В статье рассматриваются водород как добавка к углеводородному топливу. Рассматриваются процессы сгорания углеводородного топлива при добавлении в смесь водорода. Способы доставки газообразного топлива в камеру сгорания. Также рассматривается экономическая и энергоэкологическая проблема. На основе проведенного анализа были сделаны выводы о том, что добавка улучшает мощностные характеристики, повышает экономию топлива, снижает выбросы вредных веществ, однако конструкция подачи водорода требует большего времени на исследование.
Ключевые слова: углеводородное топливо, водород, камера сгорания, эффективность, экология, экономика.
The article discusses hydrogen as an additive to hydrocarbon fuel. The processes of combustion of hydrocarbon fuel when hydrogen is added to the mixture are considered. Methods for delivering gaseous fuel to the combustion chamber. The economic and energy-ecological problem is also considered. Based on the analysis, it was concluded that the additive improves power characteristics, increases fuel economy, and reduces emissions of harmful substances, but the design of hydrogen supply requires more research time.
Keywords: hydrocarbon fuel, hydrogen, combustion chamber, efficiency, ecology, economics.
Поршневые двигатели внутреннего сгорания были изобретены более 100 лет назад, но они по-прежнему доминируют на рынке двигателей малой и средней мощности для всех видов транспорта и производства электроэнергии. Почти все двигатели по всему миру работают в соответствии с термодинамическими циклами Отто и Дизеля и используют много видов жидкого и газового ископаемого топлива, такого как бензин, дизельное топливо, биодизель, сжиженный нефтяной газ и природный газ. Вышеупомянутые термодинамические циклы имеют много существенных различий в рабочих процедурах, но поскольку знание основных принципов работы этих циклов считается фундаментальным, следующий текст фокусируется только на четырёхтактных двигателях.
Хорошо известно, что процесс сгорания в бензиновых и дизельных двигателях представляет собой прерывистый процесс, который происходит каждые четыре хода. Продолжительность сгорания составляет всего несколько миллисекунд, особенно в быстрых двигателях Отто, время, доступное для завершения сгорания топлива, очень мало. Поэтому конструкторы и производители двигателей пытаются улучшить как конструкцию, так и производственные процессы, чтобы производить двигатели, способные генерировать значительные количества энергии при минимально возможном расходе топлива. Ключевым фактором для достижения повышенной топливной эффективности является контролируемое, полное и быстрое сгорание топлива в камере сгорания с максимально возможным количеством воздуха.
Исследования последних лет показали, что чем беднее топливовоздушная смесь, тем медленнее становится горение. Это происходит в основном из-за того, что молекулы топлива широко разделены молекулами воздуха, и становится все труднее и труднее достичь цепной реакции горения. В обычных бензиновых или дизельных двигателях пламя распространяется в камере сгорания в виде фронта пламени, который начинается от центра камеры (где расположена свеча зажигания или дизельный инжектор) и движется к стенкам камеры, в то время как воспламеняются все молекулы несгоревшего топлива. Если мы предположим, что обедненная воздушно-топливная смесь вот-вот будет сгорать в бензиновом двигателе с опережением 4 °, то завершение сгорания произойдет почти на 170 ° позже, когда поршень почти достигнет НМТ. Это явление приводит к общей эффективности и снижению производительности из-за:
- Максимальное снижение давления сгорания за счет движения поршня (увеличение эффективного объема сгорания).
- Уменьшение удельного крутящего момента из-за уменьшения давления в камере (уменьшение усилия поршня).
- Повышенные тепловые потери из-за воздействия горячих выхлопных газов на стенки цилиндров.
- Повышенные выбросы CO и несгоревших углеводородов из-за неполного сгорания некоторых изолированных молекул топлива на границах камеры сгорания
На этом этапе было бы полезно повторить предыдущий пример сгорания в бензиновом двигателе, но теперь топливом будет бензин, обогащенный водородом. Обогащение бензина осуществляется не путем химического или механического «легирования» топлива, а путем непосредственного впрыска газообразного водорода в камеру или на воздухозаборник рядом с впускным клапаном (производители изучают различные концепции). Вернемся к примеру сгорания, где свеча зажигания создает искру, и горение начинается за 4 ° до ВМТ. Топливо, обогащенное водородом, уже поступило в камеру сгорания, и соотношение топливо-воздух очень мало (бедная смесь) для достижения высокого КПД.
