Снижение концентрации оксидов азота в отработавших газах водородного двигателя, работающего на обедненной смеси

Во введении обоснована актуальность проведения работ, направленных на
снижение концентрации оксидов азота в отработавших газах водородного двига-
теля, работающего на обедненной смеси. Обоснована актуальность, научная но-
визна и практическая ценность работы, дана общая характеристика диссертации.
В первой главе диссертации проведен анализ работ, посвященных пробле-
мам снижения концентрации оксидов азота в отработавших газах водородного
двигателя. Отмечена актуальность использования водорода в качестве топлива в
ДВС. Рассмотрены особенности рабочего процесса водородного двигателя с
внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием. Проанализиро-
ваны работы по методам уменьшения количества образования NOx в камере сго-
рания водородных двигателей. Перспективность работ, направленных на сниже-
ние концентрации оксидов азота в отработавших газах водородного двигателя
путем совершенствования процесса сгорания, обоснована в трудах И.Л. Варшав-
ского, А.И. Мищенко, Ю.В. Галышева, Е.А. Федянова, Р.З. Кавтарадзе, В.А.
Маркова, Д.О. Онищенко, А.А. Зеленцова, G. Woschni, K. Zeilinger, H. Rotten-
gruber, S. Baigang, L. Fushui, J. Heywood, J.W. Heffel, T. Shudo, S. Verhelst и ряда
других. На основе проведенного анализа работ по данной тематике была постав-
лена цель диссертационной работы и определены задачи, решение которых необ-
ходимо для ее достижения (см. выше).
Вторая глава посвящена выбору математической модели внутрицилиндро-
вых процессов в водородном двигателе с внешним смесеобразованием и прину-
дительным зажиганием. Дифференциальные уравнения в частных производных,
с помощью которых описываются физические процессы переноса массы, коли-
чества движении и энергии, представим в виде обобщенного закона сохранения,
выраженного обобщенным дифференциальным уравнением:
∂
(ρΦ ) + div ρ WΦ  = div(ΓΦ gradΦ ) + S Φ
→

∂τ(1)
где Φ – произвольная зависимая переменная, ГΦ – коэффициент диффузии, SΦ –
источниковый член, который в общем случае можно представить как разность
генерации SΦg и аннигиляции SΦa потоков, т.е. SΦ= SΦg-SΦa. Конкретный вид ГΦ и
SΦ, а также SΦg и SΦa, зависит от смысла переменной Φ (Таблица 1).
При подстановке соответствующих членов в обобщенное уравнение (1) по-
лучается система уравнений трехмерного нестационарного переноса (уравнения
Навье-Стокса, энергии, неразрывности и диффузии), которая после осреднения
по методу Фавра (A. Favre) принимает форму Рейнольдса. Для замыкания си-
стемы уравнения Рейнольдса былa использована k-ζ-f модели турбулентности,
предложенная К. Ханиаличом (K. Hanjalič) и др., дополняется уравнением эллип-
тической функции f П. Дурбина (P.A. Durbin), учитывающей пристеночную ани-
зотропию турбулентности. Чувствительность к виду ячейки и степени измельче-
ния сетки, характерная для модели турбулентности Дурбина, снижается и устой-
чивость численного решения улучшается, что особенно важно для расчета тур-
булентного переноса в камере сгорания поршневого двигателя.
Таблица 1.
Фундаментальных уравнениях Навье – Стокса
УРАВНЕНИЯ ПЕРЕНОСА, КАК ЧАСТНЫЕ
СЛУЧАИ ОБОБЩЕННОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ
∂
(ρΦ ) + ∂ ρW j Φ = ∂  ΓΦ ∂Φ  + S Φ
()
∂τ∂x j∂x j ∂x j 
Таблица 1. (продолжение)
Исход-DWi∂p∂   ∂Wi ∂W j 2 ∂Wk  
Φ = Wi ,ΓΦ = µ ,наяρ=Gi −+µ +− δ ij
формаDτ∂xi ∂x j   ∂x j∂xi 3∂xk  
∂p
S Φ = Gi −+ VµФорма____
 ______
______ 
∂xi__
DW i __ ∂ p∂  ∂ W i ∂ W j 2 ∂ W k  __ ‘ ‘ 
Рей-ρ=G i −+µ+−δ− ρ W i Wj
Dτ∂xi ∂x j  ∂x j∂xi∂xk 
ij
.нольдса

