其關鹽城工學院學報(自然科學版)第17卷鍵原因是汽油和甲醇二者生成的途徑、步驟、物質和能量的產(chǎn)生過程都不同,二者釋放能量過程和依賴的條件就不同,燃燒速率也就不同。這就說明人們還沒有解決燃料熱能轉換的共性問題,還沒有掌握含能物質運動的普遍規(guī)律。 

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單純考慮燃料開發(fā)的多元化是不能解決汽車燃料問題的,人們必須轉換視角尋找解決車用燃料的新思路、新途徑。人類對能源開發(fā)的根本出路應該是實現(xiàn)“多元化”和“通用性”的統(tǒng)一。“多元化”開拓了新能源材料的應用領域,“通用性”則要解決對不同能源材料的綜合利用問題。只有在這樣一個互動的過程中,一方面人們越來越多地實現(xiàn)能源材料的多元化,另一方面找到不同能源物質的共同屬性和普遍規(guī)律,使含能物質的轉化條件得到統(tǒng)一,才是真正解決人類能源革命的新思路。

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是否有第三條新的路徑?即通過改變物質運動的存在狀態(tài)的方式尋找到含能物質共同的轉化條件,解決醇基燃料在同一條件下把熱能轉化為機械能的途徑。這可能是一條解決燃料的兼容性,使車用燃料多元化的開發(fā)有利于社會實踐應用的唯一途徑。這一路徑的基本方式是通過把不同的含能物質統(tǒng)一于相同的系統(tǒng)結構中,提高能源結構的有序度,特別是系統(tǒng)的自組織能力,使能源結構進入到等離子體物質運動的狀態(tài),實現(xiàn)人類對能源的利用從低級的物質運動狀態(tài)向高級的物質運動狀態(tài)的演變。

 

4　應用等離子體技術解決醇基燃料深度開發(fā)的路徑物態(tài)是物質在一定溫度、壓強下所處的相對穩(wěn)定的狀態(tài)。人們經(jīng)常接觸到的物質,從物理學的角度看,主要是分子或原子集團的三種聚集狀態(tài):固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。當氣體中的分子運動更加劇烈,便高度電離成離子和電子的混合集團,這種狀態(tài)便是等離子態(tài),常稱為物質的第四態(tài)。等離子體是含有足夠數(shù)量的自由帶電粒子,有較大的電導率,其運行主要受電磁力支配的物質狀態(tài)。

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等離子體由帶正電的離子和帶負電的電子,也有可能還有一些中性的原子和分子組成。等離子體在宏觀上一般是電中性的。即它所含有的正電荷和負電荷幾乎處處相等。從外界獲得足夠的能量,使氣體分子或原子中軌道所束縛的電子變?yōu)樽杂呻娮?便可成為等離子體。

 

在宇宙中,等離子體是宇宙中普遍存在的一種物質聚集狀態(tài)。占宇宙中物質總量的99%以上。恒星、星際物質以及地球周圍的電離層等都是等離子體。地球上天然的等離子體的輻射現(xiàn)象是北極光和能量極大的閃電。

 

人類只有在特定的環(huán)境中才能制造、利用等離子體。等離子體技術可以劃分為高溫等離子體和低溫等離子體技術應用。熱離子體成為目前地球上溫度最高的可用熱源。熱等離子體提供了一個能量集中、溫度很高的反應環(huán)境,溫度可達104- 1050℃ ,它不僅可以用來大幅度地提高反應速率,而且還可以借以產(chǎn)生常溫條件下不可能發(fā)生的化學反應,包括模擬航天器返回大氣層狀態(tài),實驗受控熱核聚變反應等。20世紀60年代蘇聯(lián)科學家發(fā)明了著名的磁約束裝置———托卡馬克裝置,采用熱等離子體實現(xiàn)核聚變反應。低溫等離子體的運用是從1955年美國首先研制成功等離子體弧切割機為標志的,今天,等離子體切割、焊接、化工、冶煉、金屬表面處理和磁流體發(fā)電等各種等離子體設備已大量使用,人們最常見的霓虹燈、日光燈、金屬中的電子氣和半導體中的載流子以及等離子體彩電也是等離子體的應用。

 

人們除了利用等離子體開發(fā)可控熱核聚變以外,為什么不能把等離子體技術運用在車用燃料上?也就是通過利用多學科技術對化石能源和生物質能進行深度開發(fā),使不同物質質量的燃料都能達到等離子體的物質運動狀態(tài),使之產(chǎn)生巨大的能量飛躍的同時又具有燃料的通用性。

 

應用等離子體技術成為能源轉化的共同路徑的關鍵問題在于可以解決提高燃燒速率。燃燒速率是指發(fā)動機單位時間內在單位火焰面積上燃燒混合氣體的質量,燃燒速率越快,氣體燃燒后的膨脹比越大,汽缸作功就越多,發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性也就越好。不同的燃料的燃燒速率不同,燃料如果發(fā)生物質結構質變,燃燒速率必然改變。

 

目前各種燃料的主要成分是碳、氫、氧,但各自的化學結構不同,完全可以通過改變燃料的化學結構繼而在等離子態(tài)的條件下達到相同的燃燒速率,使各種不同的燃料在同一發(fā)動機中將熱能轉化為機械能。

 

