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臭氧助燃技术在柴油发动机中的应用研究石家庄铁道学院 谢 法，杨绍普，高文中摘要：提高柴油发动机燃烧效率，降低其有害气体排放是人们共同关注的问题。本文通过对柴油发动机臭氧助燃机理分析，设计了臭氧发生器，并将其用于6135型柴油发动机台架试验中。结果证明：臭氧参与柴油发动机的燃烧过程能起到节油和降低排放的双重效果。关键词：柴油发动机；臭氧助燃；节油；排放1 引言柴油发动机具有热效率高、排放性能好、低速启动扭矩大等优点，在施工机械中广泛使用。它的经济性能指标，即燃油消耗率是广大用户和厂家重点关注的问题。同时，由于柴油发动机燃烧时油气混合的不均匀现象，导致微粒排放较高，对人类和环境产生严重的危害。因此，提高柴油发动机燃烧效率，降低有害气体排放，成为当今科学界共同关注和重点研究的课题。为了达到助燃节油、降低排放的目的和防止柴油发动机“爆震”现象发生，本文应用化学、物理、电子方面的综合知识，设计了臭氧发生器装置，在发动机进气道中，通过高压放电产生氧化能力远远高于氧气的臭氧，吸入气缸参加柴油发动机燃烧，缩短着火滞后期，从而达到改善柴油机燃烧性能和降低排放的目的。实验证明：效果良好。 2 臭氧助燃机理臭氧是氧气的同素异形体，常温下为淡蓝色气体，它的氧化能力仅次于氟，远远高于氧气，是已知最强的氧化剂之一。标准状况下，氧气分子的分解能量为5.11eV,而臭氧仅为1.09eV，因此臭氧分子很不稳定，容易分解。当温度高于473k时，臭氧会立即分解为氧气和氧原子[1]，同时放出大量的热量，这种新生态的氧原子除具有极强的氧化能力外，还是诱发燃油进行链式反应的新生态活化中心，促进烃类燃料燃烧的链反应传播过程[2-3]。如果烯烃类化合物与臭氧发生反应时，臭氧氧化分解生成酸和荃，同时臭氧分解生成的单原子氧极容易与羟基、荃基发生连锁反应，直到最终生成稳定的化合物。所以，臭氧参加燃烧起到了催化助燃的作用。臭氧助燃机理可从化学反应热力学的角度来分析。根据瑞典化学家阿累尼乌斯方程式： (1) 式中：K 化学反应速度，cm3 ·mol-1·s-1；A 频率因子，cm3 ·mol-1·s-1；E 系统的活化能，J·mol；R 气体常数，8.315J·mol-1·K-1；T 绝对温度，K； 能量概率因子；由于臭氧的加入降低了系统总的活化能E，从而提高了能量概率因子，在频率因子A不变的情况下，反应速度K进一步加快，从而改善了燃烧过程，缩短了着火滞后期，提高了燃烧效率，降低了排放，防止了柴油机“爆震”。3 臭氧发生器的工作原理及设计3.1 臭氧发生器的工作原理臭氧发生器工作原理如图1所示，主要由陶瓷元件，放电电极，诱导电极，高压电等组成。它采用沿面放电材料作为臭氧发生器件，在高频高压电源的驱动下，进行电晕放电，产生臭氧，同时放出大量能量。其化学反应方程式如下：O2+e 2O+eO+ O2 (M) O3+ (M)2O+2O2 2O3+288.5J高压电高压电陶瓷元件表面放电臭氧气源地极诱导电极放电电极放电电极图1 臭氧发生器工作原理示意图图1 臭氧发生器工作原理示意图3.2 臭氧发生器的设计从臭氧发生器的工作原理可以看出：臭氧发生器的核心元件是电晕放电材料和臭氧发生控制电路。臭氧放电材料的好坏直接决定臭氧发生器的寿命，而臭氧控制电路的好坏则直接影响产生臭氧的稳定性及产生臭氧的量。因此，设计臭氧发生器时应充分考虑这两方面的因素。3.2.1 电晕放电场强E和放电电压U的计算根据比克提出的经验公式，对于平行导体 （2）式中，K0 表面粗糙系数； Dr 空气相对湿度；其中，K0根据电晕情况来选择, 对于全面电晕；对于局部电晕，空气相对湿度Dr在标准状况下取1。 （3） r为电极半径，d为两电极之间的距离。本设计根据（3）式计算出电晕放电电压为3.5kV。3.2.2 控制电路的设计臭氧发生控制电路由振荡电路、脉冲产生电路、放大驱动电路和升压变压电路组成。通过控制电路将直流电转变为高频高压交流电，结构框图如图2所示。RC振荡臭氧发生板升压变压器 电压放大RC振荡臭氧发生板升压变压器 电压放大直流24 V直流24 VTL494TL494WW图图2 控制电路原理框图集成芯片TL494外接RC元件组成高稳定性振荡电路，通过调节电位器W可改变振荡频率。通过内部驱动输出两路时序不