Способ сжигания углеводородного топлива и устройство для реализации способа

Способ сжигания углеводородного топлива и устройство для реализации способа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к энергетике, в частности к сжиганию углеводородного топлива, и может быть использовано при производстве электроэнергии, при организации рабочего процесса в автомобильных двигателях, реактивных, турбореактивных и турбовентиляторных авиационных и ракетных двигателях, газотурбинных и других энергетических установках.

Известны различные методы сжигания углеводородного топлива, основанные на распространении фронта пламени. В качестве основных, можно указать периодическое сжигание топливно-воздушной смеси в бензиновых и дизельных двигателях внутреннего сгорания [1], непрерывное сжигание топливно-воздушной (-окислительной) смеси в ракетных и авиационных двигателях, пульсирующие режимы сжигания топливно-воздушной (-окислительной) смеси в ракетных и авиационных двигателях, непрерывное сжигание топливно-воздушной смеси в различных вариантах авиационных турбореактивных, турбовинтовых и турбовентиляторных двигателей, непрерывное сжигание топливно-воздушной смеси в газотурбинных двигателях и энергетических установках, а также в других вариантах сжигания струи топлива в окислительной среде, или струи предварительно перемешанной топливно-воздушной (-окислительной) смеси.

Известны способы образования фронта пламени путем поджигания топливно-воздушной смеси с помощью специальных устройств. В качестве таких устройств для периодического зажигания топлива, например, в двигателях внутреннего сгорания чаще всего используют различные виды электрических разрядов в газе, включая импульсный разряд между электродами в газе [1], комбинированный импульсный разряд через газовый промежуток и по поверхности диэлектрика [2], скользящий разряд по поверхности диэлектрика [3]. Для непрерывного сжигания топлива используют различные нагретые элементы, горелки и факелы с открытым пламенем и др.

Известно, что в углеводородных пламенах на всех стадиях горения происходит ионизация газа, например, в реакции СН+О→СНО⁺+е^- [4].

Известно и использование электрического поля для интенсификации горения топливно-воздушной смеси в автомобильных двигателях внутреннего сгорания [5].

Известны также методы возбуждения газовой среды высокого (десятки атмосфер) давления с помощью несамостоятельного разряда с целью создания инверсной заселенности уровней в мощных лазерах на СО₂ и некоторых других газах. Это, так называемый, электроионизационный метод накачки лазеров на сжатых газах [6]. Суть метода накачки заключается в непосредственном возбуждении молекулярных газов электронным ударом при движении сквозь газ свободных электронов в электрическом поле. Свободные электроны образуются в процессе предионизации газовой среды, которая осуществляется различными методами. Электрическое поле, ускоряющее свободные электроны, создается в газовом объеме с помощью системы электродов, размещенных в газовой среде. Подбор параметров газовой среды и электрического поля позволяет с высокой эффективностью осуществлять разные виды возбуждения газа, включая возбуждение колебательных степеней свободы, электронных степеней свободы, ионизацию газа.

Известно также использование несамостоятельного СВЧ-разряда в газе в качестве средства создания сильно неравновесных колебательно-возбужденных состояний молекулярной газовой лазерной среды [7].

Известно использование электронных пучков для предионизации газа высокого давления в электроионизационных лазерах [8].

Известно также применение скользящего разряда по поверхности диэлектрика в системах предионизации электроионизационных лазеров для получения самостоятельного и несамостоятельного объемных разрядов в межэлектродных промежутках [9]. При этом ионизация газовой среды осуществляется потоком жесткого электромагнитного излучения, источником которого является плазма скользящего разряда. Известно, что увеличение скорости нарастания разности потенциалов U при возбуждении скользящего разряда dU/dt до значений ˜10¹³ В/с отодвигает коротковолновую границу спектра излучения скользящего разряда в область мягкого рентгена [10]. Известны и различные виды электродных систем для использования скользящего разряда по поверхности диэлектрика в качестве источника предварительной ионизации газовой среды СО₂ лазера, в том числе и устройства с так называемыми плазменными электродами [11]. В этих электродных системах ток основного разряда замыкается через плазму скользящего разряда, что и обусловило применение термина "плазменные электроды".

