Водневий двигун

Застосування водню в якості палива для автомобілів. Cleandex

31.08.2015

Застосування водню в якості палива для автомобілів
Історія розвитку водневих автомобілів в Росії

Відомо, що в 30-ті роки минулого століття в Радянському Союзі в МВТУ їм Н.Е. Баумана Сороко-Новицький в. І. (зав. кафедрою «Легкі двигуни» до 1937 р.) спільно з А. К. Курениным досліджував вплив добавок водню до бензину на двигуні ЗІС-5. Відомі також роботи по використанню в якості палива водню. які проводильсь в нашій країні Ф. Б. Перельманом. Проте практичне застосування водню як моторного палива почалося в 1941 році. У Велику Вітчизняну війну в блокадному Ленінграді технік-лейтенант Шелищ Б. В. запропонував використовувати водень. «відпрацьована» в аеростатах, як моторне паливо для двигунів автомобіля ГАЗ-АА.

Застосування водню в якості палива для автомобілів. Cleandex

Малюнок 1. Пост ППО Лениградского фронту ВВВ, обладнаний водороднгой установкою

На рис. 1 на задньому плані видно спущений на землю водневий аеростат, з якого водень перекачується в газгольдер, розташований на передньому плані. З газгольдера з «отработашим» воднем газоподібне паливо за допомогою гнучкого шлангу подається в двигун внутрішнього згоряння автомобіля ГАЗ-АА. Загороджувальні аеростати піднімалися на висоту до п’яти кілометрів і були надійним протиповітряним засобом оборони міста, не дозволяючи літакам супротивника здійснювати прицільне бомбометання. Для опускання аеростатів, частково втратили свою підйомну силу було потрібно велике зусилля. Ця операція здійснювалася з використанням механічної лебідки, встановленої на автомобіль ГАЗ-АА. ДВС обертав лебідку для опускання аеростатів. В умовах гострого дефіциту бензину були переобладнані для роботи на водні кілька сотень постів ППО, на яких використовувалися автомобілі ГАЗ-АА, що працюють на водні.

Після воїни в сімдесяті роки минулого століття Бріса Ісаковича неодноразово запрошували на різні наукові конферкнции, де у своїх виступах він докладно розповідав про тих далеких героїчних днями. Один з таких заходів — I Всесоюзна школа молодих вчених і спеціалістів з проблем водневої енергетики і технології. організована за ініціативою ЦК ВЛКСМ, Комісії АН СРСР з водневої енергетики, Інститутом атомної енергії їм В. В. Курчатова і Донецьким політехнічним інститутом, проводилася у вересні 1979 року за півроку до його смерті. Борис Иссакович свою доповідь «Водень замість бензину» на секції «Технологія використання Водню» зробив 9 вересня.

у сімдесяті роки В кількох науково-дослідних організаціях СРСР інтенсивно проводилися роботи з використання водню як палива. Найбільш відомі такі організації як Центральний науково-дослідний автомобільний і автомоторний інститут (НАМИ), Інститут проблем машинобудування АН УРСР (ІПМАШ АН УРСР), Сектор механіки неоднорідних середовищ АН СРСР (СМНС АН СРСР), Завод-ВТУЗ при Зілі та ін. зокрема, НАМИ під керівництвом Шатрова Е. В. починаючи з 1976 року були проведені науково-дослідні та дослідно-конструкторські роботи по створенню водневого мікроавтобуса РАФ 22034. Була розроблена система живлення двигуна дозволяє працювати на водні. Вона пройшла повний комплекс стендових і лабораторно-дорожніх випробувань.

Застосування водню в якості палива для автомобілів. Cleandex

Малюнок 2. Зліва направо Наметів Е. В. Кузнєцов В. М. Раменський А. Ю.

На рис. 2 фотографії зліва на право: Наметів Е. В — науковий керівник проекту; Кузнєцов В. М. — керівника групи водневих двигунів; Раменский А. Ю. — аспірант НАМИ, внесли значний внесок в організацію і проведення НДДКР по створенню водневого автомобіля. Фотографії стендів для випробування двигуна, що працює на водні та мікроавтобуса РАФ 22034, що працює на водні і бензоводородных паливних композиціях (БВТК), представлені на рис. 3 і 4.

