CN101701558B - 一种提高内燃机燃烧效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新的提高燃料燃烧效率的方法，基于非平衡等离子体技术，设计并应用了一种低功率非平衡等离子体发生器，体积小巧，可广泛应用于汽车、飞机等燃油动力设备，真正实现了燃油设备的燃烧效率的提高和降低尾气排放。应用本发明提供的非平衡等离子体发生器进行可控的介质阻挡放电以活化燃料或助燃气，从根本上改善了燃油的燃烧状况，使燃料充分、高效燃烧，同时达到节能减排的效果。

Description

一种提高内燃机燃烧效率的方法

技术领域

本发明涉及一种提高内燃机燃烧效率的方法，具体应用于燃油设备的燃烧效率的提高和降低尾气排放。

背景技术

目前市场上用来提高发动机燃烧效率的方法主要是通过分别加装节油装置来实现的。节油装置大致有以下几种产品：磁性材料节油器、远红外线材料节油器、石英斑岩陶瓷技术节油装置、稀土类矿石技术节油装置、  固定式叶片涡轮节油装置、可旋转式涡轮节油装置、以及燃油添加剂等。这些产品在使用当中，由于技术本身的原因，或多或少都存在着一些问题或不足。比如磁性材料节油器，由于产品具有很强的磁场，所以在使用一段时间后，燃料中的铁杂质会吸附在燃料管的内管壁上，从而导致油路堵塞；远红外线材料节油器是对燃料进预热，产品一般包裹在燃料管外侧，要有一定长度才行，这样就给产品的安装带来了很多不便，另外，易受外界温度的影响，节油效果不稳定；石英斑岩陶瓷技术节油装置需要在外力作用下才能工作；稀土类矿石节油装置使用在工作环境较为恶劣的汽车发动机附近或燃油机械上时，会影响产品功效的良好发挥；上述两种涡轮装置主要是改变发动机的进气量，对于电喷车来讲，电脑若检测出进气量的加大，就会同时给出多喷油的信号，车的动力是提高了，但油耗也会跟着上升；添加剂的品种繁多，作用原理各不相同，单从提高燃烧效率或节油的角度来讲，效果一般不会很好，能够节油3％已属不易，另一方面，有些助燃剂虽然有效，但对发动机本身有损害。

上述产品，因各种条件的限制，在实际使用中节省燃油和减少尾气排放的效果并不明显，没有从根本上起到节能减排的作用。除此以外，著名的麻省理工学院(MIT)和洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Labora-tory)曾多次尝试采用等离子体技术提高引擎燃烧效率，但其研制的设备装置体积大，功率高，耗能多，也存在着各种局限性，尚不能在汽车工业等领域节能减排方面发挥实际效益。

在已经公布的专利200810041928《低温等离子体预氧辅助NH*-SCR净化柴油机NO_X的系统》中针对尾气直接处理提出的发明装置，其尺寸体积太大，倘若用于提高内燃机燃烧效率，将会占据机动车辆过多的额外空间，对原有发动机系统需作较大的改动而造成不便。其次，专利200810041928所述装置需要较大功率(1KVA)的电源来维持工作，因而当用于提高内燃机燃烧效率时，不仅要提供额外的电源设备，而且会消耗过多的燃料。因此，专利200810041928所述装置无法应用到现有电喷发动机系统而改善燃油燃烧状况以提高燃烧效率。

发明内容

本发明提供一种新的提高内燃机燃烧效率的方法，基于非平衡等离子体技术，设计了一种低功率非平衡等离子体设备装置，从根本上实现了燃油设备的燃烧效率的提高和降低尾气排放。

本发明也首次提出了将多个微型等离子体源集成化应用，并采用高效低耗的放电装置。将微型等离子体发生器集成化应用，不仅可以缩小装置体积，而且能够将工作物质(雾化燃料或助燃气)合理分配到每个微型等离子体发生器单元，使得放电能量得到充分利用。特别是对于单个微型等离子体发生器单元，本发明改变“专利200810041928”中原有的直流进气模式，而采用放电区间旋转射流进气的方式，增加雾化燃料或助燃气在放电空间的行程，以及与高能电子相互作用的机会而增强活化效果。也充分地利用旋转射流进气方式的优越性而缩小设备体积，使之能方便的应用于提高内燃机燃烧效率上面。再次，我们所研制的设备，维持其工作的能量仅为几瓦特到十几瓦特，此能量的供应并不需要消耗额外的燃料，而是来自于汽车制动刹车时回收的废能量。

