Кратък преглед на разработките за използване в двигатели с вътрешно горене
Категория: Инженерни науки
Библиографско описание:
Бързо растящият брой автомобили в света изисква ускоряване на търсенето на начини за решаване на енергийни и екологични проблеми. Това налага непрекъсната работа за подобряване на работните процеси на автомобилните двигатели, включително разширяване на гамата от автомобилни горива. От края на 70-те години на миналия век вниманието на автомобилостроителите е все повече привлечено от използването на водород като автомобилно гориво.
В научните и промишлени институции на СССР започна активна работа в тази посока. Те бяха ръководени от NAMI, Института по инженерни проблеми на Украинската академия на науките, Волгоградския политехнически институт (VPI) и други организации. Тези работи позволиха да се създадат основите на теорията за работните процеси на двигателите с вътрешно горене при използване на водород в горивни смеси. Практическото прилагане на резултатите от тези изследвания направи възможно създаването на дизайни на автомобили, използващи добавянето на водород към смесите въздух-гориво. Тези работи са извършени под ръководството на I. L. Varshavsky, A. I. Mishchenko [1] и редица служители на NAMI.
В теоретичните изследвания сериозен принос има екип от изследователи от VPI и екип от Политехническия институт в Толиати.
Този преглед не претендира за широко разглеждане на проблемите с използването на водород в автомобилната индустрия и се отнася главно до резултатите, постигнати от гореспоменатите научни и индустриални институции.
Използването на водород в машиностроенето изисква неговото изследванетоплофизични и двигателни свойства. Такива изследвания са описани в докторската дисертация на Ю. А. Трелин. Фрагменти от неговите изследвания [2], които отчитат свойствата на водорода като добавка към бензиново-въздушни смеси, са показани в таблица 1.
Термохимични характеристики на водородни бензинови горивни състави (HBFC)
Индикатор
Процент (по маса) на добавяне на водород вBVTK
0
10
20
30
50
80
Еквивалентна въглеводородна формула на BVTK
Долна топлина на изгаряне на БВТК, MJ/kg
Топлина на изгаряне на въздушно-горивна смес с БВТК, MJ/kg
Това предположение беше тествано върху четиритактов едноцилиндров карбураторен двигател с въздушно охлаждане със степен на сгъстяване ε = 4. Тази степен на сгъстяване осигури достатъчно висока стабилност на пробивните напрежения и енергията на искра както при работа с бензиново-въздушни смеси, така и с водородни добавки. Разходът на водород се отчита с помощта на калибрирана измервателна диафрагма, разходът на въздух - с уред, разработен във ВПИ, гориво - по обемен метод. Двигателят беше индексиран с помощта на тензометър.
На фиг. Фигура 1 показва кривите на изменение на продължителността на първата фаза на горене τI при ъгъл на отваряне на дросела φdr = 15% и различни обороти на вала на двигателя. Коефициентът на излишък на въздух е в рамките на 0,8÷1,0. По-малките стойности на α се отнасят за работа на двигателя без водородни добавки. При подаване на водород количеството бензин в сместа съответно намалява. Както може да се види, добавянето на водород при постоянна енергия на искра доведе до намаляване на продължителността на първата фаза на горене τI с 2–2,5 пъти (по-големите стойности съответстват на по-ниска скорост на въртеневал на двигателя)
Ориз. Фиг. 1. Зависимост на продължителността на първата фаза на горене от честотата на въртене на коляновия вал при φdr = 15%: 1 — бензино-въздушна смес; 2 - смес бензин-въздух с водородни добавки
Това намаление на τI се обяснява с нарастването на активните центрове при добавяне на водород, чиито атоми са силно активни, към сместа. Намаляването на τI води до увеличаване на стабилността на цикъла на запалване, което от своя страна позволява да се увеличи ефективната граница на изчерпване на сместа и да работи двигателят с вътрешно горене на бедни смеси, т.е. с висока ефективност. Ефектът на водорода е толкова по-значителен, колкото по-бедна е основната бензино-въздушна смес (фиг. 2).
Ориз. 2. Граници на изчерпване на смеси бензин-въздух: 1 - теоретична; 2 - експериментален по отношение на границата на запалване; 3, област с висока емисия на CnHm; 4 - експериментално за минимална емисия на CnHm
Както показаха експериментите на V. Z. Gibadullin [4, 5], принудителното запалване се извършва и с локално обогатяване на бензино-въздушната смес в областта на междуелектродните междини на запалителните свещи както в буталните, така и в ротационно-буталните двигатели. Положителен ефект върху запалването на локално обогатяване на горивни касети с водород има замяната на бензина в горивните касети с метан, който има по-ниска скорост на изгаряне. Това беше потвърдено от експерименти, проведени с локално подаване на водород към областта на междуелектродната междина, използвайки метан и пропан като гориво [7].
Изследванията, проведени от учените на AvtoVAZ, потвърдиха, че обогатяването на сместа метан-въздух с водород не само ускорява процеса на запалване, но и значително повишава горивната ефективност на двигателя [8]. Този резултат е много важен при смяна на захранването на двигателя с вътрешно горене с метан вместо с бензин.
Проведено по-късно в Техническите университети в Толиати и Волгоградпроучвания [9] показват, че ефектът от добавянето на водород към сместа се проявява по различен начин в различните етапи на процеса на горене в двигател с вътрешно горене: той е по-голям в етапите на запалване и последващо изгаряне. Ефектът на тези добавки върху основния етап на турбулентното горене изисква изясняване на ролята, която играят параметрите на турбулентността на този етап. На етапа на доизгаряне добавянето на водород към сместа забележимо ускорява процеса на доизгаряне и неговата пълнота, осигурявайки подобрение на енергийните и екологични характеристики на двигателя.
В [10] беше установено, че с увеличаване на добавките на водород и увеличаване на скоростта на горене, ефективността на преобразуване на топлината в работа се увеличава. Тази ефективност е оценена в [10] чрез дела на отделената топлина в характерните точки на цикъла на двигателя: TDC - XBDC; максимално циклично налягане PZ - XPz; максимална температура Tz - XTz. Отбелязва се, че най-голямо влияние от добавянето на водород към сместа се оказва върху XVDC, което има благоприятен ефект върху горивната ефективност на двигателя.
В [10], използвайки методите на математическата статистика, беше показано, че токсичността на отработените газове на двигател с искрово запалване, работещ на смеси бензин-водород-въздух, се определя от комбинирания ефект на съотношението на водород в сместа, скоростта на вала на двигателя, разхода на бензин, момента на запалване и разстоянието между електродите в запалителната свещ.
Резултатите от проучвания [2, 4, 8] бяха допълнително потвърдени от обширни изследвания на I. L. Varshavsky [15]. Материалите, описани в горните проучвания, показват недвусмислените енергийни и екологични предимства на двигателите, работещи на смеси бензин-водород-въздух, т.е. на смеси бензин-въздух с водородни добавки. Това определи практическата осъществимост на създаването на автомобили, чиито двигатели ще се задвижват отбедни смеси бензоводород-въздух. Такава работа се извършва активно, по-специално, в NAMI и Института по проблеми на машиностроенето на Академията на науките на Украинската ССР [13]. Създадени са експериментални автомобили РАФ 22034, ГАЗ-24 Волга, ВАЗ 2101 Жигули и др.
В тези превозни средства необходимото количество водород на борда на превозното средство се съхранява в метални хидридни батерии. Таблица 2 показва характеристиките на някои метални хидриди, взети от [12].
Характеристики на някои системи за съхранение на водород от метален хидрид