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

 

Содержание раздела