О новых методах увеличения эффективности сжигания топлив в двигателях внутреннего сгорания

1. 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

2. 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.

3. 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

4. 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.

5. 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

6. 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.

7. 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

8. 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

9. 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)

10. 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.

11. 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

12. 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.

13. 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

14. 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.

15. 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.

16. 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

17. 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