EFEK MEDAN ENERGI PADA MOTOR PEMBAKARAN DALAM
Revananda Difitro0806454922
Berikut merupakan translasi bahasa inggris dari jurnal ilmiahENERGY FIELDS EFFECTS IN INTERNAL COMBUSTION ENGINESolehDr. Stephen C. Bates59 Lexington Rd.Glastonbury, CT 06033
Objek penelitian ini ialah: 1) Untuk memberikan resep rinci untuk mencapai peningkatan kinerja yang signifikan untuk mesin pembakaran internal yang spesifik melalui penerapan medan energi di dalam silinder, dan 2) Untuk menberikan penjelasan ilmiah yang rinci tentang efek fisika yang menyebabkan peningkatan ini. Ini adalah tujuan dari proyek ORNL secara keseluruhan untuk eksperimen dan teoritis menunjukkan perbaikan ini.
Hal ini tidak bisa terlalu ditekankan bahwa setiap mesin percobaan pembakaran internal yang hanya menempatkan widget pada mesin dan mencoba untuk melihat apa efeknya terhadap operasi mesin akan menemukan efek menjadi buruk. Alasan untuk ini adalah bahwa kondisi operasi mesin telah hati-hati diatur untuk kontrol tertentu, pembakaran, dan geometri itu mesin yang menciptakan pembakaran optimal. Ini tidak berarti bahwa mesin tidak dapat diperbaiki, tetapi percobaan mesin yang perbaikan pengujian harus dirancang dengan cermat pada kondisi tertentu untuk menentukan apakah "perbaikan" menghasilkan efek yang menguntungkan yang nyata. Efek seperti itu biasanya berlaku untuk satu rezim operasi di mana performa mesin biasanya miskin.
Setelah teknik kontrol baru telah dibuktikan dalam lingkungan, penelitian teknologi harus ditransfer ke industri otomotif. Sebuah presentasi sederhana hasilnya tidak akan memulai program industri untuk menempatkan perbaikan dalam mobil. Kendala ekonomi dan manufakturabilitas komponen otomotif yang parah, kecanggihan teknologi saat ini tidak besar, dan kesadaran dan keyakinan dalam kemungkinan inovasi teknologi yang sangat terbatas. Mungkin penghalang yang paling sulit diatasi adalah keyakinan oleh industri (dan penelitian) insinyur otomotif bahwa semua konsep radikal untuk kontrol pembakaran telah dicoba dan gagal. Kegagalan ini hasil dari konsep 1) ada peningkatan secara keseluruhan dalam kinerja mesin, 2) Konsep ini tidak praktis penuh semangat (terlalu besar masukan energi yang dibutuhkan), atau 3) Ini tidak praktis atau ekonomis untuk menginstal perangkat dalam produksi kendaraan. Setiap kontak dalam industri otomotif harus dilakukan dengan fakta-fakta dalam pikiran.
Gelombang mikro di Engine - Microwave peningkatan pembakaran telah berulang kali mencoba dalam lingkungan penelitian dengan hasil yang konsisten yang tidak membenarkan pembangunan komersial. Semua kelemahan di atas telah berlaku untuk peningkatan pembakaran menggunakan gelombang mikro hingga saat ini. Ada juga keyakinan umum bahwa penggunaan gelombang mikro tidak efektif biaya kecuali ada teknologi bersaing (seperti dalam oven microwave).
2. Api Laminar Hidrokarbon
Ada beberapa generalisasi yang dapat dibuat tentang api hidrokarbon laminar. Pertama, difusi spesies molekul tergantung pada berat molekul seperti spesies bahwa spesies berat menyebar lebih lambat. Ini berarti bahwa spesies massa rendah seperti H, H2, O, dan OH akan menyebar paling cepat. Secara khusus, laju difusi yang kaya akan atom H bertanggung jawab atas fenomena penting yang berhubungan dengan api laminar. Kedua, koefisien transportasi umumnya meningkat dengan meningkatnya suhu dan menurun dengan peningkatan kepadatan. Ini tren keseluruhan memiliki pengaruh yang besar terhadap variasi kecepatan laminar terbakar dengan tekanan dan temperatur gas tidak terbakar.
Difusi atom hidrogen menjadi zona pemanasan awal adalah mekanisme utama untuk memicu rantai reaksi-cabang yang mendukung propagasi api. Atom hidrogen mengalami dua reaksi bersaing utama dalam setiap proses oksidasi hidrokarbon. Ini adalah rantai-cabang reaksi
H + O2 OH + O (1)
dan reaksi rekombinasi
H + O2 + M HO2 + M (2)
Selain itu, rantai-cabang reaksi memiliki sensitivitas orde pertama tekanan (karena merupakan reaksi orde kedua) dan memiliki energi aktivasi yang besar, yang berarti bahwa laju meningkat sangat pesat dengan suhu meningkat. Sebaliknya, reaksi rekombinasi memiliki sensitivitas orde kedua tekanan (karena merupakan reaksi orde ketiga) dan memiliki dasarnya tidak ada sensitivitas suhu sama sekali. Di zona pemanasan awal dari api, atom hidrogen berdifusi ke gas dingin dan bereaksi pada waktu yang sama. Di daerah temperatur yang lebih tinggi dari api, reaksi berantai-bercabang mendominasi dan rekombinasi lambat. Namun, karena atom H bergerak menuju gas masuk suhu turun dan di beberapa titik dua reaksi menjadi kompetitif. Di daerah dingin reaksi rekombinasi menjadi dominan dan menghancurkan atom hidrogen.
Untuk setiap sistem api dan di mana temperatur nyala diturunkan dengan pengenceran dengan inert, kecepatan pembakaran akan lebih rendah dan titik api di mana laju reaksi rekombinasi dan rantai-cabang reaksi sama akan bergerak menuju batas panas . Untuk campuran tertentu yang memiliki kecepatan pembakaran rendah dan temperatur nyala rendah jika tingkat tekanan di mana nyala api membakar meningkat, laju reaksi rekombinasi relatif terhadap rantai-cabang reaksi akan meningkat dan cenderung untuk menurunkan kecepatan pembakaran . Jadi untuk low-pembakaran-kecepatan api di mana persaingan antara rekombinasi dan rantai-cabang reaksi di zona pemanasan awal adalah penting, akan ada eksponen tekanan negatif.
Peningkatan suhu awal dari campuran harus menyebabkan peningkatan tajam dalam membakar kecepatan untuk suhu rendah api dan, karena persaingan rekombinasi / rantai-cabang di zona pemanasan awal, efek ini harus sangat kuat untuk api yang memiliki kecepatan pembakaran sangat rendah . Ini harus cukup kuat untuk api yang membakar kecepatan dalam kisaran sekitar 0,4-1,0 m / s dan harus memiliki hampir tidak berpengaruh pada api yang telah membakar kecepatan diatas sekitar 1 m / s. Hal ini karena kapasitas panas tinggi yang efektif dari gas produk dipisahkan pada temperatur yang tinggi akan menyebabkan suhu api dan, karena itu, kecepatan terbakar, untuk mengubah hanya sangat sedikit karena suhu awal campuran berubah.
Sebuah panduan untuk variasi dalam parameter api dengan tekanan dan kecepatan api diberikan pada Tabel 1. Perlu dicatat bahwa ada ketergantungan yang kuat pada suhu awal gas, yang penting untuk mesin pembakaran internal, karena campuran udara / bahan bakar dipanaskan oleh kompresi.Tabel 1. Ketergantungan parameter api pada tekanan dan kecepatan api [1]. Variabel KetergantunganPembakaran kecepatan P-1/4Api ketebalan P-1, v0-1Waktu tinggal P-1, v0-2Maksimum P gradien logaritmik, v0Reaksi rate maksimum P2, V02Panas maksimum laju pelepasan P2, V02
Variasi kecepatan nyala dengan komposisi bahan bakar untuk pembakaran di udara ditunjukkan pada Gambar. 1. Grafik ini memberikan indikasi besaran kecepatan api yang khas, dan menunjukkan bagaimana beberapa bahan bakar yang tidak biasa. Bensin adalah campuran kompleks dari komponen banyak dan memiliki kecepatan api cukup rendah, pada urutan 20 cm / detik.
Penelitian eksperimental api nyata dan pemodelan teoritis dengan skema kinetik yang relatif lengkap [2] telah menunjukkan bahwa selain fitur struktural api digambarkan oleh
teori reaksi sederhana termal dan AB api nyata mengandung daerah bersuhu tinggi di mana reaksi perlahan mencapai kesetimbangan Secara sederhana, oksidasi akhir karbon monoksida menjadi karbon dioksida terjadi terutama melalui reaksi pertukaran
CO + OH CO2 + H (3)
yang relatif lambat. Oleh karena itu dalam sistem api yang paling konsentrasi karbon monoksida melewati maksimal dan akhirnya meluruh ke nilai ekuilibrium yang agak hilir daerah reaksi cepat dari api. Karena oksidasi CO untuk menghasilkan CO2 adalah eksotermis ini equilibrium akhir menyebabkan suhu naik hilir dari zona reaksi cepat.
Tiga-body reaksi yang diperlukan untuk pencapaian keseimbangan dalam api yang melibatkan radikal, seperti api kebanyakan. Flames pada tekanan atmosfer biasanya terpisah menjadi reaksi awal yang sempit, di mana reaksi cepat Bimolekular mendominasi, dan, zona lebar reaksi lambat sekunder di mana reaksi termolecular membangun kembali keseimbangan dalam konsentrasi radikal. Di bawah 0,1 atm, reaksi termolecular tidak signifikan. Di atas 1000 atm, mereka mendominasi. [1]
Ada daerah spasial yang berbeda dalam sebuah laminar, api premixed di mana proses umum yang berbeda terjadi. Daerah ini dijelaskan sebagai berikut:
Wilayah 1:
Baik di depan api suhu rendah dan bahan bakar yang tidak bereaksi dan udara relatif inert.
Wilayah 2:
Sebuah wilayah induksi (1.0 - 3.0 mm pada 1 atm) meluas di depan api di mana temperatur gas secara perlahan meningkat sebagai akibat dari konduksi termal dari api panas di dekatnya. Pemanasan sangat sedikit dari reaksi kimia terjadi. Sebuah kolam radikal tumbuh dengan difusi spesies dari nyala api, tetapi karena suhu yang sangat rendah rantai bercabang tidak terjadi. Reaksi antara molekul bahan bakar dan spesies radikal, khususnya H atom memulai proses konsumsi bahan bakar. Hidrogen atom juga bergabung kembali dengan molekul O2 untuk membentuk HO2, menyebabkan jumlah yang cukup besar dari H2O2
H + O2 + M = HO2 + M (4)
HO2 + HO2 = H2O2 + O2 (5)
CnHm + HO2 = CnHm-1 + H2O2 (6)
Rekombinasi lebih difavoritkan daripada bercabang untuk H + O2 di bagian api karena E2 = -1.0 kkal / mol, dan suhu rendah tidak mempengaruhi reaksi (4).
