Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 536.7

Термодинамический анализ сжигания водородо-кислородной смеси в двигателе внутреннего сгорания с впрыском воды

Р.Т. Искаков, В.С. Энгельшт

Аннотация

адиабатический давление двигатель топливный

Вычислены адиабатическая температура Т_ад, давление Р и состав газа в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на водородо-кислородной топливной смеси при впрыске воды. Степень сжатия варьировалась в диапазоне =510, влажность топлива - водорода от 0 до 95%.

Водород является перспективным топливом для ДВС [1,2]. Основное преимущество водорода перед другими видами топлива заключается в следующем [1]. Высокий коэффициент диффузии водорода обеспечивает быстрое формирование гомогенной смеси с окислителем. Большая скорость сгорания оказывает, наряду с этим, положительное влияние на эффективность рабочего процесса. Очень важным является большой предел воспламенения водорода в воздушной смеси. Коэффициент избытка воздуха может изменяться в диапазоне б=0,15ч10, тогда как у бензина б=0,27ч1,7, у метана б=0,65ч2. Большой предел воспламенения позволяет работать с обедненными смесями (б>1) для регулирования мощности двигателя в широком диапазоне нагрузок и частот вращения. Одновременно из-за уменьшения адиабатической температуры сгорания для бедных смесей понижается концентрация токсичного оксида азота NO. В работе [1] приведена информация о разработке и эксплуатации (Украина, США, ФРГ, Япония) автомобилей с ДВС на водородо-воздушной смеси. Испытания подтвердили высокие показатели по топливной экономичности и уровню токсичности отходящих газов. При работе двигателя на повышенной мощности (б1) концентрация оксидов азота была высока. Для снижения NO в цилиндры двигателя впрыскивалась вода в соотношении до 6:1 по массе, что соответствует влажности топлива-водорода W1=85%. Концентрация NO уменьшалась при этом на порядок по сравнению с сухим водородом. Таким образом, практически была показана возможность введения большого количества воды в ДВС, работающего на водородо-воздушной смеси.

В обзоре [3] приведены данные об используемых в эксплуатации на автомобилях компактных баллонов из углепластикового композита, весящих 75 кг и вмещающих 2 кг сжатого до 35 МПа водорода. Указывается, что в ближайшее время будут готовы баллоны до 70 МПа, которые при том же объеме в два раза вместительнее. Отметим, что на два баллона водорода необходим лишь один идентичный баллон кислорода при =1, чтобы ДВС работал на водородо-кислородной смеси. Такое топливо значительно экологичнее водородо-воздушного, ибо в ДВС не образуется токсичный оксид азота NO, из-за отсутствия здесь воздуха. Отходящие из ДВС газы состоят из паров воды H₂O_(г) и гидроксила OH, который мало токсичен. С другой стороны, при сжигании сухой водородо-кислородной смеси (см. ниже) адиабатическая температура высока (Т_ад4000К), велик также недожог топлива (до 30%). Высокая температура в камере сгорания ДВС обусловливает большую тепловую нагрузку на двигатель. Кроме того, оксид азота может образовываться в выпускной системе или в атмосфере при смешении высокотемпературных газовых выбросов с воздухом. Снижение адиабатической температуры возможно путем впрыска воды в цилиндр двигателя.

В данной работе проведен термодинамический анализ влияния впрыска воды на температуру, давление и состав газа при изохорно-адиабатическом сжигании водородо-кислородной смеси в камере ДВС. Предполагается, что впрыск воды осуществляется в холодный цилиндр в конце такта впуска. Это означает, что заполнение цилиндра водородо-кислородной смесью практически одинаково при любом количестве вводимой воды, из-за сравнительно малого объема воды в жидком виде. Таким образом, введение жидкой воды не уменьшает количества топлива. Вода испаряется на такте сжатия, когда температура газа увеличивается до 600ч800К [3]. Влажность топлива-водорода варьировалась W1=0ч95%, рассматривалась стехиометрическая смесь (б=1), степень сжатия принята =5,6,7,8,9,10.

Метод исследования. Термодинамический анализ процесса горения основан на использовании универсального программного комплекса АСТРА.4/pc, в основу алгоритма которого положен принцип максимума энтропии [4]. Формулировка задачи термодинамического моделирования требует назначить два условия равновесия изучаемой системы с окружающей средой. Для описания самой системы, как материального объекта, необходимо знать лишь содержание образующих ее химических элементов и энтальпий образования, входящих в систему веществ.

Топливная смесь задавалась в весовых долях

2%Н₂+16%О₂+18у%H₂O_(ж).(*)

Расчет проводился при фиксированном удельном объеме, который зависит от степени сжатия и влажности топлива W1. Удельный объем определялся следующим образом. Для массы топливной смеси в соответствии с выражением (*) можно записать m=2+16+18y=18+18y=18(1+у), грамм. Та же топливная смесь в мольных долях имеет вид

Н₂+0,5O₂+yH₂O_(ж).(**)

Пренебрегая объемом жидкой воды и принимая для газа в нормальных условиях объем моля 22,4 л/моль (Р=1 атм, t=0^oC), можно записать для объема сухой топливной смеси (**): v=22,4+11,2=33,6, литра. Отсюда удельный объем топливной смеси в нормальных условиях, т.е. при степени сжатия =1, равен

V1=v/m=33,6/(18(1+y)), нм³/кг.

При сжатии топливной смеси с коэффициентом , соответствующий удельный объем равен V=(1/)•V1.