Спустя всего 2 мс водород начинает воспламеняться, и из-за того, что он находится под высокой температурой и давлением, он начинает разделяться на атомарный водород. Атомарный водород, очень активен и производит быструю цепную реакцию, которая распространяется практически мгновенно по всему объему камеры сгорания. Практически одновременное воспламенение водорода инициирует одновременное воспламенение основного топлива, которое сгорает мгновенно, не создавая фронта пламени, так как вся камера сгорания воспламеняется одновременно.
Процесс сгорания теперь завершается примерно через 6–10 мсек и после того, как поршень переместится только на 14–18 ° после ВМТ. Это явление быстрого горения приводит к:
- Полному сгоранию всего объема камеры без несгоревших участков.
- Созданию очень высокого давления в камере сгорания из-за высоких температур и из-за того, что объем камеры сгорания не увеличивается значительно (поршень перемещается менее чем на 20 °). Это приводит к увеличению усилий поршня и увеличению крутящего момента двигателя (примерно на 30 %).
- Способность эффективно сжигать особо обедненную топливовоздушную смесь, которая не воспламеняется в обычных двигателях внутреннего сгорания. Это приводит к повышению эффективности и экономии топлива (около 25–30 %).
- Снижение (или даже полное исключение) выбросов CO и несгоревших углеводородов за счет почти идеального сгорания.
- Снижение выбросов NOx за счет сложного механизма горения, который будет описан далее
Сжигание с использованием водорода имеет значительные преимущества по сравнению с обычным сжиганием и считается одним из самых многообещающих методов для «чистых» двигателей внутреннего сгорания ближайшего будущего. Однако некоторые интересные вопросы о работе двигателей с добавлением водорода в углеводородное топливо, которые следует обсудить более подробно, — это снижение выбросов оксида азота (NOx) и метод впрыска водорода в камеру сгорания.
Сокращение выбросов
Между производителями двигателей было в целом утверждено, что повышенные температуры сгорания и минимальная продолжительность процесса сгорания вызывают образование и выбросы загрязняющих веществ — оксида азота. Это было особенно очевидно в двигателях с дизельным циклом, где увеличение давления сжатия и наддува сопровождалось пропорциональным увеличением выбросов NOx. В результате вышеизложенного производители двигателей должны искать компромисс между характеристиками и выбросами, поэтому они производят двигатели, которые не могут работать в условиях максимального давления и температуры, и в то же время они должны использовать устройства каталитического окисления выхлопных газов, чтобы полностью дожечь окисленные выбросы.
Как обсуждалось выше, водород распыляется непосредственно в цилиндр или во впускной коллектор очень близко к впускному клапану. Сгорание происходит быстро и температура сгорания очень высока, однако образования NOx удается избежать из-за характеристик, присущих этому виду сгорания. Восстановление NOx сначала кажется невозможным, поскольку высокие температуры и короткая продолжительность горения способствуют образованию NOx, но во время сгорания с повышенным содержанием водорода химический механизм форматирования NOx «обходится». Горение настолько быстрое, что высокие температуры существуют только около 2 мсек и почти весь ход расширения не включает никаких процессов сгорания. Это означает, что во время расширения температура внутри цилиндра ниже, чем в обычных двигателях, поэтому единственное время для образования NOx — это минимальный период сгорания. Результатом этого интересного явления является впечатляющее снижение выбросов NOx в двигателях, работающих с добавкой водорода.
Значительную роль играет схема подачи водорода в цилиндры
Одна из основных проблем двигателей, работающих с добавкой водорода, это подача водорода в цилиндры.
