автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Влияние добавок водорода на технико-экономические и экологические показатели газовых и дизельных двигателей

На правах рукописи

МИСБАХОВ РИНАТ ШАУКАТОВИЧ

ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ВОДОРОДА НА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ГАЗОВЫХ И ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2010

1 7 ИЮН 2010

004604446

Диссертация выполнена на кафедре «Теоретические основы теплотехники» Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.

Научный руководитель:

Кандидат технических наук, доцент Гуреев Виктор Михайлович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук,

профессор Абдуллин Айрат Лесталевич

Кандидат технических наук, доцент Ахтариев Марс Рифкатович

Ведущая организация:

НТЦ ОАО «КамАЗ»

Защита состоится 16 июня 2010 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д212.079.02 при Казанском государственном техническом университете им. А. Н. Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке КГТУ им. А.Н. Туполева.

Электронный вариант автореферата размещен на сайте Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева (www.kai.ru).

Автореферат разослан 14 мая 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент А.Г. Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Анализ тенденций развития мирового топливного рынка указывает на постепенный переход к альтернативным видам топлива вследствие истощения традиционных топливных ресурсов и ужесточения норм на содержание токсичных веществ в отработавших газах (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДОС). Среди альтернативных видов топлива наиболее перспективными при решении поставленных задач по снижению токсичности ОГ и расширению сырьевой базы являются, в первую очередь, природный газ, а в дальнейшей перспективе - водород.

Конвертирование ДОС на вышеперечисленные газовые топлива требует проведения комплексных исследований и большого объема доводочных работ, осложненных отсутствием необходимого справочного материала. Важно свести к минимуму конструктивные и технологические изменения в конструкции двигателя, которые требуют значительных затрат времени и средств. При этом ограничения, накладываемые на конструкцию в силу различного рода причин (технологических, стоимостных, временных и т.д.), вынуждают принимать в ряде случаев неоптимальные решения, ухудшающие достигаемые результаты по экологическим и экономическим показателям двигателей. Применение традиционных методов подавления токсичных компонентов в ОГ (рециркуляция ОГ, каталитические нейтрализаторы) во многом снижает экономические и мощностные характеристики ДОС. Таким образом, в рамках накладываемых ограничений, требуется применение нестандартных методов повышения экологических и экономических характеристик ДОС.

Одним из направлений уменьшения токсичности ОГ и повышения топливной экономичности ДОС является применение водорода, как в чистом виде, так и совместно с углеводородным топливом. Добавка водорода в топливно-воздушную смесь (TBC) расширяет пределы стабильного воспламенения и горения топлива, увеличивает полноту сгорания, тем самым значительно снижая токсичность выхлопа. Совместное применение мероприятий по обеднению смеси и использованию добавок водорода позволяет добиться существенного повышения эффективности работы двигателя и снижения токсичности ОГ.

К настоящему времени проведенные другими авторами исследования не позволяют выявить минимальное значение массовой доли добавок водорода в TBC, оказывающее значимое влияние на экологические и технико-экономические показатели газовых и дизельных двигателей. Отсутствует метод определения эффективности применения водорода при работе газопоршневых ДВС на пределе устойчивого горения обедненных TBC.

Определение величины значения данного параметра и необходимость разработки инженерных методик расчета эффективности применения добавок водорода в зависимости от массовой доли в TBC являются частью решения проблемы снижения выбросов токсичных компонентов газовыми и дизельными двигателями. Необходимость определения технической,

экологической и экономической целесообразности использования добавок водорода в TBC газовых и дизельных двигателей делает данную работу актуальной.

Цель работы - улучшение технико-экономических и экологических показателей газовых и дизельных двигателей при работе на обедненных смесях воздействием на процесс сгорания минимальной эффективной массовой долей добавки водорода в TBC, найденной по результатам экспериментальных исследований. Разработка метода определения эффективности применения добавок водорода при работе газового двигателя на пределе устойчивого горения обедненных TBC.

Задачи исследований:

• экспериментально определить минимальное количество массовой доли водорода в TBC, а также выявить области варьируемых параметров двигателя по частоте вращения вала, нагрузке, коэффициенту избытка воздуха и углу опережения зажигания (УОЗ), в которых наблюдается существенное влияние водорода на технико-экономические и экологические показатели газового и дизельного ДВС;

• разработать метод определения эффективности применения водорода при работе газопоршневого двигателя на пределе устойчивого горения на основе безразмерного параметра ß, учитывающего повышение полноты сгорания топлива в присутствии водорода и безразмерной зависимости нижнего предела устойчивого горения TBC от коэффициента избытка воздуха при добавках водорода;

• разработать рекомендации по использованию добавок водородного топлива в TBC двигателей семейства КамАЗ для улучшения их технико-экономических и экологических характеристик.

Научная новизна исследований.

• Определены области варьируемых параметров двигателя по частоте вращения вала, нагрузке, коэффициенту избытка воздуха и УОЗ, в которых наблюдается существенное влияние минимальной массовой доли добавки водорода в TBC на технико-экономические и экологические показатели газового и дизельного двигателя.

• Разработан метод определения эффективности применения водорода при работе поршневого двигателя на пределе устойчивого горения на основе безразмерного параметра ß и безразмерной зависимости нижнего предела устойчивого горения метановодородовоздушной смеси от коэффициента избытка воздуха при добавках водорода.

• Разработаны рекомендации по использованию добавок водородного топлива в TBC для двигателей семейства КамАЗ.

Методы исследований. При выполнении работы проводился анализ известных литературных данных и результатов работ других исследователей, применялся метод экспериментальных исследований путем снятия регулировочных характеристик по составу смеси и УОЗ, нагрузочных характеристик двигателя, метод эмпирического анализа, статистическая

обработка данных и их обобщение на основе имеющихся фундаментальных теоретических представлений о влиянии добавок водорода в TBC на экологические и технико-экономические показатели ДВС.

Достоверность результатов исследований. Достоверность полученных результатов экспериментальных исследований подтверждена значительным объемом экспериментальных данных, полученных на аттестованной измерительной аппаратуре с оценкой погрешности измерений, статистической обработкой полученных результатов экспериментальных исследований, а также непротиворечивостью полученных данных и зависимостей фундаментальным теоретическим представлениям о влиянии добавок водорода в TBC на характеристики ДВС.

Научная и практическая значимость исследований.

• Результаты экспериментальных исследований влияния минимальной эффективной массовой доли добавок водорода в TBC на экологические и технико-экономические характеристики газовых двигателей семейства КАМАЗ позволяют: на режиме холостого хода снизить расход топлива до 29%, выбросы углеводородов СН до 4 раз, оксидов азота NOx до 30% и повысить эффективный КПД до 10%; при п = 1500 мин"1 снизить расход топлива до 35%, выбросы углеводородов СН до 40%, повысить эффективный КПД до 13% и определить область (Ре < 3 кг/см2, п < 1500 мин'1) максимальной эффективности добавок водорода в TBC.

• Разработаны практические рекомендации по добавкам водорода в TBC двигателей семейства КамАЗ, позволяющие улучшить их технико-экономические и экологические показатели;

• Полученные эмпирические зависимости степени повышения полноты сгорания топлива от коэффициента избытка воздуха позволяют определять эффективность работы газопоршнего ДВС при различных добавках водорода в TBC и определить границы экономической целесообразности применения добавок водорода.

• Метод расчета соотношения "водород-метан" в топливной композиции при работе ДВС по регулировочной характеристике по составу смеси при постоянной мощности и оптимальных углах опережения зажигания на основе безразмерного параметра ß и безразмерной зависимости нижнего предела устойчивого горения TBC от коэффициента избытка воздуха при добавках водорода позволяет оценить эффективность применения водорода при работе газопоршневого двигателя на пределе устойчивого горения.

Реализация результатов работы. Результаты экспериментальных исследований использованы в Научно-техническом центре ОАО «КамАЗ», г. Набережные Челны в процессе доводки газовых и дизельных двигателей семейства КамАЗ. Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Теоретические основы теплотехники» КГТУ им. А. Н. Туполева в лекционном курсе «Энергетический комплекс промышленных предприятий» для специальности «Энергетика теплотехнологий».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждены на научно-технических семинарах НИИ «Энергоэффективных

технологий КГТУ им. А. Н. Туполева», кафедр «Теоретические основы теплотехники», «Автомобильные двигатели и сервис» КГТУ им. А. Н. Туполева и представлены на следующих конференциях: VII Международная научно-практическая конференция «Люди и космос» (Днепропетровск, 2005); Международная молодежная научная конференция «Туполевские чтения» (Казань, 2005-2006); Международная научно-техническая конференция «Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности России» (Казань, 2006-2007); VIH международный симпозиум «Энергоэффективность и энергосбережение» (Казань, 2007); Первый международный экологический конгресс «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» ELPIT 2007 (Тольятти, 2007); III международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы энергетики» (Екатеринбург, 2007).

Личный вклад автора в работу. Автором: разработан метод расчета соотношения "водород-метан" в топливной композиции при работе ДВС по регулировочной характеристике по составу смеси; получены эмпирические зависимости для параметра ß, учитывающего повышение полноты сгорания топлива в присутствии водорода; модифицирована экспериментальная установка для исследования влияния добавок водорода на технико-экономические и экологические характеристики газовых и дизельных двигателей; проведены экспериментальные исследования, обработаны и проанализированы полученные опытные данные.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ из них 2 в изданиях, рекомендуемых ВАК.

На защиту выносятся следующие положения.

• Результаты экспериментальных исследований влияния добавок водорода на экологические и технико-экономические показатели газовых и дизельных ДВС.

• Метод определения эффективности применения водорода при работе газопоршневого двигателя на пределе устойчивого горения на основе безразмерного параметра ß и безразмерной зависимости нижнего предела устойчивого горения TBC от коэффициента избытка воздуха при добавках водорода.

• Рекомендации по минимальному количеству добавок водорода в TBC, оказывающему практическое значимое влияние по улучшению экологических и технико-экономических показателей ДВС.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 201 наименования. Работа изложена на 165 страницах текста иллюстрированного 17 таблицами и 72 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлено общее описание работы, обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель и определены задачи исследования.

В первой главе диссертации проведен анализ литературных данных по вопросам эффективности применения, особенностям организации процесса сгорания и перспективам использования водорода, как в чистом виде, так и совместно с углеводородным топливом.

Существенный вклад в развитие направления по применению водорода в ДВС внесли известные российские ученые: В. А. Вагнер, В. А. Звонов,

A. И. Гайворонский, Ю. В. Галышев, В. И. Ерохов, Г. Н. Злотин, Н. А. Иващенко, А. А. Капустин, H. Н. Патрахальцев, А. С. Соколик,

B. М. Фомин, А. С. Хачиян, Н. А. Хрипач, А. П. Шайкин и зарубежные ученые Buchner H., Dell R., Lucas G., Bade Shrestha S. O., Karim G. A., Huang Z, Jinhua Wang, Ferran A. Ayala, Inge Saanum и другие.

