CC BY
44-у
Экспериментальное исследование рабочего процесса поршневого двигателя с впрыскиванием газообразного водорода во впускную систему
Р.З. Кавтарадзе
профессор кафедры
«Поршневые двигатели»
МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.,
А.А. Зеленцов
доцент кафедры
«Поршневые двигатели»
МГТУ им. Н.Э. Баумана,
к.т.н.,
Байган Сун (Baigang Sun)
КНР, профессор, колледж машиностроения, Пекинский технологический институт, д.т.н.,
Ичунь Ван (Yichun Wang)
КНР, заведующий лабораторией, колледж машиностроения, Пекинский технологический институт, д.т.н.,
Чэн Жунжун (Cheng Rongrong),
КНР, аспирант кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана, Чжан Цытянь (Chang Citian)
КНР, аспирант кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана
Представлены результаты исследования концепции водородного двигателя, работающего Выживанием газообразного водорода во впускную систему и принудительным зажиганием 'родно-воздушной смеси. Изложено описание и принцип работы экспериментального стенда, предназначенного для исследования внутрицилиндровых процессов опытного водородного двигателя легкового автомобиля. Получены и проанализированы скоростные характеристики и индикаторные диаграммы двигателя, измерено содержание оксидов азота в отработавших газах в зависимости от различных параметров (коэффициент избытка воздуха, угол опережения зажигания, степень рециркуляции отработавших газов). Подтверждена целесообразность и эффективность работы двигателя на бедных водородно-воздушных смесях. Полученные экспериментальные данные используются для верификации 3D-математической модели рабочего процесса водородного двигателя с искровым зажиганием
Введение
Современные поршневые двигатели, использующие в основном традиционные топлива нефтяного происхождения, характеризуются самыми высокими значениями КПД среди остальных тепловых двигателей. В связи с этим перспективным путём решения глобальных энергетических и экологических проблем, возникновение и состояние которых существенно зависят от уровня совершенствования поршневых двигателей, является поиск новых альтернативных топлив.
В настоящее время большинство экспертов считают, что водород является самым перспективным среди существующих альтернативных топлив, прежде всего из-за своих уникальных свойств [1, 2]. Только при использовании водорода в качестве моторного топлива может быть решена проблема эмиссии несгоревших углеводородов НС,
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:
водородный двигатель, искровое зажигание, экспериментальный стенд, оксиды азота.
ВОДОРОДНОЕ оксида углерода СО, твёрдых частиц сажи, а также диоксида углерода
ТОПЛИВО - «парникового газа» - СО2, содержание которых в отработавших
газах двигателя ограничено различными законодательными актами и директивами. Очевидно, что конвертирование традиционных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на водород является одним из наиболее эффективных способов решения проблем загрязнения воздуха и парникового эффекта в XXI веке.
Конвертирование бензинового двигателя с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием обычно основано на одной из двух концепций [1]:
• применение водорода в качестве небольшой добавки (всего несколько процентов) к основному топливу;
• отказ от традиционного топлива и использование только водорода.
В настоящей работе используется концептуальный подход - перевод серийного автомобильного двигателя на двигатель с впрыскиванием газообразного водорода во впускную систему и принудительным (искровое) зажиганием. Серийный бензиновый двигатель, конвертированный на основе такой концепции [3, 4], по сравнению с двигателями с использованием жидкого водорода [5] не требует особых конструктивных изменений, а само конвертирование связано с небольшими затратами.
I Краткая характеристика экспериментального водородного двигателя
Объектом исследований является водородный двигатель, созданный на базе серийного четырёхцилиндрового атмосферного ДВС с электронным многоточечным впрыскиванием бензина во впускную систему. Базовый двигатель СА20 был предоставлен производителем - Китайской автомобильной компанией Чанань. Конвертирование данного двигателя на водород было осуществлено в Пекинском технологическом институте (ПТИ) - Beijing Institute of Technology (BTI) - с целью проведения соответствующих экспериментов [3, 4]. Основные технические данные экспериментального двигателя, конвертированного на водород, приведены в таблице.
