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

Отделение 600 «Неравновесные физико-химические процессы в газовых потоках и в элементах реактивных двигателей» 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. Старик А. М. проф., Д.ф.-м.н., начальник отделения

Кинетические модели горения различных топлив Углеводородные топлива: CH 4 – C 12 H 26 Синтетические топлива: CO+H 2, C n H m +H 2 Альтернативные топлива: криогенный метан, биотоплива Композитные топлива: бензин, дизельное топливо, авиационный керосин Модели формирования экологически опасных соединений NO x, CO x, So x,HO x, HNO y, 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

квазиламинарная модель горения FLUENT эксперимент (PLIF) Поле концентрации радикала OH Поле температуры при горении метана с =1.37. CH 4 + воздух (CO:H 2 = 1:1) +воздух =1.37 =1.58 =2.74 T ex, K NO, ppm N 2 O, ppm CO, ppm CO 2, ppm Процессы в гомогенной камере сгорания Концентрации компонентов на выходе КС CO, ppmNO, ppmN 2 O, ppm эксперимент 01.2 расчет Сравнение с экспериментом (H 2 :CO=1:2)+воздух, =0.3

Применение газомоторного топлива (природного газа) в ДВС Преимущества: пониженная эмиссия NO, СО. СО 2 относительно большая безопасность относительная дешевизна Недостатки: повышенная эмиссия Н 2 О, НNO 2, НNO 3 более узкий диапазон устойчивого горения ( и по концентрации и по температуре) более жесткие условия воспламенения и меньшая скорость распространения пламени (всего 40 см/с при стехиометрии в нормальных условиях), что требует большего расхода топлива особенно при запуске двигателя и на малых оборотах Альтернатива: использование синтез-газа с повышенным содержанием Н 2 и смесевых топлив, например, С 3 Н 8 + Н 2, переход к НССI циклу

Особенности горения смесевых топлив (C 3 H 8 +H 2 ) Время задержки воспламенения смесевого топлива C 3 H 8 +H 2 в воздухе ( =1) в зависимости от начальной температуры T 0 при P=1 атм и различной доли H 2 в топливе. Доля H 2 в топливе C 3 H 8 +H 2 мольнаямассовая 0% 50%4% 80%15% 95%46% 100% При высокой температуре добавка H 2 ускоряет воспламенение, при низкой – замедляет. Добавка H 2 увеличивает скорость ламинарного пламени U n : в бедной смеси на ~15%, в стехиометрической и богатой смесях на 20-30%. Температура продуктов сгорания в богатых смесях увеличивается на K. Добавка 50% H 2 уменьшает концентрацию CO на 10-15% за счет уменьшения количества атомов углерода в смеси. Добавка H 2 в бедных смесях уменьшает концентрацию NO в продуктах сгорания на 10-15%. Сжигание более бедных смесей позволяет более чем вдвое уменьшить эмиссию NO и CO при сохранении мощности двигателя. Скорость ламинарного пламени и температура продуктов сгорания смеси C 3 H 8 +H 2 +воздух с долей H 2 в топливе 0 и 50% (T 0 =300 K, P=1 атм).

Использование разных топлив в двигателе внутреннего сгорания с циклом HCCI Момент воспламенения ign, мощность и удельный расход топлива АПД 912iS (заявлено производителем) и двигателя HCCI при частоте вращения коленчатого вала 5500 об/мин, коэффициенте избытка воздуха =1, 2, начальной температуре топливовоздушной смеси T 0 и степени сжатия C. топливоCT 0, K ign, град. Мощность, к Вт Уд. расход, г/к Втч АПД 912iS Фирма «Rotax» бензин ДвигательCH HCCIC3H8C3H =1 i-C 8 H n-C 10 H CH C3H8C3H i-C 8 H n-C 10 H CH =2 C3H8C3H i-C 8 H n-C 10 H Заменяя топливо в ДВС с циклом HCCI можно: уменьшить расход топлива, увеличить мощность двигателя, снизить эмиссию NO, CO 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 5500 об/мин, коэффициенте избытка воздуха =1, степень сжатия C=16.5). Преимущества: Смесь сгорает очень быстро и практически полностью. Работает на бедных смесях (на 30% беднее, чем современные ДВС), что улучшает экологические характеристики (меньше концентрация NO и СО в выхлопе).

