С-Петербург, улица Тосина 3
+7 (812) 917-84-85
+7 (921) 316-27-00
Главная » Разное » Водородное топливо для автомобилей

Водородное топливо для автомобилей


Изобретен мощный водородный двигатель для авто

Во Франции создан двигатель, работающий на более дешевом топливе, чем бензин, – серийное производство планируется на 2007 год

Во Франции произошло событие, которое, пожалуй, может вызвать в ближайшие 10-15 лет ни более ни менее как революцию в автостроении. Президент PSA Peugeot Citroёn Жан-Мартин Фольц и исполнительный директор исследовательской организации CEA Ален Бюга представили публике плод почти двухлетних усилий: первый в мире компактный водородный топливный элемент, который при весе 5 кг позволит машине ехать на одной заправке 500 км.

Группа PSA Peugeot Citroën представила общественности экспериментальные модели Peugeot 307 и Citroën C4, оснащенные новым гибридным двигателем. Конструкция данных моделей сочетает в себе двигатель внутреннего сгорания и электрический мотор, что позволяет значительно сократить уровень потребления топлива (3,4 литра на 100 км) и выбросов углекислого газа (90 гр на 1 км). При этом автомобили сохраняют прежний признанный уровень комфорта и отличную управляемость. Более того, благодаря установленному гибридному двигателю, новые автомобили способны работать на низких скоростях на одном электричестве. Таким образом, эффективность гибридных двигателей очевидна, и в настоящее время приоритетным направлением работы группы станет снижение стоимости их производства и последующая установка на серийные модели.

Необходимость защиты окружающей среды и поддержания экологического баланса на планете, а также непрекращающийся рост цен на топливо побуждают автопроизводителей искать новые альтернативные варианты конструкции двигателей. Уже более 10 лет группа PSA Peugeot Citroën ведет разработки в данной области. За это время было налажено производство дизельных двигателей, отличающихся высокой топливной производительностью и низким уровнем выбросов CO2. Замена бензинового двигателя дизельным позволяет сократить потребление топлива минимум на 25%. За последние четыре года PSA Peugeot Citroën реализовала более 1,100,000 экономичных автомобилей с низким уровнем выхлопных газов. Данные показатели делают группу одним из основных мировых производителей автомобилей, наиболее ответственно подходящих к вопросам экологии. Высокие показатели группы во многом определяются и доступной стоимостью производимых средств передвижения.

Фактически изобретатели создали химический электрогенератор большой мощности. Новый мотор разрабатывался в рамках государственной программы GENEPAC (GENérateur Electrique à Pile A Combustible – «генератор электричества топливный, модульный»), поэтому вполне естественно, что презентация инновации состоялась в Париже в присутствии министра образования и науки Франции Жиля де Робьена.

Форд добил электромобили

«После Первой мировой войны о серийных электромобилях надолго забыли – единственным электрокаром, получившим повсеместное распространение, стал троллейбус»

Любопытно, что как зарубежные, так и отечественные СМИ поначалу пропустили это важное событие – сообщения о презентации появились в нефранцузских источниках с задержкой от трех дней до недели.

И это не удивительно: химические источники тока такого типа известны достаточно давно. Топливные элементы на практике применили американцы в рамках своей лунной программы, а на долговременной орбитальной станции NASA Skylab (1973-1979 годы) они были едва ли не основными источниками энергии.

Однако характеристики нового изделия французских ученых являются поистине выдающимися. При заправке 54 л сжатого водорода (вес сжиженного газа составляет при этом всего 5 кг) топливный элемент (ТЭ) выдает мощность в 80 кВт. Это, по мнению конструкторов Peugeot, позволит создать полноценный электромобиль с запасом хода на одной заправке более 500 км.

Здесь необходимо сделать небольшой экскурс в историю. Вообще-то электромобиль появился почти на 20 лет раньше «самобеглой повозки» (как называлось новомодное изобретение в русской прессе тех лет) с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Случилось это в Англии в 1863 году – всего два года спустя после открытия Майклом Фарадеем закона электромагнитной индукции. К 1900 году в Америке было выпущено 1585 автомобилей на электротяге – против 936 экипажей с ДВС.

Строились такие экипажи и в царской России. Их производством занималась компания Яковлева. Это были довольно неуклюжие повозки с огромными емкостями, наполненными соляной кислотой с погруженными в нее электродами, – такие открытые аккумуляторы нашли позднее применение на подводных лодках «доатомной» эры.

Но главным конструктивным недостатком электромобилей тех лет был малый запас хода. Повысить «дальнобойность» электромобилей можно было только одним способом – экстенсивным, увеличивая и без того немалые батареи аккумуляторов. Однако их удельная энергоемкость оставляла желать лучшего.

В начале XX века самые эффективные аккумуляторы вырабатывали 10-15 ватт-часов энергии на один килограмм своей массы – в шесть раз меньше, чем ДВС того времени (для сравнения: один килограмм бензина в баке современной легковушки содержит уже 12 000 ватт-часов энергии). То есть для пробега полсотни километров двухтонному электроэкипажу была необходима 1000-килограммовая батарея! При этом нужно учесть еще и тот факт, что из-за коррозии пластин их каждые два года приходилось менять.

