Действие электрического поля на процесс сгорания

Выполненные во второй половине XX века исследования показали, что существенную роль в процессе сгорания углеводородных топлив играет ионизация газов как во фронте пламени, так и в зоне продуктов сгорания. Кратко поясним суть ионизации и покажем, на чем основана возможность использования этого явления.

Ионизация газов требует существенных затрат энергии. Потенциалы ионизации большинства атомов и молекул углеводородных топлив находятся в пределах 4...20 эВ (электронвольт). При этом наименьшее значение потенциала ионизации (4,35 эВ) имеет атомарный углерод.

Из множества процессов, ведущих к ионизации, наиболее значимыми являются ионизация при столкновении, передача электрона, ионизация при передаче энергии возбуждения и хемоионизация. При горении углеводородных топлив имеют место все названные виды ионизации. Кроме того, многие возникающие в процессе сгорания частицы, способны образовывать отрицательные ионы. Поскольку реакции захвата электрона носят экзотермический характер, то имеет место диссипация энергии, что накладывает определенные ограничения на механизм реакций такого типа. Сходным с захватом электрона является процесс передачи заряда, который в случае реакции между ионами и молекулами может сопровождаться химической перегруппировкой.

Считается, что в случае столкновения молекул (частиц) с электронами ионизация молекул (частиц) начинается с момента, как только энергия электронов превысит потенциал ионизации. Максимальная эффективность ионизации для молекул СО, NO, O₂, С₂ H₂, H₂ и других достигается при энергии электронов примерно 100 эВ.

В случае столкновения с атомами и ионами критическая энергия, при которой начинается ионизация, выше, чем в случае столкновения с электронами. При этом максимум ионизации наблюдается при энергиях порядка 10³...10⁴ эВ.

Типичные процессы горения характеризуются энергией от 0,1 до 1,0 эВ. Следовательно при этом столкновения частиц с электронами более эффективны, чем их столкновения с молекулами, вызывающие ионизацию.

Ионизация путем передачи энергии возбуждения имеет место, когда одна из частиц отдает, а другая принимает энергию возбуждения, в результате чего принимающая частица ионизируется.

Химоионизация возникает при химической перегруппировке, в результате которой выделяется энергия, вызывающая ионизацию исходных частиц. Химические реакции перегруппировки носят экзотермический характер, протекают с высокой скоростью и играют очень важную роль в реакционных зонах углеводородных пламен.

При сгорании углеводородных топлив сильное влияние на ионизацию пламени оказывает термоэлектронная эмиссия. Это явление возникает при высоких температурах, когда энергия электронов становится достаточной для того, чтобы они могли покинуть поверхность твердых частиц. В результате термоэлектронной эмиссии частицы приобретают положительный заряд. В углеводородных пламенах к таким частицам следует отнести, прежде всего, частицы углерода (сажи). При температуре 1880 °С, характерной для камеры сгорания дизеля, вследствие эмиссии электронов с поверхности частиц углерода за время не более 10-3 мс создается равновесная концентрация электронов, достигающая 1010 электрон/см³.

Поскольку концентрация заряженных частиц в процессе сгорания очень высокая, представляется возможным воздействовать на эти частицы с помощью ЭПВН. При этом процесс эмиссии электронов с поверхности продуктов неполного сгорания, в том числе частиц углерода, интенсифицируется, что сопровождается увеличением их положительного заряда. Электроны, покинувшие частицы, устремляются к положительно заряженному электроду, и их равновесная концентрация не достигается. В свою очередь частицы, приобретшие в результате испускания электронов положительный заряд, устремляются к отрицательному электроду, увлекая при этом за собой и нейтральные частицы. Это явление известно под названием "электронного ветра Четтока" или электронного ветра.

