Теплофизика высоких температур, 2022, T. 60, № 4, стр. 548-556

ВВЕДЕНИЕ

Детонационные двигатели по коэффициенту полезного действия теоретически на 20–25% превосходят традиционные реактивные двигатели, использующие термодинамический цикл Брайтона горения при постоянном давлении. Преимущество достигается за счет того, что топливо сгорает в детонационной волне в тонком слое за достаточно малый интервал времени [1].

Детонационная волна может возникнуть в результате перехода из стадии медленного горения (переход горения в детонацию, ПГД) за счет турбулизации фронта пламени. Преимущество создания детонации путем ПГД состоит в низких первоначальных затратах энергии, а недостаток – в длительном времени развития процесса и его нестабильности [2]. Для непосредственного инициирования детонации сильным взрывом в сопоставимых условиях необходимы затраты энергии примерно в 1000 раз большие, чем при ПГД. При этом существует критический уровень энергии детонации, который зависит от многих факторов [3, 4]. Увеличение объема единовременно воспламеняемой топливной смеси или многоточечное воспламенение существенно сокращают время перехода горения в детонацию [5]. Влияние состава топливных газовых смесей на скорость дефлаграции и детонации обсуждается в работе [2].

Основная проблема при разработке систем зажигания топливных смесей состоит в необходимости повышения надежности воспламенения без существенного повышения энергетических затрат на процесс зажигания. Использование СВЧ-излучения, мощных лазеров и коронных разрядов представляется малопривлекательным в связи с низкими КПД таких систем [6, 7]. Тем не менее объемный плазменный поджиг топливной смеси имеет неоспоримые преимущества [8–10], что позволяет использовать его не только в детонационных, но и в традиционных двигателях внутреннего сгорания для форсирования по частоте вращения или снижения выбросов окислов азота за счет существенного увеличения скорости сгорания, а также для стабилизации горения в сверхзвуковом потоке [11].

Взаимодействие электромагнитного поля с газами носит ярко выраженный пороговый характер [12]. Для инициирования горения и детонации в энергетических установках перспективным представляется способ инициирования в газе стримерного разряда в квазиоптическом СВЧ-пучке, энергия которого намного меньше энергии электрического пробоя газа [13] (подкритический стримерный разряд). В частности, в работах [14, 15] моделируются ионизационно-перегревная неустойчивость плазменного образования и зарождение стримеров.

Минимальная энергия воспламенения характеризует минимальное количество энергии, которое необходимо подвести к газу, чтобы обеспечить самоподдерживающийся режим горения. Минимальная энергия воспламенения зависит от многих факторов, среди которых следует выделить зависимость от состава смеси, давления, способа воспламенения. Наиболее изученной как в теоретическом, так и в экспериментальном плане является минимальная энергия воспламенения при зажигании смеси искровым разрядом [16]. Для большинства углеводородных топлив экспериментальные значения минимальной энергии воспламенения лежат в интервале 0.2–0.3 мДж и выше [17].

Данные по измерению минимальной энергии воспламенения при зажигании способом, отличным от искрового разряда, довольно малочисленны. Для случая воспламенения лазерным разрядом значения минимальной энергии воспламенения выше, чем при воспламенении искровым разрядом, и существенно зависят от длительности, энергии, длины волны лазерного импульса [6, 18]. В литературе широко обсуждаются возможные преимущества использования горения, стимулированного неравновесной плазмой импульсного разряда, в различных приложениях [19–21].

В настоящей работе на основе данных физического эксперимента проводится сравнение скорости нарастания давления и максимальных давлений в камере сгорания при различном количестве искровых свечей с характеристиками процесса, которые реализуются при стримерном воспламенении топливной смеси. Определяется оптимальный коэффициент избытка топлива при многоточечном искровом и стримерном зажигании, обеспечивающий наибольшее давление и наибольшую скорость нарастания давления в камере сгорания. Обсуждаются возможности инициированного стримерного разряда по воспламенению топливной смеси за пределами воспламенения в нормальных условиях.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальный стенд, спроектированный в Московском радиотехническом институте РАН, позволяет проводить эксперименты с поджигом горючих смесей с помощью классической системы зажигания с использованием автомобильных свечей зажигания (импульсный искровой разряд) и с помощью разработанной многоочаговой СВЧ-системы. Схема экспериментальной установки показана на рис. 1. В нее входят рабочая камера с каналами откачки и подачи газа и измерительное оборудование. Длина цилиндрической камеры сгорания составляет 280 мм, а ее радиус – 40 мм. Установка позволяет поджигать топливную смесь одной, четырьмя или восьмью искровыми автомобильными свечами или восьмью стримерными СВЧ-разрядами. При использовании восьми свечей шаг между ними составляет 40 мм.

