Особенности горения альтернативных моторных топлив

УДК 621.4

ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ

Канд. техи. наук АССАД М., докт. физ.-мат. наук ПЕНЯЗЬКОВ О. Г.

Барановичский государственный университет, Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова HAH Беларуси

Динамика роста цен на нефть на мировом рынке, связанная с состоянием экономики, последние, крайне пессимистические прогнозы относительно добычи нефти и других невозобновляемых источников энергии, а также жесткие ограничения на количество выбросов в атмосферу привели к тому, что начались широкомасштабные исследования новых возможностей и технологий для выхода из глобального энергетического кризиса.

В двигателестроении решение возникшей эколого-энергетической проблемы путем совершенствования конструкции существующих двигателей внутреннего сгорания возможно за счет: совершенствования рабочего процесса для обеспечения максимальной полноты сгорания топлива на всех режимах работы двигателя; использования различных устройств нейтрализации и фильтрации для обезвреживания отработавших газов и т. д. Однако применение этих довольно сложных и дорогостоящих устройств недостаточно эффективно и связано со значительными затратами.

Более эффективным и относительно менее затратным представляется использование альтернативных видов топлива, одним из которых является водород.

Водород - один из наиболее энергоемких топлив, его массовая теплота сгорания почти в три раза выше, чем у углеводородных топлив, и составляет 120,1 МДж/кг. Кроме того, моторные свойства водорода (широкие концентрационные пределы воспламенения, высокая скорость сгорания, большой коэффициент диффузии по сравнению с топливом нефтяного происхождения) и его экологическая чистота позволяют предположить возможность и целесообразность его применения в качестве топлива для современных двигателей внутреннего сгорания. По мнению некоторых исследователей [1,2], использование водорода может привести к повышению топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на частичных нагрузках за счет работы на более бедных составах рабочей смеси при качественном регулировании мощности, а также к снижению уровня токсичности отработавших газов, что особенно актуально в условиях городской эксплуатации.

Однако проблема использования водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей комплексная. Она включает довольно обширный круг вопросов: изучение возможности перевода на водород современных двигателей внутреннего сгорания; исследование особенностей рабочего процесса этих двигателей при работе на водороде; оптимальное регулирование рабочего процесса, обеспечивающее максимальную топливную экономичность и минимальную токсичность отработавших газов; разработку систем питания и эффективных способов хранения водорода на борту ав-

томобиля, а также относительно приемлемые затраты на получение водорода, его транспортировку и хранение; разработку заправочных станций и др.

Существенным фактором является возможность применения водорода в двигателях внутреннего сгорания без их коренной перестройки [3,4].

Исследование сгорания топлива как основы рабочего процесса в ДВС -важнейшая задача при использовании новых видов топлива. Кинетика сгорания углеводородных топлив представляет собой комплекс сложных взаимодействующих физико-химических процессов, в основе которых лежит химическая реакция между горючим веществом и окислителем. Процесс сгорания обычно носит комбинированный цепно-тепловой характер, в основе которого лежит сочетание теории о тепловом механизме реакции горения, разработанной Аррениусом, и теории о цепном механизме химических реакций, разработанной Н. Н. Семеновым [5-8].

Авторами данной работы проводились сравнительные исследования процесса горения различных газовоздушных смесей, включая водород. Эксперименты проводились в лабораторных условиях в прозрачной модельной камере сгорания с внутренним диаметром 80 мм и высотой 15 мм. Топливовоздушная смесь воспламенялась от постороннего источника -свечи зажигания.

Ниже приведен химический состав исследованных в экспериментах то-пливовоздушных смесей.

Смесь № 1. Пропан (С3Н8 + 502 + 18,81\Г2).

Смесь № 2. Водород + воздух (2Н2 + 02 + 3,761чГ2).

Смесь № 3. Продукты конверсии пропана (СО+ 1,ЗЗН2+ 1,1702 + 6,ЗН2).

Смесь № 4. Пропан + водород (2С3Н8 + Н2 +10,502 + 39,51Ч2).

Смесь № 5. Пропан + водород (С3Н8 + 1,1Н2 + 5,602 + 2Щ2).

