АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ ВОДОРОДНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ТРАНСПОРТ

Транспортные средства на водородном топливе

HYDROGEN ENERGY AND TRANSPORT

Hydrogen fuel vehicles

АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ

ВОДОРОДНЫХ ДВИГАТЕЛЕИ УДК 621.434.622

Ю. В. Галышев

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, 195251, Россия Тел./факс: 552-77-85; e-mail: urgal@mebil.stu.neva.ru

Сведения об авторе: зав. кафедрой «Двигатели внутреннего сгорания» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, кандидат техн. наук, профессор.

Область научных интересов: рабочие процессы двигателей внутреннего сгорания на альтернативных топливах, системы топливоподачи и управления ДВС, способы и системы снижения вредных выбросов ДВС.

Публикации: более 70 научных работ.

Галышев Юрий Виталиевич

The hydrogen fueled engines open the way to solution of fuel shortage and air pollution problems. But their practical accomplishing faces some restrictions. The most stringent ones relate to the fuel preignition caused by heated surfaces of combustion chamber, to stresses and distortiones of the engine parts and to NO emissiones. These three intercommunicated problems have to be solved as a whole. The computer simulation techniques are presented, which ensure such an analyses, as well as results of computations.

Без преувеличения можно сказать, что две проблемы, которые неотвратимо стоят перед человечеством — истощение запасов углеводородных топлив и опасность нарастающего загрязнения окружающей среды — таят в себе вполне реальную перспективу гибели цивилизации под воздействием ей же созданных угроз. Замена углеводородных топлив водородом могла бы радикально их решить. Представление о водороде как о «топливе будущего» достаточно прочно утвердилось как среди специалистов, так и среди тех, кого вообще интересует будущность энергетики и транспорта. Действительно, вода, основной продукт окисления водорода, почти не задерживает тепло у поверхности Земли в отличие от углекислого газа, в огромном количестве выбрасываемого в атмосферу не только транспортом, но и всеми тепловыми энергоустановками. Таким образом, проблема «парникового эффекта» снимается полностью. В продуктах

сгорания водорода не содержатся токсичные продукты неполного сгорания углеводородных топ-лив — окись углерода, углеводороды и твердые частицы. Что касается запасов, то водород, правда, в связанном виде, является самым распространенным на Земле элементом.

Чтобы масштабное использование водорода в качестве топлива для транспортных энергоустановок стало реальностью, должны быть решены две сложные задачи: во-первых, организовать его массовое и недорогое производство, во-вторых, создать эффективные и надежные средства хранения запаса этого самого легкого в природе газа на борту транспортного средства в количестве, необходимом для обеспечения требуемой дальности автономного пробега. Обе задачи принципиально разрешимы, хотя для организации производства водородного топлива потребуется найти пути для многократного увеличения производства электроэнергии. В решении проблемы хра-

Статья поступила в редакцию 24.11.2004 г. Article has entersd in publishing office 24.11.2004

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» ISJAEE № 2(22) 2005 АЭЭ № 2(22) 2005

Способы хранения водорода

Способ хранения или получения Удельная энергоемкость, кДж/кг

Газ под давлением в баллонах Стальных 1000-1200

Пластиковых и металлопластиковых 2000-2500

Жидкий водород в криогенном баке 6800-7200

Металлогидридный аккумулятор 1000-4000

Гидрореагирующие сплавы 3400-3800

Жидкое топливо 30000

нения за последние десятилетия достигнут значительный прогресс. Различные способы хранения представлены в таблице.

Как видно из таблицы, переход от стальных баллонов к более совершенным пластиковым и металлопластиковым, уже серийно выпускаемым промышленностью, увеличивает удельную энергоемкость в 2-2,5 раза. В ближайшем будущем ожидается появление нового поколения баллонов, давление в которых приблизится к 80 МПа, что должно дополнительно увеличить этот показатель. При использовании криогенных систем для хранения жидкого водорода энергоемкость единицы хранения лишь в несколько раз (а не в десятки раз, как при стальных баллонах!) уступает традиционному топливному баку.