Рис. 1.

Функциональная схема экспериментальной установки: ВН – вакуумный насос, ВГ – гибкий вакуумпровод, К – компрессор, М – манометр, V – вакуумметр, В1–В7 – вентили, Р1 и Р2 – редукторы, ПК – предохранительный клапан сброса давления, ДД – датчик давления с источником питания ИП и устройством индикации УИЗ.

Свечи зажигания типа А17ДВ с межэлектродным зазором 0.7 мм подключены к схеме поджига с помощью силиконовых высоковольтных проводов обычной автомобильной системы зажигания через ограничительные резисторы. Их сопротивление изначально полагалось равным 100 кОм, а затем для повышения мощности искры последовательно уменьшалось до 30, 15, 10 кОм (в ряде случаев – до 5 кОм). Поскольку при этом длительность разряда накопителя (длительность искры) также уменьшалась, емкость накопителя энергии увеличивалась с 0.24 до 0.74 мкФ, а позже – до 1.8 мкФ. В каждом эксперименте емкость накопителя выбиралась такой, чтобы длительность искры оставалась постоянной при различном количестве N подключаемых к системе свечей: C(N) = N(0.2–0.25) мкФ при N = 1–8 или C(N) = N(0.4–0.45) мкФ при N = 1–4. Разряд длился 8.5 мс, из которых первые 4 мс вызывали воспламенение, а в течение следующих 4.5 мс происходило падение силы тока и напряжения. Полная энергия одного разряда составляла 350–400 мДж. Количество энергии, которое выделяла одна свеча, равно 0.5 Дж, четыре свечи – 2 Дж, восемь свечей – 4 Дж.

Измерения проводились на установке с длиной волны микроволнового излучения λ = 12.3 см при мощности квазиоптического пучка 1 кВт и длительности СВЧ-импульсов 0.2 с. В рабочей камере сгорания устанавливается восемь инициаторов с шагом 40 мм. Инициаторы крепятся на кварцевой трубке диаметром 10 мм. Кварцевая трубка устанавливалась в центре камеры по оси трубы при помощи специальных подставок, изготовленных из радиопрозрачного теплозащитного материала с диэлектрической проницаемостью, близкой к единице. Инициаторы СВЧ-разрядов изготавливались из проволоки диаметром 0.5 мм.

В экспериментах давление измеряется с помощью дифференциального электронного датчика давления, сигнал с которого регистрируется и запоминается с помощью осциллографа, подсоединенного к компьютеру. Показания датчика давления регистрируются и сохраняются каждые 80 или 160 мкс в зависимости от выбранного предела развертки осциллографа. Далее строятся графики зависимости давления в трубе от времени. Использование скоростной видеосъемки процесса при помощи камеры Nicon D1 со скоростью 400 кадров/с позволяет визуально наблюдать распространение фронта пламени внутри трубы через специальные смотровые окна, которые расположены на торцевой (круглое окно) и боковой (длинное узкое окно) сторонах трубы.

Для снижения возможных помех сигнала от датчиков, в том числе по цепям их питания (помеха с частотой 50 Гц), предусмотрено их автономное питание от батареек и размещение самих датчиков и источников их питания в экранирующем металлическом корпусе. Переходные фланцы датчиков присоединяются непосредственно к соответствующим фланцам трубы, в которой измеряется давление. Из экспериментально определенной калибровочной зависимости напряжения с динамического датчика от превышения давления в рабочей трубке по отношению к атмосферному давлению следует, что чувствительность динамического датчика составляет 1/200 атм/мВ.

В ходе экспериментов выявлена проблема, которая мешала нормальной съемке: в камере сгорания образовывался нагар при давлении выше 1.5 атм и при горении богатых смесей. Это связано с тем, что пропан не сгорал и частично сажа (несгоревший компонент горючей смеси) оседала на стенках камеры, в том числе на смотровом окне, через которое производилась видеосъемка, поэтому после нескольких экспериментов окно снималось и очищалось. Кроме того, на свечах зажигания образовывался налет, поэтому свечи приходилось также демонтировать и чистить.