Анализ исследований показал, что опубликованные работы посвящены главным образом изучению работы бензиновых и дизельных ДВС, как на чистом водороде, так и в топливных композициях с ним. Особенности процессов сгорания метановодородных топливных композиций и влияние наличия свободного водорода в TBC на технико-экономические и экологические показатели газовых двигателей представлены недостаточно. Отсутствуют работы, посвященные определению минимальной эффективной доли водорода в TBC, оказывающей значимый эффект на показатели газового двигателя, что особенно актуально в свете отсутствия в России развитой водородной инфраструктуры, а также высокой себестоимости производства и хранения водорода. Отмечено, что выбор оптимального композиционного соотношения метана, дизельного топлива и водорода позволяет при минимальных расходах последнего значительно улучшить экономические и экологические характеристики двигателя на наиболее сложных с точки зрения токсичности и топливной экономичности режимах. Обеднение топливно-воздушной смеси в сочетании с применением добавок водорода, при условии минимизации последнего, промотирует процесс сгорания в начальной фазе и позволяет эффективно решать проблемы устранения пропусков воспламенения и улучшения экологических и технико-экономических характеристик двигателя.

Добавка водорода значительно расширяет пределы устойчивого горения, повышает полноту сгорания, увеличивает скорость распространения ламинарного и турбулентного пламени в основной и заключительной фазах сгорания, уменьшает задержку воспламенения. Однако в рассмотренных исследованиях отсутствует единое понимание влияния на технико-экономические и экологические показатели ДВС доли добавки водорода в TBC. Данное обстоятельство определило направление исследований, выполненных в настоящей работе.

Критический обзор состояния вопроса позволил определить направление и методы, используемые в исследовании, а также основные задачи, решение которых приведет к достижению поставленной цели.

Во второй главе приведено описание конструкции и измерительного оборудования экспериментального стенда для определения показателей ДВС,

экспериментальных

методика проведения и обработки результатов исследований и оценка погрешностей измерений.

В качестве объекта испытаний использовались поршневой четырёхтактный двигатель с искровым зажиганием и электронной системой управления КамАЗ 820.52-260, рабочим объёмом Vh = 11,76 л, степенью сжатия £ = 12, номинальной мощностью Ne=260 кВт, предназначенный для работы на сжатом природном газе, а также поршневой четырёхтактный дизельный двигатель КамАЗ 740.62-280, рабочим объемом Vh = 11,76 л., степенью сжатия s =16,5 и номинальной мощностью Ne=280 кВт.

Экспериментальные ______ ____

исследования проводились на испытательном моторном стенде, оборудованном индукторным тормозом и отвечающем требованиям ГОСТ 14846-81. Принципиальная схема и внешний вид экспериментального стенда для исследований влияния добавок водорода в TBC на показатели ДВС представлены на рис. 1,2.

АКБ - аккумуляторная Батарея

БУФ . блок управления форсунками

В - вентиляционная установка

ДВС - двигатель внутреннего сгорания

ГИ - генератор импульсов

СТ - гидротормоз

31..33- заслонки

34..35 - задвижки

Кл.1. Кл.3 - электромагнитные клапаны

М1..МЗ-манометры

Н - балом с водородом

ОНВ - охладитель наддувочного воздуха

ОТ - охладитель macona

Р1.Р2- редукторы

РГ1. РГ2 - расходомер газа

PB - расходомер воздуха

Р£ - расходная емкость

TI.. Т4 - термопары

Рис. 1. Внешний вид экспериментального стенда

Продуты сгорания

-{БУФ)--1

С®

Рис. 2. Принципиальная схема экспериментального стенда.

Моторный стенд дополнительно оснащен системами подачи водорода в топливовоздушную смесь (TBC) газового двигателя КамАЗ 820.52-260 и

Наддувочный воздух

дизельного двигателя КамАЗ 740.62-280, принципиальные схемы, которых представлены на рис. 3 и 4 соответственно.

г

PI

-Л

Р2

РЕ

две

-\БУФ\-АКБ [ | ГИ |

Рис. 3. Схема стендовой системы подачи водорода в газовый двигатель КамАЗ 820.52-260, где Н - баллон с водородом, М1-М2 - манометры, Р1-Р2 - редукторы, БФ - блок форсунок, РЕ - расходная емкость, БУФ -блок управления форсунками, АКБ - аккумуляторная батарея.

Рис. 4. Схема стендовой системы подачи водорода в дизельный двигатель КамАЗ 740.62-280, где Н - баллон с водородом, М1-М2 манометры, РЕ - редуктор.

Система подачи водорода в газовой двигатель работает следующим образом. Водород из баллона высокого давления (Н) через редуктор (PI, Р2) и блок тарированных форсунок (БФ) подается во впускной коллектор двигателя в сечение, расположенное непосредственно за дроссельной заслонкой. Управление форсунками осуществляется с помощью блока управления форсунками (БУФ), выполненного в виде транзисторного ключа. Расход водорода через систему определяется скважностью (длительностью открытия) форсунок в составе БФ.

Система подачи водорода в дизельный двигатель работает следующим образом. Водород из баллона высокого давления (Н) через редуктор (РЕ) и тарированный жиклер подается во впускной коллектор двигателя в сечение, расположенное непосредственно за охладителем наддувочного воздуха. Расход водорода при этом определяется эффективным сечением жиклера. При проведении исследований использовались 3 жиклера с расходными характеристиками 0.135 кг/ч, 0.19 кг/ч, 0.42 кг/ч.

В ходе проведения испытаний измерялись параметры двигателя, предусмотренные ГОСТ 14846-81, ГОСТ Р41.24-2003. Кроме того, дополнительно проводились измерения следующих величин: расхода воздуха, концентрации оксида углерода СО, концентрации углеводородов СН, концентрации окислов азота NOx, расхода водорода Оц, расхода отработавших газов Gor* угла открытия положения дроссельной заслонки (р, удельного расхода, среднего эффективного давления и др.

Достоверность результатов обеспечивалась многократным повторением экспериментов в ряде выбранных точек, а также статистической обработкой результатов измерений.

Оценка погрешностей измерений показателей двигателя, точность измерения которых не предусмотрена ГОСТ Р41.24-2003, в частности, расхода воздуха и водорода, а также погрешность определения коэффициента избытка воздуха как одного из основных факторов,

определяющих эффективность работы двигателя, показала, что относительная погрешность измерения составила для расхода водорода Sc,, = ± 5%, для расхода воздуха 5, = ± 2%, для расхода топлива §аг — ± 1%. Суммарная относительная погрешность определения а в диапазоне изменений измеряемых величин находится в пределах 5а = 3 - 5 %.

В третьей главе приведены основные результаты экспериментальных исследований влияния добавок водорода в TBC на экологические и технико-экономические показатели газовых и дизельных ДВС.

Экспериментальные исследования проводились путем снятия регулировочных характеристик по составу смеси и УОЗ, а также нагрузочных характеристик двигателя, как при добавках водорода, так и без них. Оценка влияния добавки водорода на экономические и экологические параметры проводилась методом сравнения с исходными характеристиками, полученными при работе двигателя на чистом топливе. Величина добавок водорода определялась, исходя из существенности получаемого эффекта по экономичности и токсичности ДВС и практической возможностью реализации бортового генератора водорода на заданную производительность.

Для газового двигателя получены следующие результаты: • При работе двигателя на холостом ходу (XX) при коэффициенте избытка воздуха а = 1,4 и добавке водорода в количестве Н2=0,16 кг/ч (6% от расхода ПГ) расход ПГ снижается на 29%.

Можно предположить, что водород интенсифицирует процесс сгорания топлива, а это приводит к снижению массы потребного свежего заряда (горючей смеси), энергетически необходимого для поддержания заданного режима работы двигателя. Смещение характеристик при добавках водорода в «богатую» сторону связано с тем, что водород, являясь горючим компонентом топливовоздушной смеси, обогащает смесь, и его добавки снижают величину а.

• Происходит снижение объёмных выбросов СН в 4 раза, выбросы СО практически не изменяются, а выбросы МОх снижаются на 30%, что хорошо видно на рис. 5. Отмечается снижение выбросов 1\'Ох при обогащении смеси.

Полученный эффект объясняется большей температурной равномерностью в цилиндре двигателя в процессе сгорания, что определяется диффузионными свойствами

СН.СО, ррт

5000-

4000

3000

2000

1000

□ СН (Н=0 кг/ч) 0 я СН (Н=0,16 кгАО » - = СН(Н=0,26кг/ч) ♦ СО (Н=0 кг/ч) |п СО (Н=0.16 кг/ч)ЬЛ СО (Н=0,26 кг/чМ

.............. 7

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 а

Рис. 5. Регулировочная характеристика по составу смеси (п = 800 мин"1)

водорода, выравнивающего в целом концентрацию топливной смеси по объёму цилиндра. По этой причине уменьшается количество локальных

высокотемпературных центров горения, образование которых свойственно горению обеднённой смеси, а следовательно, и снижается активность образования окислов азота.

• При работе двигателя на нагрузочном режиме п - 1500 мин"1 и нагрузке Р,=1,46 кг/см2 и добавках водорода Н2 = 0,26 и 0,44 .кг/ч снижение расхода ПГ при работе по регулировочной характеристике составляет не менее 12%, возрастание эффективного КПД - 3,5-5-10%, снижение выбросов СН - 40%, но при этом на 52% увеличиваются выбросы ЫОх;

Результаты исследований, представленные на рис. 6 показали, что добавка водорода в количестве Н2 = 0,26 кг/ч и Н2 = 0,44 кг/ч при работе

ДВС на данном режиме приводит к ____

снижению расходов ПГ, воздуха и ОГ в целом. В связи со снижением относительной доли водорода в топливе на данном режиме по сравнению с работой на XX уменьшение расхода ПГ снизилось и составляет, например, при а= 1,4 и добавке водорода

Н2 = 0,26 кг/ч (3% от расхода ПГ) 12%, при а = 1,3 и добавке Н2 = 0,44 кг/ч (5% от ПГ) - 18%. Отмечено, что изменение доли Н2 до 3% от расхода ПГ в данном случае приводит к более существенному изменению параметров ДВС, например, снижению расхода ПГ, по сравнению с дальнейшим повышением Н2 (диапазоном 5-8%), что подтверждает известный из испытаний эффект активного действия малых добавок водорода. В частности, результаты исследований показывают, что наибольшее влияние водород оказывает при добавках 3-6%, что связано с активизацией его химического действия на процесс горения углеводородного топлива. С увеличением добавок этот эффект снижается, и действие водорода сводится к простому замещению основного топлива.

Результаты исследований влияния угла опережения зажигания при добавках водорода показали возможность определённой оптимизации показателей двигателя, например, по выбросам СН и ИОм при сохранении экономических показателей, в частности, при добавках водорода и уменьшении УОЗ на режиме «=1500 мин 1 и Ре=1,46 кг/см2 до 10 гр.п.к.в. эффективный КПД увеличивается на величину порядка 11% (при УОЗ=15 гр.п.к.в. это повышение при добавках водорода составляет 5%).

Результаты измерений расхода воздуха, положения дроссельной заслонки и температуры газов перед турбинами в правом и левом рядах цилиндров двигателя показали, что при добавках водорода и любых УОЗ все измеряемые параметры двигателя при постоянной мощности смещаются, практически, эквидистантно в сторону улучшения. Так, расход воздуха

г.о-4—.—,—.—I—.—(—.—,—.—

1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 а

Рис. 6. Регулировочная характеристика по составу смеси (я = 1500 мин'1)

уменьшается при УОЗ = 10 гр.п.к.в. на 16%, при УОЗ = 15 гр.п.к.в. на 12%, что способствует снижению общего массового количества ОГ, а следовательно, и нормируемых токсических составляющих.

Отмечено, что добавки водорода наиболее эффективно сказываются при малых УОЗ, что объясняется повышением скорости горения топливовоздушной смеси. Таким образом, водород позволяет уменьшить УОЗ при сохранении эффективности рабочего процесса двигателя, что способствует, как известно, снижению таких токсичных составляющих ОГ, как СО и СН.

