Особенности применения водорода в ДВС при различных способах формирования топливовоздушных смесей

УДК 621.43

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВОДОРОДА В ДВС ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ФОРМИРОВАНИЯ ТОПЛИВОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ

© 2016 Д.А. Павлов1, С.А. Пионтковская2, В.В. Смоленский1

1 Тольяттинский государственный университет 2 Казанский национальный исследовательский технический университет

имени А.Н. Туполева

Статья поступила в редакцию 02.12.2015

В статье приводятся результаты экспериментальных исследований и анализ зависимостей влияния добавок водородосодержащих газов на экономические и экологические показатели ДВС при разных способах смесеобразования. В качестве объекта исследования были выбраны двигатели производства ОАО «КамАЗ», реализующие разные способы формирования топливо-воздушной смеси и работающие на дизельном топливе и природном газе. Испытания проводились на моторном стенде, дополнительно оснащенном системой подачи водорода в топливовоздушную смесь. Результаты исследований позволили установить зависимость влияния добавок водородосодержащих газов на экономические и экологические показатели ДВС при разных способах смесеобразования. Ключевые слова: двигатель, топливовоздушная смесь, гетерогенное смесеобразование, гомогенной смесеобразование, эффективность.

ВВЕДЕНИЕ

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,

Павлов Денис Александрович, кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Энергетические машины и системы управления». E-mail: Pavlov-DA@yandex.ru Пионтковская Светлана Артуровна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрооборудования». E-mail: Piontkovskaia@rambler.ru Смоленский Виктор Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Энергетические машины и системы управления». E-mail: Biktor.cm@mail.ru

что Департамент Энергетики США (DOE) в январе 2006 года принял план развития водородной энергетики «Road map on Manufacturing R&D for the Hydrogen Economy» [3].

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, ТНС, 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 Ог, воздуха Ов и отработавших газов Оог от коэффициента избытка воздуха а (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

1.2

Св. кг/ч

Gor. кг/ч

Gr, кг/ч

1.4

et

1.6

-В— GB

1J8 2

—X—GB [H=0,26) ---Gor[H=0,26)

—|—С г[Н =0,26) Рис. 2. Регулировочная характеристика по составу смеси

300

250

f 200 ¡3

О

о

150

100

50

д

Щ

ж1 —

X—__  -1 - —

—-—х- -X

15

1Э

11

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

Г

в

(5

Св кг/ч

—Сог, кг/ч(Н=0) —С ог(Н =0,2 6) —е— С ог(Н =0,44}

И—Эг кг/ч

Рис. 3. Регулировочная характеристика по составу смеси

расхода природного газа при а = 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 (О, 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 От 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

в 5 4 3 2 1 О

Q. ЧДзс'Ч

1ЭЫ

two

м—

Б

X а

<4 N

--

* эсдп

»100

700

л i? Ф

Эт -V

Q

(L

3.5

3

2.5

2

1.5 t

0.5 ;лп, и

45 40 35 30 25 20 15

to

300 -----------L0

40 30 ф 100 CD 1+0 100 1Э0 200 220 Ж Ж

Не, лх

—И-- Gh=0, И/Ч -о— GH^J.42, UAI

Рис. 5. Нагрузочная характеристика двигателя

менение расхода топлива и общего количества ОБСУЖДЕНИЕ И ВЫВОДЫ

теплоты подведенной к двигателю в зависимости

от процента добавки водорода. Некоторое увели- Первичный анализ результатов эксперимен-

чение величины О обусловлено погрешностями тов позволил установить, что расход дизельного

измерений. топлива подчиняется следующей зависимости:

От, нУч

9.8

9.6

9.4

9.2

а.е

В.6

- Я

н» \ Ст

\ \

\ _.

--- х 0

\ \

\

О, Щж>с

«О

455

440

430

420

410

400

а

1

2 3 4 Б е (вн/вт) 100,%

Рис. 6. Изменение От и О в зависимости от процента добавки водорода

0Нт = От - Он {Ипн1Иит),

где ОНт - расход дизельного топлива при добавке водорода, кг/ч;

От - расход дизельного топлива без добавки водорода, кг/ч;

Он - расход водорода, кг/ч;

НиН, Нит - 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

От - количество теплоты, подведенное в двигатель вместе с основным топливом при отсутствии добавок водорода.

