Интерес к водороду как моторному топливу обусловлен его высокими энергетическими показателями, отсутствием вредных веществ в продуктах сгорания и, главное, — практически неограниченной сырьевой базой. Водород характеризуется наиболее высокими энергомассовыми показателями среди химических топлив. Низшая теплота сгорания молекулярного водорода (с образованием водяного пара) составляет 241,9 МДж1 /моль, что соответствует 120 МДж/кг. В то же время из-за низкой плотности водород по объемной теплопроизводительности
Таблица 4.8. Показатели топливной экономичности автомобиля ЗИЛ-130 по ГОСТ 20306—85
уступает большинству жидких и газообразных топлив. Теплота сгорания 1 м3 стехиометрической водородно-воздушной смеси составляет 2992 кДж/м3, что на 15—20% меньше по сравнению с бензином и спиртами, и является основной причиной снижения мощности двигателя при переводе на водород.
С воздухом водород устойчиво воспламеняется в широком диапазоне концентраций — вплоть до а= 10. Столь низкий предел воспламенения обеспечивает работу водородного двигателя на всех скоростных режимах в широком диапазоне изменения составов смеси: от а = 0,2 до а = 5,0. В связи с этим мощность водородного двигателя может изменяться качественным регулированием, при котором уменьшаются потери двигателя, а его к. п. д. при частичных нагрузках увеличивается на 25— 50% [166].
Водородно-воздушные смеси характеризуются высокой скоростью сгорания в двигателе, причем при стехиометрическом соотношении периоды индукции очень малы и сгорание протекает практически при постоянном объеме, что ведет к резкому повышению давления. Скорость нарастания давления в цилиндре водородного двигателя при работе на стехиометрических смесях примерно в 3 раза выше по сравнению с бензиновым аналогом. При обеднении смеси скорость снижается и при а=1,9 достигает значений, соответствующих при работе на стехиометрических бензино-воздушных смесях [167].
Детонационно-подобные явления, характерные для работы двигателя на водороде, изучены недостаточно. Согласно большинству данных, водород начинает детонировать при степенях сжатия 8=6 в широком диапазоне а. В то же время очистка камеры сгорания (удаление нагара и выступающих кромок, шлифовка поверхности) позволяет осуществить работу на водороде при 8, близких к 10, и стехиометрических топливных смесях [168]. По данным [169], критическая степень сжатия при стехиометрическом составе водородно-воздушных смесей не превышает 4,7, что соответствует октановому числу по исследовательскому методу 46, в то время как при а=3,5 она достигает 9,4 и октановое число—114. Таким образом, при достаточном обеднении смеси возможна бездетонационная работа водородного двигателя в широком диапазоне степеней сжатия.
Состав отработавших газов водородного двигателя существенно отличается от состава газов бензинового двигателя внутреннего сгорания в основном за счет отсутствия углерода в топливе. Тем не менее в отработавших газах водородного двигателя присутствует незначительное количество СО и [СН], наличие которых обусловлено выгоранием углеводородных смазок, попадающих в камеру сгорания (рис. 4.21). Максимальный выброс оксидов азота вследствие более высоких температур сгорания водорода примерно вдвое превышает выбросы N0* бензиновым двигателем. С обеднением смеси выбросы оксидов азота у водородного двигателя быстро снижаются и при а=1,8 практически отсутствуют. Добавка к водородному
Рис. 4.20. Изменение удельного расхода энергии Е при работе автомобиля ЗИЛ-130 с однотопливной (1) и двухтопливной (2, 3) системами питания:
1 — бензин А-76; 2 — беизии А-66+кислородсодержащие добавки; 3 — бензин А-66+углеводородные добавки топливу воды позволяет резко снизить выбросы оксидов азота без существенных потерь мощности двигателя или ухудшения его к. п. д., Так, при массовом отношении Н20/Н2 = 8 выбросы N0* уменьшаются в среднем в 8—10 раз [170].
Высокая реакционная способность водорода приводит к проскокам пламени во впускной трубопровод, преждевременному воспламенению и жесткому сгоранию топливных смесей. Этих недостатков можно избежать, если модифицировать топливоподающую систему двигателя. В настоящее время для подачи водорода в двигатель применяют следующие способы: впрыск во впускной трубопровод; модифицированный карбюратор (как в системах питания пропан-бутановыми и природными газами), индивидуальное дозирование водорода во впускной клапан каждого цилиндра; непосредственный выпрыск под высоким давлением в камеру сгорания.
