ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДОРОДА В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА

ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

СВ. Новоселов

Интерес ученых в области двигателестроения всегда привлекали своеобразные физико-химические свойства водорода, главным достоинством которых для ДВС является экологическая чистота рабочего процесса. Известный научно-технический опыт использования водорода в качестве топлива для ДВС показывает, что водород совместим с существующей базовой конструкцией поршневого ДВС. При этом водород кардинально улучшает экологическую эксплуатационную характеристику и имеет широкую сырьевую базу. Организация рабочего процесса двигателя, работающего на водороде, или с его добавкой к другим топливам имеет особенности и требует разработки новых способов топливоподачи.

Применение водорода в качестве топлива для ДВС рассматривается многими авторами как весьма значимая альтернатива моторным топливам нефтяного происхождения. Причиной этому является все более возрастающая очевидная экологическая, социально-экономическая и техническая значимость проблем использования традиционных моторных топлив. Вследствие сжигания топлив нефтяного происхождения, природного газа, угля, все больше и больше загрязняется атмосфера городов и планеты в целом.

Попытки использования водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания известны достаточно давно. Так, например, в двадцатые годы исследовали вариант использования водорода как добавки к основному топливу для двигателей внутреннего сгорания дирижаблей, что давало возможность увеличить дальность их полета.

Использование водорода в качестве топлива для ДВС представляет собой комплексную проблему, которая включает обширный круг вопросов:

- возможность перевода на водород современных двигателей;

- изучение рабочего процесса двигателей при работе на водороде;

-определение оптимальных способов регулирования рабочего процесса обеспечивающих минимальную токсичность и максимальную топливную экономичность;

-разработку системы топливоподачи обеспечивающую организацию эффективного рабочего процесса в цилиндрах ДВС;

- разработку эффективных способов хранения водорода на борту транспорта;

- обеспечение экологической эффективности применения водорода для ДВС;

-обеспечение возможности заправки и аккумулирования водорода для двигателей.

Решение этих вопросов имеет вариантный уровень, однако, общее состояние исследований по этой проблеме можно рассматривать, как реальную базу для практического применения водорода. Подтверждением этому являются практические испытания, исследования вариантных двигателей работающих на водороде. Так, например, фирма "Mazda" делает ставку на водородный роторно-поршневой двигатель.

Исследования в этой области отличаются широким спектром вариантов использования водорода для двигателей внешнего и внутреннего смесеобразования, при использовании водорода в качестве присадки, частично замещая топливо водородом, и работе двигателя только на водороде.

Обширный перечень исследований определяет необходимость их систематизации и критического анализа.

Использование водорода известно в двигателях, работающих на традиционных топливах нефтяного происхождения, а также в сочетании с альтернативными топливами. Так, например, со спиртами (этиловый, метиловый) или с природным газом. Возможно использование водорода в сочетании с синтетическими топливами, мазутами и другими топливами.

Таким образом, методическое рассмотрение вопроса использования водорода для ДВС включает на первом этапе оценку количественного соотношения подаваемого водорода к другим видам топлива и оценку образующегося рабочего процесса. Известные исследования преимущественно развивались таким образом, что водород использовался как присадка; им частично замещали традиционное топливо, применяли как основное топливо и использовали как единичное топливо для ДВС.

Исследования этой области известны как для бензиновых двигателей, так и для дизелей, а также для других типов двигателей. Некоторые авторы работ этой тематики считают, что водород является неизбежностью и необходимо лучше подготовиться к встрече с этой неизбежностью.

Отличительной особенностью водорода является его высокие энергетические показатели, уникальные кинетические характеристики, экологическая чистота и практически неограниченная сырьевая база. По массовой энергоемкости водород превосходит традиционные углеводородные топлива в 2,5-3 раза, спирты - в 5-6 раз, аммиак - в 7 раз.

Качественное влияние на рабочий процесс ДВС водорода определяется, прежде всего, его свойствами. Он обладает более высокой диффузионной способностью, большей скоростью сгорания, широкими пределами воспламенения. Энергия воспламенения водорода на порядок меньше, чем у углеводородных топлив. Реальный рабочий цикл определяет более высокую степень совершенства рабочего процесса ДВС, лучшие показатели экономичности и токсичности.

Водородно-воздушная смесь устойчиво воспламеняется в широком диапазоне концентраций от α=0,2 до α=10. Это обеспечивает возможность работы в широком диапазоне скоростных режимов при регулировании мощности качественным и количественным способами.

