slide1 n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
О новых методах увеличения эффективности сжигания топлив в двигРPowerPoint Presentation
Download Presentation
О новых методах увеличения эффективности сжигания топлив в двигÐ

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 17

О новых методах увеличения эффективности сжигания топлив в двигР- PowerPoint PPT Presentation


  • 178 Views
  • Uploaded on

Семинар « Перевод транспорта на газомоторное топливо: проблемы и перспективы » 4 февраля 2014 г., Москва. Центральный Институт Авиационного Моторостроения им. П.И. Баранова , Москва. О новых методах увеличения эффективности сжигания топлив в двигателях внутреннего сгорания. А.М. Старик.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'О новых методах увеличения эффективности сжигания топлив в двигÐ' - haracha


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

Семинар «Перевод транспорта на газомоторное топливо: проблемы и перспективы»

4 февраля 2014 г., Москва

Центральный Институт Авиационного Моторостроенияим. П.И. Баранова, Москва

О новых методах увеличения эффективности сжигания топлив в двигателях внутреннего сгорания

А.М. Старик

slide2

Отделение 600 «Неравновесные физико-химическиепроцессы в газовых потоках и в элементах реактивных двигателей»

Старик А. М. проф., Д.ф.-м.н., начальник отделения

  • Создание кинетических модлей горения органических и неорганических топлив, включая углеводороды, авиационные керосины, комбинированные, синтетические и металлизированные топлива;
  • Разработка методов расчета неравновесных физико-химических процессов в многокомпонентных и многофазных реагирующих системах, математическое моделирование процессов в перспективных реактивных двигателях и энергоустановках,
  • Разработка методологии и проведение исследований по интенсификации горения и повышения эффективности сжигания органических и неорганических топлив и реализация новых принципов организации горения в реактивных двигателях и наземных энергетических установках;
  • Исследование механизмов формирования загрязняющих атмосферу газообразных соединений и аэрозольных частиц при горении углеводородных топлив в воздухе, в камерах сгорания и в выхлопных струях реактивных двигателей и энергоустановок и разработка эффективных методов снижения эмиссии при горении органических и неорганических топлив;
  • Исследование физико-химических процессов в кластерной и пылевой плазме и разработка методологии формирования наноструктур с заданными свойствами для производства новых материалов и новых топлив для аэрокосмической техники;
  • Исследование физико-химических процессов при внешнем обтекании аэродинамических тел, движущихся со сверхзвуковыми скоростями, неравновесной плазмой и разработка новых методов управления аэродинамическими силами, тепловыми и эрозионными потоками;
  • Разработка и реализация современных лазеро-оптических и спектральных методов диагностики неравновесных процессов в реагирующих средах, в том числе и процессов в камерах сгорания, в кластерной плазме и в выхлопных струях реактивных двигателей и проведение тонкого физического эксперимента.
slide3
Кинетические модели горения различных топлив

Углеводородные топлива:

CH4 – C12H26

Синтетические топлива:

CO+H2, CnHm+H2

Альтернативные топлива:

криогенный метан, биотоплива

Композитные топлива:

бензин, дизельное топливо, авиационный керосин

Модели формирования экологически опасных соединений

NOx, COx, Sox,HOx, HNOy, органика, ионы

Полиароматические углеводороды и сажевые частицы

Сульфатные и органические аэрозоли

Применение

Камеры сгорания двигателей воздушного и наземного транспорта

Энергетические установки и электростанции

Выхлопные струи двигателей и энергоустановок

Металлургия, цементная и химическая промышленность

slide4

Процессы в гомогенной камере сгорания

эксперимент (PLIF)

квазиламинарная модель горения FLUENT

Сравнение с экспериментом (H2:CO=1:2)+воздух, f=0.3

Поле концентрации радикала OH

Концентрации компонентов на выходе КС

Поле температуры при горении метана с =1.37.

slide5
Применение газомоторного топлива (природного газа) в ДВС
  • Преимущества:
  • пониженная эмиссия NO, СО. СО2
  • относительно большая безопасность
  • относительная дешевизна
  • Недостатки:
  • повышенная эмиссия Н2О, НNO2, НNO3
  • более узкий диапазон устойчивого горения ( и по концентрации и по температуре)
  • более жесткие условия воспламенения и меньшая скорость распространения пламени (всего 40см/спри стехиометрии в нормальных условиях), что требует большего расхода топлива особенно при запуске двигателя и на малых оборотах

Альтернатива:использование синтез-газа с повышенным содержанием Н2 и смесевых топлив, например, С3Н8 + Н2, переход к НССI циклу

c 3 h 8 h 2
Особенности горения смесевых топлив (C3H8+H2)

Скорость ламинарного пламени и температура продуктов сгорания смеси C3H8+H2+воздух с долей H2в топливе 0 и 50% (T0 =300 K, P=1 атм).

