瞬态等离子体产生的自由基在氢燃烧中的作用：光谱学与理论分析

《Fuel》：Role of Transient-Plasma Generated Free Radicals in Hydrogen Combustion: Spectroscopic and Theoretical Insights

氢燃料瞬态等离子体点火机制研究 氢氧混合燃料通过瞬态等离子体点火（TPI）较传统火花点火（CSI）加速四倍点火速度，并生成H·自由基，结合电动力学效应缩短诱导期，促进OH·形成加速氧化反应。实验结合光谱诊断和化学动力学模型验证了非等温条件下的燃烧效率提升。

　　

Curtis Hauck | Mariano Rubio | Fatemeh Afshar Ghahremani | Caleb Medchill | Fokion Egolfopoulos | Stephen B. Cronin

美国明尼苏达大学电气工程系

摘要

瞬态等离子体点火技术被认为能够改善各种燃料的燃烧性能。在本研究中，我们比较了通过瞬态等离子体点火和传统火花点火方式点燃的含H₂和O₂混合物的无碳燃料的燃烧机制。瞬态等离子体点火是通过频率为1 kHz、幅度为20 kV的五个20 ns脉冲产生的。与传统火花点火（CSI）相比，瞬态等离子体点火在贫燃当量比（? = 0.4）下的点火速度快了四倍。光学诊断证实了瞬态等离子体点火过程中存在H_α的发射，这直接证明了纳秒级等离子体放电产生了原子氢自由基。这些自由基与静电流动效应共同作用，减少了点火延迟，并加速了火焰传播，其效果超出了单纯由火焰皱褶引起的增强作用。利用Cantera软件和一维拉格朗日模拟进行的补充动力学分析表明，等离子体产生的H·自由基绕过了高温点火路径，从而缩短了诱导时间并促进了OH·的自由基形成，无论是在绝热条件下还是非绝热条件下都能加速H₂的氧化和水生成。这些发现共同表明，瞬态等离子体点火通过将自由基驱动的动力学与流体动力学效应相结合，提升了氢燃料的燃烧性能，为提高无碳推进系统的点火可靠性和效率提供了一种有前景的策略。

引言

近年来，人们对使用氢作为燃料替代品的兴趣日益增加。[1],[2] 然而，氢的一个缺点是它是最轻的气体，导致单位体积的能量密度较低，并且在地表上无法自然获取。[3],[4] 但氢作为一种燃料具有许多优点，包括单位质量的高能量密度（120 MJ·kg^?1）以及与O₂燃烧时会产生H₂O。[5] 氢还被认为是良好的燃料，因为它可以在极贫燃条件下燃烧，具有较高的火焰速度和较低的点火能量。[6] 氢作为燃料面临两个主要挑战：难以液化从而运输，以及其高火焰温度会导致通过Zeldovich机制产生大量的NO_x。最近，Zhang等人展示了一种利用瞬态等离子体增强点火技术来改善内燃机中超贫燃H₂混合物燃烧的方法，显著减少了NOx排放。[7] 然而，这种增强的化学和物理机制尚未得到充分理解。

尽管由于等离子体与火焰动力学之间的复杂关系，这些增强机制通常理解得不够透彻，但过去已经取得了一些成功。平面间介质阻挡纳米脉冲放电技术显示出核发展的增强效果。[8],[9] 另一项研究发现，纳米秒等离子体辅助燃烧可以加速CH₄在低温条件下的氧化。[10] 一项关于短微波脉冲的研究能够在CH₄燃烧的贫燃当量比（? = 0.3）条件下将火焰速度提高25%并维持燃烧。[11] Nagajara等人发现，在贫燃条件下，等离子体化学效应对燃烧的增强效果更为显著。[12]

纳米秒瞬态等离子体是通过高压纳米脉冲系统产生的，与传统的射频等离子体源相比，其能耗显著较低。[13] 由于其短暂的非平衡特性，这种放电形成了冷等离子体——电子能量约为5 eV（相当于约10⁴ K），而气体和分子的振动温度仍接近室温。这些高能电子通过形成在热平衡条件下无法产生的瞬态中间物种，促进了独特的反应路径。纳米秒瞬态等离子体系统在诸如一氧化氮（NO）处理等应用中展现了广泛的应用潜力，这一领域已经使用基于等离子体的技术进行了数十年的研究。[14],[15],[16],[17],[18],[19],[20],[21],[22]

等离子体辅助燃烧因其能够扩展可燃性极限、提高效率和可靠性以及点燃替代燃料而受到广泛关注。[23],[24] 虽然本文的目的不是重现与发动机相关的燃烧条件，但它采用了一种更为规范的方法，通过研究最早燃烧时间尺度内形成的自由基来隔离和检验瞬态等离子体的效应。本文利用了原位光谱学、压力-时间迹线、零维化学动力学建模和一维拉格朗日模拟来探究瞬态等离子体增强燃烧的机制。

实验方法

实验在一个由316不锈钢制成的圆柱形室内进行，该室内具有轴向光学通道，用于阴影图系统，如图1所示。室体的直径为27厘米，长度为22厘米，能够承受高达90大气压的压力。两端各装有一个直径15.2厘米、厚度7.6厘米的熔融石英窗口。室体的侧面中央还有一个窗口，用于

计算方法

实验结果通过Cantera软件包进行了动力学建模，并结合了使用拉格朗日瞬态一维反应流代码（LTORC）的稳定封闭膨胀火焰建模。[36],[37],[38] 这种一阶建模方法使我们能够基于光谱学识别的中间物种进行敏感性分析，确定在等离子体放电条件下哪些化学路径主导了H₂的燃烧动力学（即燃烧速率如何增加）

结果与讨论

图2显示了在? = 0.4、初始压力（P_i）= 3大气压和初始温度（T_i）= 298 K的条件下，H₂与O₂和He混合物燃烧的实验结果。图2(a)展示了TPI和CSI两种点火方式下的压力随时间的变化曲线。为了比较火焰传播速度并确定压力上升速率，使用了比P_i高10%的压力作为标记。在该压力下，TPI点燃的混合物的燃烧速度比CSI点燃的混合物快了200%以上。图2(b)显示了

结论

本研究表明，与传统的火花点火（CSI）相比，瞬态等离子体点火（TPI）通过降低贫燃混合物的点火阈值和加速火焰传播显著增强了氢的燃烧性能。恒容燃烧实验显示，当应用瞬态等离子体点火时，压力上升的初始时间减少了两倍以上，压力上升速率（dP/dt）提高了四倍以上。这些增强效果在

CRediT作者贡献声明

Curtis Hauck：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论、研究、数据分析、数据管理。Mariano Rubio：初稿撰写、验证、软件开发、方法论、研究、数据分析。Fatemeh Afshar Ghahremani：初稿撰写、软件开发、数据分析。Caleb Medchill：初稿撰写、概念构思。Fokion Egolfopoulos：监督工作、资源调配、概念构思。Stephen B. Cronin：撰写 –

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了陆军研究办公室（ARO）奖项编号W911NF2210284（C.H.）、空军赞助研究办公室（AFOSR）奖项编号FA9550-24-1-0050（C.M.）、国家科学基金会（NSF）奖项编号CBET-252974（F.A.G.）以及南加州大学Ershaghi能源转型中心（E-CET）（M.R.）的支持。