Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 10
1.1 Источники несгоревших углеводородов в цилиндре бензинового двигателя внутреннего сгорания 12
1.1.1 Объемные углеводороды 12
1.1.2 Замороженные слои 13
1.1.3 Объемы гашения 15
1.2 Особенности рабочего процесса бензинового ДВС на режимах пуска и прогрева 18
1.3 Особенности образования и разложения несгоревших углеводородов в цилиндре бензинового ДВС на режимах пуска и прогрева 20
1.4 Методы снижения токсичности ОГ бензиновых двигателей 25
1.4.1 Анализ эффективности применения систем нейтрализации ОГ 25
1.4.2 Воздействие на рабочий процесс 29
1.5 Влияние добавки водорода на процесс горения ТВС 33
Глава 2 Исследование на моторном стенде влияния добавки водорода на выбросы углеводородов на режимах пуска и прогрева бензинового ДВС 39
2.1 Методика испытаний 40
2.2 Оценка погрешностей измерений 44
2.2.1 Оценка погрешностей прямых измерений 44
2.2.2 Оценка погрешностей косвенных измерений 47
2.3 Результаты стендовых испытаний двигателя ВАЗ-2111 и их анализ 50
2.4 Определение зависимости выбросов СН от параметров двигателя на режиме прогрева 61
Глава 3 Исследования токсичности автомобиля ВАЗ-21102 при работе с добавкой водорода на режимах пуска и прогрева 71
3.1 Разработка и результаты испытаний автономной системы доба вок водорода в ТВС 71
3.1.1 Исходные предпосылки, общее описание и алгоритмы работы системы подачи водорода 71
3.1.2 Описание работы системы подачи водорода 74
3.1.3 Методика испытаний 78
3.2 Определение параметров ЭСУД при добавке водорода на режимах пуска и прогрева 85
3.2.1 Методика испытаний 85
3.2.2 Определение параметров ЭСУД 86
3.2.3 Результаты испытаний 87
Глава 4 Результаты испытаний токсичности автомобиля ВАЗ-21102 по щ ездовому циклу Евро-3 и их анализ 93
Заключение 118
Список использованных источников
- Источники несгоревших углеводородов в цилиндре бензинового двигателя внутреннего сгорания
- Особенности образования и разложения несгоревших углеводородов в цилиндре бензинового ДВС на режимах пуска и прогрева
- Результаты стендовых испытаний двигателя ВАЗ-2111 и их анализ
- Разработка и результаты испытаний автономной системы доба вок водорода в ТВС
Введение к работе
Актуальность работы. На долю автомобильного транспорта в про-мышленно развитых регионах, по оценкам специалистов, приходится порядка 60-80 % всех токсичных выбросов [3, 31, 37, 42, 58]. Для снижения выбросов вредных веществ в окружающую среду, вызванного ростом парка автомобилей, начиная с 1972 г. правительства разных стран используют законодательные документы, в которых установлены требования к допустимому количеству токсичных компонентов в отработавших газах (ОГ) выпускаемых автомобилей. При этом требования к экологическим показателям выпускаемых автомобилей с каждым годом ужесточаются [31, 32, 55,56].
Исследования показывают, что основное количество вредных веществ (до 50 %) выбрасываемых при испытаниях автомобиля на соответствие нормам токсичности (ЕСЕ, ЕРА, FTP, CARB и др.), приходится на режимы пуска и прогрева двигателя [3, 5, 58, 71]. Основными токсичными компонентами на указанных режимах являются продукты неполного сгорания, несгоревшие углеводороды (СЯ) и окись углерода (СО), что объясняется необходимостью значительного обогащения топливовоздушной смеси (ТВС), а также неэффективной работой системы нейтрализации ОГ на этих режимах. При этом, наиболее трудно устранимыми из указанных компонентов являются несгоревшие углеводороды [4, 35, 57]. Учитывая токсичные свойства СН, в том числе и канцерогенные, а также роль в образовании смога [35, 42, 58, 65, 74], снижение СНка режимах пуска и прогрева является актуальной задачей.
