Введение 4
1. Альтернативные виды топлива для ДВС 7
1.1. Водород как альтернативное топливо 7
1.2. Водородное топливо 8
1.3. Водород на Земле 8
1.4. Способы хранения водорода 12
2. Электролизёр 15
2.1. Его характеристики и применение 15
2.2. Виды электролизёров 17
3. Аналитический обзор влияния водорода на токсичность дизельного двигателя 21
4. Методика проведения и обработки результатов испытаний 23
4.1. Методика испытаний 23
4.2. Измерительное оборудование 25
4.3. Порядок проведения и объём испытаний 26
4.4. Расчётная оценка снижения массовых выбросов токсичных
компонентов автобусами городского транспорта 32
4.5. Оценка погрешностей измерений 35
4.6. Разработка макетной системы снижения токсичности и её
лабораторные испытания 38
5. Результаты испытаний и их анализ 43
5.1. Оценка влияния добавки водорода на мощностные и экономические
показатели дизельного двигателя (КАМАЗ) 55
5.2. Оценка влияния добавки водорода на мощностные показатели
дизельного двигателя 55
5.3. Оценка влияния добавки водорода на экономические показатели
дизельного двигателя 56
5.4. Оценка влияния добавки водорода на экологические показатели
дизельного двигателя 60
5.5. Продукты неполного сгорания 61
5.6. Дымность ОГ и выбросы твёрдых частиц 62
5.7. Выбросы оксида азота NOx 63
6. Анализ результатов испытаний и опыта эксплуатации системы 65
6.1. Анализ результатов испытаний (автобус) 65
6.2. Обсуждение опыта эксплуатации и технологического обслуживания
системы 66
6.3. Перечень необходимых доработок системы и ориентировочная
(экспертная) её цена при серийном производстве 69
6.4. Предложения по внедрению системы 70
7. Программа экспериментальных исследований влияния добавок водорода на топливную экономичность и выбросы вредных веществ с
отработавшими газами дизеля КАМАЗ 71
7.1. Основание для проведения испытаний 71
7.2. Цель проведения испытаний 71
7.3. Объект испытаний 71
7.4. Условия и методика проведения испытаний 71
Заключение 73
Список используемых источников 76
Развитие транспорта в городах создаёт проблему загрязнения окружающей среды выхлопными газами двигателей, которые составляют более половины от всех промышленных выбросов. Основной источник загрязнения воздуха - это автотранспорт. На долю городских автомобилей приходится почти 75% вредных выбросов. Автотранспортом выбрасывается в атмосферные слои более 77 тыс. тонн вредных веществ, из которых на долю окси углерода приходится 45 тыс. тонн, количество окислов азота - более 3 тыс. тонн. Почти 7 тыс. тонн представлены углеводородами. При этом около половины от этого количества составляют отработавшие газы (ОГ) от грузового транспорта, значительную часть которого составляют автобусы.
В связи с этим, весьма актуальной является проблема снижения уровня этих выбросов, которая может решаться несколькими путями.
Во-первых, это оснащение автобусного парка современными, малотоксичными двигателями. Во-вторых, обеспечение надлежащего текущего технического обслуживания, что по данным выполненных исследований позволяет снизить выбросы примерно в 2 раза. Третьим путём является разработка и применение различных специальных систем, позволяющих снизить количество вредных выбросов ДВС.
К системам снижения токсичности в первую очередь относятся получившие в настоящее время наибольшее распространение системы на базе эффекта нейтрализации отработавших газов (ОГ). Данные системы наиболее эффективны, освоены промышленностью и широко применяются. Вместе с тем им присущи и недостатки. Так данные системы эффективно работают только при поддержании стехиометрического состава топливовоздушной смеси (ТВС), что требует специального регулирования двигателя, усложняющего его конструкцию. При их применении ужесточаются требования к качеству топлива и существенно возрастает его расход.
Следует отметить, что несмотря на эти недостатки, способ нейтрализации в настоящее время является единственным промышленно освоенным способом, позволяющим выполнять установленные нормы по токсичности ОГ.
Известны и другие подходы к снижению количества вредных выбросов. В частности, проведение рабочего процесса ДВС на обеднённых смесях. При этом должна решаться проблема обеспечения устойчивого протекания процесса горения, что возможно осуществить путем применения добавок водорода. На данный момент получение водорода представляет некоторые сложности, в связи с чем более широко используются системы с малой подачей водорода. Автономные источники водорода в этом случае подойдут как нельзя лучше. Это можно осуществить на базе электролизёра или гидридных накопителей.