В любом случае эти вопросы решаются. Производители двигателей, в свою очередь, должны быть озабочены производством двигателей, работающих на водороде. Реальной проблемой для двигателестроителей является возможная конкуренция с создателями топливных элементов как альтернативного средства преобразования химической энергии водорода в электрическую и механическую. Действительно, по КПД энергоустановки на топливных элементах превышают тепловые, а токсичность продуктов окисления в них значительно меньше, поскольку процессы идут при более низких температурах. Однако такие энергоустановки имеют высокую стоимость, и прежде чем они станут пригодными для транспорта, потребуются огромные усилия, а на стороне производителей двигателя внутреннего сгорания отработанные технологии массового производства и эксплуатации. Во всяком случае, большинство двигателестроительных фирм сегодня успешно работает над созданием автомобильных установок, работающих на водороде. В качестве примера такой разработки можно указать на опыт фирмы BMW, которая планирует в 2010 г. серийный выпуск автомобилей модели 750 HL с 12-цилиндровым двигателем мощностью 204 л.с., а также автобусов МАН, работающих на водороде. Для хранения топлива используется криогенный бак с запасом, обеспечивающим пробег без дозаправки 320 км. В Мюнхенском аэропорту действует принадлежащая фирме водородная заправочная станция.

Моторные свойства водорода — высокая де- ^ тонационная стойкость, быстрое сгорание и ши- | рокие пределы воспламеняемости — благопри- 0 ятствуют созданию водородных автомобильных двигателей.

Вместе с тем существует ряд проблем, затрудняющих получение таких же мощностных показателей, как у бензинового двигателя. Во-первых, хотя теплотворная способность водорода в расчете на единицу массы почти втрое выше, чем у бензина, стехиометрическое соотношение по отношению к воздуху также примерно втрое выше. В сочетании с низкой плотностью газообразного водорода это приводит к тому, что теплота сгорания единицы объема водородо-воз-душной смеси ниже, чем у бензо-воздушной. Это означает пропорциональное снижение «литровой мощности» при равных условиях организации процесса. В какой-то мере это снижение может быть компенсировано более быстрым и полным сгоранием водорода. Существует еще ряд причин, затрудняющих использование стехио-метрических смесей в водородном двигателе.

Одной из проблем, связанных с переводом существующих двигателей на водородное топливо, является опасность преждевременного («калильного») воспламенения водородосодержа-щей смеси. На этот факт было обращено внимание еще в 50-е годы прошлого века, причем тогда речь шла не о водородном топливе в чистом виде, а о работе двигателей на генераторных газах, содержащих некоторое количество водорода [1]. Преждевременное воспламенение при- <с водит к «обратным вспышкам» («хлопкам») сме- § си во впускном коллекторе, достаточно опас- & ным с точки зрения надежности и безопасности 3 эксплуатации. Аналогичные явления были об- | наружены большинством исследователей и в 1 опытах с подачей водорода в двигатель. Их при- I чиной является не самовоспламенение смеси, а ^ ее контакт с нагретыми деталями камеры сгора- £ ния или отработавшими газами, поскольку в § условиях опытов объемная температура конца сжатия не могла достичь температуры самовоспламенения (580 °С). Обработка упомянутых выше данных по газовым двигателям, а также специально поставленные эксперименты установили надежную корреляцию между границей

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology

АЭЭ № 2(22) 2005 ISJAEE № 2(22) 2005

«хлопков» во впускном коллекторе и удельным количеством теплоты, подводимой при сгорании, на единицу массы рабочего тела [2]. Детальное и всестороннее исследование этой проблемы было выполнено еще в начале 1980-х гг. в Технологическом институте Мисаши, (Токио) [3]. Авторами рассмотрены условия, при которых водородо-воз-душная смесь воспламеняется нагретой металлической деталью и струей горячего газа. Анализ этих данных показывает, что во избежание калильного зажигания температура наиболее нагретых поверхностей камеры сгорания не должна превышать 700 °С, а предельное значение температуры отработавших газов, контакт с которыми может вызвать воспламенение смеси, составляет приблизительно 600 °С. Таким образом, обеспечить работу водородного двигателя при внешнем смесеобразовании без «хлопков» можно при коэффициенте избытка воздуха не ниже 2.

