Влияние скорости распространения и ширины зоны турбулентного пламени на концентрацию несгоревших углеводородов и полноту сгорания топлива в двигателе с искровым зажиганием

Исследована взаимосвязь полноты сгорания топлива и токсичности отработавших газов (несгоревших углеводородов) с фундаментальными характеристиками распространения пламени (скоростью распространения пламени и шириной зоны химических реакций). Представлены функциональные зависимости полноты сгорания топлива и концентрации несгоревших углеводородов от фундаментальных характеристик распространения пламени, максимальной температуры пламени, температуры погасания пламени, а также толщины несгоревшего слоя топлива у стенок камеры сгорания. Сравнение полноты сгорания топлива, рассчитанной по предлагаемой формуле, с полнотой сгорания топлива, полученной с использованием экспериментальной индикаторной диаграммы, показало хорошее соответствие. Исследована взаимосвязь эмиссии несгоревших углеводородов с полнотой сгорания топлива. Выявлено, что увеличение полноты сгорания топлива приводит к снижению эмиссии несгоревших углеводородов, что объясняется сокращением доли несгоревшего топлива в пристеночном слое. Предложен новый метод расчета несгоревших углеводородов в отработавших газах двигателя. Показано, что предлагаемый метод позволяет определить химический состав топливовоздушной смеси и значения характеристик распространения пламени, обеспечивающие снижение выбросов несгоревших углеводородов. Результаты работы могут быть использованы при создании (совершенствовании) методов увеличения полноты сгорания композитного топлива и снижения токсичности отработавших газов в камерах сгорания двигателей внутреннего сгорания и других энергетических установок

Работа выполнена в рамках государственного заказа, проект № 394, при поддержке Правительства Самарской области в рамках программы назначения денежных выплат для молодых ученых и конструкторов, работающих в Самарской области, а также при поддержке Минобрнауки России в рамках программы назначения стипендии Президента Российской Федерации для молодых ученых

Литература

[1] Nanthagopal K., Subbarao R., Elango T., et al. Hydrogen enriched compressed natural gas (HCNG]: а futuristic fuel for internal combustion engines. Therm. Sci., 2011, vol. 11, no. 4, pp. 1145--1154. DOI: 10.2298/TSCI100730044N

[2] Rakopoulos C.D., Scott M.A., Kyritsis D.C., et al. Availability analysis of hydrogen/natural gas blends combustion in internal combustion engines. Energy, 2008, vol. 33, no. 2, pp. 248--255. DOI: 10.1016/j.energy.2007.05.009

[3] Shaikin A.P., Galiev I.R. Relationship of flame propagation speed for methane–hydrogen fuel of the internal combustion engine with parameters of ion current and hydrogen concentration. Russ. Aeronaut., 2016, vol. 59, no. 2, pp. 249--253. DOI: 10.3103/S106879981602015X

[4] Zeldovich Ya.B., Barenblatt G.I., Librovich V.B., et al. The mathematical theory of combustion and explosions. Consultants Bureau, 1985.

[5] Heywood J.B. Internal combustion engine fundamentals. McGraw–Hill, 1988.

[6] Hermanns R.T. Laminar burning velocities of methane–hydrogen–air mixtures. Doctoral thesis. Technische Universiteit Eindhoven, 2007.

[7] Verhelst S., Woolley R., Lawes M., et al. Laminar and unstable burning velocities and Markstein lengths of hydrogen–air mixtures at engine-like conditions. Proc. Combust. Inst., 2005, vol. 30, no. 1, pp. 209--216. DOI: 10.1016/j.proci.2004.07.042

[8] Гельфанд Б.Е., Попов О.Е., Чайванов Б.Б. Водород: параметры горения и взрыва. М., Физматлит, 2008.

[9] Shaikin A.P., Galiev I.R. On the effect of temperature and the width of the turbulent combustion zone on the ionization detector readings. Tech. Phys., 2016, vol. 61, no. 8, pp. 1206--1208. DOI: 10.1134/S1063784216080247

[10] Шайкин А.П., Ивашин П.В., Галиев И.Р. и др. Характеристики распространения пламени и их влияние на образование несгоревших углеводородов и оксида азота в отработавших газах при добавке водорода в топливно-воздушную смесь энергетических установок с искровым зажиганием. Самара, Самарский научный центр РАН, 2016.

[11] Chang W. An improved method of investigation of combustion parameters in a natural gas fuelled SI engine with EGR and H2 as additives. Doctoral thesis. University of Birmingham, 2002.

[12] Park J., Cha H., Song S. A numerical study of a methane–fueled gas engine generator with addition of hydrogen using cycle simulation and DOE method. Int. J. Hydrogen Energy, 2011, vol. 36, no. 8, pp. 5153--5162. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2011.01.019

[13] Sierens R. Variable composition hydrogen/natural gas mixtures for increased engine efficiency and decreased emissions. J. Eng. Gas Turbines Power, 2000, vol. 122, no. 1, pp. 135--140. DOI: 10.1115/1.483191

[14] Ma F., Naeve N., Wang M., et al. Hydrogen-enriched compressed natural gas as a fuel for engines. Natural Gas. IntechOpen, 2010, pp. 307--332.