Застосування водню в якості палива для автомобілів. Cleandex

Малюнок 3. Моторний відсік Болкса №20 для випробувань ДВЗ на водні Відділу мотрорных лабораторій НАМИ

Застосування водню в якості палива для автомобілів. Cleandex

Малюнок 4. Водневий мікроавтобус РАФ (НАМИ)

Перший дослідний зразок мікроавтобуса був побудований НАМИ в період 1976-1979 році (рис. 4). Починаючи з 1979 року в НАМИ здійснювалися його лабораторно-дорожні випробування і дослідна експлуатація.

Паралельно роботи зі створення автомобілів, що працюють на водню велися в ІПМАШ АН УРСР і СМНС АН СРСР і Заводі-Втузі при Зілі. Завдяки активній позиції академіка Струминского Ст. Ст. (рис. 5), керівника СМНС АН СРСР кілька зразків мікроавтобусів використовувалися на ХХІІ літніх Олімпійських іграх в Москві в 1980 році.

Застосування водню в якості палива для автомобілів. Cleandex

Малюнок 5. Зліва направво Легасов Ст. А. Семененко К. Н. Струмінський Ст. Ст.

Як головний інститут Міністерства автомобільної промисловості СРСР НАМИ співпрацював з вказаними вище організаціями. Прикладом такої співпраці були спільні дослідження з Іпмаш АН УРСР, директором якого в ті часи працював член-кореспондент АН УРСР Підгорний А. Н. В галузі застосування водню на автомобілі слід звернути увагу на роботи керівників провідних підрозділів інституту: Варшавського В. Л. Міщенко А. В. Солов’я Ст. Ст. і багатьох інших (Мал. 6).

Застосування водню в якості палива для автомобілів. Cleandex

Малюнок 6. Співробітники ІПМАШ АН УРСР, зліва направо Підгорний А.Н. Варшавський В. Л. Міщенко А. В.

Широко відомі розробки цього інституту по створенню автомобілів і автонавантажувачів, що працюють на БВТК з металогідридними системами зберігання водню на борту.

Іншим прикладом співпраці НАМИ з провідними НДІ країни була робота по створенню металогідридних систем зберігання водню на автомобілі. В рамках консорціуму по створенню металогідридних систем зберігання співпрацювали три провідні організації: ІАЕ ім В. В. Курчатова, НАМИ і МДУ їм М. в. Ломоносова. Ініціатива створення такого консорціуму належала академіку Легасову Ст. А. Інститут атомної енергії ім В. В. Курчатова був головним розробником металогідридні системи зберігання водню на борту автомобіля. Керівником проекту був Чернилин Ю. Ф. активними учасниками робіт були Удовенко А. Н. і Столяревський А. Я.

Металогідридні з’єднання розробив і виготовив в необхідній кількості МДУ їм. М. В. Ломоносова. Ця робота велася під керівництвом Семененко К. Н. завідувача кафедри хімії та фізики високих тисків. 21 листопада 1979 року були зареєстровані в Державному реєстрі винаходів СРСР заявки №№ 263140 і 263141 з пріоритетом винаходу 22 червня 1978 року. Авторські свідоцтва на сплави-акумулятори водню А. С. №722018 і №722021 від 21 листопада 1979 р. були одними з перших винаходів у цій галузі в СРСР і в світі.

У винаходах пропонувалися нові склади, що дозволяють істотно збільшити кількість запасаемого водню. Це досягалося шляхом модифікації складу і кількості компонентів у сплавах на основі титану або ванадію.Такі композиції дозволили добитися концентрації від 2.5 до 4.0 масових відсотків водню. Виділення водню з интерметаллида здійснювалося в інтервалі температур 250-400°С. Цей результат і донині є практично максимальним досягненням для сплавів такого типу. У розробці сплавів брали участь науковці провідних наукових організацій СРСР, пов’язаних з розробкою матеріалів і пристроїв на базі гідридів інтерметалічних сплавів — МДУ їм. М. В. Ломоносова (Семененко К. Н. Вербецький Ст. Н. Мітрохін С. В. Парасольок В. С.); НАМИ (Наметів Е. В. Раменський А. Ю.); Імаш АН СРСР (Варшавський В. Л.); Заводу-Втузу при ЗІЛ (Гусаров Ст. Ст. Кабалкин В. Н.). У середині вісімдесятих років випробування металогідридні системи зберігання водню на борту мікроавтобуса РАФ 22034, що працює на БВТК, проводилися у Відділі двигунів на газових та інших видах альтернативних палив НАМИ (зав. відділом Раменський А. Ю.). Активну участь у роботі брали співробітники відділу: Кузнєцов В. М. Голубченко Н.І. Іванов А. В. Козлов Ю. А. Фотографія металогідридні системи зберігання водню для мікроавтобуса представлена на рис. 7.

