ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВОДОРОДА НА НЕРАВНОМЕРНОСТЬ ПРОТЕКАНИЯ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ СЖАТОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ НА РЕЖИМАХ ХОЛОСТОГО ХОДА

  • Виктор Владимирович Смоленский Тольяттинский государственный университет
  • Наталья Михайловна Смоленская Тольяттинский государственный университет
  • Денис Александрович Павлов Тольяттинский государственный университет
Ключевые слова: водород, сжатый природный газ, метан, процесс сгорания, двигатель внутреннего сгорания (ДВС), холостой ход

Аннотация

Режимы глубокого дросселирования, к которым относятся и режимы холостого хода (ХХ), являются самыми продолжительными по времени при эксплуатации автомобиля в условиях города. Однако эффективность рабочего процесса на режимах глубокого дросселирования остается еще на достаточно низком уровне, в связи с высоким разряжением на впуске и значительной долей остаточных газов. Статья посвящена оценке влияния водорода на неравномерность протекания процесса сгорания сжатого природного газа (СПГ) в двигателе на режимах ХХ через оценку изменения показателя политропы как параметра, отображающего направление и интенсивность теплообменных процессов. Также в статье рассмотрена возможность определения количества остаточных газов и их доли в рабочей смеси. Проведенные экспериментальные исследования по изучению влияния водорода на неравномерность циклов на режиме ХХ двигателя ВАЗ-2111 показали уменьшение разброса по максимальному давлению в цилиндре двигателя при увеличении доли водорода с 0 до 6 % в газовом топливе. Подробное изучение влияния водорода на неравномерность циклов проводилось для трех стехиометрических составов смеси СПГ с долей водорода 0, 4 и 6 %, в которых были выбраны по три последовательных цикла, наиболее отражающих неравномерность работы двигателя. Исследования показателя политропы на выбранных циклах позволили определить количество остаточных газов и их долю в рабочей смеси, а также показали значительное влияние полноты сгорания в предшествующем цикле на протекание термодинамических процессов на такте сжатия и эффективность процесса сгорания в последующем цикле. Полученные результаты позволяют оценить влияние добавки водорода на процесс сгорания СПГ и сделать вывод, что добавка 6 % водорода позволяет лучше инициировать процесс воспламенения, тем самым предотвращая пропуски зажигания, и значительно уменьшает количество циклов с неполным сгоранием, повышая эффективность рабочего процесса на режимах ХХ.

Биографии авторов

Виктор Владимирович Смоленский, Тольяттинский государственный университет
кандидат технических наук, доцент кафедры «Энергетические машины и системы управления»
Наталья Михайловна Смоленская, Тольяттинский государственный университет
кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Общая и теоретическая физика»
Денис Александрович Павлов, Тольяттинский государственный университет
кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Энергетические машины и системы управления»

Литература

1. Shaikin A.P., Galiev I.R. On the effect of temperature and the width of the turbulent combustion zone on the ionization detector readings // Technical Physics. 2016. Vol. 61. № 8. P. 1206–1208.
2. Gortyshov Y.F., Gureev V.M., Misbakhov R.S., Gumerov I.F., Shaikin A.P. Influence of fuel hydrogen additives on the characteristics of a gas-piston engine under changes of an ignition advance angle // Russian Aeronautics. 2009. Vol. 52. № 4. P. 488–490.
3. Каменев В.Ф., Фомин В.М., Хрипач Н.А., Лежнев Л.Ю. Исследования энергетических и экологических показателей работы автомобильного двигателя на бензоводородных топливных композициях // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2005. № 9. С. 16–23.
4. Ивашин П.В., Рамазанов М.П., Твердохлебов А.Я., Шайкин А.П., Ясников И.С. Об оценке работы цикла ДВС ионизационным зондом // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2013. № 3-2. С. 122–127.
5. Шайкин А.П., Ивашин П.В., Бобровский И.Н. Исследование основных характеристик сгорания в поршневых двигателях с внешним смесеобразованием // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2010. № 4. С. 94–98.
6. Каменев В.Ф. Научные основы и пути совершенствования токсических характеристик автомобильных двигателей с искровым зажиганием : дис. … д-ра техн. наук. М., 1996. 454 с.
7. Кутенёв В.Ф., Фомин В.М., Каменев В.Ф. Улучшение эффективности работы двигателя с искровым зажиганием в период холодного пуска и прогрева путем использования химически активных веществ // Труды НАМИ. 2013. № 252. С. 42–61.
8. Хрипач Н.А., Каменев В.Ф., Фомин В.М., Алешин С.В. Термодинамический анализ рабочего цикла двигателя с термохимическим генерированием водородного топлива // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2006. № 4. С. 45–50.
9. Bortnikov L.N., Pavlov D.A., Rusakov M.M., Shaikin A.P. The composition of combustion products formed from gasoline-hydrogen-air mixtures in a constant-volume spherical chamber // Russian Journal of Physical Chemistry B. 2011. Vol. 5. № 1. P. 75–83.
10. Шайкин А.П., Смоленский В.В. Основные направления и перспективы создания энергоэффективных двигателей для транспортных средств // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2010. Т. 12. № 1-9. С. 2261–2265.
11. Бортников Л.Н., Павлов Д.А., Русаков М.М., Смоленский В.В. Применение водорода для повышения полноты сгорания ТВС на режимах пуска и прогрева // Естественные и технические науки. 2013. № 1. С. 346–350.
12. Смоленский В.В., Смоленская Н.М. Применение добавки водорода для создания энергоэффективных двигателей для транспортных средств // Автотранспортное предприятие. 2010. № 10. С. 50–54.
13. Корнеев Н.В., Смоленская Н.М. Модель средней скорости распространения фронта пламени природного газа с добавками водорода для одноцилиндровой установки УИТ–85 имитирующей режимы холостого хода // Естественные и технические науки. 2014. № 9-10. С. 167–171.
14. Шайкин А.П., Галиев И.Р. Связи скорости распространения пламени метановодородного топлива ДВС с параметрами ионизационного тока и концентрацией водорода // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2016. № 2. С. 87–91.
15. Шайкин А.П., Ивашин П.В., Галиев И.Р., Дерячев А.Д. К вопросу о взаимосвязи турбулентной скорости распространения и ионизации метано-водородного пламени // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2015. № 1. С. 51–54.
16. Nemati A., Fathi V., Barzegar R., Khalilarya S. Numerical investigation of the effect of injection timing under various equivalence ratios on energy and exergy terms in a direct injection SI hydrogen fueled engine // International Journal of Hydrogen Energy. 2013. Vol. 38. № 2. P. 1189–1199.
17. Teh K.-Y., Miller S.L., Edwards C.F. Thermodynamic requirements for maximum internal combustion engine cycle efficiency. Part 1: Optimal combustion strategy // International Journal of Engine Research. 2008. Vol. 9. № 6. P. 449–465.
18. Chintala V., Subramanian K.A. Assessment of maximum available work of a hydrogen fueled compression ignition engine using exergy analysis // Energy. 2014. № 67. P. 162–175.
19. Li Y., Jia M., Chang Y., Kokjohn S.L., Reitz R.D. Thermodynamic energy and exergy analysis of three different engine combustion regimes // Applied Energy. 2016. № 180. P. 849–858.
20. Zhao Z., Wang S., Zhang S., Zhang F. Thermodynamic and energy saving benefits of hydraulic free-piston engines // Energy. 2016. № 102. P. 650–659.
Выпуск
Раздел
Технические науки