Выявленные экспериментально факты показывают, что добавки водорода в газовой двигатель можно использовать для проведения более эффективных регулировок, способствующих общему улучшению показателей двигателя.

При исследованиях работы двигателя при добавках водорода по нагрузочным характеристикам представленным на рис. 7, 8 получено:

• При и=1500 мин"1 (УОЗ=15 гр.п.к.в.) и добавках водорода в количестве Н2=0,26 и 0,44 кг/ч отмечается значительное снижение расхода ПГ на нагрузках до Ре = 3 кг/см2, в частности, при Ре = 1,46 кг/см2 на 30% при Н2 = 0,26 кг/ч и на 35% при Н2 = 0,44 кг/ч, что увеличивает эффективный КПД на 5 и 13%, соответственно. С ростом нагрузки влияние добавок водорода снижается и составляет по снижению расхода ПГ в среднем 7%. Изменение УОЗ в меньшую сторону приводит к возрастанию (Ув и О, .

• Влияние добавок водорода на показатели токсичности максимально при малых нагрузках, в частности, при Ре = 1,46 кг/см2 (и=1500 мин"1, УОЗ=15 гр.п.к.в.). Снижение

■ Н=0,44 кг/ч, УОЗ=15 гр * Н=0,26 кг/ч, У03=Ю ф I Н=0,26 кг/ч, УОЗ=15 гр з Н=0 кг/ч, УОЗ=15 гр.

О 2 4 6 8 10 12 Р.,кг/см'

Рис. 7 Изменение расхода ПГ по нагрузке («=1500 мин"1)

20

15

0

■ Н=0,44 кг/ч « Н=0,26 кг/ч в Н=0,26 кг/ч; УОЗ=Ю гр. о Н=0 кг/ч.

0 2 4 б 8 10 12 Р.,кг/см

Рис. 8 Изменение эффективного КПД (я = 1500 мин"1, УОЗ = 10 я 15 гр.п.к.в.)

СН.СО, ррп- —

1500

СИ (Н-0 «г/ч) МО* 1Н-0 юЫ СН (И*0,36 гг/ч| НОх (Н-0,28 кг*Ч) СН (Н*0,М *г/ч;УОЗ=Югр.лхв ) НОк (Н-0,аб нт*ч;УОЗ"Юф.1<.к.е.) СН ||*ч)

МО* (Н-0,44 кг/ч)

12 Р ,кг/см

(п

Рис. = 1500

. 9 Нагрузочная характеристика 0 мин"1, Л =1,46 кг/см , УОЗ =

уаг)

выбросов СН происходит в 9 раз и с ростом нагрузки более 3 кг/см2 снижается до 40% (см. рис. 9). При этом с ростом нагрузки при УОЗ=15 гр.п.к.в. выбросы NOx увеличиваются.

• Влияние добавок водорода при работе по нагрузочной характеристике при п=2200 мин'1 (УОЗ=18 гр.п.к.в.) имеет все те же отмеченные тенденции, с меньшим количественным выражением, в частности, снижение расхода ПГ, по мере возрастания нагрузки, составляет от 10 до 2,5% при практическом постоянстве эффективного КПД. Примерно в таких же пределах изменяется и расход воздуха.

На рис. 10 приведены графики снижения, в процентах, расхода ПГ при добавках водорода при работе двигателя по нагрузочным характеристикам при частоте вращения вала п = 1500 и 2200 мин"1, из которых можно видеть тенденции и величину снижения расхода газа при активизации рабочего процесса водородом. Наибольшее влияние добавки водорода оказывают при малых нагрузках, и эффект действия снижается с увеличением нагрузки, что связано с уменьшением его относительного количества в рабочей смеси.

Проведенные экспериментальные исследования позволили определить области варьируемых параметров двигателя по частоте вращения вала, нагрузке, коэффициенту избытка воздуха и УОЗ, в которых наблюдается существенное влияние водорода на снижение расхода ПГ и выбросов углеводородов. Потребное количество добавок водорода составляет порядка 4 % от расхода топлива или 0,2 кг/ч.

Полученные в ходе проведения исследований результаты могут использоваться при расчётах показателей токсичности в соответствии с методикой официальной оценки.

Предложен ряд методов совершенствования показателей исследуемого двигателя, в том числе проще всего реализуемый в настоящее время метод с использованием предварительной подготовки смеси ПГ и 3-5% водорода на АЗГС с последующей заправкой данной смесью транспортного средства.

Для дизельного двигателя получены следующие результаты:

• добавка водорода в TBC принятом диапазоне изменения его расхода не оказывает значимого эффекта на технико-экономические показатели двигателя, что следует из снятой внешней скоростной характеристики дизельного двигателя;

• изменение количества теплоты, подведенной к двигателю, как в случае использования добавки водорода, так и без нее, показал, что общее количество теплоты, подведенное к двигателю на идентичных режимах его

■ л=2200 обЛмин.; Н=0,44 кг/ч а п=1500 об ./мин.; Н=0,26 кг/ч ♦ г=1500 об./мин.; Н~0,44 кг/ч

>

ю

) 2 4 6 8

Рис. 10 Снижение расхода ПГ при

ПЛПЧВиОУ ПЛЛЛПЛПО

Работы, во всех случаях практически одинаково. Расход дизельного топлива при этом уменьшается пропорционально количеству водорода, добавляемого в двигатель.

• на исследованных режимах работы двигателя при принятых условиях добавка водорода не оказывает практически значимого влияния на эффективный КПД двигателя, что показано на рис. 11;

• применение добавки водорода существенно снижает выбросы углеводородов СН до 40 % при 13-ти ступенчатом цикле испытаний двигателя по ГОСТ Р 41-49-2003;

Интенсивность снижения СН больше на режимах малой нагрузки и XX, где отношение водород-дизельное топливо выше. Характер изменения выбросов СН при добавке водорода не меняется, при этом абсолютные значения выбросов СН в массовом выражении при добавке водорода уменьшаются в среднем на 20-50 %. Необходимо отметить, что снижение СН происходит не пропорционально уменьшению расхода топлива, что наглядно видно на рис. 12, где представлены характерное изменение расхода топлива Ст и снижение выбросов СН, выраженное в относительных процентах в зависимости от нагрузки.

• в принятом диапазоне изменения расхода водорода на исследованных режимах добавка водорода оказывает малое влияния на выбросы ЫОх и СО, что видно на рис. 13;

• результаты испытаний не позволили сделать однозначный вывод о существенном влиянии добавки

0,32

40 60 <0 100 120 140 160 180 200 220 240 Ne, лс

Рис. 11 Изменение эффективного КПД двигателя

10

«Нр| —о.,

/ к

и ✓ „ г V

Ют

w -й

О » 100 1И 200 250 300 -О- №1180 мин' -О- ПЯ14В0 ИИМ" -й- П"17М

Рис. 12 Уменьшение расхода топлива ЪСт и снижение выбросов 5СН выраженное в относительных процентах

то. «юле

Рис. 13 Нагрузочная характеристика

двигателя (п = 1180 мин ) водорода на выбросы твердых частиц и дымность ОГ, так, при испытании по циклу ESC зафиксировано уменьшение выбросов твердых частиц (Рт)

примерно на 30%, в то время как оценка выбросов при добавке водорода на отдельных режимах показывает значительное увеличение Рт.

В четвертой главе представлен метод расчета соотношения "водород-метан" в топливной композиции при работе ДВС по регулировочной характеристике по составу смеси при постоянной мощности и оптимальных углах опережения зажигания, который позволяет оценивать эффективность применения водорода при работе поршневого двигателя на пределе устойчивого горения TBC при добавках водорода. Метод расчета соотношения «бензо-водородных» компонентов в топливной композиции, предложенный в работе [169], модифицирован и использован автором для расчета топливных смесей «водород-метан».

В качестве основы при разработке метода принято положение из закона сохранения энергии: количество подведенной с топливом теплоты применительно к горению топливной смеси в цилиндре двигателя разного по соотношению метана и водорода состава, при равенстве совершаемой работы, записывается в виде зависимости: ßGgH4 = GgflHug + GH НиН (1), где ß -параметр, учитывающий повышение полноты сгорания метана в присутствии водорода, Gs - расход метана при отсутствии водорода в смеси, Hv - низшая теплотворная способность метана, GH - расход водорода, Нш - низшая теплотворная способность водорода. После преобразования для смеси «водород-метан» выражение записывается в виде: ß = (Ggl/ +2,878G„ )¡GS (2). Значения параметров в правой части уравнения (2) определяются экспериментально. В настоящей работе получена экспериментальная зависимость параметра ß от коэффициента избытка воздуха a (ß- f(a)) для газового двигателя с рабочим объемом 11,76 л и степенью сжатия е = 12, при условии GH = const, как регулировочная характеристика по составу смеси при постоянной мощности и оптимальных углах опережения зажигания. Для каждой из различных нагрузок и частот вращения коленчатого вала сняты рабочие характеристики двигателя вплоть до предела устойчивого горения смеси, который определялся по возрастанию расхода топлива (метана) и углеводородов в продуктах сгорания. В результате найдена корреляционная зависимость ß = f(a)± А, представленная на рис. 14, где Д - абсолютная погрешность результатов измерений Д, равная 0,05+0,07.

Анализ распределения

экспериментальных значений ß позволил установить, что эффект влияния добавок водорода зависит от режима работы двигателя.

При постоянном расходе добавки водорода расход метана при

1,4 1,6 1,8

Рис. 14 Корреляционная зависимость ß - f(a)

постоянной мощности зависит от изменения параметра ß, т.е. чем он меньше, тем сильнее снижается GgH. Следовательно, при ß = 1, т.е. высоких частотах

вращения коленчатого вала и больших нагрузках, водород замещает метан пропорционально своей теплотворной способности.

Таким образом, полученная экспериментальная зависимость параметра ß от коэффициента избытка воздуха' а представляет собой устойчивую зависимость, которую можно выразить через осредненные значения.

Результат такого осреднения экспериментальных данных методом Гаусса приведен на рис. 14. Формула (3) описывает корреляционную зависимость ß = f{a) для холостого хода (кривая 1), формула (4) для режима работы двигателя п = 1500 мин'1 (кривая 2):

Ja- 1,929V

/?(«)= 1,64--М15 .525 J (3);

'■'"'II

J g-2.0225 V

ß{a) = 0,998--——7== e 0 663 J (4).

Расход метана при постоянной мощности и добавках водорода характеризуется параметром ß, расходом метана Gs, найденного по исходной регулировочной характеристике постоянной мощности, определяемой по стандартной процедуре ее снятия, и добавкой водорода GH. Дополнительно введено условие, учитывающее изменение пределов горения смеси. В качестве критерия устойчивости горения принята зависимость нижнего предела воспламенения от относительной массовой доли водорода в TBC, записанная в виде выражения: У = GHj(üH +Gstl) (5). Зависимость (5) содержит неизвестные расходы метана в присутствии водорода G и расход водорода G„. При этом

на нижнем пределе воспламенения \|/ имеет также однозначную зависимость от а.

Формулы (2) и (5) образуют систему уравнений, имеющую единственное решение, удовлетворяющее условию работы ДВС на пределе устойчивого горения топливной смеси. Обе представленные функции зависят от а и определяют границу устойчивого горения бедной смеси, знание которой представляет наибольший практический интерес.