Застосування водню в якості палива для автомобілів. Cleandex

Малюнок 7. Водневий автомобильныйметаллогидридный акумулятор водню (1983)

На початку вісімдесятих років почало зароджуватися новий напрямок застосування водню в якості палива для автомобілів, що в даний час розглядається як основна тенденція. Цей напрямок пов’язаний зі створенням автомобілів що працюють на паливних елементах. Створення такого автомобіля здійснювалося в НПП «Квант». Під керівництвом Н.С. Лідоренко. Автомобіль вперше був представлений на міжнародній виставці «Електро-82″ в 1982 р. в Москві (рис. 8).

Застосування водню в якості палива для автомобілів. Cleandex

Малюнок 8. Водневий мікроавтобус РАФ на паливних элементад (НПП «КВАНТ»)

У 1982 мікроавтобус РАФ, на борту якого були змонтовані електрохімічні генератори і був встановлений електричний привід, демонструвався заступнику міністра автомобільної промисловості Е.А. Башинджагяну. Демонстрував автомобіль сам Н.С. Лідоренко. Для досвідченого зразка, автомобіль на паливних елементах, мав непогані ходові якості, про що не без задоволення відзначили всі учасники перегляду. Планувалося здійснювати цю роботу спільно з предриятиями Мінавтопрому СРСР. Проте в 1984 році Н.С. Лідоренко залишив пост керівника підприємства, може бути з цим пов’язано те обставина, що ця робота не отримала свого продовження. Створення першого російського водневого автомобіля на паливних елементах, спорудженому колективом підприємства понад 25 років могла б претендувати на історичну подію в нашій країні.

Особливості ДВС при роботі на водні

По відношенню до бензину водень має в 3 рази більшу теплотворну здатність, в 13-14 разів меншу енергію запалення, і, що істотно для ДВЗ, більш широкі межі займання паливно-повітряної суміші. Такі властивості водню роблять його надзвичайно ефективним для застосування в ДВС, навіть в якості добавки. У той же час до недоліків водню як палива можна віднести. падіння потужності ДВЗ в порівнянні з бензиновим аналогом; «жорсткий» процес згоряння водородовоздушных сумішей в області стехіометричного складу. що призводить до детонації на режимах високих навантажень. Ця особливість водневого палива вимагає змін конструкції ДВЗ. Для існуючих двигунів необхідно застосовувати водень в композиції з вуглеводневими паливами, наприклад з бензином. чи природним газом.

Наприклад, організацію паливоподачі бензоводородных паливних композицій (БВТК) для існуючих автомобілів необхідно здійснювати таким чином, щоб на режимах холостого ходу і часткових навантажень двигун працював на паливних композиціях з високим вмістом водню. По мірі зростання навантажень концентрація водню повинна знижуватися і на режимі повного дроселя подачу водню необхідно припинити. Це дозволить зберегти потужностні характеристики двигуна на колишньому рівні. На рис. 9 представлені графіки зміни економічних і токсичних характеристик двигуна з робочим об’ємом 2,45 л. та ступенем стиснення 8,2 од. від складу бензоводородовоздушной суміші і концентрації водню в БВТК.

Застосування водню в якості палива для автомобілів. Cleandex

Малюнок 9. Економічні і токсичні характеристики ДВЗ на водні і БВТК

Регулювальні характеристики двигуна по складу суміші при постійній потужності Ne=6,2 квт і частотою обертання колінчастого вала n=2400 об/хв дають можливість уявити, як змінюються показники двигуна при роботі на водні, БВТК і бензині.