Тогда формула (1) будет выглядеть:

к  Qm = От^т + Он^н ,

и, после некоторых преобразований, примет свой окончательный вид:

ОН = к  ОТ - Он

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

Qсм = Ом  ним,

где Осм - расход смеси топлив, определяется как сумма расходов каждого компонента

Нисм - удельная массовая теплотворная способность смеси топлив, вычисляемая как:

нисм = т  ниТн +

где т - массовая доля топлива в смеси, определятся как:

О

т =

О

н

Т

О

СМ

Он + Он

Тогда

к =

Qт

где Осм - количество теплоты, подведенное в двигатель со смесью топлив;

Qсм =

После проведения преобразований, уравнение приобретает вид:

т  ^М .

ОТ =

т  нинт + (1 - т)  нин

1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 а

—о— 6н=0 кгЛ -и— Бн =0-^6 кг/ч 6н=0,44 кгД| Рис. 8. Количество теплоты, подведенной с метановодородной смесью для режима п = 1500 мин-1, Ре = 1,46 кг/см2, УОЗ = 15 гр.п.к.в

йЛДг^ч

240 220 200 1Б0 160 140 120

У

0,9 1 1,1 1,2 1,3 1.4 1,5 1,6 1,7

-<>— 5н=Э кг/*  -6н=Э,2кг.^ (Зн=02ЙК1/| Рис. 7. Количество теплоты, подведенной с метановодородной смесью для режима холостого хода

540 520 500 430 460 440 420 лпл

4 -

\

V

или

оН - о • к--НтИ-;

т • ИиТ + (1 - ш) • Нин

Предварительный анализ значений переменной к 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:

о: -кот-Он{нУнит);

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

- установлено, что коэффициент k имеет 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 гомогенным смесеобразованием (работающие на газовом топливе двигатели) k = 0,8...0,97 на исследованных диапазонах режимов и добавок;

- экспериментально установлено, что наибольший эффект добавка водорода оказывает на двигатели с гомогенным способом формирования ТВС.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Исследование динамики изменения выбросов вредных веществ от автомобильного транспорта 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.

2. Бортников Л.Н. Особенности горения бензоводо-родовоздушной смеси в цилиндре поршневого двигателя внутреннего сгорания и определение оптимального соотношения бензин водород // Физика горения и взрыва. 2007. Т.43. № 4. С. 8-15.

3. БортниковЛ.Н., РусаковМ.М., ПетровР.Э. Активация горения углеводородных топлив водородом // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2012. № 4(22). С. 137-141.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

THE USE OF HYDROGEN ADDITION IN INTERNAL COMBUSTION ENGINES WITH DIFFERENT METHODS OF FORMING FUEL AIR MIXTURES

© 2016 D.A. Pavlov1, S.A. Piontkovskaya2, V.V. Smolenskiy1

1 Togliatti State University 2 Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev

The article presents the results of experimental studies and the analysis of dependency effect additive of hydrogen on the economic performance of ICE at different methods of forming FAM. The objects of study selected engines produced by "KAMAZ". They have realization different methods of forming the fuel-air mixture and mode on diesel fuel and natural gas. Tests were conducted on a motorized stand, additionally equipped with a hydrogen addition system in the fuel-air mixture. The research results have established the dependence of the effect addition of hydrogen at the economic performance of ICE. Keywords: engine, FAM, heterogeneous mixture formation, a homogeneous mixture formation, efficiency.

Denis Pavlov, Candidate of Technics, Head at the Energy Machinery and Control Systems Department. E-mail: Pavlov-DA@yandex.ru

Svetlana Piontkovskaya, Candidate of Technics, Associate Professor at the Electrics Department. E-mail: Piontkovskaia@rambler.ru

Victor Smolenskiy, Candidate of Technics, Associate Professor at the Energy Machinery and Control Systems Department. E-mail: Biktor.cm@mail.ru