CC BY
71
УДК 66-5:504.054
А. Г. Саттаров, И. Г. Хафизов, С. Г. Семенова
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ
ЭКОЛОГИЧНОГО ТОПЛИВА «МЕТАН+ВОЗДУХ»
ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЛАЗЕРНОЙ СИСТЕМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ В ГАЗОВОМ ДВС
Ключевые слова: Лазерная система зажигания, импульсный оптический разряд, оптоволокно, импульсный лазер, оптический
пробой.
В продуктах сгорания газовых двигателей по сравнению с дизелями в среднем на 70% меньше оксидов азота и на 13% меньше диоксида углерода, а по сравнению с бензиновыми двигателями содержание СО2 на 25 % ниже. При этом в процессе сгорания природного газа практически не образуются твердые частицы сажи. Как видим, физико-химические свойства природного газа, его значительные природные запасы, развитая газопроводная сеть транспортирования от месторождения до региональных потребителей, себестоимость и экологич-ность в сравнении с традиционными нефтяными топливами позволяют рассматривать природный газ в качестве наиболее перспективного альтернативного топлива первой половины текущего столетия.
Keywords: Laser ignition system, pulsed optical discharge, fiber optic, pulsed laser, optical breakdown.
The combustion products of gas engines contains compared to diesel on average 70% less nitrogen oxides and 13% less carbon dioxide, and compared to gasoline-powered CO2 content is 25% lower. Herewith, in the combustion process of natural gas aren't formed solid particles of soot. As we see, physicochemical properties of natural gas, its considerable natural resources, extensive pipeline network of transportation from the field to regional consumers, cost and eco-friendliness compared to conventional petroleum fuels allow us to consider natural gas as the most promising alternative fuels of first half of this century.
Введение
При использовании в качестве топлива природного газа возникает задача интенсификации процесса горения.
Проведены работы по исследованию влияния интенсификации процесса горения топливовоздушной смеси (ТВС) «метан+воздух» при использовании лазерного зажигания в газовом двигателе. Для этого один из рабочих цилиндров газового двигателя был укомплектован специальной лазерной свечой (ЛС), работающей в составе экспериментальной лазерной установки. Результаты испытаний показали, что при использовании ЛС происходит интенсификация процесса горения ТВС на испытанных режимах.
Двигатель испытывался на магистральном природном газе по ГОСТ 5542-87. Избыточное давление газа в магистрали 251...265 кПа. Температура газа на входе в систему питания двигателя находилась в пределах 23.36° С.
Для проведения измерения и записи давлений в цилиндре газового двигателя использовалось измерительное оборудование ф. «Kistler» (Швейцария) и ф. «D2T» (Франция):
- Высокотемпературный датчик давления 6052С ф. «Kistler»;
- Комплект датчика угла поворота коленчатого вала 2614CK1 ф. «Kistler»;
- Усилители-преобразователи: SCP 2853A, 2-канальный усилитель заряда 5064B21 ф. «Kistler»;
- Блоки аналогово-цифровых преобразователей SC-OSI-ROE3-LINK, SC-OSI-ROE3-MOD ф. «D2T».
- Программное обеспечение «OSIRIS» ф. «D2T» предназначенное для сбора информации и обработки индикаторных показателей, в том числе параметров тепловыделения.
Основная часть
При проведении испытаний, для поджига топ-ливно-воздушной смеси (ТВС) на газовом ДВС использовались электрические свечи зажигания «BRISK_CLASSIC» и лазерные свечи, разработки КНИТУ-КАИ.
Лазерная свеча зажигания исполнена из корпуса электрической свечи зажигания. Она предназначена для фокусировки лазерного луча в камере сгорания газового ДВС, где образуется импульсный оптический разряд для поджига ТВС «метан+воздух».
Поджиг ТВС лазерной энергией проводился импульсным лазером LQ529B фирмы «Solan»
Для воспламенения необходимо образование одного или несколько очагов сгорания - локальных зон с наиболее благоприятным для этого сочетанием температуры, давления и состава смеси [1].
Лазерная свеча (рис.1) состоит из корпуса свечи с кварцевым окном 1, резиновой прокладки для обеспечения герметичности 2, кварцевой линзы с фокусом F=30 мм 3, металлической шайбы для фиксации линзы в корпусе 4 и втулки корпуса свечи для фиксации шайбы 5.
Зажигание топливной смеси в камере двигателя внутреннего сгорания лазером возможно двумя способами [4]:
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 «поджиг» топливной смеси.
Рис. 1 - Внешний вид и конструктивные элементы лазерной свечи
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. Высокое давление внутри камеры затрудняет воспламенение смеси с помощью традиционных свечей зажигания. Определяющим параметрами возникновения оптического разряда являются: энергия, длительность импульса лазерного излучения, пиковая мощность. Поэтому, в рамках данной НИР были проведены ряд экспериментов, с целью анализа влияния энергии и длительности импульса излучения на инициирование оптического разряда, по оценке влияния параметров лазерного излучения на процесс взаимодействия с газовой смесью «ме-тан+воздух». Рассматривались также и вопросы инициирования оптического разряда непосредственно внутри камеры сгорания.
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 [2].
Лазерная свеча зажигания устанавливалась на 1-ом цилиндре газового ДВС. Схема лазерной системы зажигания в газовом ДВС приведена на рис. 2 [3].
