0 $ '#& & ') # )! 2& 2 #. #&' '...

НАУЧНИ ТРУДОВЕ НА РУСЕНСКИЯ УНИВЕРСИТЕТ - 2012, том 51, серия 4

- 10 -

Изследване на електролизно устройство и ефективността от

съвместната му работа с бензинов двигател

Емилиян Станков, Кирил Бързев, Кирил Хаджиев

Study of electrolysis device and the effect of his joint work with petrol engine: To meet ever

tightening exhaust emission limits and to improve the fuel economy of gasoline engines, some additional

devices must be developed. This paper describes the performance characteristics of electrolysis device and

the effect on exhaust emissions and engine efficiency when using its hydrogen-oxygen mixture as

supplement to the gasoline engine.

Key words: Electrolysis device; hydrogen and oxygen; gasoline engine; hydrogen addition; exhaust

emissions; engine efficiency.

ВЪВЕДЕНИЕ

При неизбежно нарастващите цени на традиционните нефтени горива пери-

одично в средите на автомобилистите се възобновява интереса към използването

на продуктите от електролизно разлагане на водата като добавка към основното

гориво с цел повишаване ефективността на работа на автомобилния двигател.

Всеки по-нов етап от работата в тази посока носи отпечатъците на развиващите се

технологии и с това възобновява надеждите, че може да бъде постигнат съществен

успех в желаната посока. Поради отсъствието на достатъчно научно потвърдена

информация за практическата целесъобразност от реалното използване на

продуктите на разлагане на водата от мобилно електролизно устройство, като

добавка при работата на ДВГ, то в това изследване се опитваме да отговорим на

някои въпроси.

ИЗЛОЖЕНИЕ

Известни факти, имащи отношение към изследването

� Наличието на малко количество водород в горивната камера на двигателя по

време на процеса горене и характерните за водорода широки граници на

възпламеняване, висока реакционна способност и висока ламинарна скорост на

разпространение на пламъка позволява значително да се улесни процеса на

възпламеняване и да се увеличи скоростта на разпространение на фронта на

пламъка на гориво-въздушните смеси на конвенционалните въглеводородни горива.

�Добавката на водород към бензино-въздушната смес позволява работа на

бензиновия двигател с по-бедни горивовъздушни смеси при малки натоварвания без

това да повлияе отрицателно върху стабилността и динамиката на горивния процес.

� Известните ни изследвания, при които са направени горните изводи, са

осъществявани с добавка на водород над 2-3% (тегловни), поради невъзможността

да се осъществи ефективно обедняване с по-малка добавка, като постигнатият

ефект е увеличаване на мощността приблизително със същите проценти [1]. По

съществени резултати могат да се постигнат при добавки на водород над 5% [2].

�Продуктите от електролизното разлагане на вода са водород и кислород в

обемни съотношения 2:1. Водородът е носител на енергия и активатор на горивните

процеси в цилиндъра на двигателя, а кислородът е окислител.

�Когато в двигателя се подава получената от електролиза смес от водород и

кислород, за процеса на горене не е необходим допълнителен кислород от въздуха

за изгарянето на електролизния водород, т.е. почти не се променя съотношението

въздух/гориво спрямо това, което осигурява основната дозираща система.

�Количеството водород, което осигурява един качествен мобилен електролизер

при производителност на газ 3,3 l/min със захранване от мрежата на автомобила е

2,2 l/min. При работа на двигател с литров обем 1,5 литра на празен ход и честота на

въртене n=850 min-1

, при разход на бензин 0,9 kg/h, тегловният дял на водорода е


- 11 -

само 1%. С увеличаване честотата на въртене нараства разхода на бензин при

запазване разхода на водород, при което относителният дял на водорода още по-

вече намалява. Поради по-високата топлина на изгаряне на водорода, интерес

представлява също и енергийният дял, който той осигурява при смесеното

захранване, но това ще коментираме по-късно.

�Независимо от ограничените възможности за обедняване състава на

горивовъздушната смес в експлоатационни условия, ако предприемем такова

въздействие, то обедняването трябва да е пропорционално на делът на водорода,

т.е. максимално при празен ход и намаляващо с увеличаване на натоварването и

честотата на въртене. Практически това е реализуемо само програмно със система

за обратна връзка, но е неприложимо при двигател с количествено регулиране.

�Електрохимичното разлагане (електролизата) на водата е сравнително евтин и

перспективен метод за получаване на водород, но недостатък на метода е ниският

к.п.д. на класическата електролизна клетка -около 20-25%. Ефективността на самата

електролиза е около 70%, но има сериозни топлинни загуби.