Известно также возникновение "убегающих" электронов, которые появляются при электрическом пробое сильно перенапряженных газовых промежутков [12]. Эти электроны образуются в результате предускорения в области краевого поля на фронте лавины развивающегося газового разряда и характеризуются тем, что ускоряются электрическим полем во всем межэлектродном промежутке, приобретая энергию в десятки килоэлектронвольт. Критерием убегания электронов является условие:

где Е_f(х,φ) - результирующая напряженность электрического поля в точке "х" с учетом основного поля Е₀ и поля поляризации плазменного облака Е_р, если между векторами Е₀ и Е_р угол φ; L₁(w) - энергетические потери электрона с энергией w на единице длины пути, Р - давление газа.

Анализ выражения для критерия убегания электронов (1) показывает, что удовлетворить критерию убегания можно, если электрон каким-либо способом приобретет энергию w_e выше, чем w₂ (фиг.5). Это может произойти как на стадии одиночных лавин, если параметр Е₀/Р достаточно велик, так и позже, после лавинно-стримерного перехода или в процессе эволюции стримеров, если Е₀/Р«(Е/Р)_кр. В сильно перенапряженных промежутках лавинно-стримерный переход осуществляется на пути z˜100 мкм. В результате такого перехода формируется плазменное облако с проводимостью, достаточной для создания фронтов ионизации и генерации убегающих электронов. Находясь в сильном электрическом поле, облако поляризуется. Далее процесс ионизации развивается за счет электронов, вырывающихся из облака и ускоряющихся в зоне действия пространственного заряда. Часть этих электронов приобретает энергию, большую, чем w₂, и получает возможность непрерывно ускоряться вплоть до анода. Для реализации подобной ситуации при давлении газа ˜ нескольких десятков атмосфер требуются поля с напряженностью более 10⁶ В/см.

Известны и методы получения свободных электронов, заключающиеся в использовании явления внешнего фотоэффекта из металлов и других материалов под действием потока электромагнитного излучения [13]. Квантовый выход фотоэмиссии, то есть число фотоэлектронов, эмитированных при поглощении одного фотона, из чистых металлических поверхностей в видимой области спектра имеет порядок 10^-4 электрон/фотон, а при hν≤10 эВ, где hν - энергия кванта электромагнитного излучения, не превышает 10^-2 электрон/фотон. Металлы имеют высокий квантовый выход фотоэмиссии ˜10^-1 электрон/фотон только в области hν>12 эВ и обычно при наличии на их поверхности оксидных пленок.

Известны также способы сжигания топливно-воздушной смеси без распространения фронта пламени [14, 15]. При таких способах сжигания топлива создают условия для самовоспламенения топливно-воздушной смеси и сгорания ее до стадии образования конечных продуктов окисления синхронно во всем объеме камеры сгорания.

Известно, что, несмотря на разнообразие способов сжигания углеводородного топлива с фронтом пламени и без распространения фронта пламени, все они имеют общую характерную особенность, обусловленную кинетикой окисления углеводородного топлива. Эта особенность связана с тем, что химическая реакция окисления углеводородов является "цепной реакцией с вырожденным разветвлением" [16]. Причем стадии разветвления цепи наиболее важны в процессах горения, и особенно, в процессах воспламенения топлива. Последовательность элементарных реакций "цепной реакции с вырожденным разветвлением" содержит начальные реакции зарождения цепи и основную цепь - реакции продолжения цепи, на каждом этапе которых происходит образование активного радикала взамен "потраченного". В процессе цепной реакции окисления происходит последовательная деградация исходных молекул углеводорода с образованием все более "коротких" молекул. На определенном этапе развития процесса деструктивного окисления исходных углеводородов происходит образование метастабильных молекул промежуточных продуктов неполного окисления. Эти продукты, в силу относительной стабильности своих молекул, накапливаются в реакционной среде. Однако они все же не являются по настоящему стабильными, и под воздействием внешних условий с некоторой вероятностью распадаются, порождая два активных радикала, которые осуществляют разветвление и зарождение новых цепей реакции окисления молекул углеводородов. Таким образом, отличительной особенностью кинетики окисления молекул углеводородов является генерация и накопление метастабильных молекул промежуточных продуктов неполного окисления, а образование новых цепей и ускорение реакции окисления происходит только после некоторого "подготовительного" периода при распаде накопленных метастабильных молекул. При достижении определенной скорости распада накопленных метастабильных продуктов реакция переходит во взрыв, что соответствует воспламенению топливно-воздушной смеси.