Экспериментальный водородный двигатель сохраняет основные конструктивные параметры базового бензинового двигателя без существенных изменений. Некоторым изменениям подвергалась система впуска. В частности была изменена длина впускного трубопровода с целью усовершенствования процесса наполнения двигателя водородно-воздушной смесью и компоновки моторного отсека. Во впускном трубопроводе (рис. 1) установлена специальная система впрыскивания, осуществляющая подачу газообразного водорода. С учётом низкой плотности водорода и величины его объёмного расхода, необходимого для обеспечения нужной цикловой подачи, на каждый цилиндр устанавливаются два водородных инжектора,
>
ТАБЛИЦА
Основные
технические данные экспериментального двигателя СА20, конвертированного на водород
Параметр
Значение
Число цилиндров 4
Диаметр цилиндра / ход поршня, D/S, мм/мм 86/86
Длина шатуна, /, мм 142,8
Степень сжатия, £ 10
Система охлаждения Водяная
Номинальная мощность, Ne , кВт, (при частоте вращения n, мин-1) 60 (при 5000)
Максимальный крутящий момент, Мк, Н-м (при частоте вращения n, мин1) 111 (при 4000)
Диаметр головки впускного клапана, dBn, мм 37,6
Диаметр головки выпускного клапана, dBbin, мм 27,0
Угол опережения открытия впускного клапана, 0УПКВ 22
Угол задержки закрытия впускного клапана, 0УПКВ 68
Угол опережения открытия выпускного клапана, 0УПКВ 38
Угол задержки закрытия выпускного клапана, 0УПКВ
30
расположенные во впускных каналах, как это показано на рис. 1. Заметим, что система впуска базового двигателя имела один инжектор на каждый цилиндр для впрыскивания бензина. Инжекторы базового двигателя были заменены инжекторами для впрыскивания компримированного природного газа (КПГ), адаптированными к водородному двигателю. Характеристики этих инжекторов с диаметром соплового отверстия 4 мм производства компании Landi Renzo описаны в [3, 4].
Отметим, что в процессе эксперимента для каждого режима работы контролируются, регулируются и регистрируются цикловая подача водорода и коэффициент избытка воздуха.
Опытный водородный двигатель был установлен на испытательном стенде с дистанционным управлением в лаборатории ПТИ, созданной специально для исследования экспериментального водородного двигателя.
РИС. 1
Модифицированная конструкция впускной системы водородного двигателя с инжекторами на каждый впускной канал
Описание и принцип работы экспериментальной установки с водородным двигателем
Лабораторное помещение было оснащено специальной системой безопасности, предусматривающей установку датчиков концентрации водорода. В случае утечки водорода срабатывают сигнальная лампа и сирена, испытательный стенд отключается, и автоматически включается система вентиляции.
РИС. 2
Общий вид экспериментальной установки с водородным двигателем
Экспериментальный стенд с исследуемым водородным двигателем оснащён измерительной системой, позволяющей проведение всех стандартных измерений параметров: мощность и крутящий момент двигателя, расход топлива, частота вращения коленчатого вала. С целью исследования внутрицилиндровых процессов на стенде также установлены устройства для проведения специальных измерений на различных режимах работы двигателя, прежде всего для индицирования двигателя и определения эмиссии оксидов азота. На рис. 2, 3 приведены соответственно внешний вид и схема экспериментальной установки.
Газообразный водород хранится в стальных баллонах 1 с объёмом 40 л под давлением 15 МПа. После открытия электромагнитного запорного клапана 2 водород поступает в водородную магистраль 6. При этом, проходя через редукционные клапаны 3 и 5, его давление снижается сначала до 0,8 МПа, а затем до 0,4 МПа. Между первичным 3 и вторичным 5 редукционными клапанами расположен расходомер водорода 4. Внутренний диаметр водородной магистрали 6 составляет 45 мм, и её объём достаточно велик для поддержания давления впрыскивания.
Впрыскивание газообразного водорода осуществляется специальным водородным инжектором 7 во впускной канал (см. также рис. 1). Электромагнитный запорный клапан 2 и расходомер водорода 4 установлены в систему подачи водорода. Внутренний объём водородной магистрали 6 рассчитан так, что при впрыскивании водорода гарантирует удержание колебания давления в водородной магистрали в пределах 2 %. Свежий воздух поступает в цилиндр через ресивер постоянного давления 12 и электронный дроссель 15. Массовой расход воздуха измеряется расходомером 11 (расходомер для измерения секундной массы с горячей проволокой, погрешность 0,1 %). С помощью этих устройств регулируется величина коэффициента избытка воздуха. Отработавший газ, проходящий через трёхкомпонентный каталитический неитрализатор 16, заимствованный у базового бензинового двигателя, поступает в анализатор выхлопных газов 18 (AVL DIGAS 4000, погрешность измерения 1 %). Датчики для измерения концентрации NO^ в выхлопных газах установлены до и после нейтрализатора 16. Когда коэффициент избытка воздуха ^<1 и смесь обогащена, несгоревший водород можно использовать для восстановления оксидов азота в каталитическом нейтрализаторе. Датчик 14 измеряет частоту вращения коленчатого вала и его положение (угол поворота кривошипа). Специальным датчиком фиксируется также положение распределительного вала.