Тем временем ДВС быстро прогрессировали: уменьшался их вес, размеры; с ростом мощности росла и экономичность. Бензин тем временем дешевел, строительство заправок, инициированное фирмой Chevron, набирало обороты. Изобретенный в 1912 году Чарльзом Кеттерингом электрический стартер существенно упростил запуск бензиновых двигателей.

Окончательно добил электромобили (а с ними и паромобили) Генри Форд, который начал массовый выпуск дешевых (от 500 до 1000 долларов) Ford Т. Стоимость же электромобилей только росла: родстер на электротяге 1912 модельного года стоил 1750 долларов, а бензиновый аналог — всего 650.

Гибридные автомобили

Гибридный автомобиль Toyota Prius (фото REUTERS)

После Первой мировой войны о серийных электромобилях надолго забыли – единственным электрокаром, получившим повсеместное распространение, стал троллейбус. Всерьез взяться за разработку коммерчески успешных проектов на альтернативных видах топлива заставил взяться только нефтяной кризис 80-х годов прошлого века.

Автомобильные фирмы вновь заинтересовались электротягой в 70-х годах, на волне первого топливного кризиса. Но к серьезным исследованиям концерны приступили почти десять лет спустя, с принятием в США Акта о чистом воздухе. Тогда сенаторы обязали автопроизводителей Америки к 1998 году довести выпуск абсолютно экологически чистых транспортных средств до 2% от общего объема производства.

Именно поэтому в конце 90-х годов прошлого века в мире появилось так много прототипов электромобилей на топливных элементах с водородным питанием. Но тогда (до появления «французского чуда») аккумуляторных батарей весом всего чуть более 60 кг, которые по удельной энергоемкости могли бы обеспечить привычный автомобилистам запас автономного хода в 350-400 км, никто не придумал.

Конечно, есть еще так называемые гибридные автомобили, где для создания тяги используются оба вида двигателей: ДВС и электрический. Таких машин выпущено уже не мало, есть они и в нашей стране. Например, Toyota Prius продается в России официально с 2004 года и имеет уже немало поклонников.

Гибридные автомобили действительно экономичней классических бензиновых, и спрос на них растет вместе с ценами на нефть. Почти все основные производители заявили подобные машины в своих модельных рядах на ближайшие годы.

Однако ТЭ, созданные по технологии GENEPAC, позволяют создать полностью электрический автомобиль, претендующий на успех не только у фанатов экологии, но и у обычных автовладельцев, глобальными проблемами не интересующихся. При этом все, что потребуется для его работы, – это чистый водород.

16 трлн. долларов

На сегодняшний день водородные двигатели и электрогенераторы уже готовы к запуску в массовое производство (фото REUTERS)

Переходить на водород как источник энергии для автомобилей в виде топлива для ДВС или ТЭ так или иначе придется. Переход к новым методам будет нелегким, в том числе и с экономической точки зрения, и прежде всего для общественного транспорта, но при правильной политике этот процесс будет осуществимым и рентабельным.

«Каменный век закончился не из-за нехватки камней, а нефтяной век завершится намного раньше, чем будут израсходованы все запасы нефти на планете». Эти пророческие слова принадлежат не зеленому утописту, а Заки Ямани – саудовскому шейху, который 20 лет назад был министром нефти в своей стране.

Даже если делать крупные инвестиции в нефтяные разработки в России или где-либо еще, в ближайшие 20 лет квота нефтяного рынка Саудовской Аравии будет лишь увеличиваться. Это очевидно просто исходя из огромных запасов дешевой нефти, которыми располагает регион.

На территории Саудовской Аравии и четырех соседних с ней государств находится две трети мировых разведанных запасов нефти. Риск, что этот поток прекратится, будет оставаться постоянной угрозой и может даже возрасти. Этот факт отодвигает вопрос о цене на второй план.

На сегодняшний день водородные двигатели и электрогенераторы уже готовы к запуску в массовое производство. Практически все нефтяные и энергетические транснациональные корпорации имеют многомиллионные водородные программы. Все мировые автомобильные гиганты имеют по несколько опытных образцов. General Motors, Ford, BMW, Toyota, DaimlerChrysler – все эти компании начали или начнут со следующего года серийное производство своих моделей на топливных элементах.

Единственная причина, по которой это не происходило раньше, – необходимость гигантских инвестиций для создания инфраструктуры, сопоставимой с нефтяной, а также наличие относительно дешевой нефти. По сути, для того чтобы начался процесс перехода к водороду, нужен был лишь какой-то внешний толчок.

