Моделювання згоряння водню в двигунах внутрішнього згоряння автомобільного транспорту

Колодницька, Р.В.; Kolodnytska, R.V.

Моделювання згоряння водню в двигунах внутрішнього згоряння автомобільного транспорту

Колодницька, Р.В.; Kolodnytska, R.V.

URI: https://eztuir.ztu.edu.ua/123456789/9149

Дата: 2026

Анотація:

Шкідливі викиди від автомобільного транспорту, що споживає викопні палива, спонукає людство використовувати альтернативні палива. Україна розглядається як перспективний виробник «зеленого водню», тобто водню, який виробляється з води шляхом електролізу і використовує для цього електрику з відновлюваних джерел. Водень, як джерело енергії для автомобільного транспорту, може використовуватися різними способами: для автомобілів з ДВЗ, для якого водень є моторне паливо; для автомобілів з паливними комірками, які перетворюють хімічну енергію водню безпосередньо в електрику та тепло. Оскільки в сучасних автомобілях водневі паливні комірки працюють за температури приблизно 80 ℃, єдиними побічними продуктами є водяна пара та тепло. Двигуни з запалюванням від стиснення мають обмеження щодо роботи на водневому паливі. Температура стиснення в цих двигунах недостатньо висока для початку згоряння водню. Існує кілька викликів при впровадженні водневих двигунів, зокрема викиди NOx, які залежать від робочих граничних умов. EGR є одним із ефективних методів зниження рівня NOx. Традиційний EGR не підходить для водневого ДВЗ. Тому важливо вивчати вплив гарячого EGR на згоряння водню в ДВЗ. Метою даної роботи є моделювання згоряння водню в ДВЗ автомобільного транспорту з врахуванням EGR. Для цього були проаналізовані фізичні властивості водню, включаючи його теплоємність та ентальпію. Водень має суттєві відмінності порівняно з поширеними вуглеводнями: високий рівень вивільнення енергії на одиницю маси, дуже високу дифузійність та високу реактивність. Були проаналізовані рівняння збереження маси, збереження енергії і збереження складових частин, які використовуються для моделювання згоряння водню в ДВЗ в програмному середовищі Cantera. Було виконано моделювання викидів оксидів азоту в залежності від EGR та ступеню стиску. Було виявлено, що викиди оксидів азоту при роботі ДВЗ на водні за різних температур мають експоненціальну залежність від відсотку EGR. Хоча EGR сильно знижує NOx це призводить до суттєвих втрат енергії, особливо при підвищеній температурі. Оптимальна зона знаходиться при помірному EGR (5–10 %), де NOx ефективно знижується, але це відбувається при втраті потужності.

Анотація (англ.):

Harmful emissions from road transport consuming fossil fuels encourage humanity to use alternative fuels. Ukraine is seen as a promising producer of «green hydrogen», i.e. hydrogen, which is produced from water by electrolysis and uses electricity from renewable sources for this. Hydrogen, as an energy source for road transport, can be used in different ways: for cars with internal combustion engines, for which hydrogen is a motor fuel; for vehicles with fuel cells that convert hydrogen chemical energy directly into electricity and heat. Since hydrogen fuel cells operate at around 80 °C in modern cars, the only by-products are water vapor and heat. Compression-ignition engines have limitations on hydrogen fuel. The compression temperature in these engines is not high enough to start hydrogen combustion. There are several challenges in the implementation of hydrogen engines, in particular NOx emissions, which depend on operating conditions. EGR is one of the effective methods of lowering NOx levels. Traditional EGR is not suitable for hydrogen internal combustion engines. Therefore, it is important to study the effect of hot EGR on hydrogen combustion in internal combustion engines. To do this, the physical properties of hydrogen, including its heat capacity and enthalpy, were analyzed. Hydrogen has significant differences compared to common hydrocarbons: high levels of energy release per unit mass, very high diffusion, and high reactivity. The equations of mass conservation, energy conservation and conservation of constituent parts used to simulate hydrogen combustion in internal combustion engines in the Cantera software environment were analyzed. Modeling of nitrogen oxide emissions depending on EGR and compression ratio was performed. It was found that nitrogen oxide emissions during the operation of internal combustion engines on hydrogen at different temperatures have an exponential dependence on the percentage of EGR. Although EGR greatly reduces NOx, it leads to significant energy losses, especially at elevated temperatures. The optimal zone is at moderate EGR (5–10 %), where NOx is effectively reduced, but this occurs when power is lost.

Показати повний опис матеріалу