Дипломная работа: Новые транспортные двигатели
2.2
Моторные характеристики.
Водород характеризуется
наиболее высокими энерго-массовыми показателями среди химических топлив. Низшая
теплота сгорания молекулярного водорода (с образованием водяного пара)
составляет 241,9 МДж/моль (57740 ккал/моль), что соответствует 120 МДж/кг (
28640 ккал/кг). С учетом диссоциации при 7,84 МПа расчетная теплота сгорания
равняется 117,99 МДж/кг (28160 ккал/кг). Таким образом, водород по массовой
энергоемкости превосходит традиционные углеводородные топлива примерно в
2,5-3., спирты-в 5-6 и аммиак-в 7 раз. Однако вследствие очень низкой плотности
водорода его объемные энергетические характеристики невысоки даже в криогенной
форме (см. таблицу 2.):
Таблица 2.
Форма водорода |
Газ (н.у.) |
жидкий |
шугообразный |
твёрдый |
Теплота сгорания |
МДж/мі |
10,501 |
8373,8 |
9439,2 |
10501,1 |
ккал/л |
2,506 |
1998,5 |
2252,8 |
2506,2 |
Массовая
теплопроизводительность водорода – воздушных смесей также превышает
теплопроизводительность остальных топлив и составляет 3,298 МДж/кг (787
ккал/кг) при б=1.
Однако из-за низкой
энергоплотности водород по объемной теплопроизводительности уступает
большинству жидких и газообразных топлив. Теплота сгорания 1м3
стехиометрической водородо-воздушной смеси составляет 3,1 МДж (740ккал), что
меньше примерно на 15 и 10% по отношению соответственно к бензинам и спиртам.
Температура
самовоспламенения водорода зависит от состава смеси и составляет для стехиометрических
композиций 500-510єС [ ]. При этом период задержки воспламенения зависит от
коэффициента избытка окислителя и в области Т>1100 К удовлетворительно описывается
формулой:
фзд=(2•10‾8/Р)•е8600/Т,
где фзд выражено
в секундах, а Р – в атмосферах.
Среди горючих газов
водород характеризуется наиболее низкой энергией воспламенения (примерно в 70
раз меньше, чем у метана) и высокой скоростью сгорания. Максимальное значение
нормальной скорости распространения пламени в водородо-воздушных смесях составляет
по различным оценкам 240-270 см/с, причем сильно зависит от температуры (см.
таблицу 3.) [ ]:
Таблица 3.
Температура
смеси, єС
|
20 |
100 |
200 |
300 |
400 |
Скорость
распространения
пламени, см/с
|
250 |
400 |
600
|
900 |
1200 |
Максимум скорости не
соответствует стехиометрическому соотношению, а довольно значительно сдвинут в
область избытка содержания водорода, где соответственно кинетическому уравнению
осуществляются оптимальные условия для выхода продуктов реакции. В условиях
камеры сгорания двигателя скорость горения водородных смесях значительно выше
нормальной скорости распространения пламени вследствие повышенных температур и
давлений, а также значительной турбулизации горючей смеси. Согласно большинству
данных водород начинает детонировать при степенях сжатия е≥6 в широком
диапазоне б. В то же время очистка камеры сгорания (удаление нагара и
выступающих кромок, шлифовка поверхности) позволяет осуществить работу на
водороде при е близких 14 и стехиометрических смесях.
Зависимости концентрационных
пределов детонации и воспламенения водорода воздушных смесей от степени сжатия
приведены на рис.1.
Эти данные получены на
стандартной установке CFR по
моторному методу при температуре поступающей в двигатель смеси 38єС [ ].
Устойчивое воспламенение водорода обеспечивается в весьма широкой области б,
причем богатая граница с увеличением е расширяется, в то время как бедная
практически не изменяется. Однако вследствие высокой активности водорода его
детонационное сгорание происходит уже при е=6 в области 0,2≤б≤1,82.
Повышение степени сжатия расширяет концентрационные границы детонации до 0,12≤б≤2,85
при е=15. В данных условиях область отсутствия детонации, представляющая
практический интерес, охватывает диапазон топливных смесей с б=2ч5.
Влияние добавок водорода
на антидетонационную стойкость углеводородного топлива носит довольно сложный
характер. На рис.2, при степени сжатия 12 увеличение концентрации водорода в
метане до 60% практически не оказывает влияния на концентрационные пределы
детонации [8]. Однако при дальнейшем повышении содержания водорода наблюдается
тенденция к детонационному сгоранию, так что при концентрациях Н2
свыше 60% детонация имеет место уже при е=6, а при содержании водорода от 90 до
95 диапазон детонации расширяется почти в 2 раза. Отмечается, что для небольших
добавок водорода (до 20%) детонация не наблюдается даже при степенях сжатия 15.
при низком соотношении топлива к воздуху изменение пределов детонации при
увеличении концентрации водорода в топливной смеси довольно умеренно, в то
время как в богатой области предел детонации резко увеличивается с повышением
содержания Н2.
