JP2009516794A - 空気−燃料および燃料−酸素混合気の点火の開始、燃焼を強化または改質する方法 - Google Patents

空気−燃料および燃料−酸素混合気の点火の開始、燃焼を強化または改質する方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、エネルギー工学産業および機関の製造に関するものであり、またあらゆる形態の内燃機関において、ナノ秒周期高電圧パルス放電を使用することにより、可燃混合気における化学変化を強化しようとするものである。上記の内燃機関には、強制通気燃焼器におけるガスタービンエンジン、ジェットエンジン、デトネーションエンジンの燃焼器、アフターバーナーおよび改質器が含まれるが、これに制限するものではない。可燃混合気点火温度を下げ、燃焼および改質プロセスにおける化学反応の強さを増大させ、大気に放出される有害物質の材料を低減するため、燃焼室の可燃混合気をナノ秒周期高電圧パルス放電によって励起する。ここでは放電振幅を設定して、電子自由度およびガス解離において放電エネルギー付与が最大になるようにし、また放電の基本段階にてプラズマ電子がホイッスラーモードに移行しないようにする。また高電圧パルスの立ち上がりの立ち上がり時間を制約によって制限して、放電ギャップがプラズマで均一に満たされまたプラズマへのパルスエネルギー付与が効率化されるようにする。高電圧パルスの持続時間を制約によって制限して、パルス放電プラズマの強力な非平衡特性が得られ、また放電ギャップ抵抗が低減され、発生器との一層良好なインタフェースと、プラズマへの有効な電気エネルギー付与が得られるようにする。

Description

発明の分野
本発明は、機械工学、殊にエネルギー工学産業および機関の製造に関するものであり、またあらゆる形態の内燃機関において、ナノ秒周期高電圧パルス放電を使用することにより、可燃混合気における化学変化を強化しようとするものである。上記の内燃機関には、強制通気燃焼器（power burner）におけるガスタービンエンジン、ジェットエンジン、デトネーションエンジンの燃焼器、アフターバーナーおよび改質器が含まれるが、これに制限するものではない。
発明の背景
内燃機関燃焼室において可燃混合気の燃焼の強化を目的とした方法はいくつか存在する。もっとも広まっている方法は、可燃混合気の事前準備を使用する方法であり、これには空気の電気放電処理、電磁場による噴射燃料処理、可燃混合気の電気スパーク点火の改善に基づく方法が含まれ、後者では電気点火スパークプラグの設計を変更することによって成果が得られている（SU No. 1728521, SU No. 1838665, RU 2099550）。
燃焼プロセスを活性化する方法が公知であり、この方法により、内燃機関における可燃混合気の燃焼の効率および均一性を高め、燃料導入時間を短くし、点火温度を低減し、また燃焼の火炎伝搬速度を制御してこれを高めることができる（RU No. 94028477, F02M25/10, 1996）。このようの方法では実質的に、容積自続放電システム（system of volumetric self-maintained discharge）により、セットアップパラメタで内燃機関に供給される空気を処理する。
公知の方法の欠点は、機関の設計を変更する必要があり、また可燃混合気点火に対して通常の電気スパーク法が不完全なことである。この通常の電気スパーク法では燃焼室において混合気は完全に燃焼されないのである。
本発明と最も近い従来技術は、ストリーマースパークプラグを使用した可燃混合物点火法である（RU No.2176122，H01T13/20, 2001）。この発明ではストリーマ現象を使用して、メインの電気放電が形成されるゾーンにおいてイオン化速度を増大させる。ここでこれは安定したスパークが形成されるための有利な条件を作り出すことによって行われる。この目的を達成するための解決手段では実質的に、プラグ中央と側部電極との間に電圧を加えて、これらの間のスペースをイオン化している。中央電極絶縁体においてストリーマが形成されることによって、グランドスターティング電極回路（ground starting electrode circuit）によって制限されるゾーンにおいてイオン化場が増幅され、中央電極と、グランド電極の主要部のスパーク受容面との間に電気放電が形成される。この発明により、内燃機関の動作が、オートバイシステムに使用されるものを含めて、発生し得るすべての動作モードにおいて安定する。
上記の従来技術は、応用が限定されている。それはこの従来技術は、ガソリンエンジン（自動車およびオートバイのエンジン）だけに使用されることを意図されているからである。
発明の開示内容