Силові і швидкісні показники двигуна для випробувань вибрані таким чином, щоб вони найбільш повно відбивали умови експлуатації автомобіля в міських умовах. Потужність двигуна Ne=6,2 квт і частота обертання колінчастого вала n=2400 об/хв відповідає руху автомобіля. наприклад «ГАЗЕЛЬ» з постійною швидкістю 50-60 км/год по горизонтальній, рівній дорозі. Як видно з графіків, по мірі збільшення концентрації водню в БВТК ефективний ККД двигуна зростає. Максимальне значення ККД при потужності 6,2 квт і частотою обертання колінчастого вала-2400 об/хв досягає на водні 18,5 відсотків. Це в 1,32 рази вище, ніж при роботі двигуна на цій же навантаженні на бензині. Максимальне значення ефективного ККД двигуна на бензині становить на цій навантаженні 14 відсотків. При цьому склад суміші відповідає максимальному ККД двигуна (ефективний межа збіднення) зміщується в бік бідних сумішей. Так при роботі на бензині ефективний межа збіднення паливно-повітряної суміші відповідав коефіцієнту надлишку повітря (а) дорівнює 1,1 одиниці. При роботі на водні коефіцієнт надлишку повітря відповідний ефективного межі зубожіння паливно-повітряної суміші а=2,5. Не менш важливим показником роботи автомобільного двигуна внутрішнього згоряння на часткових навантаженнях є токсичність відпрацьованих газів (ОГ). Дослідження регулювальних характеристик двигуна по складу суміші на БВТК з різними концентраціями водню показали, що по мірі збіднення суміші концентрація окису вуглецю (СО) у відпрацьованих газах знижувалася практично до нуля незалежно від виду палива. Збільшення концентрації водню в БВТК призводить до зниження викидів з відпрацьованими газами вуглеводнів СпНм. При роботі на водні концентрація цього компонента на окремих режимах падала до нуля. При роботі на цьому виді палива викид вуглеводнів багато в чому визначався інтенсивністю згоряння в камері згоряння ДВЗ. Утворення оксидів азоту NxOy, як відомо, не пов’язане родом палива. Їх концентрація в ОГ визначається температурним режимом горіння паливно-повітряної суміші. Можливість роботи двигуна на водні і БВТК в діапазоні бідних складів сумішей дозволяє знизити максимальну температуру циклу в камері згоряння ДВЗ. Це суттєво зменшує концентрацію оксидів азоту. При збіднінні паливно-повітряної суміші більше а=2, концентрація NxOy знижується до нуля. У 2005 році НАВЭ розроблений мікроавтобус ГАЗЕЛЬ, який працює на БВТК. У грудні 2005 року він був представлений на одному із заходів, що проводяться в Президії Російської академії наук. Презентація мікроавтобуса була приурочена до 60 річчя президента НАВЭ П. Б. Шелища. Фотографія бензоводородного мікроавтобуса представлена на Рис.10.

Застосування водню в якості палива для автомобілів. Cleandex

Малюнок 10. Водневий мікроавтобус «Газель»(2005 р.)

Для оцінки надійності бензоводородной апаратури і пропаганди перспектив водневої економіки, насамперед у сфері автомобільного транспорту, НАВЭ провела з 20 по 25 серпня 2006 року автопробіг водневих автомобілів. Пробіг здійснювався за маршрутом Москва — Н.Новгород — Казань — Нижньокамськ — Чебоксари — Москва довжиною 2300 км Автопробіг був приурочений до Першого всесвітнього конгресу «Альтернативна енергетика та екологія». У пробігу брали участь два водневих автомобіля. Другий вантажний багатопаливні автомобіля ГАЗ 3302, працював на водні, стиснутому природному газі, БВТК і бензині. Автомобіль був оснащений 4 полегшеними склопластиковими балонами з робочим тиском 20 мпа. Маса бортової системи зберігання водню становить 350 кг. Запас ходу автомобіля на БВТК становив 300 км.

За підтримки Федерального агентства з науки та інновацій НАВЭ при активній участі Московського енергетичного інституту МЕІ (ТУ), Автокомбината №41, Інженерно-технічного центру «Водневі технології та ТОВ «Славгаз» був створений дослідний зразок автомобіля ГАЗ-330232 «ГАЗЕЛЬ-ФЕРМЕР» вантажопідйомністю 1,5 тонни, що працює на БВТК з електронною системою подачі водню і бензину. Автомобіль оснащений трехкомпонентным нейтралізатором ОГ. На рис. 11 представлені фотографії автомобіля і коплект електронної апаратури для подачі водню в ДВС.

Застосування водню в якості палива для автомобілів. Cleandex

Малюнок 11. Дослідний зразок автомобіля ГАЗ-330232 «ГАЗЕЛЬ-ФЕРМЕР»

Перспективи впровадження водню на автомобільному транспорті

Найбільш перспективним напрямком в області використання водню для автомобільної техніки є комбіновані енергоустановки на базі електрохімічних генераторів з паливними елементами (ПЕ). При цьому, необхідною умовою є отримання водню з відновлюваних, екологічно чистих джерел енергії, для виробництва яких, в свою чергу, повинні використовуватися екологічно чисті матеріали і технології.