Уравнение
сохранения
_______
Новыеρ Wi ‘W j’ – тензор рейнольдсовых турбулентных напряжений,
количестванеиз-
движенияопределенный по пульсационным составляющим скорости;
вестные
(уравнение Навье
– Стокса)

 ______

__
 ∂W i ∂W j 2 ∂W k 
τ ij = µ +− δ ij- тензор вязких (турбулент-
 ∂x j∂xi3∂x k 

ных) напряжений, определенный по осредненным значе-
ниям компонент скорости.
λ∂p ∂∂  ∂T 
Φ = H , ΓΦ =,Исход-ρ
DH
= G jW j ++τ ijW j +λ(+)
cp
наяDτ∂τ ∂xi∂x j  ∂x j 
∂pформа∂q R j
S=
Φ+
∂τwr Qr +
∂∂x j
∂xi
(τ ijW j ) + G jW j + Форма
Рей- = ++� � +� − ′ ′ �
∂qR j
wr Qr +нольдса

∂x j+ +
Новая
Уравнение
неиз-__ _______
сохраненияс p ρ T ‘W j’ – турбулентный перенос энтальпии ρ с p T по-
‘
вестная
энергиисредством флуктуации скорости W j ;
‘

Φ =1 ,Исход-∂ρ ∂
ΓΦ = 0 ,
SΦ = 0 .ная+
∂τ ∂x j
( ρW j ) =
форма
Уравнение
Форма__
сохранения массы∂ρ∂ __ __ 
Рей-+ ρW j  =0
(неразрывности)∂τ ∂x j
нольдса
СlИсход- ∂C  •∂
Φ=,наяDDС
ρ ∂x  + m=
Dτ ∂x j
формаj 
ΓΦ = Dl ρ ,Форма
D С ∂  ∂ C _____ ___
____
•
Рей-‘
•
=D− C ‘
W+ m ,
Dτ ∂x j  ∂x j
j 
SΦ = ml .нольдса

УравнениеНоваяC W j – турбулентный диффузионный перенос массы ком-
‘ ‘

диффузиинеиз-понента, концентрация которого С, посредством флуктуа-
(концентрации)вестная
ции скорости W j .
‘
Скорость процесса сгорания в данной работе определяется на основе рас-
ширенной модели когерентного пламени, известной под названием ECFM
(Extended Coherent Flame Model) – модель сгорания. В основе ECFM-модели сго-
рания лежит допущение о том, что характерный масштаб времени для химиче-
ских реакций намного меньше по сравнению с масштабом времени турбулент-
ности. При этом в ECFM-модели акцент делается на изменение площади фронта
пламени. Обычно эти модели применимы, как для условий с предварительным
смешиванием, так и без такового, так как основаны на концепции ламинарного
распространения пламени. Согласно этой концепции осредненные по всему
фронту пламени значения скорости и толщина фронта зависят только от давле-
ния, температуры и состава свежего заряда. На основе результатов численных и
натурных экспериментов были определены параметры инициализации модели.
Локальные образования оксидов азота в камере сгорания водородного дви-
гателя моделировались с использованием расширенного термического меха-
низма Я. Б. Зельдовича. Численная реализация модели осуществляется на основе
3D-CFD-кода FIRE, разработанного фирмой AVL List GmbH (версий 2017-2020
гг.). Ядро FIRE основано на численном методе контрольных объемов (МКО) с
использованием усовершенствованного алгоритма SIMPLE. С помощью САПР
Solid Works строится твердотельная трехмерная модель расчетной области (Ри-
сунок 1, а), соответствующая действительным размерам экспериментального во-
дородного двигателя. Построена подвижная сетка для сквозного расчета области
«система впуска-цилиндр-система выпуска» (Рисунок 1, б). В отдельных случаях
с целью экономии времени счета и компьютерных ресурсов моделируются
только внутрицилиндровые процессы без впуска и выпуска.

