Повышение эффективности рабочего процесса бензиновых двигателей применением топливо-водородных смесей

УДК 621.43

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИМЕНЕНИЕМ ТОПЛИВО-ВОДОРОДНЫХ СМЕСЕЙ

INCREASE OF PETROL ENGINES OPERATION EFFICIENCY BY USING HYDROGENOUS-BASED FUEL MIXES

В. В. Борсук, В. В. Салмин

V. V. Borsuk, V. V. Salmin

ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», г. Пенза

Аннотация. Рассмотрен вопрос перевода бензиновых двигателей на топливо-водородные смеси. Обоснован угол поворота коленчатого вала, при котором необходимо производить подачу водорода в камеру сгорания двигателя. Описана методика эксперимента и установка для исследования рабочих процессов. Приведены достигнутые в ходе исследований эффективные показатели двигателей.

Abstract. The article reviews the problem of transferring petrol engines to hydrogenous-based fuel mixes. It also justifies the crankshaft turn angle of providing the combustion chamber of the engine with hydrogen. The technique and installation for experimental research of working processes are described. The effective parameters for engines are adduced.

Ключевые слова: двигатель, водород, топливо, горючая смесь, сгорание, эффективность, экономичность, система питания.

Keywords: engine, hydrogen, fuel, combustible mixture, combustion, efficiency, fuel efficiency, fuel system.

Актуальность исследуемой проблемы. Ввиду истощения запасов нефти на автомобильном транспорте все более широкое применение находят альтернативные виды топлива. Современный уровень техники предлагает множество путей перевода существующих поршневых двигателей на другое топливо: с использованием штатных приборов приготовления смеси (карбюраторные системы), с использованием дополнительных приборов приготовления смеси (смеситель-испаритель, дополнительные форсунки), разработка и установка многотопливных систем питания.

Основные параметры рабочего процесса определяются свойствами топлива - скоростью горения, склонностью к детонации, низшей теплотой сгорания, а также зависят от способа приготовления горючей смеси. Уменьшение удельного эффективного расхода топлива может быть достигнуто модернизацией системы питания и изменением свойств рабочего тела.

Одним из наиболее перспективных направлений альтернативной энергетики считается применение водорода в качестве источника возобновляемой энергии [1]. При переводе системы питания на работу на водороде можно применить следующую классификацию технических решений:

1. По конструкциям - создание новой оригинальной конструкции двигателя, ориентированного на применение чистого водорода в качестве топлива или присадки к другому топливу, либо разработка переходной модели двигателя с использованием стандартных деталей.

2. По способам организации рабочего процесса - внешнее образование топливоводородной горючей смеси либо непосредственный впрыск или образование водорода в цилиндре двигателя.

3. По технологиям перевода двигателя на работу с добавкой водорода - сохранение базовой конструкции двигателя с применением дополнительных узлов и систем, например, применение бортовых систем накопления водорода (с использованием сплавов-накопителей, криогенных систем, баллонов со сжатым или сжиженным водородом), использование бортовых генераторов водорода (электролиз, химические генераторы, термическое разложение) или технологически новая разработка и перерасчет характерных точек термодинамического цикла.

Наиболее значительный вклад в разработку теоретических положений в исследовании вопроса применения водорода в качестве автомобильного топлива среди российских ученых внесли: А. Ю. Раменский, П. Б. Шелищ, С. И. Нефедкин, А. А. Рычаков, М. В. Старостин, А. И. Мищенко, А. Л. Гусев, Ю. П. Дедюченко, В. М. Кузнецов, А. В. Белогуб, В. Д. Савицкий, Г. Б. Талда, Е. В. Шатров.

Материал и методика исследований. Для получения оптимальных характеристик двигателя приготовленная горючая смесь должна отвечать двум основным требованиям: сгорать быстро и полностью. Поступающую в двигатель топливо-водородную горючую смесь можно представить условным топливом и в упрощенных расчетах рассматривать обобщенные свойства этого условного топлива. При расчетах и проектировании двигателя необходимо стремиться к наилучшим эффективным показателям, важнейшими из которых являются крутящий момент и удельный эффективный расход топлива. Для достижения наилучших показателей эффективности двигатель следует рассматривать как систему «источник теплоты - устройство преобразования теплоты в работу», учитывая при этом требования конструктивных особенностей к характеру протекания рабочего процесса.

В качестве критерия оценки соответствия характера протекания рабочего процесса конструктивным особенностям кривошипно-шатунного механизма (КШМ) можно взять отношение тангенциальной силы «Т» к силе давления газов в цилиндре «Рг»

T

К —

^эф~ р

г

На рис. 1 показано изменение эффективности двигателя по критерию «Кэф» в зависимости от угла поворота коленчатого вала, а также изменение плеча кривошипа коленчатого вала «К» в относительных единицах. Из графиков следует, что из-за конструктивных особенностей КШМ стремление получить максимальное давление цикла в верхней мертвой точке (ВМТ) не имеет практической ценности, кроме того, приводит к ограничению степени сжатия и увеличению удельного эффективного расхода то-

плива вследствие возникновения детонаций. При применении топливо-водородной смеси благодаря физико-химическим свойствам водорода отпадает необходимость в большом угле опережения зажигания, так как Н2 сгорает очень быстро, выделяя достаточное количество теплоты, чтобы обеспечить полноту сгорания основного бензовоздуш-ного заряда. Видимый процесс сгорания завершается при 20-25 ° поворота коленчатого вала (ПКВ).

