О новых методах увеличения эффективности сжигания топлив

Семинар «Перевод транспорта на газомоторное
топливо: проблемы и перспективы»
4 февраля 2014 г., Москва
О новых методах увеличения
эффективности сжигания топлив
в двигателях внутреннего сгорания
А.М. Старик
Центральный Институт Авиационного Моторостроения им. П.И. Баранова, Москва
Отделение 600 «Неравновесные физико-химические процессы 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.
Кинетические модели горения различных топлив
Углеводородные
топлива:
Синтетические
топлива:
Альтернативные
топлива:
Композитные
топлива:
CH4 – C12H26
CO+H2, CnHm+H2
криогенный метан,
биотоплива
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
Процессы в гомогенной камере сгорания
эксперимент (PLIF)
emperature: 300 457 615 772 930 1087 1244 1402 1559 1717 1874
квазиламинарная модель горения FLUENT
0.3
0.25
0.2Сравнение с экспериментом
Поле концентрации радикала OH
Y
(H2:CO=1:2)+воздух, f=0.3
CO, ppm NO, ppm N2O, ppm
0.15
эксперимент
0.1расчет
0.05
0
1.2
0.0001
3.8
0.3
0.25
-0.1
0
X
0.1
Поле температуры при горении метана с =1.37.
0.2
CH4 + (CO:H2 = 1:1) + воздух
воздух
=1.37 =1.37 =1.58 =2.74
2.5
Temperature: 300 457 615 772 930 1087 1244 1402 1559 1717 1874
0
Концентрации компонентов на выходе КС
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
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)
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).
Доля H2 в топливе
C3H8+H2
мольная
0%
50%
80%
95%
100%
U n , cm/s
Te, K
Te
массовая
0%
4%
15%
46%
100%
2200
50
40
U n , cm/s
2000
20
Un
20
0% 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.
1.E+02
Ignition delay, s
1.E+01
1.E+00
80% H2
1.E-01
50% H2
1.E-03
100% H2
0% H2
1.E-04
95% H2
1.E-05
P =1 atm
1.E-06
0.5
0.7
0.9
1.1
1.3
1000/T 0 , 1/K
1.5
1.7
0
0.7
0.9
1.1
1.3
0% H2
15 U n =14.1 cm/s
50% H2
0.5
50% H2
U n =16.7 cm/s
1800
10
1.E-02
g NO =2.3 ppm
g CO =18 ppm
30
1.5
f
1600
g NO =2.6 ppm
g CO =20 ppm
g NO =1.2 ppm
g CO =8.3 ppm
10
f=0.57 f=0.6
5
0.5
0.55
0.6
0.65
f
 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.
Использование разных топлив в двигателе внутреннего
сгорания с циклом HCCI
Момент воспламенения bign, 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.
bign, Мощность, Уд. расход,
топливо
C T0, K
град.
кВт
г/кВт∙ч
АПД 912iS бензин
Фирма
10.5 288
69
293
95
«Rotax»
Двигатель
HCCI
=1
=2
CH4
C3H8
i-C8H18
n-C10H22
CH4
C3H8
i-C8H18
n-C10H22
CH4
C3H8
i-C8H18
n-C10H22
720
10.5 630
620
600
600
16.5 530
530
380
560
16.5 500
500
450
6
7.6
6.2
10.5
7
7
6.6
5.9
7
8.3
9.8
8.5
29
38
39
40
40
50
51
74
25
31
31
35
181
187
194
200
153
160
166
163
135
141
147
147
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).
3000
=1, C=16.5, bign~6-7°
2500
2000
T, K
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).
1500
CH4, T0=600 K
1000
C3H8, T0=530 K
i-C8H18, T0=530 K
n-C10H22, T0=380 K
500
-60
-40
-20
0
20
Crank angle, degree
40
60
Заменяя топливо в ДВС с циклом
HCCI можно:
 уменьшить расход топлива,
 увеличить мощность двигателя,
 снизить эмиссию NO, CO
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
Управление процессами горения путем селективного
возбуждения колебательных и электронных состояний
реагирующих молекул (ДАН, 1994)
Специально организованный
электрический разряд
e
Резонансное лазерное
излучение
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)
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 jetsПоследний
in supersonic airметод
streams.наименее
26th Symposium
(International) on Combustion:
энергозатратный
с точки2941-47.
зрения
Takita, K. 2002.
Ignition and flame-holding
by oxygen, nitrogen and argon plasma torches in supersonic
инициирования
горения:
airflow. Combustion Flame 128(3): 301-13.)
- 0,19 эв/молекулу для возбуждения колебаний O2(V=1)
 Генерация
активных
атомовдля
и радикалов
путем
фотодиссоциации
- 0,98
эв/молекулу
возбуждения
молекулы
O2 в первое
реагирующих
молекул и их диссоциации
электронным
электронно-возбужденное
состояние
O2(a1g) ударом: O, H, OH
(Lucas, D., D. Dunn-Rankin, K. Hom, and N.J. Brown. 1987. Ignition by excimer laser photolysis of
- 5,1 эв/молекулу для диссоциации молекулы O2
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. Nonthermal 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.