Система уравнений (2) и (5), содержащая расход метана Gg на произвольном режиме работы двигателя, позволяет определить количественный состав топливной композиции, т.е. потребные расходы водорода и метана при постоянной мощности двигателя и организации процесса на нижнем пределе горения метановодоровоздушной смеси (формулы (6), (7)):

CxW=y3Cg(l-y/)/(l + l,87&//) (6);

+ (7).

Соотношение расходов метана и водорода в топливной композиции на пределе устойчивого горения при работе двигателя зависит от законов

изменения р, у и . При этом /! и у представляются обобщенными зависимостями от а, а С(, характеризует режим работы ДВС по регулировочной характеристике по составу смеси при постоянной мощности и оптимальных углах опережения зажигания.

Хорошая сходимость результатов расчетов и экспериментальных данных свидетельствует о корректности выведенного для данного двигателя закона изменения параметра р = /(а) и вида функции, выбранной для аппроксимации

Представленный метод расчетов соотношения в смеси массовой доли водорода и метана позволяет определить эффективный КПД газового двигателя. В результате преобразования выражения для цг (формула (8)) оно записывается в следующем виде:

Из выражения (9) следует, что для принятых условий эффективный КПД двигателя является функцией параметра ß и расхода метана Gg для режима работы двигателя без добавок водорода. При этом параметр ß, описывается обобщенной зависимостью (формулы (3), (4)), которая представляет собой линию устойчивого горения метановодородовоздушной смеси переменного состава. Таким образом, по формуле (9) определяются предельно возможные значения /д, при использовании в качестве топлива метана с возрастающей долей водорода в TBC.

Сравнение результатов расчета и экспериментального определения rjr двигателя показало, что соответствие экспериментальных и расчетных значений удовлетворительное. Эффективность добавок водорода возрастает с уменьшением нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя, что имеет важное значение для двигателей автомобилей, которые эксплуатируются в основном на режимах частичных нагрузок.

Ü, =-— =

GTHuT

Че - N,/ßGgHllg

(8);

(9).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Экспериментально определено минимальное количество добавок водорода в TBC для газовых двигателей, а также выявлены области варьируемых параметров двигателя по частоте вращения вала, нагрузке, коэффициенту избытка воздуха и УОЗ, в которых наблюдается существенное влияние добавок водорода на технико-экономические и экологические показатели газового двигателя.

2. Выявлено на основании результатов экспериментальных исследований, что влияние добавки водорода на технико-экономические и экологические показатели двигателя максимально эффективно при малых нагрузках и низких оборотах ДВС (Ре < 3 кг/см2, п < 1500 мин"1). На режиме холостого хода применение добавок водорода позволило снизить: расход топлива на 29%; выбросы углеводородов СН до 4 раз; оксидов азота NOx до 30%;

при «=1500 мин"1: снизить расход топлива до 35%; повысить эффективный КПД до 13%; снизить объем выбросов углеводородов СН до 40%.

3. Экспериментально определено, что добавка водорода в TBC дизельного двигателя в объеме, соответствующем газовому двигателю приводит к снижению выбросов углеводородов до 40 % при практически неизменных значениях выбросов NOx и СО и не оказывает существенного влияния на технико-экономические характеристики ДВС и его эффективный КПД.

4. Получены эмпирические зависимости для параметра, характеризующего повышение полноты сгорания метана в присутствии добавок водорода при соответствующих режимах работы двигателя п = 900 мин"1 и п - 1500 мин"1, представленные в виде формул (3) и (4):

/?(«) = !,64-2,615-е"2ЬИy/l,925-^| ,

ß{a) = 0,998-0,37 е 1 > 0,663-

которые позволяют прогнозировать технико-экономические показатели газовых двигателей до пределов устойчивого горения TBC.

5. Разработан метод расчета соотношения "водород-метан" в топливной смеси по регулировочной характеристике ДВС по составу смеси на основе безразмерных параметров ß и у, характеризующих повышение полноты сгорания топлива и границу устойчивого горения TBC, от коэффициента избытка воздуха при добавках водорода, что позволяет оценивать эффективность применения водорода при работе газопоршневого двигателя на пределе устойчивого горения.

6. Разработаны рекомендации для использования добавок водородного топлива в TBC для газовых двигателей семейства КамАЗ.

7. Предложен способ подготовки топливных смесей «метан-водород» в соотношении 96% метана 4% водорода непосредственно на АГЗС.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

Работы, опубликованные в рекомендуемых ВАК журналах:

1. Мисбахов Р.Ш. Экспериментальное исследование влияния добавок водорода в топливо на характеристики газопоршневого двигателя при изменении угла опережения зажигания / Гортышов Ю.Ф., В.М. Гуреев, И.Ф. Гумеров, А.П. Шайкин // Изв. вузов. Авиационная техника. - 2009. -№4. - С. 73-74.

2. Мисбахов Р.Ш. Улучшение экологических и энергетических характеристик газопоршневых двигателей ОАО «КамАЗ» за счет использования добавок водорода / Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М. // Известия Самарского научного центра РАН специальный выпуск ELPIT 2007 серия «Машиностроение» и «Экология». - 2007. - т. 2. - С. 38-45.

Работы, опубликованные в других изданиях и материалах конференций:

1. Мисбахов Р.Ш. Улучшение экологических и экономических характеристик газопоршневого двигателя КАМАЗ 820.20.200 в составе электросиловой установки АП100С-Т400-1Р / Гуреев В.М., Гумеров И.Ф. //«Энергетика Татарстана». - №2.- 2009.- С. 26-31

2. Мисбахов Р. Ш. Исследование влияния добавок водородного топлива в дизельных двигателях ОАО «КамАЗ» на их экологические и энергетические характеристики / Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Гельманов P.P. // Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности России: Юбилейная международная научная-техническая конференция, посвященная 80-летию Ф.З. Тинчурина, 12-14 декабря 2007 г. - Казань.: 2007 г.

3. Мисбахов Р.Ш. Разработка стенда для исследования влияния добавок водорода в дизельный двигатель ОАО «КАМАЗ» для улучшения его топливной экономичности и экологических показателей 1 Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Гельманов P.P. // Актуальные проблемы энергетики: III международная научно-практическая конференция, 21-23 ноября, 2007 г. - Екатеринбург.: 2007 г.

4. Мисбахов Р.Ш. Исследование влияния добавок водородного топлива в газопоршневых двигателях ОАО «КАМАЗ» на экологические и энергетические характеристики / Гельманов P.P., Гуреев В.М., Гортышов Ю.Ф. // Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности России: Юбилейная международная научно-техническая конференция, посвященная 80-летию Ф.З. Тинчурина, 12-14 декабря 2007 г. - Казань.: 2007 г.

5. Мисбахов Р.Ш. Влияние добавок водорода на топливную экономичность и экологические показатели газового двигателя ОАО «КАМАЗ» /Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., И.Ф. Гумеров, Р.Х Хафизов, А.П. Шайкин, Д.А. Павлов // VIII международный симпозиум «Энергоэффективность и энергосбережение» Казань, 4-6 декабря 2007 г.

6. Мисбахов Р. Ш. Использование водорода как добавки к дизельному топливу на базе двигателей семейства ОАО «КамАЗ» Гортышов Ю.Ф.,

Гуреев В.М., Гельманов P.P. // Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, 10-11 ноября 2006 г. - Казань.:

7. Мисбахов Р.Ш. Теплонасосные установки с приводом от ДВС с использованием нетрадиционных видов топлива. Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Гельманов P.P. // Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, 10-11 ноября 2006 г. - Казань.: 2006 г.

8. Мисбахов Р.Ш. Разработка стенда для исследования характеристик парокомпрессионной теплонасосной установки (ПТНУ) с приводом от ДВС / Гельманов P.P. Гуреев В.М., Гортышов Ю.Ф., // Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности России: Международная научно-техническая конференция, посвященная 80-летию Ф.З. Тинчурина, 12-14 декабря 2006 г. - Казань.: 2006 г.

9. Мисбахов Р.Ш. Концепция создания грузовых автомобилей ОАО «КАМАЗ» на водородном топливе. / Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Мац Э.Б.. // Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, 3-6 ноября 2005 г. - Казань.: 2005 г.

\0.Мисбахов Р.Ш. Алгоритм расчета обратных функций для реальных газов. / Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Мац Э.Б.. // Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, 3-6 ноября 2005 г. -Казань.: 2005 г.

11 .Мисбахов Р.Ш. Расчет термодинамических свойств реальных газов. /Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Мац Э.Б.. // Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, 3-6 ноября 2005 г. -Казань.: 2005 г.

12. Мисбахов Р.Ш. Физико-математическое моделирование высокотемпературных процессов в камерах сгорания ракетных двигателей Гортышов Ю.Ф., Барышева О.Б. // 7 Международная научно-практическая конференция «Люди и космос» г. Днепропетровск.: 2005 г.

2006 г.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ.л. 1,0. Усл.печ.л. 0,93. Уч.-изд.л. 1,03. Тираж 100. Заказ Н88

Типография Издательства Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева 420111 Казань, К. Маркса, 10

Основные обозначения.

Введение.

Глава 1. Анализ эффекта влияния водорода на экологические и экономические характеристики ДВС.

1.1 Перспективы применения водорода в ДВС.

1.2 Образование нормируемых токсических веществ при сгорании топлива в поршневых ДВС с искровым зажиганием.

1.2.1 Выбросы окиси углерода.

1.2.2 Выбросы углеводородов.

1.2.3 Образование и выбросы окислов азота.

1.3 Методы снижения выбросов нормируемых токсичных компонентов в отработавших газах автомобильных двигателей.

1.3.1 Обзор методов снижения продуктов не полного сгорания СНиСО.

1.3.2 Методы снижения выбросов окислов азота МЭх.

1.4 Особенности применения водорода в ДВС.

1.5 Антидетонационная стойкость углеводородного топлива с водородом в качестве катализатора горения.

1.6 Анализ эффективности использования водорода в газовых и дизельных двигателях.

Глава 2. Описание экспериментального стенда, анализ погрешностей измерения и обработки опытных данных, методики экспериментальных исследований.

2.1 Описание конструкции испытательного стенда.

2.2 Методика проведения и обработки результатов испытаний.

2.3 Измерительное оборудование испытательного стенда.

2.4 Оценка погрешностей измерений.

Глава 3. Результаты экспериментальных исследований влияния добавок водорода на экологические и экономические характеристики ДВС и их анализ.

3.1 Экспериментальные исследования влияния добавок водорода на экологические и экономические характеристики газопоршневых двигателей.

3.1.1 Результаты исследований при изменении состава топливовоздушной смеси.

3.1.2 Результаты исследований при изменении нагрузки.

3.1.3 Результаты исследований при изменении угла опережения зажигания.

3.1.4 Оценка показателей токсичности двигателя при добавках водорода.

3.2 Экспериментальные исследования влияния добавок водорода на экологические и экономические характеристики дизельных двигателей.

3.2.1 Оценка влияния добавки водорода на мощностные и экономические показатели дизельного двигателя.

3.2.1.1 Оценка влияния добавки водорода на мощностные показатели дизельного двигателя.

3.2.1.2 Оценка влияния добавки водорода на экономические показатели дизельного двигателя.

3.2.2 Оценка влияния добавки водорода на экологические показатели дизельного двигателя.

3.2.2.1 Продукты неполного сгорания.

3.2.2.2 Выбросы оксида азота Ж)х.

3.3 Сравнительный анализ методов совершенствования показателей двигателя и рекомендации по применению добавок водорода.

3.4 Анализ экономической эффективности применения водородного топлива в автомобильном транспорте.