Wilayah 3:
Di wilayah ini sebagian besar bahan bakar yang dikonsumsi. Reaksi utama adalah seperti di Wilayah 2, tetapi suhu tinggi dan konsentrasi spesies radikal membuat tingkat konsumsi bahan bakar jauh lebih cepat daripada di Wilayah 2. Suhu berkembang terutama sebagai akibat dari difusi termal dari zona api panas, yang juga menyediakan sumber tetap dari spesies radikal. Karena suhu yang lebih tinggi (400-1200K), radikal hidrokarbon sekarang dapat terurai, menyediakan atom H yang jauh lebih reaktif daripada HO2 radikal dari reaksi (6). Konsumsi bahan bakar disertai dengan pertumbuhan yang cepat di tingkat spesies peralihan utama, termasuk fragmen bahan bakar, H2, dan ini CO intermediet tidak segera dikonsumsi karena konsentrasi spesies radikal (terutama OH) tetap cukup kecil sampai bahan bakar telah semua menghilang . Penghambatan oksidasi CO dan H2 oleh molekul hidrokarbon harus ditekankan. Sekitar setengah dari kenaikan suhu keseluruhan terjadi di Wilayah 3, sehingga sebagian besar dari produksi CO
Wilayah 4:
Wilayah 4 ditandai oleh pertumbuhan yang cepat dalam konsentrasi radikal setelah semua bahan bakar yang telah dikonsumsi. Wilayah ini membentang dari -0.2 sampai -1.0 mm dan dijelaskan oleh reaksi dasar dari sistem H2-CO-O2. Sebagian besar kenaikan suhu yang tersisa terjadi di wilayah ini.
Wilayah 5:
Wilayah 5 adalah produk daerah gas terbakar, di mana pendekatan lambat untuk kesetimbangan kimia akhir terjadi, yang melibatkan reaksi rekombinasi termolecular. Oksidasi CO menjadi CO2 merupakan salah satu reaksi lambat yang terjadi di wilayah ini.
Gambar 2
Gambar 2. Konsentrasi profil di api 0,1 metana-oksigen atm. [4]
Angka 2 dan 3 menunjukkan variasi dari berbagai spesies dalam api yang khas. Sisi hulu ditandai dengan penurunan bahan bakar dan oksigen, pusat api mengandung konsentrasi maksimum spesies radikal yang menunjukkan zona reaksi puncak, dan gas pasca api dicirikan oleh konversi lambat karbon monoksida.
Gambar 3
Gambar 3. Konsentrasi profil di api 0,1 atm etilena-oksigen (O2-C2H4). [5]
3. Pengaruh Gelombang mikro pada Flames Laminar
Adalah penting untuk mengidentifikasi rute disipasi energi gelombang mikro dalam gas pembakaran, serta efek dari proses transfer energi. Tujuan dari upaya ini adalah untuk:
Tentukan kaskade energi primer antara penyerapan gelombang mikro dan thermalisasi akhir mereka.Menentukan apakah ada mekanisme tertentu yang akan menyebabkan pengendapan energi gelombang mikro untuk menghasilkan peningkatan kimia pembakaran.Memprediksi dampak dari mekanisme ini dan menentukan bagaimana mereka dapat digunakan dapat memberikan manfaat untuk mengontrol pembakaran atau polusi di mesin pembakaran internal.Menentukan apakah ada rezim kekuasaan tertentu di mana eksitasi microwave adalah baik efektif atau tidak efektif untuk peningkatan mesin pembakaran.
Hal ini ditetapkan bahwa penyerapan utama energi gelombang mikro yang terbakar adalah di depan api itu sendiri, di mana kerapatan elektron ini ternyata cukup tinggi sebagai akibat dari kimia-ionisasi. Pengukuran arus melalui api merambat melalui tabung diperoleh untuk tegangan dc yang berbeda dan campuran oleh Jaggers dan von Engel [6] menunjukkan bahwa melewati arus keseluruhan melalui bagian depan api yang sempit, karena konduktivitas gas api yang luas hot belakang depan diabaikan dibandingkan. Sebuah analisis memberikan kerapatan elektron berarti, ne, di zona reaksi (diambil sebagai 5 x 10-2 cm tebal) untuk menjadi urutan 1011/cm23 untuk etilena-udara api, sekitar setengah ini untuk metana-udara dan kurang (oleh setidaknya urutan besarnya) di api gas kota yang memiliki konsentrasi signifikan dari hidrogen. Hasil ini setuju dengan baik dengan yang dilaporkan oleh Calcote [7] dan lain-lain.
Konsensus saat ini dalam literatur ilmiah adalah bahwa ada pasti fenomena spesifik yang ada, tetapi bahwa ada klaim umum bertentangan tentang peningkatan pembakaran yang belum diselesaikan pada saat ini. Selain itu ada tidak cukup diketahui tentang kimia api saat ini untuk menunjukkan klaim mungkin berlaku. Kutipan yang bersangkutan dibuat oleh Bradley, [8 p. 374]:
"Sebuah peningkatan yang relatif penduduk di tingkat energi yang lebih tinggi dapat menyebabkan peningkatan laju reaksi kimia. Apakah medan listrik dapat mengubah kimia pembakaran selain oleh umum, keseimbangan, pemanasan ohmik dari gas seluruh tergantung pada, pertama, apakah spesies menerima energi berpartisipasi dalam reaksi signifikan dan, kedua, apakah peningkatan populasi tingkat energi tertentu mungkin sangat efektif dalam mengubah laju reaksi Berkenaan dengan poin pertama,. banyak energi dalam hidrokarbon udara api di disampaikan kepada nitrogen. Berkenaan dengan kedua, pengetahuan kita masih dalam masa pertumbuhan. "
3,1 Chemi-ionisasi dalam Flames - api Kebanyakan menunjukkan konsentrasi ion yang lebih tinggi dibandingkan teoritis tersedia atas dasar perhitungan termodinamika ekuilibrium. Teknik yang telah digunakan untuk mengukur ion dalam api meliputi 1) pemeriksaan Langmuir, 2) spektrometer massa, dan 3) penyerapan Microwave. Penyerapan microwave, karena mengukur seluruh api secara bersamaan, digunakan untuk mengamati relaksasi konsentrasi ion dalam gas postflame, atau untuk mempelajari bagaimana konsentrasi ion dalam zona reaksi tebal, api tekanan rendah dipengaruhi oleh perubahan parameter pembakaran eksternal.
Ada kesimpulan yang diterima dalam literatur bahwa ada non-ekuilibrium relatif besar elektron penduduk dalam api. Populasi elektron adalah hasil dari kimia-ionisasi, dan merupakan jalan dimana microwave (dan medan elektromagnetik lainnya) mempengaruhi api. Suhu elektron yang telah diangkat relatif terhadap temperatur kesetimbangan api dan suhu ion telah diukur [9] dan ditemukan dalam perjanjian yang wajar dengan teori [10,11]. Data ini diambil dalam nyala bahan bakar propana udara kaya ( = 1.2) untuk 500 W nominal kekuasaan pada 2,5 GHz dan 50% duty cycle (60 Hz). Flame elektron suhu diukur sebagai 0,34 eV, atau sekitar 4000 K dengan probe Langmuir. Pasca-api gas memiliki suhu elektron diukur bahkan lebih tinggi, sebesar 0,5 eV, atau 5800 K [9]. Hal ini sama sekali tidak jelas apa yang menyebabkan pemanasan pasca-api, karena kerapatan elektron jauh lebih rendah daripada di api. Ada kemungkinan bahwa kerapatan elektron keseimbangan sudah cukup untuk menyediakan sarana untuk pemanasan tambahan sedikit, sedangkan kerugian energi kecil.
Diperkirakan [12] bahwa reaksi ion-penghasil utama dalam api hidrokarbon merupakan reaksi:
CH + O CHO + + e-(7)
Produksi ion lain yang diperkirakan terbentuk oleh serangkaian reaksi pertukaran muatan dengan baik ion ini atau dengan elektron bebas. Ini mekanisme pembentukan ion utama juga menjelaskan pengamatan bahwa hidrogen-oksigen memiliki konsentrasi ion api sangat rendah relatif terhadap api hidrokarbon suhu jauh lebih rendah. Meskipun ionisasi terjadi dalam api, api perhitungan struktur dan pengukuran spesies netral konsentrasi setuju cukup baik tanpa inklusi proses ionisasi. Ini berarti bahwa reaksi ionisasi yang buntu reaksi dalam arti kimia.
Fristrom dan Westenberg [1] menyatakan bahwa api adalah plasma yang lemah dengan fraksi mol elektron puncak sekitar 10-7, yang, untuk gas pada 2000 K dan 1 atm., Akan berarti kepadatan elektron sekitar 4 x 1011. Kepadatan elektron untuk api berbagai telah dikutip dalam literatur. Jaggers dan von Engel [6] quote kepadatan elektron 10-11 / cm3 untuk stoikiometri etilena udara api. Wortberg [13] mengukur nilai puncak dalam rasio kesetaraan, , dari 0,51 metana udara nyala sekitar 1,8 x 10-10 / cm3. McIntosch dan Clarke [14] diukur nilai puncak dalam a = 1,0 propana udara nyala 3,5 x 10-11 / cm3. Ini semua pengukuran konsisten dan mengarah pada pengetahuan yang yakin kepadatan elektron api untuk berbagai api.
Plasma Lokasi - Jika reaksi (7) adalah sumber utama dari elektron dalam nyala, kesimpulan yang bisa ditarik tentang lokasi spesifik dari sebagian besar kerapatan elektron dalam api laminar.
Dengan asumsi reaksi (7) menjadi sumber elektron, maka daerah dengan kepadatan elektron maksimum akan menjadi mana ada maksimal spasial dalam produk konsentrasi O dan CH radikal. Karena reaksi ini tergantung pada frekuensi tabrakan ada juga mungkin perpindahan dari maksimum produk konsentrasi dengan peningkatan frekuensi tabrakan disebabkan oleh suhu secara signifikan lebih tinggi di dekatnya yang mungkin lebih dari kompensasi untuk penduduk radikal menurun.
Dalam hal daerah laminar api dibahas sebelumnya, satu segera dapat mengecualikan Wilayah 1 dan 2 dari memiliki kerapatan elektron yang signifikan karena suhu rendah dan populasi radikal minim. Di Wilayah 3 suhu dan konsentrasi radikal tumbuh, namun spesies peralihan tidak dikonsumsi karena konsentrasi radikal tetap cukup kecil (terutama OH) sampai bahan bakar yang dikonsumsi [2]. CO dan oksidasi H2 terhambat oleh preferensi untuk molekul hidrokarbon yang tersedia. Sekitar setengah dari kenaikan temperatur keseluruhan terjadi dalam Region 3, sebagian besar sebagai akibat dari produksi karbon monoksida. Di wilayah ini konsentrasi rendah OH juga menyiratkan konsentrasi rendah O, karena dari reaksi dominan yang menghasilkan O (terdaftar oleh Westbrook dan pengering [2]), bahwa dengan energi aktivasi terendah (jauh) adalah
H + H2O HO2 + O (Ea = 1,0) (8)
Reaksi lain yang melanjutkan simultan dengan reaksi ini adalah
H + HO2 OH + OH (Ea = 1,9) (8)
dan
H + HO2 H2 + O2 (Ea = 0,7) (10)
sehingga radikal O selalu memiliki konsentrasi lebih rendah daripada radikal OH.