為什么等離子態(tài)的燃燒速率可以無差別地使各種燃料釋放熱能?這是由于等離子體的特點決定了的。等離子體中具有正、負離子作為中間反應介質,特別是處于激發(fā)狀態(tài)的高能離子或原子·9·第2期沈曉珊:以系統(tǒng)科學指導醇基燃料的開發(fā)　　　可使很多化學反應發(fā)生。等離子體本身是一種良性導體,所以能利用磁場來控制等離子體的分布和它的運動,有利于過程的控制。等離子體的一個最重要特性是不穩(wěn)定性,微小的擾動就能在等離子體中激起各種等離子體波,這種激發(fā)態(tài)通常稱為等離子體湍動,湍動元(等離子體波)和荷電粒子碰撞會引起它們之間的能量交換,使粒子加速,這就是等離子體的湍動加速特性。在等離子體中,存在各種高頻等離子體波,它們的波是短的,在相速度小于熱速度時,大多數(shù)粒子都能被這種等離子體波加速,稱為等離子體湍動加熱。等

 

離子體湍流中最重要的現(xiàn)象之一是由這種布朗運動(隨機運動)的動量、熱量和質量的傳遞。

 

這具備了提高燃燒速率的四個基本條件。首先是碰撞,等離子體有湍動加速特性,湍動元(等離子體波)和荷電粒子碰撞會引起它們之間的能量交換,從而粒子加速。其次是光強,燃燒速率被光的強度影響,光能夠給予反應粒子能量,因而就能加快燃燒速率;等離子體內出現(xiàn)的電弧超過常規(guī)的層流燃燒的光強度,反應粒子的能量增強。

 

再次是溫度,如果溫度增加燃燒速率也增加,即熱能使更多的粒子獲得較大的碰撞能量,使燃燒加速。再其次是壓強,燃燒速率隨著氣體壓強使溫度增加,體積減小濃度增加,使具有較高能量的粒子碰撞幾率增加,現(xiàn)有發(fā)動機已具備了可達0.6-1.2 MPa的壓力,必然達到燃燒速率的要求。

 

在各種熱能轉換方式中,惟有“等離子體技術”可以讓發(fā)動機同時使用各種基質的燃料,滿足提高燃燒速率的四個條件。任何氣態(tài)物質均能形成等離子體。從燃料的形態(tài)來看,現(xiàn)有的燃料如汽油、柴油,替代燃料的甲醇、乙醇、液化氣、都是以液態(tài)儲存和攜帶在車輛上,在經(jīng)化油器和空氣混合后進入汽缸燃燒,如果燃料氣體在發(fā)動機中形成等離子體,就有可能產(chǎn)生等離子化學燃燒。

 

現(xiàn)有的內燃發(fā)動機無須任何改動和更換零配件,就具備了等離子體發(fā)生器的功能。汽車發(fā)動機既能“封閉”———燃燒產(chǎn)生高溫、又“開放”———混合氣體的進氣和廢氣的排氣,缸體的循環(huán)水冷卻、通過電噴技術控制燃油量和進氣等全部條件,完全可以控制反應物的密度和維持密度的時間,是現(xiàn)成的“低溫等離子體發(fā)生器”。當發(fā)動機內出現(xiàn)碰撞、壓強、光強、溫度都具備了等離子體燃燒的最佳工況,燃料的分子無規(guī)則運動的能量、分子間相互作用的能量、甚至分子內稟能量(原子內的能量及原子核內的能量)幾乎全部轉化為做功的動力。

 

這將極大地超過固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)含能物質的燃燒的熱值,燃料沒有“補燃期”,尾氣實現(xiàn)“零排放”,并進入自然生態(tài)循環(huán)。

 

因此,無論各種燃料生成的途徑、步驟、物質和能量的產(chǎn)生過程如何不同,只要把燃料通過再改性的過程轉換為結構有序、化學分子和物理特性無差異的均勻分布狀態(tài)的燃料,在發(fā)動機做功的條件下轉化為物質的第四種形態(tài)———等離子體,都能在發(fā)動機(等離子體發(fā)生器)中產(chǎn)生低溫定向湍流的燃燒方式轉化為機械能。這就解決了使含能物質的轉化條件的統(tǒng)一,實現(xiàn)能源“多元化”和“通用性”的有機結合。

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從中國的國情出發(fā),充分拓展自己的視野和開展理性的深刻思考,運用多項前沿學科交叉應用和系統(tǒng)工程的方法去探索新能源的綠色通道,系統(tǒng)科學要求人們對能源供應體系進行整體的、綜合性的、動態(tài)的考察和研究,它是唯物辯證法在現(xiàn)代能源科學技術研究中的生動體現(xiàn)。利用系統(tǒng)工程的方法,通過改變燃料的物質形態(tài)和轉化的中介,在燃料的能量儲存和能量輸送不變的前提下,改變能量的轉換方式,是提高現(xiàn)有燃料熱效率和開發(fā)清潔燃料的新途徑。未來的燃料必然是“等離子醇基燃料”,是指醇基燃料在發(fā)動機(等離子體發(fā)生器)中轉化為物質的第四種形態(tài)———等離子態(tài)的燃料,以化學燃燒產(chǎn)生低溫定向湍流的方式轉化為機械能的燃料。如果利用等離子體技術對醇基燃料進行深度開發(fā),使之產(chǎn)生巨大的能量飛躍,將是世界解決能源方案的重大突破