Для индицирования двигателя (измерение мгновенного давления в цилиндре двигателя) в камере сгорания установлен пьезокварцевый датчик давления 8 типа свечи зажигания производства фирмы Kistler, преимуществом которого, кроме высокой точности измерения,
РИС. 3
Схема экспериментальной установки с водородным двигателем
1 - баллон с водородом; 2 - электромагнитный запорный клапан; 3 - первичный редукционный клапан (15 МПа / 0,8 МПа); 4 - расходомер Кориолиса для водорода; 5 - вторичный редукционный клапан (0,8 МПа / 0,4 МПа); 6 - водородная магистраль; 7 - инжектор водорода; 8 - датчик давления типа свечи зажигания ЙБ^ег 6117В; 9 - термопара для измерения температуры отработавших газов; 10 - датчик кислорода широкого диапазона; 11 - расходомер впускного воздуха; 12 - ресивер для постоянного давления; 13 - аккумулятор; 14 - датчик частоты вращения двигателя и положения (угла поворота) коленчатого вала (ЙБ^ег 2613В); 15 - электронный дроссель; 16 - трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор; 17 - трубопровод системы рециркуляции отработавших газов (РОГ); 18 - канал ДУЬ-анализатора для отбора проб отработавших газов; 19 - ручной клапан РОГ; 20 - электронный блок управления (ЭБУ)
являются возможность измерения давления в цилиндре без сверления дополнительных монтажных отверстий, а в случае необходимости -проведение анализа детонации. Термопара 9, установленная в выпускном канале водородного двигателя, используется для измерения температуры выпускных газов.
С учётом того, что водород имеет широкие пределы воспламенения по коэффициенту избытка воздуха и водородный двигатель в отличие от бензинового может работать на существенно обеднённых смесях, в выпускных каналах расположены датчик кислорода 10 с широким диапазоном измерения содержания кислорода. Эти датчики в процессе испытания передают информацию в анализатор сгорания (Dewetron 5000), где сигналы от датчика 8 давления и датчика 14 положения коленчатого вала обрабатываются и определяется изменение давления, осреднённого по последовательным циклам рабочего процесса. На основе этого давления определяются изменения осреднённой по объёму цилиндра температуры рабочего тела и скорости тепловыделения в зависимости от угла поворота коленчатого вала
ВОДОРОДНОЕ (УПКВ). Открытие дросселя 15, угол опережения зажигания, угол
ТОПЛИВО опережения и продолжительность впрыскивания водорода, а также
цикловая подача водорода контролируются электронным блоком управления (ЭБУ) 20, разработанным в ПТИ, с использованием программы МАТЬАВ^ШЦЬШК. В частности, через хост-компьютер управляются моменты впрыскивания и зажигания водорода, продолжительность впрыскивания водорода и электронное открытие дроссельной заслонки 15. В случае включения системы РОГ расход выпускных газов, перепускаемых в систему впуска водородного ДВС, регулируется с помощью ручного шарового клапана 19.
