Экспериментальная оценка процесса воспламенения неравновесной плазмой

УДК 621.43.01

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПРОЦЕССА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ НЕРАВНОВЕСНОЙ ПЛАЗМОЙ

А.А. Тропина, доцент, к.ф.-м.н., В.Ш. Аведян, научн. сотр., А.С. Паникарский, доцент, к.т.н., В.С. Боженов, аспирант

ХНАДУ

Аннотация. Проведен сравнительный анализ стандартной системы зажигания в ДВС и системы зажигания наносекундным разрядом. Результаты испытаний показали улучшение экологических показателей процесса горения и снижение расхода топлива при использовании нетепловой системы зажигания. Выполнена аналитическая оценка эффективности процесса воспламенения по величине приведенного электрического поля разряда.

Ключевые слова: приведенное электрическое поле, система зажигания, на-носекундный разряд, токсичность выхлопных газов, газоанализатор.

Введение

Известно, что организация высокоэффективного процесса воспламенения в двигателях внутреннего сгорания является очень сложной задачей. Это связано не только с работой при высоких давлениях, но и с широким диапазоном нагрузок, реализующихся при работе двигателя, и, соответственно, с различными требованиями к системам зажигания.

Так, в частности при низких нагрузках в окрестности верхней мертвой точки (ВМТ) фиксируется обедненная смесь, и, соответственно, требуется более мощная система зажигания. В то же время при больших нагрузках в окрестности ВМТ преобладает стехиометрическая или обогащенная смесь, и более мощная система зажигания в таких условиях не нужна. Еще одной проблемой организации высокоэффективного процесса зажигания является наличие цикловой неравномерности и изменение локальных характеристик смеси от цилиндра к цилиндру. И, наконец, различные камеры сгорания имеют различную степень турбулентности, и, как следствие, более мощная система зажигания не требуется, если интенсивность турбулентного движения заряда является низкой.

Кроме того, проблема организации эффективного режима горения в двигателях является достаточно актуальной задачей в связи с экологическими проблемами защиты окружающей среды от вредных выбросов токсических веществ, образующихся при эксплуатации ДВС.

Решение этой проблемы напрямую связано с организацией устойчивого процесса горения обедненной смеси, в частности с реализацией бедного предела воспламенения на стадии формирования начального очага пламени. Нормальная скорость горения падает при уменьшении коэффициента избытка горючего, и для ее увеличения в этих условиях необходима соответствующая организация процесса воспламенения.

Одним из способов реализации высокоэффективного процесса воспламенения является воздействие наносекундным импульсным разрядом. Использование таких разрядов позволяет организовывать высокие приведенные электрические поля и генерировать высокоэнергетические электроны, обеспечивающие производство электронно-возбужденных частиц, необходимых для развития процесса горения, практически без нагрева газа. При этом с помощью формирующейся неравновесной плазмы разряда появляется возможность управления таким параметром

как средняя энергия электронов, что, в свою очередь, позволяет использовать такие системы не только для инициации, но и для усиления и поддержания стабильного процесса горения обедненных смесей в ДВС.

Анализ публикаций

Проблема влияния разрядов на процесс горения и их использование в качестве источника воспламенения исследуется достаточно давно. На сегодняшний день существует огромное количество экспериментальных работ, посвященных исследованию свойств различных видов неравновесных газовых разрядов. Подробный анализ последних экспериментальных работ с точки зрения возможного влияния формирующейся неравновесной плазмы на процессы горения и воспламенения приведен в обзоре [1].

Можно отметить, что основные свойства неравновесных разрядов при давлениях в несколько атмосфер, характерных для двигателей, являются не достаточно изученными. Это связано с тем, что размеры формирующихся плазменных структур (стримеров) становятся очень малыми при таких давлениях, что делает проведение экспериментальных исследований таких структур очень затруднительным. В таких условиях эффективность использования тех или иных разрядов в качестве источника воспламенения можно оценивать только косвенно (например, по составу выхлопных газов двигателя).

Обзор работ, посвященных использованию коротко-импульсных разрядов в качестве источника воспламенения в ДВС [2 - 5], не позволяет сделать окончательного вывода о перспективах использования подобных систем, поскольку отмечается как полное отсутствие положительного эффекта [3], так и огромные преимущества импульсных разрядов по сравнению с искровыми [4 - 5].

