Рабочие процессы водородного дизеля и улучшение его экологических показателей

Транспорт на водороде

lijitii

''"Сацл***

Рабочие процессы водородного дизеля и улучшение его экологических показателей

Р.З. Кавтарадзе,

профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.

Рассмотрены особенности внутрицилиндровых процессов водородного дизеля, работающего с воспламенением от сжатия газообразного водорода, впрыскиваемого в цилиндр в конце процесса сжатия. Рассмотрены возможности снижения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания водородного дизеля.

Ключевые слова: водородный дизель, газообразный водород, оксид азота.

Working process

of the hydrogen diesel engine

and improvement

of its ecological indicators

R.Z. Kavtaradze

Features of intra-cylinder processes of the hydrogen diesel engine working with ignition from compression of gaseous hydrogen, injected into the cylinder in the end of compression process are considered. The possibilities of reducing the concentration of nitrogen oxides in combustion hydrogen-diesel.

Keywords: Hydrogen diesel, hydrogen gas, nitric oxide.

Для большинства научных публикаций, в том числе монографий, посвященных вопросам применения водорода в качестве моторного топлива, наиболее перспективного среди альтернативных топлив, характерным является следующее:

• схематическое описание дополнительных устройств (смесители, инжекторы, баллоны, топливные элементы и т.п.), необходимых для перевода двигателей на газообразный или жидкий водород;

• рассмотрение вопросов производства, хранения и транспортировки водорода, безопасности его применения в поршневых двигателях;

• при расчетно-теоретических исследованиях использование без должного обоснования подходов, методов, соотношений, формул и т.п., полученных для двигателей, работающих на традиционных топливах;

• при экспериментальных исследованиях ограничение констатацией и анализом внешних эффективных и экологических параметров исследуемых двигателей без исследования основных причин их изменения - внутрицилиндровых теплофизических процессов.

Не умаляя значимость этих вопросов, следует подчеркнуть, что первостепенное значение при переходе на любое из альтернативных топлив имеют теплофизические процессы, протекающие в цилиндре конвертированного двигателя. Необходимо также отметить, что в современной научно-технической литературе в основном затрагиваются вопросы применения водорода в двигателях с искровым зажиганием или в качестве добавки к традиционным моторным топливам (бензин, дизельное топливо).

Рассмотрим концепцию водородного дизеля с самовоспламенением непосредственно впрыскиваемого в цилиндр газообразного водорода. Проанализируем внут-рицилиндровые процессы водородного дизеля в целях улучшения его экологических и эффективных показателей.

Преимущества водородного дизеля

Водород - самый легкий газ, он легче воздуха в 14,5 раза. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и быстрее переносят теплоту. В результате водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Для сравнения: теплопроводность водорода X=0,1815 Вт/(м^К) при атмосферном давлении и температуре t=20 °С, что примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха X=0,0251 Вт/(м^К) при тех же условиях. При нормальных условиях - это газ без цвета, запаха и вкуса. В жидком виде водород существует в очень узком интервале низких температур от -252,76 до -259,2 °С. Это бесцветная легкая жидкость плотностью р =70,8 кг/м3 при t=—253 °С. При температуре ^-259,2 °С (температура плавления твердого водорода) водород переходит в твердую фазу и представляет собой кристаллическую массу, подобную снегу (р=80,7 кг/м3 при -262 °С). Основные свойства водорода, как моторного топлива, а также их сравнение со свойствами традиционных топлив приведены в [1-4].

Применение водорода в качестве моторного топлива стало актуальным практически одновременно с появлением первых поршневых двигателей [2]. В настоящее время созданы и исследованы поршневые, а также ракетные и авиационные двигатели, работающие на водороде. Водородный двигатель с внутренним смесеобразованием свободен от недостатков, свойственных газовым двигателям с внешним смесеобразованием: склонности к детонации, преждевременного воспламенения от накаленной поверхности в процессе сжатия, обратной вспышки (воспламенение свежего заряда во впускной системе в период открытия впускных органов). Причинами обратной вспышки

в газовом двигателе с внешним смесеобразованием могут быть догорание, чрезмерно большой период перекрытия впуска и выпуска и т.д.