Движение заряженных частиц вызывает появление объемной силы, действующей на нейтральный газ. Эта сила направлена в сторону движения положительно заряженных частиц, т.е. к отрицательному электроду. Максимальный эффект воздействия на процесс сгорания наблюдается при напряженности электрического поля, обеспечивающей наибольшую интенсивность электронного ветра. Возникающее под действием ЭПВН движение частиц турбулизирует пламя, в результате чего резко возрастает его поверхность и общая скорость сгорания топлива. Применительно к двигателю это означает, что за одно и то же время в камере сгорания можно сжечь значительно больше топлива и тем самым увеличить мощность двигателя.

Наличие эффекта турбулизации пламени при воздействии на него ЭПВН подтверждено опытами при участии автора [5]. Опыты проводились на открытом диффузионном пламени, образующемся при сгорании дизельного топлива. При этом варьировались форма электродов и величина подаваемого на них напряжения, что позволило также выявить влияние формы и напряженности создаваемого электрического поля на интенсивность процесса сгорания. Опыты позволили установить, что наибольший эффект турбулизации пламени возникает при действии электрическим полем на зону у основания фронта диффузионного пламени, где происходит образование заряженных частиц. При этом эмиссия продуктов неполного сгорания в виде копоти, образуемой частицами сажи при отсутствии электрического поля, практически прекращается, что указывает на более полное выгорание топлива при наличии ЭПВН. В двигателе это неизбежно приводит к повышению его экономичности и уменьшению эмиссии продуктов неполного сгорания с ОГ. В дизеле, кроме того, турбулизация пламени гарантирует более качественное перемешивание паров топлива с воздухом. Это позволяет создать условия для полного сгорания поданного в цилиндр топлива при меньшем коэффициенте избытка воздуха и, возможно, отказаться от наддува при незначительном форсировании двигателя. Картина степени влияния электрического поля на пламя горелки наглядно представлена на рис. 7.1 и 7.2

 

Рис. 7.1. Открытое диффузионное пламя при отсутствии напряжения на электродах (в верхней зоне пламени хорошо видна образующаяся при горении копоть)	Рис. 7.2. Открытое диффузионное пламя при напряженности электрического поля Е = 3,2 кВ/см (пламя отклоняется в сторону отрицательного электрода)

 

Наиболее эффективное влияние на процесс сгорания в цилиндре двигателя может быть достигнуто при условии, когда все зоны объема камеры сгорания находятся в электрическом поле одинаково высокой напряженности. Добиться выполнения этого условия можно путем придания положительному электроду формы, при которой его.поверхность будет равноудалена от отрицательно заряженных поверхностей камеры сгорания при положении поршня в верхней мертвой точке. Этот вывод также подтвержден при моделировании геометрии камеры сгорания двигателя с помощью электродов различной формы. Предлагаемое решение гарантирует эффективное влияние на процесс сгорания в двигателе как с внешним, так и с внутренним смесеобразованием. Однако при этом следует отдавать себе отчет в том, что реализация данного решения сопряжена с некоторым изменением конструкции головки цилиндров.

Примерные схемы расположения положительного электрода в камерах сгорания различной формы показаны на рис. 7.3 и 7.4.

 

Рис. 7.3. Размещение положительного электрода сферической формы (2) относительно поверхности (1) камеры сгорания типа MAN

 

При проведении опытов было замечено также, что уменьшение общего количества образующихся сажистых частиц при воздействии на диффузионное пламя ЭПВН проявляется не только в уменьшении количества копоти, но и в сильном уменьшении свечения пламени. Последнее неизбежно связано с уменьшением его излучающей способности, что определенно скажется на уменьшении радиационного теплового потока к поверхностям камеры сгорания, который в современных дизелях может достигать 30% от суммарного теплового потока. Априорно можно утверждать, что уменьшение теплоотво-да к деталям камеры сгорания за счет уменьшения радиационной составляющей будет более существенным, чем повышение теплоотвода за счет увеличения конвективной составляющей теплового потока из-за турбулизации процесса сгорания в результате воздействия ЭПВН.

 

Рис. 7.4. Размещение положительного электрода кольцевой формы (2) относительно поверхности (1) камеры сгорания типа ЯМЗ