Водневий двигун

МОЖЛИВОСТІ ВИКОРИСТАННЯ ВОДНЮ В ЯКОСТІ ПАЛИВА

14.09.2015

МОЖЛИВОСТІ ВИКОРИСТАННЯ ВОДНЮ В ЯКОСТІ ПАЛИВА

ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ

СВ. Новоселів

Інтерес вчених в області двигунобудування завжди привертали своєрідні фізико-хімічні властивості водню, головним достоїнством яких для ДВЗ є екологічна чистота робочого процесу. Відомий науково-технічний досвід використання водню в якості палива для ДВЗ показує, що водень сумісний з існуючої базової конструкцією поршневого ДВЗ. При цьому водень кардинально покращує екологічну експлуатаційну характеристику і має широку сировинну базу. Організація робочого процесу двигуна, що працює на водні, або з його добавкою до інших палив має особливості і вимагає розробки нових способів паливоподачі.

Застосування водню в якості палива для ДВЗ розглядається багатьма авторами як досить вагома альтернатива моторних палив нафтового походження. Причиною цього є все більш очевидна зростаюча екологічна, соціально-економічна і технічна значущість проблем використання традиційних моторних палив. Внаслідок спалювання палив нафтового походження, природного газу, вугілля, все більше і більше забруднюється атмосфера міст і планети в цілому.

Спроби використання водню в якості палива для двигунів внутрішнього згоряння відомі досить давно. Так, наприклад, у двадцяті роки досліджували варіант використання водню як добавки до основного палива для двигунів внутрішнього згоряння дирижаблів, що давало можливість збільшити дальність їх польоту.

Використання водню в якості палива для ДВЗ являє собою комплексну проблему, яка включає велике коло питань:

— можливість перекладу на водень сучасних двигунів;

— вивчення робочого процесу двигунів при роботі на водні;

-визначення оптимальних способів регулювання робочого процесу забезпечують мінімальну токсичність і максимальну паливну економічність;

-розробку системи паливоподачі забезпечує організацію ефективного робочого процесу в циліндрах ДВЗ;

— розробку ефективних способів зберігання водню на борту транспорту;

— забезпечення екологічної ефективності застосування водню для ДВЗ;

-забезпечення можливості заправки та акумулювання водню для двигунів.

Рішення цих питань має варіантний рівень, однак, загальний стан досліджень з цієї проблеми можна розглядати, як реальну базу для практичного застосування водню. Підтвердженням цьому є практичні випробування, дослідження варіантних двигунів, що працюють на водні. Так, наприклад, фірма » Mazda » робить ставку на водневий роторно-поршневий двигун.

Дослідження в цій області відрізняються широким спектром варіантів використання водню для двигунів зовнішнього і внутрішнього сумішоутворення, при використанні водню в якості присадки, частково замінюючи паливо воднем, і роботу двигуна тільки на водні.

Великий перелік досліджень визначає необхідність їх систематизації та критичного аналізу.

Використання водню відомо в двигунах, що працюють на традиційних паливах нафтового походження, а також у поєднанні з альтернативними паливами. Так, наприклад, зі спиртами (етиловий, метиловий) або з природним газом. Можливе використання водню в поєднанні з синтетичними паливами, мазутами та іншими паливами.

Таким чином, методичне розгляд питання використання водню для ДВС включає на першому етапі оцінку кількісного співвідношення водню подається до інших видів палива і оцінку утворюється робочого процесу. Відомі дослідження переважно розвивалися таким чином, що водень використовувався як присадка; їм частково заміщали традиційне паливо, застосовували як основне паливо і використовували як одиничне паливо для ДВЗ.

Дослідження цієї області відомі як для бензинових двигунів, так і для дизелів, а також для інших типів двигунів. Деякі автори робіт цієї тематики вважають, що водень є неминучістю і необхідно краще підготуватися до зустрічі з цією неминучістю.

Відмінною особливістю водню є його високі енергетичні показники, унікальні кінетичні характеристики, екологічна чистота і практично необмежена сировинна база. За масової енергоємності водень перевершує традиційні вуглеводневі палива в 2,5-3 рази, спирти — в 5-6 разів, аміак — в 7 разів.

