Лекция 11. Водород (Лекции), страница 2

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Особенности рабочего процесса водородного дизеляИспользование водорода в силовыхустановках с ПДХимический коэффициент молекулярного изменения:def0 M2M1,M1M1где M1 и M2 – число молекул (молей), соответственновступающих в реакцию и полученных в результате реакцииДля водорода в случае внутреннего смесеобразования: 0  1  0,21в случае внешнего смесеобразования: 0  в  0,21 в  0,421вЗависимость химическогокоэффициента молекулярногоизменения μ0 для различных видовтоплива и способов смесеобразования:1,2 – водород, внутреннее и внешнеесмесеобразование соответственно;3,4 – бензин, внутреннее и внешнеесмесеобразование соответственно;5 – ДТ, внутреннее смесеобразование20Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Влияние конструкции форсунки для подачи водородаИспользование водорода в силовыхустановках с ПДСхема форсунки для подачи газообразного водородаГеометрические характеристики форсунок для подачи водородаНомерфорсункиЧислосопловыхотверстийДиаметрсопловыхотверстий, ммСуммарная площадьпроходных сеченийсопловых отверстий, мм2160,72,312120,52,36384х0,5; 4х0,72,324180,53,53560,853,421Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДВлияние конструкции форсунки для подачи водородаИзменение концентрации NOx взависимости от конструкции форсунки(режим работы водородного дизеля: n =800 мин-1,в  2,4...2,5 , φОВТ = 15°ПКВ доВМТ, Tk = 296К, pk = 1,29 бар, ε = 16,5)Изменение скоростей тепловыделения взависимости от конструкции сопловойчасти газовой форсунки (режимработы водородного дизеля: n = 800мин-1,в  2,4...2,5 , φОВТ = 15°ПКВ доВМТ, Tk = 296К, pk = 1,29 бар, ε = 16,5)22Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДВлияние интенсивности вихревого движения зарядав цилиндреСхемы крышек цилиндра дизеля MAN24/30:а – серийная (без закрутки заряда);б – экспериментальная (с закруткой);1 – выпускные клапана,2 – впускные,3 – H2-форсункаВариант исполнения головки двигателяDn срμСерийный канал, серийный клапан0,420,72Серийный канал, клапан с ширмой (β = 160°)0,660,59Модифицированный (разделенный) канал, клапан сширмой (β = 160°) в левом канале, правый клапан закрыт1,360,5323Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДВлияние интенсивности вихревого движения зарядав цилиндреИзменение интенсивности вихревого движения заряда Dn в зависимости от ходаклапана hкл: а – при угле β для различных положений ширмы в серийном канале; б –для различных вариантов модифицированного канала; 1 – модифицированныйканал с клапаном и ширмой под углом β = 160°, 2 – модифицированный канал сзакрытым правым каналом, 3 – серийный канал с клапаном и ширмой β = 160°, 4 –серийный канал, 5 – модифицированный канал с закрытым левым клапаном24Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДВлияние интенсивности вихревого движения зарядав цилиндреИзменение концентрации NOx взависимости от интенсивностивихревого движения заряда (режимработы водородного дизеля: n = 800мин-1,в  2,4...2,5 , φОВТ = 15°ПКВ доВМТ, Tk = 296К, pk = 1,29 бар, ε = 16,5)Изменение скоростейтепловыделения в зависимости отинтенсивности вихревого движениязаряда:1 – Dn ср = 0,42;2 – Dn ср = 0,66;3 – Dn ср = 1,3625Московский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДВлияние массы заряда в цилиндре26Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДВлияние массы заряда в цилиндреИзменение скоростейтепловыделения в зависимости отмассы газа m в цилиндре дизеля приαвΣ ≈ const:1 – m = 20,4 г;2 – m = 22,1 г;3 – m = 24,9 г;4 – m = 27,1 г;5 – m = 28,9 г;6 – m = 31,6 гИзменение концентрации NOx взависимости от массы газа m вцилиндре водородного дизеля при n =800 мин-1, αвΣ = 1,83 = const, φОВТ =10°ПКВ до ВМТ, Tk = 335К, ε = 16,5,форсунка №5 (6 х 0,85 мм))27Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Влияние коэффициента избытка воздухаИспользование водорода в силовыхустановках с ПДdefв  вmв mвп.т  mr.т  l0def mцикmв mr .