Одним из известных способов снижения количества токсичных выбросов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является использование водорода, как в чистом виде, так и в качестве добавки к основному топливу. Вопросу использования водорода посвящено большое количество теоретических и экспериментальных работ, как в нашей стране, так и за рубежом [9, 15, 22, 23, 26, 29, 32, 33,45, 60, 64]. Исследования показывают, что добавка небольшого количества водорода (около 5 % от массы топлива) позволяет заметно расширить пределы стабильного воспламенения и горения топливовоздушной смеси и увеличить полноту сгорания топлива. Это приводит к значительному сокращению количества токсичных выбросов с ОГ ДВС и улучшению его экономических показателей.
Анализ литературы показывает, что применение водорода в качестве добавки в ТВС на режимах пуска и прогрева ДВС практически не изучено, а имеющаяся информация по этому вопросу носит в основном исследовательский характер. Однако, за последние несколько лет количество публикаций, посвященых этой теме, значительно увеличилось, что свидетельствует о возрастающем интересе к данному вопросу. Так, например, известна разработка фирмы Delphi, в которой водор одо содержащий газ, полученный в специальном риформере из ОГ, подается на впуск двигателя в период пуска и прогрева [51]. Известны также недавние разработки фирм Volvo, Сименс и др., в которых для снижения токсичности ОГ на режимах пуска и прогрева ДВС используется водород [1, 17, 20].
Следует отметить, что согласно концепции развития горения и взрыва как области научно-технического прогресса, принятой научным советом РАН в 2001 г. [40], «... перспективы улучшения экономических и экологических характеристик ДВС следует связывать с применением водорода... именно исследование процессов горения смесей водорода с углеводородами ... следует считать приоритетным направлением развития работ по горению применительно к ДВС».
Цель и задачи работы. Целью работы является снижение массовых выбросов СН в период пуска и прогрева бензинового двигателя путем добавки водорода к основному топливу.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи: - разработать методику испытаний по оценке влияния добавок водорода в ТВС на параметры двигателя в период пуска и прогрева; определить количественные зависимости и выявить закономерности выбросов СН в период пуска и прогрева бензинового двигателя от величины добавки водорода; разработать автономную систему добавки водорода для обеспечения малотоксичной работы двигателя в период пуска и прогрева двигателя; оптимизировать работу системы подачи водорода в составе автомобиля по токсичности и экономичности ДВС; экспериментально определить пределы возможного снижения выбросов СН при добавке водорода на режимах пуска и прогрева с учетом ограниченного запаса водорода на борту автомобиля и работы каталитической системы нейтрализации ОГ.
Объект исследования. Объектом исследования являлся поршневой бензиновый двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием типа ВАЗ-2111 с рабочим объемом 1,5 литра, степенью сжатия є = 9,9, оснащенный электронной системой распределенного впрыска топлива, как независимый объект, так и в составе автомобиля ВАЗ-21102 укомплектованного в соответствии с нормами Евро-2.
Предмет исследования. Предмет исследования заключается в изучении зависимостей выбросов с ОГ СН при добавках водорода в период пуска и прогрева двигателя.
Методы исследования. При проведении исследований применялся экспериментальный метод, включающий стендовые испытания двигателя и испытания двигателя в составе автомобиля.
Достоверность результатов исследования. Достоверность результатов исследования достигается проведением повторных (многократных) опытов и соответствующей статистической обработкой их результатов, а также проведением экспериментов в сертифицированной лаборатории УПД ДТР ОАО «АВТОВАЗ» по методике предусмотренной правилами 83-05 ЕЭК ООН.
Научная новизна: установлены эмпирические зависимости и выявлены закономерности изменения массовых выбросов СН от количества добавляемого водорода в ТВС в период пуска и прогрева двигателя; исследована и опытно подтверждена эффективность использования малых добавок водорода для снижения выбросов СН бензинового двигателя, в том числе оснащенного системой нейтрализации ОГ, на режимах пуска и прогрева; определены пределы возможного снижения выбросов СН при использовании малых добавок водорода в ТВС на режимах пуска и прогрева бензинового двигателя.
