Снижение выбросов углеводородов на режимах пуска и прогрева бензинового двигателя добавкой водорода в топливовоздушную смесь

Актуальность работы. На долю автомобильного транспорта в про-мышленно развитых регионах, по оценкам специалистов, приходится порядка 60−80% всех токсичных выбросов [3, 31, 37, 42, 58]. Для снижения выбросов вредных веществ в окружающую среду, вызванного ростом парка автомобилей, начиная с 1972 г. правительства разных стран используют законодательные документы, в которых установлены требования к допустимому количеству токсичных компонентов в отработавших газах (ОГ) выпускаемых автомобилей. При этом требования к экологическим показателям выпускаемых автомобилей с каждым годом ужесточаются [31, 32, 55, 56].

Исследования показывают, что основное количество вредных веществ (до 50%) выбрасываемых при испытаниях автомобиля на соответствие нормам токсичности (ЕСЕ, ЕРА, FTP, CARE и др.), приходится на режимы пуска и прогрева двигателя [3, 5, 58, 71]. Основными токсичными компонентами на указанных режимах являются продукты неполного сгорания, несгоревшие углеводороды (СН) и окись углерода (СО), что объясняется необходимостью значительного обогащения топливовоздушной смеси (ТВС), а также неэффективной работой системы нейтрализации ОГ на этих режимах. При этом, наиболее трудно устранимыми из указанных компонентов являются несгоревшие углеводороды [4, 35, 57]. Учитывая токсичные свойства СН, в том числе и канцерогенные, а также роль в образовании смога [35, 42, 58, 65, 74], снижение СН на режимах пуска и прогрева является актуальной задачей.

Одним из известных способов снижения количества токсичных выбросов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является использование водорода, как в чистом виде, так и в качестве добавки к основному топливу. Вопросу использования водорода посвящено большое количество теоретических и экспериментальных работ, как в нашей стране, так и за рубежом [9, 15, 22, 23, 26, 29, 32, 33, 45, 60, 64]. Исследования показывают, что добавка небольшого количества водорода (около 5% от массы топлива) позволяет заметно расширить пределы стабильного воспламенения и горения топливовоздушной смеси и увеличить полноту сгорания топлива. Это приводит к значительному сокращению количества токсичных выбросов с ОГ ДВС и улучшению его экономических показателей.

Анализ литературы показывает, что применение водорода в качестве добавки в ТВС на режимах пуска и прогрева ДВС практически не изучено, а имеющаяся информация по этому вопросу носит в основном исследовательский характер. Однако, за последние несколько лет количество публикаций, посвященых этой теме, значительно увеличилось, что свидетельствует о возрастающем интересе к данному вопросу. Так, например, известна разработка фирмы Delphi, в которой водородосодержащий газ, полученный в специальном риформере из ОГ, подается на впуск двигателя в период пуска и прогрева [51]. Известны также недавние разработки фирм Volvo, Сименс и др., в которых для снижения токсичности ОГ на режимах пуска и прогрева ДВС используется водород [1, 17, 20].

Следует отметить, что согласно концепции развития горения и взрыва как области научно-технического прогресса, принятой научным советом РАН в 2001 г. [40], «. перспективы улучшения экономических и экологических характеристик ДВС следует связывать с применением водорода. именно исследование процессов горения смесей водорода с углеводородами. следует считать приоритетным направлением развития работ по горению применительно к ДВС».

Цель и задачи работы. Целью работы является снижение массовых выбросов СН в период пуска и прогрева бензинового двигателя путем добавки водорода к основному топливу.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

— разработать методику испытаний по оценке влияния добавок водорода в ТВС на параметры двигателя в период пуска и прогрева;

— определить количественные зависимости и выявить закономерности выбросов СН в период пуска и прогрева бензинового двигателя от величины добавки водорода;

— разработать автономную систему добавки водорода для обеспечения малотоксичной работы двигателя в период пуска и прогрева двигателя;

— оптимизировать работу системы подачи водорода в составе автомобиля по токсичности и экономичности ДВС;

— экспериментально определить пределы возможного снижения выбросов СН при добавке водорода на режимах пуска и прогрева с учетом ограниченного запаса водорода на борту автомобиля и работы каталитической системы нейтрализации ОГ.

Объект исследования. Объектом исследования являлся поршневой бензиновый двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием типа ВАЗ-2111 с рабочим объемом 1,5 литра, степенью сжатия 8 = 9,9, оснащенный электронной системой распределенного впрыска топлива, как независимый объект, так и в составе автомобиля ВАЗ-21 102 укомплектованного в соответствии с нормами Евро-2.

Предмет исследования. Предмет исследования заключается в изучении зависимостей выбросов с ОГ СН при добавках водорода в период пуска и прогрева двигателя.

Методы исследования. При проведении исследований применялся экспериментальный метод, включающий стендовые испытания двигателя и испытания двигателя в составе автомобиля.

Достоверность результатов исследования. Достоверность результатов исследования достигается проведением повторных (многократных) опытов и соответствующей статистической обработкой их результатов, а также проведением экспериментов в сертифицированной лаборатории УПД ДТР ОАО «АВТОВАЗ» по методике предусмотренной правилами 8305 ЕЭК ООН.

Научная новизна:

— установлены эмпирические зависимости и выявлены закономерности изменения массовых выбросов СН от количества добавляемого водорода в ТВС в период пуска и прогрева двигателя;

— исследована и опытно подтверждена эффективность использования малых добавок водорода для снижения выбросов СН бензинового двигателя, в том числе оснащенного системой нейтрализации ОГ, на режимах пуска и прогрева;

— определены пределы возможного снижения выбросов СН при использовании малых добавок водорода в ТВС на режимах пуска и прогрева бензинового двигателя.

