Воспламенение топливной смеси «Метан+воздух» лазерным оптическим разрядом

УДК 546.46:661 846

А. Г. Саттаров, А. Н. Лунев, С. Г. Семенова, И. Г. Хафизов, И. Н. Шабалин

ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ «МЕТАН+ВОЗДУХ» ЛАЗЕРНЫМ ОПТИЧЕСКИМ РАЗРЯДОМ

Ключевые слова: Лазерная система зажигания, импульсный оптический разряд, оптоволокно, импульсный лазер, оптический

пробой.

В данной работе представлены исследования, объектом которых является лазерная система воспламенения топливной смеси «метан+воздух». Целью работы является разработка лазерной системы воспламенения топливной смеси «метан+воздух». В ходе экспериментов была проведена разработка экспериментальной установки и лазерной системы воспламенения, выполнены исследования возможности поджига топливной смеси «метан+воздух» при различных давлениях в камере и при различных значениях коэффициента избытка окислителя. Разработанная лазерная система зажигания может быть использована в перспективном двигателе КАМАЗа. Как показали исследования, разработка двигателей внутреннего сгорания на компонентах топлива «метан+воздух» требует создания эффективной системы зажигания, к которым относится лазерная свеча.

Keywords: Laser ignition system, pulsed optical discharge, fiber optic, pulsed laser, optical breakdown.

This paper presents the study , the object of which is a laser ignition system fuel mixture " methane + air" for use on the engine combustion vnutennego (the ICE) , working on ecological clean " methane + air." The aim is to develop a laser ignition system fuel mixture " methane + air "for " methane + air." In the course of experiments was carried out to develop the experimental setup and laser ignition system , the investigations possible ignition of the fuel mixture " methane + air" at different pressures in the chamber and at different values of the coefficient of excess oxidant. Developed laser ignition system can be used in the planning engine KAMAZ. Manufacture of engines for new components is not possible without an effective system of ignition, which include laser spark.

Введение

В настоящее время в качестве моторного топлива двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием предлагается использовать природный газ (метан). Преимуществами данного газа перед топливами нефтяного происхождения являются развитая добыча и низкая стоимость. В развитых странах, где природный газ уже широко распространен на рынке, его использование в транспортном секторе может явиться одной из немногих возможностей сокращения потребления жидких нефтяных топлив.

Основными факторами, обуславливающими необходимость разработки газового двигателя на метане являются:

1. Возможность обеспечения самых жестких требований по токсичности отработавших газов. По уровню выбросов вредных веществ газовый двигатель значительно превосходит бензиновый, газодизельный и дизельный двигатели.

2. Природный газ легко смешивается с воздухом, образуя гомогенную смесь с широкими пределами воспламенения.

3. Отсутствие загрязнений от рабочего и отработавших газов повышает ресурс двигателя до капитального ремонта, исключает возможность конденсации паров горючего на стенках цилиндра, что увеличивает в 1,5-2 раза срок службы двигателя и снижает периодичность смены масла.

4. В отработавших газах двигателя практически отсутствуют взвешенные частицы неполного сгорания в виде свободного углерода (сажи).

5. Газовый двигатель имеет меньшие выбросы двуокиси углерода, меньший расход смазочного масла, пониженную шумность по сравнению с другими двигателями.

6. Природный газ состоит в основном (на 90% и более) из метана, практически отсутствуют азот и сера. Газ обладает повышенной детонационной стойкостью (октановое число, определяемое по моторному методу, составляет 80 -110), что позволяет использовать, его в двигателях с высокой степенью сжатия.

Конвертации существующих дизельных двигателей на природный газ (метан), затрудняет электрическое воспламенение смеси «метан + воздух» в цилиндре. При конвертации дизельного двигателя на природный газ обычно снижают степень сжатия, что приводит к снижению мощности двигателя. При работе с повышенными давлениями, когда требуются для поджига топливной смеси высокие напряжения электрического пробоя, происходит интенсивный износ электродов у электрической свечи и возникает необходимость их замены, в среднем, после 10 000 км пробега.