I Аномальное сгорание в водородном двигателе
Теплофизические свойства водорода как моторного топлива (такие как высокая скорость сгорания, широкие концентрационные пределы по коэффициенту избытка воздуха и низкое значение минимальной энергии воспламенения [1, 2]) могут привести к аномальным явлениям в рабочем процессе водородного двигателя с внешним смесеобразованием: воспламенению свежего заряда (обратная вспышка) на такте впуска, квазидетонационному сгоранию и преждевременному воспламенению. Воспламенение свежего заряда на такте впуска проявляется в виде хорошо прослушиваемых хлопков во впускном коллекторе и практически всегда приводит к остановке двигателя. В процессе эксперимента это явление было заметно при высоких значениях температуры выпускных газов tвып (рис. 4). Например, на режиме Ые = 60,6 кВт при п = 5500 мин1 и ав = 1,35 имеем, что температура ^ып = 796 °С выше, чем температура самовоспламенения водорода в воздухе (^оспл = 585 °С при р = 1,013 бар [1, 2]), и повышается вероятность возникновения обратной вспышки. Кроме того, можно предполагать, что при такой температуре максимальная температура цикла Т, а также локальные температуры Т^ поверхностей камеры сгорания (КС) высокие как в объёме КС, так и на её поверхности, и способствуют преждевременному воспламенению водородно-воздушной смеси ещё до окончания процесса сжатия.
С целью предотвращения обратной вспышки и преждевременного воспламенения экспериментальные исследования водородного двигателя во всём диапазоне скоростных режимов проводились на обеднённых смесях ав > 1,6. Кроме того, как было отмечено, на экспериментальном двигателе была установлена система РОГ, которая путём введения инертных продуктов сгорания в водородно-воздушную смесь снижает её реакционную способность. Заметим, что традиционные методы снижения температуры выпускных газов (охлаждение водородно-воздушной смеси в процессе впуска, впрыскивание воды в цилиндр или во впускной коллектор, низкая температура впрыскиваемого жидкого водорода, как, например в BMW 750 [5] и др.), требующие значительные изменения конструкции базового бензинового двигателя, в данной работе не применялись. Кроме того, по ранее выполненным экспериментальным работам [6, 7] известно, что детонационные
и
900
800
700
600
500
400
300
РИС. 4
Измеренные значения температуры выпускных газов водородного двигателя в зависимости от скоростного режима работы
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500
п, мин-1
свойства водородно-воздушной смеси также существенно зависят от коэффициента избытка воздуха ав, в частности, при увеличении ав > 1,6 нормальная скорость фронта пламени составляет примерно 55.. .60 м/с, и двигатель работает стабильно.
Проведённые экспериментальные исследования показали, что ограничение изменений коэффициента избытка воздуха в пределах ав = 1,5.2,4 обеспечивает нормальную стабильную работу опытного водородного двигателя без пропусков зажигания и указанных аномальных явлений.
Заметим также, что непосредственное впрыскивание водорода в цилиндр в конце такта сжатия и его самовоспламенение (водородный дизель) [1, 8, 9] или его принудительное зажигание (водородный двигатель с внутренним смесеобразованием и с искровым зажиганием) исключают возможность возникновения детонации и позволяют работать при более высоких степенях сжатия, однако требуют внесение существенных конструктивных изменений. Так, например, во втором случае подачу водорода в цилиндр следует организовывать таким образом, чтобы его струя попадала на электроды свечи зажигания. Это можно осуществить подачей водорода через отверстие в самой свече зажигания или подачей его в поток направленного движения воздушного заряда, созданного специальной формой впускного трубопровода или специальной формой камеры сгорания в поршне [2, 6].
Результаты индицирования и экспериментального исследования эмиссии оксидов азота. Верификация 3D-модели рабочего процесса водородного двигателя
Целью экспериментальных исследований водородного двигателя являлось измерение эмиссии оксидов азота в широком диапазоне изменения регулируемых факторов (угол опережения зажигания фзаж, коэф -фициент избытка воздуха ав, степень РОГ) на различных скоростных
режимах работы. При проведении соответствующих экспериментов руководствовались следующими подходами:
1. Влияние изменения коэффициента избытка воздуха о, на образование NOX исследовалось при постоянных значениях частоты вращения коленчатого вала «=const и давления впрыскивания водорода Pg^const, изменение а при этом осуществлялось изменением продолжительности впрыскивания водорода Дфвпр;
2. Исследование влияния угла опережения зажигания на образование NOX проводилось при «=const и o^const, что обеспечивало стабильную работу двигателя при таких условиях, далее изменялся фзаж и измерялась концентрация оксидов азота NOX, то есть были получены изменения эмиссии NOX в зависимости от фзаж;
3. Исследование влияния степени РОГ на эмиссию NOX проводилось для различных степеней РОГ z, которая изменялась путём варьирования количества отработавших газов, введённых в систему впуска, с помощью ручного клапана рециркуляции 19 (см. рис. 3), а с помощью анализатора выпускных газов AVL DIGAS 4000 определялась зависимость эмиссии NOX от z.