Взлет цен на нефть, похоже, и стал таким толчком. Говорить о дороговизне альтернативных источников энергии или огромных инвестициях в водородную инфраструктуру можно при цене в 20 долларов за баррель. Когда цена переваливает за 50, эти аргументы уже не работают. «Если нынешние тенденции сохранятся, миру необходимо будет инвестировать 16 трлн. долларов в течение ближайших трех десятилетий, чтобы обеспечить поддержание роста энергопотребления», – уверен исполнительный директор парижского бюро IEA (Международного энергетического агентства) Клод Мандила.

В свете нынешнего кризиса можно почти не сомневаться, что деньги эти будут потрачены на создание водородной инфраструктуры и развитие других альтернативных источников энергии. Поэтому расчет того, на сколько миру хватит нефти, может оказаться бессмысленным занятием.

Водород как топливо для автомобилей

В настоящее время многие технические вопросы по внедрению водородной энергетики решены. Все ведущие автомобильные компании имеют концептуальные модели машин, работающих на водороде. Существуют станции заправки этих автомобилей. Однако стоимость водорода пока намного выше, чем бензина или природного газа. Чтобы новая отрасль стала коммерчески оправданной, необходимо выйти на новый уровень получения водорода и снизить цену на него.

Получение водорода

Получение водорода электролизом воды

Сейчас известно около десятка методов получения водорода из разных исходных материалов. Самый известный — гидролиз воды, ее разложение при пропускании электрического тока, но он требует больших затрат энергии. Главным направлением снижения энергозатрат при электролизе воды является поиск новых материалов для электродов и электролитов.

Разрабатываются методы получения водорода из воды с использованием неорганических восстановителей — электроотрицательных металлов и их сплавов с добавкой металлов-активаторов. Такие сплавы названы энергоаккумулирующими веществами (ЭАВ). Они позволяют получать из воды любое количество водорода. Еще одним способом выделения водорода из воды может стать ее фотоэлектрохимическое разложение под действием солнечного света.

Получение водорода парофазной переработкой метана

К распространенным методам относятся парофазная переработка метана (природного газа) и термический метод разложения угля и другого биоматериала. Перспективны термохимические циклы производства водорода, парофазные методы конверсии его из каменного и бурого угля и торфа, а также метод подземной газификации угля с получением водорода.

Отдельная тема — разработка катализаторов для получения водорода из органического сырья — продукта переработки биомассы. Но при этом наряду с водородом образуются значительные количества окиси углерода (СО), который необходимо утилизировать.

Получение водорода из биогаза

Еще один перспективный метод — процесс каталитической паровой переработки этанола. Можно также получить водород из угля (как каменного, так и бурого) и даже из торфа. Также все большее внимание привлекает сероводород. Это обусловлено низкими затратами энергии на электролитическое выделение водорода из сероводорода и большими запасами этого соединения в природе — в воде морей и океанов, в природном газе. Сероводород также получается в качестве побочного продукта нефтеперерабатывающей, химической, металлургической промышленности.

Водород можно получать с использованием плазменных технологий. С их помощью можно газифицировать даже самое низкокачественное углеродное сырье, например твердые бытовые отходы. В качестве источника термической плазмы используются плазмотроны — устройства, генерирующие плазменную струю.

Хранение водорода

Для хранения водорода непосредственно в автомобиле существуют следующие способы: газобаллонный, криогенный, металлогидридный.

В первом случае водород хранится в сжатом виде при давлении около 700 атм. При этом масса водорода составляет всего около 3% от массы баллона и для хранения сколько-нибудь заметного количества газа нужны весьма тяжёлые и объёмные баллоны. Это не говоря уже о том, что изготовление, зарядка и эксплуатация таких баллонов требуют особых мер предосторожности из-за опасности взрыва.

Криогенный способ подразумевает сжижение водорода и хранение его в теплоизолированных сосудах при температуре -235 градусов. Это достаточно энергозатратный процесс – сжижение обходится в 30-40% той энергии, которая получится при использовании полученного водорода. Но, как-бы ни была совершенна теплоизоляция, водород в баке нагревается, давление увеличивается и газ стравливается в атмосферу через предохранительный клапан. Всего несколько дней – и баки пусты!

Самыми перспективными являются твердые накопители, так называемые металлогидриды. Эти соединения умеют вбирать в себя, как губка, водород при одних условиях и отдавать при других, например при нагревании. Чтобы это было экономически выгодно, такой металлогидрид должен «впитывать» не менее 6% водорода. Весь мир сейчас ищет подобные материалы. Как только материал будет найден — его подхватят технологи, и процесс «водородизации» пойдет.

Водородное топливо

Водород — наиболее распространённый элемент во вселенной. Его атомы и молекулы присутствуют во всём, что окружает нас — воде, еде, растениях, жидком топливе, природном газе. Водород составляет две трети массы Солнца.

Давно известно, что газ водород — очень лёгкий (молекулярный вес водорода 2, воздуха 29) и взрывоопасный. Первые дирижабли заполняли именно им, однако после жуткой трагедии с «Гинденбургом» его стали применять с опаской.

