Дипломная работа: Новые транспортные двигатели

Типичные два варианта индивидуального дозирования водорода показаны на рис.3. В конструкции (рис. 3,а) подача Н2 в камеру сгорания происходит следующим образом. На такте всасывания впускной клапан открывается, освобождая тем самым расходные отверстия трубопроводов 4, подающих водород [ ]. Под действием разряжения в цилиндре водород всасывается в камеру сгорания. Так как в системе впуска отсутствуют дросселирующие участки, величины разряжения при впуске будут несколько снижены, благодаря чему снижается количество масла, засасываемого через поршневые кольца в камеру сгорания и сгорающего вместе с топливом. Это приводит к уменьшению вредных выбросов ДВС, особенно при старении двигателя и износе поршневых колец. По другому варианту конструкции (рис.3,б) дозирующее устройство обеспечивает впрыск водорода непосредственно на впускной клапан 3 [ ]. Центральный поршенек 2 поддерживается в постоянном контакте с поверхностью впускного клапана посредством легкой пружины 1 и давления газа, которое составляет примерно 0,1 МПа. Устройство отрегулировано таким образом, что отверстия для впуска Н2 открываются позже впускного клапана 3, а закрываются раньше, при этом время их открытия соответствует половине времени открытия впускного клапана.

Наилучшие результаты дает организация впрыска водорода непосредственно в камеру сгорания. При этом полностью исключаются обратные вспышки во впускном трубопроводе, а максимальная мощность не только не снижается, но даже может быть повышена на 10-15% [ ].

Использование водорода в дизельных двигателях затрудняется его высокой температурой самовоспламенения. Поэтому для организации устойчивого воспламенения водорода дизели конвертируются в двигатели с принудительным зажиганием от свечи или запальной дозы жидкого топлива. При этом водород может подаваться как совместно с воздухом, так и путем непосредственного впрыска в цилиндры. Однако устойчивая работа дизеля на водороде обеспечивается только в узком диапазоне топливных смесей, ограниченном пропусками воспламенения и детонацией. В случае газожидкостного процесса граница детонации (см. рис.4) определяется составом смеси и ее температурой [ ]. Повышение дозы запального топлива улучшает антидетонационную стойкость смеси и в то же время расширяет границы воспламенения. Поэтому нормальная работа водородного дизеля возможна только при строго определенном минимальном расходе запального топлива, определяемом режимом работы и составом смеси.

Следует отметить, что при работе ДВС на водороде значительно уменьшается выделение твердых частиц примерно в 1000 раз по сравнению с бензином. Благодаря этому, а также отсутствию органических кислот, образующихся при сжигании углеводородов, увеличивается срок службы двигателя и сокращаются затраты на его ремонт.

Рис.4. Границы устойчивой работы дизельного двигателя на водороде:

1-детонация; 2-воспламенение.

3.2. Работа ДВС на чистом водороде.

Согласно результатам, полученным при индицировании одноцилиндрового двигателя, работающего на водороде, при обеднении топливной смеси динамика нарастания давления резко падает, а при значениях б>3,5 остается практически постоянной. Напротив, величина задержки воспламенения растет, главным образом, за счет увеличения времени саморазгона реакций сгорания при уменьшении концентрации водорода в топливной смеси. В связи с этим при б>1,8 появляются колебания максимального давления в цикле, которые при б>4,5 приводят к неустойчивой работе водородного двигателя. Неустойчивость также имеет место при обогащении топливо-воздушной смеси, однако обусловливается в этом случае чрезмерно высокими скоростями нарастания давления при сгорании. Подобное неустойчивое сгорание обычно связано со слышимыми «стуками» и мгновенными колебаниями скорости вращения вала двигателя.

Особо следует остановиться на явлениях преждевременного воспламенения и обратных вспышек во впускном трубопроводе водородного двигателя. Причинами преждевременного воспламенения могут быть перегрев источника зажигания, масляный нагар, а также индуктивные наводки в проводах и других элементах системы зажигания. Обратные вспышки - характерный недостаток большинства систем дозирования водорода во впускной трубопровод. Они происходят на такте впуска вследствие воспламенения водородо-воздушной смеси от отдельных перегретых точек свечи зажигания, а также от горячих остаточных газов. Снижение частоты появления обратных вспышек может быть достигнуто посредством увеличения степени сжатия ( с целью уменьшения количества остаточных газов) или установкой специальной свечи зажигания. При использовании обычной свечи зажигания водородный двигатель устойчиво работает в очень узком диапазоне изменения б, тогда как модифицированная свеча зажигания обеспечивает его нормальную работу, начиная с б=1,55. Что касается показателей работы двигателя на соответствующих режимах, то они практически идентичны на обоих типах свечей.

