０１ ３
直流 电弧 等 离 子体 点 火 器化 学 效 应研 究
赵兵兵 ， 何立明 ，沈 英。 ，白晓峰。 ，于锦禄
１ ．空军工程大学航空航天工程学院 ， 陕西 西安 ２ ．空军航空大学训练部 ， 吉林 长春 ３ ．９ ３ ２ ５ ６部队 ， 辽 宁 沈阳 １ １ ０ ０ ４ ３ １ ３ ０ ０ ２ ２ ７ １ ０ ０ ３ ８