Преимущества и недостатки топлива из водорода

Все углеводородные виды топлива, особенно нефтяного происхождения, выделяют в окружающую среду много вредных веществ. Это окись кислорода (угарный газ), ряд окислов азота NOx, соединения серы и сажевые частицы. Все эти вредности — продукты сжигания химических соединений, входящих в состав топлива. Человечество тратит огромные средства на устранение токсичных выбросов. Для этого принимают ограничительные стандарты, очищают топливо, дорабатывают выхлопные системы автомобилей.

Если водород применять в качестве топлива, то борьба с вредными выбросами не потребуется — при его сжигании образуется только чистый водяной пар. Другим преимуществом водорода является его огромная теплотворная способность — 120 МДж/м³, это в 2-3 раза превышает количество энергии, получаемой от сопоставимой массы бензина.

Использование водородного топлива позволит на всё проглядываемое будущее обеспечить человечество неиссякаемой энергией. Люди забудут о заканчивающихся нефти и газе, о проблемах с их очисткой, о заболеваниях, связанных с вредными выхлопами двигателей.

Первостепенными задачами сегодня являются освоение производства водородного топлива и разработка технологий использования его в двигателях и других преобразователях энергии.

Поскольку научный мир и производственные сферы давно занимаются исследованиями водородной энергетики, к нашему времени имеются положительные результаты. Одной из первых опыт применения водородного топлива для автомобилей воплотила компания Honda. Ею выпущено 220 серийных авто FCX Clarity с водородными топливными элементами Они стоят дорого, но интенсивно используются и дают ценный опыт эксплуатации.

Другие автопроизводители также активно работают над созданием водородных автомобилей. Уже не один год выпускаются экспериментальными партиями автобусы, грузовики, тепловозы, подводные лодки, погрузчики, работающие на топливных элементах с водородом.

ДВС на газообразном водородном топливе без доработки двигателя используются редко. Это связано с агрессивным воздействием водорода на детали и смазку и особенностями воспламенения чистого водорода. Для такого топлива используют специальные роторные двигатели с разнесенными впускным патрубком и выпускным коллектором.

Схема водородной двигательной установки в автомобиле

Основой водородного автомобиля является водородный топливный элемент, в котором энергия химической реакции превращается в электрическую энергию. Последняя питает электродвигатель, передающий вращающий момент на трансмиссию. Кроме батареи топливных элементов, весящей 67 кг, в авто стоит бак для сжатого водорода объёмом 170 л (давление 350 бар) и литиево-ионный аккумулятор. Топливного элемента хватает примерно на 120 тыс. км, а водородного бака — на 450 км, потом его нужно зарядить на заправочной станции. Время заправки невелико — всего несколько минут.

Химическая реакция происходит между водородом, поступающим из бака, и кислородом из окружающего воздуха. В результате реакции образуются вода и электроэнергия, снимаемая с катода и анода. Выделение энергии водорода происходит не во взрывном, а в спокойном, управляемом режиме.

Пока нет сообщений о водородном топливе для серийных самолётов, но известно об испытаниях компанией Boeing лёгкого самолёта на топливных элементах. Сжиженный при температуре -252 ºС водород используется в космических двигателях.

Кроме описанных выше плюсов, специалисты отмечают и минусы водородного топлива, которые тормозят развитие этого вида энергетики. Они сводятся к следующему:

  • технологии хранения водорода пока несовершенны;
  • отсутствует инфраструктура заправочных станций;
  • отсутствуют стандарты применения, хранения и безопасности;
  • большие объёмы водородных баков требуют уменьшения размеров багажника или увеличения размеров легкового автомобиля;
  • опасность взрыва на водородных автомобилях пока выше, чем на бензиновых и дизельных;
  • водородные автомобили на топливных элементах и чистом водороде обходятся пока дорого и в производстве, и в эксплуатации.

Развитие водородных технологий, техники и транспортных средств на водороде продолжается.

Применение водородного топлива на автотранспорте

Автомобильный транспорт является одним из основных по­требителей нефтяных топлив (на его долю приходится примерно одна восьмая их производства) и одним из основных ис­точников загрязнения окружающей среды. Доля вредных вы­бросов с отработавшими газами автомобильных двигателей со­ставляет 39—63 % общего загрязнения окружающей среды. По оценкам зарубежных экспертов мировые запасы нефти оцениваются в 100 млрд. т,, т. е. рассчитаны на 15 лет по современным тем­пам потребления.

Энергетические и экологические проблемы приобретают в настоящее время первостепенное значение. Решение энергоэкологических проблем в большей или меньшей степени могут обеспечить следующие мероприятия:

  •  создание более совершенных энерго­установок нового типа;
  •  совершенствование рабочего процесса традиционных ДВС и применение систем нейтрализации от­работавших газов;
  •   использование в традиционных ДВС новых в»дов топлива.

В плане решения поставленных проблем, на первый взгляд, большой интерес представляют электрические силовые установ­ки, использующие электрохимические источники энергии — аккумуляторные батареи и электрохимические генераторы.

