В статье рассматриваются результаты экспериментальных исследований работы роторно-поршневого двигателя Ванкеля ВАЗ-311 с добавками свободного водорода на режиме холостого хода. Полученные результаты свидетельствуют об улучшении топливной экономичности и экологичности двигателя Ванкеля за счет добавок свободного водорода.
Ключевые слова: роторно-поршневой двигатель Ванкеля, водород, расход топлива, продукты неполного сгорания.
Роторный двигатель Ванкеля (см. рис. 1) является потенциальной альтернативой поршневому двигателю и больше подходит в качестве силовой установки для гибридных транспортных средств [1], легкомоторной авиации [2] и маломерных судов [3].
Рис. 1. Роторный двигатель Ванкеля со снятой задней крышкой
По сравнению с обычным поршневым двигателем роторный двигатель имеет много преимуществ, таких как более лучшее значение удельной мощности благодаря высокой частоте вращения эксцентрикового вала, компактная и простая конструкция из-за меньшего количества движущихся частей, меньшая вибрация и шум при работе двигателя, обусловленные отсутствием возвратно-поступательных элементов, и др. [4–6]. По этим причинам роторный двигатель является перспективной энергетической установкой для мобильных транспортных средств. Однако нельзя игнорировать и недостатки роторного двигателя. Как правило, это высокие выбросы углеводородов (C x H y ) и оксидов углерода (CO), плохая экономия топлива и низкая тепловая эффективность [1, 3, 6]. Эти проблемы в основном вызваны следующими причинами: во-первых, быстрому и полному сгоранию топливно-воздушных смесей препятствует узкая камера сгорания роторного двигателя. Во-вторых, эффект гашения пламени увеличивается из-за высокого отношения площади поверхности к объему камеры сгорания. И последнее, но не менее важное: из-за однонаправленного движения ротора возникает неполное сгорание топливовоздушной смеси у задней, по ходу вращения, вершины ротора. Поэтому ряд исследовательских интересов сосредоточены на улучшении топливной экономичности и показателей выбросов роторного двигателя.
Бензин является одним из наиболее широко используемых видов топлива в двигателях с искровым зажиганием, в том числе и в роторных двигателях Ванкеля. Однако узкая и длинная камера сгорания, а также однонаправленное движение заряда затрудняют испарение бензина и образование гомогенной топливовоздушной смеси. Между тем большая толщина гашения пламени и низкая скорость сгорания бензовоздушной смеси неблагоприятно сказываются на экономии топлива и выбросах вредных веществ с отработавшими газами роторного двигателя. Поэтому для роторного двигателя Ванкеля больше подходит топливо с высокой скоростью распространения пламени и минимальной толщиной гашения пламени.
Как показывают исследования [1, 3], в том числе, проведенные в Волгоградском государственном техническом университете [7–8], что уменьшить неполное сгорание топливовоздушной смеси в камере сгорания роторного двигателя Ванкеля можно за счет использования добавок водорода к основному топливу. Конструктивные особенности роторного двигателя Ванкеля хорошо подходят для использования водорода. Отсутствие выпускного клапана, расположение свечей зажигания в специальных камерах и физическое разделение между камерой сгорания и зоной выпуска способствуют уменьшению преждевременного зажигания и обратного воспламенение водородовоздушной смеси. Более того, из-за характеристик пламени водорода использование водорода в качестве топливной добавки может частично устранить недостатки двигателя Ванкеля. Действительно, водород увеличивает скорость распространения пламени, что способствует уменьшению эффекта гашения пламени и уменьшению тепловых потерь внутри рабочей камеры роторного двигателя Ванкеля.
Экспериментальные исследования при использовании добавок водорода к основному топливу проводились на односекционном роторном двигателе Ванкеля ВАЗ-311. Бензин марки АИ-92 использовался в качестве основного топлива. Подача как бензина, так и водорода осуществлялась через форсунки во впускной коллектор роторного двигателя. Система впрыска топлива позволяет изменять длительность и момент начала впрыска как бензина, так и водорода.
