slide1 n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
О новых методах увеличения эффективности сжигания топлив в двигателях внутреннего сгорания PowerPoint Presentation
Download Presentation
О новых методах увеличения эффективности сжигания топлив в двигателях внутреннего сгорания

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 17

О новых методах увеличения эффективности сжигания топлив в двигателях внутреннего сгорания - 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

О новых методах увеличения эффективности сжигания топлив в двигателях внутреннего сгорания


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