Несмотря на ряд существенных преимуществ (высокая приспосабливаемость к прерывистому режиму городского движения высокая долговечность, простота технического обслуживания и экологическая чистота), практическое применение электромобиля остается проблематичным по двум основным причинам. Во-первых, для таких автомобилей нет надежных, легких и, главное, достаточно энергоемких электрохимических источников тока. Удельная мощность и энергоемкость аккумуляторных батарей и топливных элементов примерно на порядок ниже, чем современных ДВС. Во-вторых, перевод всего автомобильного парка на питание электрохимическими аккумуляторами вызовет расходование огромного количества электроэнергии на подзарядку аккумуляторов. В промышленно развитых странах суммарная мощность автомобильных двигателей в несколько раз превышает мощность всех электростанций. Кроме того, подавляющая часть электроэнергии вырабатывается при сжигании ископаемых топлив, поэтому энергоэкологическая проблема была бы перенесена из автомобильной сферы в сферу тепловых электростанций.

Разработка и применение для автотранспорта новых типов двигателей, например внешнего сгорания (паровые двигатели и двигатели Стерлинга), позволяют достичь низкого уровня вредных выбросов с продуктами сгорания и обеспечить перспек­тивные жесткие нормы по токсичности. Однако в этом случае не решается проблема дефицита топливных ресурсов. Практи­ческое применение новых схем двигателей для автомобильного транспорта связано с решением ряда сложных технических проблем, особенно это относится к двигателю Стерлинга. Кроме того, перестройка автомобильной промышленности потребовала бы колоссальных капиталовложений. Поэтому возможность широкого внедрения подобных двигателей отодвигается на довольно значительное время.

Решение экологоэнергетической проблемы на автомобильном транспорте путем совершенствования конструкции существующих ДВС предусматривает прежде всего совершенствование рабочего процесса подсистем питания для обеспечения максимальной полноты сгорания на всех режимах работы двигателя, а также применение различных устройств для обезвреживания отработавших газов путем их дожигания, каталитической и жидкостной нейтрализации, фильтрации и т. д. К сожалению, применение этих довольно сложных и дорогостоящих устройств малоэффективно и связано со значительными затратами.

МОТОРНЫЕ СВОЙСТВА ВОДОРОДА И ПРЕДПОСЫЛКИ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ДЛЯ ДВС

Идея использования водорода в качестве топлива для поршневых ДВС не нова. В конце 20-х, начале 30-х гг. текущего столетия в Германии и Англии были начаты разработки водородных маршевых двигателей для аэростатов и под водных лодок. Однако в связи с техническими трудностями по организации рабочего процесса, обусловленными моторными свойствами водорода, а также в связи с отсутствием эффектив ных и безопасных способов его аккумулирования эти работы были приостановлены.

В начале 70-х гг. вследствие обострении энергоэкологической ситуации возврат к водороду как топливу, экологически чистому и имеющему неограниченную сырьевую базу, вполне оправдан.

МОТОРНЫЕ СВОЙСТВА ВОДОРОДА

Пригодность любого вида топлива для транспортных ДВС определяется его моторными свойствами. Водород как моторное топливо обладает рядом особенностей, отличающих его от других видов топлива. Применение водорода позволяет по новому подойти к организации рабочего процесса ДВС, существенно улучшить их топливную экономичность и снизить количество вредных выбросов с отработавшими газами. Водород является одним из наиболее энергоемких топ-лив, его низшая теплотворная способность почти в три раза выше, чем нефтяных моторных топлив, и составляет 120 X 103 кДж/кг. Однако ввиду малого стехиометрического соотношения водород — воздух (для сжигания 1 моля водорода требуется 2,38 молей воздуха, в то время как для 1 моля нефтяных моторных топлив около 50 молей) и низкой плотности водорода теплотворность водородовоздушной смеси стехиометрического состава будет ниже, чем топлнвовоздушных смесей традиционных топлив, что повлечет за собой снижение мощности поршневого двигателя при переводе его на водород.

Сравнительные значения удельной энергоемкости заряда для бензинового и водородного двигателей и характеристики топлив представлены в табл. 1. Приведенные данные показывают, что в водородном двигателе объемное отношение топливо — Еоздух в стехиометрической смеси составляет 0,42, в то время как в бензиновом двигателе — всего лишь 0,02. Высокая объемная доля водорода в топливовоздушной смеси при внешнем смесеобразовании приводит к значительному снижение 'энергоемкости заряда, несмотря на очень высокую теплотворную способность водорода.

Таблица 1. Энергоемкость заряда поршневого двигателя на бензине и водороде.

