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 топливКинетические 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 Модели формирования экологически опасных соединенийсоединений

NOx, COx, Sox,HOx, HNOy, органика,

ионы

Полиароматические углеводороды и

сажевые частицы

Сульфатные и органические аэрозоли

ПрименениеПрименение

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

X

Y

-0.1 0 0.10

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Temperature: 300 457 615 772 930 1087 1244 1402 1559 1717 1874

X

Y

-0.1 0 0.10

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Temperature: 300 457 615 772 930 1087 1244 1402 1559 1717 1874

Поле температуры при горении метана с =1.37.

CH4 + воздух

(CO:H2 = 1:1) +

воздух

=1.37 =1.37 =1.58 =2.74

Tex, K 1962 2121 1963 1517

NO, ppm 161 370 66 0.57

N2O, ppm 0.07 0.27 0.28 0.55

CO, ppm 137 1787 459 2.7

CO2, ppm 33400 58300 59100 64600

Процессы в гомогенной камере сгорания

Концентрации компонентов на выходе КС CO, ppm NO, ppm N2O, ppm

эксперимент 0 1.2

расчет 0.0001 3.8 2.5

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

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/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 Н2 и смесевых топлив, например, С3Н8 + Н2, переход к НССI циклу

Особенности горения смесевых топлив (C3H8+H2)

Время задержки воспламенения смесевого топлива C3H8+H2 в воздухе (=1) в зависимости от начальной температуры T0 при P=1 атм и различной доли H2 в топливе.

Доля H2 в топливе C3H8+H2

мольная массовая

0% 0%

50% 4%

80% 15%

95% 46%

100% 100%

1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

1.E+01

1.E+02

0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.71000/T 0, 1/K

Igni

tion

del

ay, s

0% H2

50% H2

100% H2

80% H2

95% H2

P =1 atm

При высокой температуре добавка H2 ускоряет воспламенение, при низкой – замедляет. Добавка H2 увеличивает 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% H2 уменьшает концентрацию CO на 10-15% за счет уменьшения количества атомов углерода в смеси. Добавка H2 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 C3H8+H2+воздух с долей H2 в топливе 0 и 50% (T0 =300 K, P=1 атм).

5

10

15

20

0.5 0.55 0.6 0.65

U n , cm/s

0% H2

50% H2

gNO=2.6 ppm gCO=20 ppm

U n =16.7 cm/s

gNO=1.2 ppmgCO=8.3 ppm

=0.6=0.57

U n =14.1 cm/s

gNO=2.3 ppmgCO=18 ppm

0

10

20

30

40

50

0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5

1600

1800

2000

2200

U n , cm/s

U n

T e , KT e

0% H2

50% H2

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 T0 и степени сжатия C.

топливо C T0, K ign,

град. Мощность,

кВт

Уд. расход, г/кВт∙ч

АПД 912iS Фирма «Rotax»

бензин 95 10.5 288 - 69 293

Двигатель CH4 720 6 29 181HCCI C3H8 10.5 630 7.6 38 187=1 i-C8H18 620 6.2 39 194

n-C10H22 600 10.5 40 200CH4 600 7 40 153

C3H8 16.5 530 7 50 160

i-C8H18 530 6.6 51 166n-C10H22 380 5.9 74 163CH4 560 7 25 135

=2 C3H8 16.5 500 8.3 31 141i-C8H18 500 9.8 31 147n-C10H22 450 8.5 35 147

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: 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)

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. 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(a1g) - A.M. Старик, Н.С. Титова. Низкотемпературное инициирование детонационного

горения газовых смесей в сверхзвуковом потоке при возбуждении молекулярного кислорода в состояние O2(a1g). Доклады АН. 2001. т.380. №3. с.332-337.

Методы управления горением

Последний метод наименее энергозатратный с точки зрения инициирования горения:- 0,19 эв/молекулу для возбуждения колебаний O2(V=1)- 0,98 эв/молекулу для возбуждения молекулы O2 в первое электронно-возбужденное состояние O2(a1g)

- 5,1 эв/молекулу для диссоциации молекулы O2

Увеличение эффективности сжигания топлива в ДВС с Увеличение эффективности сжигания топлива в ДВС с компрессионным воспламенениемкомпрессионным воспламенением

Возбуждение молекул O2(a1g) 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(a1g) от O2 работа увеличивается на ~35%, эмиссия CO уменьшается на 40%, эмиссия NO – в ~5 раз. Выигрыш в работе цикла при возбуждении молекул O2 в 5 раз больше, чем при диссоциации молекул 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.

