Помощь студентам в учебе
Перспективы применения добавки водорода в бензиновых ДВС с искровым зажиганием
|
Введение 5
1 Анализ состояния вопроса 7
1.1 Особенности сгорания ТВС при добавке водорода 7
1.2 Работа двигателя на двойном топливе 8
1.3 Рассмотрим результаты известных исследований по влиянию
водорода на процесс сгорания в бензиновом ДВС 9
2 Тепловой расчет проектируемого двигателя 17
3 Кинематический и динамический расчет кривошипно-шатунного
механизма двигателя 26
3.1 Кинематический расчет кривошипно-шатунного механизма
двигателя 26
3.2 Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма двигателя 28
4 Анализ влияния добавки водорода в бензовоздушную смесь на рабочий
процесс ДВС с искровым зажиганием 39
4.1 Влияние добавки водорода в бензовоздушную смесь на рабочий
процесс ДВС с искровым зажиганием на максимальную температуру и давление цикла 39
4.2 Влияние добавки водорода в бензовоздушную смесь на рабочий процесс ДВС с искровым зажиганием на эффективные показатели цикла 47
Заключение 52
Список используемых источников 55
1 Анализ состояния вопроса 7
1.1 Особенности сгорания ТВС при добавке водорода 7
1.2 Работа двигателя на двойном топливе 8
1.3 Рассмотрим результаты известных исследований по влиянию
водорода на процесс сгорания в бензиновом ДВС 9
2 Тепловой расчет проектируемого двигателя 17
3 Кинематический и динамический расчет кривошипно-шатунного
механизма двигателя 26
3.1 Кинематический расчет кривошипно-шатунного механизма
двигателя 26
3.2 Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма двигателя 28
4 Анализ влияния добавки водорода в бензовоздушную смесь на рабочий
процесс ДВС с искровым зажиганием 39
4.1 Влияние добавки водорода в бензовоздушную смесь на рабочий
процесс ДВС с искровым зажиганием на максимальную температуру и давление цикла 39
4.2 Влияние добавки водорода в бензовоздушную смесь на рабочий процесс ДВС с искровым зажиганием на эффективные показатели цикла 47
Заключение 52
Список используемых источников 55
В 1920-х годах Рикардо [7] использовал водород в одноцилиндровом двигателе с переменной степенью сжатия и наблюдал интенсивный стук и обратную вспышку в коллекторе. Позже Эррен и Кэмпбелл [8] использовали метод прямого впрыска водорода в камеру сгорания во время такта сжатия, чтобы исключить обратную вспышку, но детонация все еще была серьезной проблемой. Затем, в 1942 году, Оемичен [9] провел дальнейшие исследования и пришел к выводу, что водород имеет очень низкую стойкость к детонации; однако привлекательность водорода сохранялась, поскольку сообщалось о повышении термического КПД.
Многие из этих ранних усилий были резюмированы Л.М. Дасом в статье, озаглавленной «Взгляд в прошлое и взгляд в будущее» [10]. Большинство из них сталкивались с проблемами сгорания водородно-воздушных смесей. Возгорание часто возникает во время такта впуска. Когда впускной клапан открывается, топливно-воздушные смеси вступают в контакт с горячими точками, и воспламенение смеси может происходить во впускном коллекторе. Предварительное зажигание определяется как самовоспламенение, которое происходит без искры. Это явление обычно возникает в водородных двигателях из-за низкой энергии воспламенения водорода и возникновения воспламенения из внутренних горячих точек. Детонация - это явление, возникающее в результате теплового воспламенения в одной части двигателя, в то время как искровое зажигание топливно-воздушной смеси происходит в другой.
Эффективность двигателя внутреннего сгорания (ДВС) ограничена степенью сжатия двигателя. Чтобы значительно повысить КПД двигателя, требуется увеличение степени сжатия. Повышенная степень сжатия приводит к увеличению максимальной температуры в цилиндре. Поскольку образование NOx тесно связано с температурой газа в цилиндрах, повышенная температура в цилиндрах приводит к соответствующему увеличению производства NOx.