На жаль, в найближчій перспективі застосування таких високотехнологічних транспортних засобів в широкому масштабі проблематично. Це пов’язано з недосконалістю ряду технологій, які застосовуються при їх виробництві, недостатньою опрацьованістю конструкції електрохімічних генераторів, обмеженістю і високою вартістю застосовуваних матеріалів. Наприклад, питома вартість одного кВт потужності ЕХГ на паливних елементах досягає 150-300 тисяч рублів (при курсі російського рубля 30 руб/дол США). Іншим важливим елементом стримування просування на автомобільному ринку водневої техніки з паливними елементами є недостатня відпрацювання конструкції таких АТС у цілому. Зокрема, відсутні достовірні дані при випробуванні автомобіля на паливну економічність в умовах реальної експлуатації. Як правило, оцінка ефективності роботи енергоустановки установки здійснюється на основі вольт-амперної характеристики. Така оцінка ефективності не відповідає прийнятій в практиці двигунобудування оцінки ефективного ККД ДВС, при розрахунку якого враховуються також і всі механічні втрати, пов’язані з приводом агрегетов двигуна. Немає достовірних даних щодо паливної економічності автомобілів в реальних умовах експлуатації, на величину яких впливає необхідність обслуговування додаткових бортових пристроїв і систем, що встановлюються на автомобілі як традиційно, так і в’язані з особливостями констракции автомобілів на паливних елементах. Немає достовірних даних і за оцінкою ефективності в умовах негативних температур, при яких необхідно здійснювати підтримання температурного режиму, що забезпечує працездатність як самої енергоустановки та подаваного палива, так і підігрів кабіни водія або салону з пасажирами. Для сучасних автомобілів робочий режим експлуатації може досягати -40 оС, це особливо треба враховувати в російських умовах експлуатації.

Як відомо, в паливних елементах вода є не тільки продуктом реакції взаємодії водню і кисню, але і активно бере участь в робочому процесі генерації енергії, змочуючи твердополимерные матеріали, що входять в конструкцію паливних комірок. У сучасній технічній літературі відсутні дані про надійності і довговічності паливних елементів в умовах низьких температур. Дуже суперечливі дані публікуються в літературі і по довговічності роботи ЕХГ на ТЕ.

У зв’язку з цим, цілком закономірним є просування рядом провідних світових автовиробників транспортних засобів, що працюють на водні, оснащених двигунами внутрішнього згоряння. В першу чергу, це такі відомі компанії як BMW і Mazda. Двигуни автомобілів BMW Hydrogen-7 і Mazda 5 Hydrogen RE Hybrid (2008) успішно конвертовані на водень.