其技术方案具体如下：

本发明的核心思想是：在燃料和助燃气混合前对燃料、助燃气中的至少一种进行介质阻挡放电式非平衡等离子体处理。

本发明具体可分为活化燃料、活化助燃气、既活化燃料又活化助燃气三种方式来提高燃烧效率。

若选择活化燃料的方式，主要包括以下步骤：

(1)燃料经雾化处理后得到雾化燃料，雾化燃料经油路至步骤(2)；

(2)对雾化燃料进行介质阻挡放电式非平衡等离子体处理得到活性雾化燃料；

(2.1)对雾化燃料流量进行检测，得到雾化燃料流量信号；

(2.2)根据得到的雾化燃料流量信号对放电进行控制；

(2.3)非平衡等离子体活化处理；

(3)将活性雾化燃料与经气路送入的助燃气混合后送入燃烧引擎燃烧。

若选择活化助燃气的方式，主要包括以下步骤：

(1)对经气路输送的助燃气进行介质阻挡放电式非平衡等离子体处理，得到活性助燃气；

(1.1)对助燃气流量进行检测，得到助燃气流量信号；

(1.2)根据得到的助燃气流量信号对放电进行控制；

(1.3)非平衡等离子体活化处理；

(2)将经油路输送的燃料与活性助燃气混合后送入燃烧引擎燃烧。

若选择既活化燃料又活化助燃气的方式，主要包括以下步骤：

(1)燃料经雾化处理后得到雾化燃料；

(2)对经油路输送的雾化燃料进行介质阻挡放电式非平衡等离子体处理得到活性雾化燃料，对经气路输送的助燃气进行介质阻挡放电式非平衡等离子体处理得到活性助燃气；

(2.1)对雾化燃料和助燃气进行流量检测，得到雾化燃料流量信号和助燃气流量信号；

(2.2)根据得到的雾化燃料流量信号和助燃气流量信号对放电进行控制；

(2.3)非平衡等离子体活化处理；

(3)将活性雾化燃料与活性助燃气混合后送入燃烧引擎燃烧。

以上三种活化方式，燃料、雾化燃料和活性燃料均经由油路输送，助燃气和活性助燃气均经由气路输送。

上述介质阻挡放电式非平衡等离子体处理是应用等离子体发生器完成的；所述等离子体发生器包括至少一个微型等离子体发生器单元；微型等离子体发生器单元主体结构为管管式，包括外电极、管状内电极、管状放电介质，其中管状内电极设置于管状放电介质的内腔且轴向中心重合，外电极包覆于管状放电介质外层。管状内电极和外电极均由金属材料制成，其中管状内电极主要选择不锈钢、铜、铝箔或铂金制成的金属管，且其外表面为多圈凸台状或螺纹状；外电极为包覆于管状放电介质外层的不锈钢网或缠绕在管状放电介质外层的不锈钢细丝；管状放电介质由绝缘材料制成，一般由刚玉、陶瓷或云母制成。微型等离子体发生器单元一端为入口端，另一端为出口端。

应用所述微型等离子体发生器单元在非平衡等离子体活化处理时采用旋转射流的进气方式使待活化的物料(雾化燃料或者助燃气或者雾化燃料和助燃气的混合物)进入管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域。特别的，对于活化燃料的方式，优选考虑浮动定心多孔板斜孔引导旋转射流进气的方式，即在微型等离子体发生器单元入口端管状放电介质或者其横截面上开设多个斜孔(也称导流孔)作为进口通道，这些斜孔的孔轴线在管状放电介质径向平面上的投影是中心对称的，其导流方向从整体上看是呈逆时针或顺时针向内腔旋转的。雾化的燃料或助燃气经过斜孔之后，在斜孔的引导之下，就会改变原来的直流方向，并在介质层内壁和内电极外壁的作用下，整体呈旋转气体状，可进一步提高活化效果；对于活化助燃气以及既活化燃料又活化助燃气的方式，优选考虑侧向旋转射流进气的方式，直接进入环形放电区域。在进行电子技术控制的过程中，管状内电极接地电连接，外电极与高压直流、交流或脉冲电源电连接，放电电压幅值控制在0.2～50KV，交流和脉冲频率控制在10²～10⁵KHz。

上述等离子体发生器可以是由单一的微型等离子体发生器单元构成，其管状放电介质厚度为0.1～50mm，外半径为1～500mm，放电间隙为0.1～50mm，放电区间有效长度为1～1000mm；一般采用较佳的范围是管状放电介质厚度为1～8mm，外半径为10～50mm，放电间隙为1～8mm，放电区间有效长度为80～200mm。

上述等离子体发生器更值得实践应用的结构是由多个微型等离子体发生器单元集合而成的等离子体阵列，每个微型等离子体发生器单元的管状放电介质厚度为0.1～50mm，管状放电介质外半径为1～500mm，放电间隙为0.1～50mm，放电区间有效长度为1～1000mm。一般采用较佳的范围是每个微型等离子体发生器单元的管状放电介质厚度为0.5～3mm，管状放电介质外半径为5～25mm，放电间隙为0.5～3mm，放电区间有效长度为10～80mm。此种结构的等离子体发生器，其等离子体阵列从等离子体阵列的横截面看，是相同微型等离子体发生器单元按正多边形或者圆形排列，或者是中心位置微型等离子体发生器单元直径大于外围微型等离子体发生器单元直径的多个微型等离子体发生器单元按圆形排列。

需要说明的是，“放电介质厚度为0.5～3mm，放电间隙为0.5～3mm”是折衷考虑的数据，既要保持工作物质在等离子体发生器内的畅通，又要使得等离子体发生器能够在较低电压和能耗下工作。“外半径为5～25mm，放电区间有效长度为10～80mm”主要是缘于结构尺寸大小的考虑，使其小巧。其中“外半径为5～25mm”也考虑到放电的均匀性。此尺寸和结构尤其是针对机动车辆中汽油或柴油发动机而设计的。

以上所述的两类等离子体发生器，其微型等离子体发生器单元具体可以有以下三种腔体结构来实现活化处理过程：

1、管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域是封闭的且管状内电极是密封的；

若采用活化燃料的方式，则将油路接入所述等离子体发生器，使雾化燃料流经管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域进行活化，活性雾化燃料与经气路输送的助燃气混合后送入引擎燃烧；

若采用活化助燃气的方式，则将气路接入所述等离子体发生器，使助燃气流经管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域进行活化，活性助燃气与经油路输送的燃料混合后送入引擎燃烧；

若采用既活化燃料又活化助燃气的方式，则有两种方案：

方案一是将油路和气路均接入所述等离子体发生器，使雾化燃料和助燃气皆流过管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域，两者同时被活化，然后二者混合后送入引擎燃烧；