Reaksi (8) menyiratkan bahwa produksi elektron secara bersamaan membutuhkan keberadaan radikal CH, yang teroksidasi dalam nyala sebagai salah satu spesies peralihan akhir dari degradasi bahan bakar. Reaksi yang diberikan oleh Westbrook dan pengering [2] yang menghasilkan CH adalah:
CH2 + O CH + OH (Ea = 25,0) (11)
CH2 + OH CH + H2O (Ea = 25.70) (12)
CH2 + H + H2 CH (Ea = 25.70) (13)
mana reaksi yang dominan adalah:
CH2 + O CO + CH (Ea = 0,0) (14)
Konsumsi reaksi untuk CH diberikan sebagai:
CH + O2 HCO + O (Ea = 0,0) (15)
CH + O2 CO + OH (Ea = 25,7) (16)
Dari reaksi di atas dan energi aktivasi mereka, dapat disimpulkan bahwa atom O baik memproduksi dan mengkonsumsi radikal CH, dan pada saat yang sama menghasilkan plasma elektron. Dengan demikian, di tepi Daerah 4 dekat pusat api, konsentrasi atom O mengalami penurunan dari maksimum belakang api, dan konsentrasi radikal CH menurun dari maksimum terdekat ke arah depan api. Kerapatan elektron berada pada maksimum di mana produk memaksimalkan, dekat pusat api. Mengisi persyaratan netralitas memastikan bahwa daerah konsentrasi elektron meningkat bertepatan dengan itu produksi.
Argumen ini menyiratkan bahwa plasma elektron terkonsentrasi di daerah sempit di sekitar pusat api. Di lokasi ini bahan bakar yang hampir sepenuhnya dikonsumsi, dan reaksi dasar dari CH, C2, H2, CO, O2 dan sistem sedang berlangsung, di lokasi yang sangat dekat dengan pelepasan panas maksimum dalam nyala.
Ketebalan Lapisan Plasma - Ketebalan api untuk api, laminar propana stoikiometrik pada satu tekanan atmosfer adalah sekitar 1 cm [1]. Ini ketebalan, t, menurun dengan tekanan (t 1 / p), tetapi meningkat untuk campuran lebih ramping (t 1/vf, vf = api kecepatan). Fristrom dan Westenberg [1] menyebutkan pengukuran spesies ion (hal. 226) dari mana ketebalan perkiraan wilayah terionisasi dapat dihitung sebagai sekitar 1/3 ketebalan api nominal. Menerjemahkan praktek mesin untuk, api yang bergejolak, tetapi umumnya dianggap api laminar berbelit-belit. Untuk rasio kompresi 9 banding 1, dan mempertimbangkan untuk 30 derajat sebelum TMA (segera setelah pengapian ramping), tekanan akan menjadi sekitar 7 atm tanpa kompresi pembakaran yang signifikan, dan ketebalan plasma elektron akan berada di urutan 0,5 mm. Dengan demikian dapat dipahami bahwa transfer energi gelombang mikro hanya volume transfer energi proses dalam arti bahwa turbulensi mendistribusikan depan api, dan yang depan ini perjalanan cepat melalui volume sebagai akibat dari proses dinamika fluida.
Catatan untuk Flames Sooting - Hal ini juga percaya bahwa proses nukleasi jelaga melibatkan reaksi ion dan bahwa spesies ion juga dibentuk terutama oleh reaksi
CH + O CHO + + e-
diikuti oleh reaksi dari jenis
CHO + + C2H2 C2H3 + + CO (17)
yang kemudian menyebabkan polimerisasi ionik yang cepat. Ion-ion ini tumbuh dalam ukuran sampai mereka menjadi partikel baru mulai dengan massa atom sekitar 104. Mereka kemudian membentuk kristalit dan partikel akhirnya bola yang massa berkisar 105-107. Ini bola jelaga memiliki diameter dalam kisaran 10 sampai 50 nm. Setelah mereka terbentuk mereka agregat ke rantai bentuk. Dalam api sooting premixed ini semua terjadi dalam waktu sekitar 10 sampai 50 ms. [12]
3.2 Microwave Penyerapan dan Transfer Energi dalam Flames - The Cascade Energi Microwave, Ringkasan - Penelitian sejak laporan kemajuan melanjutkan telah mengindikasikan bahwa proses fisik yang terlibat dalam transfer energi dari medan elektromagnetik untuk microwave gas pembakaran dapat didefinisikan dan dihitung berdasarkan diterbitkan bekerja. Proses kaskade energi dimulai ketika gelombang mikro menciptakan medan frekuensi tinggi amplitudo besar listrik dalam gas dari mana elektron (tapi tidak ion) dapat menyerap energi. Elektron diciptakan oleh kimia-ionisasi dalam wilayah sempit depan api di mana konsentrasi api spesies radikal yang berkontribusi terhadap reaksi ionisasi besar. Rasio netral radikal untuk ion adalah sekitar 1:10-2:10-7 dalam api tekanan atmosfer. Ionisasi dalam nyala juga telah terbukti tidak relevan dengan proses api penting. Elektron dipanaskan oleh radiasi gelombang mikro ke suhu ekuilibrium yang terpisah secara signifikan lebih tinggi daripada suhu gas sekitarnya api lokal. Elektron ini mentransfer kelebihan energi mereka untuk mengelilingi molekul netral oleh tumbukan.
Pertukaran energi tumbukan terjadi hampir seluruhnya ke negara getaran spesies netral tertentu sebagai akibat dari 1) perbedaan besar dalam massa spesies bertabrakan, 2) pertandingan yang erat antara tingkat energi getaran dari spesies penerima dan elektron rata-rata energi, dan 3) faktor-faktor lain yang menyebabkan kuantitatif elektron-netral tabrakan lintas-bagian. Sebagai hasil dari penampang tabrakan besar dan konsentrasi yang dominan di udara-bahan bakar pembakaran, eksitasi elektron nitrogen adalah jauh wastafel terbesar untuk microwave disediakan energi. Negara getaran tereksitasi terendah nitrogen tidak dapat de-merangsang dirinya sendiri karena molekul memiliki momen multipole listrik, sehingga de-senang melalui benturan dengan spesies lain yang dengan cepat dapat mengubah energi getaran menjadi energi translasi. Dalam kasus pembakaran spesies quenching dominan adalah air, yang biasanya pada konsentrasi 10% di tengah api. Kaskade energi proses yang baru saja diuraikan menentukan kemampuan gelombang mikro untuk memberikan spesies bersemangat yang mungkin meningkatkan pembakaran kimia, atau kemampuan dari gelombang mikro untuk memberikan pemanasan ohmik, tergantung pada rincian perhitungan dan mungkin pada parameter aplikasi dari microwave.
Microwave Daya diserap Tekanan Ketergantungan - Sebuah pertanyaan penting yang berkaitan dengan penyerapan microwave di mesin dibandingkan dengan api laminar atmosfer adalah kemungkinan kenaikan daya yang diserap yang dapat dicapai sebagai hasil dari tekanan yang lebih tinggi. Kerapatan elektron, ne, meningkat secara proporsional dengan tekanan, seperti halnya tegangan rusaknya, sehingga diharapkan bahwa maksimum mungkin disimpan daya per satuan volume harus meningkat dengan kuadrat dari tekanan. Peningkatan tekanan juga menyebabkan penurunan proporsional dalam ketebalan api, f.
f 1 / p (18)
ne p (19)
Dengan asumsi daya microwave diserap sebanding dengan kerapatan elektron, dan sekali lagi bahwa tegangan maksimum dan kekuasaan, Pmax, yang dapat diterapkan dibatasi oleh rincian gas, maka
Pmax p (20)
Pmax abs (Pmax) (ne) p2 (21)
Untuk pemanas gas dibakar, energi disimpan per satuan massa menentukan temperatur gas akhir, dan ini bervariasi dalam proporsi tekanan, dengan asumsi, sekali lagi, kerusakan itu adalah faktor pembatas pada tegangan dalam mencapai pembakaran modifikasi signifikan.
Mengingat efek langsung pada api itu sendiri, daya microwave diserap dapat mengakibatkan pemanasan ohmik baik (yang mengarah ke efek ekspansi yang sama untuk membakar pemanas gas) dan peningkatan laju reaksi. Pemanasan ohmik akan menghasilkan kecepatan api meningkat sebanding dengan peningkatan relatif suhu gas akhir. Efek ini harus sebanding dengan tekanan, seperti dalam kasus pemanasan gas terbakar, karena kepadatan energi lagi kuantitas penting.
Dalam hal peningkatan laju reaksi kimia, seperti dibahas dalam Groff dan Krage [15] kecepatan nyala laminar diharapkan akan sebanding dengan akar kuadrat dari laju reaksi. Ini laju reaksi diharapkan untuk lebih meningkatkan dalam kehadiran oksigen molekul bersemangat, yang menyebabkan peningkatan dalam kecepatan api. Karena ini adalah efek non-linear, ada alasan yang kuat untuk percaya bahwa peningkatan laju reaksi akan tergantung pada konsentrasi oksigen mutlak bersemangat, di mana konsentrasi ini tergantung pada p2. Kecepatan api akan tergantung pada tekanan kurang kuat sebagai akibat dari ketergantungan akar kuadrat pada laju reaksi, tetapi ketergantungan akan setidaknya linear dengan tekanan, yang bertentangan dengan kasus api laminar normal dimana perubahan kecepatan api dalam proporsi p1 / 4.
Rincian teori microwave penyerapan diberikan oleh Bradley dan Ibrahim [10,11], yang memberikan kekuatan kepadatan, Kami, gelombang mikro diserap sebagai
Kami = (0.76e2/me) (Erms / ne) 2 (ne) (f ()) (22)
Dimana Erms adalah root mean square dari medan listrik, e adalah muatan elektron, saya adalah massa elektron, dan adalah energi elektron. Perhatikan ketergantungan kita pada (Erms) 2, motivasi yang kuat untuk memaksimalkan tegangan yang diberikan. Untuk potensi kerusakan ini sebanding dengan tekanan dan karena ne juga sebanding dengan tekanan, maka
Kami, max p (23)
mengkonfirmasikan pembahasan di atas untuk kasus gas dibakar atau pemanasan ohmik api.
Elektron Suhu Fisika - Meskipun analisis yang tepat dari suhu elektron dan energi hanya dapat dilakukan secara numerik termasuk semua tingkat energi yang relevan molekul dan bagian tabrakan lintas seperti yang dilakukan oleh Bradley dan Ibrahim [10,11], efek yang berkontribusi pada pemanasan elektron dapat dipahami melalui model sederhana.
Suhu elektron, Te, dinaikkan di atas Tg dengan penyerapan energi dari bidang microwave diterapkan. Tingkat kehilangan energi oleh tabrakan dengan molekul gas
Tumbukan energi yang hilang = 3/2 [Ec (VME / Le) k (Te - Tg)] (24)
ketika:
vd = melayang kecepatan elektronVME = berarti kecepatan acak elektronLe = elektron berarti jalan bebasEc = rata-rata kehilangan energi pecahan per tabrakan
Menyamakan input listrik dengan daya yang hilang melalui tabrakan:
eEvd = 3/2 [Ec (VME / Le) k (Te - Tg)] (25)
Te - Tg = 2eEvdLe / (3Ecvmek) (26)
Model ini memberikan suhu elektron pada urutan eV, sebagai terlihat dalam praktek, tetapi Te sebenarnya benar-benar dikontrol oleh tingkat energi vibrasi yang relevan.
3.3. Efek Eksitasi molekul pada Pembakaran Kimia - Proses tabrakan elektron dalam molekul gas, dalam urutan penurunan energi ambang elektron: 1) Ionisasi, 2) Disosiasi, 3) eksitasi elektronik, 4) eksitasi vibrasi, dan 5) eksitasi putaran. Ada juga berbagai proses juga lampiran. Kepentingan relatif dari proses ini tergantung pada energi elektron rata-rata, bagian tabrakan lintas, dan tahan dari spesies yang terlibat.
