Механизмы многостадийного воспламенения углеводородо-воздушных смесей, инициируемые неравновесной плазмой импульсных разрядов

Для развития перспективных энергетических систем, таких как гибридный компрессионный двигатель внутреннего сгорания с гомогенной смесью и двухкамерные газовые турбины, работающих на основе сжигания традиционных и альтернативных видов топлива, необходимы новые методы эффективного управления процессами горения. Одним из распространенных подходов для удовлетворения экологическим требованиям является использование обедненных составов топливно-воздушных смесей, позволяющие избежать образования сажи и снизить наработку NOx. Характерной особенностью обедненных смесей является высокое значение пороговой энергии воспламенения и неустойчивость фронта горения. Для их преодоления предлагается придерживаться современной стратегии низкотемпературного горения (LTC strategies – low temperature combustion strategies), которая предполагает использование химических свойств самой топливно-воздушной смеси, проявляющей многостадийное воспламенение (наличие стадий холодного, голубого и горячего пламени). Среди известных методов оптимизации процесса горения следует выделить использование газовых разрядов для активации смеси. В первую очередь, интерес представляют объемные разряды, формирующие в пространстве неоднородное распределение температуры и активных частиц, определяющее структуру очага воспламенения, в том числе разряды наносекундного и высокочастотного (ВЧ) диапазонов. Разряд позволит расширить диапазон устойчивой работы энергетической системы путем регулирования протекания химических реакций и тепловыделения на низкотемпературной стадии окисления смеси. Участниками проекта ранее было показано в результате моделирования существенное влияние неравновесной плазмы разряда на многостадийное воспламенение, в том числе в компрессионном двигателе с гомогенной смесью, где оно отвечает за спонтанное воспламенение смеси перед волной горения. Однако экспериментального подтверждения этого вывода ранее не было получено. Следует отметить, что пределы применимости разряда для воспламенения смеси ограничены рядом физикохимических факторов. Смесь может быть малочувствительна на стадии воспламенения к изменению концентраций активных частиц, наработанных разрядом. Многоимпульсный и многоканальный характер разряда может приводить к разным режимам распространения волны горения. Сам разряд, создающий неравновесную плазму, при определенных условиях дает значительные концентрации NOx в продуктах сгорания. Несмотря на быстрое развитие технологии ВЧ плазменного зажигания, рост публикаций в высокорейтинговых журналах, фундаментальные вопросы, связанные с влиянием импульсной плазмы на развитие горения или конверсии углеводородной смеси на различных стадиях при повышенных давлениях, остаются нерешенными. Необходимо восполнить пробел в области изучения влияния плазмы на протекание низкотемпературной стадии горения для условий, близких к условиям в компрессионном двигателе. Цель настоящего исследования состоит в том, чтобы обнаружить изменение химического кинетического механизма в области проявления многостадийного воспламенения, включая отрицательный температурный коэффициент скорости окисления, под воздействием неравновесной плазмы, созданной импульсно-периодическим наносекундным разрядом. На основе полученных новых экспериментальных и расчетно-теоретических данных будут сформулированы рекомендации для гибридных компрессионных двигателей с гомогенным зарядом и газовых турбин, где в качестве активатора смеси используется воспламенитель на основе наносекундного импульсно-периодического разряда, либо высокочастотного коронного разряда.