方案二是所述等离子体发生器有两个，等离子体发生器一设置于燃料喷嘴与燃烧引擎之间，等离子体发生器二设置于进气歧管与燃烧引擎之间；将油路接入等离子体发生器一，使雾化燃料流经管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域进行活化；将气路接入所述等离子体发生器二，使助燃气流经管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域进行活化，活性雾化燃料与活性助燃气混合后送入引擎燃烧。

此种腔体结构，若采用活化燃料的方式，所述等离子体发生器设置于燃料喷嘴与燃烧引擎之间；若采用活化助燃气的方式，所述等离子体发生器设置于进气歧管与燃烧引擎之间；若采用既活化燃料又活化助燃气的方式的方案一，则所述等离子体发生器设置于燃料喷嘴后、且进气歧管与燃烧引擎之间。

2、管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域是封闭的且管状内电极设置有内部通路；

若采用活化燃料的方式，则将油路和气路均接入所述等离子体发生器，使雾化燃料流经管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域，助燃气经由管状内电极的内部通路流出，然后两者混合后送入引擎燃烧；

若采用活化助燃气的方式，则将油路和气路均接入所述等离子体发生器，使助燃气流经管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域，燃料经由管状内电极的内部通路流出，然后两者混合后一起送入引擎燃烧。

此种腔体结构的等离子体发生器总是设置于燃料喷嘴后，且进气歧管与燃烧引擎之间。

3、特别的，对于由单一的微型等离子体发生器单元构成的等离子体发生器，还可以有这样的腔体结构：管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域是封闭的；前述微型等离子体发生器单元出口端由墙板密封固定，在靠近墙板一端的管状放电介质上设置有出口管道，该出口管道一端与管状放电介质连接，一端与混合室连接，在该混合室上还设置有用于进料的支管；

若采用活化燃料的方式，则将油路接入等离子体发生器，使雾化燃料流经管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域进行活化，助燃气经由上述支管进入混合室与活性雾化燃料混合均匀后送入引擎燃烧；所述混合室的容积为上述环形放电区域的0.5～5倍；

若采用活化助燃气的方式，则将气路接入等离子体发生器，使助燃气流经管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域进行活化，燃料经由上述支管进入混合室与活性助燃气混合均匀后送入引擎燃烧；所述混合室的容积为上述环形放电区域的0.5～5倍。

此种腔体结构的等离子体发生器总是设置于燃料喷嘴后，且进气歧管与燃烧引擎之间。

关于微型等离子体发生器单元的选材，需要说明的是，管状内电极选用不锈钢、铜、铝箔或铂金材料，是由于此类材料除了耐腐蚀性外，其对放电空间发生的物理化学反应影响不大，也就是说对等离子体发生器的工作效率和内燃机的燃烧效率没有太大的影响。内电极表面为多圈凸台状或螺纹状，该种结构的低压电极产生的等离子体均匀、稳定和散漫，螺旋状内电极还有助于保持工作物质的畅通，避免放电区域尘垢堵塞。

值得注意的是，采用活化燃料的方式时，需要在前一步将燃料雾化，为节约成本，本发明仅借助燃料喷嘴对燃料形成雾化作用；而采用活化助燃气的方式时，由于助燃气本身即为气态，因而不需要对其雾化，也可以不必考虑额外对燃料进行雾化，因为燃料在与活化后的助燃气混合时，就可以被雾化。

上述技术方案的确定，主要在于选择气体放电法中的介质阻挡放电方式产生非平衡等离子体；并据此设计出反应器的多种结构、外加电压的形式(包括交流电压，直流电压或脉冲电压等等)及大小、外加交流或脉冲电压的频率、极性、注入反应器的能量、脉冲电压的脉冲宽度及上升速度、气体流量、燃料气体和助燃剂的混合比等。

气体放电法是最常用的非平衡等离子体产生方法，在等离子体化学和物理领域得到了广泛的应用，也最适合用于提高引擎燃烧效率和处理尾气中NO_X。气体放电等离子体包括辉光放电、电晕放电、射频放电、微波放电和介质阻挡放电。

其中，介质阻挡放电是一个有绝缘介质插入放电空间进行非平衡放电的过程。介质阻挡放电装置至少在一个电极上覆盖有绝缘介质，绝缘介质可以避免产生火花放电或电弧放电。

比较几种放电方式的特点，可以得出如下结论：辉光放电获得的等离子体体积较小，在节能减排方面不理想；射频放电和微波放电，其放电过程需要较大体积的电源来维持，若将其应用于改善汽车引擎燃烧中，会占用过大的额外体积；电晕放电通常在常压下采用不均匀电场获得，放电容易产生，但放电区域小，难以获得大体积的等离子体，且功率密度低。

而介质阻挡放电相比于其它放电方式有如下优点：

(1)适于化学反应。从局部高能电场中获得能量而被加速的电子具有较高的能量，其能量范围正好适合于打开化学键，使基态物质激发或使分子成为原子、离子，从而引发各种等离子体化学反应。

(2)其放电过程易于控制。从微观上看，介质阻挡放电由许多个放电细丝组成，但它可以通过改变气压、放电电压、电极形状、温度、放电频率等宏观上易于控制的参数而得到调节，使它能满足我们的研究和实际应用的需要。

(3)介质阻挡放电的能量利用率高。当电极两端施加电压时，等离子体区中会形成许多微放电通道。由于通道密度大，输入的能量分布在许多条微放电通道中，而非集中在某一处，于是提高了能量利用率。

(4)其操作条件并不苛刻。介质阻挡放电可以在很宽的气压、电压及频率范围内使用，另外由于它可以在较大的区域内形成等离子体区，所以可以允许有较大的气体流量。

鉴于上述优势，本发明选择介质阻挡放电来获得非平衡等离子体。

另外，非平衡等离子的反应是非常复杂的，将其应用到发动机燃烧效率的提高和尾气排放控制上，能耗、燃烧效率和净化效率是我们所必须关心的。影响能耗、燃烧效率和净化效率的因素很多，归纳起来主要有以下几点：