Disosiasi oleh elektron tabrakan dapat terbukti tidak signifikan dibandingkan dengan yang dihasilkan kimia dalam nyala, sama halnya eksitasi elektronik. Tingkat ionisasi mungkin, dalam beberapa kondisi, menjadi sebanding dengan tingkat alamiah, namun hal ini tidak mengakibatkan efek yang signifikan dalam api, atau account untuk peningkatan kecepatan nyala, Su [16]. Energi rotasi juga dapat diskon karena tabrakan molekul yang normal mengkonversi setiap kelebihan energi rotasi dengan cepat menjadi energi translasi [17]., Dan tingkat tersedia eksitasi oleh tabrakan elektron tidak dapat secara material mengubah konsentrasi dari negara-negara seperti itu karena ini. Namun, eksitasi rotasi mungkin menjadi kerugian energi proses utama yang membatasi nilai Te. Translational (suhu) eksitasi diabaikan sebagai akibat dari perbedaan besar dalam massa spesies bertabrakan.
Bagian silang elektron-tabrakan untuk pembentukan negara getaran yang lebih tinggi (energi 0.1-10 eV), secara umum, besar, dari urutan 10-16 cm2, karena ini sering senang dengan perantara, yaitu, berumur pendek ion negatif . Deaktivasi oleh tabrakan molekul jauh lebih efisien dibandingkan dengan negara-negara rotasi, sehingga populasi kelebihan yang cukup dapat dibentuk [17,18].
Tingkat eksitasi getaran dari v = 0 ke v = 1 keadaan suatu molekul
d / dt (M1) = neM0 (27)
dimana M1 dan M0 adalah konsentrasi molekul di v = 1 dan v = 0 menyatakan, masing-masing, dan q01 adalah salib eksitasi bagian oleh elektron. Dengan demikian perubahan konsentrasi jumlah molekul bersemangat untuk v = 1 dari v = 0 sebagai gas melewati zona reaksi
M1 = terpisahkan 0-tau (neM0 ) dt (28)
Dimana tau adalah waktu tinggal molekul dalam zona reaksi. Ketika terpisahkan digantikan oleh nilai rata-rata rata-rata selama distribusi kecepatan elektron di seluruh zona, Eq. 4 menjadi
M1/M0 berarti (neq01ve) x tau (29)
Ini memberikan perubahan dalam populasi = v 1, mengabaikan proses penonaktifan. Dalam tabung kejutan pada tekanan atmosfer dan suhu gas hingga 5000 K telah menemukan bahwa suhu getaran mungkin dekat dengan Te untuk gas molekul banyak sedangkan derajat translasi dan rotasi kebebasan tetap dalam kesetimbangan [19,20]. Dalam zona reaksi dari api yang sama mungkin terjadi, tidak ada waktu yang cukup untuk keseimbangan yang akan didirikan. Sedikit data yang saat ini tersedia di bagian lintas eksitasi getaran spesies api seperti radikal hidroksil dan hidrokarbon. Ini adalah yang paling mungkin untuk berperilaku dengan cara yang sama.
Molekul vibrationally bersemangat pada umumnya dapat kehilangan energi ini baik oleh tabrakan atau radiasi. Namun, gas sederhana seperti hanya hadir dalam nyala api (kecuali CO2) tidak bisa memancar dari negara vibrationally bersemangat karena negara-negara ini tidak memiliki momen dipol listrik. Hal ini tidak berlaku untuk negara-negara elektronik tereksitasi dari CH, C2, dan radikal OH yang mendominasi radiasi api. Faktor lain dalam proses transfer energi adalah bahwa proses transfer resonansi yang mungkin mengakibatkan peningkatan lintas-bagian yang tidak penting pada suhu api.
Karya Bradley dan Ibrahim [10,11], antara lain, telah menunjukkan bahwa nitrogen adalah wastafel utama energi elektron kecuali energi rata-rata sangat tinggi dapat diperoleh sebelum eksitasi tumbukan dari netral terjadi. Hal ini karena penampang eksitasi untuk nitrogen secara signifikan lebih besar daripada spesies api lainnya (Gambar 4), dan karena gas nitrogen adalah 80%. Tingkat getaran pertama nitrogen adalah sebesar 0,3 eV, sehingga energi ini harus bertindak sebagai langit-langit dengan energi elektron rata-rata dalam api. Keberadaan seperti langit-langit energi elektron dikonfirmasi oleh pengukuran suhu elektron tunggal api microwave dipanaskan oleh MacLatchy [9], yang memberikan nilai Te dari 0,34 eV. Dominasi nitrogen sebagai sink energi elektron menunjukkan bahwa eksitasi getaran dari molekul yang berpartisipasi dalam reaksi kimia yang penting dalam nyala hanya akan terjadi jika 1) molekul aktif collisionally gembira dengan molekul nitrogen bersemangat (seperti dalam laser CO2), 2 ) input energi elektron cukup tinggi untuk merangsang spesies selain nitrogen terlepas dari daya yang hilang elektron eksitasi nitrogen, atau 3) nitrogen elektron energi wastafel loss jenuh sehingga energi rata-rata elektron dapat meningkat secara linear dengan waktu untuk tingkat yang akan membangkitkan spesies lain. Dua kasus terakhir tidak identik, kasus terakhir mengasumsikan bahwa nitrogen de-eksitasi cukup lambat sehingga energi cukup sekali disimpan ke dalam populasi molekul nitrogen untuk jenuh tingkat getaran pertama populasi ini, semua energi akan masuk ke peningkatan elektron energi dan spesies lainnya yang menarik. Tingkat daya jauh lebih kecil daripada daya yang dibutuhkan untuk meningkatkan energi rata-rata di hadapan wastafel energi nitrogen. Perlu dicatat bahwa perhitungan dari Bradley dan Ibrahim menganggap bahwa nitrogen de-eksitasi cepat dibandingkan dengan eksitasi.
Gambar 4
Gambar 4. Jumlah penampang efektif untuk eksitasi getaran dari N2 ( = 1-8) oleh dampak elektron. [21]
Jika pembakaran peningkatan oleh reaksi kimia meningkatkan diinginkan, tujuan eksitasi elektron microwave mungkin harus untuk mencapai populasi yang signifikan dari molekul oksigen bersemangat. Alasan untuk ini adalah bahwa ada bukti eksperimental bahwa oksigen bersemangat akan meningkatkan laju pembentukan radikal oksigen yang pada gilirannya akan meningkatkan laju reaksi hidrokarbon secara keseluruhan dalam api karena sifat utama dari radikal oksigen sebagai reaksi rantai kinetik membatasi percabangan langkah. Reaksi tertentu yang terlibat adalah
H + O2 = OH + O (30)
dengan pengertian bahwa penciptaan radikal OH dan O adalah rute utama untuk menciptakan radikal H. Reaksi ini sangat ditingkatkan dengan eksitasi getaran dari molekul oksigen [22], seperti yang diharapkan oleh sifat yang sangat endotermik reaksi. Selain itu, oksigen vibrationally bersemangat memiliki frekuensi yang sangat tinggi (mode getaran biasanya berosilasi pada 1012-1014 Hz), dan keadaan seperti itu akan meningkatkan laju reaksi karena getaran menghabiskan sebagian besar waktunya di kedua ujung getaran, yang merupakan tertinggi energi negara. Sebuah faktor kecil untuk proses microwave adalah bahwa peningkatan ini laju reaksi juga meningkat ne, yang tergantung pada konsentrasi radikal CH dan O.
Dalam api pada 1 atm tingkat tabrakan adalah sekitar 2 x 109 s-1. Pada saat kernel api pertumbuhan awal dalam mesin kompresi tinggi nilai ini akan meningkat menjadi sekitar 1 x 1010 s-1. Berbagai spesies collisionally de-merangsang nitrogen, spesies polar seperti uap air adalah yang paling efisien, diikuti oleh spesies radikal, sedangkan oksigen agak kurang efisien. Karena konsentrasi baik oksigen dan air sekitar 10% di tengah api di mana kerapatan elektron tinggi, diharapkan bahwa konsentrasi uap air akan mengontrol seumur hidup penduduk negara nitrogen bersemangat dan besarnya populasi ini , waktu eksitasi yang lebih lama dari waktu de-eksitasi rata-rata molekul nitrogen. Konsentrasi penduduk yang radikal, bahkan di pusat api, merupakan faktor sepuluh rendah, beberapa persen, sehingga radikal tidak diharapkan untuk memainkan peran penting dalam deexcitation.
Negara nitrogen seumur hidup penduduk bersemangat dapat dihitung berdasarkan jumlah rata-rata tumbukan yang diperlukan untuk de-membangkitkan sebuah molekul nitrogen. Ini adalah sekitar 5 x 104 tabrakan di 1500 K (nilai yang diperoleh secara lisan dari membaca Phelps Art dari [23]), tetapi mungkin urutan besarnya lebih tinggi atau lebih rendah. Mengingat tingkat tabrakan untuk nitrogen dengan air dalam nyala 1 x 109 s-1, dan jumlah yang diperlukan dari tabrakan yang diperlukan untuk de-eksitasi, daya tahan mean dari populasi nitrogen bersemangat adalah sekitar 5 x 10-5 s, atau 50 mikrodetik. Nilai ini tentatif dan perlu dikonfirmasi oleh perhitungan rinci. Shorter microwave kali pulsa eksitasi dari 50 mikrodetik dapat menyebabkan kenaikan api jauh lebih besar kecepatan untuk total energi yang sama disimpan jika bahan kimia tambahan dicapai. Tujuan akhir dari energi selalu peningkatan suhu, tetapi keuntungan tambahan dari peningkatan laju reaksi dapat dicapai dengan menggunakan pulsa sangat pendek. Ada batas daya yang dikenakan oleh potensi kerusakan, namun.
Satu catatan menarik adalah bahwa MacClatchy [9] juga mengukur suhu elektron belakang depan api dalam gas terbakar, yang ia temukan menjadi 0,56 eV. Karena pembahasan di atas tampaknya menyiratkan batas temperatur elektron 0,3 eV, pengukuran ini sulit untuk menjelaskan.
3.4. Laminar Perubahan Properti api di Respon untuk Microwaves - Dalam semua teori propagasi nyala api kecepatan nyala, Su, dapat dinyatakan dalam bentuk
Su2 = FUave (31)
di mana F adalah fungsi dari koefisien transportasi dan temperatur nyala, dan Uave adalah tingkat rata-rata reaksi di depan api. Untuk waktu yang lama [24] telah diasumsikan bahwa molekul bereaksi lebih mudah jika vibrationally bersemangat. Pekerjaan teoritis terbaru oleh Polanyi [25,26] menunjukkan ini menjadi begitu dalam kasus reaksi endotermik: penampang reaksi meningkat pesat dengan energi getaran peningkatan reaktan dan relatif tidak sensitif terhadap kenaikan energi translasi. Kebalikannya terbukti tahan selama reaksi eksotermis, meskipun peningkatan dengan energi translasi hampir tidak begitu cepat seperti energi getaran dalam kasus mantan. Dengan demikian, jika energi getaran meningkat di zona reaksi api, akhirnya disebabkan oleh kenaikan Te, kemudian Uave dari Pers. 31 akan meningkat sementara F pada dasarnya tetap konstan.
