Работа двигателя на водородном топливе.

Особенности рабочего процесса. По физико-химическим свойствам моторным качествам водород сильно отличается от при­меняемых в настоящее время топлив, что ведет к ряду особенно­стей в организации и протекании рабочего процесса ДВС.

С воздухом водород устойчиво воспламеняется в широком диапазоне концентраций — вплоть до а=10. Столь низкий пре­дел воспламенения обеспечивает работу водородного двигателя на всех скоростных режимах в широком диапазоне изменения со­ставов смеси: примерно от а = 0,2 до а=5. В связи с этим мощ­ность водородного двигателя может изменяться качественным регулированием, при котором его КПД на частичных нагрузках увеличивается на 25—50%.

Однако, если максимальное значение эффективного КПД дви­гателя при работе на водороде выше, чем при работе на бензине, то эффективная мощность заметно падает. Последнее обу­словлено очень низкой плотностью водорода, что приводит к уменьшению наполнения двигателя топливом. Например при стехиометрическом составе смеси газообразный водород, под­даваемый вместе с воздухом, занимает почти 30% объема цилин­дра, тогда как распыленный и испаренный бензиновый заряд только 2—4%. В целом перевод на водород вызывает снижение мощности двигателя в среднем на 20—25%. Наряду с этим при­менение водорода ведет к существенному увеличению эмиссии окислов азота с ОГ, основной причиной которого является повы­шение температуры и скорости сгорания .

Температура воспламенения водородных смесей выше, чем углеводородных, однако благодаря более низким значениям энер­гии активации для воспламенения водорода требуется меньшее количество энергии,

Высокая"реакционная способность водорода в ряде случаев приводит к обратным проскокам пламени во впускной трубопро­вод, преждевременному воспламенению и жесткому сгоранию топливных смесей. В значительной степени эти недостатки могут быть ликвидированы путем соответствующей модификации топливоподающей системы двигателя. В настоящее время для пода­чи водорода в ДВС применяются следующие способы:

-впрыск во впускной трубопровод;

-использование модифицированного карбюратора, применяе­мого в системах питания пропанобутановыми и природными газами;

-индивидуальное дозирование водорода в область впускного клапана каждого цилиндра;

-непосредственный впрыск под высоким давлением в камеру сгорания;

Первые два способа обеспечивают устойчивую работу двига­теля лишь совместно с такими мероприятиями как частичная ре­циркуляция ОГ, присадка воды к топливному заряду, а также добавка к нему бензина. Частичная рециркуляция ОГ за счет разбавления заряда инертными компонентами предотвращает обратные вспышки и смягчает сгорание при работе двигателя на стехиометрических и богатых смесях. В то же время благодаря снижению максимальных цикловых температур эмиссия гNО_x ОГ уменьшается. Количество рециркулируемых газов, как пра­вило, не превышает 10—20% от поступающего в двигатель топ­ливного заряда, однако любая степень рециркуляции ведет к до­полнительным потерям наполнения цилиндра. В отличие от ре­циркуляции ОГ добавление воды или бензина (обычно впрыском во впускной трубопровод) не приводит к ухудшению наполнения двигателя.

Использование водорода в дизельных двигателях затрудняет­ся его высокой температурой самовоспламенения. Поэтому для организации устойчивого воспламенения водорода дизели кон­вертируются в двигатели с принудительным зажиганием от све­чи или запальной дозы жидкого топлива. При этом водород мо­жет подаваться как совместно с воздухом, так и путем непосред­ственного впрыска в цилиндры. Однако устойчивая работа дизеля на водороде обеспечивается только в узком диапазоне топлив­ных смесей, ограниченном пропусками воспламенения и детона­цией. В случае газожидкостного процесса граница детонации (рис. 68) определяется составом смеси и ее температурой. Повышение дозы запального топлива улучшает антидетонацион­ную стойкость смеси и в то же время расширяет границы воспламеняемость.

Рис. 68. Границы устойчивой работы дизельного двигателя на водороде:

/ — детонация; 2 — воспламенение