СТРУКТУРА РАЗРЯДА

Развитие горения при искровом зажигании, начиная от момента зажигания икры до момента, когда горение охватывает весь объем камеры, показано на рис. 2. Пламя имеет характерный голубой цвет.

Рис. 2.

Фотографии пламени при искровом зажигании смеси при η = 1 и p₀ = 2 атм в моменты времени, соответствующие поджигу смеси (а), 3/400 с (б), 6/400  (в) и 9/400 (г) после воспламенения.

Развитие горения при стримерном воспламенении также за период от момента зажигания разряда до момента охвата горением всего объема камеры показано на рис. 3. Пламя розоватого цвета, а фронт горения в целом имеет структуру, которая наблюдается при искровом зажигании. Разряд начинает ветвиться, появляются стримерные каналы, длина которых не превышает 1.5 см. Это связанно с тем, что длительность СВЧ-излучения ограничена 6 мкс, а скорость распространения стримера составляет около 2 км/с. В данном случае происходит многоточечный поджиг, а не объемный. Также разряды возникают на кварцевой трубке, на которой крепятся инициаторы. Скорость сгорания смеси в случае стримерного воспламенения практически в три раза выше, чем при искровом зажигании.

Рис. 3.

Фотографии пламени при стримерном зажигании смеси при η = 1 и p₀ = 2 бар в моменты времени, соответствующие поджигу смеси (а), 1/400 с (б), 2/400 (в) и 3/400 (г) после воспламенения.

Развитие горения через торцевое стекло установки показано на рис. 4. Хорошо видно, что воспламенение происходит сразу в значительном объеме (как при объемном взрыве). Если пламя при искровом зажигании от момента образования искры (рис. 2а) до момента времени 3/400 с (рис. 2б) плавно увеличивается в размере от нуля, то при стримерном воспламенении в момент времени 1/400 с вспышка топливной смеси сразу имеет размер, показанный на рис. 3б, 4б.

Рис. 4.

Фотографии пламени через торцовое окно при стримерном зажигании смеси при η = 1 и p₀ = 2 атм в момент времени, соответствующий поджигу смеси (а), 1/400 с (б), 2/400 (в), 3/400 (г), 4/400 (д), 5/400 (е) после воспламенения.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

При проведении исследований поджига пропано-воздушной смеси с помощью многоочаговой системы СВЧ-разрядов измеряются скорость нарастания давления, время полного сгорания смеси, максимальное давление в процессе воспламенения и предел воспламенения в зависимости от коэффициента избытка пропана в горючей смеси. Проводится сравнительный энергетический анализ двух систем поджига. Начальное давление горючей смеси составляло 1 атм (вариант 1) и 2 атм (вариант 2). Варьировался состав смеси (процентное соотношение пропана и воздуха). Коэффициент избытка пропана в смеси изменялся от 0.6 до 2.0. Эти значения близки к верхнему и нижнему концентрационным пределам воспламенения пропано-воздушной смеси.

Для варианта 1 зависимости давления в трубе от времени приводятся на рис. 5. Полученные результаты позволяют найти значения максимального давления при горении топливной смеси, время роста давления и скорость подъема давления. Скоростная видеосъемка позволяет определить время заполнения пламенем всего объема трубы и время сгорания смеси (окончание свечения).

Рис. 5.

Зависимости давления в трубе от времени при начальном давлении 1 атм и η = 0.66 (1), 0.83 (2), 1 (3), 1.17 (4), 1.34 (5), 1.51 (6).

Зависимости максимального давления в камере сгорания от состава топливной смеси приводятся на рис. 6. Для сравнения на этом же рисунке показан аналогичный график процесса горения, в котором используется система свечей зажигания. Значения максимального давления при СВЧ-поджиге на 10% выше, чем при использовании системы свечей зажигания. Такая же картина наблюдается и при сравнении графиков скоростей подъема давления, приведенных на рис. 7. При СВЧ-поджиге максимальная скорость составляет 160 атм/с, а при поджиге свечами зажигания – 140 атм/с.

Рис. 6.

Зависимости максимального давления от состава топливной смеси: 1 – при поджиге при помощи мультисистемы СВЧ-разрядов, 2 – традиционной системы искровых разрядов.