При дозировании водорода во впускной трубопровод сгорание топливных смесей вблизи стехиометрического состава происходит с очень высокими скоростями и практически без задержки воспламенения. Кроме того, в этой области имеется тенденция к преждевременному воспламенению. В результате указанные факторы приводят к остановке водородного двигателя при обогащении топливной смеси. Характерно, что на оборотах ниже примерно 0,7 от номинальных двигатель останавливается без появления обратных вспышек. Причиной остановки двигателя в этом случае является раннее завершение процесса сгорания, вследствие чего работа газа на ходе сжатия получается больше, чем на ходе расширения. С другой стороны, при оборотах двигателя, близких к номинальным, возможно обогащение топливной смеси вплоть до б=1. Однако дальнейшее обогащение топливного заряда в этих условиях приводит к появлению обратных вспышек и остановке двигателя, что связано с перегревом элементов камеры сгорания, ведущим к преждевременному воспламенению водородо-воздушной смеси.

Для получения удовлетворительных мощностных показателей водородного двигателя, а следовательно, обеспечения его устойчивой работы в области б≤1, в первую очередь необходимо снизить температурную напряженность рабочего цикла. С этой целью целесообразно увеличивать рабочий объем цилиндров двигателя, что, в частности, позволяет предотвратить самовоспламенение благодаря снижению температуры стенок цилиндров. Хорошие результаты дают охлаждение зоны выпускного клапана, а также использование «холодной» свечи зажигания, снижающие тенденции водородных двигателей к детонации при работе на стехиометрических смесях. Однако наилучшие показатели двигателя обеспечиваются при использовании управляемой подачи (впрыска) водорода непосредственно в камеру сгорания. Помимо полного устранения обратных вспышек и преждевременного воспламенения смеси, при этом обеспечиваются более приемлемые скорости нарастания давления в цикле даже в области стехиометрических соотношений.

В случае обеднения смеси при подаче водорода во впускной трубопровод на режимах малых нагрузок и холостого хода также имеют место обратные вспышки, однако они не приводят к остановке двигателя и проявляются только в колебаниях его оборотов. Частота обратных вспышек на этих режимах не зависит от типа свечи зажигания, так как основной причиной появления неустойчивости данного типа является относительно большое количество кислорода в остаточных газах, с которым активно реагирует водород в момент подачи в камеру сгорания [ ].

Максимум индикаторного КПД водородного двигателя имеет место при б=2,5ч2,7 и при дальнейшем обеднении смеси несколько снижается [ ]. При этом оптимальный угол опережения зажигания изменяется в довольно широких пределах, например, при увеличении б от 1,0 до 3,1 соответственно от 1,5 до 25є при 1500 об/мин. Вследствие высокой скорости сгорания водорода оптимальный угол опережения зажигания даже для ультрабедных водородо-воздушных смесей ( б=3,0ч3,5) не превышает оптимум угла опережения зажигания бензо-воздушных смесей с б=1,1.

Состав отработавших газов водородного двигателя существенно отличается от состава отработавших газов бензинового ДВС в основном за счет отсутствия углерода в топливе. Тем не менее в выхлопных газах водородного ДВС присутствует незначительное количество СО и СН (см. рис 5), наличие которых обусловлено выгоранием углеводородных смазок, попадающих в камеру сгорания. Максимальная величина эмиссии NOх вследствие более высоких температур сгорания водорода примерно вдвое выше, чем у бензинового двигателя.

Рис.5. Состав отработавших газов водородного двигателя:

1-богатая граница устойчивой работы на водороде; 2-бедная граница устойчивой работы на изооктане; 3-бедная граница работы на водороде.

Добавка к водородному топливу воды позволяет резко снизить содержание окислов азота в ОГ без существенных потерь мощности двигателя или ухудшения его КПД.