Во всех, кроме [15], представленных выше примерах использования горения углеводородов с целью получения тепловой энергии, разрушение метастабильных молекул промежуточных продуктов неполного окисления углеводородов происходит вследствие повышения температуры Т газовой среды за счет увеличения энергии поступательных степеней свободы у молекул газовой среды. В ходе повышения температуры все большая доля молекул обладает энергией теплового движения, превышающей энергию активации распада метастабильных молекул промежуточных продуктов. При столкновениях метастабильных молекул с другими молекулами, происходящих вследствие теплового движения, они могут получить дополнительную энергию, достаточную для активации процесса распада молекулы. Когда средняя энергия (температура) газовой среды достигает определенного значения, скорость распада метастабильных молекул и образования новых цепей реакции окисления углеводородов становится достаточной для необратимого развития "теплового взрыва".

В работах [17÷21] и других, связанных с детальными исследованиями кинетики химической реакции окисления углеводородов, выполненных в последние 15÷20 лет, показано, что ключевой реакцией, приводящей к разветвлению цепей и необратимому переходу к воспламенению, является реакция распада пероксида водорода:

где М - другая молекула газовой среды или стенка реактора.

Так, анализ чувствительности и анализ путей реакции, выполненные в [21], показывают, что после реакции инициации - углеводородный радикал) следуют реакции и реакция (2), осуществляющие разветвление цепи. Далее, радикалы образованные в реакции (2), могут образовывать радикалы например в реакциях: генерируя в большом количестве "предвестников" последующих разветвлений цепи и обеспечивая развитие теплового "взрыва". Такое разветвление цепи возможно в интервале температур Т:900 К<Т<1100 К. Для более высоких температур Т>1100К, механизм разветвления цепи становится достаточно простым

и относительно независимым от природы топлива.

Реакция (2) описывается кинетическим уравнением первого порядка. Для того чтобы происходил мономолекулярный распад, молекула должна обладать запасом энергии, который может появиться в результате активирующих и дезактивирующих столкновений между молекулами. Скорость реакции зависит от температуры и давления газовой среды.

На начальных стадиях развития процесса самовоспламенения, в так называемой низкотемпературной области, возможно накопление и других метастабильных молекул промежуточных продуктов неполного окисления углеводородов, таких как алкилпероксиды и алкилгидропероксиды, которые через цепочку химических реакций, распадов радикалов и процессов изомеризации превращаются в относительно стабильную кетогидропероксидную группу. Температура распада кетогидропероксидов составляет около 800 К, что несколько ниже, чем у молекул Н₂О₂ [18]. Распад кетогидропероксидов приводит к образованию двух активных частиц и разветвлению реакции окисления углеводородов. Однако этот механизм разветвления цепей имеет вырожденный характер, в соответствие с которым сразу после его начала из-за небольшого роста температуры сдвигается равновесие реакций, генерирующих сложные соединения - "предвестники" разветвления, и прекращается подпитка реакции разветвления. После этого наступает задержка развития самовоспламенения (многостадийное самовоспламенение) до тех пор, пока не будут достигнуты условия (повышение температуры, накопление высокой концентрации пероксидов) протекания доминирующего процесса разветвления цепей, характерного для реальных систем, вследствие реакции распада молекул Н₂О₂ [20]. Это справедливо и является основной особенностью кинетики процессов воспламенения углеводородов для лабораторных RCM экспериментов, явления стука в двигателях с искровым зажиганием, воспламенения в дизельных двигателях и при управлении процессом воспламенения в HCCI-engines. В каждой из этих систем Н₂О₂ образуется при низких температурах и остается относительно инертным, пока температура, возрастая от сжатия и экзотермических реакций, не достигнет уровня, когда молекулы Н₂О₂ быстро развалятся через реакцию (2) и не "запустят" разветвление цепей реакции окисления [18].