Увеличение эффективности сжигания топлива в ДВС с
компрессионным воспламенением
Изменение концентрации NO в
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
 Возбуждение молекул O2(a1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% O2(a1g) 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.
цилиндре ДВС при возбуждении и
фотодиссоциации молекул O2
g NO
базовый случай
0.0004
0.0003
фотодиссоциация молекул O2
0.0002
возбуждение молекул O2
0.0001
0
0
20
40
60
b,80
град
Введение 4% O2(a1g) при
разном bex
T, K
2200
-10°
-30°
-50°
-142°
1800
-10°
1400
-50°
-30°
1000 -142°
b, градус
600
-50
-30
-10
10
Изменение температуры в цилиндре в
зависимости от угла наклона коленчатого вала
при различных значениях угла, при котором
происходит возбуждение
.
ДВС с системой HCCI. Возбуждение O2(a1g)
При концентрации O2(a1g) более 1% воспламенение наступает до момента
максимального сжатия (до верхней мертвой точки) !!!
T, K
P , atm
80
2100
Снижение
степени компрессии,
уменьшение
начальной
температуры,
обеднение
1
4% O2(a )
1900
1700
1500
1% O2(a 1)
1300
0% O2(a 1)
1100
эксперимент
cмеси.
900
4% O2(a 1)
70
60
1% O2(a 1)
50
0% O2(a 1)
40
эксперимент
30
20
10
700
Crank angle [degrees]
Crank angle [degrees]
500
0
-60
70
P , атм
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
Уменьшение температуры + O2(a1)
-60
-40
1.E-03
-20
0
20
40
1
T 0=477 K, 0% O2(a  g)
30
20
1
T 0=340 K, 5% O2(a  g)
10
Расчетно-экспериментальные
исследования 2014- 2015 гг.
80
100
120
T 0=477 K, 0% O2(a1 g)
 При 5% O2(a1) от O2 работа
увеличивается на~35%;
эмиссия CO уменьшается на 40%,
эмиссия NO уменьшается в ~10 раз.
60
мольная доля NO
60
50
40
1.E-04
T 0=340 K, 5% O2(a1 g)
1.E-05
Crank angle
1.E-06
0
0
400
800
1200
V1600
,см3
0
40
80
120
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
CH4+H2O, T0=const, P0=1 атм=const,
требуется подвод энергии
g H2
CH4+O2, H=const, P0=1 атм=const,
не требуется подвода энергии
g0.7
i
0.74
T 0 =1200 K
0.72
H2
0.6
CH4:O2:H2O=1.5:(1-):,
H=const, T0=1000 K,
P0=1 атм=const,
H2O добавляется вместо O2
T 0=1000 K
0.5
T 0=1200K
0.7
0.4
CO
0.68
0.66
T 0 =1000 K
0.2
0.64
0.6
0.8
1
1.2
g0.66
H2
T,K
0.64
2000
0.62
1750
0.3
g CH4 /g1.4
H2O
2
3
4
f
5
g H2/g CO
g H2/g CO
2
1500
0.6
T
H2
3.6
T 0 =1000 K
1.8
3.4
0.58
1250
0.56
1000
1.6
3.2
T 0 =1200 K
3
1.2
2.8
1
0.6
0.8
1
0
1.4
1.2
g CH4 /g1.4
H2O
2
3
4
5
5
10
15
20
25
 30
f
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
Блок-схема моделирования процесса
конверсии смеси CH4-O2 в синтез-газ
CH4
T0, P0, f
O2
Электрический
разряд
E/N, Еs
Кислородная
плазма
Uin
Реактор
мгновенного
смешения
Tmix, P0
Tdis, P0
Длина зоны индукции Lin (см) в проточном реакторе в зависимости от E/N при энерговкладе Еs=0.2
Дж/см3. P0=1 атм, Т0=1000К, Uin = 10 м/с, L=1 м.
Проточный Синтезгаз
реактор
(реформинг)
x=100 см
 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.
f=2
f=3
f=4
gCO
0.291
0.320
0.206
gH2
0.335
0.563
0.476
CO:H2
46:54
36:64
30:70
 Максимальный выход синтез-газа при
конверсии метана реализуется при f=3.
 Чем больше f, тем больше доля
водорода в синтез газе.
E/N∙1016, В∙см2
f=2
f=3
f=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
 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.
Несамостоятельный разряд – как источник O2(a1g) при
субатмосферном давлении
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
a)
б)
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 в зависимости от тока IDC в смеси 1% O2/He.
[O2(a1g)]=4.5% от [O2] при P0=0.2-1атм
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)
CH4 + ВОЗДУХ
ФОТО
OH (ЛИФ)
17