З точки зору надійності конструкції, відносної низької вартості одного кВт встановленої потужності енергоустановки на базі двигунів внутрішнього згоряння працюють на водні значно перевершують ЕХГ на ТЕ, однак ДВС мають, як прийнято вважати, менший ККД. Крім того, у відпрацьованих газах двигуна внутрішнього згорання може міститися деяка кількість токсичні речовини. В якості основного напрямку вдосконалення автомобільної техніки, оснащеної двигуном внутрішнього згоряння в найближчій перспективі слід розглядати використання комбінованих (гібридних) енергоустановок. Найкращий результат до паливної економічності та токсичності відпрацьованих газів, мабуть слід очікувати від застосування гібридних установок з послідовною схемою перетворення хімічної енергії палива в ДВЗ у механічну енергію руху автомобіля. При послідовній схемі автомобіля ДВЗ працює практично на постійному режимі з максимальною паливною ефективністю, приводячи в рух електрогенератор, який подає електричний струм на електродвигун привода коліс автомобіля і накопичувач електроенергії ( акумулятор). Основною задачею оптимізації при такій схемі є пошук компромісу між паливною економічністю ДВС та токсичністю її відпрацьованих газів. Особливість рішення задачі полягає в тому, що максимальний ККД двигуна досягається при роботі на збідненій паливоповітряної суміші, а максимальне зниження токсичності відпрацьованих газів досягається при стехіометричному складі, при якому кількість палива, що подається в камеру згоряння подається строго у відповідності з кількістю повітря, необхідне для його повного згоряння. Утворення оксидів азоту при цьому обмежується дефіцитом вільного кисню в камері згоряння, а неповнота згоряння палива нейтралізатором відпрацьованих газів. У сучасних ДВЗ датчик для виміру концентрації вільного кисню в ОГ ДВС подає сигнал на електронну систему подачі палива, яка спроектована таким чином, щоб максимально підтримувати стехіометричний склад паливоповітряної суміші в камері згоряння двигуна на всіх режимах ДВЗ. Для гібридних енергоустановок з послідовною схемою, можливо домогтися найкращої ефективності регулювання паливоповітряної суміші із-за відсутності знакозмінних навантажень на ДВС. Разом з тим, з точки зору паливної економічності ДВЗ стехіометричний склад паливоповітряної суміші не є оптимальним. Максимальний ККД двигуна завжди відповідає збідненої суміші на 10-15 відсотків по порівняння з стехиометрической. При цьому ККД ДВЗ при роботі на збідненій суміші може бути на 10-15 вище ніж при роботі на суміші стехіометричного складу. Рішення проблеми підвищеного викиду шкідливих речовин, властивого на цих режимах для ДВЗ з іскровим запалюванням, можливо в результаті переведення роботи ДВЗ на водень, бензоводородные паливні композиції (БВТК) або метановодородные паливні композиції (МВТК). Застосування водню в якості палива або в якості добавки до основного палива може дозволити суттєво розширити межі ефективного збіднення паливоповітряної суміші. Ця обставина дозволяє істотно збільшити ККД ДВЗ і знизити токсичність відпрацьованих газів.

У відпрацьованих газах двигунів внутрішнього згорання міститься понад 200 різних вуглеводнів. Теоретично, в разі згоряння гомогенних сумішей (з умов рівноваги) вуглеводнів у відпрацьованих газах ДВЗ не повинно міститися, однак через негомогенности паливоповітряної суміші в камері згоряння ДВЗ виникають різні початкові умови протікання реакції окислення палива. Температура в камері згоряння розрізняється за її обсягом, що також суттєво впливає на повноту згоряння паливоповітряної суміші. У ряді досліджень було встановлено, що поблизу порівняно холодних стінок камери згоряння відбувається гасіння полум’я. Це призводить до погіршення умов згоряння паливоповітряної суміші в пристінковому шарі. В роботі Daneshyar H і Watf M провели фотографування процесу згоряння бензоповітряної суміші в безпосередній близькості від стінки циліндра двигуна. Фотографування здійснювалося через кварцове вікно в головці циліндра двигуна. Це дозволило визначити товщину зони гасіння в межах 0,05-0,38 мм. В безпосередній близькості від стінок камери згоряння СН в 2-3 рази зростає. Автори роблять висновок, що зона гасіння є одним із джерел виділення вуглеводнів.

Іншим важливим джерелом утворення вуглеводнів є моторне масло, яке потрапляє в циліндр двигуна в результаті не ефективного видалення зі стінок маслос’емних кільцями або через зазори між стрижнями клапанів і їх направляючими втулками. Дослідження показують, що витрата масла через зазори між стрижнями клапанів і їх направляючими втулками в автомобільних бензинових ДВЗ досягає 75% загальної витрати масла на чад.

При роботі ДВЗ на водні паливі не міститься вуглецевих речовин. У зв’язку з цим переважна більшість публікацій містить відомості про те, що у відпрацьованих газах ДВЗ не може міститися вуглеводнів. Однак це виявилося не так. Безумовно, збільшення концентрації водню в БВТК і МВТК концентрація вуглеводнів істотно знижується, але не зникає повністю. У багато це може бути пов’язано з недосконалістю конструкцією паливної апаратури, дозуючої подачу вуглеводневого палива. Навіть невеликий витік вуглеводнів при роботі ДВЗ на надбідних сумішах може призвести до викиду вуглеводнів. Такий викид вуглеводнів може бути пов’язаний із зносом циліндропоршневої групи і як наслідком підвищеним чадом олії та ін У зв’язку з цим при організації процесу згоряння необхідно підтримувати температуру згоряння на такому рівні. при якому має місце досить повно згорання вуглеводневих сполук.