Заметим, что степень (доля) рециркуляции z обычно определяется как отношение массовых или объёмных количеств рециркулируемого газа тРОГ и впускного заряда [10]
z =
тРОГ
тав + + трог
(1)
где тв и тН2 - соответственно массы впускного воздуха и топлива (водород).
Поскольку температура и давление рециркулируемого отработавшего газа довольно высокие и сильно колеблются, затруднено точное измерение его массового расхода. С другой стороны, температура и давление свежего воздуха имеют относительно стабильные значения, поэтому степень РОГ на исследуемых режимах оценивалась как соотношение массовых расходов (кг/ч) свежего воздуха при наличии РОГ твр 0 г и
без РОГ тв :
Z = 1 -
швРОГ
(2)
Подчеркнём, что практически на всех исследуемых режимах проводилось индицирование двигателя с последующей обработкой полученных опытных данных в анализаторе сгорания (см. рис. 4).
Результаты индицирования и измерения NOx были использованы для верификации SD-модели рабочего процесса водородного двигателя, основанной на фундаментальных уравнениях трёхмерного нестационарного турбулентного переноса количества движения (Навье - Стокса), энергии (Фурье - Кирхгофа), диффузии (Фика) и неразрывности. Такая модель, подробно изложенная в [1, 8, 10] и реализованная в коммерческих SD-кодах AVL FIRE [11], ранее успешно была применена для моделирования внутрицилиндровых процессов в двигателях различного типа и назначения: традиционных (в бензиновых и в дизелях) [12, 13], газовых [14], двухтопливных (газодизельные) [15] и водородных дизелях [8, 16, 17]. Однако полное отсутствие
>
5 4, 5 4 3, 5 пз 3 1= ^ 2,5 а: 2 1, 5 1 0, 5 0 РИС.5 Сопоставление экспериментальной ( и расчётной (----) индикаторных диаграмм водородного двигателя: п = 3000 мин~\ фзаж = 15°, ав=1,64
-90 -80-70-60 -50 -40 -30-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
ср,°УПКВ
опыта по ЗБ-моделированию рабочего процесса водородного двигателя с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием требовало, а наличие большого объёма экспериментальных данных позволяло провести верификацию указанной модели для широкого диапазона изменения режимных, регулируемых и конструктивных параметров исследуемого водородного двигателя.
Пример верификации модели, проведённой путём сопоставления экспериментальных и расчётных индикаторных диаграмм, приведён на рис. 5.
Согласно рекомендациям [11], верификация использованной 3 О-математической модели рабочего процесса водородного двигателя осуществлялась с применением следующих значений начальных параметров и параметров инициализации:
• уточнённое значение степени сжатия в ~ 9,8;
• начальный угол расчёта сршч = 633° (-87° от ВМТ);
• начальное давление ршч = 212996 Па;
• начальная температура Гшч = 500 К;
• начальная плотность газа ршч = 1,43 кг/м3;
• начальная кинетическая энергия турбулентности (КЕТ) кшч = 25,4 м2/с2;
• начальный линейный масштаб турбулентности (ТЬ8) -
= 0,00171833 м;
• параметр инициализации вихревого движения = 300 мин4;
• параметр инициализации растяжения фронта пламени = 6,1;
• параметр для инициализации начальной плотности поверхности пламени IFSD = 2500 м-1.
В используемую 3D-модель рабочего процесса включена модель когерентного пламени (ECFM) [10], в которой развитие пламени описывается параметром, называемым поверхностной плотностью пламени и представляющим собой площадь поверхности пламени на единицу объёма. Параметр IFSD является константой модели сгорания и предназначен для её управления. Его значение требуется для тех расчётных ячеек (контрольные объёмы) сетки, где происходит зажигание. Оно влияет на задержку зажигания: чем выше начальное значение плотности пламени, тем короче задержка зажигания. Параметр SF также является константой модели сгорания и применяется для управления продолжительностью фазы горения. Его увеличение приводит к интенсификации образования поверхностной плотности пламени и, следовательно, к более короткой (быстро протекающей) фазе горения.
Вначале поле скоростей в цилиндре инициализируется вихревым потоком, интенсивность движения которого определяется на основе вихревого числа (число Рикардо), измеренного в ходе стендовых испытаний в зависимости от частоты вращения коленчатого вала. В случае отсутствии таких возможностей его значение выбирается приблизительно по известным данным и уточняется пробными расчётами.