1.反应器的结构(涉及到针板式、线管式、管管式等结构形式以及放电间隙的大小)；

2.外加电压的形式(包括交流电压，直流电压或脉冲电压等等)及大小；

3.外加交流或脉冲电压的频率、极性；

4.注入反应器的能量；

5.脉冲电压的脉冲宽度及上升速度；

6.气体流量；

7.燃料气体和助燃剂的混合比。

结合以上众多因素，对比了目前国内外研究人员所采用的各种等离子体反应器形式，在此基础上最终确定了上述具体技术方案。

实际上，本发明提供的设备虽然主要是针对汽车燃油设备设计的非平衡等离子体节油减排装置，但经过简单改装也可应用于其它燃油设备，比如飞机、轮船发动机和火箭发射系统等方面。

本发明应用增进引擎燃烧效率的非平衡等离子体技术，不仅可以避免上述节油装置所存在的问题，更重要的是能够从根本上改善燃油的燃烧状况，达到节能减排的效果。此技术主要是通过在油路、气路上安装至少一个电极设备(等离子体发生器)，在雾化的燃料或助燃气体进入气缸燃烧之前，对其进行高压放电，在其中形成非平衡等离子体。若将该设备安装在油路上，非平衡等离子体对雾化燃料实施活化，该作用使得燃料中的有机大分子裂解成小分子，小分子燃料可燃性更好，因而可以燃烧得更完全、更充分；该过程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。经等离子体发生器预处理后的活性燃料与空气混合后再送入引擎得到更有效的燃烧。若将该设备安装在气路上，非平衡等离子体对助燃气实施活化，此过程同样会产生像氧原子、氮原子、臭氧以及激发态氧和氮分子等，具有高度活性的物质，经等离子体发生器预处理后的助燃气体与雾化燃料混合后送入引擎燃烧室使燃料得到更有效的燃烧。上述两种采用非平衡等离子体技术的活化方式有望将燃油燃烧效率提高10％～15％，并在一定程度上减少污染废气排放量。

因此，本发明主要具有以下优点：

1.与传统节油方法不同的是，等离子体发生器产生的不仅是正、负离子，还有具备更高能量的电子，高能电子更容易把长链有机物化学健打断，发生一系列的裂解反应而生成小分子燃料、自由基和离子等活性物质。小分子燃料更易于燃烧，而自由基和离子能够有效地促进燃烧。因而，相比传统的节油装置来讲，本发明使得燃料燃烧得更加充分和彻底，也从根本上改善了尾气排放。

2.非平衡等离子体中存在着大量的、种类繁多的活性粒子，比通常的化学反应所产生的活性粒子种类要多、活性要强。当与被清洗物表面接触时，会产生物理刻蚀、化学分解等物理和化学过程，能够清除掉污染物。可见，非平衡等离子体本身具备清洁去污能力，因而不会像磁性材料制造的节油装置那样，因燃油中的铁微粒被强磁场吸住而慢慢堵塞油管；与燃料添加剂相比，除具备更有效的节能减排外，也不需要周期性地购买额外原料而增加经济负担，更不会对发动机本身造成损害。

3.等离子体发生器将微型等离子体源集成化使用，不仅可以缩小装置体积，而且能够将工作物质(雾化燃料或助燃气)合理分配到每个微型等离子体发生器单元，使得放电能量得到充分利用，避免了麻省理工学院(MIT)和洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los AlamosNational Laboratory)现有研制设备装置体积大，功率高，耗能高的缺点。与现有采用非平衡等离子体技术研制的节油设备，在结构上进行对比，体现了其简洁、易行等优越性。

4.等离子体发生器作为一个辅助装置安装在燃料喷嘴后(燃料喷嘴与燃烧引擎之间)，对原有的发动机系统不需要做任何更改，安装方便。并且体积尺寸不大，安装在汽车上不会占据过多的额外空间。

5.另外，维持放电的能量不高，仅在几瓦特到几十瓦特，此能量的供应并不需要消耗额外的燃料，而是来自于汽车制动刹车时回收的废能量。

6.由于非平衡等离子体的温度可控制在300～600K，不会因热损失而造成明显的能量浪费和严重的电极腐蚀。

附图说明

图1a、图1b为微型等离子体发生器单元主体结构及活化作用示意图；

图2为等离子体发生器第一种类型腔体结构及工作示意图；

图3a、图3b为等离子体发生器第二种类型腔体结构及工作示意图；

图4为等离子体发生器第三种类型腔体结构及工作示意图；

图5为等离子体发生器第四种类型腔体结构及工作示意图；

图6为等离子体发生器第五种类型腔体结构及工作示意图；

图7为图6的等离子体阵列的截面示意图；

图8为在入口端安装浮动定心多孔板的横截面示意图；

图9为侧向旋转射流进气方式示意图；

图10为应用本发明第二种类型腔体的等离子体发生器的操作流程图；

图11为应用本发明第一种类型腔体等离子体发生器活化燃料(丙烷)的燃烧试验结果示意图；

图12为应用本发明第一种类型腔体等离子体发生器活化空气(助燃气)的燃烧试验结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明详述。