燃料酸化反応は、連鎖分岐メカニズムによって進行する。
ラジカル連鎖分岐反応の理論から以下が公知である。
1. 基本ステップ。連鎖反応の特徴は、化学薬剤の消費と、最終生成物の形成とが、反復性の基本ステップの連続によって発生し、この基本ステップでは、原料物質粒子−活性種反応により、反応生成物分子および新たな活性種が形成される［６］。この明細書の目的に対して「活性種」とは、結合されていない原子価結合を有する粒子（自由分子およびラジカル；ここではラジカルおよび化学連鎖はふつうの通りである）または励起エネルギー状態にある原子価が飽和した種（ここではエネルギー連鎖はふつうの通りである）のことである。
連鎖反応の基本ステップを分類する場合、連鎖の開始、連鎖の伝搬、分岐連鎖および連鎖の終了ステップの４つの時期を区別することができる。生成物の形成と、新たな活性種の形成とが同時に行われる連鎖伝搬反応（分子とラジカルとの間の反応）は、極めて迅速に進行する。開始反応（活性種の最初の形成）は、上記の連鎖反応のうちで最もエネルギーを消費するステップである［７］。
連鎖分岐反応には、連鎖開始、連鎖伝搬および連鎖終了ステップに加えてつねに連鎖分岐ステップが含まれている。特許請求の範囲に記載した本発明の開発にあたっては、CH4−C5H12およびH2を含有する混合物を検討し、この混合物の着火は、N.N. Semionov理論にしたがって、ラジカル連鎖分岐メカニズムによって発生する［５］。連鎖分岐反応は、その進行中に発熱性のステップに起因して、吸熱性のステップへのエネルギー移動が行われる点が非分岐連鎖反応と異なる。このエネルギーは、反応中に原子および自由ラジカルの化学エネルギーの形態か、または励起した分子のエネルギーの形態で蓄積され得る［８］。
２．導入期間。連鎖分岐反応は２通りに進行し得る。連鎖終了速度が連鎖分岐の速度を上回ると、活性サイトの濃度は準停止状態である。これとは異なり、連鎖分岐の速度が、ラジカルおよび原子の連鎖終了速度を上回り始めると、活性種の指数関数的な成長が発生し、その後少し経つと、極めて弱い反応が爆発的に進行しはじめる［６］。ラジカル形成が発生しかつ温度および圧力が実質的に変化しない期間は、点火導入時間（点火遅延時間）と称される。
３．活性サイトの初期濃度の形成反応を制限する燃焼伝搬は、活性サイトの形成である。ラジカル連鎖分岐メカニズムによって酸化が進行する場合、開始ステップは、混合気点火の初期ステップにおける燃焼速度に大きな影響を及ぼす。原材料分子の解離における活性化の高いエネルギーにより、点火導入時間が長くなるか、または燃料の全く行われないことになる。可燃ガス混合気の温度が上昇すると、熱解離速度が増大し、活性種の量が増大する（このような場合、化学連鎖開始がほぼ確実に発生する）。したがって、人工的に少量の原子およびラジカルを投入すると、すなわち開始反応がないと、反応速度が増大し、低い初期温度でそれが進行するはずである。
４．放電中にガスに活性種を形成する。点火を開始するためのガスにおける放電には２つの形態があり、これらを検討する。平衡プラズマまた近平衡プラズマ（スパーク放電、アーク放電）の形成に結び付く放電の場合、燃焼連鎖反応の発現がはじまる主因は、ガスの局部加熱および熱解離速度の増大である［９］，［１０］。バリア放電ならびに高周波およびマイクロ波放電を使用する場合、非平衡プラズマ化学プロセスが進行し得る。非平衡ガス放電プラズマ［１１］においてイオン化度は、１０-4〜１０-1に達し、電子平均エネルギー（１〜１０ｅＶ）は、重粒子の平均並進エネルギーを大きく上回り、励起した粒子の濃度は平衡濃度を大きく上回る。本発明において使用した非平衡プラズマの有効利用についての問題は、これまで未解決のままであった。
ここではガスの関係する役割として、直接の電子衝突による分子解離およびイオン化および振動の電子自由度が考慮される。これを実現する場合、非平衡プラズマにおいて高いラジカル濃度を形成することができる。水素および酸素分子を励起する基本プロセスは、論文［２３］に分析されており、またつぎの表［EEDF］に反映されている。
電子衝突によるＨ２およびＯ２分子励起の基本プロセス［２３］
Figure 2009516794
一方、原子およびラジカルの量が比較的少なくても（全粒子数の約１０-5〜１０-3）この系における平衡状態はシフトして連鎖反応が発生し得る。さらに活性種の上記のようの濃度が体積を通じて均一に形成される場合、燃焼は、必ず非爆轟性になる。他方で、中性粒子の初期密度が比較的高い状態において大きな体積で空間的に均一な放電を形成することは、技術的な観点からはかなり複雑である。本発明が目指しているのは、この問題を解決することである。