Подчеркнём, что определённые отмеченным образом и уточнённые многократными численными экспериментами указанные выше значения параметров приводят не только к хорошему согласованию расчётных и экспериментальных индикаторных диаграмм (см. рис. 5). Также вполне приемлемое получается и отклонение результатов моделирования образования оксидов азота ([NOX] = 2440 ppm, здесь и дальше квадратные скобки обозначают концентрацию) на данном режиме от результатов непосредственного измерения ([NOx] = 2242 ppm) с разницей Д = 8,8 %, зафиксированное для данного режима работы.
Аналогично приведённому примеру проводилась верификация математической модели рабочего процесса водородного двигателя с искровым зажиганием на всех исследуемых режимах его работы.
На рис. 6 представлены результаты моделирования и экспериментального исследования влияния угла опережения зажигания на эмиссию оксидов азота на скоростном режиме работы водородного двигателя n = 3000 мин4.
Максимальное отклонение результатов моделирования от экспериментальных данных, как видно, наблюдается при значении УПКВ фзаж = 15° и не превышает 11 %. Анализ экспериментальных индикаторных диаграмм и полученных на их основе скоростей тепловыделения dQX/dф = Дф) указывает на то, что при фзаж = 15° по сравнению с другими значениями фзаж < 15° получаются наибольшие значения максимального давления цикла pz и скорости тепловыделения (dQX/dф)max . Расположения этих пиковых значений относительно верхней мёртвой точки на графике p = р(ф) при фзаж = 15° самые благоприятные, что указывает на эффективность рабочего цикла водородного двигателя (индикаторный КПД на данном режиме по экспериментальным данным n = 40,8 %). Очевидно, что это результат интенсификации процесса сгорания,
а ср
-»
РИС. 6
Влияние угла опережения зажигания на эмиссию оксидов азота. Сопоставление экспериментальных ( — ) и расчётных
(----) данных.
Режим п=3000 мин1
Фзаж,°УПКВ
приводящей одновременно с ростом р к повышению как максимальной температуры цикла (в данном случае Т 2 = 2375 К), так и локальных температур на фронте пламени. Повышение температурного уровня цикла сопровождается повышением эмиссии оксидов азота. Этим объясняется повышение [N0,] с увеличением угла опережения зажигания (см. рис. 6).
Заключение
В данной работе, выполненной совместными усилиями МГТУ им. Н.Э. Баумана и ПТИ, проанализированы результаты экспериментальных исследований, проведённых на опытной установке с водородным двигателем, созданной в лаборатории ПТИ. Экспериментальная установка позволяет провести исследования рабочего процесса водородного двигателя с впрыскиванием газообразного водорода во впускную систему и зажиганием водородно-воздушной смеси с помощью электрической искры. Экспериментальный двигатель представляет собой конвертированный на водород серийный автомобильный бензиновый двигатель с некоторыми конструктивными изменениями впускной системы, связанными со спецификой впрыскивания газообразного водорода.
Исследования, проведённые в широком диапазоне изменения скоростного режима работы (п = 1000.. .5500 мин1), показали, что выбор коэффициента избытка воздуха ав является важнейшим фактором для предотвращения аномальных явлений (обратная вспышка, преждевременное воспламенение, детонация) и обеспечения нормальной стабильной работы двигателя. При этом было подтверждено, что между ав и эмиссией оксидов азота N0,,. (единственное в выпускных газах водородного двигателя вредное вещество, ограниченное законодательством) существует однозначная взаимосвязь, относительно мало зависящая от скоростного режима работы двигателя. Установлено, что в пределах изменения коэффициента избытка воздуха ав = 1,6.2,4 во всём диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала обеспечивается стабильная работа водородного двигателя без аномальных явлений и пропусков зажигания.