Скорость изменения числа молекул пероксида водорода H₂O₂ вследствие распада может быть представлена как:

где [М] - молярная концентрация пероксида;

k₁-=1.2-10¹⁷*exp(-45500/RT) - константа скорости реакции (2).

Из формулы (4) можно получить выражение для "постоянной времени распада" τ молекул пероксида:

В качестве примера оценим время распада для концентрации молекул пероксида [М] ˜10^-4 моль/см³, полученной в [20] после сжатия топливно-воздушной смеси в RCM эксперименте. Вычисления τ (по формуле (5) дают значения: τ₉₀₀=7.8·10^-3 сек для Т=900 К; τ₁₀₀₀=6.4·10^-4 сек для Т=1000 К; τ₁₁₀₀=8·10^-5 сек для Т=1100 К.

Развитие процесса воспламенения углеводородов по приведенной выше схеме с тепловой стимуляцией распада метастабильных молекул промежуточных продуктов характеризуется слабой управляемостью ввиду статистической природы процесса термической деструкции и отсутствия естественного "механизма" быстрого воздействия на температуру всего газового объема. При сгорании топливно-воздушной смеси путем распространения фронта пламени воспламенение новых порций топлива происходит по такому же "механизму", как и рассмотренный выше "механизм" радикально - теплового взрыва, но с некоторыми особенностями, обусловленными диффузией активных радикалов из зоны пламени и процессами теплопередачи.

Из формулы (5) также видно, что процесс воспламенения чувствителен к значению концентрации [М] молекул пероксида водорода, накопленных к этому моменту. В свою очередь, значение [М] определяется многими параметрами, такими, например, как предыдущая "тепловая история", то есть динамика изменения тепловых характеристик воздействия на топливно-воздушную смесь; состав топливно-воздушной смеси; молекулярный состав топлива и др., непосредственно влияющими на скорость образования молекул пероксида водорода. Отсюда понятно, что при этом из-за большого числа критичных параметров трудно обеспечить достаточную управляемость, точность и повторяемость момента перехода во взрыв. Указанная особенность имеет определяющее значение для применений, связанных с периодическим сжиганием топливно-воздушной смеси в изменяющихся условиях, например, в двигателях внутреннего сгорания и является основной технической проблемой, сдерживающей практическую реализацию некоторых перспективных технологий, таких как "Homogeneous Charge Compression Ignition" and "Controlled Auto Ignition" (CAI (HCCI Engine) [14].

Кроме того, основным последствием представленного механизма воспламенения топливно-воздушной смеси и ее сгорания путем распространения фронта пламени в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием является ограничение на неоправданно низком уровне допустимой степени сжатия r (r≤11÷12) из-за возникновения стука (детонации), неполное сгорание топлива, повышенная токсичность продуктов горения и, как следствие, низкий кпд.

Другой неприятной особенностью реакции с тепловым "механизмом" стимулирования разветвления цепей является относительно низкая скорость развития необратимого процесса самовоспламенения. Причем скорость развития процесса занижена не по причине "принципиальных природных ограничений", а лишь из-за того, что на начальном этапе необратимого перехода к тепловому взрыву относительно медленно растет температура и, следовательно, медленно нарастает число распадающихся метастабильных молекул из числа накопленных в топливно-воздушной смеси. Именно это обстоятельство лимитирует также скорость распространения пламени, или, что эквивалентно для большинства применений при непрерывном режиме сжигания топлива, скорость подачи топливно-воздушной смеси в зону горения.

