ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА В БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

АННОТАЦИЯ

Сегодня ухудшение экологической ситуации и его предотвращение стало одной из самых актуальных проблем в мире. Вмешательство человека в природу вызывает экологический кризис. Экологический кризис возникает на основе разницы между потребностями человека и возможностями природы.То есть нарушается баланс между компонентами биосферы и движением человека. Это связано с тем, что запасы нефти истощаются, и в настоящее время проводятся широкомасштабные научные исследования в мировом масштабе по использованию природных ресурсов для получения альтернативных видов топлива, заменяющих нефть. Одним из таких источников энергии является водородное топливо. Благодаря легкости получения водородного топлива из энергоносителей и большим запасам его на земле, широко ведутся работы по его использованию в автомобилях.

ABSTRACT

Today, the deterioration of the ecological situation and its prevention has become one of the most pressing problems in the world. Human intervention in nature is causing an ecological crisis. The ecological crisis arises on the basis of the difference between human needs and the capabilities of nature, that is, the balance between the components of the biosphere and human movement is upset. This is due to the fact that oil reserves are being depleted, and large-scale scientific research on a global scale is being carried out on the use of natural resources to obtain alternative fuels that replace oil. One of these energy sources is hydrogen fuel. Due to the ease of obtaining hydrogen fuel from energy carriers and its large reserves on the ground, work is widely carried out on its use in cars.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, водородное топливо, водородно-воздушная смесь, обратные вспышки, число оборотов коленчатого вала, внутренняя и внешняя смесь, коэффициент избытка воздуха.

Keywords: automobile, hydrogen, fuel cell, anode, cathode, electrode, electrolysis, electric conductor.

Перевод двигателей с искровым зажиганием на водородное топливо приводит к ряду трудностей, связанных с неисправностями двигателя. В первую очередь это повторное возгорание на входе, высокая жесткость рабочего процесса и детонирующее горение. Эти процессы проявляются при приближении состава водородно-воздушной смеси к бензино-воздушной. Важнейшей задачей при переводе двигателей внутреннего сгорания на водородное топливо является изучение причин нарушений рабочего процесса по отношению к нормальному процессу и разработка методов устранения таких нарушений. Для двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием могут образовываться внутренние и внешние смеси.

Образование внешней смеси является обычным явлением в экспериментальных двигателях, так как этот процесс может осуществляться с помощью простого оборудования и не требует источников водорода высокого давления. При образовании внешней смеси, когда в водородно-воздушной смеси коэффициент избытка воздуха a <2 - 2,5, происходит повторное возгорание на входе и нарушается рабочий процесс. Внешнее смесеобразование происходит в смесительном устройстве на входе в зону входа. Такое устройство было разработано R. Billngs, исследовательской корпорацией в области энергетики, для смесителя для восьмицилиндрового V-образного двигателя Dodge.

При таком способе смешивания перед впускным клапаном всегда образуется одна и та же водородно-воздушная смесь. Хотя температура горения водородно-воздушной смеси выше, чем у углеводородно-топливной смеси, существует высокая вероятность воспламенения при прохождении рабочей смеси через впускной клапан, поскольку количество энергии, требуемой для воспламенения , очень низкое. водородно-воздушная смесь - 0,02 МДж, для бензина - 0,25 МДж . Возгорание водородно-воздушной смеси может быть вызвано высокотемпературными источниками в двигателе, но их энергии недостаточно для воспламенения бензиновоздушной смеси.

Источниками возгорания могут быть горячие точки камеры сгорания : свеча зажигания , выпускной клапан, остаточные газы или твердые продукты сгорания. Причины повторного возгорания на впуске определяются конструктивными характеристиками конкретного двигателя и фазами газораспределения. Для двигателя CFR, для которого было проведено множество исследований, повторное зажигание происходит раньше, когда стабильная рабочая зона очень мала ɑ = 2,0 . Камеры сгорания были усовершенствованы для обеспечения стабильного сгорания в современных двигателях.

Нижний предел стабильной работы коленчатого вала с частотой п = 2000min ^-1 соответствует богатой композиции в смеси, в которой наблюдается область повторного возгорания (а <1). Когда число оборотов коленчатого вала двигателя превышает 2000 оборотов в минуту, неравномерное перемешивание смеси создает препятствия в процессе ввода и двигатель работает с детонацией, что приводит к уменьшению его мощности.