Практическую ценность представляют: разработанная, оптимизированная по энергопотреблению и апробированная опытной эксплуатацией на автомобиле конструкция автономной системы подачи водорода в ТВС, обеспечивающая снижение массовых выбросов СН автомобилем; достоверные результаты испытания системы добавки водорода в период пуска и прогрева двигателя, показавшие возможность снижения СН на 30% (СО на 40%) от исходного уровня выбросов при добавке водорода в количестве до 10% от массы топлива; рекомендации по использованию водорода в качестве добавки к основному топливу бензинового двигателя на режимах пуска и прогрева для снижения массовых выбросов СН; доказанная эффективность использования ограниченного количества водорода для снижения выбросов СН до практически значимых уровней.
Реализация результатов работы. Результаты настоящих исследований использованы в следующих договорных и госбюджетных научно-исследовательских работах выполняемых кафедрой «Тепловые двигатели» Тольятти некого государственного университета: «Экспериментальные исследования автомобиля ВАЗ-21102 оснащенного системой подачи водорода», договор № 17217 от 10.01.2001, ОАО «АВТОВАЗ» - Тольяттинский государственный университет, 2003. «Исследования кинетики термического окисления токсичных составляющих в забалластированных газовых смесях», госбюджетный договор № 17549, Министерство образования и науки - Тольяттинский государственный университет, 2002 -2004. «Исследования режимов работы генератора синтез газа, работающего на принципе воздушной конверсии природного газа», договор № 172401 от 01.09.2004, Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН - Тольяттинский государственный университет, 2004 -2005.
Материалы работы применяются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности «Тепловые двигатели» и смежных специальностей.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно-технических семинарах кафедры «Тепловые двигатели» ТГУ, а также на следующих конференциях: Международная научно-практическая конференция «Прогресс транспортных средств» ВГТУ, Волгоград - 2002; Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Современные тенденции развития автомобилестроения в России», Тольятти - 2004; Всероссийская научно-техническая конференция «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей», Самара - 2004; Международный симпозиум посвященный 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва - 2005.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.
На защиту выносятся следующие положения: - экспериментальные зависимости влияния добавок водорода в ТВС на массовые выбросы СИ в период пуска и прогрева бензинового двигателя; эмпирические зависимости, определяющие взаимосвязь выбросов СН с количеством добавляемого водорода и параметров работы на режимах пуска и прогрева бензинового двигателя, как отдельного объекта исследования, так и в составе автомобиля; система добавки водорода в ТВС обеспечивающая снижение выбросов СН в период пуска и прогрева двигателя и алгоритмы ее работы, определенные по эмпирическим зависимостям.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, д.т.н. проф. М.М. Русакову, к.т.н. доценту Л.Н. Бортникову, доценту А.Н. Афанасьеву, а также всем сотрудникам кафедры «Тепловые двигатели» Тольяттинского государственного университета.