При впрыскивании водорода в цилиндр в конце сжатия (концепция водородного дизеля) достигается более высокий индикаторный КПД по сравнению с дизелями, конвертированными на газообразное топливо. Его значение находится в области, характерной для обычных дизелей, работающих на жидком топливе. Это обусловлено относительно коротким периодом сгорания, что приводит к увеличению доли тепловыделения. Это особенно заметно при работе двигателя на низких нагрузках. Такое повышение индикаторного КПД двигателя частично компенсирует завышенные по сравнению с традиционным дизелем потери на теплопередачу, вызванные сгоранием водорода без образования частиц сажи и отсутствием отложений нагара на поверхностях теплонапряженных деталей двигателя [2].

Таким образом, очевидны основные преимущества водородного дизеля:

• в выпускных газах практически отсутствуют нормируемые законодательством вредные вещества НС, СО, сажа, а также парниковый газ СО2;

• степень сжатия не ограничена детонацией;

• высокий наддув;

• качественное регулирование мощности;

• отсутствие обратной вспышки и т.д.

Особенности рабочего процесса водородного дизеля

Воспламенению от сжатия (самовоспламенение) в двигателях, работающих на газообразном водороде, препятствует высокая температура самовоспламенения (в воздухе при р = 0,1013 МПа для метана эта температура равна 595 °С, для водорода 585 °С, а для дизельного топлива 250 °С) [2, 3]. Очевидно, что для самовоспламенения в водородных дизелях требуется сильное сжатие, обеспечивающее к моменту впрыскивания водорода более высокую температуру воздуха в цилиндре по сравнению с температурой самовоспламенения водорода. Такая температура в цилиндре должна сохраняться в течение определенного времени, достаточного для возникновения очагов самовоспламенения в водородно-воздушной смеси (рис. 1).

Низкие степени сжатия е <16,8 при атмосферной температуре впускного воздуха недостаточны для самовоспламенения водорода. Температура самовоспламенения должна быть достигнута уже к началу подачи водорода для обеспечения как можно более короткой задержки воспламенения, то есть уже до достижения поршнем верхней мертвой точки (ВМТ) температура сжатого воздуха в цилиндре должна превышать t=585 °С и некоторое время не снижаться для гарантированного воспламенения и стабильного сгорания. Повышение степени сжатия двигателя не только желательно, но и необходимо. С другой стороны, рост степени сжатия ограничивается значениями термических и механических напряжений, в частности, максимальным давлением цикла (в данном случае рг <15 МПа). Значительное увеличение степени сжатия привело бы к уменьшению достаточного для сгорания объема камеры.

В связи с этим целесообразно определить оптимальное сочетание степени сжатия и уровня подогрева впускного воздуха. Кроме того, повышение температуры заряда при впуске в цилиндр оказывает благотворное влияние на стабильность протекания следующих друг за другом рабочих циклов водородного дизеля.

Основная особенность водородного дизеля в процессе эксплуатации - значительные цикличные колебания в зависимости от режима работы как при максимальном рг , так и при среднем индикаторном р. давлениях. Цикличные колебания давлений в водородном двигателе зависят от множества факторов [5]. На основе анализа опубликованных результатов было установлено следующее.

1. Изменение геометрии сопловых отверстий, момента начала впрыскивания водорода и интенсивности движения заряда в цилиндре водородного дизеля не приводит к снижению колебаний максимального давления цикла в водородном дизеле до приемлемых значений.

2. Основной причиной цикличных колебаний является относительно низкая температура водородно-воздуш-ной смеси в момент самовоспламенения. Существенное снижение колебаний давления может быть достигнуто путем повышения температурного уровня цикла.

Повышение температуры впускного воздуха оказывает на температуру в цилиндре в конце сжатия более заметное влияние, чем увеличение степени сжатия (см. рис. 1). С учетом допустимых термических нагрузок на основные детали водородного дизеля степень сжатия можно увеличить с е=16,8 до е=17,6, что не приведет к существенному повышению температуры в конце сжатия. Однако, если при е=17,6 повысить температуру впускного воздуха tк >70 °С, уровень цикличных колебаний падает до допустимо низкого (рис. 2).