５．高速イオン化波（ＨＳＩＷ High Speed Ionization Wave）高速イオン化波の形態で発展する高電圧ナノ秒パルス放電は、空間的に均一な高励起非平衡プラズマを形成するのに有効な手段である。［１２］，［１３］。
６．ガスに活性種を形成する。プラズマ化学研究に対して高速イオン化波を適用することを扱った一連の論文が今日では公知である。これらの論文の中には、ガス内部自由度の励起に与えるナノ秒放電の影響についての論文［１４］ならびに炭化水素の緩慢な酸化の運動論の研究に関連した調査についての論文があり、ここでこれは室温において、数１０ヘルツのパルス繰り返し周波数を有する高速イオン化波の影響の元で行われる。
高温（約1100〜2200°K）の初期並進温度において可燃ガス混合気を点火する方法としての高電圧ナノ秒放電は、科学的に綿密な調査が行われ、論文［２３］，［２４］，［２９］，［３１］にはじめて登場した。アルゴンまたはヘリウムで希釈した水素−空気混合気およびメタン−空気混合気の点火が、これらの論文において考察されている。行われた計算および実験に基づいて実証されたのはナノ秒高電圧放電の高い有効性であり、このナノ秒高電圧放電によって、点火温度閾値を大きく低減することが可能である（メタン−空気−アルゴン混合気において６００°Kまで）。ガス密度を増大させると、有効度、放電のプラズマ化学作用の有効度が格段に低減されることが示された。ここでは高電圧ナノ秒放電の空間均一性と、この空間均一性が、点火される可燃混合物の圧力にどのように依存するかとを調査した。
本発明の目的は、ガスにおいて高電圧周期パルス放電を使用して可燃混合気改質のプロセスの効率を増大させ、内燃機関における燃焼を強化し、また点火開始の効率を増大させることである。
上記の目的は、高度技術の発展に起因して、燃料としての炭化水素を有効利用するという急務の課題が発生したことに伴って設定されたものであり、この課題は、特殊なケースに関連して、例えば、内燃機関、ジェットロケットエンジン、ジェット航空機エンジン、ガスタービン機関、パルスプラズマ化学レーザ、プラズマ化学反応器において使用する可燃混合気を設定するためのモードの選択において生じるものである。
また本発明の目的は、燃料燃焼生成物の環境上の安全性を提供することである。ここでこれは炭化水素と空気との混合物の低温燃焼により、炭素の不完全な酸化、クラスタリングおよび形成が発生するという事実、また他方では高温燃焼ではNOxが生成されるという事実を考慮することによって行われるのである
可燃混合物点火においてかなり現実的な問題のうちの１つは、設定した空間分布でそれを迅速に点火させるという問題である。燃料空気混合気の燃焼構造において爆轟およびホットスポットがないことは、多くの応用においてクリティカルである。同時に空間全体における点火速度の分布は、デトネーションエンジンに対しては重要である。今日、点火の開始および気相燃焼の維持のさまざま方法が公知である。これらの方法の間で以下の手法を区別することができる。すなわち、直流アーク放電プラズマの直接噴射［１］；レーザ誘導点火［２］，［３］；スパーク点火［４］を区別することができる。
燃料酸化反応は連鎖分岐メカニズムによって進行［５］し、また活性サイトの形成はこのプロセスにおいて最も遅いステップである。本発明によって解決される問題は、点火時間を著しく低減し、体積全体にわたって分布を設定して混合気の燃焼を開始することであり、ここでは点火の初期ステップにおいてガスに作用することによって、殊にエアジェットエンジンおよび慣用の機関に対して均一な分布が、またデトネーションエンジンに対して勾配分布（gradient distribution）が設定される。
本発明の主題はまた、（１）混合気点火速度を高める条件を作り出すこと（誘導時間の低減）；（２）初期濃度の体積体において活性種を形成することにより、低い初期温度でガス点火を行うことである。
設定したこの問題はつぎのようにして解決される。すなわち点火を開始するため、燃焼室の可燃混合物をナノ秒周期高電圧パルス放電によって励起し、ここで放電振幅Ｕ［kV］をつぎの制約によって制限する。すなわち、
３・１０-17 ＞ Ｕ／（Ｌ×ｎ） ＞ ３・１０-18
であり、
高電圧パルスの立ち上がりの立ち上がり時間τf［ｎｓ］をつぎの制約によって制限する。すなわち、
ＲＣ ＜ τｆ ＜ ３・１０-18×Ｌ2×ｎ／Ｕ
であり、
高電圧パルスの持続時間τpul［ｎｓ］をつぎの制約によって制限する。すなわち、
１０17／ｎ ＜ τpul ＜ ３・１０20×（Ｌ×Ｒ）／ｎ
であり、
ここで
Ｕ − 高電圧パルス振幅［ｋＶ]；
Ｌ − 放電ギャップサイズ［cm］；
ｎ − 放電区画単位体積当たりの分子濃度［cm-3］；
Ｒ − 電源ライン抵抗［オーム］；
Ｃ − 放電ギャップ容量［Ｆ］
である。
放電区画体積は、高電圧ナノ秒放電によって燃焼が開始される体積である。
