А. Н. КартАшевич в. С. товСтыка а в. ГордееНКо топливо, СмАзочНые мАтериАлы
 Скачать 2.39 Mb.
|
Применение водорода в двигателях внутреннего сгоранияДля повышения экологической чистоты бензиновых двигате- лей внутреннего сгорания и их экономичности до уровня дизель- ных двигателей было предложено использовать водород в каче- стве основного моторного топлива или как добавки к бензину. Интерес ученых в области двигателестроения всегда привлека- ли своеобразные физико-химические свойства водорода, главным достоинством которых является экологическая чистота рабочего процесса. Известный научно-технический опыт использования во- дорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания показывает, что водород совместим с существующей базовой кон- струкцией поршневого двигателя. При этом водород кардинально улучшает экологическую эксплуатационную характеристику и име- ет широкую сырьевую базу. Организация рабочего процесса двига- теля, работающего на водороде или с его добавкой к другим топли- вам, имеет особенности и требует разработки новых способов топливоподачи. Использование водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания представляет собой комплексную задачу, включающую широкий круг вопросов: возможность перевода на водород современных двигателей; изучение рабочего процесса двигателей при работе на водо- роде; определение оптимальных способов регулирования рабоче- го процесса, обеспечивающих минимальную токсичность и макси- мальную топливную экономичность; разработка системы топливоподачи, обеспечивающей орга- низацию эффективного рабочего процесса в цилиндрах двигателя; разработка эффективных способов хранения водорода на борту транспорта; обеспечение экологической эффективности применения во- дорода; возможность заправки водородом и аккумулирования водо- рода. При сгорании водорода в двигателе образуется практически только вода, и в этом отношении двигатель на водородном топли- ве является наиболее экологически чистым. Также водород имеет высокие энергетические свойства — низшая теплота сгорания во- дорода составляет 120 МДж/кг (бензин — 41…44 МДж/кг, дизель- ное топливо — 42…43 МДж/кг). При высокой массовой энергоплотности объемная энергоплот- ность водорода на 15…20 % ниже энергоплотности бензина. В смеси с воздухом водород устойчиво воспламеняется в широком диапазо- не концентраций, вплоть до коэффициента избытка воздуха 10, что обеспечивает нормальную работу двигателя на всех скорост- ных режимах в широком диапазоне изменения состава смеси от 0,2 до 5. Критическая степень сжатия при стехиометриче- ском водородно-воздушном составе смеси не превышает 4,7, что соответствует октановому числу 46 по исследовательскому методу, в то время как при 3,5 степень сжатия достигает 9,4 и октано- вое число равно 114. Таким образом, при достаточном обеднении смеси возможна бездетонационная работа водородного двигателя в широком диапазоне степеней сжатия. Исследования в области применения водорода для двигателей внутреннего сгорания отличаются широким спектром вариантов использования водорода для двигателей внешнего и внутреннего смесеобразования: использование водорода в качестве присадки, частичное замещение топлива водородом и работа двигателя толь- ко на водороде. Используют водород в двигателях, работающих на традицион- ном топливе нефтяного происхождения, а также в сочетании с аль- тернативным топливом, например со спиртами (этиловый, мети- ловый) или природным газом. Возможно использование водорода в сочетании с синтетическим топливом, мазутами и др. Качественное влияние на рабочий процесс двигателя внутрен- него сгорания определяется прежде всего свойствами водорода. Он обладает более высокой диффузионной способностью, боль- шей скоростью сгорания, широкими пределами воспламенения. Энергия воспламенения водорода на порядок меньше, чем у угле- водородных топлив. Реальный рабочий цикл определяет более высокую степень совершенства рабочего процесса двигателя вну- треннего сгорания, лучшие показатели экономичности и ток- сичности. Кроме того, перевод на водород обычных двигателей внутрен- него сгорания не только делает их чистыми, но и