Масата на получения при електролизата водород се изчислява по формула (1):

(1)

където Em – електрохимичен еквивалент на водорода (Em = 1); U - напрежение

приложено към електродите на клетката, V; I - сила на тока, А; t - време за протичане

на процеса, s; 9650 - число на Фарадей (количество електричество за отделяне на

един еквивалент водород) ; η – к.п.д. на клетката (електролизна ефективност).

Пресметната при к.п.д. на клетката η=0,22 , необходимата мощност за часов

добив на 1 kg/h водород е 12,184 kW.

При изгарянето на този разход от 1 kg/h водород в двигател, работещ с

ефективен к.п.д. ηе ≤ 0,15 (ефективен к.п.д. на бензинов двигател на малки

натоварвания), мощността която би се получила от водорода, пресметната по

формула (2) е Ne ≤ 5,00 kW.

kW

HG

N

uH

еe,

3600

.2

η= (2)

където GH2

– часов разход на водород ; Hu – долна топлина на изгаряне на

водорода – 120 000 kJ/kg.

�Следователно за получаването на водорода се изразходва над два пъти

повече енергия, от енергията, получена при изгарянето на същото количество

водород в двигателя при малки натоварвания.

� Разходът на получения водород зависи от мощността на електролизера, т.е.

от съотношението между захранващото напрежение и консумирания ток. При

напрежение 12V, в преобладаващия брои леки автомобили се използват генератори

с номинална мощност 500-1000W и номинален ток 40-80А. Пресметнато по формула

(1) за максимален ток 25А (8 клетки Х 3А) се получава производителност 0,06 g/min

(0,66 l/min) водород. Това е около 1 l/min смес от водород и кислород.

�За намаляване на топлинните загуби от загряването на електролита в

съвременните варианти на водните електролизери се използва импулсно

захранване с ток с висока честота.

Целите на това изследване са: 1. Да се провери в лабораторни условия

производителността на електролизерно устройство с импулсно захранване при

различна сила на тока; 2. Да се направи баланс на вложената и получената енергия;

3. Да се определи ефективността от използването на получената газова смес при

подаването и на входа в пълнителната система на карбураторен двигател.

g

tIU

Emm

,.

9650

..

. η=


- 12 -

Методика на изследването

Изследването е проведено с опитен образец електролизерно устройство

MIRTA, захранвано през инвертор GC 100 PM, с входно напрежение 230V,

напрежение на празен ход 85V и диапазон на регулиране 10-80А. Използваният

електролит е с калиева основа. При всеки опит са определяни консумираната от

мрежата електроенергия, силата на тока през електролизера и обема на

произведената газова смес. Периодично е контролирана температурата на

електролита. Газовата смес е подавана на входа във въздушния филтър на

двигател ВАЗ 2103, изпитван в режим на празен ход и при натоварвания до 20%. За

оценяване работата на двигателя са измервани: честота на въртене, ефективен

въртящ момент, разход на бензин, разход на газова смес, температура и състав на

отработените газове. За натоварване е използван постояннотоков електрически

динамометър.

Избран е вариант на захранване на електролизера с външен източник, за да се

осигури възможност за проверка на границите по производителност и се направи

точно измерване на необходимата енергия за процеса на електролиза. Това

позволява да се проведе коректен анализ за възможните очаквани резултати при

захранване на устройството от автомобилната електрическа мрежа.

Резултати от изследването на електролизера

Характеристиката на електролизера е снета при девет стойности на силата на

тока съгласно таблица 1. Отчетено е, че най-висок КПД е постигнат при сила на тока

40А и дебит на газовата смес 3,14 l/min (дебит на водорода 2,09 l/min). Независимо,

че тези стойности са получени при използвана електрическа мощност 618 W, което е

немислимо за натоварването на електрическата система на един лек автомобил, в

интерес на стремежа за получаване на по-категорични крайни резултати от работата

на бензиновия двигател, следващите изследванията са проведени само при сила на

тока 40А. Този избор се определяше и от наши предположения (на база на

натрупания опит при работа с по-големи добавки на водород), че много малките

добавки не са в състояние да окажат категорично забележим ефект върху работата

на двигателя.