3.3 Работа ДВС на бензо–водородных смесях.

В этом случае благодаря повышению реакционной способности топливо–воздушной смеси появляется возможность работы двигателя, как и в случае чистого водорода, на переобедненных смесях, главным образом в области частичных нагрузок и режиме холостого хода. Согласно экспериментальным данным [ ], зависимость эффективного предела обеднения бензо – водородных смесей от количества добавок водорода носит нелинейный характер:

Содержание Н2, % по массе…………

Нижняя граница устойчивой работы 0 10 20 40 100

ДВС, б……………………………... 1,12 1,67 2,5 3,34 5,0

Поэтому наиболее целесообразно использование топливных смесей с добавкой водорода до 20% по массе, соответствующих пределу обеднения порядка б=2,5. Этот предел эффективного обеднения определен при условии устойчивой работы двигателя без пропусков сгорания. Пропуски сгорания достаточно точно могут быть определены по моменту резкого возрастания концентрации СН в ОГ ДВС, а также значительным колебаниям давления с понижением температуры в выпускном коллекторе.

На рис. 6 показано изменение состава ОГ по б при работе дви гателя на добавках водорода, соответствующих рассмотренным нижним пределам обеднения топливной смеси [ ]. До б=1,1 двигатель работает на чистом изооктане, затем постепенно наращивается процент водорода в смеси вплоть до перехода на чистый водород.

Рис.6. Изменение состава ОГ при работе двигателя на водородо - изооктановых смесях в области предельного обеднения.

Изменение количества окислов азота при этом практически соответствует количеству NOх в ОГ при работе ДВС на чистом водороде: при б>1,8 концентрация NOx незначительна. Что касается эмиссии углеводородов, то после достижения минимума при б=1,25 по мере дальнейшего обеднения смеси их количество в ОГ снова возрастает, отражая тем самым увеличение недогорания углеводородного топлива. В то же время работа двигателя в ультрабедной области лишь незначительно сказывается на эмиссии СО. Значение индикаторного КПД двигателя при переходе к переобедненным смесям возрастает от 33% для б=1 до 37% при б=1,8, а индикаторная мощность уменьшается в том же диапазоне на 30% за счет снижения количества подведенного тепла.

При организации работы автомобиля на бензо – водородных смесях могут быть использованы следующие способы дозирования водорода: 1) постоянная подача неизменного количества водорода независимо от режима работы двигателя; 2) регулируемая подача водорода, поддерживающая его определенную долю в топливной смеси (например, 10% от количества бензина на всех режимах работы двигателя).

Первый вариант дозирования отличается простотой, так как в этом случае требуется лишь дозирующая шайба, обеспечивающая определенный расход водорода на номинальном режиме работы двигателя. Для поддержания исходной теплопроизводительности топливной смеси количество подаваемого бензина следует уменьшать, в частности посредством отключения системы холостого хода карбюратора. Необходимая работоспособность двигателя на холостом ходу и режимах малых нагрузок успешно обеспечивается водородо – воздушными смесями. На рис.6 представлено изменение параметров топливной смеси в эмиссии NOx при различных скоростях движения с постоянным расходом добавки водорода, равным 18 г/мин [ ].         На основании этих данных можно заключить, что выброс NOx при движении автомобиля со скоростью 30 км/ч примерно в 5 раз больше, чем при движении со скоростью 60-100 км/ч. Эта закономерность обусловлена обогащением топливной смеси при низких скоростях движения автомобиля из-за постоянного расхода водорода.

Для поддержания постоянного соотношения «водород/топливо» и состава смеси на всех режимах работы требуется система дозирования водорода и бензина в соответствии с изменением расхода воздуха. Для этой цели может быть использован газовый редуктор в комбинации с бензиновым карбюратором. Результаты испытаний автомобиля с комбинированной системой подачи водорода и бензина представлены на рис.7.б. Добавка водорода на всех режимах поддерживалась практически постоянной – 10%, тогда как состав смеси изменялся от б=1,8 на холостом ходу до б=1,5 на скорости автомобиля 100 км/ч. Это сравнительно небольшое обогащение смеси на высоких скоростях движения ведет к существенному увеличению выбросов NOx. . Тем не менее в условиях городского движения с низкими и средними скоростями этот способ дозирования, несомненно, обеспечивает более приемлемые уровни эмиссии NOx с ОГ автомобиля. Это подтверждается результатами испытания [ ] автомобилей с рассмотренной системой дозирования топлива по стандартному ездовому циклу:

Компонент ОГ……………… NOx СО СН

Удельный выброс, г/км……. 0,24 2,1 1,9

Снижение добавок водорода до 5% позволяет сохранить максимальную мощность двигателя при определенном улучшении его экономических и токсических характеристик.