ВОДОРОДНОЕ Скоростная характеристика водородного двигателя, построен-
ТОПЛИВО ная при полностью открытом воздушном дросселе, когда на всех
частотах вращения соблюдалось условие постоянства коэффициента избытка воздуха (ав ~ 1,6.1,7), показала, что минимальный удельный эффективный расход водорода ge шт = 87,24 г/(кВт-ч) достигается при п = 2500 мин1. На режиме холостого хода удельный расход водорода достигает 96 г/(кВт-ч). На режиме п = 5000 мин1 имеем ge = 92,2 г/(кВт-ч) и N = 51,0 кВт, что на 15 % меньше заявленной максимальной мощности базового бензинового двигателя N = 60 кВт. Достижение такой максимальной мощности на экспериментальном водородном двигателе возможно при ав = 1,35 на режиме п = 5500 мин1, при этом эффективные показатели принимают значения ge = 98,4 г/(кВт-ч) и Ые = 60,6 кВт. Однако в таком случае появляются признаки аномального сгорания. Они выражаются, прежде всего, в появлении обратной вспышки из-за высокой температуры остаточных продуктов сгорания (см. выше) и в высоких скоростях перемещения фронта пламени. Последние приводят к повышению скоростей тепловыделения и нарастанию давления, наблюдаемых в процессе анализа индикаторных диаграмм. Кроме того, указанный выше режим максимальной мощности, осуществляемый при ав = 1,35, приводит к наиболее высокой эмиссии оксидов азота [N0,] = 4392 ррт и к самой низкой величине эффективного КПД двигателя це = 30,6 % во всём диапазоне исследуемых режимов работы. Для сравнения заметим, что на режиме п = 5000 мин1 при ав = 1,69 имеем [N0,] = 1360 ррт, а максимальное значение эффективного КПД це = 41 % получаем на режиме п = 2500 мин1 при ав = 1,61.
Таким образом, работа исследуемого водородного двигателя на режиме максимальной мощности (Ые = 60,66 кВт при п = 5500 мин1 и ав = 1,35) не рекомендуется как с экологической точки зрения, так и из-за низкого эффективного КПД и высокой вероятности аномального сгорания. Значения ав > 1,6 в целом гарантируют устойчивую работу водородного двигателя в диапазоне скоростных режимов работы (п = 1000.5000 мин1). В связи с этим дальнейшие исследования рабочего процесса экспериментального водородного двигателя целесообразно проводить на обеднённой водородно-воздушной смеси (ав > 1,6).
Экспериментальные исследования, проведённые с целью определения целесообразности использования РОГ на водородном двигателе, показывают, что применение РОГ (степень рециркуляции г = 15 %), например, на режиме п = 1000 мин1 приводит к существенному сокращению эмиссии N0,,. (примерно в 3 раза). Кроме того, замечено, что как снижение, так и повышение [N0,] в зависимости от ав происходят заметно медленнее, чем при работе двигателя без РОГ.
Следует отметить, что в настоящее время возможности РОГ в водородных двигателях мало исследованы. В качестве отработавшего газа в данном случае выступает водяной пар Н2О, который при попадании во впускную систему и перемешивании с более холодной водородно-воздушной смесью частично может конденсироваться, а дальше с повышением температуры в процессе сжатия опять испаряться. Это может привести к падению температуры в цилиндре и к снижению концентрации оксидов азота подобно двигателям с впрыскиванием воды
>
в цилиндр [18, 19]. Очевидно, что здесь свою роль может сыграть уровень температуры отработавших газов, перепускаемых во впускную систему водородного двигателя.
По результатам проведённых экспериментальных исследований опытного водородного двигателя выполнена верификация 3D-модели рабочего процесса водородного двигателя, основанной на фундаментальных уравнениях трёхмерного нестационарного турбулентного переноса в широком диапазоне изменения регулируемых и режимных параметров двигателя. Данная модель, успешно апробированная ранее для двигателей различного типоразмера, впервые применяется для водородного двигателя с искровым зажиганием.
Хорошее согласование результатов моделирования и экспериментальных данных, прежде всего, по индикаторным диаграммам и эмиссии оксидов азота, полученных при изменении таких параметров двигателя, какими являются угол опережения зажигания, коэффициент избытка воздуха и степень РОГ, позволяет заключить, что в виде верифицированной модели создан инструмент для проведения численных экспериментов по исследованию внутрицилиндровых процессов, экологических и эффективных характеристик перспективных водородных двигателей с принудительным зажиганием. Применение данной модели существенно может сократить сроки и затраты на создание перспективных водородных ДВС данного типа.
В целом можно заключить, что подтверждена целесообразность создания и эффективность работы двигателя с искровым зажиганием на бедных водородно-воздушных смесях, а для дальнейшего исследования и усовершенствования его рабочего процесса разработан инструмент в виде верифицированной 3D-математической модели.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №18-08-00275а).