Источники несгоревших углеводородов в цилиндре бензинового двигателя внутреннего сгорания
Основным фактором, влияющим на образование объемных СН, яв ляется состав смеси, который опре деляется коэффициентом избытка воздуха а. На рисунке 1.1 представ лена характерная зависимость изменения концентрации токсичных компонентов в ОГ современных бензиновых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) от а. Из рисунка 1.1 видно, что минимум СН соответст вует значению Ct и 1,1-1,2. Рисунок 1.1 - Изменения концентрации ,_, , токсичных компонентов от коэффициента При а 1 значительное коли- - а п „, , у избытка воздуха (а). чество СН в ОГ является следствием неполноты сгорания топлива из-за отсутствия необходимого количества окислителя в ТВС [45]. Полноту протекания процесса сгорания можно оценить коэффициентом молекулярного изменения горючей смеси fi [30] и записать в виде:
pc=M2/Mi, (1.1) где Mj — количество горючей смеси Mi - количество продуктов полного сгорания
Для иллюстрации на рисунке 1.2 представлено характерное изменение коэффициента молекулярного изменения в зависимости от состава 1С . Г. Ю1.1 -1.05 -1 - смеси, для случая использования бензина в качестве топлива [30]. Повышение СН при а 1.2 обусловлено ухудшением сгорания топлива вследствие приближения к границе стабильного горения (бедный срыв пламени) [45]. 1 а 1.4 0.6 0.8 1.2 Таким образом, для
Зависимость химического коэффициента молекулярного изменения от коэффициента избытка воздуха минимизации выбросов объемных СН необходимо обеспечить стабильную работу ДВС (в том числе и на режимах пуска и прогрева) при а = 1 и несколько выше. 1.1.2 Замороженные слои ПОРШЄНЬ г цилиндра Компрессионное кольцо 1- источник объемных СН 2- замороженные слои 3- объемы гашения Рисунок 1.3 - Источники несгоревших углеводородов
Существование замороженных слоев у стенки цилиндра ДВС впервые продемонстрировано с помощью фотографий, показывающих уменьшение свечения пламени вблизи этой стенки [35] (см. рисунок 1.3). Фотографирование процесса сгорания позволило определить толщину зоны, в которой происходит гашение пламени в пределах 0,15 - 0,38 мм [21, 54]. Опытно было показано, что основными факторами, влияющими на толщину этой зоны гашения, замороженного слоя, оказывает влияние температура и давление в момент замораживания. По данным [3, 86] при температуре стенки цилиндра 100 С количество СН приходящееся на замороженные слои составляет не более 5-7 %. Однако, с понижением температуры доля СН, приходящаяся на замороженные слои значительно увеличивается, например, понижение средней температуры стенки цилиндра с 190 С до 70 С вдвое увеличивает концентрацию СЯвОГ.
Эмпирически, зависимость толщины замороженного слоя от температуры и давления, по данным [35, 49, 59] можно представить в виде: ? «?,(/ ,/Р)Г(ГГ/Г/, (1.2) где q - толщина замороженного слоя; РнТ- давление и температура; ути у- эмпирические коэффициенты; индекс г обозначает граничные условия.
Недостатком формулы 1.2 является то, что для ее применения необходимо знать коэффициенты у/ и у, определение которых является сложной экспериментальной задачей. Частично исключить недостатки формулы (1.2) позволяет формула [36, 72]: = F-A -X\ (1.3) ср ге га где сІкр - критическое расстояние от фронта пламени до поверхности, при котором происходит гашение пламени (толщина замороженного слоя); ге - реакционная зона; А - число Авогадро; р - безразмерный коэффициент, величина которого зависит только от геометрической формы гасящей поверхности; % - коэффициент теплопроводности; ш- скорость реакции; F - постоянная, определяющая отношение скорости реакции во время прохождения пламени к скорости реакции, которая необходима в зоне реакции для того, чтобы произошло распространение пламени; X/ - мольная доля топлива; ср - теплоемкость при постоянном давлении. Однако и она в полной мере не позволяет производить расчеты вследствие невозможности точного определения величин, входящих в формулу.
Источниками несгоревших СН являются щели, размеры которых слишком малы для распространения пламени [35, 83, 85].
Исследования показывают, что основная масса СН, образующихся в объемах гашения приходится на область 1-го поршневого кольца (см. рисунок 1.3). Количество образующихся в объемах гашения СН можно выразить эмпирической зависимостью [35]: mai=VFS(P,T)/(l + F), (1.4) где V- объем зазора, в котором происходит гашение пламени; F - отношение, воздух/топливо; S- плотность. При этом минимальный размер зазора, в котором происходит гашение пламени согласно [77] можно определить по формуле:
Особенности образования и разложения несгоревших углеводородов в цилиндре бензинового ДВС на режимах пуска и прогрева
Как показывают исследования, процессы, происходящие при горении углеводородного топлива в ДВС, очень сложные и зависят от большого числа факторов, причем значимость каждого фактора может изменяться в зависимости от условий протекания процесса горения. По данным [35, 44, 69, 74] в цепной реакции при горении СИ могут образовываться более 150 промежуточных реакций с образованием более 200 различных углеводородов и азотосодержащих веществ. Кроме этого необходимо отметить, что точных решений задач по переходу от «микро» к «макро» процессам происходящих при горении ТВС сегодня нет. Поэтому подробное теоретическое описание процесса горения ТВС на исследуемых режимах затруднено и, по-видимому, возможно только в обобщенном виде или в виде эмпирических зависимостей [35].
