其关盐城工学院学报(自然科学版)第17卷键原因是汽油和甲醇二者生成的途径、步骤、物质和能量的产生过程都不同,二者释放能量过程和依赖的条件就不同,燃烧速率也就不同。这就说明人们还没有解决燃料热能转换的共性问题,还没有掌握含能物质运动的普遍规律。
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单纯考虑燃料开发的多元化是不能解决汽车燃料问题的,人们必须转换视角寻找解决车用燃料的新思路、新途径。人类对能源开发的根本出路应该是实现“多元化”和“通用性”的统一。“多元化”开拓了新能源材料的应用领域,“通用性”则要解决对不同能源材料的综合利用问题。只有在这样一个互动的过程中,一方面人们越来越多地实现能源材料的多元化,另一方面找到不同能源物质的共同属性和普遍规律,使含能物质的转化条件得到统一,才是真正解决人类能源革命的新思路。
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是否有第三条新的路径?即通过改变物质运动的存在状态的方式寻找到含能物质共同的转化条件,解决醇基燃料在同一条件下把热能转化为机械能的途径。这可能是一条解决燃料的兼容性,使车用燃料多元化的开发有利于社会实践应用的唯一途径。这一路径的基本方式是通过把不同的含能物质统一于相同的系统结构中,提高能源结构的有序度,特别是系统的自组织能力,使能源结构进入到等离子体物质运动的状态,实现人类对能源的利用从低级的物质运动状态向高级的物质运动状态的演变。
4 应用等离子体技术解决醇基燃料深度开发的路径物态是物质在一定温度、压强下所处的相对稳定的状态。人们经常接触到的物质,从物理学的角度看,主要是分子或原子集团的三种聚集状态:固态、液态和气态。当气体中的分子运动更加剧烈,便高度电离成离子和电子的混合集团,这种状态便是等离子态,常称为物质的第四态。等离子体是含有足够数量的自由带电粒子,有较大的电导率,其运行主要受电磁力支配的物质状态。
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等离子体由带正电的离子和带负电的电子,也有可能还有一些中性的原子和分子组成。等离子体在宏观上一般是电中性的。即它所含有的正电荷和负电荷几乎处处相等。从外界获得足够的能量,使气体分子或原子中轨道所束缚的电子变为自由电子,便可成为等离子体。
在宇宙中,等离子体是宇宙中普遍存在的一种物质聚集状态。占宇宙中物质总量的99%以上。恒星、星际物质以及地球周围的电离层等都是等离子体。地球上天然的等离子体的辐射现象是北极光和能量极大的闪电。
人类只有在特定的环境中才能制造、利用等离子体。等离子体技术可以划分为高温等离子体和低温等离子体技术应用。热离子体成为目前地球上温度最高的可用热源。热等离子体提供了一个能量集中、温度很高的反应环境,温度可达104- 1050℃ ,它不仅可以用来大幅度地提高反应速率,而且还可以借以产生常温条件下不可能发生的化学反应,包括模拟航天器返回大气层状态,实验受控热核聚变反应等。20世纪60年代苏联科学家发明了著名的磁约束装置———托卡马克装置,采用热等离子体实现核聚变反应。低温等离子体的运用是从1955年美国首先研制成功等离子体弧切割机为标志的,今天,等离子体切割、焊接、化工、冶炼、金属表面处理和磁流体发电等各种等离子体设备已大量使用,人们最常见的霓虹灯、日光灯、金属中的电子气和半导体中的载流子以及等离子体彩电也是等离子体的应用。
人们除了利用等离子体开发可控热核聚变以外,为什么不能把等离子体技术运用在车用燃料上?也就是通过利用多学科技术对化石能源和生物质能进行深度开发,使不同物质质量的燃料都能达到等离子体的物质运动状态,使之产生巨大的能量飞跃的同时又具有燃料的通用性。
应用等离子体技术成为能源转化的共同路径的关键问题在于可以解决提高燃烧速率。燃烧速率是指发动机单位时间内在单位火焰面积上燃烧混合气体的质量,燃烧速率越快,气体燃烧后的膨胀比越大,汽缸作功就越多,发动机的动力性和经济性也就越好。不同的燃料的燃烧速率不同,燃料如果发生物质结构质变,燃烧速率必然改变。
目前各种燃料的主要成分是碳、氢、氧,但各自的化学结构不同,完全可以通过改变燃料的化学结构继而在等离子态的条件下达到相同的燃烧速率,使各种不同的燃料在同一发动机中将热能转化为机械能。