Чтобы приспособить существующие конструкции поршневых ДВС, бензиновых и дизелей к работе на водороде, как основном топливе, необходимы определенные изменения, в первую очередь - конструкции топливоподающей системы. Известно, что применение внешнего смесеобразования приводит к уменьшению наполнения двигателя свежим окислителем, а значит и снижению мощности до 40%, из-за низкой плотности и высокой летучести водорода. При использовании внутреннего смесеобразования картина меняется, энергоемкость заряда водородного дизеля может возрастать до 12%, или может быть обеспечена на уровне, соответствующем работе дизеля на традиционном углеводородном дизельном топливе. Особенности организации рабочего процесса водородного двигателя

определяются свойствами водородно-воздушной смеси, а именно: пределами воспламенения, температурой и энергией воспламенения, скоростью распространения фронта пламени, расстоянием гашения пламени.

Практически во всех известных исследованиях рабочего процесса водородного двигателя отмечается трудноконтролируемое воспламенение водородно-воздушной смеси. Воздействие на преждевременное воспламенение путем подачи воды во впускной трубопровод или путем впрыска «холодного» водорода исследованы и дают положительные результаты.

Остаточные газы и горячие точки камеры сгорания интенсифицируют преждевременное воспламенение водородно-воздушной смеси. Это обстоятельство требует дополнительных мероприятий по предупреждению неконтролируемого воспламенения. В то же время, низкая энергия воспламенения в широких пределах коэффициента избытка воздуха позволяет использовать существующие системы зажигания при переводе двигателей на водород.

Самовоспламенение водородно-воздушной смеси в цилиндре двигателя при степени сжатия, соответствующей дизелям, не происходит. Для самовоспламенения этой смеси необходимо обеспечить температуру конца сжатия не менее 1023К. Возможно, воспламенение воздушной смеси от запальной порции углеводородного топлива, за счет увеличения температуры конца сжатия применением наддува или подогревом на впуске воздушного заряда.

Водород в качестве топлива для дизелей характеризуется большой скоростью распространения фронта пламени. Эта скорость может превышать 200 м/с и вызывать возникновение волны давления, перемещающейся в камере сгорания со скоростью свыше 600 м/с. Высокая скорость сгорания водородно-воздушных смесей, с одной стороны, должна оказывать положительное влияние на повышение эффективности рабочего процесса, с другой стороны, этим предопределяются высокие значения максимального давления и температуры цикла, более высокая жесткость рабочего процесса водородного двигателя. Повышение максимального давления цикла влечет снижение моторесурса двигателя, а повышение максимальной температуры приводит к интенсивному образованию окислов азота. Возможно снижение максимального давления за счет дефорсирования двигателя или сжигания водорода по мере его подачи в цилиндр на такте рабочего хода. Снижение эмисси окислов азота до незначительного уровня возможно путем обеднения рабочей смеси или путем использования воды, подаваемой во впускной трубопровод. Так, при а>1,8 эмиссия окислов азота практически отсутствует. При подаче воды по массе в 8 раз больше, чем водорода, эмиссия окислов азота снижается в 8… 10 раз.

В дизелях, работающих всегда при избытке воздуха в смеси, содержание в продуктах сгорания окиси углерода и углеводородов незначительно, ниже по сравнению с бензиновыми двигателями, а уровень содержания окислов азота сравнительно близок. Дизели выбрасывают значительное количество сажи, являющейся адсорбентом для полициклических ароматических углеводородов, часть которых обладает канцерогенными свойствами. Именно сажа оказывает большую роль на общий уровень токсичности отработавших газов дизелей. Так, например, дизель Д6 выбрасывает в смену от 1,1 кг до 1,6 кг сажи, при этом 1 кг сажи способен покрывать площадь до 10000 м². Традиционные дизели выбрасывают в час до 385 г сажи. Содержание сажи достигает 0,4-0,6 г/м³ по внешней характеристике.

Благодаря снижению содержания углеводородного топлива при работе на водороде состав отработавших газов существенно отличается от традиционного. Однако, даже при работе на чистом водороде из-за выгорания углеводородных смазок, попадающих в камеру сгорания, наблюдается незначительное количество углеводородных соединений. При использовании углеводородных топлив для воспламенения рабочей смеси количество углеводородных соединений зависит от количества запального углеводородного топлива.

Исследования показывают, что при внутреннем смесеобразовании водородного двигателя продолжительность впрыска водорода оказывает влияние на содержание водорода в продуктах сгорания. Решение вопроса смесеобразования водородно-воздушной смеси для дизелей имеет значимое влияние на показатели водородного двигателя внутреннего смесеобразования.

