Эффективные показатели водородного двигателя с модифицированной системой топливоподачи при работе на обеднённой смеси

Введение (постановка задачи и актуальность). Ограниченные запасы нефти и ужесточение экологических норм заставляют производителей двигателей в ближайшем будущем перейти на альтернативные топлива, среди которых наиболее перспективным является водород. Преимущества водорода заключаются в высокой удельной теплоте сгорания и высокой скорости сгорания. Широкие концентрационные пределы горения водорода дают возможность использовать качественное регулирование мощности, что способствует повышению КПД водородного двигателя по сравнению с КПД базового двигателя внутреннего сгорания.

Цель исследования – обеспечение работы серийного бензинового двигателя на водороде с новой опытной системой топливоподачи, а также модифицированной конструкцией впускного трубопровода без аномальных явлений в процессе сгорания при работе на обеднённой смеси и получение эффективных и экологических характеристик водородного двигателя в условиях стендовых испытаний.

Методология и методы. Работа носит экспериментальный характер, достоверность полученных результатов подтверждается применением современных средств для измерения и обработки экспериментальных данных. Полученные результаты измерения оксидов азота адекватны известному термическому механизму Зельдовича. Ценность результатов заключается в том, что они показывают целесообразность перевода на водород серийных двигателей внутреннего сгорания, кроме того, эти результаты применяются для разработки и верификации математических 3D-моделей рабочего процесса водородного двигателя.

Результаты и научная новизна. Спроектирована, установлена и испытана на опытном двигателе новая система подачи водорода во впускную систему с двумя инжекторами на каждый цилиндр, обеспечивающая необходимые характеристики (давление, продолжительность и цикловая доза) впрыскивания водорода.

Практическая значимость. Подтверждена целесообразность создания и работоспособность рабочего цикла водородного двигателя с опытной системой топливоподачи на обеднённой смеси, позволяющего обеспечить качественное регулирование мощности при внешнем смесеобразовании и принудительном зажигании.

1. да Роза А. Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы. – М.: Издательсктй дом МЭИ, 2010. – 704 с.

2. Kavtaradze R., Natriashvili T., Gladyshev S. Hydrogen-Diesel Engine: Problems and Prospects of Improving the Working Process // SAE Technical Paper 2019-01-0541. – 2019. – 15 p.

3. Babayev R., Andersson A., Dalmau A.S., Im Hong G., Johansson B. Computational Characterization of Hydrogen Direct Injection and Nonpremixed Combustion in a Compression-Ignition Engine // International Journ. of Hydrogen Energy. – April 2021. – 16 p.

4. Cernat A., Pana C., Negurescu N., Lazaroiu G., Nutu C., Fuiorescu D. Hydrogen – An Alternative Fuel for Automotive Diesel Engines Used in Transportation. – MDPI, Sustainability, N12, 2020. – P. 1–21.

5. Merker G., Schwarz Ch., Teichmann R. (Hrsg.) Grundlagen Verbrennungsmotoren. Funktionsweise, Simulation, Messtechnik. 6. Auflage. – Vieweg Teubner Verlag, Springer Fachmedien, Wiesbaden GmbH, 2014. – 1132 p.

6. Shudo T., Hiroyuki S. Applicability of heat transfer equations to hydrogen combustion // JSAE Review. – 2002. – No. 23. – P. 303–308.

7. Кавтарадзе Р.З. Развитие теории рабочих процессов ДВС в МГТУ им. Н.Э. Баумана: от метода Гриневецкого до современных 3D-моделей // Двигателестроение. – Часть 1. – 2019. – № 2 (276). – С. 3–8; Часть 2. – 2019. – № 3 (277). – С. 8–15; Часть 3. – 2019. – № 4 (278). – С. 3–9; Часть 4. – 2020. – № 1 (279). – С. 3–9.

8. Бармин В.П., Варшавский И.Л., Гончаров В.В. Двигатели на водороде // Природа. – 1981. – № 9. – С. 22–29.

9. Мищенко А.И. Применение водорода для автомобильных двигателей. – Киев: Наукова думка, 1984. – 143 с.

10. Фомин В.М. Водородная энергетика автомобильного транспорта. – М.: Изд-во РУДН, 2006. – 334 с.

11. Козлов С.И., Фатеев В.Н. Водородная энергетика: современное состояние, проблемы, перспективы / Под ред. Е.П. Велихова. – М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2009. – 520 с.

12. Приходько К.В., Бастраков А.М., Рязанова Т.Н. Исследование влияния коэффициента избытка воздуха на характеристики горения водородно-воздушных смесей в условиях камеры сгорания постоянного объёма // Известия ВолгГТУ. – 2013. – № 12. – С. 37–39.

13. Baigang S., Junfa D., Fushui L. NOx Emission Characteristics of Hydrogen Internal Combustion Engine // Journal of Beijing Institute of Technology. – 2014. – Vol. 23. – No. 3. – P. 339–344.

14. Junfa D., Fushui L., Baigang S. Backfire Control and Power Enhancement a Hydrogen Internal Combustion engine // International Journal of Hydrogen Energy. – 2014. – No. 39. – P. 4581–4589.

15. Rosenberger M., Dellner M., Kluge M., Tarantik K.R. Fahrzeugintegration eines thermoelektrischen Generators // MTZ. – 2016. – No. 4. – P. 38–45.

16. Weidenleren A., Kubach H., Pfeil J., Koch T. Einfluss von Brennraumablagerungen auf die Wandwärmeverluste // MTZ. – 2019. – No. 3. – P. 76–80.

17. Kavtaradze R.Z., Natriashvili1 T.M., Glonti M.G., Baigang S., Yichun W., Cheng R., Chang C. Influence of the exhaust gas recirculation on formation of NOx in the hydrogen engine working on the leaked mixture (Experiment and 3D modeling) // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. – 1100 (2021) 012013. – P. 1–7.