为什么等离子态的燃烧速率可以无差别地使各种燃料释放热能?这是由于等离子体的特点决定了的。等离子体中具有正、负离子作为中间反应介质,特别是处于激发状态的高能离子或原子·9·第2期沈晓珊:以系统科学指导醇基燃料的开发 可使很多化学反应发生。等离子体本身是一种良性导体,所以能利用磁场来控制等离子体的分布和它的运动,有利于过程的控制。等离子体的一个最重要特性是不稳定性,微小的扰动就能在等离子体中激起各种等离子体波,这种激发态通常称为等离子体湍动,湍动元(等离子体波)和荷电粒子碰撞会引起它们之间的能量交换,使粒子加速,这就是等离子体的湍动加速特性。在等离子体中,存在各种高频等离子体波,它们的波是短的,在相速度小于热速度时,大多数粒子都能被这种等离子体波加速,称为等离子体湍动加热。等
离子体湍流中最重要的现象之一是由这种布朗运动(随机运动)的动量、热量和质量的传递。
这具备了提高燃烧速率的四个基本条件。首先是碰撞,等离子体有湍动加速特性,湍动元(等离子体波)和荷电粒子碰撞会引起它们之间的能量交换,从而粒子加速。其次是光强,燃烧速率被光的强度影响,光能够给予反应粒子能量,因而就能加快燃烧速率;等离子体内出现的电弧超过常规的层流燃烧的光强度,反应粒子的能量增强。
再次是温度,如果温度增加燃烧速率也增加,即热能使更多的粒子获得较大的碰撞能量,使燃烧加速。再其次是压强,燃烧速率随着气体压强使温度增加,体积减小浓度增加,使具有较高能量的粒子碰撞几率增加,现有发动机已具备了可达0.6-1.2 MPa的压力,必然达到燃烧速率的要求。
在各种热能转换方式中,惟有“等离子体技术”可以让发动机同时使用各种基质的燃料,满足提高燃烧速率的四个条件。任何气态物质均能形成等离子体。从燃料的形态来看,现有的燃料如汽油、柴油,替代燃料的甲醇、乙醇、液化气、都是以液态储存和携带在车辆上,在经化油器和空气混合后进入汽缸燃烧,如果燃料气体在发动机中形成等离子体,就有可能产生等离子化学燃烧。
现有的内燃发动机无须任何改动和更换零配件,就具备了等离子体发生器的功能。汽车发动机既能“封闭”———燃烧产生高温、又“开放”———混合气体的进气和废气的排气,缸体的循环水冷却、通过电喷技术控制燃油量和进气等全部条件,完全可以控制反应物的密度和维持密度的时间,是现成的“低温等离子体发生器”。当发动机内出现碰撞、压强、光强、温度都具备了等离子体燃烧的最佳工况,燃料的分子无规则运动的能量、分子间相互作用的能量、甚至分子内禀能量(原子内的能量及原子核内的能量)几乎全部转化为做功的动力。
这将极大地超过固态、液态、气态含能物质的燃烧的热值,燃料没有“补燃期”,尾气实现“零排放”,并进入自然生态循环。
因此,无论各种燃料生成的途径、步骤、物质和能量的产生过程如何不同,只要把燃料通过再改性的过程转换为结构有序、化学分子和物理特性无差异的均匀分布状态的燃料,在发动机做功的条件下转化为物质的第四种形态———等离子体,都能在发动机(等离子体发生器)中产生低温定向湍流的燃烧方式转化为机械能。这就解决了使含能物质的转化条件的统一,实现能源“多元化”和“通用性”的有机结合。
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从中国的国情出发,充分拓展自己的视野和开展理性的深刻思考,运用多项前沿学科交叉应用和系统工程的方法去探索新能源的绿色通道,系统科学要求人们对能源供应体系进行整体的、综合性的、动态的考察和研究,它是唯物辩证法在现代能源科学技术研究中的生动体现。利用系统工程的方法,通过改变燃料的物质形态和转化的中介,在燃料的能量储存和能量输送不变的前提下,改变能量的转换方式,是提高现有燃料热效率和开发清洁燃料的新途径。未来的燃料必然是“等离子醇基燃料”,是指醇基燃料在发动机(等离子体发生器)中转化为物质的第四种形态———等离子态的燃料,以化学燃烧产生低温定向湍流的方式转化为机械能的燃料。如果利用等离子体技术对醇基燃料进行深度开发,使之产生巨大的能量飞跃,将是世界解决能源方案的重大突破
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