Проблема стабильного и качественного поджига газовой смеси «метан + воздух» является одной из важнейших проблем при разработке газового двигателя. Очень важно усовершенствовать имеющиеся газовые двигатели, создавая систему зажигания для топливной смеси с использованием лазерного оптического разряда, без существенных изменений конструкции двигателя.

В отличие от электрического разряда, при лазерном оптическом разряде увеличение давления топливной смеси в камере ДВС приводит к сниже-

нию минимального порога пробоя по мощности лазерного излучения [1]-[7]. Для получения лазерного оптического разряда не требуются электроды. При лазерном зажигании смеси «метан + воздух» в конвертируемом двигателе можно не снижать степень сжатия, а значит, и мощность двигателя. Сохранение степени сжатия двигателя при переводе на природный газ позволяет при необходимости быстро восстановить работу двигателя на дизельном топливе.

Методика проведения эксперимента

Для воспламенения необходимо образование одного или несколько очагов сгорания - локальных зон с наиболее благоприятным для этого сочетанием температуры, давления и состава топливной смеси.

Зажигание топливной смеси в камере двигателя внутреннего сгорания лазерным оптическим разрядом возможно двумя способами:

1. Фокусировкой лазерного излучения на поверхности поршня и нагреванием топливной смеси до температуры воспламенения.

2. Инициированием оптического разряда в камере сгорания и получением высокотемпературной плазмы, которая позволить осуществить «под-жиг» топливной смеси.

Воспламенение топливно-воздушной смеси (ТВС) оптическим разрядом является наиболее оптимальным, так как смесь можно поджечь за 5-10 нс, что приводит к увеличению пиковой мощности импульса, соответственно и температуры полученной плазмы.

Для инициирования стабильного оптического разряда применяемого для воспламенения топливной смеси необходимо определить оптимальные параметры излучения, а именно длительность и энергию импульса лазерного излучения. Как известно для оптического пробоя газов необходима напряженность электрического поля 1-10 МВ/см. При фокусировке лазерных пучков большой интенсивности в газе или смеси газов в точке фокуса вспыхивает яркая искра, сопровождающаяся резким звуком. Для оптического пробоя газов требуется большая пиковая мощность, которая достигается только в моноимпульсном режиме работы лазера. Эксперименты по анализу влияния энергии и длительности лазерных импульсов на инициирование оптического разряда в газах проводились на лазерной установке. Оптическая схема данного лазера приведена на рис. 1.

Работа лазера основана на явлении генерации лазерного излучения активной средой (далее -активный элемент). В качестве активного элемента используется кристалл №3+:УАв поз.3.1, в котором при оптической накачке импульсной ксеноновой лампой поз.3.2 возникает инверсная населенность уровней, обеспечивающая дальнейшую стимулированную эмиссию фотонов.

Для обеспечения эффективной передачи излучения ксеноновой лампы в активный элемент используется диффузный отражатель поз.3.3. Активный элемент, ксеноновая лампа и диффузный отра-

жатель объединены в единый конструктивный узел -квантрон поз. 3.

Рис. 1 - Оптическая схема экспериментальной лазерной установки (поз. 1 - поворотные резона-торные зеркала; поз. 2 - фазовращатель; поз. 3 - квантрон; поз. 3.1 - активный элемент М:УАО; поз. 3.2 - лампа накачки;поз. 3.3 - диффузный отражатель; поз. 3.4 - УФ-фильтр; поз. 4 - пластины матовые; поз. 5 - поляризатор; поз. 6 - фазовая пластинка; поз. 7 - поворотное резонаторное зеркало; поз. 9 - спектроделитель; поз. 10 — компенсатор; поз. 11 - ловушка излучения; поз. 16 - термостат 2-ой гармоники с кристаллом КТР в оправе; поз. 17 - поворотное зеркало; поз. 18 - поворотная призма; поз. 19 - узел электрооптического затвора (ячейка Поккельса); поз. 20 - возвратное зеркало; поз. 21 - поляризатор; поз. 22 - диафрагма; поз. 23 - компенсатор; поз.25 - окно выходное

С помощью резонатора осуществляется накопление необходимой энергии в активном элементе. В излучателе лазера используется кольцевая схема резонатора. Резонатор сформирован зеркалами поз.1 и поз.7, поворотной призмой поз.18 и поляризатором поз.5. Кроме того внутри резонатора находятся фазовая пластинка поз.6, узел электрооптического затвора поз.19 и поляризатор поз.21. Поляризатор поз.5 вместе с фазовой пластиной поз.6 образуют выходное зеркало с регулируемым коэффициентом отражения.

