Использование водорода в роторно-поршневых двигателях Ванкеля в качестве добавки к основному углеводородному топливу

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 437
Е. А. Федянов, Е. А. Захаров, Ю. В. Левин
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДОРОДА В РОТОРНО-ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ ВАНКЕЛЯ В КАЧЕСТВЕ ДОБАВКИ К ОСНОВНОМУ УГЛЕВОДОРОДНОМУ ТОПЛИВУ
Волгоградский государственный технический университет
(e-mail: tig@vstu. ru)
В данной статье рассматриваются основные условия, которые необходимо учитывать при подаче водорода к основному углеводородному топливу на такте впуска в роторно-поршневой двигатель Ванкеля. Ключевые слова: роторно-поршневой двигатель Ванкеля, добавка водорода.
The basic conditions that must be considered when applying hydrogen to main hydrocarbon fuel during the intake stroke in rotary-piston Wankel engine are discussed.
Keywords: rotary-piston Wankel engine, the addition of hydrogen.
Основным недостатком роторно-поршневых двигателей (РПД) Ванкеля является неполное сгорание топливовоздушной смеси вблизи задней по ходу вращения вершины ротора, что приводит к увеличению эксплуатационного расхода топлива и повышенным выбросам углеводородов. Устранение данного недостатка можно осуществить за счет добавок к бензовоздушной смеси такого активного, с точки зрения горения, вещества как водород [1]. Теоретическое исследование влияния добавок водорода на скорость и полноту сгорания в РПД было выполнено нами на основе математического моделирования процесса распространения пламени [2, 3]. Полученные результаты моделирования [4, 5] свидетельствуют о том, что за счет добавок водорода можно не только существенно снизить, но и при соответствующих подачах водорода полностью исключить недогорание топливовоздушной смеси в камере сгорания РПД Ванкеля.
Вместе с тем, при практической реализации рабочего процесса с добавками водорода к основному углеводородному топливу возникает вопрос о необходимых параметрах аппаратуры для подачи водорода, учитывая, что этот газ имеет наименьшую среди всех других плотность.
Подачу водорода в роторно-поршневой двигатель Ванкеля можно осуществить путем принудительного впрыскивания его во впускной канал. Величина добавки водорода, необходимая для полного сгорания топливовоздуш-ной смеси, зависит от режима работы двигателя. На рис. 1 представлены значения величины минимальной добавки водорода (в процентах по массе), необходимой для полного сгорания топливовоздушной смеси в области режимов работы РПД, близких к осредненному режиму городского ездового цикла (п & lt- 3000 мин1 и фдр & lt- & lt- 30%). Расчет выполнен применительно к двигателю ВАЗ-311 со степенью сжатия 9. Рабочий
объем двигателя указанной модели составляет 649 см³. Регулировочные параметры: коэффициент избытка воздуха, а = 1- угол опережения зажигания для свечи «/,» вь = 26 град. поворота эксцентрикового вала (ПЭВ) до ВМТ, угол опережения зажигания для свечи «Т» 9 Г = 30 град. ПЭВ до ВМТ. Как видно из рис. 1, величина минимально необходимой добавки водорода меня-
ется в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов, причем скоростной режим оказывает существенно большее влияние. Это можно объяснить тем, что при повышении частоты вращения увеличивается средняя скорость движения заряда в камере сгорании относительно статора, препятствующая распространению фронта пламени в сторону задней вершины ротора.
днг (пИп), % 40
35 30 25 20 15
& gt- ** «й
*
V
Г




дроссельной заслонки:
-10% -¦" — 20% -с- 30%
п, об/мин
юоо
1500
2000
2500
3000
Рис. 1. Зависимость значения минимально необходимой добавки водорода от режимов работы РПД
Система подачи водорода должна обеспечивать попадание в камеру двигателя требуемого количества водорода на всех режимах работы РПД, включая режимы с максимальной частотой вращения и полной нагрузкой. Последние режимы выделяются тем, что количество водорода, которое должно попасть в камеру сгорания, близко к максимальному, а продолжительность такта впуска наименьшая.
Для того чтобы проанализировать возможность подачи требуемого количества водорода на всех режимах работы РПД, был проведен расчет количества водорода, кото-
рое может быть подано форсунками с различным проходным сечением за период такта впуска. На рис. 2 показаны построенные на основе результатов расчетов совмещенные графики длительности такта впуска и требуемой длительности впрыскивания водорода через форсунку с общим проходным сечением 1,2 мм² в зависимости от частоты вращения эксцентрикового вала. Избыточное давление водорода перед форсункой было принято 0,3 МПа исходя из параметров аппаратуры для генерации водорода на борту транспортного средства.
т, мс
60 50 40 30 20 10 О



