Наука
Двигатели внутреннего сгорания с турбонаддувом малого объема могут испытывать «детонацию» без серьезных повреждений. Стук возникает, когда топливо воспламеняется раньше, чем ожидалось. Гораздо более разрушительным является «супер-стук». В отличие от обычной детонации, сверхдетонация вызывается волной детонации из-за петли обратной связи между выделением тепла, связанным с пламенем, и давлением внутри цилиндра двигателя. Одно альтернативное топливо, водород, подвержено более высокому риску супердетонации, чем другие виды топлива, из-за того, как двигатели должны работать, чтобы эффективно работать на водороде. Одним из решений является топливо из смеси водорода и метана. Добавление метана к водородному топливу может сгладить сгорание и уменьшить некоторые виды выбросов. Сгорание в двигателях чрезвычайно сложное, поэтому исследователям необходимо изучить реакции водородного/метанового топлива, чтобы помочь в разработке двигателя.
Влияние
Использование смесей водорода и метана в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания является одной из наиболее многообещающих стратегий сокращения выбросов углекислого газа. Одной из проблем при сжигании этих видов топлива в двигателях с искровым зажиганием является переход от «желательного» механизма сгорания к формированию детонационной волны. При желательном сгорании волна сгорания топлива (называемая дефлаграцией) распространяется от источника искрового воспламенения. Вместо этого при неправильных условиях это горение может привести к образованию волны детонации. Эта волна быстро потребляет все топливо и приводит к сильному скачку давления, называемому супердетонацией двигателей. Чтобы избежать сверхдетонации, ученые изучили причины перехода от дефлаграции к детонации. Это исследование поможет проложить путь к использованию жизнеспособных альтернатив ископаемому топливу в двигателях внутреннего сгорания.
Резюме
Исследователи исследовали влияние химии нетермических реакций на распространение фронтов горения для H2-СН4 горение топливной смеси на воздухе в ограниченной области, представляющей собой идеализированный цилиндр двигателя. Предыдущая работа показала, что в некоторых средах горения H + CH3 и H + OH радикально-радикальная рекомбинация и H + O2 реакции ассоциации радикал-молекула могут образовывать долгоживущие промежуточные соединения в возбужденном состоянии (такие как CH4*, Н2О*, НО2*), которые могут вступать в последующие реакции с H, O, OH и O2 перед столкновительной стабилизацией (до CH4ч2О, ХО2). Международная группа под руководством Sandia National Laboratories включила в модель нетермические «термолекулярные» реакции, изучая, в частности, эффекты таких радикально-радикальных рекомбинаций и реакций радикал-молекулярной ассоциации. Команда использовала код прямого численного моделирования (DNS) S3D с пространственным разрешением 1 микрометр, показав, что включение нетермализованных химических реакций влияет на потоки химических реакций во время высокого давления H.2-СН4 горение и переход фронтов дефлаграции в высоконапорные, быстро движущиеся фронты детонации.
С другой стороны, включение анализа химического взрывного режима (CEMA), надежного вычислительного диагностического инструмента для систематического обнаружения важных частиц и реакций, образующихся во время горения, показало, что независимо от наличия нетермической реактивности температура и концентрация кислорода остаются двумя наиболее доминирующими переменными, влияющими на формирование детонации в H2/Ч4-воздушные смеси при соответствующих режимах работы двигателя. Исследователи отмечают, что это конкретное наблюдение может меняться в зависимости от H2/Ч4 коэффициенты смешения. Предложенная исследователями модель представлена на изображении выше. Во-первых, искровое пламя распространяется наружу со скоростью ‘S.ф‘ сопровождается волной давления, распространяющейся со скоростью ‘a’, где а намного больше, чем Sф (а >> Сф). Без межмолекулярных реакций несгоревший газ у стенки цилиндра самовоспламеняется, прежде чем его поглотит искровое пламя. В дальнейшем возникающий фронт воспламенения распространяется наружу со скоростью «SSp» так, что он остается отделенным от волны давления (SSp >> a), что приводит к образованию нормального стука. Однако при наличии термомолекулярных реакций происходит слияние между фронтом искрового пламени и волной давления, причем «а» примерно равно «S».ф.’ Идеальная синхронизация между волной давления и искровым фронтом пламени приводит к переходу от дефлаграции к детонации, т. е. к сверхдетонации без какого-либо самовоспламенения несгоревшего остаточного газа. Исследователи предлагают включить их химию нетермических реакций при моделировании горения H.2-СН4 смеси для точного прогнозирования важных аспектов поведения пламени.
Финансирование
Работа в Sandia National Laboratories поддерживалась Департаментом энергетики (DOE), Управлением науки, фундаментальными энергетическими науками, Отделом химических наук, наук о Земле и биологических наук, а также Эксафлопсные вычисления Проект, совместный проект Управления науки Министерства энергетики США и Национальной администрации по ядерной безопасности. Работа в Аргоннских национальных лабораториях поддерживалась Управлением науки Министерства энергетики, Управлением фундаментальных энергетических наук, Отделом химических наук, наук о Земле и биологических наук. Двое исследователей получили поддержку в рамках Консорциума Аргонна-Сандия по химии горения под высоким давлением. Один из исследователей также признателен за поддержку Фонда естественных наук провинции Цзянсу. Работа в Университете Коннектикута была поддержана Эксафлопсные вычисления Проект.