повышает терми- ческий КПД и улучшает гибкость работы. Это происходит потому, что водород обладает намного более широким по сравнению с бен- зином диапазоном пропорций смешивания его с воздухом, при ко- торых еще возможен поджог смеси, и сгорает водород полнее, даже вблизи стенок цилиндра, где в бензиновых двигателях обычно остается несгоревшая рабочая смесь. Значительный эффект по повышению КПД традиционных ав- томобильных двигателей, особенно в области малых нагрузок, дает переход на топливные смеси с большим избытком воздуха. При этом уникальные моторные свойства водорода позволяют даже при относительно небольших его добавках к бензино-воз- душной смеси реализовать такие степени обеднения смеси, кото- рые недоступны любому другому способу. Чтобы приспособить существующие конструкции двигателей к работе на водороде как основном топливе, необходимы опреде- ленные изменения, в первую очередь конструкции топливоподаю- щей системы. Известно, что применение внешнего смесеобразова- ния приводит к уменьшению наполнения двигателя свежим окислителем, а значит, и к снижению мощности до 40 % из-за низ- кой плотности и высокой летучести водорода. При использовании внутреннего смесеобразования энергоемкость заряда водородного дизеля может возрастать до 12 % или может быть обеспечена на уровне, соответствующем работе дизеля на традиционном углево- дородном дизельном топливе. Особенности организации рабочего процесса водородного двигателя определяются свойствами водо- родно-воздушной смеси, а именно: пределами воспламенения, тем- пературой и энергией воспламенения, скоростью распространения фронта пламени, расстоянием гашения пламени. Но в водородных двигателях внутреннего сгорания скорость распространения фрон- та пламени при сгорании водорода в 5–6 раз выше, чем при сгора- нии бензина. Это приводит к большим механическим и тепловым нагрузкам на детали кривошипно-шатунного механизма двигателя. Для современных конструкций двигателей наиболее эффек- тивно использование водорода в качестве добавки к бензино- воздушной смеси. При этом не требуется серьезных изменений в конструкции топливной системы и системы двигателя в целом. С другой стороны, добавка водорода в широких пределах активи- зирует рабочий процесс в двигателе. Практически во всех известных исследованиях рабочего про- цесса водородного двигателя отмечается трудноконтролируемое воспламенение водородно-воздушной смеси. Воздействие на пре- ждевременное воспламенение путем подачи воды во впускной трубопровод или путем впрыска холодного водорода исследовано и дает положительные результаты. Остаточные газы и горячие точки камеры сгорания интенси- фицируют преждевременное воспламенение водородно-воздушной смеси. Это обстоятельство требует дополнительных мероприятий по предупреждению неконтролируемого воспламенения. В то же время низкая энергия воспламенения в широких пределах коэф- фициента 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 про- исходит. Для самовоспламенения этой смеси необходимо обеспе- чить температуру конца сжатия не менее 1023 К. Возможно вос- пламенение воздушной смеси от запальной порции углеводород- ного топлива за счет увеличения температуры конца сжатия наддувом или подогревом на впуске воздушного заряда. Водород в качестве топлива для дизелей характеризуется боль- шой скоростью распространения фронта пламени. Эта скорость может превышать 200 м/с и вызывать возникновение волны дав- ления, перемещающейся в камере сгорания со скоростью свыше 600 м/с. Высокая скорость сгорания водородно-воздушных сме- сей, с одной стороны, должна оказывать положительное влияние на повышение эффективности рабочего процесса, с другой сторо- ны, этим предопределяются высокие значения максимального дав- ления и температуры цикла, более высокая жесткость рабочего процесса водородного двигателя. Повышение максимального дав- ления цикла влечет снижение моторесурса двигателя, а увеличение максимальной температуры приводит к интенсивному образова- нию окислов азота. Возможно снижение максимального давления за счет дефорсирования двигателя или сжигания водорода по мере его подачи в цилиндр на такте рабочего