* _ - **¦ '- _ - т
, «Г ^ 1 ^^… Г*& quot-*…
& quot-«•… 1*…
Угол открытия
дроссельной
заслонки:
--±--20%
30%
-о -100% Время впуска:
п, об/мин
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Рис. 2. Зависимость длительности впрыска водорода и длительности такта впуска от режимов работы РПД
Как видно из рис. 2, с увеличением частоты вращения эксцентрикового вала существенно снижается длительность такта впуска, что значительно усложняет подачу большого количества водорода. Форсунка с указанным выше проходным сечением позволяет подать необходимое количество водорода на режимах частичных нагрузок вплоть до осредненного режима городского ездового цикла. Точки пересечения кривой продолжительности такта впуска и кривых требуемой продолжительности впрыскиваниия водорода при различных нагрузках указывают на предельные частоты вращения, при которых сохраняется возможность подавать количества водорода, обеспечивающие полное выгорание топли-вовоздушной смеси. Например, при нагрузке, соответствующей 30% открытия дроссельной заслонки, форсунка с проходным сечение 1,2 мм² позволяет подавать необходимые количества водорода вплоть до частоты вращения эксцентрикового вала п = 3000 мин-1.
При тех частотах вращения, при которых требуемая длительность впрыскивания водорода меньше, чем длительность такта впуска, подачу водорода можно начинать ближе к концу такта впуска, что может способствовать повышенной концентрации водорода в камере сгорания вблизи задней по ходу вращения вершины ротора, то есть в той зоне, в которой наблюдается неполное сгорание бензовоздушной смеси.
Для того чтобы осуществлять подачу требуемых количеств водорода во всем диапазоне нагрузок и частот вращения, необходима, как показывают расчеты, форсунка с проходным сечением 4 мм². При использовании форсунки с таким проходным сечением могут возникнуть
проблемы с дозированием добавок водорода на режиме холостого хода и режимах малых нагрузок. В связи с этим можно предложить вариант подачи водорода с помощью двух форсунок, одна из которых будет работать на всех скоростных и нагрузочных режимах, а вторая включаться только на высоких частотах вращения и больших нагрузках.
Как показал анализ номенклатуры выпускаемых в настоящее время газовых форсунок, необходимые для РПД указанного выше рабочего объема подачи водорода можно получить, используя форсунки, предназначенные для подачи в ДВС природного газа или пропан-бута-новых композиций.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Amrouche F, Erickson P, Park J, Varnhagen S. An experimental investigation of hydrogen-enriched gasoline in a Wankel rotary engine. International journal of hydrogen energy. 2014- 39. — P. 8525−8534.
2. Моделирование индикаторного процесса роторно-поршневого двигателя с фазированным впрыском топлива / Г. Н. Злотин, Е. М. Иткис, Е. А. Федянов, С. Г. Черноусов // Двигателестроение. — 2002. — № 3. — C. 24−26.
3. Злотин, Г. Н. Особенности рабочего процесса и пути повышения энергетической эффективности роторно-поршневых двигателей Ванкеля: монография / Г. Н. Злотин, Е. А. Федянов- ВолгГТУ. — Волгоград, 2010. — 119 с.
4. Левин, Ю. В. Влияние добавки водорода на процесс сгорания в роторно-поршневых двигателях Ванкеля / Ю. В. Левин, Е. А. Захаров, Е. А. Федянов // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 12(115) / ВолгГТУ. — (Серия «Процессы преобразования энергии и энергетические установки» — вып. 5). — Волгоград, 2013. — C. 35−36.
5. Левин, Ю. В. Теоретическое исследование влияния добавок водорода на процесс распространения пламени в роторно-поршневых двигателях Ванкеля / Ю. В. Левин, Е. А. Федянов // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 3(130) / ВолгГТУ. — Волгоград, 2014. — (Серия «Наземные транспортные системы» — вып. 8). — C. 58−60.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой