Дипломная работа: Новые транспортные двигатели

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.

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

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.

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.

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.

Страницы: 1, 2, 3