Несомненным является тот экспериментальный факт, что использование наносекундных разрядов позволяет обеспечивать работу двигателей на обедненных смесях, обеспечивая при этом увеличенную скорость распространения фронта пламени [3].

Цель и постановка задачи

Целью настоящего исследования является проведение сравнительного анализа стан-

дартной (искровой) системы зажигания и нетепловой системы зажигания на основе наносекундного разряда. Эффективность использования той или иной системы зажигания оценивается по составу выхлопных газов двигателя и расходу топлива в ходе проведения дорожных испытаний. Дополнительно проводится аналитическая оценка эффективности разряда по величине расчетных значений приведенного электрического поля.

Аналитическая оценка

Для количественной оценки основных механизмов процесса воспламенения неравновесной плазмой наносекундного разряда в условиях высоких давлений и турбулентного течения газа необходимо рассматривать достаточно сложную кинетическую схему процесса с учетом реакций с участием колебательно- и электронно-возбужденных молекул в сочетании с гидродинамикой турбулентного течения газа и физикой разряда. Константы скоростей таких реакций в условиях высоких давлений еще не достаточно изучены. Учитывая то, что продолжительность импульса наносекундного разряда является достаточно короткой, приближенную оценку эффективности использования того или иного разряда в качестве источника воспламенения можно провести, используя величину приведенного электрического поля разря-даE/ N, где E - напряженность электрического поля, N - концентрация молекул газа. Константы скоростей реакций ионизации, электронного и колебательного возбуждения, диссоциации молекул электронным ударом имеют ярко выраженную экспоненциальную зависимость от приведенного электрического поля, и при больших значениях E / N именно эта величина определяет генерацию большого количества химически активных частиц (радикалов), ответственных за процесс воспламенения.

Оценку приведенного электрического поля разряда проведем с учетом кинетической схемы, приведенной в работе [6]. Основные уравнения, которые описывают процесс распространения стримера в межэлектродном промежутке, имеют вид

дt

+ V• / = X, +у. п -V п - к „мп, +

е ~ pH г е а е 1''еГ1е’Ч

+улП- п

*

дп-

~дї

+ ¥'1 - =УЛ - кегПеП+ -

кггП+ П- -^сП-П*

дп+

~ді

+ ¥'1 + = ЯрН + ^гПе -

кггП+ П-- кегПеП+,

дП* і Х7 Т *

— + у-I* =чехУ1е -Упп ,

4 =-ЬеПеЕ - ^Пе + пе и

1+ = Ь+п+ Е - D+'Vn+ + п+ и.

1_ = -Ь_п_Е - D-Vn- + п-и,

1* = - D*Vn * +п * и,

где 1_, 1е, 1 *— потоки отрицательных ионов, электронов и колебательно-возбужденных

молекул; \1,Уа

частота ионизации элек-

.2

тронным ударом и частота прилипания; Уа

частота диссоциативного прилипания; \а частота трехчастичного прилипания; 8рк —

источник, описывающий процесс фотоионизации; ае, ай, V ех — константы реакций элек-трон-ионной и ион-ионной рекомбинаций и реакции возбуждения электронных уровней молекул; пе, п+, п-, п* (1е, 1+, 1-, 1*) — концентрации (потоки) электронов, положительных и отрицательных ионов и колебательновозбужденных молекул.

Не останавливаясь на деталях нестационарного процесса, описываемого системой уравнений (1) - (4), отметим следующие закономерности распределения концентраций заряженных компонент в межэлектродном промежутке. При атмосферном давлении наблюдается диффузионное распределение зарядов, типичное для положительного столба тлеющего разряда, со средней концентрацией электронов вблизи катода порядка пе = 1012см-3, а в положительном столбе порядка пе = 1014 см-3.

При этом в основном возбуждаются колебательные уровни молекул, и усиление ионизационных процессов связано с колебательным

возбуждением молекул электронным ударом, а перенос энергии определяется процессами колебательно-поступательной релаксации.