.

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 O2

электрическим разрядом или резонансным лазерным излучением

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

0

0.0001

0.0002

0.0003

0.0004

0 20 40 60 80, град

gNO

возбуждение молекул O2

фотодиссоциация молекул O2

базовый случай

600

1000

1400

1800

2200

-50 -30 -10 10

T , K

-142°

, градус

-50°

-30°

-10°

-142°

-50° -30°

-10°

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

Введение 4% O2(a1g) при разном bex

ДВС с системой HCCI. Возбуждение O2(a1g)

500

700

900

1100

1300

1500

1700

1900

2100

-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120

T , K

Crank angle [degrees]

4% O2(a1)

0% O2(a1)

эксперимент

1% O2(a1)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120

P , atm

Crank angle [degrees]

4% O2(a1)

1% O2(a1)

эксперимент

0% O2(a1)

При концентрации O2(a1g) более 1% воспламенение наступает до момента максимального сжатия (до верхней мертвой точки) !!!

1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

0 40 80 120

мольная доля NO

Crank angle

T 0=340 K, 5% O2(a1

g)

T 0=477 K, 0% O2(a1

g)

0

10

20

30

40

50

60

70

0 400 800 1200 1600V ,см3

P , атм

T 0=340 K, 5% O2(a1

g)

T 0=477 K, 0% O2(a1

g)

Уменьшение температуры + O2(a1)

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

Расчетно-экспериментальные исследования 2014- 2015 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 – H2 и 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 H2 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 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

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

2.8

3

3.2

3.4

3.6

0.6 0.8 1 1.2 1.4g

CH4/gH2O

gH2/gCO

T 0=1000 K

T 0=1200 K

0.64

0.66

0.68

0.7

0.72

0.74

0.6 0.8 1 1.2 1.4gCH4/gH2O

gH2

T 0=1000 K

T 0=1200 K

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

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

2 3 4 5

gi

H2

CO

T 0=1000 K

T 0=1200K

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

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2 3 4 5

gH2/gCO

CH4:O2:H2O=1.5:(1-):, H=const, T0=1000 K, P0=1 атм=const, H2O добавляется вместо O2

0.56

0.58

0.6

0.62

0.64

0.66

0 5 10 15 20 25 30

1000

1250

1500

1750

2000

gH2 T , K

H2 T

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.

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

gCO gH2 CO:H2

=2 0.291 0.335 46:54

=3 0.320 0.563 36:64

=4 0.206 0.476 30:70

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

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

CH4

O2

T0, P0, Электрическийразряд

E/N, Еs

Кислороднаяплазма

Tdis, P0

Реактормгновенного смешения

Tmix, P0

Проточныйреактор

x=100 см

Синтез-газ

Uin

CH4

O2

T0, P0, Электрическийразряд

E/N, Еs

Кислороднаяплазма

Tdis, P0

Реактормгновенного смешения

Tmix, P0

Проточныйреактор

x=100 см

Синтез-газ

Uin

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.

При больших 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.

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.

E/N∙1016, В∙см2 =2 =3 =4

0 нет нет нет

1 6.4 19 41

2 7.9 23 49

5 15 39 76

15 23 54 нет

нагрев 91 нет 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% O2/He; давление P = 760 Торр.

Несамостоятельный разряд – как источник O2(a1g) при субатмосферном давлении

a) б)

Te>Texc>Tv>T2~T

[O2(a1g)]=4.5% от [O2] при P0=0.2-1атм

Излучение O2(b1g+) 762 нм (1), HeI 728.2 нм (2) и OI 615.7 нм (3) и 844.6 нм

(4) при P = 760 Торр в зависимости от тока IDC в смеси 1% O2/He.

Спектр излучения газоразрядной плазмы в диапазоне 400-900 нм (а) и фрагмент полосы излучения кинглетного кислорода (O2(b1g

+X3g–) (0,0) R-

и P-ветви в области 762 нм (б). Смесь 5% O2/He, давление P = 760 Торр

1717

Современные системы диагностики процессовСовременные системы диагностики процессов в в реагирующих потоках и в плазмереагирующих 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)

CH4 + ВОЗДУХ

ФОТО OH (ЛИФ)