т l0- мгновенный коэффициент избытка воздуха- суммарный коэффициент избытка воздухаИзменение суммарного коэффициента избыткавоздуха и среднего эффективного давления взависимости от продолжительности впрыскиванияпри n = 800 мин-1, φОВТ = 15°ПКВ до ВМТ, pk = 1,29,ε = 16,5, форсунка №1 (6 х 0,7 мм))Изменение концентрации оксидов азота ввыпускных газах водородного дизеля в зависимости от нагрузки двигателя при n = 800 мин-1,φОВТ = 15°ПКВ до ВМТ, pk = 1,29, ε = 16,5,форсунка №1 (6 х 0,7 мм))28Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДВлияние температуры впускного воздухаИзменение давления, температуры искорости тепловыделения в рабочемцикле водородного дизеля при n = 800мин-1, αвΣ = 1,9, φОВТ = 10°ПКВ до ВМТ,Δ φвпр = 47° ПКВ, tk = 63°C, ε = 17, pe =18,4 бар, форсунка №5 (6 х 0,85 мм))Изменение скороститепловыделения в водородномдизеле в зависимости оттемпературы впускного воздуха(режим полной нагрузки) при pe =18,4 бар, φОВТ = 10°ПКВ до ВМТ :1 – tk = 40°C,2 – tk = 65°C29Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДВлияние степени сжатия и формы КССхемы КС базового дизеля (ε =13,5) и его конвертированной наводород модификации (ε = 16,75 иε = 17,57)Изменение скорости тепловыделения иконцентрации оксидов азота в зависимостиот степени сжатия водородного дизеля (pe =бар, n = 800 мин-1):1 – ε = 17,57, NOx = 1354 ppm;2 – ε = 16,75, NOx = 1442 ppm.30Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДВлияние угла опережения впрыскивания водородаИзменение концентрации оксидовазота в зависимости от моментавпрыскивания водорода при pe = 8,5бар, n = 800 мин-1, tk = 38 °CИзменение скорости тепловыделенияв зависимости от угла опережениявпрыскивания водорода:1 – φОВТ = 15 °ПКВ до ВМТ;2 – φОВТ = 7 °ПКВ до ВМТ31Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДВлияние предварительного (пилотного)впрыскивания водородаЭкспериментальные исследования показали, что при значенияхтемпературы наддувочного воздуха tk > 70 °C впрыскивание водородаможно осуществлять со значительным запаздыванием.В этом случае концентрация оксидов азота значительно снижается.При таких показателях концентрация оксидов азота составляет[NOx] = 946 ppm, индикаторный КПД ηi = 0,51.32Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДВлияние предварительного (пилотного)впрыскивания водородаИзменение давления, температуры,скорости тепловыделения и ходаиглы форсунки в рабочем циклеводородного дизеля соптимальными индикаторными иэкологическими показателямиИзменение давления, температуры,скорости тепловыделения и ходаиглы форсунки припредварительном (пилотном)впрыскивании водорода33Московский государственный технический университет им. Н.Э.

БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДОсобенности рабочего процесса водородного дизеляЗаключение:Осуществление концепции водородного дизеля в рассмотренныхусловиях процесса путем конвертирования вполне реально.Конвертирование дизеля в водородный двигатель приводит ксокращению продолжительности сгорания по сравнению свременем процесса в базовом дизеле.Время задержки воспламенения в этом случае также уменьшается,однако отмечаются значительные колебания в последовательныхциклах.В отличие от обычного дизеля в водородном дизеле термическиенагрузки на основные детали увеличиваются, что вызваноотсутствием теплоизолирующего слоя нагара натепловоспринимающих поверхностях деталей двигателя иналичием высоких температур газа в цилиндре, обусловленныхсокращением продолжительности сгорания.34Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДТопливные элементы как источник энергии в силовыхустановках наземного транспортаТопливный элемент – электрохимическое устройство, в которомосуществляется прямое превращение энергии топлива в электричество,исключая малоэффективные (вследствие больших потерь) процессыгорения.Схема работы водородо-кислородногомембранного топливного элемента35Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДТопливные элементы как источник энергии в силовыхустановках наземного транспортаСравнение ДВС и ТЭ36Московский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДТопливные элементы как источник энергии в силовыхустановках наземного транспортаПроблемы использования топливных элементов: Стоимость системы и ее компонентов (300 дол/кВт, что в семь разпревышает стоимость энергии в ПД). Стоимость платины и обеспечение ее потребностей (текущиепотребности в платине, необходимой для создания топливныхэлементов, слишком велики и не могут быть обеспеченыпромышленностью). Надежность компонентов (надежность мембрано-электродной сборкии каталитического топливного процессора пока не достигла требуемогоуровня в 5000 часов). Время пуска (время подготовки системы с топливными элементами кработе лежит в пределах 6-20 минут). Воздухообеспечение (современные компрессоры не могут обеспечитьэффективную подачу воздуха в топливный элемент, а топливныеэлементы не могут принять подачу воздуха компрессором). Топливная инфрастуктура (применение топливных элементов требуетзначительных капиталовложений для создания инфраструктурыпроизводства и распределения топлив для них).37Московский государственный технический университет им.