Введение 5
1 Метано-водородное топливо, его свойства и перспективы 7
1.1 Влияние добавки водорода на скорость сгорания 7
1.2 Влияние добавки водорода на стехиометрическое сгорание
природного газа в ДВС с искровым зажиганием 9
1.3 Проблемы применения водорода в двигателях с искровым
зажиганием 15
2 Тепловой расчет проектируемого двигателя 19
3 Кинематический и динамический расчет кривошипно-шатунного
механизма двигателя 28
3.1 Кинематический расчет кривошипно-шатунного механизма
двигателя 28
3.2 Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма
двигателя 30
4 Анализ влияния добавки водорода в компримированный природный
газ на рабочий процесс ДВС 40
4.1 Влияния добавки водорода в компримированный природный газ на
максимальную температуру и давление цикла 40
4.2 Влияния добавки водорода в компримированный природный газ на
эффективные показатели цикла 47
Заключение 53
Список используемых источников 57
Под воздействием требований снижения потребления углеводородного топлива у дорожно-транспортного сектора возникают новые технологии трансмиссии в форме электрификации. Их потенциал и популярность среди населения могут быть увеличены в сочетании с расширителями диапазона в виде небольшого двигателя SI, работающего на сжатом природном газе. Необходимые изменения в энергетической системе для достижения глобальных климатических целей приведут к увеличению доли возобновляемых источников энергии, основным источником которых являются ветер и фотоэлектрические установки. Интеграция этих технологий является сложной задачей, поскольку их предложение сильно колеблется. В этом контексте газовые двигатели сохраняют свою актуальность. Одним из аспектов сжигания предварительно смешанного газа являются циклические колебания процесса горения, вызванные взаимодействием распространения огня с турбулентным полем. Эти колебания ограничивают оптимальную настройку двигателя и являются причиной выбросов несгоревших углеводородов. Обширные исследования показали положительный эффект добавления небольшого количества водорода при сжигании метана с точки зрения снижения циклической изменчивости и снижения выбросов двигателя.
Эффект добавления водорода к природному газу или метану, основным компонентам природного газа, широко изучался экспериментально в последние десятилетия. Ламинарное пламя было охарактеризовано численно и экспериментально в Halter et al. (2005); Ilbas et al. (2006); Mandilas et al. (2007); Tahtouh et al. (2009); Fairweather et al. (2009); Hu et al. (2009a). Здесь общие результаты заключаются в том, что добавление водорода к метану приводит к увеличению скорости ламинарного пламени в результате большей доступности радикалов H, O и OH в зоне реакции. Hu et al. (2009b); Wang et al. (2009).
Добавление водорода также снижает изначально положительное число Маркштейна, следовательно, ламинарное пламя менее подвержено эффектам растяжения до содержания водорода в топливе 60 % по объему. После чего число Маркштейна обычно становится отрицательным. Сравнение различных химических механизмов с экспериментальными данными выявило потенциал механизма GRI 3.0 Smith et al. (2011), чтобы рассмотреть эффекты водорода при разумных вычислительных затратах, учитывая количество вовлеченных частиц (53) и реакций (325).
Отчеты о турбулентной скорости пламени при добавлении водорода были представлены, например, в Halter et al. (2005) с использованием турбулентной горелки типа Бунзена или в работе Mandilas et al. (2007); Fairweather и Woolley (2007) в сосуде с вентилятором. Сообщалось о значительном увеличении скорости турбулентного пламени при содержании водорода в топливе 10 % по объему и выше. Было обнаружено, что
соотношение между турбулентной и ламинарной скоростью пламени при заданном u0 лишь незначительно влияет на стехиометрические условия, тогда как увеличение отношения сообщалось для бедных смесей.
Обзор исследований влияния добавления водорода на работу двигателя внутреннего сгорания можно найти, например, в Акансу (2004). Повышенная скорость горения и без того небольшого количества H2 в топливе позволяет уменьшить опережение искры и приближает пиковое повышение давления к верхней мертвой точке (ВМТ) Karim et al. (1996); Ларсен и Уоллес (1997); Shudo et al. (2000); Бауэр и Форест (2001); Kahraman et al. (2009); Dimopoulos et al. (2007), что привело к увеличению КПД двигателя. Удельные выбросы HC, CO и CO2 сокращаются, с другой стороны, повышенные температуры сгорания приводят к увеличению выбросов NOx. Karim et al. (1996); Ларсен и Уоллес (1997); Shudo et al. (2000); Бауэр и Форест (2001); Kahraman et al. (2009).
В бакалаврской работе проведен анализ влияния на характеристики ДВС с искровым зажиганием добавки водорода компримированный природный газ. Получены основные выводы по работе:
1. Тепловой расчет показал значительное влияние вида топлива на мощностные и экономические характеристики работы. Получено, что для эффективного использования природного газа требуется повысить степень сжатия, что позволяет сохранить КПД двигателя близким к условиям работы на бензине со стандартной степенью сжатия.
2. По результатам динамического расчета получено, что при добавке водорода в компримированный природный газ происходит снижение нагрузки на элементы кривошипно-шатунного механизма. Так суммарные силы, действующие на поршневой палец, снизились на 11,4% при добавке 2% водорода в КПГ и на 16,5 % при добавке 5% водорода.
3. Максимальная температура соответствует рабочему процессу при работе с добавками 5% водорода в КПГ, с ростом частоты вращения разница в температуре цикла между КПГ с 5% водорода и КПГ с 2 % водорода практически исчезает, что говорит о нецелесообразности больших добавок водорода в углеводородное топливо. Эффективно по сумме стоимость результат именно применение малых добавок в размере 1 - 3 % от массы топлива, причем с открытием дроссельной заслонки требуемое количество водорода уменьшается до 0,5 - 1,5 % от массы топлива.
4. Добавка водорода позволяет повысить эффективность процесс сгорания, при добавке 5% водорода от массы топлива удельные эффективные показатели становятся близкими к характеристикам дизельных двигателей. Один недостаток — это необходимость подачи водорода с минимальными потерями воздуха на вытеснении, это может быть решено при помощи использования устройств агрегатного наддува, или при применении форкамерного впрыска водорода в начале такта сжатия.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
