Применение водорода в двигателях внутреннего сгорания

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Предложено техническое решение, способствующее снижению расхода основного углеводородного топлива, улучшению технико-экономических и экологических показателей двигателей внутреннего сгорания воздействием на процесс сгорания топливовоздушной смеси минимальной эффективной массовой долей добавки водорода в топливовоздушную смесь. Высокая скорость сгорания водородовоздушной смеси оказывает положительное влияние на повышение эффективности рабочего процесса. Воспламенение водорода происходит при достаточно широких пределах концентрации в воздухе. Пределы воспламенения: для водорода α = 0,15-10; для бензина α = 0,27-1,7; для метана α = 0,65-2,0. Низкий предел воспламенения делает возможной работу двигателя на различных режимах с широким изменением состава смеси. Вопросы, связанные с аккумулированием водорода на борту автомобиля, его хранением, взрывобезопасностью и многие другие, существенно тормозят развитие серийного производства автомобилей, работающих на водородном топливе. В связи с чем в качестве реальной альтернативы предложен метод применения малых добавок водорода в топливовоздушную смесь. Описанное техническое решение позволяет вырабатывать на борту автомобиля водород и без аккумулирования использовать его как добавку к основному топливу в двигателях внутреннего сгорания. Техническим результатом является снижение расхода углеводородного топлива (нефтяного происхождения) и повышение экологичности автомобиля вследствие снижения выброса вредных веществ в отработавших газах.

