Закономерности сжигания бедных метановоздушных смесей в поршневых двигателях

Статья посвящена изучению закономерностей сжигания бедных метановоздушных смесей в судовых двигателях внутреннего сгорания. Выполненный обзор литературы показал, что реализация технологии сжигания гомогенной бедной метановоздушной смеси позволит повысить степень сжатия, снизить расход топлива и улучшить экологические показатели двигателя. Однако, из-за увеличения пропусков зажигания и снижения скорости распространения пламени, сжигание бедных метановоздушных смесей остается пока нерешенной задачей. В статье изучено влияние коэффициента избытка воздуха (от 1 до 1,4) на режим турбулентного горения (оцениваемый критериями Карловица и Дамкелера), а также полноту и скорость сгорания топлива. Выявлено, что обеднение топливовоздушной смеси в условиях интенсивной турбулентности приводит к увеличению критерия Карловица и уменьшению критерия Дамкелера, что свидетельствует об уменьшении скорости химических реакций во фронте пламени. В результате процесс сгорания характеризуется растяжениями и разрывами фронта пламени. Поэтому для интенсификации сгорания бедных метановоздушных смесей целесообразно увеличивать среднюю скорость вихревого потока, а не интенсивность турбулентности. Изучение влияния коэффициента избытка воздуха на полноту и скорость сгорания топлива показало, что обеднение смеси приводит к уменьшению полноты сгорания топлива с 93,5 % (при α = 1) до 83 % (при α = 1,4). Значения скорости сгорания также уменьшается, а их максимальные значения смещаются с 13° (при α = 1) до 24° (при α = 1,4) градусов после верхней мертвой точки. Сделан вывод о том, что для эффективной работы двигателя на бедных смесях необходимо увеличивать скорость сгорания топлива за счет дополнительной закрутки газовоздушной смеси или применения промоторов горения.

1. Безюков О. К. Газомоторное топливо на водном транспорте / О. К. Безюков, В. А. Жуков, О. И. Ященко // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2014. — № 6. — С. 31–39. — EDN TDOCEH.

2. Арабова З. М. Анализ возможности перевода водного транспорта на сжиженный природный газ / З. М. Арабова, М. Ш. Арабов, А. А. Волкова, П. А. Саадати // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. — 2021. — № 3. — С. 60–73. DOI: 10.24143/2073-1574-2021-3-60-73. — EDN ORSAMW.

3. Ватолин Д. С. Оценка эффективности топливоподготовки на судах, использующих в качестве топлива сжиженный природный газ / Д. С. Ватолин // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова. — 2023. — Т. 15. — № 3. — С. 501–512. DOI: 10.21821/2309-5180-2023-15-3-501-512. — EDN RRSEXY.

4. Живлюк Г. Е. Экологическая безопасность энергетических установок: двухтопливные и газовые двигатели / Г. Е. Живлюк, А. П. Петров // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2022. — Т. 14. — № 3. — С. 449–462. DOI: 10.21821/2309-5180-2022-14-3-449-462. — EDN IWDJGT.

5. Shouvik D. An Investigation of Premixed and Lean Combustion in Engines. Grand PhD diss. University of Windsor. — 2018. — 229 p.

6. Aleiferis P. G. Cyclic Variations of Initial Flame Kernel Growth in a Honda VTEC-E Lean-Burn SparkIgnition Engine / P. G. Aleiferis // SAE Technical Paper. — Is. 2000–01–1207. — 2000. — P. 112–149. DOI: 10.4271/2000-01-1207.

7. Kang K. Y. The Effects of Tumble Flow on Lean Burn Characteristics in a Four-Valve SI Engine / K. Y. Kang // SAE Technical Paper. — Is. 970791. — 1997. — P. 981–989. DOI: 10.4271/970791.

8. Arcoumanis C. Flow and Combustion in a Four-Valve, Spark-Ignition Optical Engine / C. Arcoumanis // SAE Transactions. — 1994. — Is. 940475. — P. 197–211. DOI: 10.4271/940475.

9. Jung D. An Investigation of Multiple Spark Discharge Using MultiCoil Ignition System for Improving Thermal Efficiency of Lean SI Engine Operation / D. Jung, N. Iida // Applied Energy. — 2018. — Is. 212. — P. 322– 332. DOI: 10.1016/j.apenergy.2017.12.032.

10. Шайкин А. П. Характеристики распространения пламени и их влияние на образование несгоревших углеводородов и оксида азота в отработавших газах при добавке водорода в топливно-воздушную смесь энергетических установок с искровым зажиганием / А. П. Шайкин, П. В. Ивашин, И. Р. Галиев. — Самара: СНЦ РАН, 2016. — 259 с. — EDN YTMMVB.

11. Shaikin A. P. On the relationship of the width of the turbulent combustion zone with the fuel composition, pressure, propagation speed, and electrical conductivity of the flame / A. P. Shaikin, I. R. Galiev // Technical Physics. — 2020. — № 7. — P. 1020–1023. DOI: 10.1134/S106378422007018X.

12. Галиев И. Р. CFD-моделирование газодинамических процессов при профилировании камеры сгорания газопоршневого двигателя / И. Р. Галиев. — СПб.: СПбГМТУ, 2024. — 104 с. — EDN BVJGON.

13. Lorenzo M. D. New One Shot Engine Validation Based on Aerodynamic Characterization and Preliminary Combustion Tests / M. D Lorenzo // Flow Turbulence and Combustion. — 2021. — Is. 106. — P. 1801–1810. DOI:10.1007/s10494-020-00185-3.

14. Baratta M. CFD modelling of natural gas combustion in IC engines under different EGR dilution and H2doping conditions / M. Baratta // Transportation Engineering. — 2020. — Is. 2. — 12 p. DOI: 10.1016/j.treng.2020.100018.

15. Chung Y. H. Fire Safety Evaluation of High-Pressure Ammonia Storage Systems / Y. H. Chung // Energies. — 2022. — Is. 15. — P. 1123–1134. DOI: 10.3390/en15020520.