如图1a、图1b所示，本发明提出的等离子体发生器(微型等离子体发生器单元)的主体结构为管管式，管管式结构能够确保气流畅通和获得较均匀的等离子体；其次，采用成本较低，对效率影响不大的金属材料(不锈钢、铜、铝箔或铂金等)作为放电的内外电极；再次，选用耐压高，抗腐蚀性强的绝缘材料(刚玉、陶瓷和云母等)作为管状放电介质。管状内电极3处于管状放电介质2的正中央，其外表面为多圈凸台式或螺纹式结构。外电极1(金属网或金属细丝)包覆在管状放电介质2的外表面。若采用活化燃料的方式，如图1a所示，让雾化燃料从管状内电极3与管状放电介质2之间的环形区域流过。当对管状内电极3与外电极之间施加一定的电压时，在管状放电介质2与管状内电极3之间的气隙空间发生介质阻挡放电，产生非平衡等离子体。高分子碳氢有机燃料在高能电子的作用下发生裂解反应生成简单小分子活性燃料，并经过一系列的反应生成自由基和离子。经等离子体发生器活化后的高分子有机雾化燃料成为了具有高度活性的易燃物质，其与空气混合后，再一起送入燃烧室点燃后充分燃烧。若采用活化助燃气(空气)的方式，如图1b所示，让空气从管状内电极3与管状放电介质2之间的环形区域流过。高压放电产生的非平衡等离子体形成了大量的高度活性物质，该物质与雾化燃料混合后，再一起送入燃烧室点燃后充分燃烧。

按照上述原理和非平衡等离子体发生器主体结构，设计出以下5种类型的腔体。其中前四种均为单个微型等离子体发生器构成的等离子体发生器。

第一种类型腔体充分利用了等离子体发生器的管管结构，其构造小巧紧凑，油路和气路均接入该等离子体发生器。如图2所示，油路上的雾化燃料和气路上的助燃气皆流经等离子体发生器。若采用活化燃料的方式，则使雾化燃料流经管状内电极3与管状放电介质2之间的环形放电区域，助燃气从管状内电极3中心孔流过，两者混合后再一起送入引擎燃烧；若采用活化助燃气的方式，则让助燃气(空气)流经管状内电极3与管状放电介质2之间的环形放电区域，雾化燃料从管状内电极3中心孔流过，在两者混合后一起送入引擎燃烧。管状内电极3为不锈钢管，外表面为多圈凸台式或螺纹式，外电极1为包覆在管状放电介质外层的不锈钢网或缠绕在管状放电介质外层的不锈钢丝，管状放电介质为刚玉管。管状放电介质厚度1～8mm，外半径10～50mm，放电间隙1～8mm，放电区间有效长度80～200mm。

第二种类型腔体结构如图3a、图3b所示，该种类型腔体的等离子体发生器安装灵活方便，既可安装在油路上，也可安装在气路上，还可以将油路和气路同时接入。如图3a所示，若安装在油路上，则对燃料进行活化，让雾化燃料流经管状内电极3与管状放电介质2之间的环形放电区域，经活化的燃料与气路上的助燃气混合后送入引擎燃烧；若安装在气路上，让空气流经管状内电极3与管状放电介质2之间的环形放电区域，经活化的空气与油路上的雾化燃料混合后送入引擎燃烧。若将油路和气路同时接入装置，如图3b所示，雾化燃料和助燃气皆流过管状内电极3与管状放电介质2之间的环形放电区域，两者将同时被活化，经预处理后的混合气体再送入引擎得到更充分的燃烧。其内外电极与介质阻挡层的材料和尺寸类同于第一种类型腔体的电极和介质。

第三种类型腔体结构如图4所示，该类型腔体的等离子体发生器适用于活化助燃气的工作模式。油路和气路均接入该装置，助燃气流经管状内电极3与管状放电介质2之间的环形放电区域，经活化后通过支管(出口通道)7流入混合区域5，雾化燃料由端口4进入混合区域5与活化后的空气混合，再经支管6一同送入引擎燃烧。其中，墙板8除起着密封气体、固定管状内电极和管状放电介质的作用以外，还可以使雾化燃料再次气溶胶化，溅射形成更小微粒组分，便于活化。内外电极与管状放电介质的材料和尺寸类同于第一种类型腔体的电极和介质。

第四种类型腔体结构如图5所示，该类型腔体的等离子体发生器采用了汽车发动机的进气方式(较大流量的空气将雾化燃油送入汽缸，空燃比一般为10～18)，适用于活化雾化燃料的工作模式。油路和气路均接入该装置，雾化燃料流经管状内电极3与管状放电介质2之间的环形放电区域，经活化后通过支管7流入混合区域5，空气由端口4进入混合区域5与活化后的雾化燃料混合，再经支管6一同送入引擎燃烧。墙板8同样起着密封气体与固定电极和管状放电介质的作用，并使雾化燃料再次气溶胶化。内外电极与介质阻挡层的材料和尺寸类同于第一种类型腔体的电极和介质。

第五种类型腔体结构如图6所示，该类型腔体的等离子体发生器是众多微型等离子体发生器单元9集合而成的等离子体阵列。等离子体阵列的使用将工作气体分配到每个微型等离子体发生器单元，能够更有效地对其进行活化。另外，微型等离子体发生器单元的放电间隙可以小到1mm左右，能够降低对放电电压的要求。此发明装置安装灵活方便，既可安装在油路上，也可安装在气路上。若安装在油路上，则对燃料进行活化，让雾化燃料流经每个单元的管状内电极3与管状放电介质2之间的环形放电区域，经活化的燃料与气路上的助燃气混合后送入引擎燃烧；若安装在气路上，让空气流经每个单元的管状内电极3与管状放电介质2之间的环形放电区域，经活化的空气与油路上的雾化燃料混合后送入引擎燃烧。每个单元内外电极与介质阻挡层的材料和结构类同于第二种类型腔体的电极和介质，但尺寸有所改变。管状放电介质厚度0.5～3mm，管状放电介质外半径5～25mm，放电间隙0.5～3mm，放电区间有效长度10～80mm。

