Plasma assisted combustion: kinetic studies and new combustion technology

Ju, Yiguang; Lefkowitz, Joseph K.; Wada, Taishi; Yang, Xiong; Won, Sang Hee; Sun, Wenting

doi:10.2514/6.2015-0156

Cited by 3 publications

(3 citation statements)

References 24 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Unclassified

Order By: Relevance

“…[17][18][19][20] In nonequilibrium plasmas, the electron temperature is significantly higher and the plasma is kinetically active due to new reaction pathways enabled by electron collisions. 21 Consequently, non-equilibrium plasmas are superior for some combustion applications in various ways, for example, NOx emission treatments, 13,15,16 Low Temperature Combustion (LTC), 22,23 shortening ignition time, [24][25][26] generation of volumetric ignition with increased heat release rates, [27][28][29] stabilization of lean and turbulent flames 14,30,31 and on-board fuel reforming. [32][33][34] The superiority is attributed to the new reaction pathways introduced by the energetic electrons of the nonequilibrium plasmas.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Enhancement of plasma assisted ignition by multi-voltage pulse discharges: A theoretical study

Druker,

Goldwine,

Greenberg

et al. 2024

International Journal of Engine Research

View full text Add to dashboard Cite

Currently, compression ignition engine technology is becoming less competitive compared to spark ignition engine technology due to emission standards. Lean combustion strategies are preferable for spark ignition engines, but they require enhanced ignition strategies compared to current stoichiometric spark ignition engines. In this paper, we lay physical foundations for such enhanced ignition strategies that can support lean combustion strategies in spark ignition engines. In this theoretical study, we conduct a preliminary foray into the possibility of controlling the species composition of a cold-plasma kernel as a precursor for an ignition process. We consider a multi-pulse electric source system coupled to a DBD (Dielectric Barrier Discharge) electrode immersed in a dry air medium. The coupled system is designed such that the medium in the electrodes’ gap is subjected to a pulse structure which is composed of a peak voltage followed by a secondary low-voltage pulse. Use is made of a comprehensive mathematical model that includes the electric field, potential and current, with the relevant conservation equations for 24 species and 168 kinetic reactions, while considering different energy modes (rotational, vibrational, electronic excitation, dissociation, and ionization) within the electrodes’ gap. The model was validated against independent published results, and was used to understand the mechanism of energy conversion to species that play a central role in terms of the ultimate ignition dynamics. Various pulse repetition frequencies and different pulse constructions were considered. Special attention was given to the amount of deposited energy, and to the energy channeled to known ignition supportive modes and species. The present results show that the energy deposition can be divided into two main stages which are characterized by high and low voltage levels, respectively. We propose that for more successful ignition, the amount of energy deposition during the second (low voltage) stage should be higher than that during the first (high voltage) stage. During the second stage, the deposition of energy into specific modes can be fine-tuned by setting appropriate voltage levels. Based on these findings, we demonstrate how control of the sequence of voltage pulses can further increase enhancement of ignition and combustion promoting processes.

show abstract

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Enhancement of plasma assisted ignition by multi-voltage pulse discharges: A theoretical study

Druker,

Goldwine,

Greenberg

et al. 2024

International Journal of Engine Research

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…In recent years, the use of plasma actuator to improve MILD combustion has been investigated. Wada et al [31] and Ju et al [32] found that the reforming of a portion of a CH 4 /air mixture at the exit of the fuel jet into intermediate species and the resultant flow perturbations caused by the large density gradient have significant impacts on the ignition delay and the mixing process. Mardani and Khanehzar [33] showed that applying the plasma discharge to the flame region leads to an intensification of the reaction zone, increment of heat release rate by a factor of 3, and 30% reduction of flame liftoff.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Numerical Investigation of the Plasma-Assisted MILD Combustion of a CH4/H2 Fuel Blend Under Various Working Conditions

Mousavi

Kamali

Sotoudeh

et al. 2020

Journal of Energy Resources Technology

View full text Add to dashboard Cite

The effects of plasma injection upon MILD combustion of a mixture of methane and hydrogen are investigated numerically. The injected plasma includes the flow of a highly air-diluted methane including C2H2, C2H4, C2H6, CH, CH2, CH3, CO, and CO2. The results show that amongst all the constitutes of plasma, CH3 is the most effective in improving the characteristics of MILD combustion. Injection of this radical leads to the occurrence of reactions at a closer distance to the burner inlet and thus provides longer time for completion of combustion. Further, mass fractions of OH, CH2O, and HCO are considerably affected by the injections of CH3, indicating structural modifications of the reacting flow. Importantly, as Reynolds number of the plasma flow increases, the volume and width of the flame decrease, while the formations of prompt and thermal NOx are intensified. However, injection of CH3, as plasma, reduces the emission of thermal NOx.