Рисунок 1. Схема устройства подготовки водородно-воздушной смеси для двигателя Doyge (CFR)

Ускорение двигателя смещается к плохому смешению для стабильной работы. В интервале п = 3800 мин ¹ , предел повторного зажигания смещается в сторону а = 1,63 . Идея о том, что свеча зажигания с повторным зажиганием представляет собой горячий электрод, недостаточно обоснована. Исследования водородных двигателей показали, что увеличение площади поверхности свечи зажигания и количества искр позволяет двигателю работать стабильно, но не исключает полностью повторного зажигания. -зажигание. В горячих точках камеры сгорания интенсивное охлаждение, огонь полный yoqotolmaydo смертей водородно-воздушной смеси сжигается является одной из причин для новых рабочих .China коллекторы для взаимодействия с газами , поступающие клапаны будут закрыты. Во время открытия клапана остаточных газов и рабочей смеси химического состава от температуры пожара 700 ⁰ C, которые могут быть реализованы. Эта температура соответствует температуре воспламенения спонтанной (530-630 ° C) в водородно-воздушной смеси.

По мере увеличения частоты вращения коленчатого вала температура остаточных газов увеличивается и, соответственно, предел повторного воспламенения наступает в области бедной смеси. Новая рабочая смесь с остаточными газами более склонна к повторному возгоранию в результате перекрестного перемешивания после закрытия впускного клапана. Чтобы предотвратить повторное возгорание во время вставки, можно использовать различные методы.

Хорошие результаты можно получить, если к водородно-воздушной смеси добавить водяной пар и направить в баллон. Изменение количества воды в водородно-воздушной смеси может значительно снизить риск повторного возгорания. Если массовая доля воды в рабочей смеси m _H2O / m _H2 = 5, повторное возгорание вообще не произойдет.

Добавление воды во время процесса впрыска может осуществляться за счет карбюрации и может варьироваться в зависимости от частоты вращения двигателя и условий нагрузки. Можно увеличить количество воды, чтобы предотвратить повторное возгорание, но по мере увеличения количества воды в продуктах сгорания к маслу добавляется определенная часть продуктов сгорания, и содержание воды в масле увеличивается. Этот процесс также снижает экономию топлива. Количество рециркулируемых газов не превышает 10-20% от общей рабочей смеси. Повторное использование выхлопных газов помогает уменьшить образование оксида азота, а также предотвратить повторное возгорание. Использование двигателей, производящих внешнюю смесь, удобнее для формирования рабочей смеси, но приводит к снижению КПД в результате уменьшения коэффициента заполнения двигателя и снижения реактивности рабочей смеси. Лучший способ предотвратить повторное возгорание рядом с клапаном каждого цилиндра и направить водород прямо в цилиндр.

Рисунок 2. Способы заправки баллона водородным топливом

На рис. 2 представлена схема подачи водородного топлива по дополнительным патрубкам к впускному клапану. При открытии впускного клапана под действием вакуума в дополнительных трубках возникает поток, который вводится в цилиндр вместе с водородом-воздухом.

Эта конструкция имеет ряд серьезных недостатков: во-первых, гораздо сложнее создать в одной детали 2 различных паза с фаской и разработать клапан, который прочно к ней прикреплен. Во-вторых, такая конструкция не может гарантировать полного предотвращения повторного возгорания , так как водород и воздух начинают абсорбироваться в цилиндр одновременно, что приводит к сгоранию рабочей смеси на начальной стадии образования водородно-воздушной смеси. Во второй конструкции впрыск водородно-воздушной смеси в цилиндр отличается от таковой в первой конструкции, во второй конструкции впрыск водорода в цилиндр осуществляется вскоре после открытия клапана и останавливается перед закрытием. Это половина времени ввода. В первом методе входная труба (2) оснащена золотником, и золотник находится в постоянном контакте с клапаном, и с помощью пружины 1 толкает клапан вниз под давлением 0,1 МПа и выпускает водород. [Рис. 2 ]

Рисунок 3 Схема подачи водорода в Залотник

Когда впускной клапан 3 открывается, клапан опорожняется, и труба 4 подачи водорода открывается. Во втором варианте направляющий стержень приводит в движение золотник, и водород подается через клапан.Ручка впускного клапана 4 и направляющая 6 размещены в патрубке впускного клапана таким образом, чтобы в любом положении клапана между штоком и направляющей имелся зазор, в который проходил канал под избыточным давлением водорода до 0,1 МПа Поставляется через 5.При закрытом клапане около головки клапана образуется полость диаметром 1 мм во впускном канале.

В этой схеме водород подается в каждый цилиндр под давлением от 0,4 до 0,5 МПа через дополнительный механизм впускных клапанов непосредственно на впуск через распределительный вал. Клапаны подачи водорода открываются одновременно с впускными клапанами и закрываются после поворота коленчатого вала на угол 90

Когда внутри цилиндра образуется смесь, подача водорода непосредственно в цилиндр на завершающей стадии впрыска или в такте сжатия - полностью исключается повторное воспламенение.