Рис. 1. Изменения температуры в процессе сжатия -расширения в цилиндре в режиме прокрутки (n=800 миг1) дизеля MAN 24/30 в зависимости от степени сжатия и температуры впускного воздуха: 1 - s = 16,8; tк=20 °C; 2 - s=17,6; tк=20 °C; 3 - s = 16,8; tк=65 °C; 4 - s=17,6; tк=75 °C; заштрихованная зона - область температур самовоспламенения водорода по данным различных публикации [2]

Транспорт на водороде

Рис. 2. Влияние подогрева впускного воздуха на цикличные колебания давления рг при 8=17,6 и при неизменных моменте впрыскивания ф впр=345 водорода и коэффициенте избытка воздуха ав=2,6: 1 - Iк=20 °С; 2 - Iк=72 °С; п - число циклов

Но

при внешнем смесеобразовании

. М, "М02расх + МиРы _

м+м„

1-0,21— +

<х„

4п + 2т 0,21— 4п + т—2г а„

4 1

1 +---0,21—

4п + т-2г а.

где М , М„ , М

т в' 02 расх' пр сг

МС02 + МН2О, МТ

М

СпНт0г

мольные

Повышение температуры газа в цилиндре к моменту впрыскивания водорода приводит к сокращению времени задержки воспламенения водорода и повышению скорости тепловыделения. Сгорание в следующих друг за другом циклах и соответствующие давления выравниваются, а в результате одновременного сокращения времени задержки воспламенения и повышения скоростей тепловыделения заметно растут максимальные давления цикла.

При конвертировании серийного дизеля для использования водорода следует иметь в виду, что для его воспламенения необходима небольшая энергия зажигания, то есть вполне достаточен незначительный ее источник, который в результате утечки водорода может привести к воспламенению неиспользованной части газа. Для предотвращения этого нежелательного явления необходимо принимать соответствующие меры.

С термодинамической точки зрения водород, как моторное топливо, также имеет свои особенности, заключающиеся в том, что коэффициент молекулярного изменения при горении водорода зависит от способа смесеобразования [2, 6].

Для углеводородных топлив, используемых в поршневых двигателях и выраженных с помощью обобщенной химической формулы СпНт0г , в [6] дан вывод формул для расчета коэффициента молекулярного изменения в зависимости от способа смесеобразования и коэффициента избытка воздуха ав:

• при внутреннем смесеобразовании

доли воздуха, израсходованного кислорода, продуктов сгорания и топлива соответственно.

В случае ав > 1 реакция сгорания водорода протекает согласно химическому уравнению

2Н2+02 ^ 2Н20.

Тогда согласно формулам (1) и (2) и с учетом того, что т = 2, п = г = 0 для Н2 , получим:

• при внутреннем смесеобразовании

Ц0 =1 + 0,21—;

«в

• при внешнем смесеобразовании

ав+0,21 ц0 =——!—. ав+0,42

Видно, что при сгорании водорода, когда ав > 1, число молей топлива (водород) равно числу молей продуктов сгорания (водяной пар) и в два раза больше, чем число молей израсходованного в реакции кислорода (рис. 3). В случае внутреннего смесеобразования, то есть при введении водорода непосредственно в цилиндр, с ростом коэффициента избытка воздуха значение ц0 уменьшается, однако сохраняется значение ц0 > 1. При внешнем

М.

Ап + т-2г а.

Рис. 3. Зависимость химического коэффициента молекулярного изменения для различных видов топлива и способов смесеобразования: 1, 2 - для водорода с внутренним и внешним смесеобразованием; 3, 4 - для бензина с внутренним и внешним смесеобразованием; 5 - для дизельного топлива с внутренним смесеобразованием

смесеобразовании с ростом ав, наоборот, уменьшается, при этом < 1.

Так как для бензина и дизельного топлива точный вид химических формул СпНтОг неизвестен, то для определения функции = (ав) можно исходить из их элементарного состава [б].

Для двигателя с внутренним смесеобразованием, работающего на любом из рассмотренных топлив, > 1, при работе на бензине с внешним смесеобразованием > 1, однако при работе на водороде < 1. Изменение особенно чувствительно при стехиометрическом количестве (ав = 1) воздуха. При > 1 в результате увеличения объема рабочего тела среднее эффективное давление повышается. Изменение при неполном сгорании топлива (ав < 1) рассмотрено в [б].