Рис.7. Характеристики топливной смеси и выбросы окислов азота при работе двигателя с различными способами добавки водорода:

а-постоянная добавка; б-регулируемая добавка.

4. Водородные автомобили

Многочисленные схемы возможного применения водорода на автомобиле делятся на две группы: в качестве основного топлива и как добавки к современным моторным топливам. В рамках этих вариантов водород может использоваться в чистом виде (т.е. индивидуально) либо в составе вторичных энергоносителей. Водород как основное топливо является более далекой перспективной, связанной с переходом автомобильного транспорта на принципиально новую энергетическую базу. В то же время применение водородных добавок, позволяющих улучшить экономические и токсические показатели автомобильных двигателей, может быть реализовано в самое ближайшее время.

Америка поставила себе задачу: в ближайшие 10 – 15 лет избавиться от нефтяной зависимости. Единственный выход – как можно скорее запустить в серийное производство водородный автомобиль. Европа боится отстать, кроме того, европейцам приходится выполнять принятые у них нормы на выброс вредных веществ автотранспортом, которые все время ужесточаются. В 1993 году были введены нормы «Евро-1», в 1996 году - «Евро-2», в 1999 году - «Евро-3», а с 2005 года в Европе планируется ввести в действие еще более жесткие нормы - «Евро-4». В перспективе автомобилям совсем запретят выбрасывать вредные вещества, и тогда нельзя будет обойтись без машины, работающей на водороде. Автомобилестроение – это область, в которой как нигде перемешаны политика, интересы крупных корпораций, социология и экология. Но каковы бы ни были скрытые интересы сторон, гонка за водородным автомобилем началась.

Главное препятствие к внедрению водородного автомобиля на топливных элементах – отсутствие инфраструктуры промышленного получения водорода в нужных объемах, систем его хранения, транспортировки и заправки автомобилей. По мнению американских специалистов, такую инфраструктуру удастся создать не раньше чем в 2020 – 2030 гг. На переходный период ведущие автопроизводители предложат так называемые «гибридные автомобили»: в них экономичный двигатель внутреннего сгорания подзаряжает аккумуляторную батарею, которая питает электрический двигатель. Такие автомобили разрабатывают практически все ведущие автомобильные компании и уже серийно выпускают в Японии.

Россия в 1987 году присоединилась к Женевскому соглашению и теперь тоже обязана выполнять Европейские нормы выброса вредных веществ автотранспортом. И хотя у нас эти нормы вводят с некоторым опозданием («Евро-1» - с 1999 года, «Евро-2» - с 2001 года), «процесс пошел». В общем-то пора: в Москве и других крупных городах более 80% токсичных выбросов приходится на долю автотранспорта. Поэтому мы в гонке водородных автомобилей обязательно примем участие, тем более что когда – то наши разработки в этой области были на весьма высоком уровне: например, в 90-х годах прошлого столетия в ГНЦ РФ НАМИ сделали образец «Москвича», с двигателем, работающем на водороде, который получали прямо на борту из метанола. Более того, недавно на АвтоВАЗе сделали образец электромобиля, работающего на водородных топливных элементах. С 2001 года в странах Евросоюза для всех новых автомобилей вводятся нормы токсичности «Евро-3», см. табл. 6 [ ].

Классическая схема: двигатель внутреннего сгорания или дизельный двигатель приводят в движение колеса через механический привод. Нас окружают тысячи автомобилей, но мало кому приходит в голову, что их эффективность катастрофически мала. Если взять так называемые «условия городского цикла движения», то общий КПД автомобиля – 10-12% (за городом, где меньше светофоров, 15-17%)! Девять литров бензина из десяти попросту улетают в атмосферу [ ].

Таблица 6.

Требования к токсичности выхлопа.

Страницы: 1, 2, 3, 4