Якісне вплив на робочий процес ДВЗ водню визначається, насамперед, його властивості. Він володіє більш високою дифузійною здатністю, більшою швидкістю згорання, широкими межами займання. Енергія займання водню на порядок менше, ніж у вуглеводневих палив. Реальний робочий цикл визначає більш високий ступінь досконалості робочого процесу ДВЗ, кращі показники економічності та токсичності.

Воднево-повітряна суміш стійко запалюється в широкому діапазоні концентрацій від α=0,2 до α=10. Це забезпечує можливість роботи в широкому діапазоні швидкісних режимів при регулюванні потужності якісними і кількісними способами.

Щоб пристосувати існуючі конструкції поршневих ДВЗ, бензинових і дизелів до роботи на водні, як основному паливі, необхідні певні зміни, в першу чергу — конструкції топливоподающей системи. Відомо, що застосування зовнішнього сумішоутворення призводить до зменшення наповнення двигуна свіжим окислювачем, а значить і зниження потужності до 40%, з-за низької щільності і високої летючості водню. При використанні внутрішнього сумішоутворення картина змінюється, енергоємність заряду водневого дизеля може зростати до 12%, або може бути забезпечена на рівні, відповідному роботі дизеля на традиційному вуглеводневому дизельному паливі. Особливості організації робочого процесу водневого двигуна

визначаються властивостями воднево-повітряної суміші, а саме: межами займання, температурою та енергією займання, швидкістю поширення фронту полум’я, відстанню гасіння полум’я.

Практично у всіх відомих дослідженнях робочого процесу водневого двигуна відзначається трудноконтролируемое займання воднево-повітряної суміші. Вплив на передчасне займання шляхом подачі води у впускний трубопровід або шляхом уприскування «холодного» водню досліджені і дають позитивні результати.

Залишкові гази і гарячі точки камери згоряння інтенсифікують передчасне займання воднево-повітряної суміші. Ця обставина вимагає додаткових заходів щодо запобігання неконтрольованого займання. У той же час, низька енергія запалення в широких межах коефіцієнта надлишку повітря дозволяє використовувати існуючі системи запалювання при перекладі двигунів на водень.

Самозаймання воднево-повітряної суміші в циліндрі двигуна при ступені стиснення, відповідної дизелів, не відбувається. Для самозаймання суміші необхідно забезпечити температуру кінця стиснення не менше 1023К. Можливо, займання повітряної суміші від запального порції вуглеводневого палива, за рахунок збільшення температури кінця стиснення застосуванням наддуву або підігрівом на впуску повітряного заряду.

Водень як паливо для дизелів характеризується великою швидкістю поширення фронту полум’я. Ця швидкість може перевищувати 200 м/с і викликати виникнення хвилі тиску, що переміщається в камері згоряння зі швидкістю понад 600 м/с. Висока швидкість згоряння воднево-повітряних сумішей, з одного боку, повинна надавати позитивний вплив на підвищення ефективності робочого процесу, з іншого боку, цим зумовлюються високі значення максимального тиску і температури циклу, більш висока жорсткість робочого процесу водневого двигуна. Підвищення максимального тиску циклу спричиняє зниження моторесурсу двигуна, а підвищення максимальної температури призводить до інтенсивного утворення оксидів азоту. Можливе зниження максимального тиску за рахунок дефорсирования двигуна або спалювання водню по мірі його подачі в циліндр на такті робочого ходу. Зниження эмисси оксидів азоту до незначного рівня можливо шляхом збіднення робочої суміші або шляхом використання води, яка подається у впускний трубопровід. Так, при а>1,8 емісія оксидів азоту практично відсутня. При подачі води по масі в 8 разів більше, ніж водню, емісія оксидів азоту знижується на 8… 10 разів.

В дизелях, які працюють завжди при надлишку повітря в суміші, вміст у продуктах згоряння окису вуглецю і вуглеводнів незначно, нижче порівняно з бензиновими двигунами, а рівень вмісту оксидів азоту порівняно близький. Дизелі викидають значну кількість сажі, що є адсорбентом для поліциклічних ароматичних вуглеводнів, частина яких володіє канцерогенними властивостями.

Формування робочої суміші водневого дизеля має забезпечувати гомогенність воднево-повітряної пального тіла. Цього можна досягти за рахунок оптимізації форми камери згоряння і динаміки розвитку струмені водню, що подається в циліндр, з урахуванням руху свіжого заряду повітря в циліндрі.