Время задержки воспламенения смесевого топлива C3H8+H2в воздухе (a=1) в зависимости от начальной температуры T0 при P=1 атм и различной доли H2в топливе.

  • При высокой температуре добавка H2ускоряет воспламенение, при низкой – замедляет.
  • Добавка H2увеличивает скорость ламинарного пламени Un: в бедной смеси на ~15%, в стехиометрической и богатой смесях на 20-30%.
  • Температура продуктов сгорания в богатых смесях увеличивается на 20-40 K.
  • Добавка 50% H2уменьшает концентрацию CO на 10-15% за счет уменьшения количества атомов углерода в смеси.
  • Добавка H2в бедных смесях уменьшает концентрацию NO в продуктах сгоранияна 10-15%.
  • Сжигание более бедных смесей позволяет более чем вдвое уменьшить эмиссию NO и CO при сохранении мощности двигателя.
slide7
Использование разных топлив в двигателе внутреннего сгорания с циклом HCCI
  • Преимущества:
  • Смесь сгорает очень быстро и практически полностью.
  • Работает на бедных смесях (на 30% беднее, чем современные ДВС), чтоулучшает экологические характеристики (меньше концентрация NO и СО в выхлопе).

Изменение температуры в цилиндре ДВС с циклом HCCI при использовании в качестве топлива различных углеводородов при различной начальной температуре, обеспечивающей одинаковый момент воспламенения (частота вращения коленчатого вала 5500об/мин, коэффициенте избытка воздуха a=1, степень сжатия C=16.5).

  • Заменяя топливо в ДВС с циклом HCCI можно:
  • уменьшить расход топлива,
  • увеличить мощность двигателя,
  • снизить эмиссию NO, CO
slide8
Неравновесные плазмохимические процессы с возбужденными частицами - основа будущих технологий сжигания органосодержащих смесей

Возбуждение молекул приводит к значительному увеличению скоростей реакций при низкой температуре и таким образом позволит

  • Повысить эффективность горения
  • снизить энергозатраты и понизить температуру процесса и тем самым решить проблему перегрева
  • обеспечить снижение эмиссии экологически опасных веществ
  • заложить основу для создания нового класса высокоэффективных энергетических установок транспортного и стационарного применения
slide9
Управление процессами горения путем селективного возбуждения колебательных и электронных состояний реагирующих молекул (ДАН, 1994)

Специально организованный электрический разряд

Резонансное лазерное излучение

e

h

Возбуждение колебательных: H2(V), O3(V), H2O(V), CO(V),N2(V) и электронных: O2(a1), O2(b1) состояний молекул

  • Расширение пределов воспламенения
  • Уменьшение длины задержки воспламенения в до- и сверхзвуковых потоках
  • Увеличение эффективности сжигания топлив (выделения химической энергии при горении)
  • Управление скоростью формирования загрязняющих атмосферу компонентов
  • Инициирование диффузионного и детонационного режимов горения в потоках
  • Ускорение горения (увеличение скорости выгорания смеси)
slide10

Последний метод наименее энергозатратный с точки зрения инициирования горения:

  • 0,19 эв/молекулу для возбуждения колебаний O2(V=1)
  • 0,98 эв/молекулу для возбуждениямолекулы O2 в первое электронно-возбужденное состояние O2(a1g)
  • 5,1 эв/молекулу для диссоциации молекулы O2
Методы управления горением
  • Нагрев среды вследствие воздействия термически равновесной плазмы: дуговой разряд, плазменный факел

(Kato, R., and I. Kimura. 1996. Numerical simulation of flame-stabilization and combustion promotion by plasma jets in supersonic air streams. 26th Symposium (International) on Combustion: 2941-47.