Библиографический список
1. Кавтарадзе Р.З. Теплофизические процессы в дизелях, конвертированных на природный газ и водород. -
М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. - 238 с.
2. Eichlseder H., Klell M. Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik. Erzeugung, Speicherung, Anwendung. Vieweg + Teubner Verlag. Wiesbaden, 2008. - 288 s.
3. Sun Baigang, Duan Junfa, Liu Fushui. NOx Emission Characteristics of Hydrogen Internal Combustion Engine // Journal of Beijing Institute of Technology. - Vol. 23, № 3. - Pp. 339-344.
4. Duan Junfa, Liu Fushui, Sun Baigang. Backfire Control and Power Enhancement a Hydrogen Internal Combustion engine // International Journal of Hydrogen Energy. -2014. - № 39. - Pp. 4581-4589.
5. Schüers A., Alois A., Fickel H. Ch., Preis M., Artmann R. Der Zwölfzylinder-Wasserstoffmotor im BMW 750hL // MTZ. -2002. - № 2. - S. 98-105.
6. Мищенко А.И. Применение водорода для автомобильных двигателей. - Киев: Наукова думка, 1984. - 143 с.
7. К.В. Приходько, А.М. Бастраков, Т.Н. Рязанова. Исследование влияния коэффициента избытка воздуха на характеристики горения водородно-воздушных смесей в условиях КС постоянного объёма // Известия ВолгГТУ. - 2013. - №12. - С.37-39.
8. Kavtaradze, R., Natriashvili, T., and Gladyshev, S. Hydrogen-Diesel Engine: Problems and Prospects of Improving the Working Process // SAE Technical Paper. -2019. - 2019-01-0541. - 15 p.
9. Кавтарадзе Р.З., Голосов А.С., Ван Ичунь, Жунжун Чэн., Цытянь Чжан. Сравнительный анализ образования оксидов азота в камерах сгорания традиционного
и водородного дизелей // Транспорт на альтернативном топливе. - 2019. - № 6 (72). - С. 38-46.
10. Кавтарадзе Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. - 589 с.
11. FIRE. Users Manual Version 2019 / AVL List GmbH. Graz (Austria).
12. Кавтарадзе Р.З., Зеленцов А.А. Влияние формы впускных каналов на эффективные и экологические показатели среднеоборотного дизеля // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. - 2015. - № 6. - С.59-73.
13. Кавтарадзе Р.З., Зеленцов А.А., Онищенко О.Д., Финкельберг Л.А., Костюченков АН. Моделирование процессов переноса, сгорания и образования оксидов азота в авиационном поршневом двигателе с дублированной системой зажигания // Известия РАН. Энергетика. - 2012. - № 6. - С. 135-152.
14. Кавтарадзе Р.З., Зеленцов А.А., Краснов В.М. Локальный теплообмен в камере сгорания дизеля, конвертированного на природный газ и водород // РАН. Теплофизика высоких температур. - 2018. -Том 56. - № 6. - С. 924-933.
15. Kavtaradze R.Z., Onishchenko D.O., Kozlov A.V., Terenchenko A.S., Golosov A.S. Analysis of Local Heat Exchange in Combustion Chamber and Injection Nozzle of Dual-Fuel Engine // International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE). - 2019. - Vol. 8, Issue 8. June. - Pp.2804-2811.
16. Kavtaradze R.Z., Natriashvili T.M., Glonti M.G., Wang Yichun, Sakhvadze G. Zh. Local Heat Transfer in the Combustion Chamber of a Hydrogen Diesel // Russian Engineering Research. - 2019. - Vol. 39, № 10. - Pp. 831-836.
17. Кавтарадзе Р.З. Влияние вихревого движения заряда на процессы образования оксидов азота и нестационарного теплообмена в водородном дизеле // РАН. Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2017. - № 6. - С. 92-102.
18. Plöntzke R., Zellbeck H. Wassereinspritzung im Dieselmotor // MTZ. - 2016. - № 4. - S.28-33.
19. Böhm M., Mährle W., Bartelt H.-C., Rubbert St. Funktionale Integration einer Wassereinspritzung in den Ottomotor // MTZ. - 2016. -№ 1. - S. 38-43.