Для обеспечения работы двигателя по данному принципу воздушная смесь должна быть обогащена водородом и смешана с углеводородным топливом. Это может быть сделано либо непосредственно в камере сгорания, либо перед камерой сгорания во впускном коллекторе. Когда водород впрыскивается во впускной коллектор, конструкция всей системы проста, модификации исходного двигателя незначительны, а стоимость этих модификаций невысока. Однако с водородом трудно обращаться, поскольку он очень легкий, имеет большую диффузию и характеризуется очень низким значением температуры воспламенения. Это означает, что когда свежая смесь воздуха, топлива и водорода перемещается внутри камеры сгорания, она может легко воспламениться из-за различных горячих точек внутри цилиндра, таких как выпускные клапаны, свечи зажигания, остатки углерода, которые прилипают к стенкам камер сгорания. Это преждевременное возгорание водорода вызывает множество проблем, наиболее серьезной из которых является реверсивное горение. Это опасная ситуация, когда первая часть воспламененного водорода воспламеняет последующий впрыск водорода, и горение быстро перемещается из цилиндра во впускной коллектор.
Более безопасным является непосредственный впрыск водорода.
Непосредственный впрыск намного дороже и требует значительных модификаций существующих двигателей с целью модернизации, но, с другой стороны, он предлагает много преимуществ. Форсунка размещается в центре камеры сгорания (в «традиционном» положении свечи зажигания) таким образом, чтобы смещенная и обычно наклоненная свеча зажигания располагалась близко к точке впрыска. Такое размещение свечи зажигания и форсунки обеспечивает быстрое воспламенение топлива независимо от того, насколько бедной может быть смесь. В дополнение к этому полностью исключается явление реверсивного горения, и оно может быть более длительным и точно контролируемым.
Одной из наиболее важных переменных в работе двигателя с прямым впрыском водорода является момент впрыска. Когда в двигателе используется обычное топливо (например, бензин), впрыск начинается за много градусов угла поворота коленчатого вала до ВМТ, чтобы дать впрыскиваемому топливу достаточно времени для смешивания с воздухом в камере сгорания. Однако, когда в двигателе используется водород, в этой задержке больше нет необходимости. Сжигание водорода происходит более чем в 10 раз быстрее, и сгорание всего объема камеры может быть осуществлено всего за несколько миллисекунд. Данные представлены на диаграмме (Рис. 1)
Непосредственный впрыск водорода
Рис. 1. Диаграмма давления и перемещения поршня при сгорании водорода в двигателе
Глядя на последовательность изображений (Рис.1) внутри камеры сгорания, мы можем заметить, что продолжительность всего процесса сгорания составляет всего 3,5 мсек, что соответствует нескольким градусам угла поворота коленчатого вала. Опережение искры составляет всего 1,47 мсек до ВМТ, свеча зажигания расположена рядом с периметром камеры, поскольку инжектор установлен по центру. В начальном состоянии горения (до 1,56 мсек после зажигания) картина пламени не такая симметричная, так как область вокруг свечи зажигания обеспечивает более быстрое сгорание, чем противоположная сторона.
Однако из-за очень высокой скорости сгорания водорода через 1 мс сгорание почти симметрично, и весь водород воспламеняется без каких-либо крупных неохваченных участков. Также глядя на диаграмму «давление» (синяя линия), мы можем заметить, что в районе ВМТ максимальное давление составляет около 105 атм. Также ясно, что это чрезвычайно высокое давление достигается за очень короткое время, обеспечивая очень эффективное сгорание без образования NOx.
Дизельные двигатели с добавлением водорода
Контроль самовоспламенения дизельного топлива — сложная задача, хотя дизельное топливо является стабильным и тщательно изученным топливом, можно представить, что контролируемое самовоспламенение водорода — очень сложная процедура, в основном из-за того, что водород имеет тенденцию очень легко воспламеняться по горячим точкам двигателя.
Одним из способов контролировать воспламенение водорода, это контроль факела воспламенения, который зависит от формы, площади и количества отверстий сопла инжектора.
Исследование конструкции инжекторов на данный момент производится.
Выводы о добавке водорода к углеводородному топливу можно сделать уже сейчас, добавка улучшает мощностные характеристики, повышает экономию топлива, снижает выбросы вредных веществ за счет полноценного сгорания топливовоздушной смеси, однако конструкция подачи водорода требует большего времени на исследование, чтобы было возможно безопасно использовать данную систему.
Литература:
- А. И. Мищенко. Применение водорода для автомобильных двигателей. Наукова думка, Украина, Киев, 1984.
- Г. А. Терентьев, В. М. Тюков, Ф. В. Смаль. Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов. М.: «Химия», 1989.