Dalam metana-udara api serangan awal pada bahan bakar terutama oleh radikal hidroksil atau atom hidrogen dalam kondisi bahan bakar yang kaya ramping dan bahan bakar, masing-masing, baik reaksi cepat dengan energi aktivasi yang rendah. The laju reaksi keseluruhan mungkin dikendalikan oleh reaksi berantai bercabang-lambat
H + O2 + OH O (32)
dengan energi aktivasi tinggi sekitar 16,5 kkal / mol (0,7 eV) [27].
Asumsikan bahwa Uave sebanding dengan tingkat rata-rata Eq. 7 dan bahwa di nol bidang ini setara dengan suhu rata-rata Untuk, yaitu,
Uave sebanding dengan d [OH] / dt = A [H] [O2] exp (-16.5/RTo) (33)
dimana konstanta gas R = 1,99 x 10-3 kkal / mol-K, dan A adalah faktor frekuensi. Akibatnya, Untuk dianggap suhu getaran dari molekul oksigen. Dalam medan listrik energi getaran akan meningkat, sesuai dengan T1 suhu yang lebih tinggi, yang dapat dihitung dengan asumsi distribusi Maxwell:
M1/M0 = exp (-E1/RTo) (34)
Berikut M1 dan M0 adalah konsentrasi molekul oksigen di v = 0 dan v = 1 getaran negara, masing-masing, dan E1 adalah kurang lebih sama dengan 0,2 eV, perbedaan energi antara negara-negara. Dengan demikian, jika To = 1.700 K, meningkat 3% di disamakan M1 untuk T1 = 1.850 K. Jika Su0 dan Su1 adalah kecepatan pembakaran untuk suhu T0 dan T1, masing-masing, kemudian dari Pers. 32 dan 34,
(Su1/Su0) 2 = exp [(1/To-1/To) 16,5 / R] (35)
Oleh karena itu Su1/Su0 kira-kira sama dengan 1,2, yang merupakan kenaikan 3% di M1 (dan peningkatan terkait di negara-negara yang lebih tinggi) menghasilkan peningkatan 20% dalam kecepatan membakar, hampir sama dengan maksimum diamati dalam percobaan kami. Selain Persamaan. 7 reaksi lain di depan api kemungkinan akan dipercepat oleh peningkatan energi getaran dari reaktan. Dengan demikian, jika populasi gembira dapat dibuat, peningkatan yang signifikan dalam kecepatan nyala mungkin diharapkan.
3,5 Analisis Experimental Research Sebelumnya - penelitian eksperimental sebelumnya memberikan pandangan berbeda tentang efektivitas penggunaan gelombang mikro untuk menyebabkan peningkatan kecepatan api. Sebuah penjelasan yang valid diperlukan untuk percobaan masa lalu dan penjelasan untuk efek medan energi pada pembakaran. Mengingat pemahaman tentang kaskade energi dalam gas yang dihasilkan dari penyerapan microwave seperti yang dibahas di atas, hasil dari berbagai eksperimen peningkatan api yang telah diterbitkan dapat dipahami. Kontroversi dasar adalah apakah atau tidak meningkatkan kecepatan api yang tidak dapat dijelaskan dengan efek aerodinamis yang disebabkan oleh pemanasan ohmik atau peningkatan laju reaksi.
Faktor yang paling penting untuk memahami tentang penyerapan microwave di udara / bahan bakar pembakaran adalah bahwa nitrogen menyerap sebagian besar energi gelombang mikro pada tingkat daya yang lebih rendah (tapi tidak rendah). Energi yang diserap oleh nitrogen disimpan sebagai energi getaran, dan energi ini menyebabkan pemanasan ohmik dari gas secara keseluruhan melalui deexcitation dan thermalisasi oleh air dalam nyala. Tingkat energi getaran dari nitrogen adalah sedemikian rupa sehingga energi elektron rata-rata dicegah meningkat secara signifikan melampaui sekitar 0,3 eV, ini efektif mencegah eksitasi oksigen dan peningkatan kimia api, kecuali pada daya yang diserap sangat tinggi atau pulselength mungkin singkat.
Kesimpulan ini konsisten dengan hasil yang dilaporkan dalam literatur, yang (kecuali untuk kesimpulan spekulatif Jaggers dan Von Engel [28]), menunjukkan bahwa peningkatan kecil dalam kecepatan api terkait dengan penerapan hasil gelombang mikro dari pemanasan ohmik yang menyebabkan peningkatan suhu api dan dengan demikian meningkatkan kecepatan nyala. Hasil spuriously besar banyak telah dilaporkan di wilayah eksitasi microwave api. Kelemahan umum adalah bahwa konfigurasi eksperimental tertentu memperkuat kecepatan api meningkat disebabkan oleh penyerapan microwave sebagai akibat dari gaya aerodinamik yang disebabkan oleh medan elektromagnetik atau karena geometri api telah berubah untuk meningkatkan luas api dan dengan demikian kecepatan nyala. Dalam semua percobaan yang dilaporkan belum ada kasus dikonfirmasi peningkatan kimia api akibat eksitasi microwave spesies api.
Tujuan pertama menganalisis penelitian terdahulu demikian untuk menghilangkan efek tidak disebabkan oleh pemanasan microwave elektron. Kita hanya harus mempertimbangkan frekuensi eksitasi elektromagnetik tinggi - lebih dari sekitar 50 kHz [29]. Agak frekuensi rendah mencakup dampak energi ditransfer ke ion, dan frekuensi yang jauh lebih rendah mencakup dampak arus makroskopik diinduksi dan kekuatan magnet pada arus ini dalam nyala. Efek membingungkan utama lainnya adalah bahwa perubahan dalam geometri api yang disebabkan oleh perubahan kecepatan nyala. Himpunan percobaan tersisa untuk mengevaluasi setelah ini pengecualian tidak besar. The kertas oleh Groff dan Krage menyediakan diskusi yang baik dari masalah ini.
Dalam konteks penyerapan microwave oleh elektron, karya Bradley dan Ibrahim [10,11] telah menunjukkan bahwa nitrogen adalah wastafel utama energi elektron kecuali energi yang sangat tinggi dapat diperoleh sebelum eksitasi tumbukan terjadi. Hal ini karena penampang eksitasi untuk nitrogen secara signifikan lebih besar daripada spesies api lainnya, dan karena gas nitrogen adalah 80%. Percobaan telah menunjukkan pengaruh yang kecil pada kecepatan api untuk besar kekuatan medan listrik (hingga 100 kV / m) dan pada frekuensi gelombang mikro di mana elektron menyerap kekuatan microwave, meskipun peningkatan suhu elektron telah diukur. Tingkat getaran pertama nitrogen adalah sebesar 0,3 eV, sehingga energi ini harus bertindak sebagai langit-langit dengan energi elektron rata-rata dalam api. Hal ini dikonfirmasi oleh pengukuran temperatur elektron tunggal api microwave dipanaskan oleh MacLatchy [9].
Konstanta laju untuk eksitasi tumbukan oksigen dan nitrogen dengan elektron yang diberikan oleh Bradley dan Ibrahim [10,11], dan sedemikian rupa sehingga konstanta laju untuk eksitasi oksigen adalah sekitar 2 lipat lebih rendah dibandingkan untuk nitrogen. Ini berarti bahwa sebagian besar dari nitrogen harus bersemangat untuk merangsang molekul oksigen yang cukup untuk mempengaruhi kimia pembakaran. Hal ini akan menjelaskan hasil eksperimen menunjukkan kurangnya efek pada kimia pembakaran.
Berdasarkan analisis ini menyimpulkan pernyataan Groff dan Krage dapat dinilai: "Konsep microwave-perangkat tambahan tidak praktis untuk aplikasi mesin otomotif karena
kecil peningkatan kecepatan pembakaran (yang sama dicapai oleh richening 2-3% dari Campuran / Fkekuatan tinggi yang diperlukan - paling dihamburkan dalam dinding rongga dan terkait kabelCavity masalah tuning yang disebabkan oleh variasi suhu dan penumpukan deposit di silinderTurbulent api tidak ditingkatkanKerapatan elektron di lean bensin-udara api lebih rendah "
Mereka menyimpulkan dari ini (yang semuanya tampaknya benar) bahwa efek pemanasan mungkin disebabkan oleh pemanasan ohmik. Mereka kemudian memberikan beberapa argumen terhadap keberadaan efek kimia yang disebabkan oleh elektron panas. Mereka benar menyatakan bahwa kimia ditingkatkan adalah hasil dari oksigen bersemangat, tapi pergi ke alasan menyatakan bahwa oksigen bersemangat tidak akan diharapkan terjadi:
"Excited oksigen diproduksi dekat puncak eksitasi elektron yang dekat puncak temperatur di mana membatasi laju reaksi harus hampir lengkap""Oksigen kurang tersedia di zona ini sebagai kesatuan pendekatan, arah peningkatan pembakaran-kecepatan perangkat tambahan."
Kedua pernyataan tersebut tidak benar, karena elektron diproduksi di mana konsentrasi O dan CH radikal maksimal dan di mana laju reaksi yang maksimal. Percobaan-percobaan mereka sangat berhati-hati dan meyakinkan, bagaimanapun, dan memang tampak indikasi api kecepatan meningkat disebabkan oleh pemanasan ohmik - tetapi hanya karena tingkat daya microwave yang masih terlalu rendah.
Pernyataan ini mungkin mengejutkan, karena eksperimen mereka dilakukan pada intensitas medan listrik sampai 100 kV / m, tapi ini tampaknya menjadi kasus. Untuk menilai kebutuhan untuk bidang yang sangat tinggi satu kembali ke pekerjaan Bradley dan Ibrahim [10,11]. Analisis mereka mengambil sebagai nilai standar medan listrik dinormalisasi oleh tekanan (E / p)
E / p = 10 V / cm-torr
Untuk 1 atm api yang telah digunakan untuk eksperimen microwave, ini berarti
E = 7,6 kV / cm
atau
E = 760 kV / m
Jika kita memeriksa kurva elektron mereka pertukaran energi tingkat, dapat dilihat bahwa satu-satunya mulai meningkatkan energi elektron rata-rata masa lalu 0,3 eV di sekitar faktor daya 10 elektron yang lebih rendah, atau faktor E 3 lebih rendah / p, karena ketergantungan adalah di alun-alun dari E / p. Ini berarti bahwa satu-satunya memiliki kesempatan untuk melihat oksigen bersemangat pada satu atmosfer pada tingkat medan listrik dari 1 MV / m, atau 10 kV / cm. Breakdown tegangan di udara adalah sekitar 25 kV / cm, sehingga tampak bahwa peningkatan kimia akan terjadi bekerja dekat dengan breakdown.
Hampir tidak ada percobaan telah dilakukan di dekat breakdown, meskipun karya Clements [30] adalah pengecualian. Hasil kerja ini menunjukkan peningkatan kecepatan api yang lebih besar, tapi tampaknya bingung dengan fenomena kerusakan. Groff dan Krage menjelaskan hasil mereka sebagai akibat dari propagasi api geometri ke dalam tabung tertutup yang kecepatan api sangat bergantung pada pemanasan keseluruhan.
Kesimpulan keseluruhan dari penelitian masa lalu ke dalam peningkatan microwave api adalah api meningkat kecepatan adalah hasil dari pemanasan ohmik kecuali mungkin dalam hal intensitas medan listrik di dekat breakdown pada satu tekanan atmosfer. Analisis di atas menunjukkan bahwa bidang yang lebih rendah diterapkan mungkin mengakibatkan peningkatan kimia pada tekanan yang lebih tinggi.