图7为等离子体阵列的截面图，展示了具有代表性的三种等离子体阵列微型等离子体源的组合方式，微型等离子体发生器都按照对称的原则进行组装，这样有助于待活化物料(雾化燃料或助燃气或燃料与助燃气的混合气体)在每个微型等离子体源中均匀分配。图7中前两种等离子体阵列的组合单元均为相同结构尺寸的微型等离子体源，而第三种阵列的组合单元采用了相同结构不同尺寸的微型等离子体源，这样有助于充分利用集成空间。

以第二种腔体结构为例具体说明旋转射流的进气方式，如图8和图9所示。应用所述微型等离子体发生器单元在非平衡等离子体活化处理时采用旋转射流的进气方式使待活化的物料(雾化燃料或者助燃气或者雾化燃料和助燃气的混合物)进入管状内电极3与管状放电介质2之间的环形放电区域，具体分为侧向旋转射流进气、多孔板斜孔引导旋转射流进气等进气方式。特别的，对于活化燃料的方式，如图8，优选考虑浮动定心多孔板斜孔引导旋转射流进气的方式，即上述微型等离子体发生器单元入口端的管状放电介质2与管状内电极3之间设置有浮动定心多孔板10，所述浮动定心多孔板10上设置有多个斜孔11，这些斜孔11的孔轴线方向与浮动定心多孔板10法线方向呈10°～60°的夹角，且这些斜孔的孔轴线在管状放电介质径向平面上的投影是中心对称的。这样，当雾化的燃料经过斜孔11之后，在斜孔11的引导之下，就会改变原来的直流方向，并在管状放电介质层内壁和管状内电极外壁的作用下，整体呈旋转气体状，有助于提高活化效果。对于活化助燃气的方式，优选考虑侧向旋转射流进气的方式，如图9，旋转进气阀12设置于放电介质管入口端，助燃气或助燃气与燃料的混合气体经旋转进气阀进气端口流入，在放电环形区域形成涡流，整体呈旋转螺旋状，有助于提高活化效果。

考虑到该非平衡等离子体处理的通用性，在经过相应改装应用于其它领域时，也将会有其它的腔体类型适配。

针对机动车辆的汽油或柴油发动机，等离子体发生器在工作时，内电极3接地，外电极1加高压直流、交流或脉冲电源，其放电电压幅值0.2～50KV，交流和脉冲频率10²～10⁵KHz，功率维持在几瓦特至十几瓦特之间，无需消耗额外的燃料，而是来自于汽车制动刹车时回收的废能量或者少许燃油燃烧释放的能量，也可采用蓄电池供给的能量等。

以第二种类型腔体的等离子体发生器为例，并针对多点喷射式电喷发动机，采取活化燃油的方式，如图10所示，等离子体发生器安装在燃料喷嘴与燃烧引擎之间。燃油(汽油或柴油)在电动燃油泵的泵浦下流经燃油滤清器和供油总管，再通过歧管，经燃油喷嘴雾化后进入等离子体发生器。雾化的燃料在进入等离子体发生器之前为长链碳氢有机化合物，不利于其充分燃烧。采用电子控制技术，依据燃油喷嘴处工作物质(雾化燃料)流量的多少适当调节输入电压的大小，并根据喷油器喷油的时刻，控制施加电压的时间。当给等离子体发生器施加一定的电压后，在其放电区间燃料在高能电子的作用下裂解成简单的小分子活性燃料，和具有高度活泼性的自由基或离子。这些活性物种与空气混合后，进入引擎点燃后燃烧。小分子燃料燃烧得更加充分和稳定，自由基和离子对燃烧也起到了很大的辅助作用。因此，把燃料经本发明提供的等离子体发生器作用后送入引擎燃烧，较未经作用的情况下，可以在较大程度上提高燃烧效率，降低废弃排放量。

本发明在实际应用中，关键在于如下几方面：其一，正确合理布局众多微型等离子体发生器单元，保持雾化燃料的畅通和在每个等离子体发生器中的较均匀分配；其二，选用适当的电压形式，电压大小和电压频率，并根据雾化燃料的流量大小调节电压幅值或频率，经济性地注入等离子体能量，使其刚好完全被利用而不浪费；最后，燃料经等离子体发生器活化后，合理地掌控燃料和助燃气的混合比，维持燃料充分稳定的燃烧，将废气排放量降至到最低。

在对本发明的等离子体发生器做的一系列试验中(例如，观察丙烷在等离子体辅助情况下的燃烧状况)，证实了有机燃料(丙烷)在非平衡等离子体的辅助下相比无等离子体时，燃烧得更加充分和彻底。

具体试验如下：

通过改变等离子体发生器输入功率的大小，观察丙烷燃烧火焰特征的变化，可以发现等离子体发生器在一定程度上可以增强丙烷燃烧。实验分别采用活化丙烷和活化空气(即助燃气)两种方式，实验环境为标准大气压，温度0℃。空气和丙烷流速分别为4.21pm和0.081pm。实验中观察到的燃烧火焰变化如图11和图12所示。

在活化丙烷的方式下，如图11所示，等离子体发生器不同输入功率时的丙烷-空气混合气燃烧示意图，等离子体发生器相应的输入功率分别为：(A)0W  (B)20W  (C)10W  (D)4W(E)0W

图11(A)为等离子体源放电前的丙烷和空气混合流动气体燃烧火焰，其颜色为蓝色或浅蓝色。而丙烷充分燃烧时，火焰为亮黄色，其原因是丙烷和空气在流动状态下，没有发生充分燃烧。此时丙烷燃烧是以两次燃烧的形式进行。第一次不完全燃烧生成CO，形成内焰。第二次是部分的CO继续燃烧生成CO₂。CO燃烧的火焰颜色为蓝色或浅蓝色。