Известно, что когда напряжение в межэлек-тродном промежутке быстро возрастает, газ может поддерживать напряжение, которое превышает стационарное напряжение пробоя. При этих условиях такой параметр как перенапряжение К = и / иЬг (иЬг — напряжение пробоя) определяет механизм пробоя. При атмосферном давлении таким механизмом в данном случае является механизм Таунсенда.

При увеличении давления однородное распределение зарядов в положительном столбе нарушается, разряд трансформируется в неоднородную стримерную форму с двумя характерными областями: стримерный канал с высокой проводимостью и достаточно низкими значениями приведенного электрического поля и область, где приведенное электрическое поле достигает значений порядка сотни Td. При этом энергия, вкладываемая в плазму, в основном расходуется на возбуждение электронных уровней молекул.

Увеличение давления приводит к росту электронной температуры в приэлектродной области, что, при прочих равных условиях, способствует процессу ветвления стримера и уменьшению диаметра стримерного канала. Несмотря на то, что подобное поведение стримерных разрядов с ростом давления фиксируется в экспериментах, не совсем ясно, отражают ли моделируемые физические механизмы, ответственные за этот процесс, в частности неоднородность распределения электронной температуры и фотоионизация, реальные физические неустойчивости, возникающие во фронте стримера, или являются специфическим свойством используемой численной схемы. Ответ на этот вопрос является предметом дальнейших теоретических исследований.

Суммируя все вышесказанное, получим следующий расчетный диапазон изменения приведенного электрического поля (в канале стримера) для межэлектродного расстояния = 10-3м и начальной температуры смеси Т0 = 700 °К при изменении давления газа в пределах р + 0,1 - 5МПа

Е

280 Td < — < 70 Td .

N

Такие приведенные электрические поля обеспечивают возбуждение электронных уровней молекул и производство химически активных частиц, что энергетически является более выгодным для организации процесса воспламенения по сравнению с тепловым механизмом, реализующимся при искровом разряде.

Результаты эксперимента

Для оценки влияния действия неравновесного разряда как источника воспламенения на процесс горения в ДВС было проведено экспериментальное исследование токсичности выхлопных газов двигателя и измерение расхода топлива при использовании стандартной системы зажигания (искровой разряд) и нетепловой системы зажигания (наносекунд-ный разряд).

Среди основных характеристик сигнала, формируемого нетепловой системой зажигания, можно отметить следующие:

1) длительность сигнала - 22 нс;

2) время нарастания напряжения - 2 нс;

3) максимальное напряжение - 30 кВ.

Таким образом, длительность импульса формируемого сигнала является достаточно короткой, но, как показывают расчеты, превышает время распространения стримера поперек межэлектродного промежутка (для обычных свечей межэлектродный зазор не превышает 1 мм). Кроме того, сигнал имеет достаточно крутую характеристику подъема напряжения, что, при прочих равных условиях, позволяет увеличить эффективность ввода энергии по сравнению с обычным искровым разрядом.

Рис. 1. Блоки системы зажигания

Система зажигания реализована в виде отдельных блоков для каждого цилиндра двигателя (рис. 1). Испытуемая система зажигания потребляет в среднем ток 2 А, что сравнимо с аналогичным показателем для тепловой системы. При этом длительность сигнала на два-три порядка меньше, чем у классической искровой системы. Тестирование эффективности процесса воспламенения неравновесным разрядом по сравнению с искровым разрядом проводилось по следующей методике:

1) контроль токсичности выхлопных газов двигателя во время холостого хода, когда токсичность выхлопных газов является максимальной;

2) контроль токсичности выхлопных газов двигателя во время дорожных испытаний;

3) измерение расхода топлива весовым методом во время дорожных испытаний.

Для анализа отработавших газов двигателя применялся газоанализатор SUN MGA 1500S (рис. 2).

Рис. 2. Газоанализатор SUN MGA 1500S

Сравнительный анализ систем зажигания проводился для 1,5-литрового 4-цилиндрового двигателя Hyundai Accent (рис. 3), работающего на бензине марки А-95. Стандартные свечи зажигания были заменены на многоэлектродные свечи фирмы BRISK. Применение одноэлектродных свечей этой фирмы с тем же калильным числом не привело к увеличению экономичности, а наоборот, при а> 1,1 наблюдалось нарушение равномерной работы двигателя и увеличение токсичности. Подобное поведение можно связать с негомогенным составом смеси в

окрестности ВМТ и с возможностью реализации разряда в местах с максимальной концентрацией топлива.