Рис. 7.

Зависимости скорости нарастания давления от состава смеси: 1, 2 – см. рис. 6.

Основные характеристики процесса горения пропано-воздушной смеси в экспериментальной трубе приводятся в табл. 1 при начальном давлении p₀ = 1 атм. Здесь η – коэффициент избытка пропана в пропано-воздушной смеси, p_max – давление в камере, t_p – время роста давления до p_max, ${{v}_{p}}$ – скорость подъема давления от p₀ до p_max, ${{t}_{v}}$ – время заполнения пламенем всего объема, t_b – время сгорания смеси.

Для варианта 2 зависимости давления в трубе от времени приводятся на рис. 8. Максимальное давление цикла достигает 19.2 атм при коэффициенте избытка топлива в пропано-воздушной смеси 1.51. Увеличение давления относительно начального составляло 7.7. В случае поджига топливной смеси традиционным способом (при помощи свечей зажигания) давление увеличивалось в 5.6 раз.

Рис. 8.

Зависимости давления в трубе от времени при начальном давлении 2.5 атм и η = 0.66 (1), 0.83 (2), 1 (3), 1.17 (4), 1.34 (5), 1.51 (6).

Зависимости максимального давления в камере сгорания от состава топливной смеси приводятся на рис. 9 для различных систем воспламенения. Как и в варианте 1 (p₀ = 1 атм), при увеличении начального давления до p₀ = 2.5 атм давление в процессе горения возрастает при использовании СВЧ-поджига на 2 атм или около 10%. Зависимости скорости подъема давления для различных составов смеси приводятся на рис. 10. Максимальная скорость при использовании СВЧ-поджига достигает 420 атм/с, а со свечами зажигания – 340 атм/с. При увеличении начального давления в камере увеличивается скорость подъема давления, причем эта зависимость в исследуемом диапазоне давлений является линейной p_{0, 2.5}/p_{0, 1} =   ${{v}_{m}}_{{,~2.5}}{\text{/}}{{v}_{m}}_{{,~1}}$ = = 2.5/1 ≈ 416/160.

Рис. 9.

Зависимости максимального давления от состава смеси: 1, 2 – см. рис. 6.

Рис. 10.

Зависимости скорости нарастания давления от состава смеси: 1, 2 – см. рис. 6.

Основные характеристики процессов горения при начальном давлении пропано-воздушной смеси p₀ = 2 атм в экспериментальной трубе приводятся в табл. 2 (воспламенение с помощью одного искрового разряда), табл. 3 (четырех искровых разрядов), табл. 4 (восьми искровых разрядов) и табл. 5 (стримерное воспламенение).

ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В случае искрового воспламенения скорость распространения фронта пламени составляет 4 м/с. Эта скорость слабо зависит от состава смеси. Максимальная скорость достигается при коэффициенте избытка пропана η = 1.2. Основное отличие заключается в том, что в бедной смеси яркость пламени очень слабая (энергии выделяется мало). В смеси, близкой к стехиометрическому отношению при η от 0.7 до 1.6, скорость фронта пламени практически не изменяется и составляет 3.5–4 м/с, а в богатых смесях при η = 1.7 и выше скорость падает до 2 м/с (возрастает время всего горения). Кроме того, при горении обогащенных смесей цвет пламени оранжевый. Это говорит о том, что пропан сгорает не полностью. В случае с сильно обедненными смесями (η < 0.6) более медленного горения не наблюдается, смесь перестает гореть в принципе. Время роста давления практически не зависит от коэффициента избытка горючего и составляет около 150 мс. При изменении состава смеси меняется максимальное давление процесса горения, которое достигает максимального значения при η = 1–1.5. Следовательно, скорость роста давления является максимальной при данных значениях коэффициента избытка горючего.

В сравнении с одной свечой зажигания при использовании четырех искровых разрядов время, за которое фронт пламени занимает весь объем камеры, составляет 15/400 с (38 мс), что в 2.7 раза быстрее, чем с одной свечой в варианте 1. Время увеличивается не пропорционально числу точек поджига (в данном случае их четыре). При увеличении исходного давления в трубе растет и максимальное давление процесса сгорания, причем эта зависимость практически линейная. Например, при p₀ = = 0.5 атм максимальное давление p_max = 2.5 атм, а при p₀ = 2.5 атм ‒ p_max = 13.5 атм. Линейная зависимость сохраняется при всех начальных давлениях. При этом изменяется лишь само значение максимального давления, которое зависит от состава смеси (коэффициента избытка пропана в смеси).