0 20 40 60 50 100 120 140 160 180

МголПКВ

Рис. 1. Эффективность цикла бензинового ДВС

При этом рабочие параметры системы питания должны обеспечивать подачу нужного количества добавочного водорода для обеспечения максимально эффективного рабочего цикла. К рабочим параметрам системы питания можно отнести качество приготовления горючей смеси (гомогенность), соответствие ее количества нагрузочноскоростному режиму работы двигателя, равномерность состава смеси. При применении топливо-водородных смесей качественный состав смеси сдвигается в сторону обедненных и бедных смесей, благодаря свойствам водорода происходит более полное сгорание, а также снижение токсичности отработавших газов. При этом достигаются следующие показатели:

1. При пуске холодного двигателя: подача водорода - 7-8 % от объема расходуемого воздуха; ожидаемая экономия бензина - до 50 %;

2. Режим холостого хода: подача водорода - 10-15 % от объема расходуемого воздуха; ожидаемая экономия бензина - до 30 %;

3. Режим частичных (средних) нагрузок: подача водорода - 7-10 % от объема расходуемого воздуха; ожидаемая экономия бензина - до 20 %;

4. Режим полных нагрузок: подача водорода - 5-6 % от объема расходуемого воздуха; ожидаемая экономия бензина - до 10-15 %;

5. Режим ускорения: подача водорода - 8-9 % от объема расходуемого воздуха; ожидаемая экономия бензина - до 20 %.

Результаты исследований и их обсуждение. Проведенные экспериментальные исследования показывают, что «в течение первых 25 % времени сгорания 95 % объема смеси в реакцию вступает только 5 % рабочей смеси» [4]. Физический смысл этого явления заключается в следующем: при существующих степенях сжатия необходимо часть теплоты ввести на такте сжатия. Таким образом, внутренняя энергия рабочего тела повышается не только за счет геометрического сжатия, но и за счет теплоты сгорания, чтобы к верхней мертвой точке (ВМТ) иметь сформировавшийся очаг горения и такие температуру и давление в цилиндре, которые обеспечат, по возможности, наиболее полное сгорание топливо-воздушной смеси.

Исходя из имеющегося опыта применения водорода в качестве топлива на автомобильных двигателях, можно предположить, что характер сгорания смеси будет аналогичным характеру сгорания бензина, но протекать с более высокой скоростью (рис. 2). С точки зрения влияния топливо-водородных смесей на технико-экономические и экологические показатели двигателей внутреннего сгорания (ДВС) наиболее целесообразным является подача водорода непосредственно в цилиндр двигателя.

ВМТ

100

80

э» 60 0}

3

І. 40

ь

1 \/ ^ / / Г?” г

ч ЗЄНЗР н 1 / /

\ \ 1 1 1 / /

1 1 / \

Iу \ БЕ 5ТК

0

0:

0:

ібенз “ібвтк ~ісгор

Угол поворота коленвала

Рис. 2. Кривая сгорания бензина

Для проверки предложенных гипотез требуется провести ряд экспериментальных исследований. Из всех систем изменениям подвергается только система питания ДВС. Соответственно, изменятся те эффективные показатели ДВС, которые зависят от рабочих параметров системы питания. К ним относятся: эффективная мощность двигателя, часовой расход топлива, токсичность двигателя, шум, вибрации. Эксперимент проводится в 2 этапа. На первом этапе производятся лабораторные исследования свойств бензоводо-родной топливной композиции на однотактной безмоторной установке (на установку подана заявка на патент) для исследования рабочего процесса двигателя (рис. 3). При этом определяются следующие показатели: детонационная стойкость, скорость сгорания, максимальные температура и давление в цикле.

Рис. 3. Схема универсальной установки для исследования рабочего процесса ДВС:

1 - ресивер с нагревательным элементом; 2 - вертикальный цилиндр; 3 - клапан;

4 - водяная рубашка; 5 - поршень; 6 - свеча зажигания; 7 - датчик давления;

8 - резьбовые шпильки с регулировочными шайбами; 9 и 10 - шатуны; 11 - кулиса;

12 - датчик угла поворота кулисы 13 - горизонтальный цилиндр; 14 - поршень;

15 - клапан; 16 - пневмораспределитель; 17 - водяная рубашка; 18 - клапан; 19 - вентиль;

20 - ресивер; 21 - манометр; 22 - вентиль; 23 - пневмодроссель; 24 - кривошип;

25 - электропривод; 26 - тахометр; 27 - секундомер; 28 - вольтметр; 29 - амперметр

На втором этапе экспериментальных исследований проводятся лабораторностендовые испытания двигателя, оснащенного модернизированной системой питания на контрольно-измерительном стенде КИ-5660. Порядок испытаний регламентирован ГОСТ 14846-81. Во время лабораторно-стендовых испытаний определяются:

1. Мощностные и экономические показатели при полных нагрузках (мощность нетто и мощность брутто).

