Теплофизика высоких температур, 2022, T. 60, № 1, стр. 103-107

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время одним из основных технологических методов преобразования химической энергии горения топливно-воздушных смесей в механическую работу является сжигание смесей в камерах двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Вместе с тем эффективность использования органического топлива в ДВС остается относительно низкой. Одним из очевидных путей повышения энергоэффективности работы ДВС может быть техническая модификация камеры сгорания, обеспечивающая большую степень сжатия, меньшие потери энергии и изменение других факторов, определяющих оптимальные режимы горения. Наравне с техническими решениями ([1, 2] и др.) в настоящее время широко распространена идея использования газообразного водорода как добавки к традиционным [3, 4] или альтернативным [5] топливам. Отдельным направлением является использование водорода как основного топлива [6]. При этом сжигание водорода в камере сгорания ДВС может стать одной из составных частей цикла энергетического обеспечения удаленных производственных объектов [7], а экологические характеристики процесса генерации энергии могут быть существенно улучшены благодаря исключению углерода из цикла.

Для обоснования эффективности и безопасности предлагаемых подходов необходимо всестороннее понимание фундаментальных механизмов развития нестационарных высокотемпературных явлений, имеющих место в рабочем цикле камеры сгорания ДВС. В частности, важным аспектом является оценка пределов устойчивого горения топлива. Одним из наиболее ярких и опасных проявлений неустойчивости горения является стук в двигателе [8]. При использовании углеводородных топлив это явление связано с преждевременным воспламенением горючей смеси в области перед фронтом горения [9]. При этом воспламенение имеет очаговый характер и ведет к генерации ударных волн. Как это было неоднократно продемонстрировано экспериментально, в результате очагового воспламенения в области между фронтом пламени и боковой стенкой цилиндра формируется детонационная волна, во фронте которой происходит догорание смеси [9]. В отличие от смесей на основе углеводородных топлив, в водороде очаговое воспламенение может реализоваться в относительно узком диапазоне режимных параметров: только в смесях околостехиометрического состава и только при экстремально высоких степенях сжатия [10]. Как правило, о стуке в водородном двигателе говорят при организации сжигания в режиме компрессионного воспламенения. В таких условиях температура сжатой смеси перед фронтом пламени достигает величины порядка 1000–1100 К, что обеспечивает короткую задержку воспламенения, и смесь воспламеняется быстрее, чем успевает сгореть во фронте пламени. В случае сжигания водорода в ДВС с искровым зажиганием при наблюдении стука, как правило, также говорят о самовоспламенении, приводящем к детонации [11], однако наглядных тому экспериментальных свидетельств в литературе нет. В то же время кинетика окисления водорода лишена особенностей, таких как “отрицательный температурный коэффициент”, ответственных за преждевременное самовоспламенение и стук при сжигании углеводородных топлив [12]. Oценка на основе данных о задержке воспламенения водорода для параметров, реализуемых в верхней мертвой точке, указывает на низкую вероятность самовоспламенения даже при высоких степенях сжатия (выше 11). Тем не менее, сценарии генерации ударных волн при сжигании топливно-воздушной смеси в замкнутом объеме [13, 14] вероятны и являются принципиальными для обеспечения безопасной работы системы, а их прогнозирование и подготовка путей предотвращения без заметной потери мощности двигателя являются одними из важнейших задач при разработке систем сжигания водородно-воздушных смесей. Среди эффективных методик борьбы с нештатными режимами горения, включая детонационноподобные, следует отметить ингибирование горения путем разбавления водородно-воздушной смеси воздухом, природным газом, водяным паром (в рамках подхода рециркуляции выхлопных газов) [7, 15, 16].