Растущие уровни парниковых газов, пик добычи нефти, более высокие мировые цены на нефть и ограничение на повышение теплового КПД ДВС создали потребность в альтернативной топливной энергетической системе. В результате исследователи сосредоточили внимание на водороде. Его свойства делают его отличным кандидатом для использования в качестве моторного топлива. Водород можно получить несколькими способами, такими как электролиз воды, природный газ и газификация угля. При сжигании водорода на воздухе образуется только вода и некоторые оксиды азота (при сжигании обедненной смеси). Недавние исследования показывают, что желаемые характеристики горения водорода делают его наиболее вероятным кандидатом на замену нефтяного топлива (Azar et al., 2003). Хотя многие утверждают, что создание экономики, основанной на водороде, все еще далеко, переход на обычное топливо с использованием водорода представляет собой жизнеспособное среднесрочное решение для перехода к этой новой экономике.
Многие из этих ранних усилий были резюмированы Л.М. Дасом в статье, озаглавленной «Взгляд в прошлое и взгляд в будущее» [10]. Большинство из них сталкивались с проблемами сгорания водородно-воздушных смесей. Возгорание часто возникает во время такта впуска. Когда впускной клапан открывается, топливно-воздушные смеси вступают в контакт с горячими точками, и воспламенение смеси может происходить во впускном коллекторе. Предварительное зажигание определяется как самовоспламенение, которое происходит без искры. Это явление обычно возникает в водородных двигателях из-за низкой энергии воспламенения водорода и возникновения воспламенения из внутренних горячих точек. Детонация - это явление, возникающее в результате теплового воспламенения в одной части двигателя, в то время как искровое зажигание топливно-воздушной смеси происходит в другой.
Эффективность двигателя внутреннего сгорания (ДВС) ограничена степенью сжатия двигателя. Чтобы значительно повысить КПД двигателя, требуется увеличение степени сжатия. Повышенная степень сжатия приводит к увеличению максимальной температуры в цилиндре. Поскольку образование NOx тесно связано с температурой газа в цилиндрах, повышенная температура в цилиндрах приводит к соответствующему увеличению производства NOx.
Растущие уровни парниковых газов, пик добычи нефти, более высокие мировые цены на нефть и ограничение на повышение теплового КПД ДВС создали потребность в альтернативной топливной энергетической системе. В результате исследователи сосредоточили внимание на водороде. Его свойства делают его отличным кандидатом для использования в качестве моторного топлива. Водород можно получить несколькими способами, такими как электролиз воды, природный газ и газификация угля. При сжигании водорода на воздухе образуется только вода и некоторые оксиды азота (при сжигании обедненной смеси). Недавние исследования показывают, что желаемые характеристики горения водорода делают его наиболее вероятным кандидатом на замену нефтяного топлива (Azar et al., 2003). Хотя многие утверждают, что создание экономики, основанной на водороде, все еще далеко, переход на обычное топливо с использованием водорода представляет собой жизнеспособное среднесрочное решение для перехода к этой новой экономике.
В бакалаврской работе проведен анализ влияния добавки водорода на рабочий процесс ДВС с искровым зажиганием. Получены основные выводы по работе:
- Добавление водорода в бензиновом ДВС позволяет повысить границы без детонационной работы и обеспечить возможность повышения степени сжатия.
- Водород снижает токсичность во всем диапазоне нормируемых токсичных компонентов.
- Доля добавляемого водорода должна быть минимальной для достижения необходимых эффектов, так как заправка водородом в ближайшее будущее мало реализуема, поэтому остается только возможности генерации водорода на борту автомобиля, а это как правило небольшие объемы.
Выводы по 1-му разделу.
Таким образом из обзора литературы, показано, что добавление водорода оказывает большое влияние не только на характеристики двигателя и выбросы, но и на более низкий предел обедненной смеси и пропуски зажигания. Было обнаружено, что увеличение добавки водорода улучшает крутящий момент двигателя при, когда коэффициенте избытка воздуха равном или большем 1,098.
Из литературных источников получено, что нежелательных явлений сгорания, таких как обратное воспламенение и преждевременное воспламенение, можно избежать за счет использования распределенного впрыска в коллектор двух видов топлива. Кроме того, результаты показывают, что задержка по времени как для впрыска бензина, так и для бензина с впрыском водорода не требуется, и что обе форсунки могут запускаться в ВМТ.
Выводы по 2-му разделу.
Тепловой расчет показал значительное влияние добавки водорода на мощностные и экономические характеристики работы. Получено:
- Повышение индикаторной мощности при работе на бензине в 9,2% по сравнению работой на бензине с добавкой 1% и на 22% с добавкой 3% водорода, но добавка водорода снижает часовой расход топлива.