аб
Рисунок 1. Расчетная область экспериментального водородного двигателя: а –
твердотельная трехмерная модель; б – сетка для сквозного расчета области «Си-
стема впуска-цилиндр-система выпуска»
Особое внимание было уделено уточнению значений параметров для ини-
циализации модели вихревого движения в камере сгорания и для инициализации
модели сгорания. Определены значения начальных параметров и параметров
инициализации модели, обеспечивающих хорошее согласование между измене-
ниями расчетных и экспериментальных значений таких характерных параметров
внутрицилиндрового процесса, как давление (Рисунок 2, а, б), интегральное теп-
ловыделение (Рисунок 2, в) и скорость тепловыделения (Рисунок 2, г). Сравнение
с экспериментальными данными подтвердило адаптацию модели к особенно-
стям горения водорода.
Давление (МПа)
Давление (МПа)
4Эксп.4Эксп.
3Моде.3Моде.
11
-90 -60 -30 0 30 60 90 120
Угол поворота коленчатого-90 -60 -300 30 6090 120
вала (УПКВ) (°)УПКВ (°)
аб
тепловыделение
тепловыделения
Эксп.
Суммарное

(Дж/град.)
Скорость
60040Моде.
(Дж)

400Эксп.
Моде.20
-10 100
2030-100102030
УПКВ (°)УПКВ (°)
вг
Рисунок 2. Сопоставление экспериментальных и расчетных характерных парамет-
ров внутрицилиндрового процесса опытного водородного двигателя: а – давление
в цилиндре на режиме n=2000 мин-1, ɑв=1,67; б – давление в цилиндре на режиме
n=3000 мин-1, ɑв=1,64; в – тепловыделение в цилиндре на режиме n=2000 мин-1,
ɑв=1,67; г – скорость тепловыделения в цилиндре на режиме n=2000 мин-1, ɑв=1,67
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований
водородного двигателя, работающего на обедненной смеси. Экспериментальные
исследования опытного водородного двигателя проводились при непосредствен-
ном участии автора диссертации на испытательном стенде в лаборатории Пекин-
ского технологического института (Рисунок 3), созданной специально для иссле-
дования водородных двигателей. Объектом исследований является водородный
двигатель с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием, со-
зданный на базе серийного, 4-цилиндрового, атмосферного ДВС с электронным,
многоточечным впрыскиванием во впускную систему. В Таблице 2 приведены
технические данные экспериментального водородного двигателя. Эксперимен-
тальный стенд (Рисунок 4) с исследуемым водородным двигателем оснащен из-
мерительной системой, позволяющей проведение всех необходимых и стандарт-
ных измерений таких параметров, как мощность и крутящий момент двигателя,
расход топлива, частота вращения коленчатого вала. На стенде также установ-
лены устройства для проведения специальных измерений, прежде всего, для ин-
дицирования двигателя и определения эмиссии оксидов азота.
Таблица 2.
Технические данные экспериментального водородного двигателя
ПараметрЗначениеПараметрЗначение
Число цилиндров4Диаметр цилиндра, D, мм86
Таблица 2. (продолжение)
Ход поршня, S, мм86Длина шатуна, l142, 8
Жид-
Степень сжатия, ε, -10Система охлаждения
костная
Номинальная мощность,Максимальный крутящий
60111
Ne, кВт (при частоте вра-момент, Мк, Н.м (при ча-
(5500)(4000)
щения n, мин-1)стоте вращения n, мин-1)