При использовании восьми искровых разрядов время, за которое пламя заполняет весь объем камеры, еще сильнее уменьшается по сравнению со случаем с четырьмя свечами и составляет 9/400 = 23 мс, что в 1.5 раз быстрее. Время нарастания давления уменьшается приблизительно в 1.5 раза по сравнению с экспериментами, в которых используются четыре точки поджига, и приблизительно в три раза быстрее, чем в случае с одной точкой.

В табл. 6 представлено сравнение энергетической эффективности и особенности двух систем поджига пропано-воздушной горючей смеси. Строка 2 таблицы дает сравнение энергий, которые затрачиваются на воспламенение пропано-воздушной смеси. Энергия, которая выделяется в свечном разряде, в 4 раза превосходит значение, соответствующее СВЧ-разряду. Строка 3 показывает сравнение КПД обеих систем поджига. КПД системы СВЧ-поджига в 8 раз больше, чем КПД системы поджига свечами зажигания. Строка 3 дает сравнение количества энергии из сети Интернет.

При примерно в 30 раз меньших затратах энергии СВЧ-зажигание обеспечивает преимущество в скорости роста давления в цилиндре и скорости сгорания топливной смеси примерно на 25–30% по сравнению с зажиганием восьмью автомобильными свечами. КПД СВЧ-зажигания составляет около 11%. Непосредственно к топливной смеси искрами восьми автомобильных свечей подводится в 4 раза больше энергии, чем восьмью стримерными разрядами.

По всем показателям КПД и энергозатрат система многоочагового СВЧ-поджига превосходит традиционную систему искрового разряда. Кроме того, скорость нарастания давления больше в случае использования мультисистемы СВЧ-разрядов, хотя это увеличение не является столь существенным, составляя около 10%.

В одном из экспериментов при начальном давлении в камере p₀ = 2.5 атм удалось получить прямую детонацию топливной смеси при подведении к ней стримерным разрядом всего 1.6 Дж. В аналогичных условиях для прямой детонации пропано-воздушной топливной смеси необходимо от 1 до 3 г тротила, что соответствует примерно 4 кДж.

Выполненные эксперименты и расчеты при различных коэффициентах избытка горючего показывают, что оптимальными для СВЧ-зажигания с точки зрения скорости нарастания давления в камере сгорания, так же как и для искрового зажигания, являются умеренно богатые топливные смеси при η = 1–1.1. Расширения диапазона зажигания топливной смеси по коэффициенту избытка горючего при СВЧ-зажигании по сравнению с искровым зажиганием не наблюдается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнено сравнение процесса воспламенения пропано-воздушной смеси с помощью многоточечного искрового и стримерного разрядов и ее горения в замкнутом цилиндре постоянного объема, имитирующем камеру сгорания. Стримерный СВЧ-разряд удается зажечь внутри металлической камеры сгорания, а его эффективность в качестве источника зажигания выше как точечного, так и многоточечного импульсного искрового разряда.

Скорость нарастания давления при СВЧ-зажигании на треть выше, чем при многоточечном искровом разряде и в три раза выше, чем при стандартном воспламенении с помощью одной свечи, а затраты подводимой энергии почти в 30 раз меньше. Это позволяет существенно поднять удельные показатели и двигателей внутреннего сгорания, и двигателей постоянного объема. Многоточечное воспламенение стримерным разрядом дает возможность в разы увеличить скорость сжигания топлива и давление в камере сгорания по сравнению со стандартным искровым зажиганием. Детальное рассмотрение кадров съемки скоростной камерой процесса воспламенения позволяет сделать вывод, что преимущество в скорости сгорания и роста давления получены за счет объемного характера зажигания инициированным стримерным разрядом с развитой пространственной структурой. Влияние ультрафиолетового излучения не носит определяющего характера.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в ходе реализации проекта “Создание опережающего научно-технического задела в области разработки передовых технологий малых газотурбинных, ракетных и комбинированных двигателей сверхлегких ракет-носителей, малых космических аппаратов и беспилотных воздушных судов, обеспечивающих приоритетные позиции российских компаний на формируемых глобальных рынках будущего” (№ FZWF-2020-0015).