Особенности применения водорода в ДВС при различных способах формирования топливовоздушных смесей

На сегодняшний день в мире эксплуатируется более 700 миллионов автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), которые потребляют около 80% всех производимых нефтепродуктов. Дефицит нефти уже сегодня составляет около 4 миллионов баррелей в день, а к 2025 году, в связи с дальнейшим истощением запасов нефти, прогнозируется его увеличение до 20 миллионов баррелей в день. В свете этого, топливная экономичность в ДВС постепенно выдвигается на передний план, становясь одной из наиболее приоритетных задач современного двигателестроения [1].

Одним из возможных способов повышения экономичности ДВС является применение альтернативных топлив и/или добавок, активизирующих процесс сгорания, к традиционному топливу. Многие специалисты сходятся во мнении, что применение водорода в качестве топлива или добавки к нему имеет большие перспективы [2, 3, 4]. В подтверждение утверждения о перспективности водорода можно констатировать тот факт, что многие передовые экономически развитые страны, такие как США, Германия, Япония, проводят активные технические разработки в области водородных технологий. Следует также отметить,

Другая причина интереса, проявляемого к альтернативным топливам – возможность значительного улучшения экологичности автомобильного транспорта, который стал основным источником загрязнения воздуха во многих крупных городах мира. В промышленно развитых странах проблема решается путем последовательного введения и ужесточения законодательных ограничений на эмиссию токсичных компонентов (СО, TНC, NMHC и NOx) и парникового газа (СО2). В связи с этим, ведущие автомобилестроительные фирмы интенсивно проводят работы не только по усовершенствованию ДВС и систем очистки отработанных газов от токсичных компонентов, но и по переводу автомобилей на экологически чистые виды топлива.

Таким образом, ограниченные ресурсы углеводородного топлива и ужесточающиеся требования к экологичности автомобильного транспорта приводят к необходимости поиска альтернативных способов получения и эффективного применения, в частности в ДВС, иных видов топлива.

На сегодняшний день наибольшее распространения получили ДВС 2-х типов: двигатели с принудительным воспламенением и двигатели с воспламенением от сжатия (дизельные). Приблизительное отношение первого типа ДВС ко второму в России составляет около 40/60 [4]. Одной из отличительных особенностей этих ДВС является различные способы смесеобразования, в первом случае гомогенный, во втором – гетерогенный способы формирования топливовоздушной смеси (ТВС). Известно, что влияние активизирующих процесс сгорания добавок в ТВС значительно зависит от способа формирования смеси [5]. Соответственно целью работы являлось определение особенностей влияния добавок водорода в ДВС при различных способах формирования ТВС.

Для достижения цели решались следующие задачи:

• -    получение и обработка результатов исследования влияния добавок водорода на экономические и экологические показатели ДВС;

• -    установление зависимостей и закономерностей влияния добавок водорода на экономические и экологические показатели ДВС при разных способах смесеобразования.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве объектов исследования были взяты два двигателя производства ОАО «КамАЗ», реализующие разные способы формирования ТВС и работающие на газовом и на дизельном топливе.

В первом случае объектом исследования являлся поршневой, четырехтактный двигатель с искровым зажиганием и электронной системой управления КАМАЗ – 820.52-260 (КАМАЗ – 820.53260), рабочим объемом Vh = 11,76 л., степенью сжатия e = 12, номинальной мощностью Ne = 260 кВт при частоте вращения коленчатого вала n = 2200 мин ^-1, предназначенный для работы на сжатом природном газе.

Во втором случае, являлся поршневой, четырёхтактный дизельный двигатель КАМАЗ 740.62 – 280, рабочим объемом Vh = 11,76 л., степенью сжатия e =16,5 и номинальной мощностью Ne = 280 кВт при частоте вращения коленчатого вала n = 1900 мин^-1.

В обоих случаях моторный стенд дополнительно оснащался типовой системой подачи водорода в ТВС. Принципиальная схема подачи водорода представлена на рис. 1.

Эффективность применения водорода оценивалась путем сравнения регулировочных, нагрузочных и др. характеристик, полученных как с добавкой водорода, так и без нее.

Характеристики ДВС на исследуемых режимах определялись в следующей последовательности. Производился пуск двигателя при температуре, влажности и давлении окружающей среды, характерной для моторного бокса. Затем осуществлялся прогрев до рабочей температуры двигателя. Далее устанавливался исследуемый режим работы двигателя, и снималась исходная (базовая) характеристика. Затем во впускной коллектор двигателя подавался водород в необходимом количестве. После начала подачи водорода проводилась коррекция режима работы двигателя, и, по достижению установившегося режима, проводились соответствующие измерения.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

Результаты испытаний газового двигателя представлены на рис. 2 – 4.