Глава 4. Оценка экономических и экологических показателей газопоршневых ДВС при их работе на смеси «природный газ-водород».

Создание оптимальной схемы процесса сгорания с использованием водорода в качестве добавки к основному (углеводородному) горючему является предметом исследований, проводимых в настоящее время в ведущих международных научных центрах [99-109]. Данное направление исследований будет оставаться актуальным в обозримой перспективе ввиду экологических преимуществ водорода.

Особое внимание в связи с общей тенденцией роста цен на нефть уделяется исследованию горения и разработке ДВС для обедненных смесей водорода с метаном. Перспективы применения водорода в сочетании с метаном или другим дешевым горючим связаны с существенным улучшением экономических и экологических характеристик ДВС.

В данном случае метан, основная составляющая природного газа, с учетом значительных естественных запасов, развитой инфраструктурой, дешевизной и экологическими преимуществами в сравнении с традиционными видами топлива, выступает в качестве основного топлива. Экологические преимущества метана обусловлены практически отсутствием полициклических ароматических углеводородов, серы, бензола, олефинов и альдегидов в отработавших газах. Вследствие слабой реакционной способности метана низка его склонность к озонообразованию.

Существенным недостатком метана является низкая нормальная скорость горения относительно углеводородных топлив, что проявляется в пропусках воспламенения топливной смеси в камере сгорания двигателя, вызванных ее нестабильным самовоспламенением, особенно на режимах, характеризуемых низкими частотами вращения и нагрузками.

Водород в качестве добавки к основному углеводородному горючему (метану), благодаря уникальным физико-химическим свойствам, позволяет полностью скомпенсировать данный недостаток. Рост количества текущих публикаций по этой тематике подтверждает данный вывод [13-109]. Таким образом, именно исследования процессов горения смесей водорода с углеводородами, особенно с метаном, следует считать приоритетным направлением развития работ по горению применительно к ДВС.

Следует подчеркнуть, что наряду с задачами термодинамики, кинетики и газодинамики горения, возникающими в связи с разработкой тех или иных схем ДВС с использованием водорода, сама по себе проблема выбора наиболее перспективной схемы подачи водорода до сих пор не имеет однозначного решения. Этот выбор в значительной степени определяет постановку конкретных задач, но диктуется он внешними критериями технико-экономического характера.

Главным критерием следует считать минимизацию количества водорода, используемого в качестве добавки к дешевому топливу (природному газу). Известно, что предел эффективности процесса сгорания в ДВС в целом определяется критическими условиями стабильного развития пламени в начальной фазе горения. Следовательно, для расширения предела воспламенения обедненных топливных смесей в ДВС, в первую очередь, необходимо повысить скорость горения очага. На более поздних стадиях развитое пламя может вполне устойчиво и достаточно быстро распространяться в «слабой» смеси [117].

Интерес к исследованиям, посвященным проблемам применения водорода, в последние годы стремительно возрастает в ведущих мировых научных центрах. Особенности частичной замены углеводородного топлива водородом рассмотрены в работах [13-84, 98-109]. Множество исследований было проведено в исследовательских центрах Германии. Широко известны работы, проводимые в Японии, где исследуется применение газообразного и жидкого водорода, а также присадок этого горючего к топливно-воздушной смеси [42, 43, 44, 85, 86]. Аналогичные исследования были проведены в Норвегии, Польше, Франции, Австралии, Индии и т. д. [13-84, 87, 88].

Существенный вклад в развитие направления по применению водорода в ДВС внесли известные российские ученые: В.А.Вагнер, В.А.Звонов, Ю.В.Галышев, А.И.Гайворонский, В.И.Ерохов, Г.Н.Злотин, Н.А.Иващенко, А.А.Капустин, Н.Н.Патрахальцев, А.С.Соколик, В.М.Фомин, А.С.Хачиян, Н.А.Хрипач, А.П.Шайкин и зарубежные ученые Buchner H., Dell R., Lucas G., Bade Shrestha S.O., Karim G.A., Huang Z, Jinhua Wang, Ferran A.Ayala, Inge Saanum и другие.

В настоящее время в МГТУ им. Н.Э. Баумана, ТГУ, МГТУ «МАМИ», СПбГПУ, АлтГУ, ВолгПИ и др. [98-109] проводятся научно-исследовательские работы по исследованию влияния водорода на характеристики ДВС, в основном, экспериментального характера. Большая часть из них посвящена исследованиям характеристик бензиновых и дизельных двигателей. По газовым двигателям экспериментальных материалов недостаточно для создания надежных методик расчета влияния добавок водорода на основные характеристики газового двигателя. Так как в последнее время проводится значительное количество работ по созданию газовых двигателей практически всеми мировыми ведущими производителями ДВС, то данная тематика очень актуальна и представляет большой практический интерес.

В работе поставлены следующие цели и задачи.

Цель работы: улучшение технико-экономических и экологических показателей газовых и дизельных двигателей при работе на обедненных смесях воздействием на процесс сгорания минимальной эффективной массовой доли добавки водорода в TBC, найденной по результатам экспериментальных исследований. Разработка метода определения эффективности применения добавок водорода при работе газового двигателя на пределе устойчивого горения бедных TBC.

Задачи исследований: • экспериментально определить минимальное количество массовой доли водорода в TBC, а также выявить области варьируемых параметров двигателя по частоте вращения вала, нагрузке, коэффициенту избытка воздуха и УОЗ, в которых наблюдается существенное влияние водорода на технико-экономические и экологические показатели газового и дизельного ДВС;

• разработать метод определения эффективности применения водорода при работе газопоршневого двигателя на пределе устойчивого горения на основе безразмерного параметра ß, учитывающего повышение полноты сгорания топлива в присутствии водорода, и безразмерной зависимости нижнего предела устойчивого горения TBC от коэффициента избытка воздуха при добавках водорода;

• разработать рекомендации по использованию добавок водородного топлива в TBC двигателей семейства КамАЗ для улучшения их технико-экономических и экологических характеристик.

Научная новизна исследований.

• Определены области варьируемых параметров двигателя по частоте вращения вала, нагрузке, коэффициенту избытка воздуха и УОЗ, в которых наблюдается существенное влияние минимальной массовой доли добавки водорода в TBC на технико-экономические и экологические показатели газового и дизельного двигателя;

• разработан метод определения эффективности применения водорода при работе поршневого двигателя на пределе устойчивого горения на основе безразмерного параметра ß и безразмерной зависимости нижнего предела устойчивого горения метановодородовоздушной смеси от коэффициента избытка воздуха при добавках водорода.

• Разработаны рекомендации для использования добавок водородного топлива в TBC для двигателей семейства КамАЗ.

Практическая значимость исследований.

• Разработаны практические рекомендации по добавкам водорода в TBC двигателей семейства КамАЗ, позволяющие улучшить их технико-экономические и экологические показатели;

• Полученные эмпирические зависимости повышения полноты сгорания топлива от коэффициента избытка воздуха позволяют определять эффективность работы газопоршнего ДВС при различных добавках водорода в TBC и определить границы экономической целесообразности применения добавок водорода;

• Получены результаты экспериментальных исследований влияния минимальной эффективной массовой доли добавок водорода в TBC на экологические и технико-экономические характеристики газовых и дизельных ДВС семейства КамАЗ, представляющие практическую значимость при их совершенствовании.

Теоретическая значимость исследований.

• разработан метод расчета соотношения "водород-метан" в топливной композиции при работе ДВС по регулировочной характеристике по составу смеси при постоянной мощности и оптимальных углах опережения зажигания на основе безразмерного параметра ß и безразмерной зависимости нижнего предела устойчивого горения TBC от коэффициента избытка воздуха при добавках водорода, который позволяет оценивать эффективность применения водорода при работе газопоршневого двигателя на пределе устойчивого горения.

Реализация результатов работы. Результаты экспериментальных исследований использованы в Научно-техническом центре ОАО «КамАЗ» г. Наб. Челны в процессе доводки газовых и дизельных двигателей семейства КамАЗ. Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Теоретические основы теплотехники» КГТУ им. А.Н. Туполева в лекционном курсе «Энергетический комплекс промышленных предприятий» для специальности «Энергетика теплотехнологий».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждены на научно-технических семинарах НИИ «Энергоэффективных технологий КГТУ им. А.Н. Туполева», кафедр «Теоретические основы теплотехники», «Автомобильные двигатели и сервис»

КГТУ им. А.Н. Туполева и представлены на следующих конференциях: VII Международная научно-практическая конференция «Люди и космос» (Днепропетровск, 2005); Международная молодежная научная конференция «Туполевские чтения» (Казань, 2005-2006); Международная научно-техническая конференция «Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности России» (Казань, 2006-2007); VIII международный симпозиум «Энергоэффективность и энергосбережение», (Казань, 2007) Первый международный экологический конгресс «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» ELPIT 2007 (Тольятти, 2007); III международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (Екатеринбург, 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ. Из них 2 в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 201 наименований. Работа изложена на 165 страницах текста, иллюстрированного 17 таблицами и 72 рисунками.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Экспериментально определено минимальное количество добавок водорода в TBC для газовых двигателей, а также выявлены области варьируемых параметров двигателя по частоте вращения вала, нагрузке, коэффициенту избытка воздуха и УОЗ, в которых наблюдается существенное влияние добавок водорода на технико-экономические и экологические показатели газового двигателя.

2. Выявлено на основании результатов экспериментальных исследований, что влияние добавки водорода на технико-экономические и экологические показатели двигателя максимально эффективно при малых 1 нагрузках и низких оборотах ДВС {Ре < 3 кг/см", п < 1500 мин" ). На режиме холостого хода применение добавок водорода позволило снизить: расход топлива на 29%; выбросы углеводородов СН до 4 раз; оксидов азота NOx до 30%; при и=1500 мин"1: снизить расход топлива до 35%; повысить эффективный КПД до 13%; снизить объем выбросов углеводородов СН до 40%.

3. Экспериментально определено, что добавка водорода в TBC дизельного двигателя в объеме, соответствующем газовому двигателю приводит к снижению выбросов углеводородов до 40 % при практически неизменных значениях выбросов NOx и СО и не оказывает существенного влияния на технико-экономические характеристики ДВС и его эффективный КПД.

4. Получены эмпирические зависимости для параметра, характеризующего повышение полноты сгорания метана в присутствии добавок водорода при соответствующих режимах работы двигателя п = 900 мин"1 и п — 1500 мин"1, представленные в виде формул (3) и (4): a)= 1,64- 2,615 -е a)= 0,998-0,37-е 1 0>б63 J которые позволяют прогнозировать технико-экономические показатели газовых двигателей до пределов устойчивого горения TBC.

5. Разработан метод расчета соотношения "водород-метан" в топливной смеси по регулировочной характеристике ДВС по составу смеси на основе безразмерных параметров ß и у, характеризующих повышение полноты сгорания топлива и границу устойчивого горения TBC, от коэффициента избытка воздуха при добавках водорода, что позволяет оценивать эффективность применения водорода при работе газопоршневого двигателя на пределе устойчивого горения.

6. Разработаны рекомендации для использования добавок водородного топлива в TBC для газовых двигателей семейства КамАЗ.

7. Предложен способ подготовки топливных смесей «метан-водород» в соотношении 96% метана 4% водорода непосредственно на АГЗС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ К РАЗДЕЛУ 3.2

По результатам экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы и рекомендации.