連続モードにおいて可燃混合物における化学反応の安定領域を得るため、ガスにおける高電圧周期パルスは、つぎの制約によって制限されるパルス区間ｆpul[sec-1]を有するとよい。すなわち、
１０26Ｕ／（ｎ×Ｌ2） ＞ ｆpul ＞ Ｖ／Ｌ
であり、
ここで
Ｕ − 高電圧パルス振幅［ｋＶ］；
ｎ − 放電区画単位体積当たりの分子濃度［cm-3］；
Ｖ − 放電区画におけるガス流速度［cm/sec］
である。
本発明の技術的な成果は、可燃混合気点火温度を低減し、燃焼および改質プロセスにおける化学反応の強度の増大させることにあり、またその結果として、エンジン、パワーバーナーおよび改質器の効率を増大させ、大気への有害物質、殊に窒素酸化物の放出を低減させることにある。
ここで提案される可燃混合物における放電の電気力学的特性により、以下の理由から、この可燃混合物の点火温度閾値を著しく低減することができる。
１） 制約Ｕ[kV] ＞ ３・1018×Ｌ×ｎによって制限される高電圧パルス振幅により、放電ギャップにおいて、ブレークダウンウェーブ（breakdown wave）によるそのオーバラップの後、低減された電場Ｅ／ｎの値が、３００Ｔｄ以上のレベルに設定される。これによって電子自由度およびガス解離における放電エネルギー付与が最大化される。
２） 制約Ｕ[kV] ＜ ３・１０17×Ｌ×ｎによって制限される高電圧パルス振幅により、ブレークダウンウェーブが重なった後、放電ギャップにおいて、低減された電場Ｅ／ｎの値が、3000Ｔｄ以下のレベルに設定される。これによって放電の基本段階においてプラズマ電子のホイッスラーモードへの移行が阻止され、また電子エネルギー増大損、電子ビーム形成およびＸ線放出が最小化される。
３） 高電圧パルスの立ち上がりの立ち上がり時間を制約τf［ｎｓ］ ＜ ３・１０-18×Ｌ2×ｎ／Ｕによって制限することによって、高電圧電極における電圧を高めることができ、またイオン化波面において電子がホイッスラーモードに移行するのに十分な場の強度を得ることができ、ここでこれは上記のギャップのオーバラップの時間よりも短い時間内で行われ、これによって放電ギャップがプラズマで均一に充填されるための条件が整えられる。
４） 高電圧パルスの立ち上がりの立ち上がり時間を制約τf［ｎｓ］ ＞ ＲＣによって制限することにより、高電圧パルス発生器と、放電セルとを整合させて動作させることでき、これによってパルスエネルギーがプラズマに移行する効率が調整される。
５） 制約τpul[ns] ＜ 3・1020 × (Ｌ×Ｒ)/ｎによって制限される高電圧パルス持続時間において、ガス放電プラズマに入れられる全エネルギーが制限され、放電の不安定性の発生、そのピンチングおよびチャネルのオーバーヒートが回避され、これに起因して、パルス放電プラズマの強力な非平衡特性が得られる。
６） 制約１０17／ｎ ＜ τpul[ns]によって制限される高電圧パルス持続時間により、制約１）および２）によって制限される場の制約内で放電ギャップにおける電子倍増の終了時間がわかる。この条件の実行は、ギャップにおいて、これがブレークダウンウェーブによってオーバラップされた後に、ガスのイオン化を発生させるために必要である。これによって放電ギャップ抵抗が低減し、発生器と一層良好に整合して動作し、またプラズマへの有効な電子エネルギー付与が行われる。
７） 連続モードにおいて化学反応を安定して進行させるため、パルス区間を制約１０26 Ｕ／（ｎ×Ｌ2） ＞ ｆpul ＞ Ｖ／Ｌによって制限する。
ここで
Ｕ − 高電圧パルス振幅[kV]；
ｎ − 単位放電区間体積当たりの分子濃度[cm-3]；
Ｖ − 放電区間における可燃混合気の流速[cm/sec]である。
パルス区間の上記の値（ｆpul）により、連続モード（ｆpul ＞ Ｖ／Ｌ）においてガス励起が均一になり（ガスの「ブレークスルー」が発生しない）、またデューティ比の高い（１０26 Ｕ／（ｎ×Ｌ2） ＞ ｆpul）ナノ秒放電により、強力な非平衡励起領域の効率が高くなる。これは上記のパルス間の時間が上記のパルス持続時間を上回り、またプラズマ再結合およびギャップの電気的強度の回復に十分な時間が得られ、また低減された場の選択した範囲において（制約１）動作が保証される場合である。
