Energieffektiva övergående plasma antändning och förbränning

Original: http://carambola.usc.edu/research/coronaignition/


(med Prof. Martin Gundersen, USC Institutionen för systemteknik Elektrofysik)

Stöds av U. S. flygvapnet kontoret av vetenskaplig forskning och US Department of Energy

Introduktion

Ljusbågen har varit tändning källan till val för de flesta typer av framdrivning och automotive förbränningsmotorer i över 100 år. Det har många fördelar inklusive enkelhet, låg kostnad, storlek och vikt av elektronik, och det ger tillräckligt höga temperaturer för att separera och delvis jonisera de flesta bränsle och oxidationsmedel molekyler. Ändå, det finns också många nackdelar med arc utsläpp, inklusive den begränsade storleken ansvarsfrihet, det är nödvändigt för att stödja elektroder som kan störa flödet eller förbränning processen, och den låg “stickkontakt” effektiviteten (dvs förhållandet mellan energi deponeras i gasen att den elektriska energi som förbrukas i producerar ansvarsfrihet.) Av dessa skäl många undersökningar av antändning av deflagrations och detonationer av alternativ energi källor såsom lasrar har genomförts under de senaste åren. Fortfarande, laser tändkällor presentera många praktiska svårigheter, särskilt behovet av tillförlitlig optisk tillgång, extremt låg vägg-plug effektivitet och extremt hög optisk stödnivåer som behövs för att inducerade sammanbrott i den gas som i sin tur gör det svårt att styra plats och intensitet ansvarsfrihet.

Föremål för denna undersökning är användningen av corona utsläpp (del av en elektrisk urladdning innan uppkomsten av låg spänning, hög nuvarande arc ansvarsfrihet) för inledandet av förbränning i framdrivningssystem och förbränningsmotorer. Corona ansvarsfrihet är i grunden ett plasma som är i en övergående, formativ fas. Corona utsläpp har potential att övervinna många av dessa begränsningar av konventionella elektriska urladdningar och laser ansvarsfrihet av skäl som inkluderar: (1) det finns bättre koppling till gas eftersom tvärsnitt för dissociation och jonisering mer nästan matchar den elektron energi fördelningen. (2) det finns lägre förluster genom lägre strålning, lägre anod och katod förluster och lägre gasdynamic störning bildas. (3) det finns många serpentiner, som har en liknande energi innehåll, i stället för en enda, onödigt stor och intensiv båge, som i sin tur kan initiera förbränning i en större volym och (4) storleken och formen tändning volymen kan skräddarsys genom att använda geometri av anod och katod. Med de senaste framstegen inom pulsade kraftelektronik, kan sådana utsläpp produceras med mycket hög stickkontakt effektiviteten i ett system med rimlig kostnad, storlek och vikt. Prof. Martin Gundersen av USC Institutionen för systemteknik Elektrofysik har utvecklat energieffektiv coronaurladdning system som kommer att användas för dessa undersökningar.

Senaste höjdpunkter första provning av corona tändningen i en förbränningsmotor. Resultaten var mycket lovande; indikerade effektiviteten var konsekvent 1520% högre än gnisttändning under identiska förhållanden och bränna priser var normalt dubbelt snabbt med corona som gnist. Se powerpointpresentationen nedan för mer detaljer.

Visa powerpointpresentation om corona tändning i allmänhet (mer detaljerad än beskrivningen nedan)

Visa powerpointpresentation om coronaurladdning antändning av förbränningsmotorer

Senaste publikationer:

 Wang, F., Liu, J. B., Sinibaldi, J., Brophy, C., Kuthi, A., Jiang, C., Ronney, P. D., Gundersen, M. A., “Transient Plasma Ignition of Quiescent and Flowing Fuel Mixtures, ” (“Transient Plasma Ignition of Quiescent and Flowing Fuel Mixtures, “) IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 33, pp. 844 – 849 (2005). Download .pdf version from IEEE website

Liu, J. B., Wang, F., Li, G., Kuthi, A., Gutmark, E. J., Ronney, P. D., Gundersen, M. A., “Transient plasma ignition,” I (“Transient plasma ignition,”)EEE Transactions on Plasma Science, Vol. 33, pp. 326-327 (2005). Download .pdf version from IEEE website

Liu, J. B., Wang, F., Lee, L., Ronney, P. D., Gundersen, M. A., “Effect of fuel type on flame ignition by transient plasma discharges,” (“Effect of fuel type on flame ignition by transient plasma discharges,”) AIAA Paper No. 2004-0837, 42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting, Reno, NV, January 5-8, 2004.

Liu, J. B., Wang, F., Lee, L., Ronney, P. D., Gundersen, M. A., “Effect of Discharge Energy and Cavity Geometry on Flame Ignition by Transient Plasma,” (“Effect of Discharge Energy and Cavity Geometry on Flame Ignition by Transient Plasma,”) AIAA Paper No. 2004-1011, 42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting, Reno, NV, January 5-8, 2004.