На рис. 2 приведены графики изменения расхода природного газа G _г, воздуха G _в и отработавших газов G _ог от коэффициента избытка воздуха a (УОЗ = 0) при работе двигателя на холостом ходу. Можно видеть, что с увеличением добавок водорода происходит значительное снижение указанных величин. Это объясняется тем, что водород интенсифицирует процесс сгорания, что и приводит к снижению массы потребного свежего заряда (горючей смеси), энергетически необходимого для поддержания заданного режима работы двигателя.

Как можно видеть из графиков рис. 3, добавка водорода в количестве Н = 0,26 и Н = 0,44 кг/ч при работе ДВС на данном режиме так же приводит к снижению расходов природного газа, воздуха и отработавших газов. В частности, снижение

Рис 1. Схема системы подачи водорода:

Н – баллон с водородом, М1-М2 – манометры, Р1-Р2 – редукторы, БФ – блок форсунок, РЕ – расходная емкость, БУФ – блок управления форсунками, АКБ – аккумуляторная батарея

Рис. 2. Регулировочная характеристика по составу смеси (n = 800 мин^-1, Р_е = 0, УОЗ = 0)

Рис. 3. Регулировочная характеристика по составу смеси ( n = 1500 мин^-1, Р _е = 1,46 кг/см², УОЗ = 15 гр.п.к.в.)

расхода природного газа при a = 1,4 и добавке водорода Н = 0,26 кг/ч (3% от массового расхода природного газа) составило 11%, при добавке Н = 0,44 кг/ч (5% от массового расхода природного газа) – 16%.

Дальнейший анализ результатов испытаний показал, что наибольшее влияние водород оказывает при добавках 3 – 6% от массового расхода топлива, что связано с активизацией его химического действия на процесс горения углеводородного топлива. С увеличением добавок этот эффект снижается и действие водорода сводится к простому замещению основного топлива [6].

Результаты испытаний дизельного двигателя представлены на рис. 5 и 6.

На рис. 5 представлены графики изменения количества теплоты ( Q , МДж/с) подведенной к двигателю, как в случае использования добавки водорода, так и без нее. Из рисунков можно видеть, что общее количество теплоты подведенного к двигателю на идентичных режимах его работы во всех случаях практически одинаково. Расход дизельного топлива Gт при этом уменьшается пропорционально количеству водорода добавляемого в двигатель. Для иллюстрации этого на рис. 6 представлено характерное из-

Рис. 4. Изменение эффективного КПД при добавках водорода

(n = 1500мин-1, Ре = 1,46 кг/см2, УОЗ = 15 гр.п.к.в.)

Рис. 5. Нагрузочная характеристика двигателя (n =1450 мин^-1)

менение расхода топлива и общего количества теплоты подведенной к двигателю в зависимости от процента добавки водорода. Некоторое увеличение величины Q обусловлено погрешностями измерений.

ОБСУЖДЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Первичный анализ результатов экспериментов позволил установить, что расход дизельного топлива подчиняется следующей зависимости:

Рис. 6. Изменение Gт и Q в зависимости от процента добавки водорода (Ne = 42 л.с., n = 1180 мин^-1)

G m = G m - Gh ( HUH,HU m ) ,    (1)

где G^Н_т – расход дизельного топлива при добавке водорода, кг/ч;

Gт – расход дизельного топлива без добавки водорода, кг/ч;

Gн – расход водорода, кг/ч;

Hu_Н, Hu_т – низшие теплотворные способности водорода и дизельного топлива соответственно.

Представленная зависимость позволяет оценить расход топлива при использовании добавки водорода для дизельного двигателя с погрешностью 5 %.

В ходе дальнейшего анализа экспериментальных данных было установлено, что формула (1) не отражает результаты экспериментов для газового двигателя. На рис. 7-8 представлены результаты расчета подведенного количества теплоты к ДВС работающего на ПГ с добавкой водорода.

Как можно заметить, количество теплоты, подведенное со смесью газового топлива и водорода, по значению отличается от такового для чистого газового топлива, что позволяет предположить наличие эффекта более полного использования подведенной теплоты, что в свою очередь позволяет говорить о наличии активации горения, или промотировании.

Для обозначения этого эффекта была введена переменная:

Qcм k = -—;             (2)

QТ

где Qсм – количество теплоты, подведенное в двигатель со смесью топлив;

Qт – количество теплоты, подведенное в двигатель вместе с основным топливом при отсутствии добавок водорода.