Директивы по программе АСТРА задаются в виде:

V=V(), U=0,

(2%H₂[0]), (16%O₂[0]), (18y%H₂O_(ж)[-15917]).

Здесь U-внутренняя энергия, в квадратных скобках указаны энергии образования в стандартных условиях [5]. Значения у, V(), W1=(у/(1+у))•100%, количество водорода Н₂ и воды Н₂О_(ж) в исходном топливе приведены в табл.1. Максимальная теплота сгорания (теплотворная способность топлива) q_гvmax, отнесенная к единичному объему топливной смеси при нормальных условиях, равна

q_гvmax=[H₂]•_fH^oV1, кДж/нм³.

Здесь [H₂] содержимое водорода в исходном топливе, моль/кг, V1-удельный объем топлива в нормальных условиях (Табл.1), _fH^o =241,8 кДж/моль - энергия образования H₂O_(г) при стандартных условиях [5]. Реальная теплота сгорания

q_гv=[H₂О_(г)-Н₂О_(ж)]•_fH^oV1, кДж/нм³,

где H₂О_(г) - концентрация паров воды в продуктах сгорания, моль/кг (см.ниже табл.2),

Н₂О_(ж) - количество воды в исходной топливной смеси, моль/кг (табл.1).

Табл.1

Основные результаты расчета приведены в табл.2 и на рис.1-5. Адиабатическая температура (рис.1) зависит главным образом от влажности топлива W1, она максимальна Т_ад4000К при W1=0, медленно уменьшается до W1=70% (Т400К) и далее круто спадает до температуры Т_ад2750К при W1=90% и Т_ад1850К при W1=95%. Влияние степени сжатия на адиабатическую температуру невелико (5%).

Давление в камере сгорания Р (рис.2) обусловлено, главным образом, степенью сжатия , и линейно возрастает с увеличением . Влажность топлива - водорода приводит к повышению Р. При увеличении W1 от 0 до 70% давление Р повышается на 7%, при дальнейшем увеличении влажности до 9095% давление возрастает на 20%. Такое влияние влажности топлива на давление обусловлено двумя противодействующими факторами. Увеличение массы топливной смеси при впрыске воды должно увеличить давление. С другой стороны, снижение адиабатической температуры должно понизить давление. Первый фактор здесь проявляется в большей мере.

Рис.1

Рис.2

Табл.2

Теплота сгорания q_гv (рис.3) минимальна для сухого водорода, она меньше на ~30% максимальной величины q_гvmax. Проявляется недожог вследствие диссоциации продуктов сгорания. Недожог уменьшается с увеличением влажности (рис.4) и достигает нуля при W1=95%. Влияние степени сжатия =510 на теплоту сгорания не превышает 2%. Максимальная теплоты сгорания q_гvmax не зависит от влажности, ибо принято, что независимо от количества впрыскиваемой воды, количество сухого топлива, заполняющего цилиндр двигателя одинаково.

На рис.4 приведена доля теплоты сгорания q_гv, затрачиваемая на испарение воды q_исп=[H₂O_(ж)](Q_исп=44,9кДж/моль). Затраты теплоты сгорания на испарение воды менее 9% при влажности W1<70%, повышаются до 18% при W1=90% и до 23% при W1=95%.

Концентрация гидроксила ОН (рис.5) уменьшается с увеличением влажности W1 вначале медленно до W1=70% и затем резко при дальнейшем увеличении влажности. В расчетах принята стехиометрическая смесь =1, поэтому изменение концентрации ОН обусловлено уменьшением температуры с возрастанием влажности топлива. Величина сжатия также мало влияет на концентрацию OH, как и на температуру.

Рис.3

Рис.4

Рис.5

Выводы

Термодинамический анализ сжигания водородо-кислородной смеси в ДВС при впрыске воды в холодный цилиндр в конце такта впуска выявил следующие особенности:

1. Впрыск воды не уменьшает тепловой мощности двигателя.

2. Адиабатическая температура Т_ад зависит, главным образом, от влажности топлива. Она максимальна Т_ад4000К для сухого водорода, при влажности топлива W1=90% Т_ад=2750К, Т_ад=1850К при W1=95%. Влияние степени сжатия =510 на адиабатическую температуру незначительно (5%).

3. Давление Р в камере сгорания обусловлено, главным образом, степенью сжатия , причем давление пропорционально степени сжатия. Влажность топлива - водорода приводит к повышению Р. При увеличении W1 от 0 до 70% давление Р повышается на 7%, при дальнейшем увеличении влажности до 9095% давление возрастает на 20%.

4. Недожог составляет 30% для сухого водорода и близок к нулю при W1=90%.

Литература

1. А.И.Мищенко. Применение водорода для автомобильных двигателей. -Киев:Наукова Думка, 1984. 143 с.

2. Е.Э.Боровский. Экологические проблемы автомобильного топлива. http://archive.1september.ru/him/1998/no46.htm, с.118.

3. Ю.И.Боровских, Ю.В.Буралев, К.А.Морозов. Устройство автомобилей. -М.:Высшая школа, 1988. 288 с.

4. Б.Г.Трусов. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах. (ASTRA. 4/pc), Центр Программных Систем МГТУ им.Н.Э.Баумана. М.:1993. 43 с.

5. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание:

В 4-х т./Л.В.Гурвич, И.В.Вейц, В.А.Медведев и др. - М.:Наука, 1982

Размещено на Allbest.ru