Испытания по влиянию добавок водорода к основному топливу проводились на холостом ходу, так как для данного режима характерна повышенная концентрация несгоревших углеводородов и оксидов углерода в отработавших газах. Контроль количества C x H y и CO в отработавших газах роторного двигателя Ванкеля на холостом ходу производился с помощью газоанализатора АСКОН-02. Также на холостом ходу по величине массового расхода основного топлива оценивалась топливная экономичность роторного двигателя Ванкеля при использовании различных добавок водорода. Состав топливовоздушной смеси при работе роторного двигателя соответствовал стехиометрическому. Исключение составляла только работа двигателя Ванкеля без добавок водорода, которая осуществлялась при коэффициенте избытка воздуха = 0,95, так как устойчивость работы роторного двигателя нарушалась при стехиометрическом значении коэффициента избытка воздуха.
На рис. 2 представлены зависимости массовых расходов бензина и водорода от количества добавляемого водорода на холостом ходу роторного двигателя. Так, например, массовая добавка 9 % водорода снижает расход бензина на 23,5 % при работе двигателя на стехиометрической топливовоздушной смеси (α = 1)
Рис. 2. Зависимость расходов бензина и водорода от величины добавляемого водорода на холостом ходу
Дополнительные исследования влияния добавок свободного водорода на содержание C x H y и СО, проведенные для режима холостого хода, показали существенное снижение выбросов названных токсичных компонентов. На рис. 3 представлены зависимости содержания оксида углерода и несгоревших углеводородов в отработавших газах от величины массовой добавки водорода.
Как видно из рис. 2, добавка 9 % водорода к основному топливу на режиме холостого хода роторного двигателя Ванкеля приводит к снижению содержания C x H y в 4,5 раза, а содержания СО — в три раза.
Рис. 4. Зависимость C x H y и СО от массовой добавки водорода на холостом ходу
Результаты исследований показали, что использование малых добавок водорода положительно влияет на экологичность и топливную экономичность роторного двигателя Ванкеля. Уменьшение выбросов несгоревших углеводородов и расхода бензина свидетельствуют о том, что добавки водорода способствуют улучшению полноты сгорания топливовоздушной смеси в роторном двигателе. А возможность поддерживать стехиометрический состав топливовоздушной смеси на режиме холостого хода за счет малых добавок водорода позволяет использовать системы с трехкомпонентными нейтрализаторами отработавших газов с целью дополнительного снижения вредных выбросов в окружающую среду.
Литература:
1. Wakayama N., Morimoto K., Kashiwagi A., Saito T. Development of hydrogen rotary engine vehicle. 16th World Hydrogen Energy Conference. — Lyon, France. — 2006.
2. Броладзе К. Э. Многотопливные РПД «WANKEL» AG. Международный научный журнал «Воздушный транспорт». — 2013. — № 1 (8). — С. 16–36.
3. Amrouche F., Erickson P., Park J., Varnhagen S. An experimental investigation of hydrogen-enriched gasoline in a Wankel rotary engine. International Journal of Hydrogen Energy. — 2014. — T. 39. — Р. 8525–8534.
4. Архангельский В. М. и др. Автомобильные двигатели. — М.: Машиностроение, 1977.
5. Колчин А. И., Демидов В. П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: учеб. пособие для вузов — М.: Высшая школа, 2008.
6. Chen H., Pan C., Xu X., Zhang X., Xu H. Development of Rotary Piston Engine Worldwide / AASRI International Conference on Industrial Electronics and Applications. — Atlantis Press. — 2015. — P. 180–183.
7. Левин Ю. В. и др. Влияние добавки водорода на экологические показатели роторно-поршневого двигателя Ванкеля // Альтернативные источники энергии в транспортно-технологическом комплексе: проблемы и перспективы рационального использования. — 2015. — Т. 2. — №. 2. — С. 392–396.
8. Федянов Е. А. и др. Использование добавок свободного водорода для улучшения топливной экономичности роторно-поршневого двигателя ванкеля // Энерго-и ресурсосбережение: промышленность и транспорт. — 2017. — №. 4. — С. 20–23.