- Увеличение удельного эффективного расхода топлива при добавке водорода связано с увеличением доли тепловых потерь на охлаждение, по сравнению с вводимой энергией в цилиндр двигателя. Это же сказывается и на снижении индикаторного коэффициента полезного действия с увеличением доли добавляемого водорода в бензовоздушную смесь.
- Температура в процессе сгорания при добавке водорода за счет сокращения продолжительности сгорания остается на примерно том же уровне что и при работе на бензине, а общая вводимая энергия с топливом снижается, что и приводит к росту удельных потерь при добавке водорода в топливо. Но за счет снижения температуры отработавших газов, потери теплоты с выхлопными газами при добавке водорода снижаются.
Выводы по 3-му разделу.
Как мы видим переход бензинового двигателя на работу с добавками водорода практически не снизил нагрузки, действующие на коренные и шатунные шейки. В связи со значительными инерционными нагрузками, связанными с большой частотой вращения (12000 мин-1), разница в давлении не приводит к ощутимому различию в условиях нагружения деталей кривошипно-шатунного механизма.
Следует отметить, что не смотря на то что при добавке водорода нагрузки в элементах кривошипно-шатунного механизма не выросли, все равно следует ответственно отнестись к проектированию деталей соприкасающихся с водородом, так как велика вероятность оводораживания поверхности металла с его охрупчиванием, что может снизить ресурс двигателя.
Выводы по 4-му разделу.
Добавка водорода снижает максимальные давление и температуру цикла, что в сумме с повышенной реакционной способностью водорода приводит к улучшению условий, показывающих высокие перспективы снижения токсичности:
- По оксидам азота за счет снижения температуры цикла.
- По несгоревшим углеводородам, за счет снижения толщины и плотности пристеночного слоя, связанного с давлением в цилиндре двигателя и реакционной способностью топлива.
- По оксидам углерода, за счет общего снижения концентрации углерода в топливе.
С ростом доли водорода в топливе снижается часовой расход топлива и эффективные показатели работы, в том числе удельный эффективный расход топлива. Снижение мощностных показателей при 1% добавляемого водорода составило 11%, а при 3% добавляемого водорода уже на 31-33% в зависимости от частоты вращения. Ухудшение удельного эффективного расхода топлива при 1% добавляемого водорода составило от 7 до 10%, а при 3% добавляемого водорода уже на 25-29% в зависимости от частоты вращения. Уменьшение массы расходуемого топлива при 1% добавляемого водорода составило от 2 до 4%, а при 3% добавляемого водорода уже от 4 до 7% в зависимости от частоты вращения.
- Добавление водорода в бензиновом ДВС позволяет повысить границы без детонационной работы и обеспечить возможность повышения степени сжатия.
- Водород снижает токсичность во всем диапазоне нормируемых токсичных компонентов.
- Доля добавляемого водорода должна быть минимальной для достижения необходимых эффектов, так как заправка водородом в ближайшее будущее мало реализуема, поэтому остается только возможности генерации водорода на борту автомобиля, а это как правило небольшие объемы.
Выводы по 1-му разделу.
Таким образом из обзора литературы, показано, что добавление водорода оказывает большое влияние не только на характеристики двигателя и выбросы, но и на более низкий предел обедненной смеси и пропуски зажигания. Было обнаружено, что увеличение добавки водорода улучшает крутящий момент двигателя при, когда коэффициенте избытка воздуха равном или большем 1,098.
Из литературных источников получено, что нежелательных явлений сгорания, таких как обратное воспламенение и преждевременное воспламенение, можно избежать за счет использования распределенного впрыска в коллектор двух видов топлива. Кроме того, результаты показывают, что задержка по времени как для впрыска бензина, так и для бензина с впрыском водорода не требуется, и что обе форсунки могут запускаться в ВМТ.
Выводы по 2-му разделу.
Тепловой расчет показал значительное влияние добавки водорода на мощностные и экономические характеристики работы. Получено:
- Повышение индикаторной мощности при работе на бензине в 9,2% по сравнению работой на бензине с добавкой 1% и на 22% с добавкой 3% водорода, но добавка водорода снижает часовой расход топлива.
