CC BY
114
УДК 662.76:621.431.73
Е. А. Федянов, Е. А. Захаров, Ю. В. Левин, Д. С. Гаврилов
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ ПРОПАН-БУТАНОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ С ДОБАВКАМИ ВОДОРОДА
Рассмотрены перспективы применения водорода в качестве добавок к пропанбутану. Приведены результаты экспериментального определения влияния добавок водорода на скорость распространения пламени в бедных смесях пропан-бутана с воздухом.
Водород; сжиженный газ; пропан-бутан; камера сгорания постоянного объема; нормальная скорость распространения пламени
E.A. Fedyanov, E.A. Zakharov, Y.V. Levin, D.S. Gavrilov
EXPERIMENTAL STUDY OF COMBUSTION OF PROPANE-BUTANE-AIR MIXTURE WITH
ADDITION OF HYDROGEN
The perspectives of use of hydrogen as an addition to the propane-butane are considered.
The results of the experimental determination of the influence of addition of hydrogen to the flame speed in lean mixtures of propane-butane in air.
Hydrogen, liquefied natural gas, propane-butane, constant volume combustion chamber; normal speed propagation flame
Сжиженные углеводородные газы (СУГ), сырьем для производства которых являются попутные нефтяные газы и газы, получаемые в процессе переработки нефти, все шире используется в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Положительные свойства СУГ как моторного топлива хорошо известны: они обладают высокой детонационной стойкостью, более широкими пределами воспламенения, меньшей токсичностью отработавших газов. В сравнении с бензином СУГ имеет более низкую стоимость при развитой сети газозаправочных станций.
В настоящее время применительно к бензиновым ДВС чаще всего реализуется концепция двухтопливного двигателя. Суть ее заключается в том, что существующий бензиновый двигатель дополнительно оснащается газобаллонным оборудованием (ГБО) для работы на СУГ. Однако такое ГБО зачастую не адаптировано к конкретной модели двигателя. Это обстоятельство может негативно сказаться на процессе сгорания топлива и, как следствие, характеристиках двигателя: увеличиваются расход топлива и выбросы токсичных компонентов с отработавшими газами [1]. Ухудшение процесса сгорания в наибольшей степени может проявиться на режиме холостого хода и переходных режимах, на которых в городских условиях эксплуатации значительную долю времени работают двигатели легковых автомобилей, маршрутных такси, малотоннажных грузовиков.
Одним из наиболее перспективных путей повышения экономичности и снижения токсичности газового ДВС является использование смесевого топлива, представляющего собой смесь СУГ и водорода в разных пропорциях. Основными сдерживающими факторами широкого применения водорода в ДВС является его высокая цена и отсутствие развитой инфраструктуры. Поэтому сегодня нет возможности экономически перевести автомобильный транспорт на водород. В связи с вышесказан-104
ным, представляет интерес использование водорода в качестве малых добавок к СУГ с целью улучшения процесса горения.
Положительное влияние малых добавок водорода на процесс сгорания бензина подтверждено результатами ряда исследований [2, 3], в том числе проведенных в Волгоградском государственном техническом университете (ВолгГТУ). В частности, были получены количественные данные о влиянии добавок водорода на скорость сгорания бензовоздушных смесей. Для СУГ таких данных практически нет. В связи с этим в камере сгорания постоянного объема проведены эксперименты, в ходе которых было изучено влияние добавок водорода на скорость распространения ламинарного пламени в смесях СУГ с воздухом.
Для экспериментов использована цилиндрическая стальная камера сгорания диаметром 90 мм и длиной 115 мм (рис. 1). Установка с этой камерой сгорания оснащена необходимой контрольноизмерительной и регистрирующей аппаратурой, а также системой для подачи топливовоздушной смеси и удаления продуктов сгорания. С целью исключения влияния на результаты экспериментов погрешностей индивидуального дозирования топлива и воздуха, топливовоздушные смеси различного состава приготовлялись в отдельных баллонах. Состав топливовоздушной смеси задавался соотношением величин парциальных давлений СУГ, водорода и воздуха. Давление топливовоздушной смеси перед ее воспламенением в камере сгорания во всех случаях равнялось атмосферному.
Воспламенение топливовоздушной смеси осуществлялось искровой свечой зажигания. При этом специальная лабораторная система зажигания позволяла варьировать силу тока (I = 25 ... 400 мА) и длительность электрического разряда (т = 0,2 ... 8 мс).
Распространение фронта пламени по объему камеры сгорания регистрировалось с помощью двух ионизационных датчиков, сигналы которых через усилители поступали на вход цифрового запоминающего осциллографа. Значение видимой скорости Wb распространения пламени вычислялось делением разности расстояний от источника зажигания до каждого из ионизационных датчиков на разность интервалов времени между началом разряда на свече зажигания и появлением сигнала на каждом из датчиков (рис. 2).
Такая методика исключала влияние на результат определения Wb процесса образования
начального очага горения. Данный факт также подтвердился серией проведенных опытов при одном и том же составе топливовоздушной смеси, но при различных параметрах электрического разряда (I, т). Варьирование параметров электрического разряда свечи не изменяло регистрируемую видимую скорость сгорания Wb .