При осуществлении сжигания топлива в непрерывном режиме, например в авиационных прямоточных воздушно реактивных или газотурбинных двигателях, для организации горения в высокоскоростном потоке используют различные методы газодинамической стабилизации пламени. Один из них - размещение плохообтекаемого тела (стабилизатора), создающего перераспределение давления в потоке и, как следствие, зону обратных токов. В таком методе стабилизации продукты горения, циркулирующие в зоне обратных токов, служат постоянным источником зажигания для вновь поступающей топливно-воздушной смеси. Устойчивость турбулентного диффузионного пламени на стабилизаторе по отношению к скорости набегающего потока и расходу топлива - очень критичный параметр, во многом определяющий характеристики энергетической установки. Пламя устойчиво в тех случаях, когда скорость подачи топливно-воздушной смеси не превышает значения, при котором существуют обратные токи, нагревающие новые порции свежей горючей смеси.

Способ периодического сжигания топливно-воздушной смеси без распространения фронта пламени [15] основан на принудительном разрушении метастабильных молекул промежуточных продуктов неполного окисления углеводородов в объеме горючей смеси путем энергетического воздействия. В этом способе при разрушении метастабильных молекул происходит разветвление реакции, быстро развивается цепной взрыв во всем объеме топливно-воздушной смеси, где были разрушены молекулы. Таким образом, разрушение метастабильных молекул функционально заменяет зажигание топливно-воздушной смеси. Указанный способ сжигания топливно-воздушной смеси при использовании в качестве энергетического воздействия слабой ударной волны или потока электромагнитного излучения наиболее близок к настоящему изобретению и выбран в качестве прототипа.

Предложенный в [15] вид энергетического воздействия, связанный с использованием слабой ударной волны, может быть использован только в периодическом режиме сжигания топливно-воздушной смеси в условиях двигателя внутреннего сгорания и не может быть распространен на случаи непрерывного горения, характерные для сжигания топливно-воздушной смеси, например, в непрерывном проточном режиме. Другой предложенный в [15] вид энергетического воздействия путем облучения горючей смеси потоком электромагнитного излучения с энергией квантов, достаточной для разрушения метастабильных молекул, в принципе, может быть использован и в непрерывном режиме горения. Однако при практическом применении указанного вида энергетического воздействия существуют принципиальные трудности, связанные с созданием источника электромагнитного излучения, обладающего необходимой плотностью потока излучения (так как каждый квант электромагнитного излучения разрушает только одну молекулу, поглотившую этот квант, для разрушения требуемого количества метастабильных молекул, удельная плотность которых в газовой среде менее 3÷5%, необходимо создавать потоки излучения плотности ˜10¹⁵÷10¹⁹ фотонов/см²) и трудности обеспечения его работоспособности в условиях камеры сгорания. При этом существуют также принципиальные трудности обеспечения равномерности засветки всего объема камеры сгорания из-за высокого коэффициента поглощения излучения в газовой среде. По этим причинам проблематично осуществить на практике такую засветку зоны горения, которая требуется для достаточно полного и однородного по объему разрушения метастабильных молекул промежуточных продуктов неполного окисления углеводородов в зоне горения топлива, и обеспечить условия для быстрого развития радикально-цепного взрыва.

Техническим результатом настоящего изобретения является осуществление мгновенной реакции радикально-цепного взрыва во всем объеме топливно-воздушной смеси за счет реализации практически одновременного разрушения большинства накопленных метастабильных молекул промежуточных продуктов, приводящего к образованию большого числа активных радикалов, разветвляющих и порождающих новые цепи реакции окисления углеводородного топлива. Изобретение обеспечивает повышение эффективности сжигания углеводородного топлива, увеличение скорости распространения пламени и повышение устойчивости горения при непрерывном режиме сжигания топлива, а также ускорение процесса развития воспламенения и окисления топлива до конечных продуктов по сравнению с известными способами осуществления сжигания углеводородного топлива за счет реализации массового разветвления цепной реакции окисления молекул углеводородов.