Анализ причин образования СИ на режимах пуска и прогрева показывает, что определяющими факторами являются температурные условия и качество турбулизации заряда [48].
Режимы горения, такие как воспламенение и развитие начального очага пламени (1-я фаза), горение вблизи стенок цилиндра (3-я фаза), а также горение отдельных вихрей, подчиняются в большей степени ламинарным законам распространения пламени т.е. в основе процессов лежит молекулярный перенос [3]. Это подтверждают и формулы 1.3 и 1.5 (см. раздел 1.1).
При горении ТВС происходят значительные потери тепла из-за неполноты сгорания топлива, а также из-за потери тепла, затрачиваемые на термическое разложение углеводородов (той части топлива, которая не испарилась) на более легкие молекулы. Приближенно оценить потери тепла можно по формуле [30]: AQ=G6119,95(l-a)L0, (1.7) где a - коэффициент избытка воздуха; L0 — необходимое количество воздуха для полного сгорания топлива; G$ — расход топлива.
При температуре более 1000 К могут иметь место реакции образующие азотосодержащие вещества CHN [35], См/се 250 т ISO Яяхины 100 за чг / с» Числа атомов углерода г ь/ и». ч С с Известно [44, 45], что горение тяжелых углеводородов протекает по "цепочке" постепенного уменьшения молекулярной массы молекул углеводородного топлива. С повышением молекулярной массы топлива максимальная равновесная скорость пламени для различных групп нормальных углеводородов уменьшается. Исключением являются углеводороды класса алканов, скорость пламени которых постоянна.
На рисунке 1.7 представлена зависи- Рисунок 1. 7 - Зависимость нормальной скорости пламени от чис-мость нормальной скорости пламени от ла атомов С в молекуле топлива. числа атомов С в молекуле топлива [45].
На рисунке 1.8 проиллюстрирована схема протекания реакции окисления на примере метана СН4 предложенная Варнатцем [81, 82]. Из схемы видно, что первоначально молекулы углеводородного топлива вступают в реакцию с радикалами Я, ОН, О [80]. При этом концентрация этих радикалов в пламени является основным фактором, отвечающим за скорость распространения пламени. Влияние варьирования констант скорости элементарных реакций с участием радикалов Н, ОН, О на скорости распространения пламени представлены на рисунке 1.9.
Таким образом, основными факторами, определяющие нормальную скорость пламени являются активные центры - радикалы, такие как Я, ОН, О [44]. Согласно предложенной схеме горения углеводородов, по крайней мере, в бедных и незначительно обогащенных смесях, скорости распространения пламени определяются главным образом стадиями, не зависящими от природы топлива, а именно; Н+02-+ОН+0 (1.8) СО + ОН - С02 + Н (1.9)
Горение более тяжелых, чем метан углеводородов происходит гораздо сложнее и полное кинетическое описание горения «тяжелых» углеводородов отсутствует [35].
Наличие турбулентного переноса в цилиндре двигателя приводит к значительному увеличению скорости горения ТВС в основной (2-ой) фазе горения [11]. Однако, как показывают исследования интенсивность турбулентности на режимах пуска и прогрева низкая, что объясняется глубоким дросселированием потока [18]. Хотя масштабы турбулентности практически остаются неизменными на всех режимах работы двигателя, низкая интенсивность приводит к некачественному перемешиванию испарившегося топлива с воздухом и, как следствие, значительной неоднородности по составу смеси. В результате наблюдается нестабильность как длительности первой фазы, так и скорости горения в основной фазе. Параметром, характеризующим качество сгорания ТВС, может служить межцикловая неравномерность (ст), которая по данным [27] на режимах прогрева может достигать 50 %.