4. Meningkatkan Kinerja Mesin Pembakaran Internal dengan Fields Energi
Masalah keseluruhan aplikasi menemukan untuk bidang energi dalam pembakaran mesin dapat didekati dengan beberapa cara. Satu pendekatan adalah untuk mengidentifikasi modus operasi mesin di mana orang mungkin mengharapkan perubahan signifikan yang disebabkan oleh lapangan, didasarkan pada beberapa jenis penalaran global. Keberhasilan pendekatan ini akan diukur dengan verifikasi eksperimental dari perubahan mendalilkan dalam operasi mesin. Pendekatan lain akan mengidentifikasi efek yang dikenal spesifik dari bidang pada proses pembakaran dan kemudian mencoba untuk menemukan modus operasi mesin di mana efek ini akan menguntungkan baik dan terukur. Pendekatan Entah akan efektif jika memberi hasil, tetapi pendekatan kedua akan memberikan motivasi untuk penelitian lebih lanjut bahkan jika hasil mesin global yang tidak pasti. Yang mengasumsikan orang bisa datang dengan beberapa alasan yang masuk akal bahwa tes mesin yang ambigu dan rencana eksperimental yang akan menunjukkan hasil yang positif nantinya.
Ini harus ditekankan berulang-ulang kepada orang-orang tidak akrab dengan mesin pembakaran internal yang ada fakta dasar yang tidak dapat dihindari:
Arus dan turbulensi dalam silinder akan menjadi kontrol utama untuk tingkat membakar keseluruhan, tidak apa-apa yang dilakukan untuk mengubah api itu sendiri.Untuk mengukur efek tertentu pada mesin pembakaran satu harus hati-hati memilih rezim operasi dimana efeknya besar, jika efek ini juga akan bertopeng dan tidak terdeteksi dalam variasi yang luas alami pembakaran yang disebabkan oleh arus yang bergolak, atau hanya menjadi pengaruh kecil pada kuat turbulen pembakaran.Pembakaran terjadi dalam dua tahap. Tahap pertama dikenal sebagai pertumbuhan api awal dan rekening untuk sebagian besar volume dibakar. Fase ini didorong oleh gas memperluas belakang nyala api. Rekening tahap kedua untuk sebagian besar massa dibakar, dan terjadi sebagai nyala api berkobar bergolak melalui gas akhir terkompresi dan dipanaskan.Pertimbangan yang harus diingat adalah bahwa bahkan efek buruk yang disebabkan oleh medan energi dapat menunjukkan kemajuan penting di lapangan jika efek ini bertentangan dengan pemahaman saat proses yang terlibat.
Dasar-dasar menggunakan medan elektromagnetik untuk pembakaran adalah:
Rute ke efek dari medan elektromagnetik pada pembakaran adalah melalui keberadaan elektron bebas dalam nyala. Elektron ini hasil dari kimia-ionisasi dan eksis dengan kepadatan yang jauh lebih besar daripada elektron termal.Ada efek yang kuat dari jenis bahan bakar dalam menentukan kerapatan elektron dalam nyala. Produksi ion total bervariasi secara linear dengan konsentrasi karbon dari campuran bahan bakar udara untuk api hidrokarbon. [31] Untuk kaya bahan bakar api kelebihan hidrogen secara dramatis mengurangi kerapatan elektron.Pengukuran temperatur elektron dalam front api langka.Sangat mudah untuk menyimpulkan peningkatan yang salah dalam membakar kecepatan tanpa setup eksperimental hati-hati.
Untuk microwave:
Ada bidang ambang batas kekuatan 15-30 kV / m, di bawah ini yang tidak ada efek terlihat.Rasio daya yang diserap ke kekuasaan diterapkan biasanya kecil. Dalam percobaan dibahas dalam makalah kekuatan microwave diserap tidak signifikan dibandingkan dengan kekuatan kimia kecuali mungkin selama atau setelah pembakaran.
Para energetika contoh khas pemanasan microwave dari api laminar diberikan oleh Groff dan Krage [15]:
Rata-rata spesifik panas dalam api 1.250 J / (kg-K) untuk , ransum kesetaraan = 0,64Diukur laju alir massa 0,81 kg / jam150 W diserap oleh rongga TM010 sebesar 2,5 GHzDihitung 21 W diserap oleh nyala apipemanasan zona reaksi - 74 K
Konsensus di Industri - Konsensus dalam komunitas otomotif utama adalah bahwa kecuali untuk perbaikan pengapian ada tidak cukup potensi untuk mencapai manfaat dari menggunakan medan energi di mesin untuk membenarkan penelitian di daerah tersebut. Pandangan meresap adalah bahwa semua ide-ide penting telah mencoba gagal, dan sebagian besar dari ide-ide saat ini diajukan oleh individu eksentrik yang menyediakan diri membenarkan, selektif data pendukung yang hanya mencari dukungan keuangan.
Konsensus dalam Sastra pada Efek Microwave - Konsensus dalam literatur otomotif diungkapkan oleh Groff dan Krage [15] - bahwa efek dari pemanasan microwave pada api laminar kecil dan akibat dari pemanasan ohmic. Efek ini diharapkan akan dibanjiri oleh faktor lain untuk api bergolak di tekanan tinggi khas mesin pembakaran internal.
Secara khusus, konsep peningkatan microwave tidak praktis untuk aplikasi mesin otomotif karena:
Peningkatan diukur dalam kecepatan pembakaran relatif kecil. Kenaikan serupa dapat dicapai tanpa adanya gelombang mikro oleh richening 2-3% dari bahan bakar campuran ramping.Meskipun kekuatan microwave diserap oleh gas api relatif rendah, total daya yang dibutuhkan untuk menghasilkan intensitas medan listrik pada urutan 100 kV / m dalam silinder mesin jauh lebih besar, karena sebagian besar dari daya datang didisipasikan sebagai kerugian resistif dinding rongga dan kabel terkait.Masalah tala Cavity karena variasi suhu dan penumpukan deposit di silinder mungkin signifikan.Turbulent api tidak dapat ditingkatkan secara signifikan dengan microwave.Data yang dipublikasikan menunjukkan bahwa kerapatan elektron di lean bensin-udara api kurang dari itu untuk bahan bakar diuji di sini.
Konsep Peningkatan Pembakaran - Bidang pembakaran dimana perbaikan mungkin berbohong diberikan di bawah ini. Perlu dipahami bahwa perbaikan yang dihasilkan dari perubahan kecil dapat mengakibatkan perubahan besar dalam operasi mesin secara keseluruhan, karena titik mesin secara keseluruhan set dapat diubah menjadi lebih dekat dengan optimal jika tidak perlu dapat mencegah modus kegagalan tertentu. Sebuah kasus khusus adalah bahwa misfires. Bahkan macet tunggal tidak dapat ditoleransi selama operasi normal sebagai akibat dari polusi yang luar biasa yang dihasilkan oleh siklus tunggal itu. Jika set point mesin optimal, namun arus dalam mesin menyebabkan macet yang setiap 100 siklus rata-rata, ini set point tidak dapat digunakan. Jika macet yang dicegah oleh microwave set point dapat digunakan dan operasi mesin secara keseluruhan membaik. Ada batas pada energi yang digunakan oleh medan energi - beberapa ratus mJ per siklus jika diterapkan setiap siklus. Energi ini harus secara definisi menjadi fraksi diabaikan dari pembakaran energi secara keseluruhan.
Kebanyakan penelitian pembakaran perbaikan adalah di daerah operasi membakar ramping di mana efisiensi bahan bakar yang lebih besar mungkin diperoleh dan polusi juga diturunkan. Efek tersebut dapat dicapai melalui pengapian yang lebih baik, kecepatan nyala awal yang lebih tinggi dan waktu yang lebih pendek untuk membakar akibatnya massal. Pada saat ini kesulitan dengan pembakaran ramping adalah ketidakmampuan catalytic converter untuk beroperasi ramping - konverter saat ini dibatasi oleh sifat kimia katalitik mereka untuk beroperasi dengan pembakaran stoikiometrik untuk menjadi efektif.
Pengapian - Perbaikan dapat dibuat dalam kehandalan pengapian dalam kondisi yang sulit. Metode yang dapat digunakan termasuk pengapian dimulai selama volume yang lebih besar daripada untuk busi, dan mungkin kontrol umpan balik dari pengapian terjadi hanya di hadapan campuran yang mudah terbakar (penundaan kecil diperkenalkan)
Flame pertumbuhan awal - Ada dua cara untuk mengurangi waktu membakar awal: 1) Volume pengapian, dan 2) Meningkatkan kecepatan api awal. Yang pertama mungkin dicapai oleh pengapian energi Volume lapangan, dan yang terakhir mungkin dicapai dengan memanaskan gas pasca-nyala atau meningkatkan laju reaksi.
Pembakaran selesai (parsial luka bakar) - Ada keuntungan besar dalam mencegah luka bakar parsial yang terjadi justru sebaliknya. Luka bakar parsial tersebut tidak dapat ditoleransi karena polusi yang mereka hasilkan. Selain meningkatkan tingkat pertumbuhan awal api mungkin ada cara untuk mempercepat pembakaran pada akhir siklus juga.
Knock - knock adalah fenomena yang sangat rumit yang melibatkan autosulutan simultan dari gas-gas yang tidak terbakar akhir yang telah dikompresi oleh depan api berkembang. Apakah ketukan terjadi tergantung pada riwayat waktu rinci gas akhir. Penelitian terkini menunjukkan bahwa ketukan terjadi dalam proses kimia 2 langkah dengan ambang batas yang berbeda dan konstanta laju.
Ini akan bermanfaat untuk melihat apa efek gelombang mikro terhadap ketukan, meskipun akan keras pada mesin. Sementara satu mungkin berharap pemanasan microwave untuk membuat mengetuk buruk dengan menambahkan panas, kimia cukup rumit sehingga beberapa bahan kimia lainnya fenomena / terkena panas mungkin lebih penting dan mengarah pada peningkatan secara keseluruhan.
Emisi - Ada tiga polutan utama: s HC, CO, dan NOx. Setiap muncul dari sumber yang berbeda. NOx dari api suhu tinggi, yang HC dari pembakaran tidak sempurna dengan berbagai penyebab, dan CO dari pembakaran tidak sempurna. Setiap reaksi ini mungkin akan terpengaruh secara spesifik oleh beberapa perubahan dalam pembakaran yang dihasilkan dari penggunaan medan energi. Yang paling mungkin tampaknya menjadi yang HC, karena ini dihasilkan dalam kondisi di mana terdapat elektron api sedikit atau tidak ada depan. Namun, HC yang dihasilkan dari pembakaran tidak sempurna dapat dihilangkan jika peningkatan kecepatan pembakaran akan melakukannya dan dapat dicapai. Tidak jelas apa efek memperkenalkan energi elektron memiliki pada CO, dan produksi NOx.
Dingin start - Saat mesin harus membuang dalam jumlah besar gas selama beberapa siklus untuk dapat memperoleh bahan bakar tekanan uap yang cukup untuk mencapai pengapian. Ini merupakan sumber utama polusi auto keseluruhan. Setiap teknik yang menyatu, tekanan campuran dingin uap rendah akan menjadi nilai yang besar. Salah satu kemungkinan adalah lagi pengapian volume yang lebih besar, atau pengapian yang juga menguap bahan bakar basah pada dinding di dekatnya.
