Применение газообразного водорода при внутреннем смесеобразовании возможно как в двигателях с электрическим зажиганием, так и в дизелях. При электрическом зажигании водород подается через автоматические или управляемые клапан-форсунки в начале процесса сжатия, что позволяет уменьшить утечки водорода по сравнению с внешним смесеобразованием, понизить температуру и давление водорода перед клапан-форсункой. Размеры клапан-форсунки определяются, как и в случаях использования других горючих газов, теплотой сгорания и массовой плотностью водорода, составом смеси, продолжительностью подачи и критическим перепадом давлений. Расчеты показывают, что при одинаковой продолжительности подачи водорода время-сечение клапан-форсунки должно быть больше, чем при использовании природных горючих газов и стехиометрическом составе смеси (в 2,5-3 раза).
Для уменьшения возможности детонации при а, близких к стехиометрическим, высоких е или воздушном охлаждении двигателя водород следует подавать в конце сжатия.
Дозирование в автоматических клапан-форсунках осуществляется специальными устройствами-дозаторами. В дозаторах поступающий через штуцер 1 водород с помощью вращающегося золотника с прорезью в нужном количестве пропускается к штуцеру, соединенному с клапан-форсункой.
На рисунке показана схема подачи водорода в дизель. В схеме предусматривается предотвращение прорыва пламени из цилиндров в водородную магистраль пористым пламя-гасителем, изготовленным из порошковых материалов. Колебания давления водорода снижаются в расширительном бачке 8. Включение и выключение подачи водорода при частоте вращения п.=200 об/мин осуществляется электромагнитным клапаном 12, питающимся от электро-тахометра типа ТЭ45 (о подаче водорода сигнализирует лампа 13). К двухкомпонентной форсунке подводятся водород под давлением, превышающим максимальное давление сгорания на 0,5 МПа, и дизельное топливо от топливной системы дизеля. Регулированием пружин 1 и 2 осуществляется подача 30% дизельного топлива и 70% водорода (по массе) через распылитель форсунки, открываемый иглой 4, связанной с поршнем 3. Время впрыскивания смеси определяется положением рейки насоса.
При применении сжиженного водорода и внутреннего смесеобразования без предварительного испарения можно уменьшить размеры форсунок, снизить тепло-напряженность, повысить эффективные показатели двигателя (по сравнению с использованием газообразного водорода при электрическом зажигании), осуществить самовоспламенение водорода при высоких степенях сжатия и регулирование сгорания изменением закономерности подачи водорода. При разработке такой топливной аппаратуры можно учесть опыт создания впрыскивающей аппаратуры для бензина.
При конструировании топливной аппаратуры для подачи сжиженного водорода необходимо предусмотреть теплоизоляцию ее элементов, возможность образования газовых пробок, абразивных и засоряющих частиц из переохлажденного воздуха, частиц конструкционных материалов и других загрязнений.
При создании систем подачи сжиженного водорода в цилиндры должны быть учтены его особенности-высокая проницаемость, низкая температура, малые плотность и вязкость, повышенная сжимаемость, малая скорость распространения волн давления в трубопроводах, плохие смачивающие и смазывающие свойства, большие, чем у бензинов, теплота парообразования и летучесть.
Водород можно окислять не воздухом, а технически чистым кислородом. Это позволяет повысить удельную мощность и экономичность двигателя и полностью избавиться от окислов азота в отработавших газах. Запас сжиженного кислорода необходимо хранить в криогенных баках. Массоразмерные показатели силовой установки при этом практически не изменятся, а затраты энергии на транспортирование окислителя сократятся по сравнению с транспортированием воздуха и отработавших газов в двигателе, как показывают расчеты, в 10-15 раз. Регулирование температур сгорания и предотвращение детонации возможно перепуском части паров воды из выпускной системы во впускную, подачей воды и применением очень богатых или очень бедных горючих смесей.
В первом случае для устранения потерь водорода необходимо отделение его от паров воды их конденсацией и возвращение водорода в топливную или впускную систему двигателя. На рисунке показана одна из возможных схем системы питания двигателя водородом и кислородом с возвращением чистого водорода или в смеси с парами воды во впускную систему.