Рисунок 3. Общий вид эксперименталь-
ного стенда с водородным двигателем Рисунок 4. Схема экспериментального
стенда с водородным двигателем:
1 – Баллон с водородом; 2 – Электромагнитный запорный клапан; 3 – Первичный
редукционный клапан (15МПа/0,8МПа); 4 – Расходомер Кориолиса для водорода;
5 – Вторичный редукционный клапан (0,4～0,8 МПа); 6 – Водородная магистраль;
7 – Инжектор водорода; 8 – Датчик давления типа свечи зажигания Kistler 6117B;
9 – Датчик температуры отработавших газов; 10 – Датчик кислорода широкого
диапазона; 11 – Расходомер впускного воздуха; 12 – Ресивер (бак) для постоян-
ного давления; 13 – Аккумулятор; 14 – Датчик частоты вращения двигателя и по-
ложения (угла поворота) коленчатого вала (Kistler2613B); 15 – Электронный
дроссель; 16 – Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор; 17 – Трубопро-
вод системы РОГ; 18 – Канал отбора проб AVL-анализатора отработавших газов;
19 – Ручной клапан РОГ; 20 – Электронный блок управления (ЭБУ, ECU – Elec-
tronic Control Unit)
Индицирование экспериментального водородного двигателя осуществля-
лось во всем диапазоне изменения режимов его работы. На Рисунке 5 в качестве
примера даны индикаторные диаграммы для частот вращения коленчатого вала
n=2000 мин-1 (Рисунок 5, а) и n=5000 мин-1 (Рисунок 5, б).
На Рисунке 6 приведена внешняя скоростная характеристика водородного
двигателя, полученная при полностью открытом дросселе. Как видно, минималь-
ный удельный эффективный расход водорода ge min=87,24 г/(кВт·ч) достигается
при n=2500 мин-1, а максимальный ge max=98,4 г/(кВт·ч) – на режиме максималь-
ной мощности Ne=60,6 кВт при n=5500 мин-1. На режиме холостого хода удель-
ный расход водорода достигает 96 г/(кВт·ч).
Давление (МПа)
Давление (МПа)
33
11
-360 -240 -120 0 120 240 360 -360 -240 -120 0 120 240 360
УПКВ (°)УПКВ (°)
аб
Рисунок 5. Индикаторная диаграмма водородного двигателя: а – при n=5000
мин-1 (эффективная мощность Ne=51 кВт, крутящий момент Мк=97,4 Нм); б – при
n=2000 мин-1 (эффективная мощность Ne=20 кВт, крутящий момент Мк=94,85 Нм)

150Ne, кВтТеплофизические свойства водо-
рода, как моторного топлива, такие как:
Ne, кВт; ge

ge, г/(кВт•ч)
г/(кВт·ч)

100высокая скорость сгорания (скорость
ламинарного пламени в воздухе при р =
501.013 бар, t = 25°C и αв=1 при горении
водородно-воздушной смеси примерно
0в 6 раз выше по сравнению с метано-
1000 2000 3000 4000 5000воздушной (или бензино-воздушной)
n, мин-1
смесью); широкие концентрационные
Рисунок 6. Внешняя скоростная харак- пределы сгорания (α =0,13 – 10); низкое
в
теристика экспериментального водо- значение минимальной энергии вос-
родного двигателяпламенения (0,017 мДж при αв=1).
Они могут привести к аномальным явлениям в рабочем процессе водород-
ного двигателя с внешним смесеобразованием, которые необходимо учесть в
процессе экспериментальных исследований: 1. Воспламенению свежего заряда
на такте впуска; 2. Детонацию или подобному детонации сгоранию; 3. Калиль-
ному зажиганию (преждевременному воспламенению).
На опытном водородном двигателе экспериментальные исследования были
проведены на режимах αв=1,6-1,7≈const (Рисунок 7). Режим максимальной мощ-
ности Ne=60,6 кВт при n=5500 мин-1, осуществляемый при αв=1,35 приводит к
максимальной концентрации эмиссии оксидов азота [NOx]=4392 ppm, тогда как
на режиме n=5000 мин-1 при αв=1,69 ее значение падает до [NOx]=1360 ppm (Ри-
сунок 8). Кроме того, с повышением частоты вращения коленчатого вала, когда
состав водородно-воздушной смеси приближается к стехиометрическому, растет
вероятность аномального сгорания. При работе на экспериментальном водород-
ном двигателе с внешним смесеобразованием следует на всех режимах стре-
миться к максимальному использованию обедненных водородно-воздушных
смесей (αв>1,6), при котором гарантируют устойчивую работу водородного дви-
гателя во всем диапазоне скоростных режимов работы.
25000