- Увеличение удельного эффективного расхода топлива при добавке водорода связано с увеличением доли тепловых потерь на охлаждение, по сравнению с вводимой энергией в цилиндр двигателя. Это же сказывается и на снижении индикаторного коэффициента полезного действия с увеличением доли добавляемого водорода в бензовоздушную смесь.
- Температура в процессе сгорания при добавке водорода за счет сокращения продолжительности сгорания остается на примерно том же уровне что и при работе на бензине, а общая вводимая энергия с топливом снижается, что и приводит к росту удельных потерь при добавке водорода в топливо. Но за счет снижения температуры отработавших газов, потери теплоты с выхлопными газами при добавке водорода снижаются.
Выводы по 3-му разделу.
Как мы видим переход бензинового двигателя на работу с добавками водорода практически не снизил нагрузки, действующие на коренные и шатунные шейки. В связи со значительными инерционными нагрузками, связанными с большой частотой вращения (12000 мин-1), разница в давлении не приводит к ощутимому различию в условиях нагружения деталей кривошипно-шатунного механизма.
Следует отметить, что не смотря на то что при добавке водорода нагрузки в элементах кривошипно-шатунного механизма не выросли, все равно следует ответственно отнестись к проектированию деталей соприкасающихся с водородом, так как велика вероятность оводораживания поверхности металла с его охрупчиванием, что может снизить ресурс двигателя.
Выводы по 4-му разделу.
Добавка водорода снижает максимальные давление и температуру цикла, что в сумме с повышенной реакционной способностью водорода приводит к улучшению условий, показывающих высокие перспективы снижения токсичности:
- По оксидам азота за счет снижения температуры цикла.
- По несгоревшим углеводородам, за счет снижения толщины и плотности пристеночного слоя, связанного с давлением в цилиндре двигателя и реакционной способностью топлива.
- По оксидам углерода, за счет общего снижения концентрации углерода в топливе.
С ростом доли водорода в топливе снижается часовой расход топлива и эффективные показатели работы, в том числе удельный эффективный расход топлива. Снижение мощностных показателей при 1% добавляемого водорода составило 11%, а при 3% добавляемого водорода уже на 31-33% в зависимости от частоты вращения. Ухудшение удельного эффективного расхода топлива при 1% добавляемого водорода составило от 7 до 10%, а при 3% добавляемого водорода уже на 25-29% в зависимости от частоты вращения. Уменьшение массы расходуемого топлива при 1% добавляемого водорода составило от 2 до 4%, а при 3% добавляемого водорода уже от 4 до 7% в зависимости от частоты вращения.
Подобные работы
- Оценка эффективности применения добавки водорода для активации процесса сгорания в бензиновых ДВС
Магистерская диссертация, машиностроение. Язык работы: Русский. Цена: 5500 р. Год сдачи: 2020 - Оценка скорости распространения пламени с изменением степени сжатия и добавки водорода в условиях ДВС с искровым зажиганием
Магистерская диссертация, машиностроение. Язык работы: Русский. Цена: 4915 р. Год сдачи: 2019 - Разработка концепции применения добавки водорода в бензиновых автомобильных ДВС
Магистерская диссертация, машиностроение. Язык работы: Русский. Цена: 4915 р. Год сдачи: 2021 - Улучшение экономических показателей поршневого двигателя с искровым зажиганием за счет применения добавок водорода
Магистерская диссертация, машиностроение. Язык работы: Русский. Цена: 4945 р. Год сдачи: 2019 - Ионизация пламени в условиях ДВС с искровым зажиганием при использовании альтернативных топлив
Магистерская диссертация, машиностроение. Язык работы: Русский. Цена: 4900 р. Год сдачи: 2019 - Совершенствование экологических качеств дизеля применением средств физико-химической активации процесса сгорания
Магистерская диссертация, машиностроение. Язык работы: Русский. Цена: 4800 р. Год сдачи: 2019 - Экспериментальны анализ влияния водорода на характеристики сгорания природного газа
Магистерская диссертация, машиностроение. Язык работы: Русский. Цена: 4750 р. Год сдачи: 2023 - Разработка и обоснование методов обеспечивающих выполнение действующих и перспективных норм экологичности Stage
Магистерская диссертация, машиностроение. Язык работы: Русский. Цена: 4910 р. Год сдачи: 2017 - Методы повышения эффективности холодного пуска двигателя внутреннего сгорания
Магистерская диссертация, машиностроение. Язык работы: Русский. Цена: 4915 р. Год сдачи: 2020