Перед нами была поставлена цель - разработать систему снижения токсичности автобусного транспорта на базе автономного источника водорода - электролизёра, оценка её эффективности при опытной эксплуатации и заключения о возможности её применения в условиях г. Тольятти.
Целью работы - экспериментально выявить степень влияния добавки водорода на основные показатели дизельного двигателя. Для этого необходимо было решить следующие задачи:
- сконструировать систему подачи водорода в дизельный двигатель в условиях моторного бокса;
- разработать методику проведения экспериментальных исследований;
- определить, как добавка водорода влияет на мощностные, экономические и токсические показатели двигателя:
а) для достижения практически значимых результатов по экономичности и экологичности двигателя, вычислить необходимое количество водорода;
б) применимо ли для автономных систем, основанных на современных и перспективных технологиях получения водорода, возможность использования добавок водорода.
На основе проведенных экспериментов с автобусом и двигателем автомобиля КАМАЗ, были сделаны следующие выводы:
1. Разработана, изготовлена и проведены исследования модельной системы снижения токсичности ОГ двигателя автобуса, позволившие установить требуемую расходную характеристику по водороду. В частности, получено, что добавка водорода в количестве 0,1 кг/час позволяет снизить дымность дизельного двигателя на 30-50%.
2. Так же были проведены испытания двигателя КАМАЗ в соответствии с программой испытаний, и получены результаты влияния добавки водорода на мощностные, экономические и экологические показатели двигателя: мощностные показатели двигателя не ухудшаются, на эффективный КПД двигателя водород не оказывает значимого влияния, по поводу дымности были получены неоднозначные результаты, так как на разных исследуемых режимах количество выбросов твердых частиц (Рт) то уменьшалось, то снижалось.
3. Проведён расчётный анализ выбросов вредных веществ двигателями автобусов в атмосферу города и получено, что применение данной системы в масштабе города снизит выбросы сажи на 4 тонны только при работе на ХХ (общее снижение выбросов сажи составит 20-25 тонн в год), углеводородов - на 6 тонн в год.
4. Добавка водорода в двигатель КАМАЗа привела к следующему: выбросы NOx и СО существенно не изменились, а вот выбросы CH значительно уменьшились, в некоторых случаях до 40%. В этом результаты экспериментов схожи.
5. На автобусе была разработана, изготовлена и смонтирована макетная система снижения токсичности, позволившая провести испытания в условиях опытной эксплуатации, по оценке эффективности добавок водорода. В результате испытаний получено, что:
- бортовое электрооборудование позволяет осуществить питание и функционирование электролизёра в соответствии с его технической характеристикой;
- оптимальное значение длительности подачи водорода при его расходе, равном 0,1 кг/час, составляет 0,35-0,4 с;
- снижение дымности дизельного двигателя при работе системы, измеренной по ГОСТ 21393-85, достигает 50% от исходной;
4. Определены необходимые доработки системы, выявленные при её опытной эксплуатации макетной системы на автобусе. В частности, целесообразность изменения алгоритма поддержания постоянного уровня воды в бачках электролизёра, повышению степени автономности её работы путём автоматизации ряда контрольных функций. При мелкосерийном производстве её стоимость составит 200-250 тыс. рублей.
5. Для того, чтобы результаты влияния водорода на мощностные, экономические и экологические характеристики стали более значимыми и заметными при добавке водорода в двигатель КАМАЗ, нужно увеличить количество подаваемого водорода до 1-2 кг/час на высоких скоростных режимах и режимах высокой нагрузки. Также нужно провести дополнительные исследования для более детального изучения влияния добавки водорода в ТВС на дымность ОГ и выбросы твердых частиц. Для того, чтобы неравномерность распределения водорода по составу, между правой и левой секциями двигателя, была минимальна, магистраль нужно расположить определённым способом. В области малых нагрузок и ХХ нужно предусмотреть возможность увеличения диапазона регулирования цикловой подачи дизельного топлива.
В общем и целом, хочется сказать, что добавка водорода в дизельный двигатель в любом случае приносит положительный результате в плане улучшения экологической обстановки. И нужно продолжать двигаться в этом направлении: проводить новые необходимые эксперименты, разрабатывать макетные системы и т.д. И тогда чистое небо над головой и такое далёкое, но в тоже время близкое счастливое будущее не заставит себя долго ждать.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
