Моделювання згоряння водню в двигунах внутрішнього згоряння автомобільного транспорту

Abstract

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.