хода. Снижение эмиссии окислов азота до незначительного уровня возможно путем обедне- ния рабочей смеси или путем использования воды, подаваемой во впускной трубопровод. Так, при 1,8 эмиссия окислов азота практически отсутствует. При подаче воды по массе в 8 раз боль- ше, 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 немного ниже по сравнению с бензиновыми двигателями, а уро- вень содержания окислов азота сравнительно близок. Дизели вы- брасывают большое количество сажи, являющейся адсорбентом для полициклических ароматических углеводородов, часть кото- рых обладает канцерогенными свойствами. Именно количество сажи является определяющим в общем уровне токсичности отра- ботавших газов дизелей. 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 угле- водородных соединений. При использовании углеводородных то- плив для воспламенения рабочей смеси количество углеводород- ных соединений зависит от количества запального углеводородно- го топлива. При внутреннем смесеобразовании водородного двигателя продолжительность впрыска водорода оказывает влияние на со- держание водорода в продуктах сгорания. Образование водородно- воздушной смеси для дизелей влияет 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 свеже- го заряда воздуха в цилиндре. Экспериментальные исследования по использованию водорода в качестве топлива для поршневого двигателя внутреннего сгора- ния показывают, что существует проблема детонационного сгора- ния. При этом авторы определяют различные пределы детонаци- онной стойкости водородно-воздушной смеси в связи с разной ее оценкой. Так, оценка по стуку в двигателе дает результаты, почти в 2 раза отличающиеся от оценки по амплитуде высокочастотных колебаний на линии сгорания индикаторной диаграммы. Отдель- ные исследования свидетельствуют, что исчезновение стука на- блюдается при степени сжатия 8, однако при этом колебания на линии сгорания имеются. Это значит, что оказывает влияние те- пловое состояние двигателя, температура цикла в совокупности с качеством смесеобразования. Возможно использование антиде- тонационных свойств воды для исключения детонации водородного двигателя. При использовании водорода для двигателей внешнего смесе- образования индикаторные и эффективные показатели ухудшают- ся. Чем больше процент добавки водорода, тем ниже индикатор- ный КПД и выше температура выпускных газов. Добавка водорода выше 30 % от суммарного подведенного тепла при 1,35 вызы- вает детонационноподобное сгорание, сопровождающееся появле- нием стуков и резким падением мощности двигателя. Кроме того, увеличивается объем водорода в выпускных газах и повышается количество окислов азота, содержание окиси углерода и углеводо- родов снижается. Подача 5 % по массе пароводородной смеси на впуск дизеля позволяет улучшить параметры рабочего процесса и снизить дым- ность отработавших газов на 30 %, а содержание окислов азота в 2,4 раза. Большие добавки пароводородной смеси приводят к ро- сту максимального давления цикла и скорости нарастания давле- ния, т.е. снижается надежность дизеля. В то же время согласно исследованиям ряда специалистов до- бавка 5 % водорода уменьшает требования к октановому числу на 10 %. Опытная эксплуатация автомобиля на бензино-водородной смеси показала, что индикаторный КПД двигателя с оптимальны- ми добавками водорода увеличивается на 25 %, эксплуатационный расход топлива уменьшается на 25…40 %. При работе двигателя на холостом ходу практически исключается выброс токсичных ве- ществ с отработавшими газами. Итак, рабочий процесс водородного двигателя включает: жест- кость сгорания, детонацию, неконтролируемое воспламенение, эмиссию окислов азота, формирование водородно-воздушной сме- си. Одновременно известные исследования предлагают мероприя- тия, обеспечивающие нормальную работу двигателя на водороде 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 наиболее целесообразно внутреннее смесеобразование при воспла- менении горючей смеси от запальной порции углеводородного то- плива. В этом случае улучшаются экологические и экономические показатели дизеля. Индикаторный расход топлива снижается на 0,25 МДж/(кВт · ч) при 