本発明の方法の実験による研究の最中、燃焼および改質の化学変化の特性（伝搬速度、温度、燃焼生成物におけるＮＯx不純物の量など）に非平衡放電が与える影響を検証した。ナノ秒放電によるガス励起のバーナーが、火炎吹き飛び速度（flame blow-off velocity）に与える影響については理解された。実験中、バーナー容量の１％以下の放電エネルギー付与において、火炎吹き飛び速度が２倍以上に増大した。発光分光学法を使用して得られるデータに基づいて立証されたのは、炎伝搬速度の増大は、放電における酸素原子の形成に関連しており、これは電子励起された窒素の分子が酸素で消光し、また電子の衝突によって酸素が解離した結果である。構成した上記の数値モデルは、炎伝搬速度に放電が与える量的な影響を表している。ナノ秒パルス繰り返し周波数が炎吹き飛び速度およびサイズに与える影響がわかった。速度を増大させる作用は、周波数が高くなるのにつれて大きくなることが立証された。このような挙動は、放電において活性種が付加的に生成することに関連している。この実施例における放電出力は、バーナー容量の１％以下である。
図面の簡単な説明
本発明の実質を説明する図面はつぎを示している。すなわち、
図１は、実験アセンブリの一般的な略図を示している。
図２は、衝撃波管放電チャンバを示している。HSIW電気力学特性の診断。
図３は、２つのシュリーレン検出器および電子倍増光電管から得られるマイクロ秒範囲のオシログラムを示している。
図４は、２０％炭化水素混合物の自己点火曲線を示している。
図５は、２％，１０％および２０％の化学量論的アルゴン希釈プロパン−酸素混合気の自己点火曲線を示している。
図６は、１０％の化学量論的アルゴン希釈Ｃ１−Ｃ５酸素混合気の放電誘導点火曲線および自己点火曲線を示している。
図７は、１０％の化学量論的アルゴン希釈Ｃ４−Ｃ５酸素混合気の自己点火曲線および放電誘導点火曲線を示している。点線は、点火温度の仮想のシフトを示しており、ここでこれはガスに平衡放電エネルギーが付与される各実験のデータに基づいて計算したものである。
図８は、系におけるエネルギー放出時間の低減を示しており、ここでは加えた電場（Ｅ／ｎ[Ｔｄ]〜Ｕ／（Ｌ＊ｎ））の値に依存して固定のエネルギーが放電に付与される。
図９は、系におけるエネルギー放出時間の低減を示しており、ここでは放電エネルギー付与に依存して、加えられる電場の固定値は５００Ｔｄである。
図１０は、非混合流（non-mixed flow）を有するバーナーおよびジェットエンジンにおける可燃混合気の燃焼の強化および点火を開始するためにパルス放電を使用する１実施形態を示している。
図１１は、自動車の内燃機関において可燃混合気の燃焼の強化および点火を開始するためにパルス放電を使用する１実施形態を示している。
図１２は、プラズマ改質器において可燃混合気の燃焼を開始するためにパルス放電を使用する１実施形態を示している。
図１３は、デトネーション燃焼室においてデトネーションウェーブを開始するためにパルス放電を使用する１実施形態を示している。Ａ） デトネーション燃焼室の概略図である。１−高電圧入力側；２−放電チューブのセット（図１３Ｂ）；３−チャンバケーシング；４−デトネーションウェーブ形成領域。Ｂ）放電チューブの概略図である。１−誘電層；２−高電圧電極；３−低電圧電極；４−ガス放電および燃焼形成の領域
本発明の実施
特許請求の範囲に記載した方法の実施可能性については実験によって証明されており、またその複数の適用のモードは、さまざまな領域における空燃混合気点火を調査することによって、および可燃混合気の燃焼の強化および点火の開始のさまざまな方法の効率を比較することによって実証されている。
実験アセンブリに適用される衝撃波管は、ガスにおける物理化学プロセスの研究において高温を制御して形成するために広く使用されている。本発明の方法を発展させるのにあたって上記の衝撃波管を使用してガスを加熱した。ナノ秒放電を反射衝撃波波面の後方に発生させた。
上記の実験に使用した衝撃波管低圧室は、２５×２５ｍｍの矩形の内部断面を有しており、また互いに接続されたスチールおよび誘電体部分からなる（図１）。この誘電体区画は、上記の低圧室の端部部分を構成している。この誘電体区画に配置されている衝撃波管の端部は、高電圧電極を形成しており、この電極から上記の放電が発生する。
高速のイオン化波を使用する混合気点火の実験において、上記の加熱ガスにおいて、ナノ秒放電を反射衝撃波後方に直接形成した。プラズマ実験において高出力形成に使用されるパルス法は、電磁エネルギー蓄積装置の利用に基づいており、またつぎの順序で実現される。すなわち、１次エネルギー蓄積装置→スイッチング装置→パルスシェイパー→スイッチング装置→伝送線路→負荷の順序で実現されるのである。
放電を生成するため、ГИН−９ １０段階発生器を使用した。この高電圧パルス発生器のフレームは、３．６ａｔｍに圧縮された窒素によって充填され、これによって250kVまでの電圧パルスを得ることが可能となった。この放電チャンバの設計は図２に詳しく示されている。高電圧真鍮電極が、上記のチャンバの端部に配置されており、これによって（混合気との接触の）その有効面積が、図２に示したように低圧室端部と面一に配置されるようにした。上記の放電は、高電圧電極から低圧室のスチールで接地された部分にまで生成された。