Целью настоящего исследования являются всесторонний анализ развития нестационарного горения водородно-воздушных смесей, включая режимы детонационноподобного горения, в условиях работы камеры сгорания ДВС с искровым зажиганием и выделение возможных сценариев с появлением стука и сопутствующих значительных тепловых и динамических нагрузок на стенки цилиндра.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Рассмотрим различные режимы сжигания водорода в камере сгорания ДВС с искровым зажиганием. В качестве параметров рабочего цикла взяты параметры установки, использованной ранее в работе [7](степень сжатия – 11.4, угловая скорость вращения коленчатого вала – 1500 об/мин, энергия в искре – 17 мДж, угол опережения зажигания – 10° до верхней мертвой точки). Геометрические параметры цилиндра следующие: ход поршня – 128 мм, диаметр цилиндра – 130 мм, поверхность поршня – плоская. По аналогии с подходом к определению детонационной стойкости топливной смеси октановым числом, использующимся в моторном методе, состав водородно-воздушной смеси варьируется от стехиометрического в направлении обедненных составов. Расчеты проводятся согласно традиционной модели газодинамики реагирующей газообразной смеси [17] с учетом сжимаемости, вязкости, теплопроводности, многокомпонентной диффузии и химической кинетики окисления водорода по детальному кинетическому механизму [18]. В качестве расчетной методики предлагается использовать эйлерово-лагранжев метод “крупных частиц”, показавший ранее хорошую точность в воспроизведении режимов горения газообразных топлив в камерах сгорания ДВС с искровым зажиганием [7, 9, 15].

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Индикаторные диаграммы для трех рассмотренных характерных режимов сгорания водорода представлены на рис. 1. В случае стехиометрической смеси (случай 1) имеет место формирование детонационной волны, которая распространяется от источника воспламенения по предварительно сжатой смеси со скоростью 1821 м/с (давление и температура стехиометрической смеси достигают при α = 170° величины 23 атм и 686 К). После отражения от стенок камеры сгорания детонационная волна вырождается в ударную волну, распространение которой по продуктам горения внутри камеры сгорания определяет высокочастотные и высокоамплитудные колебания давления на стенки камеры. Частота колебаний составляет 10.2 кГц (рис. 2а), что существенно превышает наибольшую частоту f₀, характеризующую камеру сгорания, которую можно оценить как отношение скорости звука в продуктах горения к диаметру цилиндра – f₀ ~ 7.7 кГц. Амплитуда колебаний давления в случае 1 достигает более 100 атм, что в купе с высокой частотой процесса соответствует явлению “сверхстука” [9]. Это естественно, так как явление “сверхстука”, согласно доступной экспериментальной информации, всегда определяется формированием детонационной волны, и этот случай следует рассматривать как референтный при анализе режимов горения водорода в ДВС.

Рис. 1.

Индикаторные диаграммы в координатах α–p, показывающие характерные темпы нарастания давления и амплитуды волн сжатия и ударных волн в камере ДВС в окрестности верхней мертвой точки (α = = 180°): 1 – детонация в стехиометрической смеси (29.5% водорода); 2, 3 – горение в обедненных смесях с 26 и 18% водорода соответственно.

Рис. 2.

Спектры пульсаций давления, построенные на основе трех индикаторных диаграмм рис. 1; амплитуда нормирована на максимальное значение амплитуды для каждого из трех случаев: (а) – 1, (б) – 2, (в) – 3.

Противоположный случай реализуется в обедненной смеси, содержащей 18% водорода (случай 3 на рис. 1, 2). В этом случае реализуется режим дефлаграционного горения, и в направлении от источника воспламенения по смеси распространяется волна горения. Нестационарный характер развития многомерного фронта пламени от локализованного очага в замкнутом объеме сопровождается генерацией волн сжатия с их последующим взаимодействием со стенками камеры сгорания и фронтом пламени. Так, на индикаторной диаграмме можно наблюдать низкоамплитудные колебания давления с частотой ~4.4 кГц, что соответствует распространению акустических возмущений в сечении камеры сгорания со скоростью 572 м/с, т.е. со скоростью звука в сжатой под поршнем водородно-воздушной смеси. Далее в процессе горения амплитуда волн и частота колебаний растут и достигают соответственно ~10 атм и ~8 кГц. По амплитуде возникающие в случае 3 колебания давления более чем на порядок ниже, чем в случае 1, а частота близка к  f₀. В связи с этим, в данном случае можно говорить фактически о штатном режиме горения.