При стехиометрическом составе смеси энергоемкость заряда водородного двигателя с внешним смесеобразованием на 15 % ниже, чем бензинового двигателя. При внутреннем смесеобразовании, наоборот, энергоемкость заряда водородного двигателя на 12 % выше, что позволяет достичь довольно высоких значений среднего эффективного давления (до 0,85 МПа). Однако на основании имеющихся данных еще нельзя сделать вывод о возможной максимальной литровой мощности водородного двигателя. Ее величина в значительной степени будет зависеть от возможности использования области стехиометрического состава смесей в связи со склонностью к самовоспламенению на впуске, склонностью к детонации и высокой эмиссией оксидов азота. Поэтому состав водородовоздушной смеси на полной мощности может быть ограничен коэффициентом избытка воздуха 1,5.

Большое влияние на рабочий процесс двигателя оказывают свойства топлива, определяющие качество смесеобразования. При использовании водорода в качестве топлива для ДВС могут применяться несколько способов смесеобразования: для двигателей с зажиганием от искры — внешнее и внутреннее (подача водорода как в процессе впуска, так и на линии сжатия); для двигателей с самовоспламенением — внешнее и внутреннее-(подача водорода на линии сжатия и зажигание путем впрыска запальной дозы жидкого углеводородного топлива, а также подача водорода в конце такта сжатия по определенному закону совместно с запальной дозой жидкого углеводородного топлива); для газовых турбин — внутреннее с непрерывной подачей водорода в зону горения.

В случае внешнего смесеобразования степень гомогенности смеси определяется такими свойствами топлива, как температура кипения и диффузионная способность. Водород в этом отношении имеет прекрасные свойства: температура кипения —253 °С, что в любых условиях работы двигателя исключает наличие жидкой фазы водорода в смеси; коэффициент диффузии водорода в воздухе при нормальных условиях составляет 0.63 см2/с, что в восемь раз превышает коэффициент диффузии углеводородных топлив в воздухе.

Указанные свойства водорода обеспечивают формирование высокогомогенной смеси и исключают образование жидкой пленки па поверхностях впускного тракта вследствие переохлаждения смеси в процессе смесеобразования и ее расслоения под действием ускорений в изгибах впускного тракта и пульсаций потока на впуске.

При внутреннем смесеобразовании с подачей топлива на •линии сжатия требования к топливам по скорости формирования гомогенной смеси более жесткие, поскольку время, отводимое на смесеобразование, в этом случае в несколько раз меньше, чем при внешнем смесеобразовании. Указанные свойства Водорода удовлетворяют этим требованиям лучше любого из Углеводородных топлив, как жидких, так и газообразных.

Жесткие требования, предъявляемые к топливам по формированию гомогенной смеси, отпадают при внутреннем смесеобразовании с подачей топлива в конце сжатия, так как оно сгорает по мере подачи в цилиндр. В то же время топливо должно обладать способностью за очень короткий промежуток времени (примерно 1 мс) образовать горючую смесь. Водород, обладая высокой скоростью диффузии, в этом отношении пред. ставляет собой прекрасное топливо. Однако, так как данный способ смесеобразования может быть реализован в сочетании с принудительным зажиганием, могут возникнуть определенные трудности в четком согласовании момента зажигания и момента подачи водорода. Кроме того, могут иметь место определенные проблемы, связанные с аппаратурой впрыска водорода под высоким давлением вследствие его низкой плотности и сжимаемости.

В газотурбинных двигателях из-за большого расхода топлива сгорание водорода должно происходить непрерывно в любых условиях, причем с предварительно смешанными пламенами. При применении водорода, имеющего значительно большую диффузионную способность, также, как и при использовании углеводородных топлив, целесообразным является внут реннее смесеобразование, которое обеспечивает быструю и высокую гомогенизацию смеси в зоне сгорания.

Особенности рабочего процесса двигателей, работающих на водороде, определяются главным образом свойствами водороде-воздушной смеси, а именно: пределами воспламенения, температурой и энергией воспламенения, скоростью распространения фронта пламени, расстоянием гашения пламени. Все эти свойства у водорода на порядок лучше, чем у углеводородных топлив.

Пределы воспламенения. Пределы изменения составов топ-ливовоздушных смесей, при которых возможно их воспламенение и сгорание, называют пределами воспламенения и оценивают либо в объемных долях содержания топлива в смеси, либо коэффициентом избытка воздуха. Пределы воспламенения определяются экспериментально и их значения зависят от метода определения и условий эксперимента.

Объемная доля нижнего предела водородовоздушной смеси при нормальных условиях составляет 0,04—0,1, верхнего — 0,7—0,8, для бензина соответственно — 0,014—0,024 и 0,04-0,08, для метана -0,05—0,06 и 0,127—0,150.

С точки зрения моторных свойств топлива наибольший интерес представляет нижний предел воспламенения, так как он позволяет оценить степень эффективного обеднения топли-вовоздушной смеси и определяет способ регулирования двигателя. Для водорода он в несколько раз выше, чем для углеводородных топлив. Даже при низких температурах возможно качественное регулирование мощности двигателя, что позволяет получить высокую топливную экономичность по сравнению с бензиновым двигателем в широком диапазоне нагрузок и частот вращения.

Рис. 1. Зависимость между температурой и пределом воспламенения водорода в воздухе. 1 - Верхний предел, 2 - нижний предел.