Горение пропана (смесь № 1) моделировало характерные режимы работы ДВС на углеводородных топливах. В качестве альтернативы рассматривались стехиометрический состав воздуха и водорода (смесь № 2) и продуктов неполного окисления пропана (смесь № 3), полученных в ходе реакции:

С3Н8 + 1,502 + 5,64К2 -» ЗСО + 4Н2 + 5,64К2.

Кроме того, было проанализировано влияние малых добавок водорода на характеристики горения пропановоздушной смеси в камере сгорания. В данном случае концентрация водорода находилась ниже пределов его воспламенения и составляла 2 % (смесь №4) и 4 % (смесь № 5) соответственно.

На рис. 1 и 2 приведены характерные зависимости суммарного времени горения исследованных видов топлива и максимального прироста давления в камере сгорания от начального давления среды. Опыты показали, что время горения пропана было наибольшим. Причем с увеличением начального давления смеси пропана с воздухом время ее сгорания в камере начинало почти линейно возрастать от значения 38,7 мс при давлении 1 атм и достигало максимальной величины 55 мс при давлении 9,7 атм (рис. 1, кривая 2). Видно, что небольшие добавки водорода к пропановоздушной смеси существенно влияют на общее время горения в камере сгорания, ко-

торое снижается при добавлении 4 % водорода на 22-23 % по сравнению с исходным составом. При этом качественно вид зависимости времени горения от давления среды остается прежним (рис. 1, кривые 3, 4). Как в чистом пропане, так и в смесях пропана с небольшими добавках водорода максимальный прирост давления в камере сгорания почти не зависел от начальных условий при давленияхр0 > 6 атм (рис. 2).

Ртах/Ро.

Trop, мС

40-

S Ддб I

Д д • •

20

W? у ^ ч V v

осоо

- 1

- 2

д - 3

• • 4

7 - 5

6

8 ю ро, атм

qQ о  QQqQD2 X д * Ж Ô А! *

V V V V v

У V v

а - 1 - г л - з

• - 4

V - 5

6

8 ро, атм

Рис. 1. Зависимость продолжительности горения исследованных видов топлива в камере сгорания от начального давления среды: 1 -смесь № 2; 2 - № 1; 3 - № 4; 4 -№ 5; 5 - № 3

Рис. 2. Зависимость максимального прироста давления в камере сгорания от начального давления среды: 1 - № 2; 2 -№ 1; 3 - № 4; 4 - № 5; 5 - № 3

Следует отметить, что продукты конверсии пропана сгорают быстрее, чем исходная пропановоздушная смесь при эквивалентных условиях (рис. 1, кривая 5). Общее время их горения в 2,2-2,7 раза меньше, чем у пропана, и почти не зависит от начального давления среды в камере сгорания. Ввиду наличия значительного количества балластного азота, оставшегося в смеси после реакции неполного окисления, максимальный прирост давления в камере при горении продуктов конверсии снижается в 1,10-1,13 раза по сравнению со стехиометрической смесью пропана и воздуха (рис. 2).

Из рис. 1 и 2 видно, что наиболее выигрышный режим горения в камере сгорания наблюдается при использовании чистого водородного топлива. Время горения водорода в камере оказывается значительно меньше, чем у пропана во всем диапазоне начальных условий. При начальном давлении среды р0 > 4 атм время горения в камере почти не зависит от начальных условий. Горение смеси водорода с воздухом характеризуется наиболее высоким значением максимального давления в камере сгорания (рис. 2, кривая 1).

Скорость волны горения в смесях пропана и продуктов его конверсии с воздухом вдоль диаметра камеры сгорания как функция от времени представлены на рис. 3. Как видно из графиков, скорость распространения пламени не является стационарной и существенно меняется со временем. Общий вид ее функциональной зависимости в обеих смесях подобен, несмотря на существенную разницу во времени горения. Пиковая скорость достигается в течение первых 5-10 мс от момента поджига, и ее численное значение почти на порядок превышает величину ламинарной скорости горения для данных смесей (рис. 3).