1. В соответствии с программой испытаний получены характеристики двигателя при подаче водорода в TBC, а именно регулировочные характеристики двигателя по составу смеси, нагрузочные характеристики двигателя, УВСХ, а также проведены испытания двигателя по циклу ESC ГОСТ Р 41.49 - 2003 как без добавки водорода, так и с добавкой водорода в количестве Gh = 0,135, Gh = 0,19 и Gh = 0,42 кг/ч.

2. По полученным экспериментальным результатам определены зависимости влияния добавки водорода на мощностные и экономические показатели двигателя, а также установлено влияние водорода на отдельные токсичные компоненты. В частности, получено:

• добавка водорода в принятом диапазоне изменения его расхода, обеспечивающемся системой подачи водорода, не ухудшает мощностные показатели двигателя;

• на исследованных режимах работы двигателя при принятых условиях добавка водорода не оказывает практически значимого влияния на эффективный КПД двигателя;

• анализ результатов экспериментов позволил установить, что расход дизельного топлива подчиняется следующей зависимости:

GHm = Gm- Gh(Huh /Нит), (3.2.2) tr где G т - расход дизельного топлива при добавке водорода в TBC, кг/ч;

Gm — расход топлива без добавки водорода в TBC, кг/ч;

Gh - расход водорода, кг/ч;

Нип, Нит — низшие теплотворные способности водорода и дизельного топлива соответственно. Предложенная зависимость позволяет проводить оценку расхода топлива при использовании добавки водорода с погрешностью 5 %;

• в принятом диапазоне изменения расхода водорода на исследованных режимах добавка водорода оказывает малое влияния на выбросы NOx и СО;

• применение добавки водорода существенно снижает выбросы СН - на отдельных режимах работы двигателя до 40 %;

• результаты испытаний не позволили сделать однозначный вывод о влиянии добавки водорода на выбросы твердых частиц и дымность ОГ, так, в ходе испытания по циклу ESC зафиксировано уменьшение выбросов твердых частиц (Рт) примерно на 30%, в то время как оценка выбросов при добавке водорода на отдельных режимах показывает значительное увеличение Рт.

Ые,лс

300,

Кх,%

20 280.

10. 260.

0. 240.

220.

200

30.

1. С. В. Новоселов. Возможности использования водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. — М. 2007

2. Льотко В., Луканин В.Н., Хачиян А.С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. М.: Изд-во МАДИ (ТУ), 2000. -311с.

3. Марков В.А., Козлов СИ. Топлива и топливоподача многотопливных и газодизельных двигателей. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. - 296 с.

4. Чертков Я.Б. Моторные топлива. Новосибирск: Наука, 1987. - 208 с.

5. Шкаликова В.Н., Патрахальцев Н.Н. Применение нетрадиционных топлив в дизелях. — М.: Изд-во Российского университета Дружбы народов, 1993.-64 с. 1 издание

6. А. И. Гайворонский, В. А. Марков, Ю. В. Илатовский. Использование природного газа и других альтернативных топлив в дизельных двигателях М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. - 480с.

7. Кириллов Н.Г. Альтернативные моторные топлива XXI века //Автогазозаправочный комплекс + альтернативное топливо. 2003. - № 3. -С. 58-63.

8. Природный газ в моторах топливо XXI века, Е. Н. Пронин, Транспорт на альтернативном топливе №2 2008 г. стр. 9-12

9. Перспективные автомобильные топлива.: Пер. с англ. М.: Транспорт, 1982.-319 с.

10. Bauer CG, Forest TW. Effect of hydrogen addition on the performance of methane-fueled vehicles. Part I: effect on S.I. engine performance. Int J Hydrogen Energy 2001; 26(l):55-70.

11. Akansu S., Dulger Z., Kahraman N., et al. Internal combustion engines fueled by natural gas-hydrogen mixtures. Int J Hydrogen Energy 2004;29(14):1527-39.

12. Bysveen M. Engine characteristics of emissions and performance using mixtures of natural gas and hydrogen. Energy 2007; 32(4):482-9.

13. Sita Rama Raju AV, Ramesh A, Nagalingam B. Effect of hydrogen induction on the performance of a natural-gas-fuelled lean-burn SI engine. J Inst Energy 2000; 73(496): 143-8!

14. Bell SR, Gupta M. Extension of the lean operating limit for natural gas fueling of a spark ignited engine using hydrogen blending. Combust Sci Technol 1997; 123 (l-6):23-48.

15. Phillips JN, Roby RJ. Hydrogen-enriched natural gas offers economic NOx reduction alternative. Power Eng (Barrington, Illinois) 2000; 104(5):3.

16. Yu G, Law CK, Wu CK. Laminar flame speeds of hydrocarbon an air mixtures with hydrogen addition. Combust Flame 1986; 63(3):339^47.

17. Halter F, Chauveau C, Djeballi-Chaumeix N, et al. Characterization of the effects of pressure and hydrogen concentration on laminar burning velocities of methane-hydrogen-air mixtures. Proc Combust Inst 2005;30:201-8.

18. Di Sarli V, Di Benedetto A. Laminar burning velocity of hydrogen-methane/air premixed flames. Int J Hydrogen Energy 2007;32(5):637—46.

19. Sankaran R, Im HG. Effects of hydrogen addition on the Markstein length and flammability limit of stretched methane/air premixed flames. Combust Sci Technol 2006; 178(9): 1585-611.

20. Schefer RW. Hydrogen enrichment for improved lean flame stability. Int J Hydrogen Energy 2003; 28(10): 1131-41.

21. Choudhuri AR, Gollahalli SR. Stability of hydrogen/hydrocarbon blended fuel flames. J Propul Power 2003; 19(2):220-5.

22. Cozzi F, Coghe A. Behavior of hydrogen-enriched non-premixed swirled natural gas flames. Int J Hydrogen Energy 2006; 31(6):669-77.

23. Choudhuri Ahsan R, Gollahalli Subramanyam R. Laser induced fluorescence measurements of radical concentrations in hydrogen-hydrocarbon hybrid gas fuel flames. Int J Hydrogen Energy 2000; 25(11):1119-27.

24. Katoh A, Oyama H, Kitagawa K, et al. Visualization of OH radical distribution in a methane-hydrogen mixture flame by isotope shift/planar laser induced fluorescence spectroscopy. Combust Sci Technol 2006; 178(12):2061—74.

25. Naha S, Briones AM, Aggarwal SK. Effect of fuel blends on pollutant emissions in flames. Combust Sci Technol 2005; 177(1): 183-220.

26. Gauducheau J. L, Denet B, Searby G. A numerical study of lean CHrH2-air premixed flames at high pressure. Combust Sci Technol 1998; 137(1—6):81—99.

27. Jackson GS, Sai R, Plaia JM, et al. Influence of H2 on the response of lean premixed CH4flames to high strained flows. Combust Flame 2003; 132(3):503-11.

28. Abdel-Gayed, R., Bradley, D., and Lawes, M., "Turbulent Burning Velocities: A General Correlation in Terms of Straining rates", Proc. R. Soc. Lond. A, Vol. 414, pp. 389-413 (1987).

29. Aldredge, R. C., Vaezi, V., and Ronney, P. D., "Premixed Flame Propagation in Turbulent Taylor-Couette Flow", Combust. Flame, Vol. 115, pp. 395-405 (1998).

30. Bade Shrestha, S. O., and Karim, G. A., "Hydrogen as an Additive to Methane for Spark Ignition Engine Application", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 24, pp. 577-586 (1999).

31. Bauer, C. G., and Forest, T. W., "Effect of Hydrogen Addition on the Performance of Methane-Fueled Vehicles. Part I: Effect on S.I. Engine", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 26, pp. 55-70(2001).

32. Bauer, C. G., and Forest, T. W., "Effect of Hydrogen Addition on the Performance of Methane-Fueled Vehicles. Part II: Driving Cycle Simulations", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 26, pp. 71-90 (2001).

33. Bedat, B., and Cheng, R. K., "Experiment Study of Premixed Flames in Intense Isotropic Turbulence", Combust. Flame, Vol. 100, pp. 485-494 (1995).

34. Bell, S. R., and Gupta, M., "Extension of the Lean Operating Limit for Natural Gas Fueling of a Spark Ignited Engine Using Hydrogen Blending", Combust. Sci. Tech, Vol. 123, pp. 23-48 (1997).

35. Bradley, D., "How Fast Can We Burn?", Proc Combust. Inst, Vol. 24, pp. 247-262(1992).

36. Damkohler, G., "The Effect of Turbulence on the Flame Velocity in Gas mixtures", Z. Elektrchem, Vol. 46, pp. 601-652 (1940) (Englisgh translation NASA Tech. Mem., Vol. 1112, 1947).

37. E1-Sherif, S. A., "Control of Emissions by Gaseous Additives in Methane-Air and Carbon Monoxide-Air Flames", Fuel, Vol. 79, pp. 567-575 (2000).

38. Gauducheau, J. L., Benet, B., and Searby, G. A., "A Numerical Study of Lean CH4/H2/Air Premixed Flames at High Pressure", Combust. Sci. Tech, Vol. 137, pp. 81-99(1998).

39. Heywood, J. B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hil, New York (1988).

40. Karbasi, M., and Wierzba, I., "The Effects of Hydrogen Addition on the Stability Limits of Methane Jet Diffusion Flames", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 23, pp. 123-129 (1998).

41. Kido, H., Huang, S., Tanoue, H., and Nitta, T., "Improving The Combustion Performance of Lean Hydrocarbon Mixtures by Hydrogen Addition", JSME Review., Vol. 15, pp. 165-167(1994).

42. Shy, S. S., Lin, W. J., and Wei, J. C., "An Experimental Correlation of Turbulent Burning Velocities for Premixed Turbulent Methane-Air Combustion", Proc. R. Soc. Lond. A, Vol. 456, pp. 1997-2019 (2000c).

43. Swain, M. R., Yusuf, M. J., Dulger, Z., and Swain, M. N., "The Effect of Hydrogen Addition on Natural Gas Engine Operation", SAE Paper 932275, pp 1592-1600(1993).

44. Tseng, C. J., "Effects of Hydrogen Addition on Methane Combustion in a Porous Medium Burner", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 27, pp. 699-707 (2002).

45. Nakahara, M., and Kido, H., "A Study of the Premixed Turbulent Combustion Mechanism Taking the Preferential Diffusion Effect into Consideration", Memoirs of the Faculty of Engineering, Kyushu University, Vol. 58 No.2, pp. 55-82 (1998).

46. Shy, S. S., I, W. K., and Lin, M. L., "A New Cruciform Burner and Its Turbulence Measurements for Premixed Turbulent Combustion Study", Experimental Thermal and Fluid Sci., Vol. 20, pp. 105-114 (2000a).

47. Allenby, S.; Chang, W.-C.; Megaritis, A. Hydrogen enrichment: a way to maintain combustion stability in a natural gas fuelled engine with exhaust gas recirculation, the potential of fuel reforming. Proc. Inst. Mech. Eng., Part D 2001, 215 (3), 405-418.

48. Wong, Y. K.; Karim, G. A. An analytical examination of the effects f hydrogen addition on cyclic variations in homogeneously charged Compression ignition engines. Int. J. Hydrogen Energy 2000, 25, 1217- 224.

49. Karim, G. A., Wierzba, I., and Al-Alousi, Y., "Methane-Hydrogen Mixtures as Fuels", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 21, pp. 625-631 (1996).

50. Karim, G. A.; Wierzba, I.; Al-Alousi, Y. Methane-hydrogen mixtures s fuels. Int. J. Hydrogen Energy 1996, 21 (7), 625-631.