Практическую ценность представляют:

— разработанная, оптимизированная по энергопотреблению и апробированная опытной эксплуатацией на автомобиле конструкция автономной системы подачи водорода в ТВС, обеспечивающая снижение массовых выбросов СН автомобилем;

— достоверные результаты испытания системы добавки водорода в период пуска и прогрева двигателя, показавшие возможность снижения СН на 30% {СО на 40%) от исходного уровня выбросов при добавке водорода в количестве до 10% от массы топлива;

— рекомендации по использованию водорода в качестве добавки к основному топливу бензинового двигателя на режимах пуска и прогрева для снижения массовых выбросов СН;

— доказанная эффективность использования ограниченного количества водорода для снижения выбросов СН до практически значимых уровней.

Реализация результатов работы. Результаты настоящих исследований использованы в следующих договорных и госбюджетных научноисследовательских работах выполняемых кафедрой «Тепловые двигатели».

Тольяттинского государственного университета:

1 «Экспериментальные исследования автомобиля ВАЗ-21 102 оснащенного системой подачи водорода», договор № 17 217 от 10.01.2001, ОАО «АВТОВАЗ» — Тольяттинский государственный университет, 2003.

2 «Исследования кинетики термического окисления токсичных составляющих в забалластированных газовых смесях», госбюджетный договор № 17 549, Министерство образования и науки — Тольяттинский государственный университет, 2002 -2004.

3 «Исследования режимов работы генератора синтез газа, работающего на принципе воздушной конверсии природного газа», договор № 172 401 от 01.09.2004, Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН — Тольяттинский государственный университет, 2004 -2005.

Материалы работы применяются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности «Тепловые двигатели» и смежных специальностей.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно-технических семинарах кафедры «Тепловые двигатели» ТГУ, а также на следующих конференциях: Международная научно-практическая конференция «Прогресс транспортных средств» ВГТУ, Волгоград — 2002; Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Современные тенденции развития автомобилестроения в России», Тольятти — 2004; Всероссийская научно-техническая конференция «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей», Самара-2004; Международный симпозиум посвященный 175-летию МГТУ им. Н. Э. Баумана, МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва — 2005.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

На защиту выносятся следующие положения:

— экспериментальные зависимости влияния добавок водорода в ТВС на массовые выбросы СН в период пуска и прогрева бензинового двигателя;

— эмпирические зависимости, определяющие взаимосвязь выбросов СН с количеством добавляемого водорода и параметров работы на режимах пуска и прогрева бензинового двигателя, как отдельного объекта исследования, так и в составе автомобиля;

— система добавки водорода в ТВС обеспечивающая снижение выбросов СН в период пуска и прогрева двигателя и алгоритмы ее работы, определенные по эмпирическим зависимостям.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, д.т.н. проф. М. М. Русакову, к.т.н. доценту J1.H. Бортникову, доценту А. Н. Афанасьеву, а также всем сотрудникам кафедры «Тепловые двигатели» Тольяттинского государственного университета.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

В результате выполненных работ сделаны следующие выводы:

1 Разработана методика испытаний, позволившая провести исследования по оценке влияния добавок водорода в ТВС на параметры двигателя в период пуска и прогрева.

2 Экспериментально исследована взаимосвязь выбросов несгоревших углеводородов и добавки водорода в ТВС на режимах пуска и прогрева, при этом получено:

— добавка водорода в ТВС заметно расширяет диапазон возможного регулирования двигателя по составу смеси и УОЗ, в частности добавка водорода в количестве 5−10% от массового расхода топлива обеспечивает стабильную работу двигателя в период пуска и прогрева при коэффициенте избытка воздуха до 1,3 и УОЗ до 0 °п.к.в., что позволяет снизить выбросы СН и СО при уменьшении расхода топлива в среднем на 15−20% и практическом сохранении уровня температуры ОГ;

— зависимость выбросов СН в период пуска и прогрева при добавке водорода от, а и УОЗ более пологая, причем с увеличением расхода водорода данная тенденция увеличивается;

— наименьшие выбросы СН в период пуска и прогрева имеют место при коэффициенте избытка воздуха, а примерно равным 1,0, УОЗ — 5 °п.к.в. и расходе водорода — 7% от массового расхода топлива (0,04 кг/ч) при обеспечении стабильной работы двигателя.

3 Установлена эмпирическая зависимость предложенного параметра удельных выбросов СНЛ от количества добавляемого водорода в период пуска и прогрева двигателя, позволяющая:

— определять оптимальные параметры работы двигателя (а, УОЗ) и количество подачи водорода в ТВС, обеспечивающие максимальный эффект снижения выбросов СН в период пуска и прогрева;

— прогнозировать уровень выбросов СН двигателем в период пуска и прогрева при добавке водорода.

4 Разработана и апробирована опытной эксплуатацией на автомобиле в течении двух лет автономная система подачи водорода, оптимизированная по токсичности и экономичности ДВС, в том числе оснащенного системой каталитической нейтрализации и определены пределы возможного снижения несгоревших углеводородов при использовании добавки водорода в количестве 10−20 литров при пуске и прогреве.

5 Оценена эффективность способа снижения выбросов углеводородов на режимах пуска и прогрева бензинового двигателя с электронной системой управления путем добавки в ТВС малого количества водорода, в частности, испытания автомобиля ВАЗ-21 102 в комплектации 4С (Е-2) по методике 83−05 ЕЭК ООН показали, что применение системы добавки водорода позволяет снизить массовые выбросы в среднем СН на 30%, СО на 40% при сохранении на том же уровне выбросов NOx и С02, что практически приближает показатели к нормам Евро-3.