Рис. 2. Температура воспламенения по Преттру.

Температура воспламенения. Под температурой воспламенения понимают температуру, при которой смесь после определенного воздействия воспламеняется и продолжает гореть Наиболее точные данные по температурам воспламенения водородовоздушных смесей можно найти у В. Иоста.

начения температур воспламенения для водородовоздушной смеси вблизи стехиометрического состава колеблются в широких пределах в зависимости от метода и условий исследования. Максимальное отклонение результатов превышает 500 °С, поэтому указать пределы температур воспламенения, соответствующие условиям воспламенения в ДВС, весьма трудно. Наиболее близкими, вероятно, следует считать температуры, полученные Диксоном и Крофтом по методу адиабатического сжатия. Они покачали, что с уменьшением концентрации водорода в воздухе температура воспламенения понижается. Это же подтверждается и результатами исследований Преттра (рис. 2).

Рис. 3. Зависимость температуры воспламенения водорода в смеси с сухим воздухом от давления (цифры на кривых — период индукции в секундах).

Определенное влияние на температуру воспламенения водо, родовоэдушной смеси оказывает давление, при котором она находится. Зависимость температуры воспламенения от давления (рис. 3), полученная Диксоном по методу смешения предварительно подогретых газов в концентрических трубках, показывает, что при снижении давления ниже 0,1 МПа температура воспламенения резко падает, а при давлении ниже 0,01 МПа воспламенение вообще оказывается невозможным.

Большие периоды индукции, полученные Диксоном, по мнению В. Иоста, определяются не столько химическими процессами, сколько качеством смесеобразования. Подтверждением этому могут служить данные Преттра и ряда других авторов, которые при весьма тщательных исследованиях водородовоз-душных смесей не смогли обнаружить заметных периодов индукции.

На основании анализа, проведенного выше, точно установить температуру воспламенения водородовоздушных смесей не представляется возможным, но можно оценить пределы, в которых она изменяется. При давлении р: = 0,1 МПа интервал температур воспламенения водорода в воздухе находится в пределах 530—630 0С, что несколько выше, чем у бензина.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДОРОДА В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Моторные свойства водорода позволяют сделать некоторые предположения о возможности и целесообразности применения водорода в качестве топлива для современных автомобильных двигателей.

Широкие концентрационные пределы сгорания водорода в воздухе (а = 0,15 - 10) дают возможность перейти к качественному регулированию двигателей, работающих по циклу Отто. Применение качественного регулирования значительно снизит насосные потери, что в сочетании с другими факторами (улучшением полноты сгорания, превосходным смесеобразованием и стабильностью состава смеси по цилиндрам) может существенно повлиять на увеличение эффективного КПД двигателя.

Известно, что степень совершенства любого двигателя определяется тем, насколько его реальный цикл соответствует теоретическому. Для ДВС с искровым зажиганием, работающих по циклу с подводом тепла при постоянном объеме, это соответствие определяется скоростью сгорания, так как теоретический Чикл предполагает мгновенный подвод тепла, т. е. бесконечную скорость сгорания. В этом плане реальный цикл двигателя при работе на водороде намного ближе к теоретическому, чем при работе на любом углеводородном топливе.

Широкие концентрационные пределы и высокая скорость сгорания водорода в воздухе дают возможность организовать качественное регулирование рабочего процесса двигателя, npj этом даже на полной нагрузке коэффициент избытка воздуха ниже единицы использовать нецелесообразно. Сравнивая КПД бензинового двигателя, для которого оптимальный коэффициент избытка воздуха равен 0,85—0,9, и водородного двигателя, можно отметить, что теоретически КПД последнего должен быть на 10—15 % выше. На частичных нагрузках в двигателе с количественным регулированием значительное влияние на снижение КПД оказывает дросселирование, этого можно избежать в водородном двигателе при качественном регулировании.

Наряду с указанным определенное положительное влияние на КПД водородного двигателя может оказать меньшая теплоотдача в стенки камеры сгорания вследствие более низкой из-лучательной способности водородного пламени по сравнению с углеводородным.

Высокие скорости сгорания водородовоздушной смеси в широком диапазоне коэффициентов избытка воздуха дают гарантию стабильного протекания рабочего процесса на всех режимах работы двигателя, однако при сгорании смесей, по составу близких к стехиометрическому за счет очень высокой ско-рости сгорания возможно резкое увеличение скорости нарастания давления в цилиндре по сравнению с циклом на бензине. Это в свою очередь предполагает более высокую максимальную температуру цикла водородного двигателя.

Более высокие температуры цикла и наличие свободного кислорода в камере сгорания (а = 1,0 - 1,15) на режимах полных нагрузок водородного двигателя должны способствовать более интенсивному образованию оксидов азота, чем в бензиновом двигателе. Однако на частичных нагрузках за счет качественного регулирования (а > 1,5) возможно резкое снижение эмиссии оксидов азота до незначительного уровня. Наличие каких-либо других токсичных веществ в отработавших газах водородного двигателя практически исключается. Это предполагает возможность создания экологически чистого автомобильного двигателя.