Тогда формула (1) будет выглядеть:

k • Q m = G m HU m + G m^m , (3) и, после некоторых преобразований, примет свой окончательный вид:

G „H = k • Gt - G m ( HUh/Hu^ ) . (4)

Также, теплота, подведенная в двигатель со смесью топлив, может быть представлена через расход смеси топлив и ее удельную массовую теплоемкость:

Qcm = Gcm • Hu„ , (5)

где G_см – расход смеси топлив, определяется как сумма расходов каждого компонента

Hu_см – удельная массовая теплотворная способность смеси топлив, вычисляемая как:

Ни см = m • Hu T + (1 - m ) • Hu_H ,   (6)

где m – массовая доля топлива в смеси, опре- делятся как:

_GH m = —T—

GCМ

^G T^H

’H +(

;

Тогда

Qcm = ( G H + G ) • ( m • Hu T + (1 - m ) • Hu m ) ; (8)

После проведения преобразований, уравнение приобретает вид:

^G T ^H

m • Qcm m • HuHr + (1 - m) • Hum ;

Рис. 7. Количество теплоты, подведенной с метановодородной смесью для режима холостого хода

Рис. 8. Количество теплоты, подведенной с метановодородной смесью для режима n = 1500 мин^-1, Р _е = 1,46 кг/см², УОЗ = 15 гр.п.к.в

или н _ п 1        m" Нт

G TT — G ■ k ■       _н                 ^; (¹⁰)

m ■ Hu H + (1 - m ) ■ Hu_H

Предварительный анализ значений переменной k показал, что переменная имеет сложную функциональную зависимость от большого количества факторов, таких как расход водорода, состав смеси и режима работы двигателя, и целесообразнее представить ее в форме эмпирической величины.

В целом по результатам работы можно сформулировать следующие выводы:

• -    получены и обработаны результаты исследования влияния добавок водородосодержащих

газов на экономические показатели ДВС при разных способах смесеобразования;

• -    установлена зависимость влияния добавок водородосодержащих газов на экономические показатели ДВС при разных способах смесеобразования:

• -    выявлена функциональная зависимость влияния добавок водорода от расхода водорода на экономические показатели двигателя:

^G m ^— kG - ^gh( Hu H Hu T ) ^;

• -    установленная закономерность позволяет учитывать способ формирования ТВС и эффективность применения водорода за счет присутствия в ней коэффициента k;

  • -    установлено, что коэффициент k имеет 2. сложную функциональную зависимость и изменяется в диапазоне от 0,8 до 1, в частности: для двигателей с гетерогенным смесеобразованием (дизельные двигатели) k = 1; для двигателей с ₃ гомогенным смесеобразованием (работающие   ^.

  на газовом топливе двигатели) k = 0,8…0,97 на исследованных диапазонах режимов и добавок;

  • -    экспериментально установлено, что наи- 4. больший эффект добавка водорода оказывает на двигатели с гомогенным способом формирования ТВС.

    Бортников Л.Н. Особенности горения бензоводородовоздушной смеси в цилиндре поршневого двигателя внутреннего сгорания и определение оптимального соотношения бензин водород // Физика горения и взрыва. 2007. Т.43. № 4. С. 8-15. Бортников Л.Н., Русаков М.М., Петров Р.Э. Активация горения углеводородных топлив водородом // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2012. № 4(22). С. 137-141.

    Бортников Л.Н., Русаков М.М. Оценка экономических и экологических показателей поршневых ДВС с искровым зажиганием при их работе на смеси «бензин-водород» // Автомобильная промышленность. 2008. № 3. С. 11-13.

    Ясников И.С. Ивашин П.В., Шайкин А.П. К вопросу о турбулентном распространении пламени в замкнутом объеме // Журнал технической физики. 2013. Т.83. № 11. С. 39-43.

    Использование водорода как активатора горения для улучшения показателей ДВС с искровым зажиганием на режимах пуска и прогрева / Л.Н. Борт-ников, Д.А. Павлов, М.М. Русаков, В.В. Смоленский // Естественные и технические науки. 2013. № 1 (63). С. 341-345.

  СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Исследование динамики изменения выбросов вредных веществ от автомобильного транспорта 6. в г. Москва с 2002 по 2030 годы / В.К. Азаров, А.В.

  Васильев, В.Ф. Кутенёв, В.В. Степанов // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. 2015. Т. 1. № 4 (26). С. 5-11.