[NOx], ppm
4000
1.8
αН2, αв [-]

3000
1.6
2000
1.41000
1.20
1000 2000 3000 4000 5000500 1500 2500 3500 4500 5500
n, мин-1n, мин-1
Рисунок 7. Экспериментальные значе-Рисунок 8. Измеренные значения со-
ния коэффициентов избытка воздуха вдержания (ppm) оксидов азота [NOx] в
зависимости от скоростного режимазависимости от скоростного режима
работы водородного двигателяработы водородного двигателя

42Изменения индикаторных ηi и эф-
фективных ηe КПД водородного двига-
ηi, ηe, %

теля (Рисунок 9) показывают, что самое
ηiηe
36низкое значение ηe = 30,55 % имеется на
33режимемаксимальноймощности
n=5500 мин при αв=1,35.
-1

30Таким образом, работа исследуе-
1000 2000 3000 4000 5000мого водородного двигателя на режиме
n, мин-1максимальной мощности не рекомен-
Рисунок 9. Изменение индикаторных дуется как с экологической точки зре-
КПД ηi (%) и эффективных КПД ηe (%) ния, так и из-за высокой вероятности
водородного двигателя в зависимости аномального сгорания и низкого эф-
от скоростного режима работыфективного КПД.
Четвертая глава посвящена экспериментальным и расчетными исследова-
ниям влияния степени РОГ на рабочий процесс и процесс образования оксидов
азота в камере сгорания водородного двигателя. Экспериментальные результаты,
приведенные на Рисунке 10, показывают, что применение РОГ (степень РОГ
z=15%) при n=1000 мин-1 приводит к существенному сокращению эмиссии NOx
(почти в 3 раза). Рисунок 11, где приведены изменения концентраций NOx в вы-
пускных газах исследуемого водородного двигателя в зависимости от коэффи-
циента избытка воздуха ɑв при частоте вращения коленчатого вала n=3000 мин-1
и степени РОГ z=15 %, полученные экспериментально и моделированием, под-
тверждает надежность и достоверность разработанной 3D-модели внутрицилин-
дровых процессов. Хорошее согласование расчетных и экспериментальных зна-
чений количества оксидов азота (Рисунок 12), полученное на скоростном режиме
работы n=5000 мин-1 также указывает на надежность и пригодность разработан-
ной 3D-математической модели при исследовании экологических показателей
водородного двигателя, оснащенного системой РОГ.
100008000
0%РОГЭксп.
[NOx], ppm

[NOx], ppm
80006000
600015%РОГ4000Моде.
4000
20002000
0.91.31.72.12.52.90.91.21.51.82.1
Коэффициент избытка воздуха, αвКоэффициент избытка воздуха, αв
Рисунок 10. Результаты эксперимен-Рисунок 11. Влияние коэффициента из-
тального исследования эмиссии окси-бытка воздуха на эмиссии оксидов
дов азота в зависимости от степениазота при неизменных значениях ча-
РОГ (Режим работы водородногостоты вращения коленчатого вала
ПДВС n=1000 мин-1)n=3000 мин-1 и степени РОГ z=15 %

Использование в водородном двигателе РОГ оказывает влияние на параметры
рабочего процесса, прежде всего, на изменение давления и температуры в цилин-
дре, тем самым заметно действует как на эффективные, так и на экологические по-
казатели рабочего цикла. Исследование влияния РОГ на показатели эксперимен-
тального водородного двигателя проводились для всего диапазона изменения как
скоростного, так и нагрузочного режимов. В качестве примера рассматривается
влияние РОГ на индикаторные параметры водородного двигателя на двух режимах
с применением обедненной смеси: ɑв= 1,695 и ɑв= 2,0 при частотах вращения ко-
ленчатого вала n=5000 мин-1 и n=3000 мин-1 соответственно.
На Рисунке 13 приведены изменения давления в цилиндре (индикаторные
диаграммы) водородного двигателя, полученные непосредственным измерением с
помощью пьезокварцевого датчика Kistler и моделированием на режиме n=5000
мин-1 без РОГ (z=0 %). Очевидно, что данный режим работы следует принимать в
качестве базового при исследовании влияния РОГ на индикаторные показатели во-
дородного двигателя.
1700
Выброс NOx, ppm

Эксп.4Эксп.
Р, МПа

1200Моде.3Моде.
2000
68101214 -8515115
УПКВ (°)УПКВ (°)
Рисунок 12. Влияние угла опережения Рисунок 13. Экспериментальные и рас-
зажигания на эмиссии оксидов азота на четные индикаторные диаграмм на ре-
режиме n=5000 мин-1жиме n=5000 мин-1 и αв=1,695 без РОГ
Изменение осредненной по объему цилиндра температуры рабочего тела в за-
висимости от степени РОГ z при n=5000мин-1 и αв0=1,695 (Рисунок 14) показывает,
что снижение температурного уровня цикла заметнее при высоких значениях z.
При n=3000 мин-1 и более сильно обедненной смеси изменения температур рабо-
чего тела носят несколько иной характер (Рисунок 15). РОГ при αв0=2,0 не способ-
ствует эффективному снижению температуры рабочего тела, наоборот, может в
определенной степени увеличить образование NOx. На этом режиме для образова-
ния NOx при росте степени РОГ до 13,3 %, решающую роль играет подогрев све-
жего заряда в результате добавления высокотемпературного водяного пара, что
приводит к повышению значений начальной и максимальной температур сгорания.
На режиме n=5000 мин-1 и αв0=1,695 характер влияния РОГ на максимальную тем-
пературу в водородном двигателе такой же как в традиционных ДВС (Рисунок 16)
– с ростом степени РОГ происходит снижение Tz. Особенность изменения темпе-
ратурного уровня имеет свое отражение на динамику образования NOx в зависи-
мости от степени РОГ. Как видно из Рисунка 17 применение РОГ со степенью 23,8 %
на режиме n=5000 мин-1 по сравнению с режимом без РОГ приводит к снижению
количества оксидов азота на 74%. При αв0=2,0 использование РОГ дает эффект
только при большой степени РОГ 23,8 %. Таким образом, при высоких значениях
αв количество NOx может быть уменьшено только тогда, когда степень РОГ доста-
точна велика. С другой стороны, увеличение степени РОГ может привести к сни-
жению мощности и КПД двигателя. В связи с этим применение РОГ с целью
уменьшения эмиссии NOx на режимах низких нагрузок нецелесообразно.
25002500
22002200
19000% РОГ19000% РОГ
Т, К

Т, К

16003,4% РОГ16003,4% РОГ
13,3% РОГ130013,3% РОГ
1300
23,8% РОГ23,8% РОГ
10001000
5 10 15 20 25 30 350 5 10 15 20 25 30
УПКВ (°)УПКВ (°)
Рисунок 14. Изменение температуры ра- Рисунок 15. Изменение температуры ра-
бочего тела на режиме n=5000 мин-1 и бочего тела на режиме n=3000 мин-1 и
αв0=1,695 в зависимости от степени РОГ αв0=2,0 в зависимости от степени РОГ
На Рисунке 18 приведены мгновенные температурные поля для двух случаев
– без РОГ и с РОГ 23,8 % – в характерных моментах времени: в ВМТ, при макси-
мальном давлении в цилиндре и в момент, соответствующий сгоранию 90% водо-
рода. В начальный период сгорания, значит в ВМТ, максимальные значения ло-
кальных температур в случае применения РОГ снижается почти на 100 градусов
относительно без РОГ. Более низкая температура в начальный период сгорания
при использовании РОГ способствует поддержанию относительно низкого темпе-
ратурного уровня в течение всего рабочего цикла и приводит к снижению оксидов
азота на 74 %. На Рисунке 19 показано изменение локальных мгновенных скоро-
стей движения рабочего тела. В целом, не отрицая роль локальных скоростей дви-
жения и турбулентности, влияние локальных температур на эмиссии оксидов азота
значительно сильнее.
Tz, K, при n=3000 1/мин[NOx] при n=5000 1/мин
2350Tz, K, при n=5000 1/мини ɑв0=1,695
[NOx] при n=3000 1/мин

[NOx], ppm
23001200
Tz, K

2250и ɑв0=2,0
2200400
21500
03.413.3 23.83.4
013.3 23.8
z, %z, %
Рисунок 16. Изменения максимальнойРисунок 17. Влияние степени РОГ z на
температуры рабочего цикла Tz в зави-суммарное количество образования ок-
симости от степени РОГ z на режимахсидов азота на режимах работы n=3000
n=3000 мин-1 и n=5000 мин-1мин-1, αв0=2,0 и n=5000 мин-1, αв0=1,695

Рисунок 18. Изменение локальныхРисунок 19. Изменение локальных
мгновенных температур на режимемгновенных скоростей на режиме
n=5000 мин-1 в зависимости от степениn=5000 мин-1 в зависимости от степени
РОГРОГ

Изменения локальных температур и локальных скоростей движения влияют
на скорость образования (Рисунок 20) и количества (Рисунок 21) оксидов азота в
камере сгорания водородного двигателя. В момент достижения максимального
давления в цилиндре максимальное значение мгновенной скорости образования
оксидов азота с применением РОГ снижается в 3,8 раз, а максимальное мгновенное
значение количества NOx – снижается в 2,4 раза. К завершению процесса сгорания
(к моменту выгорания 90% водорода), значение максимальных значений скорости
образования и количества оксидов азота снижаются в 4,3 и 2,14 раз соответственно.
Из Рисунков 20 и 21 подтверждается целесообразность применения РОГ в водо-
родном двигателе с целью уменьшения эмиссии оксидов азота. Следует подчерк-
нуть, что аналогичные численные моделирования были проведены для других сте-
пеней РОГ, и они также согласуются с этими результатами. Дальнейшее увеличе-
ние степени РОГ >23,8% одновременно с уменьшением эмиссии NOx может при-
вести к заметному ухудшению эффективных показателей.

Рисунок 20. Изменение локальныхРисунок 21. Изменение локальных
мгновенных скоростей образования ок-мгновенных массовых долей оксидов
сидов азота на режиме n=5000 мин-1 в за-азота на режиме n=5000 мин-1 в зависи-
висимости от степени РОГмости от степени РОГ

Проведение исследования показали, что эмиссию оксидов азота в водородном
двигателе при правильной организации рабочего процесса и применении РОГ
можно минимизировать до требований Euro-6 без установки на двигателе специ-
альной системы нейтрализации NOx.

Основные выводы по диссертационной работе
1. При работе поршневого водородного двигателя на смеси, состав которой
приближается к стехиометрическому, повышается вероятность возникновения
аномальных процессов, таких как: обратная вспышка, преждевременное воспламе-
нение и детонация, связанных, прежде всего, с высокой температурой остаточных
газов. Кроме того, высокие температуры сгорания водорода приводят к образова-
нию NOx, снижение которых по опыту традиционных ДВС целесообразно путем
использования РОГ.
2. Впервые для исследования внутрицилиндровых процессов в водородном
двигателе в 3D – постановке разработана, верифицирована и реализована матема-
тическая модель на основе фундаментальных уравнений Навье-Стокса, Фурье-
Кирхгофа, Фика и неразрывности, преобразованных в форме Рейнольдса посред-
ством осреднения по методу Фавра, и дополненных k-ζ-f-моделью турбулентности,
предназначенной для моделирования процессов в поршневых двигателях. Процесс
сгорания моделируется с помощью расширенной модели когерентного пламени
(ECFM-модель), адаптированной автором для горения водорода с помощью экспе-
риментально верифицированных параметров инициализации. Процесс образова-
ния оксидов азота моделируется с использованием расширенного термического
механизма Я.Б. Зельдовича. Результаты численных экспериментов подтверждены
полученными экспериментальными данными.
3. На основе экспериментальных данных, полученных в стендовых условиях
работы опытного водородного двигателя, представляющего собой автомобильный,
серийный, бензиновый двигатель, конвертированный на газообразный водород,
проведена верификация разработанной 3D-математической модели теплофизиче-
ских процессов в водородном двигателе. Для всех характерных режимов верифи-
кация модели осуществлялась в два этапа: на начальном этапе сравнивались рас-
четные и экспериментальные индикаторные диаграммы, а на заключительном –
концентрации оксидов азота в зависимости от различных факторов.
4. При непосредственном участии автора модифицирована, переоснащена и
оттестирована экспериментальная установка, созданная в лаборатории ПТИ, для
исследования водородного двигателя. В стендовых испытаниях эксперименталь-
ного водородного двигателя для всего диапазона режимов работы были зареги-
стрированы эффективные и экологические показатели: индикаторная диаграмма,
коэффициент избытка воздуха, КПД двигателя, содержание оксидов азота в вы-
пускных газах, степень РОГ и т.д.
5. Работа водородного двигателя на режиме (Ne=60,7 кВт при n=5500 мин-1 и
αв=1,35) с целью получения мощности, эквивалентной базовому бензиновому дви-
гателю, не рекомендуется, как с точки зрения увеличенной эмиссии оксидов азота,
так и из-за высокой вероятности аномального сгорания и относительно низкого
значения эффективного КПД (ηe=0,30).
6. Установлено, что в диапазоне изменений скоростного режима работы
n=1500-5000 мин-1 и состава смеси αв=1,61-1,69 эффективный КПД эксперимен-
тального водородного двигателя принимает вполне приемлемые для двигателей,
работающих по термодинамическому циклу Отто, значения ηe=0,33-0,35. В целом
при работе на обедненной смеси (αв ≥ 1,6) обеспечено предотвращение аномальных
явлений и получены вполне приемлемые значения эффективных и экологических
показателей.
7. Применение РОГ в водородном двигателе особенно эффективно при усло-
вии относительно низкого коэффициента избытка воздуха αв и высокой частоты
вращения (αв0=1,695 и n=5000 мин-1). При этом количество NOx уменьшается про-
порционально с ростом степени РОГ, в частности, в случае z=23,8 % количество
оксидов азота в цилиндре снижается на 74,2% и отпадает необходимость исполь-
зования систем последующей обработки ОГ. На режиме с относительно высоким
коэффициентом избытка воздуха и относительно низкой частотой вращения ко-
ленчатого вала (αв0=2,0 и n=3000 мин-1) применение РОГ не эффективно. Предпо-
лагается, что это связано с преобладающей ролью нагрева свежего заряда после
перемешивания с высокотемпературным перегретым водяным паром, приводя-
щего к повышению начальной, а потом максимальной температуры сгорания.
8. Скорость образования NOx, а также количество NOx в цилиндре к моменту
нахождения поршня в ВМТ ничтожно малы, как в случае без РОГ, так и при РОГ.
С развитием процесса сгорания содержание оксидов азота в цилиндре стреми-
тельно растет и к моменту времени, когда p=pz, максимальные скорости образова-
ния NOx с применением РОГ (z=23,8 %) снижаются в 3,8 раз, а максимальное мгно-
венное значение массовой доли NOx – в 2,4 раза. К моменту выгорания 90% вве-
денного в цилиндр водорода, использование РОГ (z=23,8 %) снижает максималь-
ных значений скорости образования и количество оксидов азота в 4,3 и 2,14 раз,
соответственно.