Рабочий процесс малотоксичного транспортного двигателя, работающего с добавками водорода и водяного пара

В постановлении ЦК КПСС «Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 г.» подчеркнута необходимость создания транспортных энергосиловых установок, обеспечивающих существенное сокращение расходов топлива и энергии.

Несмотря на огромные природные ресурсы, которыми обладает наша страна, проблема их рационального использования и охрана окружающей среды приобретают особое значение. Решение этой проблемы требует больших затрат на мероприятия по охране природы. Государственные капитальные вложения в СССР на социальные мероприятия по ликвидации загрязнения внешней среды только за 1973;78 годы составили свыше 10,2 млрд рублей (от 1,5 до 1,8 млрд руб. в год).

В 10-й пятилетке на эти цели было выделено II млрд руб. В целом, по ориентировочным подсчетам, по основным отраслям народного хозяйства капитальные вложения экологического назначения в десятой пятилетке составили 25 млрд руб. [43].

Особое место при разработке методических вопросов оценки социально-экономической эффективности природоохранных мероприятий занимает проблема учета загрязнения окружающей среды токсичными выбросами (в частности автомобильных двигателей). Эта проблема привлекает все большее внимание советских и зарубежных ученых.

Двигатели внутреннего сгорания в настоящее время являются основным видом энергетических установок на транспорте. Непрерывный рост мирового автомобильного парка и расширение мер по защите окружающей среды выдвигают все более высокие требования к ограничению токсичности отработавших газов (ОГ) ДВС. В настоящее время загрязнение воздуха крупных городов примерно на 40 $ вызывается авто.

Проблемы снижения токсичности ОГ ДВС обостряются громадными масштабами энергетики автомобильного транспорта. Поэтому уменьшение токсичности ОГ ДВС за счет снижения мощности или увеличения удельного расхода топлива связано с огромными экономическими потерями. Все это стицулирует интенсивные поиски методов снижения токсичности, не ухудшающих мощностно-экономические характеристики двигате.

Другой важной проблемой является использование в ДВС энергоносителей не нефтяного происхождения. В настоящее время ископаемые топлива практически полностью обеспечивают энергетические потребности человечествапричем более 40% из них удовлетворяются за счет нефти. На нужды всех видов транспорта расходуется около 30 $ мировой добычи нефти, примерно Головина которой используется автомобильным транспортом [89, 98]. Однако в связи с низким удельным весом нефти в мировых энергоресурсах и возрастанием ее потребления другими отраслями народного хозяйства, истощение традиционной энергетической базы автомобильного транспорта неизбежно и является лишь вопросом времени. Прогнозируемое развитие потребления и добычи нефти при максимальной и минимальной оценке ее мировых запасов (соответственно 354 и 182 млрд. т) показано на рис. 1. Эти запасы (при соответствующем расширении производственной базы) обеспечат наибольшую добычу нефти в период между 1985 и 2000 гг., после чего она начнет быстро сокращаться. В связи с этим возникает проблема поиска энергоносителей, ресурсы которых в обозримом будущем не были бы ограниченными и использование которых было бы безвредным в экологическом отношении. мобильным транспортом ля. М нлрд. т 5 4 3 Z У о mo 1975 2000 Z0H5 годы, Стр. 9 '.

Рис. 1. Изменение мировой добычи и потребления нефти (по данным [14]): I — потребность в нефти- 2 — добыча нефти при максимальном уровне запасов- 3 — добыча нефти при минимальном уровне запасов.

Рис. 2. Производство водорода в мире (по данным [72]).

В качестве одного из энергоносителей не нефтяного происхождения может быть использован водород [91, 99, 102, 104], производство которого растет с каждым годом (рис.2), хотя на сегодня масштабы этого производства не соизмеримы с производством нефти. Принципиальным достоинством водорода является полная нетоксичность продуктов его сгорания.

Переводом автомобильных и других тепловых двигателей на водород или на частичное питание водородом у нас в стране и за рубежом занимаются несколько десятилетий. Еще в 20-е годы 20 столетия Ри-кардо были проведены стендовые испытания поршневых двигателей, переведенных на водород. В нашей стране вопросом перевода двигателей внутреннего сгорания на водород или работу с добавкой водорода в разное время занимались В.И.Сороко-Новицкий, Ф. Б. Перельман, Е. К. Кореи, И. А. Варшавский, Б. Е. Лавров, В. И. Хмыров и другие исследователи.

В настоящее время в нашей стране проводится широкий комплекс фундаментальных исследований работы тепловых двигателей на водороде и бензоводородных смесях. Данная работа является частью этих исследований и посвящается рассмотрению вопросов экономических и токсических характеристик двигателей с искровым зажиганием при работе с добавками водородаопределению экономического эффекта, связанного со снижением воздействия ОГ автомобильного двигателя на окружающую среду при переводе его на работу с добавкой водорода, и влиянию добавки водорода на рабочий процесс двигателя с искровым зажиганием.

I. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ НА УГЛЕВОДОРОДНОМ ТОПЛИВЕ С ДОБАВКАМИ ВОДОРОДА.

Одним из основных направлений совершенствования двигателей внутреннего сгорания является повышение их топливной экономичности, Но повышение топливной экономичности ДВС традиционными методами приводит к ухудшению других характеристик, в частности — токсических. Топливная экономичность карбюраторного двигателя в значительной степени определяется составом топливовоздушной смеси, на которой он работает, т. е. коэффициентом избытка воздуха ск. При работе карбюраторного двигателя на бензовоздушной смеси коэффициент избытка воздуха обычно лежит в диапазоне ск= (0,8 — 1,2). Это объясняется узкими концентрационными пределами воспламенения бензовоздушной смеси. Обеспечение высокой топливной экономичности карбюраторного двигателя возможно в случае применения топлива с широкими концентрационными пределами воспламенения. Таким топливом является водород.

Водород может рассматриваться как возможное топливо для автомобильных поршневых ДВС как в чистом виде, так и в виде присадки.

I.I. Возможность применения водорода в качестве автомобильного топлива сравнении с другими возможными видами автомобильного топлива преимуществами водорода являются: с.

— высокая теплота сгорания — 1,2*10 кДж/кг,.

— хорошая воспламеняемость водородовоздушной смеси в широком диапазоне температур, что обеспечивает хорошие пусковые свойства двигателя при любых температурах атмосферного воздуха,.

— безвредность отработавших газов: полная безвредность при использовании в качестве окислителя кислорода, и минимальная при использовании в качестве окислителя атмосферного воздуха,.

— высокая антидетонационная стойкость, допускающая работу при степени сжатия? = 14,.

— высокая скорость сгораниядля стехиометрической водородо-воэдушной смеси она в 4 раза больше, чем для бензовоздушной, что обеспечивает лучшую полноту сгорания водорода и определяет более высокий термический КПД (на 20−25 $).

95, 96],.

— воспламеняемость в широком диапазоне смесей с воздухом, нижняя граница воспламеняемости составляет 4% содержания водорода в воздухе, верхняя — 75 $- стехиометрическая смесь содержит 30 $ водорода. Столь широкий диапазон воспламеняемости делает возможным осуществить качественное регулирование мощности в ДВС путем изменения количества подаваемого водорода вместо обычного количественного регулирования (путем изменения количества подаваемой смеси определенного состава). При применении водорода можно в значительной мере отказаться от дросселирования потока воздуха на впуске и тем самым увеличить экономичность двигателя на режимах частичных нагрузок [юз].

Все вышеуказанные преимущества могут быть реализованы в ДВС при условии некоторых конструктивных переделок самого двигателя.

Водород может быть использован в качестве топлива и в стандартном автомобильном двигателе без конструктивных его изменений, однако при этом не будут реализованы все преимущества водорода, определяемые его физико-химическими особенностямимощность двигателя.

— 1Ъможет понизиться вследствие Меньшей плотности и более низкой теплоты сгорания стехиометрической водородовоздушной смеси о О.

3,65.10° кДж/м) в сравнении с бензовоздушной смесью о о.

3,98.10° кДж/м°). Однако это снижение может быть компенсировано повышением КПД за счет увеличения степени сжатия и скорости сгорания.

Для реализации преимуществ водорода в качестве автомобильного топлива необходимы следующие конструктивные изменения бензинового двигателя:

— увеличение степени сжатия до допустимой, с точки зрения антидетонационной стойкости, для водорода;

— предотвращение возможности преждевременного воспламенения, обратных вспышек, определяемой большей скоростью распространения пламени водородовоздушной смеси, чем бензовоздушной, в частности устранение горячих точек и отложений в камере сгорания (применение «холодных11 свзчзй, охлаждение клапанов) [35, 36, 5б}, переделка системы зажигания (перекрестная прокладка и экранирование кабелей);

— уменьшение угла опережения зажигания с учетом полного сгорания смеси в ВМТ;

— изменение системы питания с учетом возможности увеличения коэффициента избытка воздуха, что является необходимым для использования преимуществ водорода;

— осуществление мер по предотвращению образования окислов азота в 0 Г, при использовании в качестве окислителя атмосферного воздуха (понижение температуры сгорания смеси путем рециркуляции 0 Г [39, 49], присадка воды или пара[56, 61−64] присадка NH3 и др.);

Вышеназванные конструктивные изменения современного автомобильного двигателя для его работы на чистом водороде являются минимально необходимыми.