В процесі згоряння палива оксиди азоту формуються за фронтом полум’я в зоні підвищеної температури, викликаною реакцією згоряння палива. Утворення оксидів азоту, якщо це не азотовмісні сполуки утворюються в результаті взаємодії кисню і азоту повітря. Загальноприйнятою теорією утворення оксидів азоту є термічна теорія. Згідно з цією теорією вихід оксидів азоту визначається максимальною температурою циклу, концентрацією азоту і кисню в продуктах згоряння і не залежить від хімічної природи палива роду палива (при відсутності в паливі азоту). У відпрацьованих газах ДВЗ з іскровим запалюванням вміст окису азоту становить 99% від кількості всіх оксидів азоту (NOx). Після виходу в атмосферу відбувається окислення NO до NO2.

При роботі ДВЗ на водні утворення окису азоту має деякі особливості в порівнянні з роботою двигуна на бензині. Це пов’язано з фізико-хімічними властивостями водню. Головними факторами в цьому випадку є температура згоряння водородовоздушной та її межі займання. Як відомо межі займання водородовоздушной суміші знаходяться в діапазоні 75% — 4,1%, що відповідає коефіцієнту надлишку повітря 0,14 — 9,85, в той час як у ізооктану в діапазоні 6,0%-1,18%, що відповідає коефіцієнту, надлишку повітря 0,29 — 1,18. Важливою особливістю згоряння водню є підвищена швидкість згоряння стехіометричних сумішей. На рис. 12 представлений графік залежностей, що характеризують протікання робочих процесів ДВЗ при роботі на водні і бензині.

Застосування водню в якості палива для автомобілів. Cleandex

Малюнок 12. Зміна параметрів робочого процесу ДВЗ при работена водні та бензині, потужність ДВЗ 6,2 кВт, частота вращенияколенчатого вала-2400 об/хв.

Як слід їх графіків, переклад ДВС з бензину на водень призводить в області стехіометричних сумішей до різкого зростання максимальної температури циклу. На графіку видно, що швидкість тепловиділення при роботі ДВЗ на водні у верхній мертвій точці ДВС в 3-4 рази вище, ніж при роботі на бензині При цьому на індикаторній діаграмі чітко видно сліди коливання тиску, поява яких в кінці такту стиснення властиво «жорсткого» згоряння паливоповітряної суміші. На рис.13 представлені індикаторні діаграми, які описують зміну тиску в циліндрі ДВЗ (ЗМЗ-24Д, Vh=2,4 л. степ. стиснення -8,2). в залежності від кута повороту колінчастого валу (потужність 6,2 кВт, ч. ст. до 2400 об/хв) при роботі на бензині і водні.

Застосування водню в якості палива для автомобілів. Cleandex

Малюнок 13. Індикаторні діаграми ДВС (ЗМЗ-24-Д, Vh=24 л. степеньсжатия 8,2) примощности 6,2 кВт і ч. ст. до 2400 об/хв. при роботі на бензині та водні

При роботі ДВЗ на бензині виразно видно неравноменость протікання індикаторних діаграм від циклу до циклу. При роботі на водні. особливо при стехіометричному складі. нерівномірність відсутня. При цьому кут випередження запалювання був настільки малий, що практично можна вважати його рівним нулю. Звертає на себе дуже різке наростання тиску за ВМТ, що свідчить про підвищеної жорсткості процесу. На нижньому графіку представлені индикакторные діаграми при роботі на водні при коефіцієнті надлишку повітря 1,27. Кут випередження запалювання становив 10 градусів п. к. в. На деяких индикакторых діаграмах явно видно сліди «жорсткої » роботи ДВС. Такий характер протікання робочого процесу ДВЗ при використанні в якості палива водню сприяє підвищеному утворенню оксидів азоту. Максимальне значення концентрації оксидів азоту в ОГ відповідає роботі ДВЗ з коефіцієнтом надлишку повітря 1,27. Це цілком закономірно, оскільки в паливоповітряної суміші міститься велика кількість вільного кисню і в результаті високих скростей згоряння має місце висока температура згоряння паливоповітряного заряду. Вмеасте з тим, при переході на більш бідні сумішах швидкості тепловиділення знижуються. Знижуються і максимальна температура циклу, а отже і концентрація в ОГ оксидів азоту.

