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A Comparative Study of Conventional Spark Ignition and Nanosecond Repetitively Pulsed Discharge in Premixed Turbulent Combustion

為了解決h2馬力的問題，作者阮明進 這樣論述：

近年來，使用奈秒級重複脈衝放電(Nanosecond Repetitively Pulsed, NRP)的貧油預混燃燒技術引起了廣泛的關注，因為它具有提高熱效率和減少火花引燃(Spark Ignition,SI)引擎廢氣排放的巨大潛力。然而，貧油預混燃燒的挑戰之一是失效點火的問題，尤其是火花引擎在極端條件下進行引燃時，即高壓(p)、高溫(T)和高均方根紊流擾動速度(u′)條件下越容易發生失效點火的問題。此外，大多數 NRP 文獻屬於探討層流條件之研究，僅少數文獻探討紊流條件之研究。而 NRP 過往的文獻中，缺乏探討近似等向性紊流場條件的相關研究，致使我們無法充分了解 NRP 放電的全部潛力。

因此，對貧油燃氣的引燃過程及其隨後的火焰傳播過程有更好的理解，是開發可靠且高效率的引燃系統不可或缺的關鍵技術，進而於高熱效率 SI 引擎中實現穩定的貧油燃燒。因此，本論文將使用兩種不同的放電方法，來探討碳氫燃料之燃燒現象：含傳統單次火花放電(Conventional Single Spark Discharge, CSSD)和 NRP 放電。實驗在高溫高壓雙腔體預混燃燒設備中執行，可透過一對 10 匹馬力馬達所驅動之反向旋轉風扇，於十字型燃燒器中心引燃區產生一近似等向性紊流場。實驗條件如下：共有三種不同的燃氣混合物，包括貧油和富油氫氣(分別為當量比 = 0.18；有效 Lewis數 Le ≈

0.3 > 1)，貧油異辛烷（ = 0.8；Le ≈ 2.98 >> 1） 以及貧油正丁烷（ = 0.7；Le ≈ 2.1 >> 1）。上述燃料使用 CSSD 於不同探針間距(dgap)以及不同 u′值條件下，進行引燃實驗，探討偏好擴散效應(Le 效應)、dgap 以及紊流消散對兩種不同引燃現象的耦合效應(coupling effects)，分別為最小引燃能量(Minimum IgnitionEnergy, MIE)轉折以及紊流促進引燃(Turbulent Facilitated Ignition, TFI)現象。為了進行比較，在 dgap = 0.8 mm 條件下，引燃貧油正丁烷燃氣，

使用 NRP 放電在一定範圍的重複脈衝頻率（Pulse Repetitive Frequency, PRF = 5〜70 kHz），並固定 11 個連續脈衝，使其累積總引燃能量 Etot約等於 23 mJ，其中 Etot約等同於使用 CSSD 在 dgap = 0.8 mm 於正丁烷燃氣中所獲得的 50%引燃機率之層流 MIE。CSSD 結果顯示，由於火核的幾何形狀和偏好擴散之間的耦合效應，TFI 現象僅出現在當 dgap < 1 mm 時且 Le >> 1 的混合燃氣中。此外，紊流 MIE 會隨 u′的增加先呈現出下降趨勢而後上升，呈現一非單調性的曲線。結果顯示，當 u′大於某些取決於燃料性

質的臨界值時，紊流效應會重新確立其主導地位，並使引燃更加困難。然而，在 dgap >iii1 mm 的條件下，火核呈似棒狀且火核之正曲率很小或可忽略不計，故偏好擴散對火核之影響可忽略不計，即使對於 Le >> 1 的混合物，亦沒有發現 TFI 之現象。本論文發現除了當在 dgap > 1 mm 時，沒有 TFI 現象，亦發現隨著 u′的增加，且在 Le >> 1、dgap > 1mm 條件下，亦會產生 MIE 轉折之現象。此外，對於 Le 1 的相同貧油正丁烷燃氣條件下進行比較，透過使用相同的放電能量 Etot = MIEL ≈ 23 mJ，本論文發現 CSSD 的層流引燃概率(Lamina

r Ignition Probability, Pig,L)為 50％，而對於 NRP 放電，Pig,L為 0% ~ 90%，其值取決於 PRF，其中在 PRF = 20 kHz 時有最高的 Pig,L = 90%。當 PRF = 20 kHz，即最高的 Pig,L 之發生。可歸因於放電頻率的增益效應(synergistic effect)，其與放電時產生於電極尖端之反應物向內流循環頻率(inward reactant flow recirculation frequency)之同步效應。此外，本論文發現紊流引燃在大部分的 PRFs 中均使引燃較困難，除了在 PRF = 60kHz 在 u′

= 0.5 m/s 時，有最高的 Pig,L為 37 %大於在 u′ = 0 時的 Pig,L = 34 %，顯示與CSSD 相似之 TFI 現象。