Microwave Cavity Respon dan Efisiensi Daya - The Q dari resonansi tertentu fo / f, di mana f adalah lebar penuh pada setengah maksimum kurva daya transmisi rongga diplot sebagai fungsi dari frekuensi. Energi yang hilang adalah akibat kerugian resistif disebabkan oleh arus induksi pada dinding rongga dan dalam media apapun dalam rongga, dan kopling energi keluar dari rongga menjadi beban eksternal. Q diturunkan dari resonansi rongga, Q0, hanya bergantung pada kerugian pada dinding rongga dan modus resonansi. Nilai-nilai khas dari Q0 berkisar 104-3 x 104 untuk dinding rongga kuningan dan sekitar faktor 2 lebih besar untuk perak berlapis dinding rongga.
Kualitas Factor, Q:
Q = 2 x energi yang tersimpan kekuatan / rata dihamburkan (36)
5. Efek Bidang Energi lain tentang In-silinder Operasi Internal Combustion Engine
VUV / UV Radiasi - Setidaknya ada dua manfaat yang mungkin dari pengapian panjang gelombang pendek energi radiasi: besar volume pengapian dan pengapian energi yang rendah.
Yang pertama adalah besar volume pengapian (dibandingkan dengan busi). Ini akan menyediakan sarana untuk memicu campuran bahkan ketika ada titik-titik lokal dalam volume yang mungkin tidak mendukung pengapian. Sebuah contoh yang khas ini akan menjadi kasus di mana campuran adalah marjinal untuk pembakaran (biasanya ramping) dan fluktuasi kecepatan yang besar. Jika ada fluktuasi kecepatan tinggi pada busi saat percikan, campuran tidak akan terbakar, sedangkan kecepatan dekatnya mungkin lebih rendah dan cocok untuk pengapian menggunakan sumber volume besar.
Kemungkinan kedua untuk perbaikan pengapian bahwa pengapian energi yang lebih rendah. Energi yang cukup yang terbuang dalam menciptakan dan memelihara kolom busur dalam busi tradisional, dan ada kemungkinan bahwa ignitor energi yang rendah bisa dibuat untuk menyediakan energi hanya ke saluran reaksi kimia yang diperlukan untuk memulai pembakaran. Untuk menunjukkan ini perhitungan energi yang diserap minimum yang dibutuhkan untuk pembakaran inisiasi akan dilakukan. Sebuah sumber VUV generasi lebih efisien juga akan perlu ditemukan, karena busur yang dihasilkan radiasi jelas tidak ada perbaikan atas suatu percikan.
Efek Medan Magnet - publikasi terbaru di bidang peningkatan magnetik pembakaran [32,33] menunjukkan status penelitian ini. Karya-karya ini mengkonfirmasi pernyataan sebelumnya banyak dalam literatur bahwa semua efek yang jelas dari medan elektromagnetik pada hasil api dari efek aerodinamis - bahwa pasukan langsung yang diberikan pada gas melalui interaksi dengan plasma di depan api. Dalam kasus mesin pembakaran internal, efek aerodinamis harus digunakan untuk meningkatkan kecepatan nyala api kernel awal. Untuk peningkatan maksimum kecepatan nyala pasukan terutama harus mendorong ekspansi radial dari busi. Seperti yang disarankan oleh Wakayama [33] medan magnet menurun jauh dari busi harus mengarah pada aliran keluar ditingkatkan; tiang, kecil magnet yang kuat pada busi akan memiliki efek yang paling. Sebuah gaya api juga dapat dikembangkan dengan menginduksi arus dalam nyala dalam medan magnet tepat berorientasi.6. Medan Energi di Percobaan Mesin
Kesimpulan umum dari analisis apa bagian dari amplop operasi dari sebuah mesin pembakaran internal yang paling setuju untuk perbaikan adalah bahwa pembakaran ramping dan operasi menganggur paling membutuhkan perbaikan. Untuk setiap uji mesin penting untuk menggunakan unit sudut waktu engkol. Unit tersebut memungkinkan efek pembakaran yang akan dimulai pada waktu yang konstan dan berulang dalam siklus untuk durasi yang merupakan fraksi konstan siklus. Waktu sudut engkol penting karena di bawah pengaruh hampir semua kecepatan mesin perubahan akan berubah, mengubah waktu absolut dari kedua peristiwa dan waktu memisahkan peristiwa, mengubah efek pada siklus dan pengulangan dari kondisi eksperimental.
Penelitian terhadap efek medan energi dalam api menyarankan beberapa percobaan awal tertentu dalam mesin. Titik tes mesin awal akan dua kali lipat: 1) Menunjukkan bahwa ada setup eksperimental kerja yang menyuntikkan energi gelombang mikro ke dalam silinder mesin operasi, dan 2) Menunjukkan bahwa efek yang menguntungkan besar pada operasi mesin disebabkan oleh suntikan energi microwave . Tes ini dimaksudkan untuk memberikan fokus untuk pekerjaan eksperimental awal, landasan eksperimental yang menjadi dasar pekerjaan lebih lanjut, dan demonstrasi elegan untuk pemasaran untuk mendapatkan pendanaan berkelanjutan.
Pusat tes pada efek yang dikenal gelombang mikro kunci kontak. Selain dari fakta bahwa gelombang mikro sendiri dapat memicu campuran, microwave daya tinggi dapat memberikan kontribusi energi untuk pembakaran yang sebanding dengan energi kimia selama tahap awal pembakaran. Jika hal ini terjadi pasca-api awal gas yang panas dan berkembang lebih cepat sebagai nyala api berkobar. Perluasan tambah membuat api awal berkembang lebih cepat sehingga area api bergolak tumbuh lebih cepat, mengarah ke periode signifikan lebih pendek untuk pembakaran awal.
Pentingnya hal ini dalam kaitannya untuk bersandar pembakaran, dimana rasio kesetaraan cukup rendah untuk pembakaran keseluruhan menjadi hanya sedikit cukup cepat. Efek membatasi pembakaran ramping adalah bahwa beberapa siklus tidak dapat menyelesaikan pembakaran, menyebabkan operasi mesin tidak stabil memberikan output daya sangat berkurang.
Tidak jelas bagaimana sebuah mesin tertentu akan merespon bersandar pembakaran. Untuk mesin sisi-katup, pembakaran akan lebih sensitif terhadap perlambatan pembakaran karena api memiliki lebih jauh untuk bepergian daripada di percikan mesin sentral konvensional pengapian. Ini mungkin akan menjadi pengaruh besar (yang akan kita gunakan untuk keuntungan), meskipun arus di sekitar busi mungkin sedemikian rupa sehingga operasi mesin ramping juga sensitif terhadap misfires.
Satu set percobaan mungkin, peringkat dalam urutan kemungkinan sukses mereka dan kemudahan kinerja diberikan di bawah ini.
Mesin ini pertama kali dibentuk untuk beroperasi sebagai ramping mungkin saat idle sampai mulai berjalan kasar. Kemajuan percikan terbaik, aliran bahan bakar, dan udara / bahan bakar rasio (rasio kesetaraan) harus diukur jika memungkinkan. Kondisi optimum microwave tidak jelas. Modus resonansi TM010 tampaknya menjadi yang terbaik sebagai akibat dari ketidakpekaan terhadap dimensi vertikal dari ruangan. Piston terus berubah dimensi ini, meskipun dalam mesin ini akan konstan dekat Top-Mati-Center (TDC). Ward dan Wu [34] melakukan analisis rinci dari respon microwave dari dalam silinder pembakaran, yang mungkin sebagian besar tapi tidak sepenuhnya benar.
Deposisi listrik harus dikendalikan agar tidak mengalahkan campuran dan memicu rongga seluruh sekaligus (Detonasi). Untuk campuran yang sangat ramping ini mungkin tidak akan merusak mesin, tapi JANGAN coba ini dengan campuran stoikiometrik! Kekuatan microwave harus ditingkatkan secara bertahap bukannya diterapkan pada daya maksimum untuk menentukan apakah ada efek apapun. Ada cara untuk meningkatkan deposisi daya lokal akan menjadi teknik eksperimental yang unggul. Volume pengapian akan bekerja jauh lebih baik jika 99% kekuatan microwave itu disimpan di 10% dari volume.
Percobaan # 1 - Microwave percepatan pembakaran:
Tambahkan microwave feedthru terpisah (atau mengkombinasikannya dengan busi, tetapi memungkinkan percikan untuk menyalakan campuran). Nyalakan generator microwave ketika kebakaran percikan (atau meninggalkan pada steady state jika pemanasan tidak terlalu buruk) dan biarkan selama bagian awal seluruh pembakaran - setidaknya dari percikan melalui TMA. Mulailah dengan tingkat daya rendah, sementara mesin beroperasi pada steady state, dan terus meningkatkan daya. Pada beberapa tingkat daya mesin harus mulai berjalan lebih baik. Catat ini tingkat daya. Kemudian, meninggalkan microwave, beri sedikit bahan bakar mesin sampai mulai berjalan kasar lagi, kemudian meningkatkan daya microwave lagi. Lihat seberapa jauh proses ini dapat mengulangi. Anda harus menurunkan muka percikan ketika gelombang mikro mulai berpengaruh dan meningkatkan kecepatan pembakaran awal. Tanpa microwave, penurunan muka spark akan membuat mesin segera menjalankan buruk.
Sebuah percobaan demonstrasi yang sangat baik untuk peningkatan pembakaran dengan microwave akan memiliki mesin berjalan kasar, kemudian tambahkan microwave dan membuatnya beroperasi lancar. Selanjutnya meningkatkan daya microwave, meningkatkan muka percikan dan menjelaskan bahwa mesin sekarang beroperasi baik pada kondisi di mana biasanya akan tidak beroperasi sama sekali. Pada titik ini gelombang mikro akan mematikan dan mesin akan segera kios.
Demonstrasi ini merupakan insentif yang kuat untuk meninggalkan busi dan menunjukkan peningkatan yang sangat jelas dalam operasi mesin normal menggunakan microwave. Sebagian besar percobaan akan memiliki efek yang jauh kurang jelas tanpa penyebab yang jelas dan hubungan efek.
Percobaan # 2 - Microwave pengapian dan percepatan pembakaran:
Sama seperti di atas, tetapi upaya untuk menggunakan gelombang mikro untuk memicu pembakaran juga.
Percobaan # 3 - Microwave pengapian untuk meningkatkan ukuran api awal:
Gunakan energi gelombang mikro untuk menyalakan campuran di wilayah yang jauh lebih besar daripada busi konvensional. Tidak jelas bagaimana seseorang akan memverifikasi efek singkat fotografi pembakaran, namun prosedur akan sama dengan yang digunakan untuk percobaan # 2. THis harus efek lebih kecil dibandingkan dalam percobaan # 1 atau # 2, tergantung pada seberapa besar volume awal pengapian. Hal ini tidak bisa volume silinder keseluruhan, tentu saja, yang akan menyebabkan kenaikan tekanan di tempat yang salah dalam siklus. Sekali lagi, ini konfigurasi mesin sangat membantu karena energi gelombang mikro akan cenderung terkonsentrasi di atas katup di salah satu bagian dari volume silinder.
