Разработка и исследование топливной аппаратуры для ДВС, работающих на смеси бензина с водородом

В современных условиях в результате высоких темпов развития транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания они стали одним из основных источников загрязнения атмосферного воздуха и основным потребителем моторных нефтяных топлив. На долю автомобильного транспорта приходится около 60% всех вредных выбросов, поступающих в атмосферу крупных промышленных центров и около 20% потребления добываемой нефти. Поэтому энерго-экологическая проблема автомобильного транспорта приобрела в настоящее время особую актуальность.

Решениями ХХУ1 съезда КПСС на 1980 — 1985 гг. намечено «.создавать принципиально новые виды транспортных средств, а также транспортные энергосиловые установки, обеспечивающие существенное сокращение расхода топлива и энергии.» Вместе с тем «.необходимо совершенствовать методы повышения эффективности мероприятий в области охраны окружающей среды, всемерно развивать экологию.» / I /.

С начала 70-х годов в связи с обострившейся энерго-эко-логической ситуацией у нас в стране и за рубежом большое внимание уделяется использованию синтетических топлив, в частности водорода и водородоносителей как топлива для ДВС. Преимущества и недостатки водорода как самостоятельного топлива хорошо изучены на сегодняшний день. Применение его в чистом виде сдерживается трудностями, связанными с нарушением рабочего процесса при работе на смесях, близких по составу к сте-хиометрическому, сложностью топливной аппаратуры для двигател ей с внутренним смесеобразованием и отсутствием ёмких способов аккумулирования водорода. / 2, 3 /.

Более интересным и перспективным с точки зрения практического использования является применение водорода в качестве дополнительного топлива к бензину. Это направоение открывает реальную возможность для повышения КПД бензиновых автомобильных двигателей, существенного снижения расхода бензина, а также уменьшения содержания токсичных компонентов в отработавших газах. /4, 5, б /.

Большой практический интерес представляет создание универсальной топливной аппаратуры, обеспечивающей работу двигателя как на смесях бензина с водородом, в соответствии с выбранным оптимальным законом регулирования, так и на бензине. Необходимость работы на бензине на данном этапе обусловлена отсутствием сети водородных заправочных станций.

Настоящая работа посвящена созданию и исследованию универсальной топливной аппаратуры двигателя, обеспечивающей оптимальное регулирование его при работе на двухкомпонентной топливной смеси и на бензине.

Разработаны физические и математические модели топливной аппаратуры, что позволило выявить соотношения между её регулировочными параметрами, необходимые для обеспечения смешанного регулирования рабочего процесса при переменном коэффициенте избытка воздуха и переменном соотношении бензин-водород в топливовоздушной смеси.

Созданы опытные образцы топливоподающей аппаратуры. Проведен комплекс экспериментальных исследований их характеристик на моторных стендах, а также в дорожно-лабораторных и эксплуатационных условиях.

В результате проведенных исследований разработано несколько вариантов топливоподающей аппаратуры, на которые получено 5 авторских свидетельств СССР, патенты США и Франции.

Патентование проводится также в Англии, эРГ, Швеции и Японии. Топливная аппаратура награждена серебряной медалью ВДНХ УССР и дипломом II степени Всесоюзного конкурса молодых ученых «Экотехника-82» .

Техническая документация топливной аппаратуры, разработанная в СКТБ ИПМаш АН УССР на основании проведенных исследований, передана Минавтопрому для опытно-промышленного внедрения на микроавтобусах Рижского завода микроавтобусов.

Исследования проводились в соответствии с заданием Об и 08 Госкомитета по науке и технике при Совете Министров СССР «Создать и внедрить энергоаккумулирующие вещества (ЗАВ), включая гидриды, и разработать способы их применения, обеспечивающие малотоксичную и нетоксичную работу двигателей и энергоустановок» научно-технической проблемы 0.85.03 «Создать и внедрить в народное хозяйство эффективные методы и аппараты защиты воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами» .

Работа выполнена в ИПМаш АН УССР. Ряд экспериментов был проведен в лаботатории каф. ДВС Харьковского автодорожного института им. Комсомола Украины, а также на Центральном научно-исследовательском полигоне в г. Дмитрове.