Для достижения поставленного технического результата в известном способе сжигания углеводородного топлива, при котором реализуют стимулированное разрушение молекул метастабильных промежуточных продуктов неполного окисления углеводородов, накопленных в газовом объеме топливно-воздушной смеси, путем энергетического воздействия, предложено топливно-воздушную смесь обогатить свободными электронами, а энергетическое воздействие на молекулы горючей смеси осуществить посредством их неупругих соударений со свободными электронами, ускоряемыми электрическим полем, напряженность Е которого, меньше напряженности перехода к самостоятельному газовому разряду.

Предусмотрены также следующие конкретные усовершенствования способа сжигания углеводородного топлива:

- обогащение топливно-воздушной смеси свободными электронами осуществляют путем ее ионизации;

- обогащение топливно-воздушной смеси свободными электронами осуществляют путем инжекции электронов;

- напряженность Е ускоряющего электрического поля составляет 0.1÷0.2 части напряженности электрического поля пробоя газового промежутка;

- обогащение топливно-воздушной смеси свободными электронами и ускорение их электрическим полем осуществляют импульсно, причем импульсы обогащения горючей смеси свободными электронами совпадают по времени с импульсами ускоряющего электрического поля;

- топливно-воздушную смесь пропускают через зону, в которой производят ее непрерывное обогащение свободными электронами, и зону, в которой производят ускорение свободных электронов в электрическом поле, при этом скорость протекания топливно-воздушной смеси и геометрия зон воздействия подобраны так, что время жизни свободных электронов превышает время между моментом их образования и моментом попадания в зону воздействия ускоряющего электрического поля;

- ускорение свободных электронов осуществляют переменным электрическим полем;

- ускорение свободных электронов осуществляют переменным электрическим полем СВЧ диапазона с Е_эфф˜(1÷5)·10^-16·N В/см;

- в качестве ионизирующего излучения используют жесткое электромагнитное излучение, содержащее кванты с энергией выше потенциала ионизации, по крайней мере, одного из компонентов газа, составляющего топливно-воздушную смесь;

- жесткое электромагнитное излучение получают посредством скользящего электрического разряда по поверхности диэлектрика с ε≥2;

- в качестве жесткого электромагнитного излучения используют тормозное излучение электронов в области "мягкого рентгена";

- жесткое электромагнитное излучение в области "мягкого рентгена" получают посредством скользящего электрического разряда по поверхности диэлектрика с ε≥2 при скорости нарастания разности потенциалов на электродах dU/dt>10¹² В/сек;

- в качестве ионизирующего излучения используют быстрые электроны;

- свободные электроны получают путем фотоэмиссии при облучении токопроводящего фотоэмиттера потоком электромагнитного излучения с энергией квантов не менее пороговой энергии "выхода" фотоэлектронов в топливно-воздушную смесь.

Для реализации способа сжигания углеводородного топлива предложено устройство, содержащее камеру сгорания с источником энергетического воздействия. Особенность устройства, в отличие от прототипа, заключается в том, что источник энергетического воздействия состоит из источника ускоряющего электрического поля, включающего систему электродов с управляемыми коммутаторами, подключаемыми к источникам высоковольтного напряжения, и устройства обогащения свободными электронами топливно-воздушной смеси.