Percobaan # 4 - Microwave daerah pengapian besar untuk mencegah misfires:
Gunakan energi gelombang mikro untuk menyalakan campuran di wilayah yang jauh lebih besar daripada busi konvensional. Jalankan mesin begitu ramping yang ada misfires. Naikkan energi gelombang mikro (gelombang pendek) sampai misfires menghilang. Naikkan energi gelombang mikro lebih dan melihat apakah misfires dapat dihindari dengan menggunakan campuran lebih ramping.
Kedua percobaan 3 dan 4 memiliki masalah yang berkaitan dengan menghidupkan mesin. Kesulitannya adalah bahwa mesin dingin bekerja sangat berbeda dari yang panas, dan steady state harus menurut definisi dicapai dengan mesin panas. Setup microwave entah bagaimana harus disesuaikan untuk menangani perubahan kondisi mesin. Biasanya mesin akan mulai dengan penyumbatan semacam, yang berarti bahwa campuran bahan bakar awal jauh lebih kaya dibandingkan ketika mesin sudah menghangat. Anda mungkin dapat menghidupkan mesin dengan cara yang sama dengan yang digunakan dengan busi atau Anda mungkin tidak. Perilaku pengapian campuran dingin jauh lebih kaya menggunakan microwave akan diharapkan untuk menjadi sangat berbeda dari campuran ramping panas. Setidaknya, kondisi kerusakan akan sangat berbeda hanya dalam hal kepadatan gas dan suhu.
Percobaan lainnya
VUV / UV Ignition - Satu eksperimen sederhana yang mungkin bisa dilakukan adalah dengan menggunakan sumber Xenon busur dievakuasi dekat jendela safir pada ruang pembakaran untuk menghasilkan Ultraviolet Vacuum signifikan (VUV) radiasi dalam gas di dekat jendela sebagai sumber pengapian. Sebuah fluks VUV tinggi bercahaya dapat dicapai dengan memfokuskan radiasi dari busur deuterium melalui jendela MgFl2 kecil dengan reflektor elips. Sangat efisien VUV reflektor dapat dibuat, dan MgFl2 memiliki transmisi yang jauh lebih baik daripada VUV safir. Kekuatan rendah MgFl2 dapat ditoleransi dengan menggunakan jendela kecil. Kerugian dari jendela kecil akan menjadi sumber area kecil pengapian.
Satu masalah yang mungkin adalah bahwa panjang penyerapan radiasi mungkin cukup pendek untuk pendinginan dinding menjadi efek negatif yang penting. Radiasi ini akan mengionisasi oksigen (tapi tidak nitrogen) dekat jendela, bertindak sebagai sumber pengapian. Ada kemungkinan bahwa setelah semua oksigen lokal terionisasi radiasi bisa menembus lebih jauh, tapi ini tampaknya tidak mungkin karena meskipun nitrogen tidak photoionize, itu tidak menyerap VUV menjadi molekul bersemangat. Hidrokarbon akan menyerap dan mengionisasi juga, tetapi molekul berada dalam konsentrasi yang jauh lebih rendah dari oksigen atau nitrogen (untuk bensin). Semua energi ditambahkan ke campuran gas udara / bahan bakar harus menyalakan campuran.
Percobaan Modifikasi untuk Diagnosis Peningkatan Pembakaran
Modifikasi pertama kali diajukan adalah dengan menggunakan campuran Argon-Oksigen bukan asupan udara. Mengganti nitrogen di udara dengan argon seharusnya tidak secara signifikan mempengaruhi operasi mesin normal, tetapi akan menghilangkan nitrogen sebagai wastafel utama energi gelombang mikro dalam gas. Oksigen kemudian akan menjadi penerima utama eksitasi elektron microwave dipanaskan. Jika hasil percepatan api dari oksigen bersemangat, ini komposisi gas alternatif akan mengungkapkan efek yang sama bahkan jika tingkat daya diterapkan microwave di udara tidak. Penggunaan oksidator ini mungkin akan juga menyebabkan pemanasan ohmik kurang dan kurang daya diserap, mungkin mengarah ke penentuan apakah percepatan pembakaran diperoleh dua hasil dari kasus pemanasan ohmik atau kimia tambahan kinetika.
Modifikasi kedua adalah menambahkan jendela ke saluran microwave untuk dapat mendeteksi emisi optik dari silinder mesin yang dihasilkan dari eksitasi microwave. Karena begitu banyak energi yang ditambahkan ke gas akan ada hampir pasti menjadi peningkatan proses emisi radiasi sudah berlangsung dalam nyala serta penciptaan proses yang berbeda yang akan terdeteksi. Kegunaan diagnosis optik adalah bahwa deteksi radiasi panjang gelombang tertentu akan menyiratkan proses tertentu eksitasi molekul, dan pengetahuan tentang proses-proses eksitasi akan mengizinkan wawasan kaskade energi microwave dan kinetika dalam gas. Seperti pengetahuan mungkin penting dalam mengadaptasi microwave atau proses eksitasi lainnya untuk mencapai suatu modifikasi berguna performa mesin. Salah satu aspek dari radiasi mungkin juga penting - mungkin dalam inframerah, membutuhkan kedua detektor khusus dan jendela (versus mata dan kaca) untuk membuat kehadirannya jelas.
Persyaratan untuk Durasi Eksitasi Energi Lapangan
Hal ini penting untuk menentukan durasi minimal penerapan bidang energi yang akan menghasilkan peningkatan pembakaran yang diinginkan. Bidang energi panjang pulsa yang dibutuhkan mungkin menentukan total energi disimpan dalam proses, dan dapat menentukan apakah suatu bentuk tertentu dari eksitasi praktis. Total energi yang disimpan bersama dengan frekuensi yang diperlukan dari aplikasi akan menentukan efisiensi energi dari proses relatif terhadap pelepasan panas pembakaran, dan sebagian akan menentukan ekonomi perangkat tambahan. Kepraktisan ekonomi secara keseluruhan proses ditentukan dengan menyeimbangkan tabungan yang diperoleh dari desain ulang mesin secara keseluruhan yang dihasilkan dari operasi ditingkatkan dengan biaya perangkat yang menyediakan perbaikan ini.
Harus ditekankan bahwa panjang pulsa yang diperlukan untuk mencapai peningkatan pembakaran tergantung baik pada jenis perangkat tambahan yang diinginkan dan pada mekanisme perangkat tambahan.
Kasus tertentu dibahas di sini adalah bahwa mempercepat pembakaran pada kecepatan mesin idle. Percepatan ini mempersingkat waktu pembakaran total dan mencegah pembakaran tidak sempurna yang terjadi justru sebaliknya. Manfaat ini dapat beroperasi pada kondisi operasi yang lebih ramping daripada yang akan mungkin, karena pembakaran tidak sempurna dari jenis apa pun tidak diperbolehkan sebagai akibat dari peraturan polusi. Operasi lebih ramping menyebabkan peningkatan yang signifikan dalam efisiensi bahan bakar dengan mengizinkan konsumsi bahan bakar rendah selama menganggur. Getaran menganggur juga akan menurun, yang merupakan peningkatan (tetapi sulit untuk mengukur) penting dalam kualitas mobil secara keseluruhan dari sudut pandang konsumen.
Mempercepat pembakaran seluruh siklus pembakaran ramping yang paling mudah dilakukan dengan mempercepat fase awal pembakaran. Pembakaran tidak sempurna dalam satu siklus (juga dikenal sebagai luka bakar parsial) biasanya disebabkan oleh kernel api yang lemah awal [35-37], di mana kernel api awal membungkus volume kecil sebagai akibat dari arus internal yang bergerak sedemikian rupa bahwa perkembangannya dihambat. Ada tiga cara untuk meningkatkan laju perambatan api ini awal: 1) Kecepatan api lokal dapat ditingkatkan dengan tingkat kimia meningkatkan kinetik dalam api, 2) The kecepatan nyala dapat ditingkatkan dengan pemanasan ohmik di depan api, atau 3 ) api dapat diperluas dengan memanaskan gas yang sudah terbakar. Memperluas api dengan memanaskan gas terbakar menyebabkan peningkatan di daerah api dan peningkatan kompresi muatan yang tersisa, keduanya meningkatkan tingkat pembakaran selanjutnya.
Kasus sederhana yang akan dibahas adalah bahwa pemanasan gas terbakar. Pengukuran suhu elektron MacLatchy [9] menunjukkan bahwa pemanasan tambahan microwave terjadi dalam gas terbakar di belakang api. Hal ini konsisten dengan kemungkinan bahwa microwave peningkatan api disebabkan oleh pemanasan ohmik, seperti yang diklaim oleh Groff dan Krage [15]. Jika pemanasan ohmik adalah penyebab utama dari kenaikan api kecepatan, waktu deposisi listrik tidak penting, melainkan hanya penting berapa banyak energi total disimpan dan apa hasil peningkatan total temperatur dari pemanasan. Kalau saja energi yang diserap dalam gas penting adalah mungkin bahwa berbagai proses transfer energi yang berbeda dapat diakses dengan menggunakan panjang pulsa yang berbeda, dan dengan memilih panjang pulsa optimal proses deposisi energi yang lebih efisien akan tercapai. Dalam konteks lain, panjang gelombang pendek mungkin lebih disukai sebagai akibat dari jenis peralatan yang digunakan - jenis peralatan akan sesuai untuk pemanasan ohmik tetapi tidak peningkatan laju reaksi.
Kasus kedua yang harus dipertimbangkan adalah api percepatan melalui tingkat kimia artifisial ditingkatkan reaksi. Percepatan api harus terjadi sebelum turbulensi mengontrol kecepatan api global, yang sangat segera setelah pengapian. Peningkatan pembakaran juga mensyaratkan bahwa efek peningkatan dipertahankan cukup lama untuk mendapatkan peningkatan yang signifikan di daerah api sebagai menyebarkan api. Tujuannya adalah untuk mencapai peningkatan relatif di daerah api dibandingkan dengan daerah api yang akan terjadi pada saat yang sama dalam siklus yang terjadi tanpa peningkatan. Hal ini menunjukkan bahwa peningkatan durasi akan tergantung pada ukuran kernel api pada saat peningkatan awal, peningkatan kecepatan api, dan api kecepatan aslinya. Peningkatan relatif terbesar di daerah api terjadi pada saat awal dalam siklus, hanya karena kecepatan api konstan dan daerah api meningkat sekitar dengan kuadrat dari radius kernel api. Percepatan api selama sekitar 5 derajat sudut engkol (deg-CA) mesin mungkin diperlukan untuk mempercepat pembakaran dalam siklus keseluruhan. Pada 600 rpm setiap sudut engkol berlangsung selama sekitar 1 ms, menyiratkan kebutuhan untuk panjang pulsa sekitar 5 ms. Peningkatan kecepatan nyala 100% disebabkan oleh laju reaksi ditingkatkan mungkin adalah terbaik yang dapat diharapkan, tetapi pemanasan simultan dari gas terbakar di belakang api akan mengurangi waktu yang diperlukan perangkat tambahan jika kedua efek dari besarnya sebanding. Gas ekspansi Burnt ditambah dengan intensifikasi api mungkin bisa memajukan propagasi api oleh 5 deg-CA dalam mungkin hanya sebagian kecil dari deg-CA. Dalam hal apapun energi yang diterapkan harus diminimalkan untuk membuat proses keseluruhan penuh semangat layak.
Kasus terakhir dari peningkatan kecepatan api melalui pemanasan ohmik lokal di depan api yang sederhana akan menambah efek peningkatan kimia dan mematuhi persyaratan durasi yang sama karena merupakan efek lokal.