2. Мощностные и экономические показатели при частичных нагрузках.

3. Показатели на холостом ходу.

4. Условные механические потери.

Также во время лабораторно-стендовых испытаний устанавливаются количественные зависимости, определяющие влияние работы бензиновых двигателей на топливоводородных смесях на эксплуатационные показатели автомобилей; по результатам испытаний оценивается адекватность полученных расчетно-теоретических оценок и математических моделей.

На основании информационно-поисковых исследований разработано оригинальное техническое решение по модернизации системы питания бензиновых ДВС и переводу их на топливо-водородные смеси [3].

На основании анализа вопроса о повышении эффективности работы ДВС авторами статьи был разработан эффективный способ конвертации бензиновых двигателей на работу с применением в рабочем цикле водорода как присадки к основному топливу. На способ получено положительное решение о выдаче патента.

В случае применения современных технологий и совмещения устройства подачи водорода в цилиндр со свечой зажигания перевод двигателя на работу на бензоводород-ных топливных композициях возможен без вмешательства в конструкцию двигателя, потребуется лишь перенастройка системы зажигания.

Рис. 4. Расчетные индикаторные и эффективные показатели двигателя с подачей водорода непосредственно в цилиндр.

Показатели, соответствующие работе ДВС с добавлением 3 % О2 и 7 % Н2 от расхода воздуха,

обозначены штриховой линией

Предложенный способ подачи топлива, водорода и кислорода в ДВС позволяет избежать преждевременного воспламенения водорода во впускном коллекторе, так как в нем не образуется гремучий газ и водород не контактирует с горячими элементами камеры сгорания в начальный момент открытия впускного клапана. Расход бензина минимален на режимах холостого хода и малой нагрузки и увеличивается по мере возрастания нагрузки на двигатель. Подача водорода происходит независимо от бензина и воздуха, поступающих в цилиндр двигателя по классической схеме. Подача водорода в цилиндр осуществляется на такте сжатия в зону электродов свечи зажигания под давлением. Ко-

личество водорода, поступающего в цилиндр, согласовано по времени с подачей искрового разряда во всем диапазоне нагрузочных и скоростных режимов работы автомобильного двигателя. Это позволяет обеспечить высокую стабильность процесса сгорания, добиться существенного обеднения смеси и уменьшения тем самым расхода углеводородного топлива и токсичности выхлопа. Результаты теплового расчета двигателя, работающего по предложенному способу, представлены на рис. 4. Несмотря на значительное обеднение смеси, количество теплоты в цикле несколько увеличивается за счет высокой удельной теплоты сгорания водорода. Также изменяется характер тепловыделения, что, в свою очередь, значительно улучшает эффективные показатели ДВС.

Существующие исследования, проведенные нами, подтверждают эффективность применения частичного водородного впрыска на двигателях внутреннего сгорания. Достигаемые экологические показатели двигателя в результате применения разработок, предлагаемых в проекте, позволят значительно уменьшить загрязнение окружающей среды в городах [1]. Кроме того, расчет путевого расхода топлива показал его сокращение на 30 %.

Резюме. Разработанное техническое решение позволяет значительно повысить эффективность использования действующего парка автомобилей, сохранить природные ресурсы и является экономически выгодным. Перевод бензиновых двигателей на топливоводородные смеси отвечает целям и задачам, поставленным в государственной программе Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года».

ЛИТЕРАТУРА

1. Мищенко, А. И. Применение водорода для автомобильных двигателей / А. И. Мищенко. - Киев : Наук. думка, 1984. - 143 с.

2. Раменский, А. Ю. Перспективы и ближайшие задачи использования водорода в автомобиле на российском рынке / А. Ю. Раменский, П. Б. Шелищ, С. И. Нефедкин, А. А. Рычаков, М. В. Старостин // Тезисы докладов Международного форума «Водородные технологии для производства энергии». - М., 2006. -С. 221-222.

3. Салмин, В. В. Повышение эффективности двигателя внутреннего сгорания применением топливоводородных смесей / В. В. Салмин, В. В. Борсук, Е. В. Новиков // Международный технико-экономический журнал. - 2011. - № 1. - С. 94-99.

4. Сороко-Новицкий, В. И. Динамика процесса сгорания и влияние его на мощность и экономичность двигателя / В. И. Сороко-Новицкий. - М. : МАШГИЗ, 1946. - 176 с.