Предусмотрены следующие варианты исполнения устройства:

- в качестве устройства обогащения свободными электронами топливно-воздушной смеси применен источник ионизирующего излучения;

- устройство обогащения свободными электронами выполнено в виде фотоэмиттера, включенного в качестве катода в электрическую цепь системы электродов источника ускоряющего электрического поля;

- камера сгорания выполнена в виде конденсатора, обкладки которого являются электродами источника ускоряющего электрического поля, а устройство обогащения свободными электронами размещено в зазоре между электродами;

- устройство обогащения свободными электронами состоит из двух электродов и источников электромагнитного излучения, размещенных по периферии межэлектродного зазора;

- в качестве высоковольтных электродов источника ускоряющего электрического поля использована плазма скользящего разряда источника ионизирующего излучения;

- система электродов источника ускоряющего электрического поля состоит из двух электродов с потенциалами разной величины, выполненных проницаемыми для прокачиваемой топливно-воздушной смеси и образующих зону возбуждения колебательных степеней свободы молекул топливно-воздушной смеси, а источник свободных электронов реализован в виде зоны окисления углеводородов топливно-воздушной смеси, при этом в устройство введен третий электрод с потенциалом ниже меньшего потенциала двух электродов источника ускоряющего электрического поля, при этом электрод источника электрического поля с меньшим потенциалом примыкает к зоне окисления и образует вместе с третьим электродом систему транспортировки свободных электронов в зону возбуждения колебательных степеней свободы молекул топливно-воздушной смеси.

Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами.

На фиг.1 показана принципиальная схема устройства для реализации способа сжигания углеводородного топлива с разрушением метастабильных молекул путем возбуждения колебательных и вращательных степеней свободы за счет неупругих соударений со свободными электронами, движущимися в электрическом поле.

На фиг.2 показана схема устройства для реализации способа при непрерывном режиме сжигания топливно-воздушной смеси.

На фиг.3 показана схема устройства для осуществления способа в непрерывном режиме сжигания топливно-воздушной смеси при использовании в качестве источника свободных электронов зоны окисления (горения) углеводородов топливно-воздушной смеси.

На фиг.4 показана схема устройства при использовании в качестве электрода источника ускоряющего электрического поля плазмы скользящего разряда источника ионизирующего излучения.

На фиг.5 показан характерный вид зависимости энергетических потерь электронов на единице пути от энергии электронов.

На фиг.6 показана в относительных единицах эффективность различных механизмов потерь энергии электронами в зависимости от отношения электрического поля к давлению для молекулярного азота [22].

На фиг.7 представлены результаты вычислений постоянной времени распада τ колебательно возбужденных молекул пероксида водорода Н₂О₂ для варианта молярной концентрации характерной для практических систем [20].

Способ сжигания углеводородного топлива осуществляют следующим образом: приготовленную топливно-воздушную (окислительную) смесь 1 предварительно подвергают сжатию или непосредственно в камере сгорания, ограниченной оболочкой 2, или вводят сжатую смесь в объем камеры сгорания; затем газовую смесь обогащают свободными электронами путем инжекции или образуют свободные электроны непосредственно в объеме газовой смеси, например, путем частичной ионизации с образованием свободных электронов е^- и ионов И⁺ при помощи источника ионизирующего излучения 3 (фиг.1). Свободные электроны ускоряют электрическим полем, создаваемым электродами 4, имеющим напряженность Е, меньшую, чем напряженность перехода к самостоятельному разряду, в частности, напряженность Е составляет 0.1÷0.2 части от значения напряженности пробоя газа.

В случае периодического сжигания топливно-воздушной смеси момент инжекции свободных электронов в топливно-воздушную смесь или момент образования свободных электронов путем ионизации топливно-воздушной смеси должен предшествовать или совпадать по времени с воздействием электрическим полем, которое создают с помощью электродов 4, размещенных в камере сгорания. То есть, во все время, или в часть времени действия ускоряющего электрического поля в объеме топливно-воздушной смеси должны иметься свободные электроны. При этом продолжительность действия ускоряющего электрического поля должна быть достаточной для необратимого развития процесса самовоспламенения топливно-воздушной смеси.

Свободные электроны под действием электрического поля с напряженностью Е приобретают энергию, достаточную для возбуждения колебательных состояний молекул топливно-воздушной смеси 1 путем неупругих соударений с этими молекулами, в том числе молекул промежуточных продуктов неполного окисления углеводородов, включая метастабильные молекулы. Возбуждение колебательных состояний метастабильных молекул, например, пероксида водорода облегчает их распад на два радикала ОН•, которые разветвляют цепную реакцию окисления углеводородов, быстро доводят горючую смесь до воспламенения и, совместно с колебательно возбужденными молекулами других промежуточных продуктов неполного окисления углеводородов, сокращают время протекания реакции окисления вплоть до образования конечных продуктов сгорания топлива.