I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ЕОПРОСА И ЗАЛАМИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

В настоящее время в качестве топлива для ЛЕС используют преимущественно бензин и дизельное топливо, которые являются продуктами переработки нефти. Топливная аппаратура для питания ДВС с воспламенением от искры и сжатия разработана и исследована достаточно хорошо. Системы питания газовых и смешанных двигателей также довольно хорошо изучены. Топливная аппаратура для бензоводородных двигателей практически отсутствует, поскольку работы по применению водорода в качестве дополнительного топлива были начаты недавно, около восьми лет назад, и только в настоящий момент вышли на стадию опытно-конструкторской проверки. На данном этапе применения водорода в качестве дополнительного топлива потребовалась разработка топливной аппаратуры, реализующей известные способы регулирования бензоводородных двигателей. Прежде чем перейти к анализу известных в настоящее время способов регулирования и топливоподающей аппаратуры, остановимся на особенностях водорода как дополнительного топлива.

1.1. Водород — дополнительное топливо для ДВС.

Опыт показывает, что при традиционном питании двигателя бензином, как правило, попытки снижения токсичности отработавших газов приводят к ухудшению экономических показателей /7, 8 /. Токсичность и экономичность двигателей определяется составом смеси, то есть коэффициентом избытка воздуха С), а у бензиновых двигателей он ввиду узких концентрационных пределов воспламенения бензовоздушных смесей составляет от 0,8 до 1,2. Причем, для получения максимальной мощноети необходимо работать с (X =0,85−0,9/9/, что приво-лит к недогоранию топлива и выбросам продуктов неполного сгорания (окиси углерода СО и углеводородов в атмосферу с отработавшими газами. При работе на средних нагрузках для обеспечения хороших экономических показателей двигатель питают смесью с оС = I -1,15. Сгорание такой смеси характеризуется образованием больших количеств окислов азота (/ 8 /. Снижение уровня токсичности бензиновых двигателей достигатеся применением дожигателей и нейтрализаторов отработавших газов. Это сложные и дорогостоящие приборы. Кроме того, их применение ведет к ухудшению экономичности двигателей. В целях уменьшения количества образующихся окислов азота используют рециркуляцию части отработавших газов. Однако, этот прием также. приводит к ухудшению экономических показателей двигателя / 7, 10 /.

Известно, что экономичность двигателя тем выше, чем больше коэффициент избытка воздуха. Этим обусловлены попытки увеличения коэффициента избытка воздуха путем применения различных способов смесеобразования, например, послойного или форкамерно-факельного. При этом на отдельных режимах можно добиться устойчивого протекания рабочего процесса прио£= 1,72. Однако, обеспечить стабильность рабочего процесса в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя — задача необычайно сложная / 8 /.

Расширить пределы сгорания бедных бензовоздушных смесей представляется возможным за счет обогащения их водородом. Водород как моторное топливо обладает рядом уникальных свойств — широкими пределами воспламенения в смеси с воздухом {ОС о.

О, 15 — 10), высокой диффузией (до 0,6 см /с), высокой скоростью распространения фронта пламени (до 2,70 м/с) и очень низкой энергией воспламенения (0,02 Мдж) / II /.

Эти свойства при использовании водорода в качестве самостоятельного топлива с одной стороны позволяют реализовать качественное регулирование рабочего процесса, а с другойприводят к его нарушениям, таким как обратные вспышки на впуске, детонационноподобное сгорание и высокая жесткость рабочего процесса при составах смеси богаче ОС = 1,5 / 2, 3, 12, 13, 14, 15, 16, 17 /.

В связи с этим высказываются опасения, что область составов водородовоздушной смеси богаче ОС = 1,5 не может быть реализована в водородном двигателе, а это приведет к значительному снижению литровой мощности поршневого двигателя ввиду низкой объемной теплотворной способности водорода.

В то же время указанные свойства водорода могут быть использованы для инициирования процессов горения бедных бензо-воздушных смесей. Рядом исследований было показано, что даже незначительная добавка водорода (около 5% по массе) к бензину способствует обеднению топливовоздушной смеси до ОС = 2 / 3 /. Это дало толчок новому направлению в организации рабочих процессов ДВС с искровым зажиганием, которое базируется на идее использования бензоводородовоздушных смесей при переменном соотношении бензин-водород и различной степени обеднения в зависимости от нагрузки.

Результаты исследования топливной аппаратуры для бензово-дородных двигателей, полученные при выполнении диссертационной работы мл.н.сотр. Института проблем машиностроения АН УССР А. В. Белогубом, внедрены в курс «Автомобильные двигатели» и дипломное проектирование на кафедре ДВС для студентов специальности 1609.

Декан автомобильного факультета к.т.н., доцент.

Н.Алексеенко.