Рабочий процесс ДВС с искровым зажиганием при работе на чистом водороде отличается высокойстабильностью в широком диапазоне коэффициента избытка воздуха ск. Но при составах водородовоздушной смеси, близких к стехиометрическому, нарушается рабочий процесс и ухудшаются его показатели. Работа двигателя становится жесткой dP при ск = I Ц75 = 0,27 МПа/град — при работе на бензине и dP г 1 °"56 МПа/град — при работе на водороде (5, II, 51, 70)), возникают обратные вспышки на всасывании, при подаче водорода во впускной тракт мощность и КПД двигателя снижаются.

По вышеуказанным причинам применение водорода в качестве основного топлива в двигателях с искровым зажиганием без его конструктивных переделок или значительного снижения мощности в настоящее время не представляется возможным. В то же время водород может использоваться в качестве инициирующей добавки к бедным бензовоз-душным смесям для расширения пределов их воспламенения и обеспечения устойчивости работы двигателя на этих смесях.

Величина инициирующей добавки находится в пределах 4−5 $ по массе от расхода бензина.

Добавка водорода в указанных количествах к бензовоздушным смесям обеспечивает увеличение эффективности цикла, снижение расхода бензина на 25−30 $ [50].

Результаты работы использованы при создании макетного образца малотоксичной моторной установки автомобиля УАЗ-452 В и при разработке технических предложений по созданию транспортной энергетической установки, работающей без загрязнения окружающей среды токсичными продуктами. Разработанные методы расчета используются на кафедре ДВС ЛПИ им. М. И. Калинина в учебном процессе и при проведении научных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенный комплекс теоретических, расчетных и экспериментальных исследований позволил выявить ряд особенностей работы карбюраторного двигателя с добавками пароводородной смеси. По результатам работы можно сделать следующие основные выводы:

1. Применение добавки пароводородной смеси в цилиндры карбюраторного двигателя дает возможность значительно снизить выброс токсичных составляющих в атмосферу, уменьшить расход углеводородных топлив и повысить общую экономичность двигателя.

2. Характеристики тепловыделения карбюраторных двигателей могут с достаточной точностью описываться формулой И. И. Вйбе, в которой параметры fit и определяются на основе анализа процессов горения с учетом нормальной скорости распространения пламени и условий формирования турбулентных пульсаций.

3. Разработанная математическая модель и методика расчета рабочих циклов двигателя позволяют учитывать особенности протекания физических процессов в цилиндре, обусловленные сгоранием топлив различных составов и дают хорощую сходимость расчетных данных с результатами эксперимента.

4. Разработанные методы расчета могут служить основой для прогнозирования и оптимизации характеристик различных двигателей при варьировании состава бензопароводородовоздушных смесей .

В ходе работы получен также ряд конкретных результатов:

1. Показан экономико-экологический эффект от снижения токсичности ОГ за счет применения добавок пароводородной смеси. Расчетный экономический эффект составляет от 0,81 до 3,9 тыс. рублей в год на один автомобиль ГАЗ-24.

2. На основе анализа процессов распространения пламени и сгорания в карбюраторных двигателях получены зависимости, связывающие параметры характеристик тепловыделения (формула И.И.Вибе) с нормальной скоростью распространения пламени и режимными параметрами работы двигателя.

3. Проведенные исследования показали снижение расхода бензина на 20−26 $, увеличение индикаторного КПД на 2−6 $, снижение токсичности ОГ: СО — в 10−30 раз, N0X — в 1*3−3,5 раза на режимах частичных нагрузок. На режиме номинальной нагрузки концентрация NQX в ОГ возрастает на 10% по сравнению с работой на бензине.

4. Экспериментальное исследование подтвердило правильность предпосылок расчетной модели и дало материал для конкретизации и уточнения расчетных зависимостей.

5. Результаты расчетов и экспериментов показали, что наиболее целесообразный состав смеси должен включать 5−6 $ водорода по массе от номинального расхода бензина, а массовое соотношение расходов пара и водорода должно лежать в пределах от 4:1 до 5:1.

6. Показано существование допустимого предела по добавке водорода и его зависимость от режима работы двигателя.

Для проведения работы и получения надежных и достоверных результатов были разработаны следующие методы и средства исследований:

1. Разработана методика экономической оценки эффективности применения добавки пароводородной смеси с учетом снижения ущерба от загрязнения окружающей среды применительно к транспортным двигателям.

2. Разработана методика пересчета характеристик тепловыделения на основе модельного определения нормальных скоростей распространения пламени.

3. Создана экспериментальная установка, снабженная автономным генератором водорода с соответствующими средствами регулирования и измерения.

4. Разработан прибор и методика для определения содержания пара и водорода в подаваемой в двигатель смеси.