Результаты стендовых испытаний двигателя ВАЗ-2111 и их анализ
Основные результаты стендовых испытаний двигателя ВАЗ-2111 в виде графиков изменения регистрируемых параметров по времени приведены на рисунках 2.4 - 2.7 и А1- 6. При этом при проведении экспериментов количество подаваемого водорода в ДВС изменялось в пределах от 0 до 0,12 кг/ч, а угол опережения зажигания - в пределах от 15 до 0 п.к.в.
На рисунках 2.4 - 2.7 и приложения А используется следующие обозначение: COEFF=X, Н=Х, УОЗ=ХХ, где COEFF - значение коэффициента коррекции впрыска топлива, Н - расход водорода, УОЗ - угол опережения за жигания, X, XX, XXX - численные значения соответственно коэффициента коррекции впрыска топлива, расхода водорода (кг/ч) и УОЗ (п.к.в.). Если вместо численного значения указана величина (var), то данный параметр изменялся по закону назначаемый электронной системой управления двигателем (ЭСУД).
Необходимо отметить достаточно хорошую стабильность результатов испытаний, о чем свидетельствует, в частности, результаты испытаний двигателя проведенные без добавки водорода в разные даты, которые представлены и выделены на рисунках 2.4 - 2.6 и А1- 6.
Из рассмотрения графиков рисунков 2.4 - 2.5 можно видеть, что во время проведения работ удалось обеспечить работу двигателя на исследуемых режимах при температуре окружающей среды 20 С с коэффициентом избытка воздуха от 0,65 до 1,35. При этом добавка водорода обеспечивала стабильную работу двигателя при более высоких значениях а, чем без добавки водорода. В частности, из графиков рисунка 2.5 видно, что при добавке водорода в количестве 0,08 кг/ч коэффициент избытка воздуха в период прогрева двигателя достигает значения 1,35. При проведении работ без добавки водорода при а 1,2 двигатель работает неустойчиво. Этот результат позволяет сделать вывод о возможности повышения пределов стабильного горения смеси при добавке водорода в период прогрева двигателя [41].
Анализ результатов экспериментов, представленных на рисунках 2.6 -2.7 показывает, что при работе двигателя с добавками водорода выбросы СН снижаются примерно на 30 - 40 % (в зависимости от количества подаваемого водорода и коэффициента избытка воздуха) по сравнению с работой двигателя без водорода. Особенно существенное снижение выбросов СН наблюдается в начальный период работы двигателя, т.е. в первые 60 секунд. По мере прогрева интенсивность снижения выбросов СН уменьшается и примерно через 250 секунд количество выбрасываемых СН остается практически постоянным (см. рисунки 2.6 - 2.7). Общий уровень выбросов СН при добавке водорода, в этот период, в среднем на 15-20 % ниже, в зависимости от коли B-COEFF-var. Н=0.08; УОЗ=5 гр. -A-COEFF=var, Н-0,04; УОЗ-5 гр. и ОНТрС ллер [ 3 5- чества подаваемого водорода, чем при работе двигателя без водорода. При этом из рисунков 2.4 - 2.5 можно видеть, что коэффициент избытка воздуха в этих случаях примерно одинаков. В частности, из рисунков 2.6 - 2.7 видно, что после 20 секунд работы двигателя на режиме прогрева при добавке водо рода в количестве 0,04 кг/ч выбросы СН снизились со значения 35 г/ч до значения 20 г/ч, а после 150 секунд прогрева двигателя выбросы СН снизи лись с 20 г/ч до 10 г/ч и дальнейшее снижение СН пг наблюдается. Объясне нию этому может служить увеличение коэффициента полноты сгорания ТВС вследствие возможности увеличения а в присутствии водорода, что согласу существенно. Сопоставление графиков представленных на рисунках 2.4 -1.1 позволяет провести оценку и построить зависимости влияния состава смеси а на выбросы СИ в период работы двигателя на режиме прогрева. Полученные зависимости представлены на рисунках 2.9 и 2.10, при этом на рисунке 2.9 представлены результаты испытаний при подаче водорода в количестве 0,04 кг/ч, а на рисунке 2Л0 - 0,08 кг/ч, УОЗ во время проведения экспериментов в обоих случаях поддерживался в диапазоне 5-Ю п.к.в.