51. Bade Shrestha, S. O., and Karim, G. A., 2006, "The Operational Mixture Limits in Engines Fuelled by Alternative Gaseous Fuels" ASME Journal of Energy Resources Technology, Vol. 128, No. 3, pp223-228.

52. Bade Shrestha, S. O., and Karim, G. A., 2005, "The Operational Mixture Limits in Engines Fuelled with Alternative Gaseous Fuels", ICES2005-1087, ASME Internal Combustion Engine Division, Spring Technical Conference, Chicago, IL, April 5-7, 2005

53. Bade Shrestha, S. O., and Karim, G. A., 2001, "Considering the Effects of Cyclic Variations When Modeling the Performance of a Spark Ignition Engine", SAE Paper No. 2001-01-3600, Modelling Techniques for Diesel and SI Engines (SP-1648)

54. Bade Shrestha, S. O. and Karim, G. A., 2001, "Predicting the effects of the presence of diluents with methane on spark ignition engine performance", Applied Thermal Engineering, Vol. 21 (2001), pp 331-342.

55. Bade Shrestha, S. O. and Karim, G. A., 2001 " An Experimental and Analytical Examination of the Combustion Period for Gas Fuelled Spark Ignition Engine Applications", Journal of Power and Energy, Vol. 215 No. Al, London, UK.

56. Bade Shrestha, S. O., Karim, G. A. and Wierzba, I, 2000, "Examination of Operational Limits in Gas Fueled Spark Ignition Engines", SAE Paper No. 2000-01-1944, Combustion in SI Engines 2000 (SP-1549).

57. Bade Shrestha, S. O. and Karim, G. A., 1999, "A Predictive Model for Gas Fueled Spark Ignition Engine Applications", SAE Paper No. 1999-01-3482, Modelling and Diagnostics in SI Engines (SP-1481).

58. Bade Shrestha, S. O. and Karim, G. A., 1999, "Hydrogen as Additive to Methane for Sparking Ignition Engine Applications", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 24, No. 6, pp 577-586.

59. Hoekstra, R. L.; Collier, K.; Mulligan, N. Experimental study of clean burning vehicle fuel. Int. J. Hydrogen Energy 1995, 20 (9), 737- 45

60. Sierens, R.; Rosseel, E. Variable composition hydrogen/natural gas mixtures for increased engine efficiency and decreased emissions. J. Eng. Gas Turbines Power 2000, 122 (1), 135-140

61. Hoekstra, R. L., Blaarigan, P. V., and Mulligan, N., "NOx Emissions and Efficiency of Hydrogen, Natural Gas, and Hydrogen/Natural Gas Blended Fuels", SAE Paper 961103, pp. 761-773 (1996).

62. Jinhua Wang, Zuohua Huang Characteristics of direct injection combustion fuelled by natural gas-hydrogen mixtures using a constant volume vessel Int. J. Hydrogen Energy 33 (2008) 1947- 1956

63. Huang Z, Zhang Y, Zeng K, et al. Measurements of laminar burning velocities for natural gas-hydrogen-air mixtures. Combust Flame 2006; 146(1—2):302—l 1.

64. Huang Z, Wang J, Liu B, et al. Combustion characteristics of a direct-injection engine fueled with natural gas-hydrogen mixtures. Energy Fuels 2006; 20(2):540-6.

65. Huang Z, Wang J, Liu B, et al. Combustion characteristics of a direct-injection engine fueled with natural gas-hydrogen blends under various injection timings. Energy Fuels 2006; 20(4): 1498-504.

66. Huang Z, Wang J, Liu B, et al. Combustion characteristics of a direct-injection engine fueled with natural gas-hydrogen blends under different ignition timings. Fuel 2007; 86(3):381—7.

67. Huang Z, Shiga S, Ueda T, et al. Effect of fuel injection timing relative to ignition timing on the natural-gas direct-injection combustion. J Eng Gas Turbines Power 2003; 125(3):783-90

68. Jennifer A. Topinka. Knock Behavior of a Lean-Burn, Hydrogen-Enhanced Engine Concept Massachusetts Institute of Technology, 2003. h Varde, K. S. Varde, K. S.,

69. Inge Saanum «Experimental study of hydrogen as a fuel additive in combustion engines» 2008-01-15 The Norwegian University of Science Technology

70. Моторные топлива: M.: Транспорт, 1982. 249 с.

71. Bulban I. Е. NASA to test Hydrogen-Enriched Fuel. Aviation week and. Technology, 1985, v. 103, N18, p.p.46-48

72. Hulet I. F. Perfomance of a hydrogen noble gas engine. Int J. Hydrogen Hll 1980 p. p. 439-452

73. Ozaki, S.; Korematsu, K. Study on the emission control of gasoline engirt^ hydrogen addition Journal of Mechanical Engineering Laboratory (May vol.32, no.3, p. 117-26, 6 refs.

74. Bysveen, M. (Dept. of Energy & Process Technol., Norwegian Univ. of Techniology, Norway) Engine characteristics of emissions and performanc mixtures of natural gas and hydrogen Energy (April 2007), vol.32, no.4, p. 18 refs.

75. Генкин К. И. Газовые двигатели. -М,: Машиностроение, 1987. 193 с.

76. Воинов А. В. Сгорание в быстроходных поршневых двигате. М.: Машиностроение, 1987.-276 с.

77. Варшавский И. JI. Гашение детонации обеднением смеси двигателя на бензо-воздушных и водородно-воздушных смесях. Защита воздушного бассейна от загрязнения токсичными транспортных средств. т. 1, Харьков: 1987 с. 83-92

78. Соколик А. С. Самовоспламенение, пламя и детонации в газах 428 с.

79. Смаль Ф. В., Арсенов Е. Е. Перспективные топлива для автом М.: Транспорт, 1989. -150 с.

80. Van BP, Keller JO. A hydrogen fuelled internal combustion engine design single speed/power operation. Int J Hydrogen Energy 1998; 23(7):603-9.

81. Талда Г. Б. Повышение топливной экономичности и снижение токсин бензиновых двигателей добавкой водорода к бензину //Автора диссертации к. т. н., Харьков, 1984

82. Вагнер В. А. Основы теории и практика использования альтернативных топлив в дизелях //Автореферат диссертации д. т. н. АлТГУ — Барнаул, 1995 г.

83. Белогуб А. В. Разработка и исследование топливной аппаратуры для ДВС, работающих на смеси бензина с водородом //Автореферат диссертации к. т. н., Москва, 2007

84. Ивашин Павел Валентинович. Зависимость концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах бензиновых ДВС от скорости распространения пламени и ионного тока //Автореферат диссертации к. т. н., ТГУ. Тольятти, 2004

85. Сидоров М. И. Метод улучшения показателей работы дизеля подачей на впуск водородосодержащего газа //Автореферат диссертации к. т. н. Москва, 2006

86. Павлов Денис Александрович. Снижение выбросов углеводородов на режимах пуска и прогрева бензинового двигателя добавкой водорода в топливовоздушную смесь //Автореферат диссертации к. т. н., ТГУ. Тольятти, 2005

87. Смоленский Виктор Владимирович. Особенности процесса сгорания в бензиновых двигателях при добавке водорода в топливно-воздушную смесь //Автореферат диссертации к. т. н., ТГУ. Тольятти, 2007

88. Коломиец П. В. Влияние скорости распространения пламени на выделения оксидов азота при добавке водорода в бензиновые двигатели //Автореферат диссертации к. т. н., ТГУ. Тольятти, 2007

89. Раменский А.Ю. Исследование рабочих процессов автомобильного двигателя на бензино-водородных топливных композициях //Автореферат диссертации к. т. н. Москва 1982

90. Вагнер В. А. Улучшение экономических и экологических характеристик дизелей методом насыщения жидкого топлива водородом. //Автореферат диссертации к. т. н., АлТГУ. Барнаул, 1984

91. Галышев Ю. В. Конвертирование рабочего процесса транспортных ДВС на природный газ и водород //Автореферат диссертации д. т. н., СПбГТУ. -Санкт Петурбург 2010

92. Анализ перспективы создания водородных двигателей, Ю. В. Галышев, международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология №2, 2005»

93. Шкаликова В.Н., Патрахальцев H.H. Применение нетрадиционных топлив в дизелях. М.: Изд-во РУДН, 1993. - 64 с. 2 издание

94. Wegrzyn J., Gurevich М. Liquefied Natural Gas for Trucks and Buses // SAE Technical Paper Series. 2000. - № 2000-01-2210. - P. 1-6.

95. Двигатели внутреннего сгорания: Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей / A.C. Орлин, Д.Н. Вырубов, В.И. Ивин и др.; под ред. A.C. Орлина. М.: Машиностроение, 1971. - 400 с.

96. Гуреев A.A., Азев B.C., Камфер Г.М. Топливо для дизелей. Свойства и применение. — М.: Химия, 1993. 336 с.

97. Зайдман В.Л., Карпусенко В.В. Перспективы использования водорода и аммиака в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания /

98. Сб. «Физические методы исследования биологических объектов». — М.: МФТИ, 1981.-С 36-41.

99. Природный газ как моторное топливо на тракторе / Ф.Г. Гайнуллин, А.И. Гриценко, Ю.Н. Васильев и др. М.: Недра, 1986. -255 с.

100. В.П. Карпов, А.С. Бетев. Турбулентное горение ДВС с искровым зажиганием. М. 2007

101. Sholte T.G., Vaags Р.В. Burning velocities of mixtures of hydrogen, carbon monoxide and methane with air // Combust. Flame. 1959. V. 3. P. 511-524.

102. Б. E. Гельфанд, О. E. Попов, Б. Б. Чайванов. Водород: параметры горения и взрыва. М: ФИЗМАТЛИТ, 2008 288 с.

103. Bowman СТ., Frenklach M., Gardiner W.R., Smith G. The GRI3.0 Chemical Kinetic Mechanism. 1999. http://www.me.berkeley.edu/gri mech/

104. Compression Ratio Influence on Maximum Load of a Natural Gas Fueled HCCI Engine // J.-O. Oldsson, P. Tunestal, B. Johansson, S. Fiveland, R. Agama, M. Willi, D. Assanis. SAE Technical Series 2002-01-0111, 2002.

105. Ren J.Y., Qin W., Egolfopoulos F.N., Tsotsis T.T. Strain-rate effects on hydrogen-enhanced lean premixed combustion // Combust. Flame. 2001. V. 124. P. 717-720.

106. Lewis B. Selected Combustion Problems (AGARD), Butterworths, Lond., 1959. p. 117.

107. Strehlow R.P. Fundamentals of Combustion. Intern. Textbook Company, Scranton, PA, 1968.

108. Drell /., Belles F. Survey of Hydrogen Combustion Properties / NACA Rep. 1383, 1958.

109. Wierzba I., Kilchyk V. Flammability limits of hydrogen-carbon monoxide mixtures at moderately elevated temperatures // Int. J. Hydrogen Energy. 2001. V.26. P. 639-643.

110. Wierzba 7, Ale B.B. Rich flammability limits of fuel mixtures involving hydrogen at elevated temperature // Int. J. Hydrogen Energy. 2000. V. 25. P. 75-80.

111. Karim G.A., Wierzba 7, Boon S. Some considerations of the lean flammability limits of mixture involving hydrogen // Int. J. Hydrogen Energy. 1985. V. 10. P. 117-123.

112. Wierzba I., Karim G.A., Cheng H. The rich flammability limits of fuel mixtures containing hydrogen // American Inst, of Chemical Engineers. 1986. V 82. P. 251.