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

Возбуждение колебательных: H 2 (V), O 3 (V), H 2 O(V), CO(V),N 2 (V) и электронных: O 2 (a1), O 2 (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) Управление процессами горения путем селективного возбуждения колебательных и электронных состояний реагирующих молекул (ДАН, 1994) Резонансное лазерное излучение Специально организованный электрический разряд e h

Нагрев среды вследствие воздействия термически равновесной плазмы: дуговой разряд, плазменный факел (Kato, R., and I. Kimura Numerical simulation of flame-stabilization and combustion promotion by plasma jets in supersonic air streams. 26th Symposium (International) on Combustion: Takita, K Ignition and flame-holding by oxygen, nitrogen and argon plasma torches in supersonic airflow. Combustion Flame 128(3): ) 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 Ignition by excimer laser photolysis of ozone. Combustion Flame 69(2): Chintala, N., R. Meyer, A. Hicks, B. Bystricky, J. W. Rich, W. R. Lempert, and I. V. Adamovich Non- thermal ignition of premixed hydrocarbon-air and CO-air flows by nonequilibrium RF plasma. AIAA Paper ) Возбуждение колебательных и электронных состояний молекул: H 2 (v) - Даутов Н.Г., Старик А.М. О возможности ускорения горения смеси H 2 +O 2 при возбуждении колебательных степеней свободы молекул H 2 или O 2. Доклады АН т с O 2 (a 1 g ) - A.M. Старик, Н.С. Титова. Низкотемпературное инициирование детонационного горения газовых смесей в сверхзвуковом потоке при возбуждении молекулярного кислорода в состояние O 2 (a 1 g ). Доклады АН т с Методы управления горением Последний метод наименее энергозатратный с точки зрения инициирования горения: - 0,19 эв/молекулу для возбуждения колебаний O 2 (V=1) - 0,98 эв/молекулу для возбуждения молекулы O 2 в первое электронно-возбужденное состояние O 2 (a 1 g ) - 5,1 эв/молекулу для диссоциации молекулы O 2

Увеличение эффективности сжигания топлива в ДВС с компрессионным воспламенением Возбуждение молекул O 2 (a 1 g ) в оптимальный момент такта сжатия позволяет воспламенить смесь при меньшей начальной температуре, увеличить работу термодинамического цикла и уменьшить эмиссию экологически опасных соединений. При 5% O 2 (a 1 g ) от O 2 работа увеличивается на ~35%, эмиссия CO уменьшается на 40%, эмиссия NO – в ~5 раз. Выигрыш в работе цикла при возбуждении молекул O 2 в 5 раз больше, чем при диссоциации молекул O 2 и значительно (в 10 и более раз) больше энергии, требуемой для возбуждения (2.4 Дж). Возбуждение молекул O 2 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 O 2 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.. Преимущества: Смесь сгорает очень быстро и практически полностью. Работает на бедных смесях (на 30% беднее, чем современные ДВС), что улучшает экологические характеристики (меньше концентрация NO в выхлопе). Недостаток: неустойчивая работа. Цель: улучшить процесс воспламенений и горения, улучшить экологические характеристики двигателя. Метод решения: возбуждение молекул O 2 электрическим разрядом или резонансным лазерным излучением Изменение концентрации NO в цилиндре ДВС при возбуждении и фотодиссоциации молекул O 2 Изменение температуры в цилиндре в зависимости от угла наклона коленчатого вала при различных значениях угла, при котором происходит возбуждение Введение 4% O 2 (a 1 g ) при разном b ex

ДВС с системой HCCI. Возбуждение O 2 (a 1 g ) При концентрации O 2 (a 1 g ) более 1% воспламенение наступает до момента максимального сжатия (до верхней мертвой точки) !!! Уменьшение температуры + O 2 (a1) При 5% O 2 (a1) от O 2 работа увеличивается на~35%; эмиссия CO уменьшается на 40%, эмиссия NO уменьшается в ~10 раз. Расчетно-экспериментальные исследования гг. Снижение степени ком- прессии, уменьшение начальной температуры, обеднение cмеси.