Электрооптический затвор выполнен на основе ячейки Поккельса и предназначен для осуществления работы излучателя в режиме модулированной добротности. Часть лазерного излучения, отраженная от поляризатора поз.21, направляется назад в резонатор при помощи возвратного зеркала поз.20.

Энергия накачки для квантрона составила 27 Дж, а энергия на выходе составляет 500 мДж, длительность импульса 10-13 нс. Как известно, оптический пробой возникает когда интенсивность излучения 8 (Вт/см2) или электрическое поле световой волны превосходят некоторое пороговое значение (5 > 105 МВт/см2, Е > 6 х106 В/см для воздуха).

Длительность импульса лазерного излучения составляет 10 нс, энергия импульса 500 мДж, тогда пиковая мощность импульса составляет 50 МВт.

При такой пиковой мощности и использовании менисковой линзы с фокусным расстоянием 50 мм возникает оптический пробой воздуха с частотой, равной частоте повторения лазерных импульсов (рис. 2).

Рис. 2 - Лазерная свеча (сверху) и электрическая свеча (снизу) в работе

Рис. 3 - ПГС экспериментальной установки

Для исследования влияния давления смеси в цилиндре двигателя и коэффициента избытка окислителя на процесс инициирования лазерного оптического разряда и экспериментальное подтверждение возможности поджига газовой смеси в камере разработана экспериментальная установка, принципиальная схема которой приведена на рис.3.

Эксперимент проводился следующим образом:

1. Задается первоначальное значение а, например: а = 0,8 и начальное давление, например: Р = 10 атм.

2. По заданному а и давлению, известным объемам мерной емкости и испытательной камеры, с учетом значений Р0, Т0, р0 - а так же парциального давления составляющих горючей смеси определяется количество метана, по расчетному значению давления в мерной емкости.

3. Открывается кран К 6.1 для заполнения метаном мерной емкости Б3, после выравнивания давления в емкости Б3 и в баллоне Б1 перекрываем кран К6.1 и с помощью перепускного вентиля К6.2 стравливаем метан в атмосферу через жиклёр Ж1 до расчетного давления, достигнув которого перекрываем перепускной вентиль К6.2. Открывается вентиль К3 и выравнивается давление и температура в емкости Б3 ив испытательной камере А1, после чего закрывается кран К3.

4. Открывается кран К7.1 для заполнения воздухом мерной емкости Б4, после выравнивания давления в емкости Б4 и в баллоне Б2 перекрывается кран К7.1 и с помощью перепускного вентиля К7.2 стравливается воздух в атмосферу через жиклёр Ж2 до расчетного давления, достигнув которого перекрываем перепускной вентиль К7.2.

5. Контролируется температура и давление в мерной емкости открывается вентиль К4 и выравнивается давление и температура в емкости Б4 и в испытательной камере А1, после чего закрывается кран К4.

6. Подается импульс на свечу или на лазерную установку для принудительного воспламенения смеси.

Рис. 4 - Испытательная камера

7. При повышении давления в испытательной камере А1 выше 6,5МПа горячие газы стравливаются в атмосферу через предохранительный клапан Р1.

8. Далее алгоритм повторяется с выполнением пунктов 1^5, с предварительной полной очисткой рабочей камеры от газов от предыдущего замера.

На рис. 4 приведена испытательная камера. Лазерное излучение входит в камеру через кварцевое окно поз.4.

Испытательная камера снабжена электрической свечой поз.8.

Результаты экспериментов

На первом этапе исследований проводились работы по определению возможности инициирования лазерного оптического разряда при избыточном давлении смеси «метан+воздух» от 2 до 20 атм., и при коэффициенте избытка окислителя а^ =1.0. Энергия в лазерном импульсе с длительностью 10 нс изменялась от 260 до 310 мДж.

Анализ полученных результатов показывает, что увеличение давления смеси в испытательной камере приводит к снижению требуемой для поджи-га энергии.