Рисунок 4 Схема подачи газообразного водорода через гидрораспределитель

Образование смеси внутри цилиндра увеличивает удельную мощность водородных двигателей. Однако реализация внутреннего образования соединений в современных двигателях высокоскоростных автомобилей связана с рядом проблем, таких как доставка большого количества водорода (до одной трети рабочего объема цилиндра) за несколько миллисекунд. Вопрос о сроках подачи водорода также остается неясным, и расчет значений подачи и дозирования при необходимом давлении в системе подачи водорода.

Рисунок 5. Приведена принципиальная схема процесса внутреннего смешения и водородного инжектора одноцилиндрового двигателя CFR

В этом методе смешивания водород направляется в насос высокого давления, аналогичный дизельному двигателю, перед впускной камерой . Расход водорода регулируется изменением продолжительности распыления и его давления.

Продолжительность закачки может варьироваться от 8-10 мс, а давление от 3 до 8 МПа. Время начала доставки водорода также может варьироваться в широких пределах: оно начинается до достижения верхней конечной точки 15-35 °, что позволяет оптимизировать момент и продолжительность доставки водорода. 

Жесткость рабочего процесса. Независимо от способа образования смеси, она отличалась от топливовоздушных смесей, близких к водородному двигателю, высокой жесткостью рабочего процесса. Известно, что жесткость рабочего процесса определяется скоростью нарастания давления при горении. В ряде исследований скорость повышения давления в водородном двигателе оценивается примерно в 5000 МПа • с ^-1 при максимальном давлении 6,0–9,0 МПа . Более высокие значения относятся к двигателям, которые образуют смесь внутри цилиндра.

Повышение давления в водородном двигателе значительно выше, чем в бензиновом двигателе, его скорость составляет 900-1000 МПа с ^-1 , из-за высокой скорости сгорания водородно-воздушной смеси реальный процесс сгорания в водородном двигателе приближается к процесс теплопередачи при постоянном объеме в теоретическом цикле. Средняя скорость распространения пламени в камере сгорания водородного двигателя смеси стехиометрического состава с рабочей смесью бензинового двигателя может достигать 100-120 мс ^-1.

Из-за насыщения смеси скорость ее сгорания снижается до а = 1,9, что характерно для бензиновых двигателей со стехиометрической смесью. Анализ индикаторных диаграмм, полученных при оптимальных углах зажигания для разного времени горения и водородно-воздушных смесей, показывает, что жесткость рабочего потока зависит от степени восстановления топливно-воздушной смеси и скорости горения. Изменение скорости нарастания давления соответствует характеру изменения скорости горения водородно-воздушных смесей. Аналогичная интерпретация жесткости водородного двигателя встречается в ряде исследований, но методологические расчеты могут быть неверными при оценке характеристик искрового двигателя с водородным двигателем, включая все исследования коэффициента избытка воздуха. Время горения с данные остались неизменными ( 34 ° по ЮЧН ).

В результате при <1,4 процесс сгорания заканчивается при относительно высоких давлениях и высокой жесткости двигателя, пока поршень не достигнет ЮЧН, что вызывает остановку двигателя .

Максимальное давление сгорания в водородном двигателе должно быть выше, чем в бензиновом, по причинам, указанным выше.

При образовании внешней смеси это увеличение незначительно - около 10-15%, что существенно не влияет на условия работы коленчатого механизма и деталей цилиндро-поршневой группы. При образовании внутренней смеси максимальное давление может быть при значениях, характерных для дизельных двигателей с прямым зажиганием.Эти значения неприемлемы для двигателей, работающих при малых нагрузках, поэтому необходимо ограничивать как скорость повышения давления, так и максимальное давление.Это можно сделать с использованием плохих смесей, но значительное уменьшение этих смесей до a = 1,3 ~ 1,5 приводит к очень большому снижению мощности. При подаче водорода удобнее использовать метод внутреннего смесеобразования, поскольку мощность двигателя примерно равна мощности бензинового двигателя, но этот метод практически неприемлем при производстве внешней смеси, так как потери мощности двигателя составляют до 36%. 

Список литературы:

1. Исматов Ж.Ф., Джалилов Ж.Х., Файзуллаев А.Ж. Применение водорода в виде добавки автомобильных двигателях // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2021. 4(85). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11523 (дата обращения: 26.11.2021).
2. Дадабоев Р.М., Аббасов С.Ж. Перспективы использования водородного топлива в автомобилях // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2021. 3(84). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11348 (дата обращения: 26.11.2021).
3. А.И.Мишенко Применение водорода для автомобилных двигателей// Киев наука думка 1984 г
4. Григорьев А.А. Синтетические углеводородные ракетные горючие (пути снижения стоимости синтина)// Катализ и нефтехимия, 2005, №13/ . с.44-52.