Кроме того, при переводе существующих двигателей на водородное топливо следует считаться с возможностью существенного повышения механических и тепловых нагрузок на детали двигателя. Причина этого — высокая скорость сгорания водорода. Скорость распространения ламинарного пламени для водорода в несколько раз выше, чем для углеводородных топлив. Расчетные и экспериментальные данные, полученные при испытаниях двигателей, работающих на водороде, показали, что скорость распространения турбулентного пламени в первом приближении пропорциональна скорости ламинарного пламени, соответственно, меньше продолжительность сгорания [4]. При отсутствии специальных мероприятий это приводит к повышению давления и температуры в цилиндре двигателя.

Необходимо также учитывать, что повышенная температура в зоне сгорания приводит к ускоренному образованию окислов азота из-за окисления атмосферного азота. Это может свести на нет эффект устранения окислов углерода и углеводородов, поскольку окислы азота обладают более сильным отравляющим действием, чем соединения углерода.

Таким образом, для получения всех преимуществ, которые потенциально дает водородное топливо, необходимо учесть весь комплекс факторов, которые могут вызвать ухудшение мощно-стных, экономических и экологических показателей, и наметить пути их устранения или компенсации. Наиболее целесообразный путь решения таких задач — комплексное моделирование всех процессов в двигателе. В этом случае, в отличие от экспериментальных подходов, можно получить сравнимые данные о результатах тех или иных мероприятий, не зависящие от их конкретного конструктивного решения. Более того, могут рассматриваться граничные случаи, реализация которых может оказаться весьма затруднительной при существующем уровне технологий.

Комплекс математических моделей должен включать:

■ модель рабочего процесса двигателя, позволяющую учитывать особенности сгорания водородо-воздушных смесей;

■ модель теплопроводности деталей, позволяющую надежно оценивать локальные температуры, способные вызвать воспламенение смеси при определенных конструкциях и материалах с учетом изменения условий теплообмена на граничных поверхностях, связанного с особенностями сгорания;

■ модель образования окислов азота в цилиндре, позволяющую оценивать его содержание в отработавших газах при любых комбинациях состава смеси, режимах работы и регулировок двигателя.

Базой проведенного исследования служили математические модели и соответствующие программы для ЭВМ, разработанные и постоянно совершенствуемые кафедрой ДВС СПбГПУ. Основные принципы моделирования изложены в публикации [5]. Ниже мы остановимся только на особенностях моделирования, связанных с поставленной задачей.

В расчет рабочего цикла введены уточнения, связанные с учетом объема газообразного водорода, состава продуктов сгорания и их теплоемкости и характеристики тепловыделения, которая задавалась в виде аппроксимирующего уравнения:

dx d ф

dx = xmax 6,908 (m +1) Фг

/ \m / / xm+1 л

_ф exp -6,908 _ф

к J [фг J

где х — текущая доля выгоревшего топлива; ф — текущий угол поворота коленчатого вала двигателя, град. п.к.в.; хтах — максимальная доля выгоревшего топлива; ф2 — условная продолжительность сгорания, град. п.к.в.; т — показатель характера сгорания.

Продолжительность сгорания в двигателе с искровым зажиганием определяется временем распространения фронта пламени, которое, в свою очередь, зависит от природы топлива, состава смеси, ее давления и температуры. С учетом этого, на основе экспериментальных данных получены следующие полуэмпирические зависимости [6]:

^ = 0,267 + 0,733 ^ Фго ин а

и

m m

= -0,4 + 1,4

HQ

и

Po а

\0,26 ^

T0. T

У V \0,5

где ин — нормальная скорость сгорания топлива; а — коэффициент избытка воздуха; р, Т — средние значения давления и температуры рабочего тела за период рабочего хода. Индекс «0» соответствует базовому режиму работы двигателя.