Заключение

Выполненные экспериментальные работы показали, что при различных значениях давления (от 2.0 атм. до 20 атм.) и коэффициента избытка окислителя топливной смеси «метан+воздух» (от 0.6 до 1.7) достигается стабильный поджиг смеси лазерной свечой зажигания.

Работы по определению возможности инициирования лазерного оптического разряда при избыточном давлении смеси «метан+воздух» от 2 до 20 атм., при коэффициенте избытка окислителя а^ =1.0, Оок =0.6, Оок =1.7, показали, что в импульсе с длительностью 10 нс и при энергии в импульсе от 260 до 310 мДж происходит стабильный поджиг смеси лазерной свечой зажигания.

Работа выполнена в рамках договора с Ми-нобрнауки РФ от «12» февраля 2013 г. № 02.G25.31.0004.

Литература

1. Ю.П. Райзер, Лазерная искра и распространение разрядов, Наука, Москва, 1974, 309 с.

2. Ю.П. Райзер, Пробой газов под действием лазерного излучения - лазерная искра, Соросовский образовательный журнал.,1, 89 - 94 (1998);

3. Пат. Ш 101101 и1. МПК Е 02Р 23/04. Устройство воспламенения топливо-воздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания лазерным оптическим разрядом / А.Ф., Дрегалин, Мухамедзянов Р.А., Саттаров А.Г., Бикмучев А.Р.; патентообладатель ГОУ ВПО КГТУ им. А.Н. Туполева. - № 2010128332/06; заявл. 08.07.2010. опубл. 10.01.2011. Бюл № 1.

4. Пат. Ш 2 436 991 С1. МПК Е 02Р 23/04. Способ воспламенения топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания лазерным оптическим разрядом и устройство для его осуществления / Дрегалин А.Ф., Мухамедзянов Р.А., Саттаров А.Г., Бикмучев А.Р.; патентообладатель ГОУ ВПО КГТУ им. А.Н. Туполева. - № 2010128335/07; заявл. 08.07.2010. опубл. 20.12.2011. Бюл № 35.

5. А.Г.Саттаров, А.Р. Бикмучев, М.Ф. Вахитов, М.Ю. Ко-ротков, Исследование внутрикамерных процессов в энергетических установках на основе оптического разряда Вестник Казанского технологического универси-тета,16, 3, 35 - 39, (2009);

6. А.Г. Сатаров, А.Р. Бикмучев, М.Ф. Вахитов, С.Г. Семенова, Численное моделирование осесимметричного закрученного противоточного потока рабочего газа в оптическом плазмотроне, Вестник Казанского технологического университета, 16,13,165 - 169,(2013).

7. А.Г. Саттаров, А.Р. Бикмучев, М.Ю. Вахитов, С.Г. Семенова, Экспериментальное исследование осесиммет-ричного закрученного противоточного потока рабочего газа в оптическом плазмотроне, Вестник Казанского технологического университета,16,13,172 - 174, (2013).

© А. Г. Саттаров - д-р техн. наук, профессор каф. ТОМЛП КНИТУ, albert5519@mail.ru; А. Н. Лунев - д-р техн. наук, профессор КНИТУ- КАИ, tmp-tpd@mail.ru; С. Г. Семенова - зав. лабораторией каф.ТОМЛП КНИТУ, ssemyonova@mail.ru; И. Г. Хафизов - д-р техн. наук, профессор КНИТУ-КАИ, ilgiz-kazan@mail.ru; И. Н. Шабалин - канд. техн. наук, доцент каф. материаловедения и промышленной безопасности КНИТУ-КАИ, inshabalin@mail.ru.

© A. G. Sattarov - D.Sc., Associate Professor, KNRTU, albert5519@mail.ru; A. N. Lunev - D.Sc., Professor, Tupolev Kazan State Technical University, tmp-tpd@mail.ru; S. G. Semyonova - laboratory, KNRTU, ssemyonova@mail.ru; I. G. Hafizov - D.Sc., Professor, Tupolev Kazan State Technical University, ilgiz-kazan@mail.ru; I. N. Shabalin - Ph.D., Associate Professor, Tupolev Kazan State Technical University inshabalin@mail.ru.