Відомі роботи, в яких водень подається поетапно, на початку і в кінці такту стиснення. Можлива подача водню частково на впуск, частково в циліндр на такті стиску. Ці роботи передбачають заходи щодо запобігання передчасного займання. Мощностно-економічні та екологічні показники таких двигунів мають переваги перед базовими двигунами. При цьому найкращі показники паливної економічності відповідають роботам, в яких мали місце заходи забезпечують гомогенність воднево-повітряної суміші.

Експериментальні дослідження з використання водню в якості палива для поршневого ДВЗ стверджують, що існує проблема детонаційного згоряння. При цьому автори дають різні межі детонаційної стійкості воднево-повітряної суміші, внаслідок різної її оцінки. Так, оцінка за стук у двигуні дає результати майже в два рази відрізняються від оцінки по амплітуді високочастотних коливань на лінії згоряння індикаторної діаграми.

Окремі дослідження показують, що зникнення стуку спостерігається при ступені стиснення 8, однак при цьому коливання на лінії згоряння є. Це означає, що впливає тепловий стан двигуна, температура циклу в сукупності з якістю сумішоутворення. Можливе використання антидетонаційних властивостей води для виключення детонації водневого двигуна.

Дослідження робочого процесу дизеля при подачі водню у систему впуску досить обширні і глибокі.

При використанні водню для двигунів зовнішнього сумішоутворення індикаторні та ефективні показники погіршуються. Чим більше відсоток добавки водню, тим нижче індикаторний ККД і вище температура випускних газів. Добавка водню вище 30% від сумарного підведеного тепла при α=1,35 викликає детонаційно-подібне згоряння, що супроводжується появою стукотів і різким падінням потужності двигуна. Крім того, збільшується об’ємний вміст водню у випускних газах збільшується кількість оксидів азоту, кількість окису вуглецю і вуглеводнів знижуються.

Подача 5% по масі пароводородной суміші на впуск дизеля дозволяє покращити параметри робочого процесу і знизити димність відпрацьованих газів на 30%, а вміст оксидів азоту в 2.4 рази. Великі добавки пароводородной суміші призводять до зростання максимального тиску циклу і швидкості наростання тиску, тобто знижується надійність дизеля.

Подача водню на такті стиску дизеля уприскуванням, на думку автора цієї роботи, активізує процес згоряння і найбільша ефективність показників спостерігається на режимах повного навантаження.

Варіантне тиск упорскування водню в камеру згоряння впливає на параметри робочого процесу водневого двигуна, оскільки змінюється гомогенність робочої суміші.

Отже, особливості робочого процесу водневого двигуна включають: жорсткість згоряння, детонація, неконтрольоване займання, емісія оксидів азоту, формування воднево-повітряної суміші, особливості системи паливоподачі і регулювання потужності. Одночасно відомі дослідження пропонують заходи, що забезпечують нормальну роботу двигуна на водні.

Великий обсяг досліджень можливості застосування водню в якості палива для ДВЗ обумовлює необхідність методичного систематизованого аналізу в залежності від поставленої технічної мети, її граничних умов.

Так, якщо метою є використання водню в якості основного палива без втрати потужності базового двигуна, то систематизація показує доцільність внутрішнього сумішоутворення при займання горючої суміші від запального порції вуглеводневого палива. Дослідження цього напрямку показують поліпшення екологічних і економічних показників дизеля.

Індикаторний витрата палива, у цьому варіанті, знижується на 0,25 МДж/( i кВт год) при 50%-му заміщення дизельного палива воднем. Коефіцієнт надлишку повітря зростає з 1,5 до 1,7, тобто на часткових навантаженнях суміш збіднюється на 12%, а на номінальному режимі на 15%. Це дозволяє зберегти рівень оксидів азоту у відпрацьованих газах і в два і більше рази знизити вміст сажі на випуску. В залежності від навантаження для забезпечення нормальної роботи двигуна без стуку доцільно на впуск подавати воду в співвідношенні 1:1 до подається водню, особливо на режимах повного навантаження і близьким до неї.

Пропоновані варіанти передбачають формування воднево-повітряної суміші на такті стиску в період після закриття клапанів до подачі дизельного палива. Газоподібний водень, що подається в циліндр клапан-форсункою. поступає через отвір, що направляє його під кутом 20..25° до тангенціального напрямку обертання заряду, посилює вихровий рух заряду і сприяє гомогенізації воднево-повітряної суміші. Якщо вершина струмені водню досягає протилежної стінки камери згоряння, а енергія вихрового руху заряду достатня, щоб розподілити водень по колу, то можна вважати, що воднево-повітряна суміш гомофазная. Частина водню подається в зону струменя вуглеводневого палива, забезпечуючи ефект гальмування процесу сажоутворення .