Моделирование температурного состояния деталей камеры сгорания осуществлялось с помощью метода конечных элементов с граничными условиями, рассчитываемыми на основе совместного решения уравнений движения газо-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE № 2(22) 2005

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ № 2(22) 2005

вых потоков у нагреваемых и охлаждаемых поверхностей и уравнений пограничного слоя.

Для оценки токсичности отработавших газов использовалась модель, основанная на теории Я. Б. Зельдовича, согласно которой окисление азота происходит по цепному механизму:

К2 + 0 ^ N0 + К, N + 02 ^ N0 + О.

Кроме того, учитывалась реакция между атомарным азотом и группой ОН, которая может играть важную роль в водородном двигателе, а также реакция бимолекулярного механизма:

N + ОН ^ N0 + Н, N + 02 ^ 2Ш.

С учетом ряда допущений окончательное уравнение для расчета текущей концентрации окислов азота:

Максимальное давление сгорания, бар

d [no ] . d ф

p (1 -в2) 6nRT„„

R

1 p

PR

+ R

1 p

4 p

R2 p + R3 p

где p — давление газов в цилиндре, МПа; [no ]

P=

[rNO ]p

— отношение действительной концен-

-10 -15 -20 -25 -30 -35

ФоП, град. п.к.в.

Эффективный КПД двигателя

0,37 0,35 0,33 0,31 0,29 0,27 0,25 0,23 0,21

jO

-5 -10 -15 -20 -25 -30 -35

Фоп, град. п.к.в.

б

Эффективная мощность двигателя, кВт

60 50 40 30 20 10

трации окиси азота к равновесной; n — частота вращения коленчатого вала, мин-1; R — газовая постоянная; Тпс — температура продуктов сгорания, К; Rip — скорости реакций при равновесных значениях концентраций реагирующих веществ.

При расчете температур в зоне сгорания использована двухзонная модель.

Результаты расчета температурного состояния деталей камеры сгорания подтвердили, что в ней имеются вполне вероятные источники воспламенения водорода, из которых наиболее опасны изолятор свечи зажигания, температура которого при работе на бензине в номинальном режиме составляет ~1000 °С, и выпускной клапан с температурой 800 °С.

Результаты расчета параметров рабочего процесса и эмиссии NOx при различных способах организации работы водородного двигателя представлены на рис. 1 и 2.

Расчет, проведенный в предположении, что опасность «хлопков» и ухудшенное наполнение при работе на водороде устранены внутрицилинд-ровой подачей газа, показывает, что мощность водородного двигателя может быть доведена до номинальной и даже несколько увеличена благодаря более быстрому сгоранию смеси, так как возможно обеспечение рабочего процесса при а= 1. Однако температуры деталей при этом остаются приблизительно такими же, как при рабо-

-5

-10

-15

-20 -25

-30 -35 Фоп, град. п.к.в.

-30 -35 Фоп, град. п.к.в.

г

Рис. 1. Регулировочные характеристики по углу опережения зажигания двигателя ВАЗ, работающего на водородном топливе (дроссельная заслонка полностью открыта, п = 5500 мин1): ■ — а = 2; ♦ — а = 2, о — а = 1; рк = 2 бар — давление наддува

те на бензине, т. е. опасность преждевременного воспламенения сохраняется. Кроме того, концентрация окислов азота увеличивается, по сравнению с бензиновым вариантом, с 0,36 до 0,58 %. Следовательно, даже если бы такие параметры двигателя удалось реализовать конструктивно, этот вариант неприемлем по токсичности отработавших газов.