Воспламенение ТВС в ДВС достигается с помощью лазерного оптического разряда, который получают в результате фокусировки энергии лазера в очень маленьком объеме камеры сгорания, в зоне фокуса F (рис.2). Лазерное воспламенение горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания осуществ-
ляется следующим образом. Сигнал от датчика положения 1 распределительного вала двигателя и блока синхронизации 2, поступает в усилитель мощности накачки 3, затем подается на лазер 4. Луч лазера проходит через световод 5 и с помощью линзы 8, проходя через окно 7, фокусируется в фокальное пятно для получения оптического разряда на поверхности поршня 6. Фокусировка луча лазера 4 в камере сгорания 11 активизирует процесс инициирования оптического разряда воспламеняющего горючую смесь [5]. Пространственное расположение оптического разряда регулируется фокусным расстоянием линзы 8. Фокусирующая линза 8 расположена в корпусе воспламенителя 10 и фиксируется втулкой 9.
3
2
б
Рис. 2 - Общая схема, где а - устройство зажигания; б - оптическое устройство зажигания
Рис. 3 - Схема включения ЛС зажигания в газовом ДВС
а
Лазерная свеча зажигания (рис.3) работает следующим образом. ЛС зажигания, выдает импульсный оптический разряд для поджига ТВС, по электрическому сигналу от системы зажигания ДВС. К катушке системы зажигания все время её работы подведено напряжение «+24В», а вот минус «-» она получает от коммутатора в нужный момент, то есть, когда поршень находится в положении верхней мертвой точки (ВМТ). Коммутатор в данный момент выполняет роль «ключа». Лазерная свеча работает также, как и электрическая, только вместо напряжения на электродах от сигнала коммутатора лазер генерирует гигантский импульс, который фокусируется кварцевой линзой ЛС в камере сгорания ДВС. В результате фокусировки лазерного излучения возникает оптический разряд, который и поджигает ТВС в камере ДВС [6],[7].
Основные результаты испытаний лазерной свечи в составе газового ДВС КАМАЗа приведены на рис. 4.
Рис. 4 - Свёрнутая индикаторная диаграмма газового двигателя с лазерной свечой зажигания
Результаты испытаний показали, что в камере ДВС с ТВС «метан+воздух» при использовании лазерной свечи зажигания по сравнению с электрической свечой происходит интенсификация процесса горения, что приводит к увеличению давления в камере в 1.5 раза.
- увеличению максимального давления за цикл в 1,5 раза;
- увеличению среднего индикаторного давления в 1,5 раза.
Интенсивное горение топлива приводит к снижению содержания в продуктах сгорания вредных токсичных газов.
Работа выполнена в рамках договора с Минобр-науки РФ от «12» февраля 2013 г. № 02.G25.31.0004.
Литература
[1] Ю.П. Райзер, Пробой газов под действием лазерного излучения - лазерная искра, Московский физико -технический институт, 1998.
[2] Я.Б.Зельдович, Ю.П. Райзер, Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, М., Физматгиз, 1963.
[3] Пат. ЯИ 101101 И1. МПК Б 02Р 23/04. Устройство воспламенения топливно-воздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания лазерным оптическим разрядом, А.Ф.Дрегалин, Р.А.Мухамедзянов, А.Г.Саттаров, А.Р.Бикмучев; патентообладатель ГОУ ВПО КГТУ им. АН. Туполева. - № 2010128332/06; заявл. 08.07.2010. опубл. 10.01.2011. Бюл № 1.
[4] Пат. ЯИ 2 436 991 С1. МПК Б 02Р 23/04. Способ воспламенения топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания лазерным оптическим разрядом и устройство для его осуществления, А.Ф.Дрегалин, Р.А.Мухамедзянов, А.Г.Саттаров, А.Р.Бикмучев; патентообладатель ГОУ ВПО КГТУ им. А.Н. Туполева.
- № 2010128335/07; заявл. 08.07.2010. опубл. 20.12.2011. Бюл №2.
[5] А.Г.Саттаров, А.Р.Бикмучев, М.Ф. Вахитов, М.Ю.Коротков, Исследование внутрикамерных процессов в энергетических установках на основе оптического разряда, Вестник КГТУ - 2009. - №3. - С.35
- 39.
[6] К.Г.Гуськов, Ю.П.Райзер, С.Т.Суржиков, О
наблюдаемой скорости медленного движения оптического разряда, Квантовая электроника. 1990. Т. 17,№7.С.937-942.
[7] А.Г.Саттаров, М.Ф.Вахитов, Оптический плазмотрон на основе непрерывного оптического разряда, Вестник КГТУ - 2009. - №3. - С. 17-20.
[8] А.Г.Саттаров, А.Р.Бикмучев, М.Ф.Вахитов, М. Ю. Коротков, Исследование внутри камерных процессов в энергетических установках на основе оптического разряда, Вестник КГТУ - 2009. - №3. - С.35
- 39.
Выводы
Полученные результаты показали, что интенсификация процесса горения ТВС при использовании лазерной свечи на испытанных режимах приводит к:
© А. Г. Саттаров - д-р техн. наук, проф. каф. каф. технологического оборудования медицинской и легкой промышленности КНИГУ, albert@mail.ru; И. Г. Хафизов - д-р техн. наук, проф. КНИТУ - КАИ, ilgiz-kazan@mail.ru; С. Г. Семенова - зав. лаб. каф. технологического оборудования медицинской и легкой промышленности КНИТУ, ssemyonova@mail.ru.
© А. G. Sattarov, Doctor of Technical Science, Professor of the Department Technological equipment of medical and light industry, KNRTU, albert@mail.ru; I.G. Hafizov, Doctor of Technical Science, Professor, KNRTU-KAI, ilgiz-kazan@mail.ru; S. G. Semyonova, Head of the Laboratory of the Department Technological equipment of medical and light industry, KNRTU, ssemyonova@mail.ru.