Vroo, М/С

Woo, М/С

Синтез-газ

вдоль диаметра •

10

15 t, МС

30 f, МС

Рис. 3. Графики скорости горения исследованных тошшвовоздушных смесей вдоль диаметра камеры сгорания в зависимости от времени: а — продукты конверсии пропана с воздухом; б - пропан с воздухом

Вероятно, столь интенсивное ускорение пламени на начальном участке можно объяснить воздействием выброса струи продуктов сгорания, которая образуется при горении фрагментов непрореагировавшей смеси за фронтом волны внутри полузамкнутого цилиндрического канала в теле свечи зажигания. При дальнейшем перемещении волна горения замедляется и вблизи противоположной стенки камеры сгорания ее скорость становится сравнимой со скоростью ламинарного горения. Наличие значительного градиента скорости вдоль камеры сгорания может существенно влиять на однородность процесса горения смеси и формировать области течения с более высокими температурами, которые могут служить источником образования избыточных молекул N0,.

ВЫВОДЫ

1. Скорость горения топлива в камере сгорания во многом определяется химическим составом горючей смеси.

2. Наиболее высокие параметры в камере сгорания достигаются при горении чистого водорода. Время горения водородно-воздушной смеси оказывается примерно на порядок меньше, чем у стехиометрической смеси пропана и воздуха при эквивалентных условиях. Горение водорода с воздухом характеризуется наиболее высоким уровнем конечного давления, развиваемого внутри камеры сгорания.

3. Небольшие добавки водорода (2-4 % по объему) снижают время горения углеводородного топлива в камере сгорания при некотором увеличении уровня максимального давления на 17-23 %.

ЛИТЕРАТУРА

1.Internal combustion engines fueled by natural gas-hydrogen mixtures / S. O. Akansu, Z. Dulger, N. Kahramana, T. N. Veziroglu // Int. Journal of Hydrogen Energy. - 2004. - Vol. 29. -P. 1527-1539.

2. A n d r e a T. D., Henshaw P. F., Ting D. S.-K. The addition of hydrogen to a gasoline-fuelled SI engine // Int. Journal of Hydrogen Energy. - 2004. - Vol. 29. - P. 1541-1552.

3. В о s е Т. К. Renewable energy systems based on hydrogen for remote applications / K. Agbossou, R. Chahine, J. Hamelin et al. // Journal of Power Sources. - 2001. - Vol. 96. -P. 168-172.

4. Hydrogen asa future transportation fuel / G. D. Berry, A. D. Pasternak, G. D. Rambach et al. // Energy. - 1996. - Vol. 21, № 4. - P. 289-303.

5. Г e н к и н К. И., X а з а н о в 3. С. Исследование механизма сгорания в двигателе // Горение и взрыв: Материалы третьего всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. - М.: Наука, 1972.-С. 409-415.

6. В о и н о в А. Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. - М.: Машиностроение, 1977. - 277 с.

7. С е м е н о в Н. Н. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности. -М-: АН СССР, 1958. - 686 с.

8.Соколик А. С. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах / АН СССР. - М.: 1960.-428 с.

Представлена кафедрой физико-математических дисциплин Поступила 9.01.2006

УДК 621.382

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОКИСЛЕНИЯ КРЕМНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

Канд. техн. наук, доц. БОНДАРЕВ В. А.

Белорусский национальный технический университет

Предлагаемый метод разработан для расчета толщины оксида кремния 8Ю2 при окислении через окна в защитной маске. Полученные автором формулы позволяют рассчитать диффузию окислителя и толщину Х0 окисла 1 с учетом уменьшения Х0 под маской из нитрида кремния 2 (рис. 1). Так как в настоящее время методы для расчета реальных трехмерных процессов не найдены, разработка современных технологий требует многочисленных дорогостоящих экспериментов.

Рис. 1. Схема окисления кремния: 1 - окисел; 2 - нитридная маска; 3 - наружная поверхность окисла; 4 - окисляемая поверхность; Х0 - толщина окисла; X/, — толщина окисленного слоя кремния; - край маски; - длина слоя окисла