Осуществим без значительных конструктивных переделок двигателя вариант с коэффициентом избытка воздуха а = 2 и внешним смесеобразованием. В этом случае температура изо-

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology

АЭЭ № 2(22) 2005 ISJAEE № 2(22) 2005

Эффективная мощность двигателя, кВт 60

50

40

30

20

10

2 1

4

3

1000 2000

3000 4000

a

5000

£ Эффективный КПД двигателя

с а ¿í 0,4

LP С 0,35

С

© 0,3

0,25

0,2

1000

2000

3000

4000

5000

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

■ 2

Г-

_ , -■-F) 1

3, 4

1000

2000

3000

4000

5000

Рис. 2. Внешние скоростные характеристики двигателя ВАЗ: 1 — бензин, а = 1; 2 — водород, а = 1; 3 — водород, а = 2 (без наддува); 4 — водород, а = 2 (с наддувом рк = 2 бар)

лятора свечи не выходит за допустимый предел, а концентрация окислов азота снижается до 0,08 %, при этом, однако, эффективная мощность двигателя снижается до 20,2 кВт. Такой двигатель имеет высокий индикаторный КПД, однако эффективный КПД существенно снижается из-за увеличения доли механических потерь при дефорсировании двигателя. Таким образом, можно создать малотоксичный двигатель ценой существенного снижения его мощности. Такое решение, очевидно, мало приемлемо.

Наиболее очевидным способом компенсации потери мощности является применение газотурбинного наддува при том же значении а. Для того, чтобы при этом не было существенного повышения температуры сгорания, требуется охлаждение наддувочного воздуха до 70 °С, что вполне осуществимо при использовании современных эффективных воздухо-воздушных теплообменников с турбулизацией охлаждаемого и охлаждающего воздуха. В этом случае, как показывают расчеты,

температура деталей в опасных точках камеры сгорания не выходит за допустимые пределы, а концентрация окислов азота оказывается такой же низкой, как и при работе на водороде при а = 2 без наддува. Определенные проблемы при этом связаны с повышением максимального давления сгорания, которое, однако, может быть компенсировано уменьшением угла опережения зажигания. При этом приходится мириться с некоторым снижением эффективного КПД.

Расчетная проверка параметров на режиме внешней скоростной характеристики показывает, что водородный двигатель с наддувом превосходит бензиновый по эффективному КПД во всем диапазоне частот вращения, причем низкая концентрация окислов азота также сохраняется во всем диапазоне. Более значительные преимущества водородного двигателя по сравнению с бензиновым могут быть получены при работе на частичных нагрузках, так как широкие пределы воспламеняемости водородо-воздушных смесей позволяют применить качественное регулирование мощности.

Таким образом, проведенное исследование позволяет наметить основные направления развития водородных двигателей, которое должно базироваться на использовании обедненных смесей и применении наддува с охлаждением наддувочного воздуха. Разработанный комплекс расчетных методов позволяет осуществлять оценку любых сочетаний режимов и конструкций двигателей.

Список литературы

1. Харитонов Б. А. Исследование явления обратных вспышек в газовом двигателе // Труды ЦНИДИ. 1956. № 30. С. 98-125.

2. Магидович Л. Е., Румянцев В. В. Условия сгорания водородо-воздушной смеси в двигателях внутреннего сгорания // Двигателестро-ение. 1983. № 5. С. 59-60.

3. Enomoto R., Furuhama S., Nishiguchi T. Ignitability of hydrogen-air mixture by hot surfaces and hot gases in hydrogen-fueled engine // JSAE Rev. 1981. Vol. 5. P. 23-29.

4. Магидович Л. Е., Румянцев В. В., Шабанов А. Ю. Особенности тепловыделения и рабочего процесса дизеля, работающего с добавками водорода // Двигателестроение. 1983. № 9. C.7-9.

5. Элементы системы автоматизированного проектирования ДВС. Алгоритмы прикладных программ/Под ред. Р. М. Петриченко. Л.: Машиностроение, 1990.

6. Галышев Ю. В., Вылегжанин Г. А., Румянцев В. В., Серебренников В. А. Влияние па-роводородной добавки в рабочую смесь карбюраторного двигателя на процессы сгорания и тепловыделения // Науч. тр. ЛПИ. Л.: ЛПИ, 1983. № 394. C. 29-33.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» ISJAEE № 2(22) 2005 АЭЭ № 2(22) 2005