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 – H 2 и CO (синтез газ). Состав синтез газа зависит от параметров смеси и типа углеводорода. Отношение H 2 /CO изменяется от 0.3 до 3. Синтез газ с большим содержанием H 2 имеет 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 , ]. Применяются различные методы конверсии: 1. Частичное окисление 2СН 4 +О 2 = 4Н 2 + 2СО H= 50kJ/mol 2. Паровая конверсия СН 4 + Н 2 О = 3Н 2 + СО H= -206kJ/mol 3. Сухая конверсия СН 4 + СО 2 = 2Н 2 + 2СО H= -247kJ/mol Задача – разработка методов, обеспечивающих наименьшие энергетические затраты и наибольший выход Н 2 при конверсии углеводородов при воздействии термически неравновесной плазмы. В Японии и Корее работают экспериментальные автобусы на синтез-газе, получаемом при реформинге углеврдородного топлива

Конверсия СН 4 или смеси СН 4 + Н 2 О в синтез газ: равновесный расчет CH 4 +H 2 O, T 0 =const, P 0 =1 атм=const, требуется подвод энергии CH 4 +O 2, H=const, P 0 =1 атм=const, не требуется подвода энергии CH 4 :O 2 :H 2 O=1.5:(1- ):, H=const, T 0 =1000 K, P 0 =1 атм=const, H 2 O добавляется вместо O 2 Добавляя Н 2 О в метан можно увеличить выход Н 2 и получить соотношение Н 2 :СО больше 3.5, но при этом трудно обеспечить процесс конверсии на приемлемой длине. Поэтому требуется применение термически неравновесной плазмы.

Плазмохимические методы организации горения: оценка эффективности предварительного реформинга топлива для обеспечения топливной экономичности CO H2 CO:H 2 = :54 = :64 = :70 Блок-схема моделирования процесса конверсии смеси CH 4 -O 2 в синтез-газ Состав синтез-газа, полученный в результате конверсии смеси CH 4 /O 2 в реакторе. Длина зоны индукции L in (см) в проточном реак- торе в зависимости от E/N при энерговкладе Е s =0.2 Дж/см 3. P 0 =1 атм, Т 0 =1000К, U in = 10 м/с, L=1 м. При больших нагрев газа не позволяет провести конверсию метана в синтез газ. Наибольшая эффективность конверсии метана в синтез-газ достигается в случае возбуждения молекул O 2 с E/N = (1÷2)×10 16 В·см 2 электронами разряда, а наименьшая – при простом нагреве кислорода (дуговой разряд). Сжигание синтез-газа позволяет уменьшить габариты камера сгорания. Для снижения массового расхода топлива при сохранении работоспособности продуктов сгорания необходимо, чтобы концентрация H 2 в синтез-газе в 2.5 и более раз превышало концентрацию CO. E/N10 16, Всм 2 =2 =3 =4 0 нет нет нагрев 91 нет Максимальный выход синтез-газа при конверсии метана реализуется при =3. Чем больше, тем больше доля водорода в синтез газе. (реформинг)

Вид ГРК с оптическими коллиматорами ОМА-спектрометров (а) и свечение плазмы (б). Смесь 5% O 2 /He; давление P = 760 Торр. Несамостоятельный разряд – как источник O 2 (a 1 g ) при субатмосферном давлении a) б) T e >T exc >T v >T 2 ~T [O 2 (a 1 g )]=4.5% от [O 2 ] при P 0 =0.2-1 атм Излучение O 2 (b 1 g + ) 762 нм (1), HeI нм (2) и OI нм (3) и нм (4) при P = 760 Торр в зависимости от тока I DC в смеси 1% O 2 /He. Спектр излучения газоразрядной плазмы в диапазоне нм (а) и фрагмент полосы излучения кинглетного кислорода (O 2 (b 1 g + X 3 g – ) (0,0) R- и P-ветви в области 762 нм (б). Смесь 5% O 2 /He, давление P = 760 Торр

17 Современные системы диагностики процессов в реагирующих потоках и в плазме 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) CH 4 + ВОЗДУХ ФОТО OH (ЛИФ)