各実験において、ラジカルＯＨ（λ＝３０６ｍｍ. Ａ2Σ → Ｘ2Π）またはＣＨ（λ＝４３１ｍｍ, Ａ2Δ → Ｘ2Π）の放射が検出された。
点火時間は、相応する波長のＣＨまたはＯＨラジカルの放射に基づいて決定された。これらの実験から得られた特性オシログラムは図３に示されている。点火遅延時間の測定における不確かさは、１０μｓｅｃ以下と推定した。
得られた点火誘導時間と、ＣＨおよびＯＨラジカルの放射の検出とが同時であることをチェックするために、アルゴンで２０％に希釈された化学量論的ブタン−酸素混合気における誘導時間を決定する実験を行った。アルゴンで混合気を希釈することは、反応に等温条件を課すために使用されるふつうの手法である。図４から明らかなように点火遅延時間−反射衝突波背後の温度曲線は、それぞれ（λ＝３０６ｍｍ）および（λ＝４３１ｍｍ）であるラジカルＯＨおよびＣＨの放射検出において行われた測定に対して一致する。
高速イオン化波（ＨＳＩＷ High Speed Ionization Wave）パラメタの測定に含まれるのは、放電ギャップにおける電流および電圧降下の測定であり、これは、ＨＳＩＷの場の強度および反射衝突波後方におけるガスへの放電エネルギー付与を決定するための時間に対してナノ秒の分解能で行われる。ナノ秒測定にはまた、放電ギャップにわたるＨＳＩＷ伝搬においてＣＨの放射を検出することが含まれている。
上記の放電チャンバにおける電位降下は、キャパシタンスセンサから得られる２つのオシログラムに基づいて決定した。測定中、キャパシタンスセンサは、上記の接地されたシールドと放電区画（図４のＣ１およびＣ２）との間に配置した。伝達容量（transfer capacitance）は４６０pFになった。入力インピーダンス５０オームのTektronix TDS-3054オシロスコープ（４００ＭＨｚの帯域幅）を使用して信号を記録した。上記の放電装置における電流を磁気電流センサによって測定した。観察断面を含む領域における電位降下ΔＵ(ｔ） ＝ Ｕ2(ｔ）-Ｕ1(ｔ）は、キャパシタンスセンサから得られる信号の差分に基づいて決定した。電場強度は、Ｅ 〜 ΔＵ／Ｌとして定められ、ここでＬ〜はセンサ間の距離である。上記の電流は、放電装置の断面にわたって均一に流れるという仮定に基づき、電流の測定値から電子密度を決定した。すなわちＪ(ｔ) ＝ ｎe(ｔ)ＶdrE(ｔ)Sであり、ここでＪ〜は、測定した電流値、ｎe 〜 - 求めるようとする電子密度、Ｖdr 〜 - 電流を低減した電場Ｅ／ｎ(t)における電子ドリフト速度、Ｓ〜 - 上記の放電装置の断面領域である。
上記の放電に付与される出力は、電圧電位測定
Ｐ(ｔ) ＝ ΔＵ(ｔ)Ｉ(ｔ)
と同時に行われる電流測定を考慮して連続的に計算した。
ガスへの具体的なエネルギー付与は、体積Ｖ＝ＬＳにおいて放電が空間的に均一であるという仮定に基づいて上記の式を積分することによって決定した。ここでＬ〜は、キャパシタンスセンサ間の距離、Ｓ〜 - 上記の放電装置の断面積である。
ＣＨラジカルの放射（遷移λ＝４３１ｎｍ，Ａ2Δ → Ｘ2Π）は、電流および電圧の制御と同時にナノ秒の分解能で制御した。放電チャンバの有効断面の診断ウィンドウから放出される放射は、МУМモノクロメータによって分光させ、１４３ЗЛУ-ФТ大電流フォトマルチプライヤで記録した（図２を参照されたい）。
表２ 調査した可燃混合気
Figure 2009516794
調査中、アルゴンで８０％に希釈した化学量論的なメタン-酸素、エタン-酸素、プロパン-酸素およびブタン-酸素混合気（表２を参照されたい）、水素-空気混合気およびメタン-空気混合気の点火実験を行った。これらの実験の基本的な結果は、誘導時間-反応ガス-反射衝撃波背後温度において自己点火曲線の形態で示されており、ここでこれは本発明との比較のために示されている（図４，５）。
自己点火プロセスの運動を反映する作業データの基本セットは、アルゴンで９０％に希釈した化学量論的なメタン−酸素、エタン−酸素、プロパン−酸素およびブタン−酸素混合気を使用して得られた（図２を参照されたい）。
ナノ秒放電による点火の開始についての実験は、アルゴンで１０％に希釈した化学量論的混合気について行った（図６，７を参照されたい）。
１０％混合気
ＣＨ4:Ｏ2:Ａｒ ＝１：２：２７
Ｃ2Ｈ6:Ｏ2:Ａｒ＝２：７：８１
Ｃ3Ｈ8:Ｏ2:Ａｒ ＝１：５：５４
Ｃ4Ｈ10:Ｏ2:Ａｒ ＝２：１３：１３５
Ｃ5Ｈ12:Ｏ2:Ａｒ ＝１：８：８１
２０％に希釈：
ＣＨ4:Ｏ2:Ａｒ ＝１：２：１３
Ｃ2Ｈ6:Ｏ2:Ａｒ ＝２：７：３６
Ｃ3Ｈ8:Ｏ2:Ａｒ ＝１：５：２４
Ｃ4Ｈ10:Ｏ2:Ａｒ ＝２：１３：６０