Промежуточный режим наблюдается в смеси, содержащей 26% водорода (случай 2 на рис. 1, 2). Амплитуда колебаний давления в пике достигает ~30–40 атм, и выделяется высокочастотная составляющая, что указывает на генерацию ударных волн в объеме камеры сгорания. Режим с такими параметрами сопоставим с явлением стука в ДВС при использовании углеводородных топлив, но при этом очагов самовоспламенения и формирования детонационной волны внутри камеры сгорания не наблюдается. В связи с этим крайне важно определить механизмы генерации и усиления ударных волн при реализации такого режима сгорания водорода в камере сгорания ДВС. Для этого следует подробно рассмотреть эволюцию структуры течения в процессе сгорания смеси. На рис. 3 представлены картины течения в три последовательныx моментa времени. На рассмотренной стадии фронт пламени имеет сложную изрезанную форму, при этом локальное ускорение участков фронта сопровождается излучением волн сжатия, распространяющихся в объеме и взаимодействующих с соседними участками фронта пламени. Природа деформации фронта пламени в первую очередь связана с развитием гидродинамической неустойчивости [19]. Дополнительным фактором деформации фронта и интенсификации роста неустойчивости является взаимодействие пламени с волнами сжатия, отраженными от стенок камеры сгорания. Интенсивный рост вновь рожденных на поверхности фронта пламени возмущений и связанное с ним локальное ускорение отдельных участков фронта определяет генерацию волн сжатия, расходящихся от каждого из таких источников на фронте пламени, аналогично тому, как это показано в работе [20].

Рис. 3.

Характерная картина течения вблизи фронта пламени (черные кривые) при приближении к точке полного сгорания в режиме 2 (рис. 1); показано поле градиента плотности в срезе цилиндрической камеры сгорания; левая граница – ось цилиндра, правая – боковая стенка, верхняя – поверхность поршня.

В процессе распространения в объеме волны сжатия взаимодействуют с областями экзотермической реакции во фронте пламени и усиливаются по механизму термоакустической неустойчивости [21]. (Подобный механизм усиления волн сжатия при стуке также рассматривался ранее в [22], однако в качестве источника волн сжатия предполагалось очаговое самовоспламенение перед основным фронтом горения.) Описанная последовательность развития процесса и составляет механизм генерации и усиления ударных волн в камере сгорания. При этом сгорание смеси происходит за времена намного короче, чем характерное время самовоспламенения смеси в зазоре между фронтом пламени и стенкой цилиндра. Так, например, в момент времени за 0.1 мс до сгорания всей смеси, когда фронт пламени располагается в непосредственной близости от боковой стенки цилиндра, температура и давление смеси в зазоре между фронтом пламени и стенкой достигают своих пиковых значений, равных 900 К и 74.6 атм, что определяет задержку воспламенения 26%-й смеси водорода с воздухом в 24.6 мс. Таким образом, самовоспламенения смеси перед фронтом пламени не происходит, а “детонационноподобное” поведение системы, регистрируемое с помощью индикаторных диаграмм, определяется исключительно механизмом, предложенным выше. Данный результат имеет важное значение для корректной оценки сценариев развития нештатных режимов горения водорода с целью их прогнозирования и предотвращения.

Результаты численного моделирования указывают на то, что в области реализации режима быстрого горения (20–26% водорода в смеси) наблюдается высокая степень полноты сгорания в сравнении как с детонационным режимом, так и с режимом медленного горения. Этот факт может быть использован для обоснования поиска новых путей оптимизации процесса сжигания водорода в камерах сгорания ДВС. При этом следует учитывать потенциальную опасность интенсивных колебаний давления, генерируемых по представленному выше механизму, равно как и другие аномальные явления, такие как “обратная вспышка”, наблюдаемые в близких условиях [15] при содержании водорода в смеси более 23%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного в работе анализа выделены три основных сценария развития горения водорода в камерах двигателей внутреннего сгорания: детонационное горение, дефлаграционное горение и режим быстрого горения с генерацией ударных волн. Последний сценарий представлен впервые и является базовым для описания нештатных режимов горения водорода в камере сгорания ДВС с искровым зажиганием, тогда как формирование детонации в результате самовоспламенения в водороде следует ожидать исключительно при реализации режима гомогенного компрессионного воспламенения. Развитие процесса в режиме быстрого горения определяется особенностями нестационарного горения газа в ограниченном объеме. Генерация волн сжатия связана с развитием гидродинамической неустойчивости фронта пламени, а их усиление и формирование ударных волн с эффектом термоакустической неустойчивости при взаимодействии с фронтом пламени. Описанный эффект существенно ограничивает возможность использования водорода в качестве топлива для ДВС с искровым зажиганием. С учетом этого при разработке реальных технических решений рекомендуется проводить дополнительное количественное (экспериментальное и/или численное) определение концентрационных пределов реализации описанного режима быстрого горения.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (соглашение № 075-15-2020-806 от 29 сентября 2020 г.).