113. Wierzba I., Wang Q. The flammability limits of H2-CO-CH4 mixtures in air at elevated temperatures // Int. J. Hydrogen Energy. 2006. V 31. P. 485-489.

114. Басевич В. Я., Когарко С. М. Промотирование горения физика горения и взрыва.-М., 1969. -С. 99-105.

115. Вишневский А.Е. Гуссак JI.A., Семаков И.Б. Программирование горения углеродно-воздушных смесей // Докл.АН СССР,- 1977 №2,-С 363-365.

116. Канило П.М. Токсичность ГТД и перспективы применения водорода.-Киев: Наукова думка, 1982 140 с.

117. Смаль Ф.В., Аксенов ЕЕ Перспективные топлива для автомобилей.-М.: Транспорт, 1979. 151 с.

118. Эномото К. Воспламеняемость смеси водорода с воздухом // 1982,-№ 321.-С. 378-384

119. Al-Khishali K.J., Bradley D., Hall S.F. Turbulent Combustion of Near-Limit Hydrogen-Air Mixtures // Combust. Flame. 1983. V. 54. P. 61-70.

120. D.R. Lancaster, R.B. Krieges, S.C. Sorenson, W.L. Hull. Effects of Turbulence on Spark Ignition Engine Combustion. — SAE 760160.

121. Lewis В., von Elbe G. Combustion. Flames and Explosion of Gases — Third ed., Acad. Press, Orlando, FL. 1987. 739 p. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах / Перевод с англ. — М.: Мир, 1968. 592 с.

122. Астахов И. В., Трусов В. И., Хачиян А. С. и др. Подача и распыливание топлива в дизелях М: Машиностроение 1971 — 359 с.

123. Danies L. P. A., Bindon J. P. Mainfold explosions and other combustion phenomeno in a low speed hydrogen fuelled spark ignition Engine. The suo south African mechanical engineer, vol. 26, Sanuary 1976 1118

124. Магидович Л.Е., Румянцев B.B., Шабанов А.Ю. Особенности тепловыделения и рабочего процесса дизеля, работающего с добавками водорода: Двигателестроение.-1983.- №9.- с.7-9.

125. Вагнер В.А., Синицын В.А., Батурин С.А. «Снижение сажевыделения и радиационной теплоотдачи» // Двигателестроение.-1985, №8.-С. 11-13

126. Вагнер В.А., Матиевский «Осуществление добавки водорода к топливу и ее влияние на показатели работы дизеля» // Двигателестроение.-1985.- №2.-С. 11-13.

127. А.С. Хачиян, В.Ф. Водейко. Использование водорода в качестве моторного топлива для автомобильных двигателей внутреннего сгорания. «Транспорт на альтернативном топливе» № 3 2008 г.

128. Kiesgen G., Kliiting М., Bock С., Fischer Н. Новый 12-цилиндровый водородный двигатель. Начался век применения водорода в ДВС. Журнал SAE, март 2006.

129. Enke W., Gruber М., Hecht L., Staar В. Двухтопливный V-образный 12-цилиндровый двигатель на водороде легкового автомобиля БМВ. Журнал MTZ 061, 2007. С. 446-453.

130. Вагнер В.А., Новоселов А.Л., Лоскутов А.С. Снижение дымности дизелей / Алт. краев, правление Союза НИО СССР Барнаул: Б.и., 1991-140 с.

131. Скородинский И. В., Стечкин В. С., Генкин К. Н., Золотаревский В. С. Индикаторная диаграмма, динамика тепловыделения и рабочий цикл быстроходного поршневого двигателя -М: Машиностроение

132. Хмельницкий А. П. Анализ теоретического цикла газового двигателя -М: Машиностроение

133. Дж. Фогельсон Водород в качестве топлива для двигателей — М: Транспорт, 1982.- 320 с.

134. Мищенко А.И. Применение водорода для автомобильных двигателей / Киев.: Наука думка, 1984.

135. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений.

136. Новицкий П.В. Оценка погрешностей результатов измерений / П.В. Новицкий, И.А. Зограф; JL: Энергоавтомиздат, Ленинград, отделение. -1985

137. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Изд. 3-е, перераб. и доп. JL, «Машиностроение», 1975.

138. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания / В.А. Звонов. Изд. 2-е перераб. - М.: Машиностроение. - 1981.

139. Определение соотношения бензин-водород для обеспечения устойчивой работы поршневого ДВС на бедных смесях/ Л.Н. Бортников и др.; Сборник СГАУ вып. 3. 2000.

140. Русаков М.М. Пределы стабильного сгорания обедненных бензовоздушных смесей в ДВС при различных способах интенсификации / М.М. Русаков и др.; Сборник трудов XI симпозиума по горению и взрыву. 1996.

141. Двигатели внутреннего сгорания: учебник для втузов по спец. «двигатели внутреннего сгорания» / Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. Изд. 4-е -перераб. и доп. — М.: Машиностроение. — 1984.

142. Химия горения: перевод с англ. / Под ред. М.Л. Гардинера. М.: Мир. — 1988.

143. Гамбург Д.Ю. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: справ. Изд. / Д.Ю. Гамбург, В.П. Семенов, Н.Ф. Дубовкин, Л.Н. Смирнова. Под ред. Д.Ю. Гамбурга, Н.Ф. Дубовкина. -М.: Химия. -1989.

144. Исследование рабочего процесса двигателя ВАЗ-2111 с добавкой водорода: отчет о НИР/ ТолПИ, АО АВТОВАЗ. 2000. - № 01.20.0004377.

145. Бортников Л.Н. Некоторые особенности горения бензоводородовоздушной смеси в цилинре ДВС. Физика горения и взрыва, №4, 2007.

146. Sanders S.T., Kim Т., Gas Temperature Measurements During Ignition in an HCCI Engine. SAE Paper 2003-01 -0744, 2003.

147. Kraft M., Bhave A. Numerical Analysis a Natural Gas Fuelled HCCI Engine with Exhaust Gas Recirculation, Using a Stochastic Reactor Model. Mauss Cambridge Center for Computational Chemical Engineering, Preprint № 8 ISSN 1473-4273, 2003.

148. Л.Н. БОРТНИКОВ, M.M. РУСАКОВ Оценка экономических и экологических показателей поршневых две с искровым зажиганием при их работе на смеси "бензин—водород" Автомобильная промышленность 2008 №3 стр. 11-13

149. Асмус Т.У. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями / Т.У. Асмус, К. Бргннакке и др.; под ред. Д.Хиллиарада, Дж.С. Спрингера; перевод с англ. Васильева; под ред. А.В. Кострова. М.: Машиностроение, 1988.

150. Колчин А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: учебное пособие для вузов / А.И. Колчин, В.П. Демидов. Изд. 2-е перераб. и доп. - М.: Высш. Школа. -1980.

151. Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени; перевод с англ. Ю.Ф. Дитикина. — Машиностроение. — 1981.

152. Основы горения углеводородных топлив; перевод с англ. под ред. Л.И. Хитрина и А.И. Попова. Изд. иностр. литературы. - 1960.

153. Simon D.M. Fourth Symposium (International) on combustion / Simon D.M., Belles F.E., Spakowski A.E.; p. 126-138, Baltimore. 1953. См. 4-ый симпозиум (международный) по вопросам горения и детонационных волн: оборонгаз с. 100.- 1958.

154. Зельдович Я.Б. Теория горения и детонации газов / Я.Б. Зельдович; М.: АН СССР.- 1954.

155. Borland, М. and Zhao, F. (2002) Application of Secondary Air Injection for Simultaneously Reducing Converter-In Emissions and Improving Catalyst Light-Off Performance. SAE Technical Paper No. 2002-01-2803.

156. Синяк Ю.В., В. Ю. Петров прогнозные оценки стоимости водорода в условиях его централизованного производства // Проблемы прогнозирования. 2007. №3.

157. ExternE Externalities of Energy. A Research Project of the EC, vol. 1-10, 1995-2005, www.externe.info/publications.html

158. National Vision of America's Transition to a Hydrogen Economy — to 2030 and Beyond? February 2002, US DOE.

159. European Hydrogen & Fuel Cell. Technology platform. Implementation Plan. -Status 2006, Implementation Panel, March 2007.

160. Joint Technology Initiative on Fuel Cells and Hydrogen, Brussels, 28 March, 2007.

161. Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project, www.jhfc.jp/data/ pamphlet/pdf/pamphlet.pdf

162. Синяк Ю.В., Перспективы применения водорода в системах децентрализованного электро- и теплоснабжения// Проблемы прогнозирования. 2007. №3.

163. Hydrogen Production & Distribution, IEA Energy Technology Essentials, April 2007, http://www.iea.org/Textbase/techno/essentials5.pdf

164. Lipman T. What Will Power the Hydrogen Economy? Present and Future Sources of Hydrogen Energy, Energy and Resources Group, July 12, 2004, http://rael.berkeley.edu/files/2004/Lipman-NRDC-Hydrogen-Economy-2004.pdf

165. Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П., Кулешов Г.Г. Введение в водородную энергетику. М.: Энергоатомиздат, 1984.

166. Schultz К., Use of the Modular Helium Reactor for Hydrogen Production, World Nuclear Association Annual Symposium, London, 3-5 September 2003. http://www.world-nuclear.org/sym/2003/pdfschultz.pdf

167. Некрасов A.C., Синяк Ю.В. Перспективы развития топливно-энергетического комплекса России на период до 2030 года // Проблемы прогнозирования. 2007. № 4.

168. Levene М., Mann К., Margolis R., Milbrandt A. An Analysis of Hydrogen Production from Renewable Electricity Sources, Preprint J.I. National Renewable Energy Laboratory Prepared for ISES 2005 Solar World Congress Orlando, Florida August 6-12, 2005.

169. Simbeck D., Chang E., Hydrogen Supply: Cost Estimate for Hydrogen Pathways. Scoping Analysis, SFA Pacific, Inc. Mountain View, California, January 22, 2002 July 22, 2002, http://www.nrel.gov/docs/fy03osti/32525.pdf

170. Amos W. Costs of Storing and Transporting Hydrogen, National Renewable Energy Laboratory, November 1998, http://wwwl.eere.energy.gov/ hydrogenandfuelcells/pdfs/25106.pdf

171. Henderson B. The Experience Curve. 1974. https://gsbapps.stanford.edu/ researchpapers/library/RP641 .pdf

172. Annual Energy Outlook 2007 with Projections to 2030, DOE/EIA, Energy Information Administration, U.S. Department of Energy, February 2007, http://www.eia.doe.gov/oiaf/aeo/pdf/notes&sources.pdf

173. Oil & Gas Journal Online. 2007, http://www.ogj.com/

174. Lovins A. Twenty Hydrogen Myths, Rocky Mountain Institute, 20 June 2003, http://www.rmi.org/images/other/Energy/E03-0520HydrogenMyths.pdf

175. Tawfik H. Hydrogen Economy & (РЕМ) Fuel Cells, Institute for Manufacturing Research, September 2003, http://www.ieee.li/pdf/viewgraphs fuelcell.pdf

176. Padry C.E.G. and Putsche V. Survey of the Economics of Hydrogen Technologies, NREL, September 1999, http://wwwl.eere.energy.gov/ hydrogenandfuelcells/pdfs/27079.pdf

177. Ogden J., Nitsch J. Solar hydrogen. In: T. B. Johansson et al., Renewable Energy: Sources for Fuels and Electricity, Washington D.C.: Island Press, 1993.

178. U. S. Department of Energy, http://www.energy.gov/