Таблица 1

№

Сила

на тока

Дебит

на газа

Вложена

ел.енергия

Дебит

на

водорода

Енергия на

получения

Н2

КПД на

електро-

лизера

Изразходвана

мощност

А l/min KJ/min l/min KJ/min % W

1 17 1,00 14,44 0,666 6,80 47,2 240

2 25 1,43 22,22 0,953 9,72 43,7 370

3 30 2,00 27,07 1,333 13,60 50,2 451

4 35 2,50 30,51 1,667 17,00 55,7 508

5 40 3,14 37,11 2,093 21,35 57,5 618

6 45 3,30 44,44 2,200 22,44 50,5 741

7 50 3,33 52,94 2,220 22,64 42,8 882

8 60 3,91 60,00 2,607 26,59 44,3 1000

9 74 5,00 81,82 3,333 34,00 41,6 1363

Констатирано е, че при използваната схема на захранване, дори и при високите

стойности на силата на тока, температурата на електролита, оценявана чрез

температурата на корпуса се увеличава с не по-вече от 2-3 градуса.

Резултати от изследването на двигателя

1. Работа на двигателя с минимална честота на въртене на празен ход

(n=850 min-1

) и разход на газ 3,14 l/min.


- 13 -

След подаването на газовата добавка честотата на въртене на двигателя се

повишава и забележимо се подобрява равномерността на работа. В таблица 2 са

представени осреднени резултати от работа на бензин, бензин с добавка на газова

смес и бензин с добавка на газова смес при изравнени обороти чрез намаляване

количеството на бензина.

Таблица 2

Вариант

гориво

n Разход

на

бензин

Намал.

разход

бензин

Разход

на

водород

Енергия

от

бензина

Енергия

от

водорода

Обща

енергия

от горива

Вложена

ел.енергия

за електр.

Енергиен

дял на

водорода

Баланс

на

енерг.

min-1

kg/h % l/min kJ/h kJ/h kJ/h kJ/h % %

Бензин 853 0,970 - - 42680 - 42680 - 0 База

Б+газ 960 0,948 2,26 2,09 41712 1309 43021 2227 2,45 -4,42

↓Б+Газ 853 0,900 7,22 2,09 39600 1309 40909 2227 2,55 -9,37

Резултатите показват, че като се отчете енергията на двете горива и енергията

за получаване на водорода (при една и съща честота на въртене на двигателя), във

варианта с добавка на газова смес с дебит 3,14 l/min (2,09 l/min водород) се използва

9,37% по-малко енергия за сметка на по-добре протичащия горивен процес. Във

втория опит ефективност също има (4,42%), но част от разликата е скрита в

повишената честота на въртене. При този експеримент също се потвърждава, че

електролизерът работи с КПД 58%.

Относно токсичността на двигателя, тенденции към намаляване на емисиите на

СН и СО се констатират само при регулировката с намаляване количеството на

бензина, водещо до обедняване на гориво-въздушната смес.

2.Работа на двигателя при честота на въртене n=2000 min-1

и натоварване

до 20 %.

Изследването е проведено при малко натоварване и при честота на въртене

2000 min-1

от съображение количеството на подавания водород да е достатъчно за

регистриране изменения в работата на двигателя. Част от резултатите са

представени в таблица 3. На практика е проведено изпитване при две натоварвания,

групирани съответно 1-2 и 3-4, извършени с повторения, дефазирано във времето.

Таблица 3

№ Изпитван

вариант

Gг Gгусл

Ne 1 ηе1 ∆ η

е1 Ne 2 η

е2 ∆ η

е2

kg/h kg/h kW - % kW - %

1 Без доб. 3,204 3,204 3,541 0,0899 - 3,541 0,0899 -

С доб. 3,223 3,252 4,037 0,1015 12,98 3,419 0,0860 -4,31

2 Без доб. 3,158 3,158 3,612 0,0925 - 3,612 0,0925 -

С доб 3,194 3,223 3,895 0,0989 6,87 3,277 0,0832 -10,08

3 Без доб. 3,989 3,989 6,941 0,1431 - 6,941 0,1431 -

С доб 3,969 3,998 7,154 0,1464 2,31 6,535 0,1337 -6,53

4 Без доб. 3,989 3,989 6,941 0,1431 - 6,941 0,1431 -

С доб 3,949 3,978 7,154 0,1471 2,31 6,535 0,1344 -6,53

В таблицата са представени резултати за разхода на гориво, мощността и

ефективността на двигателя, като използваните обозначения имат следния смисъл:

- Gг – абсолютен разход на бензин;

- Gгусл – сумарен абсолютен разход на бензин и водород, като енергията на

водорода е приведена към еквивалентен бензин;

- Ne – ефективна мощност, развивана от двигателя;

- ηе – ефективен КПД на двигателя;

- ∆ ηе- изменението на ефективния КПД, при работа с продуктите от

електролизата (с неговия знак);

- Индекс 1 - без отчитане евентуалната загуба на мощност за задвижване на

електрическия генератор при производството на газова смес;


- 14 -

- Индекс 2 – с отчитане постоянна загуба на мощност за задвижване на

генератора в размер на 0,618 kW, съгласно данните в таблица 1.