各混合気に対して２００〜５００°Ｋの範囲内の点火閾値シフトが観察された。希釈度の小さい２０％の混合気に対しては、希釈度の大きい混合気に比べて一層大きな点火温度シフトが観測された。ＨＳＩＷによる１０％のＣＨ4：Ｏ2：Ａｒ ＝ １：２：２７混合気に対する点火実験の結果は、２０％のＣＨ4：Ｏ2：Ａｒ ＝ １：２：１３混合気に対する同じ実験の結果と近いが、２０％混合気と比べると、１０％混合気は、本発明の方法を使用してその点火を行ったが、自己点火できなかったことに注意されたい。
高電圧パルス放電による燃焼の開始についてのすべての実験において、放電ギャップにおける電流および電圧の測定を行い、高電圧放電によって混合気に付与されたエネルギーの密度を計算した。非平衡エネルギー付与（ＨＳＩＷ）による点火の有効性を平衡加熱と比較するため、放電エネルギー付与密度を、混合気加熱エネルギーに計算し直した。計算した点火の平衡シフトは、図７に点線で示されている。明らかであるのは、エネルギー付与の非平衡法により、同じ量のエネルギーを付与する場合に平衡加熱において得られるシフトの２〜４倍を上回る値で、点火温度閾値を低減できることである。
制約Ｕ[kV] ＞ ３・1018×Ｌ×ｎによって制限される高電圧パルス振幅により、放電ギャップにおいて、ブレークダウンウェーブが重なった後、低減された電場Ｅ／ｎの値は、３００Ｔｄ以上のレベルに設定される。これによって電子自由度およびガス解離における放電エネルギー付与が最大化される。図８に示されているのは、固定のエネルギーを放電に付与する際、水素−空気混合気にエネルギーが放出される計算によって得られた時間が、加えた電場の値に依存することである。３００〜３０００Ｔｄの低減された場の範囲にわたって最大の効果が得られることがわかる。
制約τpul[ns] ＜ 3・1020×(Ｌ×Ｒ)/ｎによって制限される高電圧パルス持続時間において、ガス放電プラズマに入れられる全エネルギーが制限され、放電の不安定性の発生、そのピンチングおよびチャネルのオーバーヒートが回避され、これに起因して、パルス放電プラズマの強力な非平衡特性が得られ、ガス加熱に比べて放電の効率が増大する（図９）。図９は、固定値５００Ｔｄの電場を加えた際に放電エネルギー付与に依存して、系へのエネルギー放出時間が短くなることを示している。放電の全エネルギーが増大する（電圧振幅を固定した際、この値は高電圧パルス持続時間に比例する）と、非平衡励起の効率が低下することがわかる。通常の条件において約１J/m3のエネルギー付与値で種々異なる励起法の効率が比較され、これによってパルス持続時間が値
τpul[ns] ＜ ３・１０20×（Ｌ×Ｒ）／ｎ，
に制限され、ここで
Ｌ − 放電ギャップサイズ[cm]，
Ｒ − 電源ライン抵抗[オーム]，
ｎ − 放電区間単位体積における分子濃度[cm-3]
である。
前述のことからわかるように（図７を参照されたい）、すべての炭化水素−酸素混合気に対して、単一パルス高電圧ナノ秒放電の作用の下で点火が加速したことが観察される。これは、反射衝撃波後方において同じ条件下でこのような加速された自己点火がない場合と比べた場合である。誘導時間および点火温度閾値は、上記の温度および圧力範囲内で低減される。
高電圧放電エネルギー付与の評価によって示されたのは、点火においてラジカルが非平衡形成される効率は、平衡加熱の効率よりも２〜４倍大きいことである。高電圧ナノ秒放電による点火加速の効果は、可燃混合気における希釈の相対濃度が低減するのに伴って増大する。
可燃混合気の改質、点火の開始および燃焼強化にナノ秒パルス放電を使用する実施例
本発明の方法は、例えば、ジェットエンジン、点火の開始のための非混合流を有するバーナー、および可燃混合気燃焼の強化に実際に使用可能である。
このような使用の場合、オキシダント（空気）流は、コンプレッサ（ガスタービンエンジン）、圧力波システム（ラムジェット）によって圧縮された後、またプリコンプレッションなし（バーナー）に燃焼室に入る。燃焼室において空気流は燃料と混合され、燃焼が可能になる燃料／オキシダント混合条件を満たすいくつかの混合ゾーンが得られる（一般的に化学量論的燃料／オキシダント比は、０．２５〜４の範囲内になるが、これに制限するものではない）。放電が上記の混合領域に加えられ、これによって点火の強化および局所的な点火とガス乱流に起因する擾乱が発生する。
本発明を自動車の内燃機関に使用する実施例が、図１１に示されている。放電は、シリンダヘッドとピストンとの間のギャップに形成され、この放電により、混合気において全体体積にわたって低濃度の燃料で点火が開始される。これによって燃焼時間が短くなり、燃料消費が低減され、また汚染物質の放出が低減される。