50%-ном 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 номи- нальном режиме — на 15 %. Это позволяет сохранить уровень окислов азота в отработавших газах и в 2 и более раза снизить со- держание сажи на выпуске. В зависимости от нагрузки для обеспечения нормальной рабо- ты двигателя без стука целесообразно на впуск подавать воду в со- отношении 1:1 к подаваемому водороду, особенно на режиме пол- ной нагрузки и близких к нему. Предусматривается формирование водородно-воздушной сме- си на такте сжатия в период после закрытия клапанов до подачи дизельного топлива. Газообразный водород, подаваемый в ци- линдр клапаном-форсункой, поступает через отверстие, располо- женное под углом 20...25 к тангенциальному направлению враще- ния 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 распреде- лить водород по окружности, то можно считать, что водородно- воздушная смесь гомофазная. Часть водорода направляется в зону струи углеводородного топлива, обеспечивая эффект торможения процесса сажеобразования. Процесс конвертации дизеля на водород можно условно раз- делить на два основных, последовательно выполняемых этапа. Первый этап включает аккумулирование водорода в баллонах; приоритетное использование внутреннего смесеобразования и соз- дание топливоподающей аппаратуры с подачей водорода на такте сжатия при давлении порядка 10 МПа; воспламенение горючей смеси от запальной порции углеводородного топлива; исследова- ние процессов смесеобразования и управление ими; изучение тер- модинамических особенностей криогенного водорода как мотор- ного топлива. Второй этап включает создание криогенной системы хранения водорода; разработку адекватной системы управления всеми про- цессами, связанными с использованием водорода на транспорте; организацию рабочего процесса при работе на чистом водороде с принудительным воспламенением от свечи; исследование воз- можности подачи водорода в цилиндр вариантными способами. Отсутствие углерода в водородном топливе приводит к тому, что в отработавших газах практически отсутствуют оксиды угле- рода (СО и СО2) и несгоревшие углеводороды (СnНm). Незначи- тельные количества этих продуктов в отработавших газах обу- словлены выгоранием смазочных материалов, попадающих в камеру сгорания. Выброс оксидов азота при стехиометрическом составе смеси за счет более высокой температуры горения водо- родно-воздушной смеси вдвое превышает выброс оксидов азота бензинового двигателя. Обеднение смеси приводит к быстрому снижению оксидов азота, а при 1,8 они в отработавших газах практически отсутствуют. Оксиды азота также легко обезврежива- ются в каталитических нейтрализаторах. По этой причине водо- родное топливо для многих представляется идеальным инстру- ментом для полного решения проблемы загрязнения окружающей среды. Развитие водородной энергетики сдерживается экономически- ми соображениями. Стоимость киловатта установленной мощно- сти (более 3...4 тыс. дол.) на порядок больше, чем в традиционной энергетике. Кроме того, цена водорода на порядок выше, чем обыч- ного топлива. Тем не менее цена обычного топлива будет расти, а энергии, произведенной водородными устройствами, — падать. Поэтому водородная энергетика вполне перспективна.
 Растительные масла в чистом виде были впервые испытаны в двигателе Рудольфа Дизеля в конце ХIХ в. В последующем их вытеснило нефтяное топливо в связи с меньшей стоимостью. Од- нако после повышения цен на нефть в 1977 г. исследователи вновь вернулись к растительным маслам как альтернативному возобнов- ляемому топливу для дизельных двигателей. Научный поиск при исследовании растительных видов топлива ведется в Европе (Ан- глия, Германия, Польша, Франция, Швеция), в Азии (Япония, Ки- тай, Индия, Индонезия) и США.В мировой практике сложилось два основных направления по применению топлив из растительных масел: приближение свойств масел к свойствам дизельного топлива и адаптация дизельного двигателя к применяемым топливам. Свойства растительных ма- сел в основном изменяют за счет их переработки в эфиры. Пред- принимаются и другие попытки приблизить свойства раститель- ного масла к свойствам нефтяного дизельного топлива. |