В случае непрерывного сжигания топливно-воздушной смеси (фиг.2) в проточном режиме с использованием несамостоятельного электрического разряда в газе для возбуждения колебательных уровней у молекул газовой среды и стимулированного разрушения метастабильных молекул пероксида водорода, вдоль камеры сгорания (реактора) пропускают сжатую заранее приготовленную или приготовляемую в объеме реактора топливно-воздушную смесь, которая пересекает поток проникающего ионизирующего излучения 3 и/или зону инжекции свободных электронов (зону обогащения) и попадает в зазор между электродами 4, к которым приложена разность потенциалов U, создающая между электродами электрическое поле нужной напряженности Е. При работе устройства происходят те же процессы, что и в предыдущем случае, но в непрерывном временном режиме. Скорость протекания топливно-воздушной смеси и геометрия зон ионизирующего и электрического воздействия на смесь подобраны так, что время жизни свободных электронов превышает время между моментом их образования и моментом попадания в зону воздействия электрического поля.

В непрерывном режиме сжигания топливно-воздушной смеси, при использовании в качестве источника свободных электронов зоны окисления 5 (фиг.3) углеводородов топливно-воздушной смеси, последнюю пропускают вдоль полости камеры через газопроницаемые электроды 6 и 7 с потенциалами разной величины, создающими в зазоре между электродами электрическое поле необходимой напряженности Е для колебательного возбуждения молекул. Электрод 6 с более низким потенциалом примыкает к зоне окисления 5. Третий электрод 8 находится под потенциалом более низким, чем потенциал электрода 6. Электрические потенциалы электродов 6 и 8 подбирают такими, чтобы электрическое поле, создаваемое в зазоре между этими электродами, вытягивало свободные электроны, образующиеся в зоне горения в результате химических реакций окисления топлива, например, в результате реакции в зазор между электродами 6 и 7. После того, как свободные электроны е^- попадают в этот промежуток, они под действием электрического поля Е набирают энергию и производят возбуждение колебательных уровней молекул набегающей топливно-воздушной смеси 1. Далее поток горючей смеси 1 с колебательно возбужденными молекулами попадает в зону окисления 5, и в ней происходят интенсифицированные процессы горения. Поток продуктов горения 9 вытекает из камеры сгорания. В данном методе отпадает необходимость применения поджигающих горелок или стабилизатора горения, создающего обратные токи продуктов горения, которые играют роль поджигающего устройства. В самом деле, поскольку разрушение метастабильных молекул функционально заменяет зажигание, потребность в поджигающих обратных токах горящей топливно-воздушной смеси отпадает. Это, а также то, что по сравнению с обычными методами сжигания скорость сгорания колебательно возбужденной топливно-воздушной смеси увеличивается, позволяет существенно поднять скорость протекания горючей смеси через реактор.

В одном из вариантов реализации способа предложено использовать только электроды 6 и 8. В этом случае электрические потенциалы электродов подобраны так, что свободные электроны вытягиваются из зоны окисления 5 электрическим полем, образованным в зазоре между электродами 6 и 8, а его напряженность Е достаточна для возбуждения колебательных степеней свободы молекул топливно-воздушной смеси при их соударениях со свободными электронами, движущимися в этом поле.

Возможно также использование для возбуждения колебательных степеней свободы молекул газовой топливно-воздушной смеси несамостоятельного СВЧ разряда, амплитуда электрического поля Е_свч которого должна составлять Е_свч≤5 кВ/см·атм. При этом параметры излучения подбираются так, что Е_эфф˜(1÷5)·10^-16·N В/см, где Е_эфф=(Е_свч/2^1/2)·(1+ω²/ν²