プラズマ改質器において可燃混合気の燃焼を開始するためにパルス放電を使用する実施例は図１２に示されている。放電は、内側の高電圧電極と、外側の改質器壁との間の共軸のギャップに形成され、この放電によって混合気において高濃度の燃料で全体体積にわたり、プラズマ触媒が開始される。これにより、炭化水素燃料が低温で水素に改質され、発生する水素の単位当たりのエネルギーが低減され、改質器出口における炭化水素の量が低減される。
デトネーションエンジンおよび燃焼室において爆轟を開始するために本発明の方法を使用する実施例は図１３に示されている。図１３Ａには大断面デトネーション燃焼室の全体図が示されており、ここでは別個の放電区間（図１３Ｂ）が取り付けられている。放電は、バリアを有するスペースに形成される（絶縁体によって低電圧電極の一部が覆われている。図１３Ｂ）。このような幾何学形状によって放電領域において電場の大きな値を維持することができ、またプラズマを均一に形成するために比較的低い電圧を使用することができ、
３・１０17 ＞ Ｕ／(［ｄ1−ｄ2］／２×ｎ) ＞ ３・１０18
であり、電圧の比の比較的小さい値がギャップにわたって増大し、デトネーション燃焼室には通常の高い初期ガス圧においても
τf ＜ ３・１０-18×Ｌ2×ｎ／Ｕ
である。放電のこの実施形態の固有の特徴は、上記の放電ギャップにおける、低減された場の値が、電極間の最小距離[ｄ1−ｄ2]／２によって決定され、またギャップを埋めるための時間が、また放電によって短絡条件が満たされるか否かが、高電圧電極と、誘電体層によって覆われていない低電圧電極の部分との距離によって決定される（図１３Ｂ）。
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実験アセンブリの略図である。 衝撃波管放電チャンバを示す図である。 ２つのシュリーレン検出器および電子倍増光電管から得られるマイクロ秒範囲のオシログラムを示す線図である。 ２０％炭化水素混合物の自己点火曲線を示す線図である。 ２％，１０％および２０％の化学量論的アルゴン希釈プロパン−酸素混合気の自己点火曲線を示す線図である。 １０％の化学量論的アルゴン希釈Ｃ１−Ｃ５酸素混合気の放電誘導点火曲線および自己点火曲線を示す線図である。 １０％の化学量論的アルゴン希釈Ｃ４−Ｃ５酸素混合気の自己点火曲線および放電誘導点火曲線を示す線図である。 系におけるエネルギー放出時間の低減を示す線図である。 系におけるエネルギー放出時間の低減を示す別の線図である。 非混合流（non-mixed flow）を有するバーナーおよびジェットエンジンにおける可燃混合気の燃焼の強化および点火を開始するためにパルス放電を使用する１実施形態を示す図である。 自動車の内燃機関において可燃混合気の燃焼の強化および点火を開始するためにパルス放電を使用する１実施形態を示す図である。 プラズマ改質器において可燃混合気の燃焼を開始するためにパルス放電を使用する１実施形態を示す図である。 デトネーション燃焼室においてデトネーションウェーブを開始するためにパルス放電を使用する１実施形態を示す図である。 デトネーション燃焼室の概略図である。

Claims (2)

  1. 可燃の空気−燃料または燃料−酸素混合器の点火を開始するか、燃焼を強化するか、または改質する方法において、
    燃料室の可燃混合気をナノ秒周期高電圧パルス放電によって励起し、
    放電振幅Ｕ［kV］を制約
    ３・１０-17 ＞ Ｕ／（Ｌ×ｎ） ＞ ３・１０-18
    によって制限し、
    高電圧パルスの立ち上がりの立ち上がり時間τf［ｎｓ］を制約
    ＲＣ ＜ τf ＜ ３・１０-18×Ｌ2×ｎ／Ｕによって制限し、
    高電圧パルスの持続時間τpul［ｎｓ］を制約
    １０17／ｎ ＜ τpul ＜ ３・１０31 × （Ｌ×Ｒ）／（ｎ×ｎ），
    によって制限し、ただし
    Ｕ − 高電圧パルス振幅［kV］；
    Ｌ − 放電区間の基準サイズ[cm]；
    ｎ − 放電区間単位体積当たりの分子濃度[cm-3]；
    Ｒ − 電源ライン抵抗[オーム]；
    Ｃ − 放電ギャップ容量[Ｆ]であることを特徴とする、
    可燃の空気−燃料または燃料−酸素混合器の点火を開始するか、燃焼を強化するか、または改質する方法。
  2. 連続モードにて放電区間に供給される可燃混合気の安定した点火を行うため、ガスにおける高電圧周期パルス放電を制約
    １０26Ｕ／（ｎ×Ｌ2） ＞ ｆpul ＞ Ｖ／Ｌ
    によって制限されるパルス区間fpul[sec-1]で形成し
    ただしＶ − 前記の放電区間におけるガス（可燃混合気）の流速[cm/sec]である、
    請求項１に記載の方法。
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