Короткий огляд дослідно-конструкторських робіт з використання у двигунах внутрішнього згоряння
Рубрика: Технічні науки
Бібліографічний опис:
Число автомобілів, що швидко зростає, вимагає прискорення пошуку шляхів вирішення енергоекологічних проблем. Це викликає необхідність постійної роботи над удосконаленням робочих процесів автомобільних двигунів, зокрема розширення спектру автомобільних палив. З кінця 70-х років минулого століття увага автобудівників все більше привертає до себе використання водню як автомобільне паливо.
Активні роботи у цьому напрямі було розпочато у наукових та виробничих установах СРСР. Вони очолювалися НАМИ, Інститутом проблем машинобудування Української Академії наук, Волгоградським політехнічним інститутом (ВПІ) та ін. організаціями. Ці роботи дали можливість створити основи теорії робочих процесів ДВЗ при використанні паливних сумішей водню. Практична реалізація результатів цих досліджень дозволила створити конструкції автомобілів, які використовують добавку водню до бензоповітряних сумішей. Ці роботи були реалізовані під керівництвом І. Л. Варшавського, А. І. Міщенка [1], поряд співробітників НАМІ.
У теоретичних дослідженнях серйозний внесок було внесено колективом наукових співробітників ВПІ та колективом політехнічного інституту Тольятті.
Цей огляд не претендує на широкий розгляд проблем використання водню в автобудуванні і стосується, головним чином, результатів, досягнутих вище перерахованими науковими та виробничими установами.
Застосування водню в машинобудуванні зажадало його вивченнятеплофізичних та моторних властивостей. Такі дослідження були описані у кандидатській дисертації Ю. А. Треліна. Фрагменти його досліджень [2], що враховують властивості водню як добавки до бензоповітряних сумішей, наведено у таблиці 1.
Термохімічні характеристики бензоводневих паливних композицій (БВТК)
Показник
Відсоток (за масою) добавки водню уБВТК
0
10
20
30
50
80
Еквівалентна вуглеводнева формула БВТК
Найнижча теплота згоряння БВТК, МДж/кг
Теплота згоряння паливно-повітряної суміші з БВТК, МДж/кг
Перевірка цього припущення проводилася на чотиритактному одноциліндровому карбюраторному двигуні повітряного охолодження зі ступенем стиснення ε = 4. Такий ступінь стиснення забезпечувала досить високу стабільність пробивних напруг та енергії іскри як при роботі на бензоповітряних сумішах, так і при добавках водню. Витрата водню фіксувався за допомогою протарованої мірної діафрагми, витрата повітря розробленим у ВПІ пристроєм, палива об'ємним способом. Індикування двигуна проводилося за допомогою тиску тензодатчика.
На рис. 1 наведено криві зміни тривалості першої фази згоряння τI при куті відкриття дросельної заслінки φдр = 15% і різної частоти обертання валу двигуна. Коефіцієнт надлишку повітря був у межах 0,8÷1,0. Найменші значення α відносяться до роботи двигуна без добавок водню. При подачі водню відповідно зменшувалася кількість бензину суміші. Як видно, добавка водню при незмінній енергії іскри викликала скорочення тривалості першої фази згоряння τI у 2÷2,5 рази (великі величини відповідають меншій частоті обертаннявалу двигуна)
Мал. 1. Залежність тривалості першої фази згоряння від частоти обертання колінчастого валу при φдр = 15%: 1 - бензоповітряна суміш; 2 - бензоповітряна суміш з добавками водню
Це скорочення τI пояснюється зростанням активних центрів при додаванні в суміш водню, атоми якого мають високу активність. Скорочення τI призводить до підвищення циклової стабільності займання, що, у свою чергу, дозволяє підвищити межу ефективного збіднення суміші та працювати ДВЗ на бідних сумішах, тобто з великим ККД. Вплив водню тим значніший, чим бідніша основна бензоповітряна суміш (рис. 2).
Мал. 2. Межі збіднення бензоповітряних сумішей: 1 - теоретичний; 2 - експериментальні за межі займання; 3 - область високої емісії CnHm; 4 - експериментальний за мінімумом емісії CnHm
Як показали експерименти В. З. Гібадулліна [4,5] форсування займання має місце і при локальному збагаченні бензоповітряної суміші в області міжелектродних зазорів свічок запалювання як у поршневих, так і в роторно-поршневих двигунах. Позитивний вплив на займання локального збагачення ТВС воднем надає заміна ТВС бензину на метан, що має меншу швидкість згоряння. Це підтвердили досліди, проведені з локальною подачею водню в область міжелектродного зазору при використанні палива метану і пропану [7].
Дослідження, проведені вченими АвтоВАЗу, підтвердили, що збагачення метаноповітряної суміші воднем не лише прискорює процес займання, а й помітно підвищує економіку палива двигуна [8]. Цей результат дуже важливий при заміні живлення ДВЗ метаном замість бензину.
Проведені пізніше у Тольяттинському та Волгоградському технічних університетахДослідження [9] показали, що вплив добавок водню в суміш проявляється по-різному на різних стадіях процесу згоряння в ДВЗ: воно більше на стадії займання та догоряння. Вплив цих добавок на основну стадію турбулентного згоряння вимагає уточнення ролі, яку на цій стадії параметри турбулентності. На стадії догоряння добавка суміш водню помітно прискорює процес догоряння і його повноту, забезпечуючи поліпшення енергоекологічних показників двигуна.
У роботі [10] було встановлено, що зі зростанням добавок водню та збільшенням швидкості згоряння підвищується ефективність перетворення теплоти на роботу. Ця ефективність оцінювалася в [10] за часткою теплоти, що виділилася в характерних точках циклу двигуна: ВМТ - XВМТ; максимального тиску циклу PZ - XPz; максимальної температури Tz - XTz. Відзначено, що найбільший вплив добавки водню в суміш надають на XВМТ, що благотворно позначається на економічній паливі двигуна.
У роботі [10] з використанням методів математичної статистики було показано, що токсичність відпрацьованих газів двигуна з іскровим запалюванням, що працює на бензоводородоповітряних сумішах визначається сукупним впливом частки водню в суміші, частоти обертання валу двигуна, витрати бензину, кута випередження запалення, міжелектрод запалювання.
Результати досліджень [2, 4, 8] були додатково підтверджені широкими дослідженнями І. Л. Варшавського [15]. Матеріали, описані у зазначених вище дослідженнях, показали однозначну наявність енергоекологічних переваг двигунів, що працюють на бензоводородоповітряних сумішах, тобто на бензповітряних сумішах з добавками водню. Це визначило практичну доцільність створення автомобілів, двигуни яких харчувалися ббідними бензоводородоповітряними сумішами. Такі роботи активно проводились, зокрема, у НАМІ та Інституті проблем машинобудування АН УРСР [13]. Були створені досвідчені автомобілі РАФ 22034, ГАЗ-24 Волга, ВАЗ 2101 Жигулі та ін.
У цих автомобілях необхідна кількість водню на борту транспортного засобу зберігалася у металогідридних акумуляторах. У таблиці 2 наведено взяті з [12] характеристики деяких металогідридів.
Характеристики деяких металогідридних систем зберігання водню