通过调节等离子体源的输入电压，改变等离子体源输入功率。在缓慢增大电压的过程中，火焰跳动的较为厉害，火焰燃烧体积变大。内焰仍为浅蓝色，但外焰呈现黄色或浅黄色。从火焰燃烧的体积改变和颜色变化，丙烷较放电前燃烧得充分。

继续增加输入功率，发现内焰克服丙烷-空气混合气流，向下传播，该现象表明燃烧火焰在获得更多的等离子体能量后，火焰传播速度加快。输入功率增加到20瓦左右，火焰传播到内电极处，如图11(B)所示。这时减少输入功率，当减少到10瓦左右时，观察到的燃烧火焰如图11(C)所示，丙烷燃烧慢慢趋于稳定。继续减少输入功率，当减少到4瓦左右时，丙烷呈现稳定的燃烧状态，如图11(D)所示。燃烧火焰分别呈现在内电极金属管口和石英玻璃管口上方。火焰的外焰也都为亮黄色，并且燃烧的很稳定。此时，丙烷在等离子体辅助下发生充分、稳定的燃烧。

继续减少输入功率，火焰发生跳动，出现不稳定状态，当输入功率减少到零时，如图11(E)所示，又回到了最初始的状态。

在活化空气的方式下，如图12所示，等离子体发生器不同输入功率时的丙烷-空气混合气燃烧示意图，等离子体发生器相应的输入功率分别为：(A)0W  (B)20W  (C)10W  (D)4W(E)0W

图12(A)为等离子体源输入功率为零时的丙烷和空气混合流动气体燃烧火焰，其根部为淡蓝色，火焰的中上部为黄色。根部在内电极的上方，处于丙烷与活化空气的混合区间。可以很明显地观察到火焰的跳动。此时丙烷燃烧的不够充分和稳定。

此时保持频率不变，缓慢增大等离子体发生器输入电压来增加输入功率，发现火焰跳动的更加厉害，但其外部特征变化不大。

继续增加输入功率，当输入功率达到20W左右时，电极之间发生明显的放电，此时内焰克服丙烷柨掌旌掀鳎蛳麓アH缤？2(B)所示，火焰的根部触及到内电极。该现象表明燃烧火焰在获得更多的等离子体能量后，火焰传播速度加快，但燃烧得不够充分。

这时减少输入功率，当减少到10W左右时，观察到的燃烧火焰如图12(C)所示，丙烷燃烧慢慢趋于稳定，火焰变得明亮，但仍然发现火焰有微弱的抖动。继续减少输入功率，当减少到4W左右时，如图12(D)所示，除了燃烧火焰的体积有所减少以外，火焰不仅稳定而且明亮。此时，丙烷发生充分、稳定的燃烧。

继续减少输入功率，火焰发生跳动，出现不稳定状态，当输入功率减少到零时，如图12(E)所示，又回到了最初始的状态。

从上面所观察到的实验现象，我们可以看到等离子体发生器在一定程度上能够改善丙烷的燃烧状况，使之燃烧得更加充分和稳定。两次实验结果表明，要使丙烷在一定条件下维持稳定的燃烧，并不是等离子体的能量越大越好，而是局限在一定的范围内，跃出这个范围，丙烷燃烧就不稳定。在两次实验中，有所不同的是，燃烧火焰体积的形状发生了变化，这是采用了不同的活化方式的结果。

Claims (14)

1.一种提高内燃机燃烧效率的方法，包括将燃料和助燃气混合后送入引擎燃烧，其特征是：在燃料和助燃气混合前对燃料、助燃气中的至少一种进行介质阻挡放电式非平衡等离子体处理；

采用活化燃料的方式，即对燃料进行介质阻挡放电式非平衡等离子体处理是：对燃料进行雾化得到雾化燃料，对雾化燃料流量进行检测，得到雾化燃料流量信号，根据得到的雾化燃料流量信号对放电进行控制，对雾化燃料进行非平衡等离子体活化处理得到活性燃料；

采用活化助燃气的方式，即对助燃气进行介质阻挡放电式非平衡等离子体处理是：对助燃气流量进行检测，得到助燃气流量信号，根据得到的助燃气流量信号对放电进行控制，对助燃气进行非平衡等离子体活化处理得到活性助燃气；

采用既活化燃料又活化助燃气的方式，即对燃料和助燃气均进行介质阻挡放电式非平衡等离子体处理是：对燃料进行雾化得到雾化燃料，分别对雾化燃料和助燃气进行流量检测得到雾化燃料流量信号和助燃气流量信号，根据得到的雾化燃料流量信号和助燃气流量信号对放电进行控制，对燃料和助燃气进行非平衡等离子体活化处理得到活性燃料和活性助燃气；

以上三种方式，燃料、雾化燃料和活性燃料均经由油路输送，助燃气和活性助燃气均经由气路输送；

所述介质阻挡放电式非平衡等离子体处理是应用等离子体发生器完成的；所述等离子体发生器至少由一个微型等离子体发生器单元构成；所述微型等离子体发生器单元主体结构为管管式，包括外电极、管状内电极、管状放电介质，所述管状内电极设置于管状放电介质的内腔且轴向中心重合，所述外电极包覆于管状放电介质外层；所述管状内电极和外电极均由金属材料制成，管状放电介质由绝缘材料制成；微型等离子体发生器单元一端为入口端，另一端为出口端；

所述管状内电极为不锈钢、铜、铝箔或铂金制成的金属管，且其外表面为多圈凸台状或螺纹状，所述外电极为包覆于管状放电介质外层的不锈钢网或缠绕在管状放电介质外层的不锈钢细丝，所述管状放电介质由刚玉、陶瓷或云母制成。