і і
Рис. 1. Экспериментальная установка с камерой сгорания постоянного объема:
1 - камера сгорания постоянного объема; 2 - ионизационные датчики; 3 - свеча зажигания; 4 - лабораторная система зажигания с регулируемыми параметрами искрового разряда; 5 - электронный запоминающий осциллограф; 6 - усилители электрических сигналов; 7 - вакуумметр; 8 - вакуумный насос;
9 - баллон с топливовоздушной смесью
Нормальная скорость распространения пламени wn вычислялась по значению видимой скорости с учетом текущего значения степени расширения продуктов горения £ь на момент достижения фронтом пламени каждого из датчиков:
(1)
Рис. 2. Сигналы, регистрируемые запоминающим осциллографом
Оценка степени влияния добавок водорода на скорость распространения ламинарного пламени в смесях СУГ и воздуха была сделана по величине изменения нормальной скорости распространения фронта пламени при различных значениях коэффициента избытка воздуха.
На рис. 3 приведены полученные на основе опытов зависимости величины нормальной скорости wn распространения фронта пламени в смесях СУГ с добавками водорода до 5% по массе при
различных значениях коэффициента избытка воздуха а.
Как видно, в смеси, близкой по составу к стехиометрической (а=1,07), добавка 5% водорода увеличивает wn на 70%. В бедной смеси при а=1,47 аналогичная по массе добавка повышает нормальную скорость на 61%. Полученные экспериментальные данные позволяют утверждать, что добавки водорода в смесь СУГ с воздухом позволяют значительно ускорить процесс сгорания. Также следует отметить, что при наличии в топливовоздушной смеси свободного водорода существенно повышается стабильность воспламенения. Так, в ходе опытов не было зафиксировано пропусков зажигания исследуемых бедных смесей с добавками водорода в отличие от топливовоздушных смесей без добавок водорода.
При использовании добавок водорода в ДВС, работающем на СУГ, следует ожидать существенного улучшения его энергоэкологических показателей.
При этом обращает на себя внимание практически линейная зависимость между значением wn и величиной добавки водорода.
Для того чтобы выяснить, сохраняется ли указанная выше линейная зависимость при больших значениях добавок водорода, были проведены опыты с добавками 20%, 40%, 60% водорода, а также на чистом водороде. Результаты этих экспериментов приведены на рис. 4.
Показанные на этом рисунке зависимости подтверждают линейный характер зависимости нормальной скорости распространения пламени от величины добавки водорода.
И’п, М/С
Нг, %
и,/э
0,15 -
од , П П1^
♦ а = 1,07 —■— а = 1,47 —*— а = 1,75
Рис. 3 Влияние добавок водорода (0...5%) на нормальную скорость сгорания смеси СУГ с воздухом при различных значениях коэффициента избытка воздуха
Рис. 4. Влияние добавок водорода (0...100%) на нормальную скорость сгорания смеси СУГ с воздухом при различных значениях коэффициента избытка воздуха
Исходя из линейного характера полученных зависимостей, можно рекомендовать для определения нормальной скорости распространения пламени при любых добавках водорода формулу:
пт
™пСИ • (1 - 8И2 ) + ^пИ, • 8Н •
(2)
где ^исы , ^пн2 - нормальные скорости пламени для СУГ и чистого водорода; §н2 - величина добавки водорода (по массе) к СУГ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Регулировка бензинового ДВС при переводе его на сжиженный нефтяной газ / Злотин Г. Н., Захаров Е. А., Кузьмин А. В.// Двигателестроение 2007. № 2. С. 29-31.
2. Злотин, Г.Н. Начальный очаг горения при искровом зажигании гомогенных топливовоздушных смесей в замкнутых объемах / Г.Н. Злотин, Е.А. Федянов; ВолгГТУ. Волгоград, 2008. 152 с.
3. Смоленский В. В., Смоленская Н. М., Шайкин А. Г. Влияние добавки водорода на процесс горения в бензиновых двигателях с искровым зажиганием // Прогресс транспортных средств и систем -2009: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Ч. 1. С. 247-248.
Федянов Евгений Алексеевич -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теплотехника и гидравлика» Волгоградского государственного технического университета
Захаров Евгений Александрович -
кандидат технических наук, доцент, проректор по учебной работе Волгоградского государственного технического университета
Левин Юрий Васильевич -
аспирант кафедры «Теплотехника и гидравлика» Волгоградского государственного технического университета
Г аврилов Дмитрий Сергеевич -
Магистрант кафедры «Техническая эксплуатация и ремонт автомобилей» Волгоградского государственного технического университета
Eugene A. Fedyanov -
Dr. Sc., professor,
head of Department «Heat Engineering and Hydraulics» Volgograd State Technical University
Eugene A. Zakharov -
Ph.D., vice rector for Academic Affairs Volgograd State Technical University
Yuri V. Levin -
graduate student «Heat Engineering and Hydraulics» Volgograd State Technical University
Dmitry S. Gavrilov -
graduate student «Operation and Maintenance of Automobiles» Volgograd State Technical University
Статья поступила в редакцию 03.04.13, принята к опубликованию 30.04.13
