Наиболее радикальным решением является использование схем с внутренним смесеобразованием и искровым зажиганием. Во-первых, теплотворную способность горючего газа (благодаря подаче топлива непосредственно в цилиндр) следует относить не к суммарному объему водорода и горючего газа в коллекторе, а непосредственно к количеству подаваемого в цилиндр воздуха. Соответственно, удельная
Рис. 1. Зависимость максимально допустимой мощности двигателя ВАЗ-2111, работающего на различных составахбензоводородовоздушной смеси (дроссельная заслонка полностью открыта)
теплотворная способность смеси повышается до 3800 кДж/м3. Это позволяет получать такую же мощность, как у бензинового двигателя, при одинаковых коэффициентах избытка воздуха.
Во-вторых, реализуемый в таких схемах принцип послойного смесеобразования в сочетании с широким диапазоном воспламеняемости водорода допускает значительное обеднение смеси на частичных нагрузках. Это способствует повышению эффективного КПД и уменьшению выбросов оксидов азота. Вероятность «хлопков» в данном случае исключена, поскольку во впускном коллекторе нет водорода. Преждевременное воспламенение смеси от нагретых деталей также маловероятно, так как впрыск водорода осуществляется только в конце сжатия.
Кроме того, согласование движения воздушного заряда с направлением и фазами подачи газа может быть организовано так, чтобы в контакт с наиболее горячими деталями входила более бедная смесь. Наконец, специальное исследование [4] показало, что при движении смеси относительно нагретой детали требуемая для воспламенения температура повышается.
Сведения, имеющиеся в литературе о двигателях с внутренним смесеобразованием и искровым зажиганием, относятся в основном к бензиновым версиям. Чтобы оценить перспективу применения таких схем в газовых и, в частности, водородных двигателях, в СПб ГПУ было проведено исследование на основе специально разработанной математической модели. В ней учитываются вязкость и нестацио-нарность движения воздуха и газа, а также изменения объема камеры сгорания при движении поршня.
Результатом расчета являются поля скоро-стей,давлений,температур и концентраций компонентов топливовоздушной смеси в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Пример поля концентраций (рис. 2) показывает, что за счет подбора конфигурации камеры сгорания и параметров подачи водорода к моменту подачи искры может быть получена хорошо воспламеняемая смесь в зоне свечи и более бедная - в остальном объеме камеры сгорания. Тем самым достигается надежное воспламенение, быстрое и полное сгорание и минимальная токсичность отработавших газов.
Моделирование позволяет также выбрать рациональный алгоритм управления мощностью двигателя. Он предусматривает регулирование в диапазоне от номинальной мощности до средних нагрузок и частичное дросселирование (количественное регулирование) на режимах, близких к холостому ходу, во избежание пере-обеднения.
Таким образом, современный уровень развития двигателестроения позволяет создавать надежные, достаточно мощные, экономичные и малотоксичные двигатели, работающие на водороде. В качестве промежуточного этапа с целью накопления опыта могут рассматриваться варианты со смешанным водородно-бензиновым питанием, а также чисто водородные двигатели с пониженной мощностью.
Необходимо еще раз подчеркнуть, что радикальное решение проблемы топлива для транспортных двигателей на основе применения водорода возможно лишь в комплексе с общей проблемой энергоснабжения промышленности и транспорта. Сегодня за счет нефтепродуктов производится около половины всей энергии, вырабатываемой в мире, - львиная доля при этом приходится на транспорт. Чтобы обеспечить его водородным топливом, потребуется не менее чем вдвое увеличить производство электроэнергии. По всей вероятности, это будет возможно лишь за счет широких программ строительства и эксплуатации АЭС.
Литература:
1. Seleznev K. P. & al. Development and Investigation of the Hydrogen Fueling Systems used for Automobile Engines / Ргос. of the 7-th World Hydrogen conf. Moscow: Pergamon Press,1988, v.3 - P.2105-2118.
2. Магидович Л. Е, Румянцев В. В. Условия сгорания водородовоздушной смеси в двигателях внутреннего сгорания / Двигателестрое-ние. 1983, №5.
3. Галышев Ю. В., Магидович Л. Е, Румянцев В. В., Серебренников В. В. Основные принципы выбора и расчета системы водородного питания транспортного двигателя / Рабочие процессы компрессоров и установок с ДВС. Труды ЛПИ №419 // Л.: изд. ЛПИ, 1985. C.43-45.
4. Enomoto R, Furuhama S., Nishiguchi T. Ignitability of Hydrogen-Air Mixture by Hot Surfaces and Hot Gases in Hydrogen-Fueled Engine / JSAE Rev. №5, 1981, P. 23-29.
Автор: Ю. В. Галышев – С.Петербургский государственный политехнический университет
Приобететение доступа к файлам
ВНИМАНИЕ: Данная информация получена путем сканирования, цифровой обработки физических носителей или обмена с неравнодушными пользователями. Она не имеет отметок грифа секретности и тайны, если вы считаете, что эта информация нарушает Ваши авторские или другие права. Незамедлительно сообщите администратору для удаления ее из портала.