Полный текст

Введение [‡] Вопросы ресурсосбережения топлив нефтяного происхождения и снижения вредных выбросов в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания (ДВС) актуальны и рассматривать их необходимо комплексно. Использование в ДВС экологически чистых топлив позволяет решать данные задачи. Одним из таких топлив является водород, имеющий неограниченную сырьевую базу. Общеизвестно, что коэффициент полезного действия двигателей внутреннего сгорания (особенно с искровым зажиганием) составляет около 30 %, а в городском режиме эксплуатации еще меньше. Использование водорода в качестве добавки к основному топливу позволяет снизить расход основного топлива и токсичность выпускных газов за счет работы на более бедных смесях при качественном регулировании мощности. Результаты исследований влияния водородовоздушной смеси на показатели СО, СН в выхлопных газах дизельного двигателя (рис. 1) [1] свидетельствуют о том, что содержание СО в отработавших газах двигателя, работающего на дизельном топливе с добавками водорода, снижается (рис. 1, а) и практически позволяют исключить эмиссию СH с отработавшими газами (рис. 1, б). Добавка H2 Рис. 1. Характеристики токсичности отработавших газов дизеля [1]: - работа на штатном топливе; - работа на топливе с микродобавкой H2 Figure 1. Diesel exhaust toxicity characteristics [1]: - work on piece fuel; - work on fuel with microadditive H2 Высокая скорость сгорания водородовоздушной смеси и высокая скорость нарастания давления в цилиндрах двигателя способствуют повышению индикаторного КПД двигателя. 1. Влияние водорода на процесс сгорания основного топлива Особенности рабочего процесса ДВС, использующих водород, определяются свойствами водородовоздушной смеси - пределами воспламенения и распространения фронта пламени, температурой и энергией воспламенения - все эти свойства у водорода лучше, чем у углеводородных топлив (см. таблицу) [2-4]. Имея скорость пламени, которая практически на порядок выше, чем у углеводородов, водород, действуя как своего рода катализатор «предварительного зажигания», воспламеняет рабочую смесь, обеспечивая полноту сгорания за короткое время, большее давление и тепловую энергию, что способствует увеличению крутящего момента [5-7]. При более полном сгорания топлива уменьшаются выбросы вредных веществ в отработавших газах. Нижний предел воспламенения водорода в несколько раз выше, чем у нефтяных топлив, что позволяет получить высокую экономичность по сравнению с ДВС, работающими на топливе нефтяного происхождения. Удельный расход топлива определяем следующим образом: где Gб, GH2 - расход бензина и водорода соответственно, г/ч; QнH2, Qнб - низшие теплоты сгорания водорода и бензина соответственно; Ne - эффективная мощность двигателя [8]. Таблица Основные свойства бензина и водорода Характеристики Бензин Водород Плотность топлива, кг/м3 750 0,0899 Минимальная энергия воспламенения, МДж 0,24 0,02 Низшая теплотворная способность, МДж/кг 44 120 Стехиометрическое количество воздуха на 1 кг топлива, кг/кг 14,9 34,3 Максимальная ламинарная скорость сгорания, м/с 0,30 2,75 Коэффициент диффузии, см2/с 0,06 0,63 Концентрационный предел распространения пламени, α αmax - 0,40; αmin - 1,3 αmax - 0,22; αmin - 4,0 Table The main properties of gasoline and hydrogen Characteristics Gasoline Hydrogen Density of fuel, kg/m3 750 0,0899 Minimum ignition energy, MJ 0,24 0,02 Lower calorific value, MJ/kg 44 120 Stoichiometric amount of air per 1 kg of fuel, kg/kg 14,9 34,3 Maximum laminar combustion rate, m/s 0,30 2,75 Diffusion coefficient, cm2/s 0,06 0,63 Concentration limit of flame propagation, α αmax - 0,40; αmin - 1,3 αmax - 0,22; αmin - 4,0 Работы по использованию водорода в ДВС ведутся давно [1; 2; 9-13], первый патент на использование водорода в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания получил Франсуа Исаак де Риваз в 1807 году, тем не менее водород как топливо для ДВС не нашел широкого применения. Основными факторами, сдерживающими его использование, являются вопросы, связанные с взрывобезопасностью, хранением водорода на борту автомобиля, инфраструктурой - производством, перевозкой, хранением, заправочными станциями и т. д. В связи с этим разработка компактного и безопасного оборудования по производству водорода на борту автомобиля - без его аккумулирования и хранения - является актуальной задачей и одним из приоритетных направлений исследования [14; 15]. 2. Техническое решение Предлагаемое устройство состоит из оборудования для получения водорода (электролизера, установленного в подкапотном пространстве, источников альтернативной энергии, аккумулятора электрической энергии) и трубопроводов подачи водорода в систему питания двигателя внутреннего сгорания [16]. От сгенерированной и саккумулированной энергии обеспечивается работа электролизера, а получаемый газ (газ Брауна) без аккумулирования и хранения направляется во впускной коллектор двигателя. С целью обеспечения генерации необходимого объема водорода в соответствии с режимом работы двигателя внутреннего сгорания в конструкции предусмотрен электронный блок управления, позволяющий путем считывания импульсов с топливной форсунки изменять объем генерируемого газа в зависимости от частоты вращения коленчатого вала [16]. Путем математического преобразования определяется частота коленчатого вала, исходя из значений которой на выходе контроллера формируется ШИМ-сигнал (широтно-импульсная модуляция) (рис. 2), управляющий силовым ключом, обеспечивающим силу тока в цепи генератора водорода в заранее заданном диапазоне, например: 10 % мощности генератора задается при условии достижения частоты вращения коленчатого вала 800 об. мин., 100 % мощности задается при частоте коленчатого вала 3500 об. мин [16]. Применение широтно-импульсной модуляции позволяет управлять мощностью генератора водорода посредством изменения скважности импульсов при постоянной частоте. Задаваемые предельные значения частоты вращения коленчатого вала двигателя для достижения максимальной и минимальной мощности могут быть оперативно изменены установкой соответствующих значений в памяти электронного контроллера, что обеспечивает применение контроллера для различных двигателей. Широтно-импульсная модуляция Pulse width modulation rpm. min Рис. 2. Зависимость мощности генератора водорода от частоты вращения коленчатого вала Figure 2. The dependence of the power of the hydrogen generator on the rotational speed of the crankshaft Заключение Перспективность применения водорода в качестве добавки к основному топливу ДВС с целью совершенствования показателей рабочего цикла двигателя обусловлена: - возможностью снижения токсичности отработавших газов по основным компонентам СО, СН, NОх; - снижением вредных выбросов в отработавших газах ДВС, достигаемым при повышении его топливной экономичности; - практической реализацией предлагаемого способа без значительных конструктивных изменений ДВС.