2.根据权利要求1所述的提高内燃机燃烧效率的方法，其特征在于：应用所述等离子体发生器在非平衡等离子体活化处理时采用旋转射流的进气方式使待活化的雾化燃料或助燃气进入管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域。

3.根据权利要求2所述的提高内燃机燃烧效率的方法，其特征在于：所述管状内电极接地电连接，外电极与高压直流、交流或脉冲电源电连接，放电电压幅值控制在0.2～50KV，交流和脉冲频率控制在10²～10⁵KHz。

4.根据权利要求3所述的提高内燃机燃烧效率的方法，其特征在于：所述等离子体发生器由单一的微型等离子体发生器单元构成，所述管状放电介质厚度为0.1～50mm，外半径为1～500mm，放电间隙为0.1～50mm，放电区间有效长度为1～1000mm。

5.根据权利要求4所述的提高内燃机燃烧效率的方法，其特征在于：所述管状放电介质厚度为1～8mm，外半径为10～50mm，放电间隙为1～8mm，放电区间有效长度为80～200mm。

6.根据权利要求3所述的提高内燃机燃烧效率的方法，其特征在于：所述等离子体发生器是由多个微型等离子体发生器单元集合而成的等离子体阵列，每个微型等离子体发生器单元的管状放电介质厚度为0.1～50mm，管状放电介质外半径为1～500mm，放电间隙为0.1～50mm，放电区间有效长度为1～1000mm。

7.根据权利要求6所述的提高内燃机燃烧效率的方法，其特征在于：每个微型等离子体发生器单元的管状放电介质厚度为0.5～3mm，管状放电介质外半径为5～25mm，放电间隙为0.5～3mm，放电区间有效长度为10～80mm。

8.根据权利要求7所述的提高内燃机燃烧效率的方法，其特征在于：所述的等离子体阵列从等离子体阵列的横截面看，是相同微型等离子体发生器单元按正多边形或者圆形排列，或者是中心位置微型等离子体发生器单元直径大于外围微型等离子体发生器单元直径的多个微型等离子体发生器单元按圆形排列。

9.根据权利要求5、7或8所述的提高内燃机燃烧效率的方法，其特征在于：所述管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域是封闭的；所述管状内电极是密封的；

若采用活化燃料的方式，则将油路接入所述等离子体发生器，使雾化燃料流经管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域进行活化，活性雾化燃料与经气路输送的助燃气混合后送入引擎燃烧；

若采用活化助燃气的方式，则将气路接入所述等离子体发生器，使助燃气流经管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域进行活化，活性助燃气与经油路输送的燃料混合后送入引擎燃烧；

若采用既活化燃料又活化助燃气的方式，则有两种方案：

方案一是将油路和气路均接入所述等离子体发生器，使雾化燃料和助燃气皆流过管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域，两者同时被活化，然后二者混合后送入引擎燃烧；

方案二是所述等离子体发生器有两个，等离子体发生器一设置于燃料喷嘴与燃烧引擎之间，等离子体发生器二设置于进气歧管与燃烧引擎之间；将油路接入等离子体发生器一，使雾化燃料流经管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域进行活化；将气路接入所述等离子体发生器二，使助燃气流经管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域进行活化，活性雾化燃料与活性助燃气混合后送入引擎燃烧。

10.根据权利要求9所述的提高内燃机燃烧效率的方法，其特征在于：若采用活化燃料的方式，所述等离子体发生器设置于燃料喷嘴与燃烧引擎之间；若采用活化助燃气的方式，所述等离子体发生器设置于进气歧管与燃烧引擎之间；若采用既活化燃料又活化助燃气的方式的方案一，则所述等离子体发生器设置于燃料喷嘴后、且进气歧管与燃烧引擎之间。

11.根据权利要求5、7或8所述的提高内燃机燃烧效率的方法，其特征在于：所述管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域是封闭的，所述管状内电极设置有内部通路；

若采用活化燃料的方式，则将油路和气路均接入所述等离子体发生器，使雾化燃料流经管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域，助燃气经由管状内电极的内部通路流出，然后两者混合后送入引擎燃烧；

若采用活化助燃气的方式，则将油路和气路均接入所述等离子体发生器，使助燃气流经管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域，燃料经由管状内电极的内部通路流出，然后两者混合后一起送入引擎燃烧。

12.根据权利要求11所述的提高内燃机燃烧效率的方法，其特征在于：所述等离子体发生器总是设置于燃料喷嘴后，且进气歧管与燃烧引擎之间。

13.根据权利要求5所述的提高内燃机燃烧效率的方法，其特征在于：所述管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域是封闭的；所述出口端由墙板密封固定，在靠近墙板一端的管状放电介质上设置有出口管道，该出口管道一端与管状放电介质连接，一端与混合室连接，在该混合室上还设置有用于进料的支管；

若采用活化燃料的方式，则将油路接入所述等离子体发生器，使雾化燃料流经管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域进行活化，助燃气经由上述支管进入混合室与活性雾化燃料混合均匀后送入引擎燃烧；所述混合室的容积为上述环形放电区域的0.5～5倍；

若采用活化助燃气的方式，则将气路接入所述等离子体发生器，使助燃气流经管状内电极与管状放电介质之间的环形放电区域进行活化，燃料经由上述支管进入混合室与活性助燃气混合均匀后送入引擎燃烧；所述混合室的容积为上述环形放电区域的0.5～5倍。

14.根据权利要求13所述的提高内燃机燃烧效率的方法，其特征在于：所述等离子体发生器总是设置于燃料喷嘴后，且进气歧管与燃烧引擎之间。

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