View
88
Download
1
Category
Preview:
DESCRIPTION
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. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
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)
Recommended