  • Takita, K. 2002. Ignition and flame-holding by oxygen, nitrogen and argon plasma torches in supersonic airflow. Combustion Flame 128(3): 301-13.)
  • Генерация активных атомов и радикалов путем фотодиссоциации реагирующих молекул и их диссоциации электронным ударом: O, H, OH

(Lucas, D., D. Dunn-Rankin, K. Hom, and N.J. Brown. 1987. Ignition by excimer laser photolysis of ozone. Combustion Flame 69(2): 171-84.

  • Chintala, N., R. Meyer, A. Hicks, B. Bystricky, J. W. Rich, W. R. Lempert, and I. V. Adamovich. 2004. Non-thermal ignition of premixed hydrocarbon-air and CO-air flows by nonequilibrium RF plasma. AIAA Paper 20 04-0835. )
  • Возбуждение колебательных и электронных состояний молекул:

H2(v) - Даутов Н.Г., Старик А.М. О возможности ускорения горения смеси H2+O2 при возбуждении колебательных степеней свободы молекул H2 или O2. Доклады АН. 1994. т.32. №5. с.617-622.

O2(a1g)-A.M. Старик, Н.С. Титова. Низкотемпературное инициирование детонационного горения газовых смесей в сверхзвуковом потоке при возбуждении молекулярного кислорода в состояние O2(a1g). Доклады АН. 2001. т.380. №3. с.332-337.

slide11

Увеличение эффективности сжигания топлива в ДВС с компрессионным воспламенением

.

Изменение концентрации NO в цилиндре ДВС при возбуждении и фотодиссоциации молекул O2

Преимущества:

  • Смесь сгорает очень быстро и практически полностью.
  • Работает на бедных смесях (на 30% беднее, чем современные ДВС), чтоулучшает экологические характеристики (меньше концентрация NO в выхлопе).

Недостаток:неустойчивая работа.

Цель:

  • улучшить процесс воспламенений и горения,
  • улучшить экологические характеристики двигателя.

Метод решения:возбуждение молекул O2 электрическим разрядом или резонансным лазерным излучением

Введение 4% O2(a1g)при разном bex

  • Возбуждение молекул O2(a1Dg) в оптимальный момент такта сжатия позволяет воспламенить смесь при меньшей начальной температуре, увеличить работу термодинамического цикла и уменьшить эмиссию экологически опасных соединений.
  • При 5% O2(a1Dg) от O2 работа увеличиваетсяна ~35%,эмиссия CO уменьшается на 40%,эмиссия NO – в ~5 раз.
  • Выигрыш в работе цикла при возбуждении молекул O2в 5 раз больше, чем при диссоциациимолекул O2 и значительно (в 10 и более раз) больше энергии, требуемой для возбуждения (2.4 Дж).
  • Возбуждение молекул O2 позволяет уменьшить степень компрессии в цилиндре двигателя при сохранении мощности двигателя, что приводит к уменьшению эмиссии NO и CO и к увеличению ресурса двигателя.
  • Возбуждение молекул O2 позволяет обеспечить устойчивую работу при горении ультрабедных смесей, которое реализуется на низких оборотах и, кроме того, эффективно управлять процессом воспламенения (запуском двигателя) и снизить расход топлива.

Изменение температуры в цилиндрев зависимости от угла наклона коленчатого вала при различных значениях угла, при котором происходит возбуждение

hcci o 2 a 1 d g
ДВС с системой HCCI. Возбуждение O2(a1Dg)

При концентрации O2(a1Dg) более 1% воспламенение наступает до момента максимального сжатия(до верхней мертвой точки) !!!

Снижение степени ком-прессии, уменьшение начальной температуры, обеднение cмеси.

Уменьшение температуры+ O2(a1)

  • При 5% O2(a1)от O2 работа увеличиваетсяна~35%;
  • эмиссия CO уменьшается на 40%,эмиссия NO уменьшается в ~10 раз.