Учитывая широкие концентрационные пределы и высокую скорость сгорания водорода и его высокий коэффициент диффузии, он может быть использован в качестве добавки, инициирующей процесс сгорания бедных углеводородовоздушных смесей.

Применение водорода в качестве дополнительного топлива для бензиновых автомобильных двигателей открывает возможность принципиально нового подхода к организации рабочего процесса. При минимальной модификации современного бензинового двигателя, касающейся в основном системы питания, можно значительно повысить его топливную экономичность и резко снизить уровень токсичности отработавших газов.

Рис. 4. Сравнение способов хранения водорода и бензина: 1 — бензиновый бак; 2 — криогенный бак для Lh3; 3 — гндридный аккумулятор для FeTiHx; 4 — баллоны высокого давления (40 МПа); 5 — бак для Н2 при нормальных условиях.

Обсуждая возможности применения водорода для автомобильных двигателей, нельзя обойти такой важный вопрос, как хранение водорода на транспортном средстве.

В отличие от стационарных потребителей энергии и электрического транспорта, связанного с линией электропередачи, большинство транспортных средств требует аккумулирования и транспортировки на борту значительного количества энергии, необходимой для их движения. Сегодня задача аккумулирования энергии решается в основном за счет транспортировки на борту жидких углеводородных топлив.

Водород, в отличие от углеводородных топлив, имеет очень низкую плотность и при атмосферных условиях может существовать только в газообразной фазе. Это ставит проблему компактного хранения его на транспортном средстве, в частности на автомобиле.

ЭНЕРГОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВОДОРОДНОГО ДВС

Энергоэкологические показатели ДВС существенно зависят от применяемого топлива. Объективно оценить эти показатели можно путем анализа термодинамических параметров рабочего тела на различных стадиях рабочего процесса. С этой целью были выполнены расчеты теоретического цикла ДВС с учетом равновесного состава продуктов сгорания на водороде, смеси бензина с водородом в различных соотношениях и на бензине в широком диапазоне коэффициентов избытка воздуха и степеней сжатия.

СОСТАВ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

В процессе сгорания под действием высоких температур происходит термическая диссоциация (распад) сложных молекул на более простые молекулы, радикалы и атомы. При этом диссоциация сопровождается затратами энергии на разрыв молекулярных связей и увеличением энергии продуктов распада, что ведет к снижению максимальной температуры и полезного тепловыделения в циклах ДВС.

Вследствие диссоциации в составе рабочего тела увеличивается количество легких одно- и двухатомных газов, в результате чего его молекулярная масса снижается. Поэтому а случае изохорного процесса сгорания диссоциация ведет к увеличению давления продуктов сгорания. В свою очередь повышение давления при горении подавляет все реакции, протекающие с увеличением числа молей, и ведет к рекомбинации, т. е. к соединению ранее диссоциированных молекул и атомов.

Таким образом, степень диссоциации продуктов сгорания определяется двумя основными факторами — максимальной температурой и степенью повышения давления. Безусловно, определяющим фактором является температура. Состав продуктов сгорания в общем случае обусловливается в основном химическим составом топлива и составом топливовоздушной смеси, т. е. коэффициентом избытка топлива. При диссоциации па него оказывают существенное влияние температура и давление процесса сгорания.

На рис. 5 показаны зависимости равновесного состава продуктов сгорания от коэффициента избытка воздуха а для бен-зоводородовоздушных смесей. Поле, ограниченное кривыми концентраций компонента, например NO, соответствует его концентрации в продуктах сгорания бензоводородовоздушных смесей различного состава. Расчеты проведены при степени сжатия e = 8,5 и начальных параметрах рабочего тела Т — 320 К и Р — 0,08 МПа. Равновесный состав продуктов сго-рания водородовоздушной смеси содержит минимальное число компонентов.

Рис. 5. Равновесный состав продуктов сгорания бекзоводородовоз-душных смесей (сплошные линии — 100 % водорода; штриховые — 100% бензина). Рис. 6. Содержание радикалов в продуктах сгорания бензоводородо-воздушных смесей (сплошные линии — 100 % водорода; штриховые — 100 % бензина).

Увеличение доли водорода в составе условного топлива од. нозначно ведет к увеличению содержания оксидов азота в продуктах сгорания, в результате чего с уменьшением отношения С/Н изоконцентрационные уровни NO смещаются в область более бедных смесей. Однако, учитывая возможность значительного расширения пределов сгорания топливовоздушных смесей, обогащенных водородом, в область бедных составов, представляется возможным достичь очень низких уровней или исключить полностью оксиды азота из ОГ

Скачать полностью книгу (формат DJVU 1,7Mb) Автор - Мищенко А.И., Киев - 1984 г.

Смотрите также

 

"Питер - АТ"
ИНН 780703320484
ОГРНИП 313784720500453

Новости