Experimentella resultat

Trots de potentiella fördelarna, har man inga systematiska studier av deflagrationseller detonationer med corona utsläpp. Preliminära experiment tändningen av quiescent CH4-luftblandningar vid 1 atm totala tryck har nyligen erhållits i vårt laboratorium. Vår kunskap är dessa första data lågan tändning genom coronaurladdning källor. Figur 1 visar ett blockdiagram av den experimentella apparaturen för quiescent tester. Det består av coronaurladdning generator och en test cylinder för att införa bränsle och studera inledandet av förbränning. 5,1 cm diameter test cylindern har gas inlopp, utlopp och vakuumpump inlopp i en Ändplatta, hög noggrannhet manometer för att mäta det partiella trycket av reaktanterna och en snabb-svar tryckgivaren för användning under förbränning experiment.

Figur 1. Schematisk bild av coronaurladdning tändsystem för förbränning experiment

Figur 2 visar sekventiella bilder av en flamma i en mycket mager blandning ANTÄNDAS med coronaurladdning. Man kan se att coronaurladdning antänder en cylindrisk volym vars diameter är mer än hälften av förbränningskammaren diameter i en mycket kort tidsperiod. Regionen tändning omger central katoden, där streamers är närmare fördelade. Effekten av kammaren diameter ska bedömas för att avgöra om denna inledande lågan kernel diameter bestäms främst av ansvarsfrihet eller den fysiska storleken kammaren.

  

Figur 2. Sekventiell bilder (33 ms mellan bilder) av axiella syn coronaurladdning antändning av en 6,5% CH4-luftblandning 1 atm. Diameter avdelningen är 5,1 cm.

Figur 3 visar den energi som deponeras i gasen som en funktion av corona nätspänningen. För tillräckligt låga spänningar (< 8 kV), ingen urladdning kan initieras. Ovanför denna spänning deponeras energin ökar snabbt med ökande spänning. Således är det möjligt att ange en viss mängd energi nedfall beroende på program. En storleksordning utbud av energi nedfall visas i Fig. 3. Figur 4 visar tändning fördröjningstiden (tidsintervallet mellan utsläpp och trycket att nå 10% av toppen trycket i en konstant volym kammare) som en funktion av energin som ansvarsfrihet. Det kan ses att det finns en “optimal” energi av cirka 200 mJ för detta fall, under vilket fördröjningstiden ökar snabbt och ovanför som förseningen är nästan konstant. Det finns alltså lite motivation att öka energin över detta optimalt värde. Detta beteende sågs för alla blandningar testas i våra preliminära experiment. Som väntat, befanns optimal energi vara högre för smalare blandningar.

Figur 3. Energi nedfall vs Matningsspänning för coronaurladdning källor

Figur 4. Förbränning stigtiden som en funktion av puls energi för CH4-luftblandningar vid 1 atm visar förekomsten av “optimal” energi (~ 200 mJ i detta fall).

Figur 5 visar fördröjningstiden tändning och figur 6 visar förbränning stigtiden (tidsintervallet mellan trycket når 10% och 90% av det högsta), både som en funktion av ekvivalenskvot. Corona tändning allafall visat, användes den “optimala” energin. Också visas motsvarande resultat för en arc urladdning (~ 70 mJ) olika platser i kammaren. Dessa siffror visar viktigaste konstaterandet av de preliminära experiment coronaurladdning leder till mycket snabbare förbränning (av om en faktor 3) än en arc ansvarsfrihet för alla blandningar testat, även för den mest fördelaktiga bågen ansvarsfrihet läge.

   

Figur 5. Tändning fördröjningstiden som en funktion av ekvivalenskvot för CH4-luftblandningar vid 1 atm för arc och corona tändkällor med “optimal” energi (se text).

Figur 6. Förbränning stigtiden som en funktion av ekvivalenskvot för CH4-luftblandningar vid 1 atm för arc och corona tändkällor med “optimal” energi (se text).

Det finns många faktorer som kan bidra till coronaurladdning fördelaktigt resultat. Klart den geometriska fördelen av koronan är närvarande (många optimal serpentiner vs en onödigt stor och intensiv båge.) Fortfarande, det förväntas att utförandet av corona tändsystemet skulle vara bättre än en arc ansvarsfrihet systemet har flera oberoende utsläpp eftersom corona serpentiner distribueras i hela regionen ringformig mellan koaxial elektroderna bågarna skulle begränsas till regionerna som mellan sina respektive elektrod par. Dessutom dessa flera elektrod par skulle säkert ge större värme och radikala förluster och skulle vara ett mindre energiskt effektiva medel för tändning.

Detta snabbare förbränning med corona utsläpp kan utnyttjas i en rad olika sätt. För puls detonation motorer, kan det leda till mindre, lättare motorer med högre specifik impuls. För förblandade lean-burn gasturbiner, skulle kunna det ge den nödvändiga acceleration och stabilisering av förbränning att göra sådana anordningar praktiskt i ett bredare spektrum av applikationer. Dessutom även för blandningar som inte särskilt mager, corona utsläpp minskar den tid som krävs för förbränning ska ske i en given volym, vilket innebär att uppehållstid av reaktanter i regionen hög temperatur i eldstadens kan minskas, vilket i sin tur leder till lägre termisk NOxbildning.