Получените резултати показват, че:

- Ако не се отчете загубата на мощност за задвижване на електрическия

генератор при производството на газова смес, измененията са в положителна посока

и за изследваните товарни режими подобрението на ефективния КПД е средно 6%.

- Ако се отчете загубата на мощност за задвижване на електрическия генератор

при производството на газова смес, измененията са в отрицателна посока и за

изследваните товарни режими намалението на ефективния КПД е средно 6,9%.

- При проведените изследвания получените изменения в състава на

отработените газове са минимални и нееднозначни, поради което не се привеждат

данни за тях.

- Принципно енергията за работата на електролизера трябва да дойде от

двигателя през електрическия генератор. Резултатите показват, че този баланс не

само че не е на лице, а голямата мощност употребена от генератора влошава

ефективността на двигателя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

- Получаването чрез електролизер на борда на автомобила на достатъчно

количество водород, което със своята енергия да повлияе върху работния процес на

двигателя, изисква отнемане на електрическа мощност, която не може да се осигури

от мнозинството автомобилни електрически генератори.

- Добавката на водород-кислородна газова смес с разход от 3,14 литра за

минута в пълнителния колектор на карбураторен двигател, без извършване на

допълнителни регулировки, оказва положително влияние върху работата му на

празен ход с минимална честота (енергиен дял 2,5%), но се оказва недостатъчна за

товарни режими (енергиен дял под 0,9%).

- За постигане на положителен ефект е необходимо да се извършва

обедняване на гориво-въздушната смес за сметка на намаляване количеството на

бензина, но при товарни режими малките добавки на водород ограничават много и

границите на това обедняване (Предполагаме че възможното увеличаване на

въздушното отношение α е не по-вече от 0,1).

- С увеличаване на натоварването положителният ефект намалява поради

относително намаляващия дял на водородната компонента, а отрицателния ефект

също намалява поради относително по-малките загуби на мощност за задвижване

на генератора.

Практически, ефективност е възможна при чувствително намаляване на

енергията за електролиза.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Каменев, В.Ф., В.М.Фомин, Н.А.Хрипач, Л.Ю.Лежнев, Исследования

энергетических и экологических показателей работы автомобильного двигателя на

бензоводородных топливных комопозициях, Международный научный журнал

„Альтернативная энергетика и экология”, АЭЭ №9(29) 2005.

[2] Radu Chiriac, Nicolae Apostolescu, Effects of Gasoline-Air Enrichment with HRG

Gas on Efficiency and Emissions of a SI Engine, SAE Paper 2006- 01- 3431.

За контакти:

Доц. д-р Емилиян Станков, Катедра “Двигатели и транспортна техника”,

Русенски университет “Ангел Кънчев”, тел.: 082-888332, е-mail: [email protected]

Докладът е рецензиран.


- 15 -

РУСЕНСКИ УНИВЕРСИТЕТ „АНГЕЛ КЪНЧЕВ”

UNIVERSITY OF RUSE „ANGEL KANCHEV“

Д И П Л О М А

Програмният комитет на

Научната конференция РУ&СУ’12

награждава с КРИСТАЛЕН ПРИЗ

“THE BEST PAPER”

доц.д-р ЕМИЛИЯН СТАНКОВ,

проф. д-р КИРИЛ БЪРЗЕВ и д-р КИРИЛ ХАДЖИЕВ

автори на доклада

“ Изследване на електролизно устройство и

ефективността

от съвместната му работа с бензинов двигател”

D I P L O M A

The Programme Committee of

the Scientific Conference RU&SU'12

Awards the Crystal Prize "THE BEST PAPER"

to Assoc. Prof. EMILIJN STANKOV, PhD ,

Prof. KIRIL BARZEV, PhD and KIRIL HADJIEV, PhD

authors of the paper

“Study of electrolysis device and the effect of his joint

work with petrol engine”

РЕКТОР проф. д.т.н. Христо Белоев

RECTOR Prof. DSc Hristo Beloev, DHC

12.11.2012

0 $ '#& & ') # )! 2& 2 #. #&' '...

Documents