Расчетно-экспериментальные исследования 2014- 2015 гг.

slide13
Предварительный реформинг углеводородов для обеспечения топливной экономичности
  • Один из способов улучшения горения углеводородных топлив – использование продуктов пиролиза или частичного окисления (конверсии) таких топлив в синтез газ.
  • Основные продукты конверсии – H2и CO (синтез газ). Состав синтез газа зависит от параметров смеси и типа углеводорода. Отношение H2/CO изменяется от 0.3 до 3. Синтез газ с большим содержанием H2имеет лучшие характеристики горения.
  • В настоящее время исследуется возможность использования плазмохимических методов конверсии углеводородов в синтез газ [Fridman, Kennedy, Plasma physics and engineering. N.Y. 2008; Shchedrin et al. AIAA 2010-7062, ].
  • Применяются различные методы конверсии:

1. Частичное окисление 2СН4 +О2 = 4Н2 + 2СО H=50kJ/mol

2. Паровая конверсия СН4 + Н2О = 3Н2 + СО H= -206kJ/mol

3. Сухая конверсия СН4 + СО2 = 2Н2 + 2СО H= -247kJ/mol

  • Задача – разработка методов, обеспечивающих наименьшие энергетические затраты и наибольший выход Н2 при конверсии углеводородов при воздействии термически неравновесной плазмы.

В Японии и Корее работают экспериментальные автобусы на синтез-газе, получаемом при реформинге углеврдородного топлива

4 4 2
Конверсия СН4 или смеси СН4 + Н2О в синтез газ:равновесный расчет

CH4+H2O, T0=const, P0=1 атм=const, требуется подвод энергии

CH4+O2, H=const, P0=1 атм=const, не требуется подвода энергии

CH4:O2:H2O=1.5:(1-a):a, H=const, T0=1000 K,

P0=1 атм=const,

H2O добавляется вместо O2

Добавляя Н2О в метан можно увеличить выход Н2 и получить соотношение Н2:СО больше 3.5, но при этом трудно обеспечить процесс конверсии на приемлемой длине. Поэтому требуется применение термически неравновесной плазмы.

slide15

Плазмохимические методы организации горения:оценка эффективности предварительного реформинга топлива для обеспечения топливной экономичности

Длина зоны индукции Lin(см) в проточном реак-торе в зависимости от E/N при энерговкладе Еs=0.2 Дж/см3. P0=1 атм, Т0=1000К, Uin = 10 м/с, L=1 м.

Блок-схема моделирования процесса конверсии смеси CH4-O2 в синтез-газ

(реформинг)

  • Для снижения массового расхода топлива при сохранении работоспособности продуктов сгорания необходимо, чтобы концентрация H2 в синтез-газе в 2.5 и более раз превышало концентрацию CO.

Состав синтез-газа, полученный в результате конверсии смеси CH4/O2 в реакторе.

  • При больших f нагрев газа не позволяет провести конверсию метана в синтез газ.
  • Наибольшая эффективность конверсии метана в синтез-газ достигается в случае возбуждения молекул O2 с E/N= (1÷2)×10−16 В·см2 электронами разряда, а наименьшая – при простом нагреве кислорода (дуговой разряд).
  • Сжигание синтез-газа позволяет уменьшить габариты камера сгорания.
  • Максимальный выход синтез-газа при конверсии метана реализуется при f=3.
  • Чем больше f, тем больше доля водорода в синтез газе.
slide16

Несамостоятельный разряд – как источник O2(a1g) при субатмосферном давлении

б)

a)

Te>Texc>Tv>T2~T

Спектр излучения газоразрядной плазмы в диапазоне 400-900 нм (а) и фрагмент полосы излучения кинглетного кислорода (O2(b1g+X3g–) (0,0) R- и P-ветви в области 762 нм (б). Смесь 5% O2/He, давление P = 760 Торр

Вид ГРК с оптическими коллиматорами ОМА-спектрометров (а)и свечение плазмы (б). Смесь 5% O2/He; давление P = 760 Торр.

Излучение O2(b1g+) 762 нм (1), HeI 728.2 нм (2) и OI 615.7 нм (3) и 844.6 нм (4) при P = 760 Торр взависимости от тока IDC в смеси 1% O2/He.

[O2(a1g)]=4.5% от [O2] при P0=0.2-1атм

slide17
Современные системы диагностики процессовв реагирующих потоках и в плазме

CH4 + ВОЗДУХ

ФОТО

OH (ЛИФ)

  • Методы измерения температуры и концентрации газовых компонентов, кластеров и сажевых частиц:
  • Когерентная антистоксова рамановская спектроскопия (КАРС)
  • Лазерно-индуцированная флуоресценция
  • Эмиссионная спектроскопия
  • Ионная масс-спектрометрия
  • Хромотография (2013)

17