show abstract

“…Τα δύο µέτωπα κινούνται προς το εσωτερικό του θαλάµου καύσης στα δεξιά µε το µέτωπο χαµηλής θερµοκρασίας να αποµακρύνεται από το κύριο µέτωπο. Ενδεικτικό του διπλού µετώπου φλόγας είναι το προφίλ 5 της θερµοκρασίας στο Σχήµα 7.2αʹ 1 H διεξαγωγή της προσοµοίωσης έγινε ως εξής: Λόγω του µεγάλου µεγέθους του µηχανισµού χηµικής κινητικής εφαρµόστηκε η Correlated Dynamic Adaptive Chemistry and Transport µέθοδος, (CO-DACT) [180,181], σε συνδυασµό µε τη Hybrid Multi-Timescale µέθοδο (HMTS) [182]. Συγκεκριµένα, οι σχετικοί µειωµένοι µηχανισµοί και οι σχετικές ιδιότητες της µεταφοράς υπολογίστηκαν µε δυναµικό τρόπο, χρησιµοποιώντας τη µέθοδο CO-DACT.…”

Section: η διαδικασία της ανάφλεξηςunclassified

Ανάλυση Πολλαπλών Κλιμάκων Ανάφλεξης Υδρογονανθράκων

Μανιάς¹

View full text Add to dashboard Cite

Η ολοένα αυξανόμενη ανάγκη για ενέργεια σε συνδυασμό με τα περιορισμένα αποθέματα πετρελαίου, επιβάλλουν την εξονυχιστική μελέτη και το λεπτομερή σχεδιασμό των μηχανών εσωτερικής καύσης, οι οποίες έχουν και, όπως όλα δείχνουν, θα συνεχίσουν να έχουν για τις επόμενες δεκαετίες, πολύ σημαντικό ρόλο στον τομέα των μεταφορών. Για το λόγο αυτό, η κυρίαρχη πρόκληση που πρέπει να αντιμετωπιστεί είναι η αύξηση της απόδοσης των κινητήρων. Στα πλαίσια αυτού του σκοπού, γίνεται συστηματική μελέτη για τη μείωση της κατανάλωσης του καυσίμου, με το σχεδιασμό των μοντέρνων κινητήρων να επιβάλει λειτουργίες σε ακραίες συνθήκες καύσης, όπως πολύ υψηλές πιέσεις, φτωχά μίγματα και χαμηλές θερμοκρασίες. Διάφορες τεχνολογικές λύσεις έχουν προταθεί προς αυτήν την κατεύθυνση, με κυριότερη και σημαντικότερη ίσως, την τεχνολογία που βασίζεται στη χημική κινητική με την καύση ομογενούς μίγματος με συμπίεση (HCCI). Η συγκεκριμένη διατριβή διερευνά την ανάπτυξη μεθοδολογίας για την κατανόηση των κυρίαρχων διεργασιών στην ανάφλεξη μιγμάτων υδρογονανθράκων για τον έλεγχο των διαφόρων χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων τους, όπως το χρόνος αυτανάφλεξης, την παραγωγή ρύπων ή την εκδήλωση έκρηξης, με σκοπό τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας κινητήρων που σχεδιάζονται με την HCCI τεχνολογία. Η ανάλυση επικεντρώνεται στον έλεγχο του χρόνου ανάφλεξης με χρήση πρόσθετων, καθώς ο χρόνος ανάφλεξης αποτελεί βασικό μέγεθος στο σχεδιασμό ενός κινητήρα εσωτερική καύσης και η χρήση πρόσθετων για τον έλεγχό του βρίσκει εφαρμογή σε τεχνολογίες κινητήρων που βασίζονται στη χημική κινητική, όπως η HCCI. Για το σκοπό αυτό, τα αλγοριθμικά εργαλεία της υπολογιστικής μεθόδου ιδιόμορφων διαταραχών Computational Singular Perturbation (CSP) χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη τεσσάρων προβλημάτων ισόχωρης αδιαβατικής ομοιογενούς αυτανάφλεξης, η οποία μοντελοποιεί την τεχνολογία HCCI, σε μίγματα μεθανίου και κανονικού επτανίου με τον αέρα. Ξεκινώντας από το μεθάνιο, το οποίο αποτελεί το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου και τον στοιχειώδη υδρογονάνθρακα, στη χημεία της ανάφλεξης του οποίου καταλήγει η χημεία ανάφλεξης κάθε υδρογονάνθρακα, αναλύεται η κυρίαρχη δυναμική της χημικής κινητικής της αυτανάφλεξής του με τον αέρα. Η αναγνώριση των κυρίαρχων αντιδράσεων που προωθούν ή αντιτίθενται της αυτανάφλεξης του μεθανίου παρείχε τη φυσική εικόνα για την κατανόηση του μηχανισμού που διέπει την αυτανάφλεξη, η οποία αποτέλεσε οδηγό για τη μελέτη της ανάφλεξης πιο πολύπλοκων υδρογονανθράκων. Το κανονικό επτάνιο επιλέχθηκε ως πολύπλοκο καύσιμο μελέτης, διότι χρησιμοποιείται ως συστατικό