Такий спосіб запобігає зворотні спалахи у впускний колектор, дозволяє забезпечити стійкий робочий процес в діапазоні навантажень. Однак з метою забезпечення більш м’якого робочого процесу можливе розгляд варіанту подачі водню або воднево-повітряної суміші в період згоряння. Це може бути досягнуто конструктивними змінами впускного і водневого трактів, спрямованими на забезпечення формування воднево-повітряної суміші у фор — або предкамере, що залежить від частки водню в суміші. Геометричний характер сполучення з камерою згоряння повинен мати цільову спрямованість на організацію ефективного робочого процесу, його регулювання в заданих граничних умовах.

Варіативні способи використання водню в якості палива для ДВЗ можуть бути методично систематизовані для проектно-конструкторських робіт в залежності від технічних умов планової конструкції водневого двигуна.

Одним з таких умов є створення двигунів, що працюють на водні та його сумішах з вуглеводнями при збереженні потужностних і економічних показників.

Процес конвертації дизеля на водень можна умовно розділити на два основних, послідовно виконуваних етапу.

Перший включає акумулювання водню в балонах, пріоритетне використання внутрішнього сумішоутворення і створення топливоподающей апаратури з подачею водню на такті стиску при тиску близько 10 МПа. Займання горючої суміші від запального порції вуглеводневого палива, вивчення процесів сумішоутворення та управління ними; вивчення термодинамічних особливостей криогенного водню як моторного палива.

Другий включає створення кріогенної системи зберігання водню, розробка адекватної системи управління всіма процесами, пов’язаними з використанням водню на транспорті; організація робочого процесу при роботі на чистому водні із примусовим запалюванням від свічки; дослідження можливості подачі водню в циліндр варіантними способами.

Відмінною особливістю концептуального прогнозування процесу дослідження можливостей використання водню для ДВЗ є багатогранність наукових досліджень, що включають поєднання водневим двигуном способів зовнішнього та внутрішнього регулювання потужності.

Методичний аналіз порівняння можливих способів міг би ґрунтуватися на пріоритетній послідовності розв’язуваних завдань. Так, наприклад, забезпечення екологічної чистоти двигуна, збереження базової чистоти ДВС, збереження рівня мощностно-економічних показників та надійності базового двигуна.

Оцінка можливих варіантів умовного водневого двигуна, виконана методом морфологічного ящика, поширеним в області науково-технічної творчості, налічує кілька десятків тисяч конструктивних рішень.

Методичний підхід до порівняльної систематизації можливостей водню як моторного палива для ДВЗ являє собою цільову спрямованість досліджень в заданих граничних умовах.

ЛІТЕРАТУРА

1. Батурин С. А. Фізичні основи і математичне моделювання процесів результуючого сажевыделения і теплового випромінювання в дизелях: Дис. докт. техн. наук.- Л. 1982.- 435 с.

2. Варшавський М. Л. Мале Р. В. Як знешкодити відпрацьовані гази автомобіля.- М. Транспорт, 1968.-127 с: іл.

3. Магидович К. Е. Румянцев Ст. Ст. Шабанов А. Ю. особливості тепловиділення і робочого процесу дизеля, що працює з добавками водню: Двигунобудування.-1983.- №9.- с. 7-9.

4. Матиевский Д. Д. Дослідження тепловиділення і показників роботи тракторного дизеля Год 13/14 з полуразделенной камерою згорання: Дис. к. т. н. — Барнаул, 1971.- 287 с.

5. А. С. 1455008 /СРСР/ Двигун внутрішнього згоряння / АлтПИ їм. І. в. Ползунова: авт. винахід С. В. Новоселів, А. Л. Новоселів, В. А. Синіцин, М. Е. Брякотин .- заявл. 23.03.87, № 4258070/25-06, опубл. Б. В. № 4, 1989 р.

Короткий опис статті: водневий двигун

Джерело: МОЖЛИВОСТІ ВИКОРИСТАННЯ ВОДНЮ В ЯКОСТІ ПАЛИВА

Також ви можете прочитати