Рис.1. Концентрационные
пределы водородо - воздушных смесей:
1-воспламенение;
2-детонация.
Рис.2. Концентрационные
пределы детонации водородо – метановых смесей:b1-при температуре смеси 156єС; 2-при температуре смеси 38єС.
3. Работа
двигателя на водородном топливе.
3.1. Особенности
рабочего процесса.
По физико-химическим
свойствам и моторным качествам водород сильно отличается от применяемых в
настоящее время топлив, что ведет к ряду особенностей в организации и
протекании рабочего процесса ДВС.
С воздухом водород
устойчиво воспламеняется в широком диапазоне концентраций – вплоть до б=10.
Столь низкий предел воспламенения обеспечивает работу водородного двигателя на
всех скоростных режимах в широком диапазоне изменения составов смеси: примерно
от б=0,2 до б=5. В связи с этим мощность водородного двигателя может изменяться
качественным регулированием, при котором его КПД на частичных нагрузках
увеличивается на 25 – 50% [9].
Однако, если максимальное
значение эффективного КПД двигателя при работе на водороде выше, чем при работе
на бензине, то эффективная мощность заметно падает [10]. Последнее обусловлено
очень низкой плотностью водорода, что приводит к уменьшению наполнения
двигателя топливом. Например, при стехиометрическом составе смеси газообразный
водород, подаваемый вместе с воздухом, занимает почти 30% объема цилиндра,
тогда как распыленный и испаренный бензиновый заряд только 2- 4%. В целом
перевод на водород вызывает снижение мощности двигателя в среднем на 20-25%.
Наряду с этим применение водорода ведет к существенному увеличению эмиссии
окислов азота с ОГ, основной причиной которого является повышение температуры и
скорости сгорания [ ].
Температура воспламенения
водородных смесей выше, чем углеводородных, однако благодаря более низким
значениям энергии активации для воспламенения водорода требуется меньшее
количество энергии. Сравнительные характеристики параметров воспламенения
различных топлив в
двигателе с принудительным воспламенением приведены в табл. 4 [ ].
Таблица 4.
Характеристики
воспламенения некоторых топлив
Показатель |
Водород |
Изооктан |
Метан |
Температура
воспламенения, К |
858 |
810 |
530 |
Потенциал ионизации, эВ |
15,4 |
12,6 |
9,86 |
Минимальная энергия
воспламенения, мДж |
0,02 |
0,28 |
0,23 |
Водородно-воздушные смеси
характеризуются высокой скоростью сгорания в двигателе (табл.5), причем в
стехиометрической области периоды индукции очень малы и
сгорание протекает практически при постоянном объеме, что ведет к резкому
возрастанию давления.
Скорость нарастания
давления в цилиндре водородного двигателя для стехиометрических смесей почти в
3 раза выше по сравнению с бензиновым эквивалентом. При обеднении смеси она
снижается и для б=1,9 достигает значений скорости нарастания давления при работе
на стехиометрических смесях [ ].
Высокая реакционная
способность водорода в ряде случаев приводит к обратным проскокам пламени во
впускной трубопровод, преждевременному воспламенению и жесткому сгоранию топливных
смесей. В значительной степени эти недостатки могут быть ликвидированы путем
соответствующей модификации топливоподающей
Таблица 5.
Характеристики сгорания
топливных смесей в ДВС.
Двигатель |
Скор
Скоростной
режим, мин-1
|
С
Степень
сжатия
|
Скорость
распростра
нения
пламени,
м/с.
|
Время
сгорания,
град. ПКВ
|
Водородный
»
Бензиновый
»
|
1500
1500
1500
1500
|
12
14
12
14
|
48,3
51,6
16,45
16,0
|
15,7
14,4
41,0
42,2
|
системы двигателя. В
настоящее время для подачи водорода в ДВС применяются следующие способы:
впрыск во впускной
трубопровод;
использование
модифицированного карбюратора, применяемого в системах питания пропан-бутановыми
и природными газами;
индивидуальное
дозирование водорода в область впускного клапана каждого цилиндра;
непосредственный впрыск
под высоким давлением в камеру сгорания;
Первые два способа
обеспечивают устойчивую работу двигателя лишь совместно с такими мероприятиями
как частичная рециркуляция ОГ, присадка воды к топливному заряду, а также
добавка к нему бензина.
Рис.3.Устройства для
дозирования водорода под впускной клапан.
Частичная рециркуляция ОГ
за счет разбавления заряда инертными компонентами предотвращает обратные
вспышки и смягчает сгорания при работе двигателя на стехиометрических и богатых
смесях. Количество рециркулируемых газов, как правило, не превышает 10-20% от
поступающего в двигатель топливного заряда, однако любая степень рециркуляции
ведет к дополнительным потерям наполнения цилиндра. В отличие от рециркуляции
ОГ добавление воды или бензина (обычно впрыском во впускной трубопровод) не
приводит к ухудшению наполнения двигателя.
Страницы: 1, 2, 3, 4
|