στη βενζίνη, αποτελεί υποκατάστατο καύσιμο ντίζελ, ενώ χρησιμοποιείται στην έρευνα της τεχνολογίας HCCI καθώς έχει παρατηρηθεί ότι υπό συνθήκες σχετίζεται με την εκδήλωση έκρηξης στους κινητήρες. Συνεπώς, η καλύτερη κατανόηση του μηχανισμού που διέπει την ανάφλεξη του κανονικού επτανίου είναι σημαντική για την πραγματοποίηση των πιθανών πλεονεκτημάτων των κινητήρων HCCI. Η ανάπτυξη μεθοδολογίας για την επιλογή πιθανών πρόσθετων στο αρχικό μίγμα έδειξε ότι η προσθήκη CH2O και H2O2 έχει τη μεγαλύτερη επίδραση στο χρόνο ανάφλεξης στα μίγματα μεθανίου, ενώ η χρήση αυτών υποδεικνύεται ότι μπορεί να έχει αντίστοιχη επίδραση στο χρόνο ανάφλεξης κάθε άλλου υδρογονάνθρακα, καθώς η σημαντικότητα της αντίδρασης H2O2 (+M) → OH + OH (+M) για την ανάφλεξη αναγνωρίστηκε σε όλους τους μηχανισμούς που χρησιμοποιήθηκαν, σε κάθε ένα από τα καύσιμα, σε όλες τις διαφορετικές αρχικές συνθήκες. Περαιτέρω, δείχθηκε ότι καθώς εξελίσσεται η διαδικασία της αυτανάφλεξης, εξελίσσεται επίσης η φύση των χημικών ειδών και των αντιδράσεων που προωθούν την ανάφλεξη. Τέλος αναγνωρίστηκε ο μηχανισμός με τον οποίο εκδηλώνεται και επιδρά η έκρηξη και το παραγόμενο κρουστικό κύμα στο θάλαμο καύσης σε μίγμα κ-επτανίου/αέρα. Η συγκεκριμένη έρευνα συνδυάζει τρία διαφορετικά πεδία εξειδίκευσης: (i) τα εφαρμοσμένα μαθηματικά, (ii) την καύση και τη (iii) χημική κινητική. Η ανάγκη χρησιμοποίησης του τομέα των εφαρμοσμένων μαθηματικών αναδεικνύεται από το ευρύ φάσμα χρονοκλιμάκων που χαρακτηρίζει τη δυναμική των φυσικών διεργασιών που μελετώνται. Τα πεδία της καύσης και χημικής κινητικής σχετίζονται εγγενώς με το θέμα της διατριβής, δεδομένου ότι κεντρικά ζητήματα της ανάλυσης είναι (i) οι συνθήκες διαμόρφωσης και λειτουργίας της διαδικασίας αυτανάφλεξης των καυσίμων που εξετάζονται και (ii) οι μηχανισμοί χημικής κινητικής που χρησιμοποιούνται. Η έρευνα αυτή έχει μεγάλη συμβολή στην περιβαλλοντική βιωσιμότητα, στοχεύοντας στον καθορισμό αξιόπιστης ανάφλεξης. Ειδικότερα, (i) ορίζονται οι βασικές αρχές για την αποδοτική χρήση των καυσίμων και (ii) επιτρέπει την ανάπτυξη μεθοδολογιών για την καθαρή και αποδοτική χρήση των καυσίμων στις υπάρχουσες μηχανές. Τα αποτελέσματα της έρευνας μπορούν να οδηγήσουν σε διεργασίες καύσης που θα μειώσουν τις εκπομπές αερίων θερμοκηπίου και θα επιβραδύνει το ρυθμό χρήσης των ορυκτών πόρων. Επιπλέον ο προσδιορισμός των βασικών αρχών καύσης μέσω των εργαλείων αυτών δίνει τη δυνατότητα παρέμβασης στο σχεδιασμό και μοντελοποίησης νέων κινητήρων. Η μέθοδος που αναπτύσσεται στην παρούσα διατριβή, τόσο για τη μελέτη των κυρίαρχων διαδικασιών, όσο και για τη συστηματική επιλογή πρόσθετων στα μίγματα, έχει αλγοριθμικό χαρακτήρα και, συνεπώς, δεν εμποδίζεται από το μέγεθος, το είδος ή την πολυπλοκότητα του μαθηματικού μοντέλου που διέπει τη φυσική διαδικασία υπό μελέτη. Ως αποτέλεσμα, αν και η μελέτη πραγματοποιείται για δεδομένα καύσιμα, μπορεί να εφαρμοστεί επιτυχώς σε οποιοδήποτε άλλο καύσιμο.

show abstract

Plasma assisted combustion: kinetic studies and new combustion technology

Cited by 3 publications

References 24 publications

Enhancement of plasma assisted ignition by multi-voltage pulse discharges: A theoretical study

Enhancement of plasma assisted ignition by multi-voltage pulse discharges: A theoretical study

Numerical Investigation of the Plasma-Assisted MILD Combustion of a CH4/H2 Fuel Blend Under Various Working Conditions

Ανάλυση Πολλαπλών Κλιμάκων Ανάφλεξης Υδρογονανθράκων

Contact Info

Product

Resources

About