Формирование рабочей смеси водородного дизеля должно обеспечивать гомогенность водородно-воздушного горючего тела. Этого можно достичь за счет оптимизации формы камеры сгорания и динамики развития струи водорода, подаваемого в цилиндр, с учетом движения свежего заряда воздуха в цилиндре.

Известны работы, в которых водород подается поэтапно, в начале и в конце такта сжатия. Возможна подача водорода частично на впуск, частично в цилиндр на такте сжатия. Эти работы предусматривают мероприятия по предотвращению преждевременного воспламенения. Мощностно-экономические и экологические показатели таких двигателей имеют преимущества перед базовыми двигателями. При этом наилучшие показатели топливной экономичности соответствуют работам, в которых имели место мероприятия обеспечивающие гомогенность водородно-воздушной смеси.

Экспериментальные исследования по использованию водорода в качестве топлива для поршневого ДВС утверждают, что существует проблема детонационного сгорания. При этом авторы дают различные пределы детонационной стойкости водородно-воздушной смеси, по причине разной ее оценки. Так, оценка по стуку в двигателе дает результаты почти в два раза отличающиеся от оценки по амплитуде высокочастотных колебаний на линии сгорания индикаторной диаграммы.

Отдельные исследования показывают, что исчезновение стука наблюдается при степени сжатия 8, однако при этом колебания на линии сгорания имеются. Это значит, что оказывает влияние тепловое состояние двигателя, температура цикла в совокупности с качеством смесеобразования. Возможно использование антидетонационных свойств воды для исключения детонации водородного двигателя.

Исследования рабочего процесса дизеля при подаче водорода в систему впуска достаточно обширны и глубоки.

При использовании водорода для двигателей внешнего смесеобразования индикаторные и эффективные показатели ухудшаются. Чем больше процент добавки водорода, тем ниже индикаторный КПД и выше температура выпускных газов. Добавка водорода выше 30% от суммарного подведенного тепла при α=1,35 вызывает детонационно-подобное сгорание, сопровождающееся появлением стуков и резким падением мощности двигателя. Кроме того, увеличивается объемное содержание водорода в выпускных газах и увеличивается количество окислов азота, количество окиси углерода и углеводородов снижаются.

Подача 5% по массе пароводородной смеси на впуск дизеля позволяет улучшить параметры рабочего процесса и снизить дымность отработавших газов на 30%, а содержание окислов азота в 2.4 раза. Большие добавки пароводородной смеси приводят к росту максимального давления цикла и скорости нарастания давления, т.е. снижается надежность дизеля.

Подача водорода на такте сжатия дизеля впрыском, по мнению автора этой работы, активизирует процесс сгорания и наибольшая эффективность показателей наблюдается на режимах полной нагрузки.

Вариантное давление впрыска водорода в камеру сгорания оказывает влияние на параметры рабочего процесса водородного двигателя, т.к. изменяется гомогенность рабочей смеси.

Итак, особенности рабочего процесса водородного двигателя включают: жесткость сгорания, детонация, неконтролируемое воспламенение, эмиссия окислов азота, формирование водородно-воздушной смеси, особенности системы топливоподачи и регулирования мощности. Одновременно известные исследования предлагают мероприятия, обеспечивающие нормальную работу двигателя на водороде.

Обширный объем исследований возможности применения водорода в качестве топлива для ДВС обуславливает необходимость методического систематизированного анализа в зависимости от поставленной технической цели, ее граничных условий.

Так, если целью является использование водорода в качестве основного топлива без потери мощности базового двигателя, то систематизация показывает целесообразность внутреннего смесеобразования при воспламенении горючей смеси от запальной порции углеводородного топлива. Исследования этого направления показывают улучшение экологических и экономических показателей дизеля.

Индикаторный расход топлива, в этом варианте, снижается на 0,25 МДж/(i кВт ч) при 50%-ом замещении дизельного топлива водородом. Коэффициент избытка воздуха возрастает с 1,5 до 1,7, т.е. на частичных нагрузках смесь обедняется на 12%, а на номинальном режиме на 15%. Это позволяет сохранить уровень окислов азота в отработавших газах и в два и более раза снизить содержание сажи на выпуске. В зависимости от нагрузки для обеспечения нормальной работы двигателя без стука целесообразно на впуск подавать воду в соотношении 1:1 к подаваемому водороду, особенно на режимах полной нагрузки и близким к ней.