Рис. 3. Общий вид двигателя

Испытание состояло из трех одинаковых ездовых циклов, непрерывно повторяющихся друг за другом и включающих в себя

1) время разгона - 10 % (до скорости автомобиля 60 км/ч);

2) стационарный режим движения - 85 % (скорость автомобиля 60 км/ч);

3) время торможения - 5 %.

При одинаковых климатических условиях суммарный пробег автомобиля за три цикла составлял 16,5 км.

Рис. 4. Содержание СО в выхлопных газах двигателя (п = 2200об./мин): 1 - искровая система зажигания; 2 - система зажигания наносекундным разрядом

Результаты проведенных испытаний показали, что для обедненных смесей плазменная система зажигания показывает лучшие экологические показатели, чем стандартная система зажигания искровым разрядом, особенно в режиме холостого хода. Так, из анализа

рис. 4 - 5 видно, что содержание оксида углерода в выхлопных газах (нормированное на максимальное значение СОтах = 5%) ум е ньш ается в два раза по сравнению с искровой системой зажигания. В то же время концентрация оксидов углерода, измеренная во время дорожных испытаний, практически не меняется при изменении системы зажигания. Также не оказало существенного влияния на результаты испытаний варьирование угла опережения зажигания.

Рис. 5. Содержание СО в выхлопных газах двигателя (п = 800об./мин): 1 — искровая система зажигания; 2 — система зажигания наносекундным разрядом

Было также получено, что при данном коэффициенте избытка воздуха полнота сгорания больше при использовании нетепловой системы зажигания (рис. 6). Измерение расхода топлива весовым методом показало, что при использовании системы зажигания наносе-кундным разрядом расход топлива уменьшается на 5 - 7 % по сравнению со стандартной искровой системой зажигания (рис. 7).

и 172 К

2 V

1

Рис. 6. Содержание НС в выхлопных газах в зависимости от числа оборотов двигателя: 1 - искровая система зажигания; 2 -система зажигания наносекундным разрядом

f .0.0

о

о

i—I _

g,

Й 9.5 a

i-

0,95 1,0 1.1 и 1,25

а.

Рис. 7. Расход топлива в зависимости от коэффициента избытка воздуха:  - искровая система зажигания; • — система зажигания наносекундным разрядом

Выводы

Проведенное экспериментальное исследование подтверждает эффективность использования наносекундного разряда в качестве источника воспламенения.

Аналитическая оценка величины приведенного электрического поля разряда позволяет утверждать, что эффективность подобных систем зажигания должна быть максимальной для двигателя, работающего на природном газе, поскольку соответствующие сечения ионизации электронным ударом выше.

Литература

1. Starikovskaia S.M. Plasma assisted ignition

and combustion//J. Phys. D. Appl. Phys. -2006. - V.39. - Р. 265 - 299.

2. Dale J.D., ChekelM.D., Smy P.R. Application

of high energy systems to engines.// Prog. Energy Combustion Science. - 1997. -№23. - С. 379 - 398.

3. Anderson R.W. The effect of ignition system

power on fast burn engine combustion // Trans. SAE (Paper 870549). - 1997. -V.96. - P. 537 - 546.

4. Memarzadeh S., Colgrove J., Ronney P.

Transient Plasma Discharge Ignition for Internal Combustion Engines//Abstracts of the 3-d Int. Workshop and Exhibition on Plasma Assisted Combustion, Falls Church, USA. - 2007. - P.47 - 48.

5. Liu J., Ronney P.D., Gundersen M.A.

Premixed flame ignition by transient plasma discharge// Proc. 3-d Joint Meeting of the US Sections of the Combustion Institute, Chicago, USA .- 2003. - Paper

6. Тропина А.А. Разработка математической

трехтемпературной модели

неравновесного разряда // Вестник двигателестроения. - 2007. - № 3.- С. 51 - 55.

Рецензент: А.В. Бажинов, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 30 октября 2008 года.