×

Об авторах

Артур Рафикович Асоян

Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет; Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: asoyan.ar@mail.ru

профессор кафедры «Эксплуатация автомобильного транспорта и автосервис» МАДИ, доцент департамента машиностроения и приборостроения Инженерной академии РУДН, доктор технических наук, профессор

Российская Федерация, 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64; Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Игорь Кеворкович Данилов

Российский университет дружбы народов

Email: asoyan.ar@mail.ru

профессор департамента машиностроения и приборостроения Инженерной академии РУДН, доктор технических наук, профессор

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Игорь Артурович Асоян

Российский университет дружбы народов

Email: asoyan.ar@mail.ru

аспирант департамента машиностроения и приборостроения Инженерной академии РУДН

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Георгий Максимович Полищук

Российский университет дружбы народов

Email: asoyan.ar@mail.ru

профессор департамента механики и мехатроники Инженерной академии РУДН), доктор технических наук, профессор

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Список литературы

  1. Авраменко А.Н., Левтеров А.М., Бганцев В.Н., Гладкова Н.Ю., Киреева В.Н. Перспективы применения микродобавок водорода для улучшения экологических показателей дизельного двигателя // Journal of Mechanical Engineering. 2019. Vol. 22. No. 2.
  2. Мищенко А.И. Применение водорода для автомобильных двигателей. Киев: Наукова думка, 1984. 143 с.
  3. 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. № 2. С. 12-15.
  4. Певнев Н.Г., Понамарчук В.В. Анализ свойств водорода с целью возможности его применения в качестве добавки к основному топливу // Прогрессивные технологии в транспортных системах: сб. тр. конф. Оренбург, 2015. С. 304-309.
  5. Gilchrist S., Rand T. Hydrogen fuel injection to improve engine efficiency the practical beginning of the hydrogen economy. Canada: Canadian Hydrogen Energy Company. 15 p. URL: http://nha.confex.com/nha/2007/ recordingredirect.cgi/id/196 (дата обращения: 20.04.2020 г.).
  6. Кудряш А.П., Мараховский В.П., Кайдалов А.А. Теоретические и экспериментальные исследования сгорания водорода в дизеле // Вопросы атомной техники и технологии. Серия: Ядерная техника и технологии. 1989. Вып. 2. С. 48-50.
  7. Мараховский В.П., Кайдалов A.А. Водородный дизель // Автомоб. пром-сть. 1992. № 2. С. 17-19.
  8. Левин Ю.В. Улучшение топливной экономичности и экологичности роторно-поршневого двигателя за счет добавок свободного водорода к основному топливу: дис. … к. т. н. Волгоград, 2016.
  9. Крутенев В.Ф., Каменев В.Ф. Перспективы применения водородного топлива для автомобильных двигателей // Конверсия в машиностроении. 1997. № 6. С. 73-79.
  10. Смоленский В.В., Смоленская Н.М., Шайкин А.П. Влияние добавки водорода на процесс горения в бензиновых двигателях с искровым зажиганием // Прогресс транспортных средств и систем - 2009: материалы Международной научно-практической конференции: в 2 ч. Ч. 1. Волгоград, 2009. С. 247-248.
  11. Шатров Е.В., Раменский А.Ю., Кузнецов В.М. Исследование мощностных, экономических и токсических характеристик двигателя, работающего на бензино-водородных смесях // Автомобильная промышленность. 1979. № 11. С. 3-5.
  12. Раменский A.Ю., Шелищ П.Б., Нефедкин С.И. Применение водорода в качестве моторного топлива для автомобильных двигателей внутреннего сгорания. История, настоящее и перспективы // Альтернативная энергетика и экология. 2006. № 11. С. 63-70.
  13. A History of the Automobile. URL: https://www. thoughtco.com/who-invented-the-car-4059932 (дата обращения: 19.04.2020 г.).
  14. RONN Motor Group, Inc. (RMG/RONN). URL: https://www.ronnmotorgroup.com/ (дата обращения: 20.04.2020 г.).
  15. Roberts D. This company may have solved one of the hardest problems in clean energy // Vox. 2018, February 16. URL: https://www.vox.com/energy-and-environment/2018/2/16/16926950/hydrogen-fuel-tech nology-economyhytech-storage (accessed: 20.04.2020).
  16. Асоян А.Р., Битюков С.И., Лебедев И.А., Асоян И.А. Использование водорода в качестве добавки к основному топливу в двигателях внутреннего сгорания // Проблемы технической эксплуатации и автосервиса подвижного состава автомобильного транспорта: сб. научн. трудов по материалам 77-й научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ. М., 2019. С. 103-108.

© Асоян А.Р., Данилов И.К., Асоян И.А., Полищук Г.М., 2020

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах