Применение комбинированной энергетической установки для улучшения характеристик двигателя с искровым зажиганием при работе на безуглеродном топливе

Аннотация

Учитывая постоянное ужесточение требований к выбросам углекислого газа в секторе двигателей внутреннего сгорания, поиск решения, способного удовлетворить эти требования, становится все более важным. В связи с этим использование безуглеродного топлива рассматривается как альтернатива традиционным видам топлива. В качестве объекта исследования выбран двигатель с искровым зажиганием типа 4Ч 7,6/7, а в качестве безуглеродного топлива --- аммиак, который в жидком состоянии непосредственно впрыскивался во впускной трубопровод двигателя. Приведена математическая модель двигателя на аммиаке, разработанная с учетом его термодинамических и кинетических особенностей и возможности возникновения детонации. Результаты расчетного исследования рабочего процесса двигателя свидетельствуют о том, что из-за низкой энергетической плотности аммиака (0,73 кг/м³ при давлении 0,1 МПа и температуре 298 K) для преодоления одного и того же расстояния расход топлива транспортного средства, работающего на безуглеродном топливе, больше расхода топлива транспортного средства, работающего на традиционном топливе. Общий расход топлива увеличивается, что приводит к снижению экономичности. Для повышения экономической эффективности двигателя внутреннего сгорания использована комбинированная энергетическая установка, предложены три варианта схемы компоновки ее элементов. По сравнению с обычным автомобилем расход топлива двигателя, работающего в составе комбинированной энергетической установки, снижается на 28,6 % для третьего варианта схемы компоновки, а для первого и второго вариантов схемы он увеличивается на 17,9 и 32,1 %

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Дунин А.Ю., Нгуен Ван Зунг, Ахметжанова Э.У. и др. Применение комбинированной энергетической установки для улучшения характеристик двигателя с искровым зажиганием при работе на безуглеродном топливе. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2026, № 1 (156), c. 101--114. EDN: AKOYXB

Литература

[1] Александров А.А. Альтернативные топлива для двигателей внутреннего сгорания. М., Инженер, Онико-М, 2012.

[2] Марков В.А., Девянин С.Н., Семенов В.Г. и др. Использование растительных масел и топлив на их основе в дизельных двигателях. М., Инженер, Онико-М, 2011.

[3] Марков В.А., Бебенин Е.В., Поздняков Е.Ф. Сравнительная оценка альтернативных топлив для дизельных двигателей. Транспорт на альтернативном топливе, 2013, № 5, с. 24--29.

[4] Нгуен В.З., Дунин А.Ю., Ахметжанова Э.У. и др. Моделирование рабочего процесса двигателя с искровым зажиганием, питаемого безуглеродным топливом. Автомобиль. Дорога. Инфраструктура, 2023, № 4 (38). URL: https://www.adi-madi.ru/madi/article/view/1294

[5] Таранушич В.А., Савостьянов А.П., Сулима С.И. и др. Технология катализаторов. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2012.

[6] Dauaud A.M., Eyzat P. Four-octane-number method for predicting the anti knock behavior of fuels and engines. SAE Tech. Pap., 1978, art. 780080. DOI: https://doi.org/10.4271/780080

[7] Valera M.A., Xiao H., Owen J.M., et al. Ammonia for power. Prog. Energy Combust. Sc., 2018, vol. 69, pp. 63--102. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pecs.2018.07.001

[8] Morch C., Bjerre A., Gottrup M., et al. Ammonia/hydrogen mixtures in an SI-engine: engine performance and analysis of a proposed fuel system. Fuel, 2011, vol. 90, no. 2, pp. 854--864. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2010.09.042

[9] Onorati A., Payri R., Vaglieco B., et al. The role of hydrogen for future internal combustion engines. Int. J. Engine Res., 2022, vol. 23, no. 4, pp. 529--540. DOI: https://doi.org/10.1177/14680874221081947

[10] Mounaim R.C., Brequigny P., Medina A.V., et al. Ammonia as fuel for transportation to mitigate zero carbon impact. In: Engines and fuels for future transport. Springer, 2021, pp. 257--279. DOI: https://doi.org/10.1007/978-981-16-8717-4_11

[11] Ryu K., Zacharakis-Jutz G.E., Kong S.C. Effects of gaseous ammonia direct injection on performance characteristics of a spark-ignition engine. Appl. Energy, 2014, vol. 116, pp. 206--215.DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2013.11.067

[12] Zamfirescu C., Dincer I. Ammonia as a green fuel and hydrogen source for vehicle applications. Fuel Process. Technol., 2009, vol. 90, no. 5, pp. 729--737. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2009.02.004

[13] Zieba M., Brink A., Schuster A., et al. Ammonia chemistry in a flameless jet. Combust. Flame, 2009, vol. 156, no. 10, pp. 1950--1956. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2009.07.002

[14] Valera M.A., Amer-Hatem F., Azad A.K., et al. Review on ammonia as a potential fuel. Energy Fuels, 2021, vol. 35, no. 9, pp. 6964--7029. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.0c03685

[15] Um D.H., Joo J.M., Lee S., et al. Combustion stability limits and NOx emissions of nonpremixed ammonia-substituted hydrogen--air flames. Int. J. Hydrog. Energy, 2013, vol. 38, no. 34, pp. 14854--14865. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.08.140

[16] Song Y., Hashemi H., Christensen J.M., et al. Ammonia oxidation at high pressure and intermediate temperatures. Fuel, 2016, vol. 181, pp. 358--365. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2016.04.100

[17] Pozzana G., Bonfanti N., Frigo S., et al. A hybrid vehicle powered by hydrogen and ammonia. SAE Tech. Pap., 2012, art. 2012-32-0085. DOI: https://doi.org/10.4271/2012-32-0085

[18] Li J., Huang H., Kobayashi N., et al. Study on using hydrogen and ammonia as fuels: combustion characteristics and NOx formation. Int. J. Energy Res., 2014, vol. 38, no. 9, pp. 1214--1223. DOI: https://doi.org/10.1002/er.3141

[19] Li J., Huang H., Kobayashi N., et al. Numerical study on effect of oxygen content in combustion air on ammonia combustion. Energy, 2015, vol. 93-2, pp. 2053--2068. DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.10.060

[20] Lhuillier C., Brequigny P., Contino F., et al. Combustion characteristics of ammonia in a modern spark-ignition engine. SAE Tech. Pap., 2019, art. 2019-24-0237. DOI: https://doi.org/10.4271/2019-24-0237

[21] Mounaim-Rousselle C., Brequigny P., Dumand C., et al. Operating limits for ammonia fuel spark-ignition engine. Energies, 2021, vol. 14, no. 14, art. 4141. DOI: https://doi.org/10.3390/en14144141