Предлагаемые варианты предусматривают формирование водородно-воздушной смеси на такте сжатия в период после закрытия клапанов до подачи дизельного топлива. Газообразный водород, подаваемый в цилиндр клапан-форсункой, поступает через отверстие, направляющее его под углом 20..25° к тангенциальному направлению вращения заряда, усиливает вихревое движение заряда и способствует гомогенизации водородно-воздушной смеси. Если вершина струи водорода достигает противоположной стенки камеры сгорания, а энергия вихревого движения заряда достаточна, чтобы распределить водород по окружности, то можно считать, что водородно-воздушная смесь гомофазная. Часть водорода направляется в зону струи углеводородного топлива, обеспечивая эффект торможения процесса сажеобразования.

Такой способ предотвращает обратные вспышки во впускной коллектор, позволяет обеспечить устойчивый рабочий процесс в диапазоне нагрузок. Однако с целью обеспечения более мягкого рабочего процесса возможно рассмотрение варианта подачи водорода или водородно-воздушной смеси в период сгорания. Это может быть достигнуто конструктивными изменениями впускного и водородного трактов, направленными на обеспечение формирования водородно-воздушной смеси в фор- или предкамере, что зависит от доли водорода в смеси. Геометрический характер сопряжения с камерой сгорания должен иметь целевую направленность на организацию эффективного рабочего процесса, регулирование его в заданных граничных условиях.

Вариантные способы использования водорода в качестве топлива для ДВС могут быть методически систематизированы для проектно-конструкторских работ в зависимости от технических условий плановой конструкции водородного двигателя.

Одним из таких условий является создание двигателей, работающих на водороде и его смесях с углеводородами при сохранении мощностных и экономических показателей.

Процесс конвертации дизеля на водород можно условно разделить на два основных, последовательно выполняемых, этапа.

Первый включает аккумулирование водорода в баллонах, приоритетное использование внутреннего смесеобразования и создание топливоподающей аппаратуры с подачей водорода на такте сжатия при давлении порядка 10 МПа. Воспламенение горючей смеси от запальной порции углеводородного топлива, изучение процессов смесеобразования и управление ими; изучение термодинамических особенностей криогенного водорода как моторного топлива.

Второй включает создание криогенной системы хранения водорода, разработка адекватной системы управления всеми процессами, связанными с использованием водорода на транспорте; организация рабочего процесса при работе на чистом водороде с принудительным воспламенением от свечи; исследование возможности подачи водорода в цилиндр вариантными способами.

Отличительной особенностью концептуального прогнозирования процесса исследования возможностей использования водорода для ДВС является многогранность научных исследований, включающих совмещение водородным двигателем способов внешнего и внутреннего регулирования мощности.

Методический анализ сравнения возможных способов мог бы основываться на приоритетной последовательности решаемых задач. Так, например, обеспечение экологической чистоты двигателя, сохранение базовой чистоты ДВС, сохранение уровня мощностно-экономических показателей и надежности базового двигателя.

Оценка возможных вариантов условного водородного двигателя, выполненная методом морфологического ящика, распространенным в области научно-технического творчества, насчитывает несколько десятков тысяч конструктивных решений.

Методический подход к сравнительной систематизации возможностей водорода как моторного топлива для ДВС представляет собой целевую направленность исследований в заданных граничных условиях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Батурин С.А. Физические основы и математическое моделирование процессов результирующего сажевыделения и теплового излучения в дизелях: Дис. докт. техн. наук.- Л., 1982.- 435 с.

2. Варшавский М.Л., Малое Р.В. Как обезвредить отработавшие газы автомобиля.- М.: Транспорт, 1968.-127 с: ил.

3. Магидович Л.Е., Румянцев В.В., Шабанов А.Ю. особенности тепловыделения и рабочего процесса дизеля, работающего с добавками водорода: Двигателестроение.-1983.- №9.- с.7-9.

4. Матиевский Д.Д. Исследование тепловыделения и показателей работы тракторного дизеля Ч 13/14 с полуразделенной камерой сгорания: Дис. к.т.н. - Барнаул, 1971.- 287 с.

5. А.С. 1455008 /СССР/ Двигатель внутреннего сгорания /АлтПИ им. И.И. Ползунова: авт. изобретение С.В. Новоселов, А.Л. Новоселов, В.А. Синицын, М.Э. Брякотин.- заявл. 23.03.87, № 4258070/25-06, опубл. Б.И. № 4, 1989 г.