Таким образом, водородный дизель имеет явное термодинамическое преимущество по сравнению с водородным двигателем с внешним смесеобразованием и с другими двигателями на традиционном топливе. Недостатком водородного дизеля является то, что водород в цилиндр следует подавать под высоким давлением, то есть необходимо его предварительно сжимать, что требует определенных затрат работы. В случае использования жидкого водорода в качестве моторного топлива следует учесть также затраты работы на сжижение водорода.

Экологические показатели водородного дизеля

Практически единственным вредным веществом, которое содержится в выпускных газах водородного дизеля, является NOx . Концентрации углеводородов СН и оксидов углерода (СО и СО2), образующихся в результате горения смазочного масла, малы и ими можно пренебречь. Кроме того, в водородном дизеле не образуются твердые частицы сажи, так что улучшение экологических характеристик водородного дизеля подразумевает снижения выбросов оксидов азота. Таким образом, в водородных двигателях в целом и в водородном дизеле в частности проблема улучшения экологических характеристик остается. Правда, она не стоит так остро, как для двигателей, использующих традиционное жидкое топливо (дизельное топливо или бензин). С учетом опыта исследований последних лет образование оксидов азота в водородных двигателях следует рассматривать в зависимости от конструкции газовой форсунки для подачи водорода в цилиндр, интенсивности вихревого движения заряда в цилиндре, коэффициента избытка воздуха, массы заряда в цилиндре, температуры заряда (воздух) при впуске, степени сжатия.

При изменении угла опережения впрыскивания водорода необходимо искать оптимальное значение угла, обеспечивающее в совокупности перечисленных факторов приемлемые показатели двигателя. Увеличение угла опережения впрыскивания (более ранняя подача) водорода может привести к недопустимо сильному повышению скорости нарастания давления, что в результате повышает эмиссию шума. С уменьшением угла опережения впрыскивания (более поздняя подача) водорода концентрация оксидов азота в продуктах сгорания заметно

Рис. 4. Изменение концентрации оксидов азота в зависимости от момента впрыскивания водорода

снижается (рис. 4), однако при этом может уменьшаться и индикаторный КПД двигателя. Кроме того, при позднем впрыскивании водорода повышается вероятность нестабильности рабочих циклов, выражающейся в колебаниях максимального и среднего индикаторного давлений от цикла к циклу.

Установлено, что при позднем впрыскивании водорода интенсивность тепловыделения уменьшается, и максимум скорости тепловыделения сдвигается дальше от ВМТ. Соответственно уровень локальных температур газа в цилиндре в процессе сгорания снижается, что и является основной причиной уменьшения концентрации NOx .

В заключение следует отметить, что результаты, полученные при исследовании рабочего процесса водородного дизеля с воспламенением от сжатия газообразного водорода, впрыскиваемого в цилиндр в конце сжатия, подтверждают целесообразность рассмотренной концепции и создания такого дизеля, применение которого эффективнее в качестве стационарного силового агрегата.

Литература

1. Кавтарадзе З.Р., Кавтарадзе Р.З. Перспективы применения поршневых двигателей на альтернативных моторных топливах // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010. - № 1 (13). - С. 74-80.

2. Кавтарадзе Р.З. Теплофизические процессы в дизелях, конвертированных на природный газ и на водород. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. - 238 с.

3. Eichlseder H., Well M. Wasserstoff in der FahrzeugtechniK. Erzeugung, Speicherung, Anwendung. Wiesbaden, Vieweg - Teubner Verlag. - 2008. - 288 р.

4. Галышев Ю.В. Расчетный анализ ограничений и перспективных решений при создании водородных двигателей // Изв. РАН. Энергетика. - 2006. - № 5. - С. 165-171.

5. Rottengruber H., Wiebicre U., Woschni G., Zeilinger К. Wasserstoff-Dieselmotor mit Direкteinspritzung, hoher Leistungsdiechte und geringer Abgasemission. Teil 3 // Versuche und Berechnungen am Motor. - 2000. - № 2. - S. 122-128.

6. Кавтарадзе Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 720 с.