Застосування водню в якості палива для автомобілів. Cleandex

Малюнок 14. Регулювальні характеристики по складу суміші при роботі ДВЗ на бензоводородных паливних композиціях, потужність ДВЗ 6,2 кВт, частота обертання колінчастого вала-2400 об/хв. 1. Бензин, 2. Бензин +Н2 (20%), 3. Бензин +Н2 (50%), 4. Водень

На рис. 14 представлені залежності зміни викиду токсичних речовин з ВГ ДВЗ при роботі на бензині, бензоводородных композиціях і водні. Як випливає з графіка найбільше значення викидів NOx відповідає роботі ДВЗ на водні. Разом з тим у міру збіднення паливоповітряної суміші концентрація NOx знижується досягаючи практично нульового значення при коефіцієнті надлишку повітря більшого 2 одиниць. Таким чином переклад автомобільного двигуна на водень дозволяє кардинально вирішити проблему паливної економічності, токсичності відпрацьованих газів та зниження викиду двоокису вуглецю.

Застосування водню в якості добавки до основного палива може сприяти вирішенню завдання поліпшення паливної економічності ДВЗ, зниження викиду токсичних речовин і зменшення викиду двоокису вуглецю, вимоги щодо утримання якої в ОГ ДВС постійно посилюються. Добавка водню по масі в діапазоні 10-20 відсотків може стати для автомобілів з гібридними двигунами оптимальної найближчим часом.

Застосування водню як моторного толива може бути ефективно лише при створенні спеціалізованих конструкцій. В даний час провідні виробники автомобільних двигунів працюють над створенням таких моторів. У принципі, основні напрямки за якими необхідно двигатья при створенні нової конструкції водневих ДВС відомі. До них відносяться:

1. Застосування внутрішнього сумішоутворення дозволить поліпшити на 20-30 відсотків питомі масогабаритні показники водневого двигуна.

2. Застосування понад бідних водородовоздушных сумішей для гібридних енергоустановок дасть можливість істотно знизити температуру згоряння в камері згоряння ДВЗ і створить передумови для підвищення ступеня стиснення ДВС, використання нових матеріалів, в тому числі і для внутрішньої поверхні камери згоряння, що дозволяють знизити втрати тепла в систему охолодження двигуна.

Все це, на думку фахівців, дозволить довести ефективний ККД ДВЗ, що працює на водні до 42-45 процентв, що цілком порівнянно з ККД електрохімічних генераторів, для яких в даний час немає даних щодо економічної ефективності в умовах реальної експлуатації автомобілів з урахуванням приводу допоміжних агрегатів, отоплания салону та ін

Національна асоціація водневої енергетики НАВЭ, у тісній співпраці з ВАТ «АВЭКС», Московським енергетичним інститутом МЕІ (ТУ) і ЗАТ Avtokombinat №41 побудувала перший в Росії зразок водневого вантажного автомобіля вантажопідйомністю до 2000 кг оснащеного гібридною енергоустановкою, що працює на водні з двигуном внутрішнього згоряння (рис. 15).

Застосування водню в якості палива для автомобілів. Cleandex

Малюнок 15. Перший в Росії зразок водневого автомобіля, оснащеного гібридною енергоустановкою, що працює на водні з двигуном внутрішнього на XI Петербурзькому міжнародному економічному форумі у 2007 р. в Санкт-Петербурзі

Висновок

Очевидно, що практичне впровадження альтернативних видів енергоносіїв, що дозволяють вирішити проблему заміщення вуглеводневих палив, буде проходити поетапно. Першим етапом в освоєнні водню, може стати практичне використання його на існуючих автотранспортних засобах в якості добавки до бензину та природного газу. Таке використання водню, вже сьогодні може дати не тільки економічний ефект, але і вирішити екологічні проблеми, особливо у великих мегаполісах. Розширення ринку автотранспортних послуг з використанням малотоксичних автомобілів, що працюють на воднево-містять паливних композиціях, дозволить почати формувати інфраструктуру водневих автотранспортних комплексів, накопичувати досвід технічного обслуговування таких автомобілів, призведе до розвитку мережі заправних станцій і дасть можливість поступово перейти до наступного етапу — етапу використання водню в якості основного палива для двигунів внутрішнього згоряння, а надалі для електрохімічних генераторів, позоляющих здійснювати перетворення хімічної енергії палива в энрегию приводу коліс електромобіля.

Короткий опис статті: водневий двигун Застосування водню в якості палива для автомобілів. А. Ю. Раменський — генеральний директор ТОВ «Інженерно-технічний центр «Водневі технології» (ІТЦ ВТ). Застосування водню як палива для автомобілів cleandex

Джерело: Застосування водню в якості палива для автомобілів. Cleandex

Також ви можете прочитати