Из представленных рисунков можно видеть, что минимум СИ по мере прогрева двигателя смещается в сторону обеднения смеси и приближается к значениям близким к а = 1. Увеличение количества подаваемого водорода в 2 раза от 0,04 до 0,08 кг/ч приводит к расширению области соответствующей минимальным значениям СИ. Это позволяет существенно расширить пределы регулирования ДВС при обеспечении минимума выбросов СИ.
Разработка и результаты испытаний автономной системы доба вок водорода в ТВС
Результаты исследований, представленные в главе 2, показывают возможность существенного улучшения характеристик бензинового ДВС как по экономичности, так и по токсичности на режиме прогрева при использовании относительно небольшого количества водорода, что позволяет говорить о возможности практического использования водорода в автомобиле.
В настоящее время существуют достаточно эффективные генераторы водорода. Анализ имеющихся в производстве генераторов водорода показал, что наиболее эффективным генератором водорода сегодня являются электролизеры, КПД которых достигает значения 0,95. Однако, прямое использование электролизера для получения водорода на режимах пуска и прогрева ДВС практически невозможно по нескольким причинам. Во-первых, относительно большая потребляемая мощность электролизером, в частности, потребляемая мощность электролизером при его производительности 0,01 кг/ч составляет не менее 350 Вт. Во-вторых, большое время необходимое для прогрева электролизера, в частности, в зависимости от температуры окружающей среды время для выхода на расчетный режим работы может составлять более 30 минут.
Однако, учитывая достаточно малый промежуток времени работы двигателя на режимах пуска и прогрева, а, следовательно, и относительно небольшое потребное количество водорода, возможна схема с аккумулированием водорода в накопительную емкость при последующем его использовании в процессе пуска и прогрева.
Отметим, что подобный подход использован фирмой «Volvo» [87], схема водородной системы которой представлена на рисунке 3.1.
Кроме того, известна и аналогичная заявка на патент Германии [20]. В отличие от схемы, предложенной фирмой «Volvo», где водород подается в выпускной трубопровод, в описании патента указывается, что водород подается в цилиндры двигателя, тогда как на схеме рисунка 3.1 - в выпускную трубу. Кроме того, в заявке [20] вместо электролизера в качестве генератора водорода используется более сложное термохимическое устройство.
Таким образом, алгоритм работы системы подачи водорода, предлагаемый в настоящей работе, кратко можно сформулировать следующим образом. В период холодного пуска и прогрева ДВС водород подается из накопительной емкости, которая затем наполняется во время движения автомобиля с помощью электролизера.
На основе результатов исследования представленных в главе 2, можно сформулировать основные требования, которым должна соответствовать проектируемая система подачи водорода: - система подачи водорода должна обеспечивать подачу водорода в количестве 0,08-0,04 кг/ч; - длительность подачи водорода должна составлять не менее 60-100 секунд с момента пуска двигателя; Кроме этого: - исходя из требований по технике безопасности, избыточное давление в системе не должно превышать 0,05-0,06 МПа. - наполнение ресивера водородом должно осуществляться за время, не превышающее суммарное время ездового цикла автомобиля (т.е. за время равное суммарной длительности ездового цикла).
Исходя, из сформулированного выше алгоритма и требований была разработана схема системы добавки водорода на базе электролизера, которая представлена на рисунке 3.2.
Система подачи водорода содержит: источник водорода - электролизер (Эл-р), блок питания (преобразователь-стабилизатор), электронный блок управления (БУ), электропневмоклапаны (ЭПК), датчики давления (ДД), соединительную арматуру (трубопроводы, провода), манометр, жиклеры и ресивер.
В качестве источника водорода используется электролизер фирмы «Элдис», рисунок 3.3. Электролизер состоит из рабочего элемента (3), в котором происходит разложение воды на водород и кислород, двух резервуаров «водородного» (1) и «кислородного» (2), в которых хранится рабочее тело (вода) и происходит накопление водорода и кислорода, соответственно.