Первые два варианта обеспечивают устойчивую работу двигателя только при частичной рециркуляции отработавших газов или добавке воды к топливной смеси. Частичная рециркуляция отработавших газов предотвращает проскок пламени за счет разбавления заряда инертными компонентами и смягчает сгорание при работе двигателя на богатых водородно-воздушных смесях. В то же время благодаря снижению максимальных цикловых температур выбросы N0* уменьшаются. Количество рециркулируемых газов не превышает 10—20% от поступающей в двигатель топливной смеси, однако любая степень рециркуляции ведет к дополнительному снижению наполнения цилиндра. В отличие от рециркуляции впрыск воды или бензина (обычно во впускной патрубок) не ухудшает наполнения. *
Рис. 4.21. Состав отработавших газов водородного двигателя:
/, II — границы устойчивой работы на водороде; III — нижняя граница работы на изооктане; ¦ ¦ — — бензин;—— —
водород
Предпочтительнее организовать впрыск водорода непосредственно в камеру сгорания. При этом полностью исключаются проскоки пламени во впускном трубопроводе, а максимальная мощность двигателя не только не снижается, но может быть повышена на 10—15%. Одновременно за счет оптимального протекания рабочего процесса уровень выбросов N0* водородного двигателя снижается, а эффективный к. п. д. повышается. Согласно экспериментальным данным, непосредственный впрыск водорода в одноцилиндровом двигателе при е = 15,4 и а = 2,5 обеспечил повышение его к. п. д. на 55%.
Использование водорода в дизельных двигателях в значительной степени затрудняется высокими температурами самовоспламенения водородновоздушных смесей. Поэтому для организации устойчивого воспламенения водорода днзелн переоборудуют в двигатели с принудительным зажиганием от свечи или переводят на работу по газожидкостному процессу — с впрыском запальной дозы жидкого топлива (обычно дизельного). Водород может подаваться как совместно с воздухом, так и непосредственным впрыском в цнлнндры. Устойчивая работа дизеля на водороде обеспечивается только в узком диапазоне топливных смесей, ограничиваемом пропусками воспламенения н детонацией (рнс. 4.22).
Основной проблемой использования водорода в качестве моторного топлива является его хранение. Известны следующие варианты хранения водорода на автомобиле: в газообразном состоянии (в сжатом виде), в криогенном (сжиженном) состоянии, с использованием промежуточного носителя (жидкого или твердого). Наилучшие показатели системы хранения чистого водорода обеспечиваются при его сжижении, т. е. в криогенной схеме. Это наглядно иллюстрируется данными по различным топливным системам, приведенным к энергетическому эквиваленту, обеспечивающему пробег 400 км [170]:,
Топливо Бензии |
Сжатый водород |
Жидкий водород |
|
Масса топлива, кг 53,05 |
13,4 |
13,4 |
181 |
Объем топлива, м3 0,07 |
1,0 |
0,19 |
0,23 |
Масса бака, кг 13,06 |
1361 |
181 |
45,4 |
Объем бака, м3 0,08 |
1,53 |
0,28 |
0,25 |
Общая масса топливной 67 системы, кг |
1374 |
195 |
227 |
Применение газообразного водорода отличается простотой, однако не получило распространения из-за низкого энергозапа-
Рнс. 4.22. Влияние температуры топливно-воздушной смесн Т на границы устойчивой работы дизельного двигателя на водороде:
1 — детонация; 2 — воспламенение са, вызванного небольшой плотностью топлива, и большой массы топливного контейнера. Использование водорода в сжиженном состоянии более эффективно, однако имеет свои сложности, особенно при его хранении и транспорте. Температура кипения водорода равна —252,8 °С, поэтому при транспорте и хранении жидкого водорода первостепенное значение имеет тепловая изоляция. Жидкий водород обычно транспортируют и хранят в специальных резервуарах с двойными стенками, пространство между которыми заполнено специальной изоляцией. Наиболее распространены высоковакуумная, вакуумно-порошковая и многослойная низкотемпературные тепловые изоляции; используют и комбинированные изоляции, например многослойно-порошковую. При конструировании оборудования для хранения и транспорта жидкого водорода необходимо учитывать, что в условиях глубокого холода прочностные характеристики большинства металлов и сплавов улучшаются, а ударная вязкость резко уменьшается.
Для практической реализации более приемлемы схемы, в которых используют промежуточный носитель водорода. Водород в этом варианте сохраняется в химически связанном виде и при необходимости извлекается из соединения с помощью термического, химического либо термохимического воздействия. В настоящее время наибольшее внимание привлекают твердые носители водорода — гидриды металлов и их сплавы. Главным преимуществом гидридов металлов является возможность повышения энергетической плотности водорода; кроме того, они безопасны при хранении и эксплуатации. В случае термического разложения гидрида металла возможно его повторное использование, так как при пропускании водорода при повышенном давлении происходит «зарядка» гидридного источника. Обратимость гидридных соединений позволяет на их основе изготавливать аккумуляторы водорода, в частности для питания автомобильных двигателей.
В случае железотитанового гидрида РеПН* при рабочей температуре около 20°С давление в емкости для хранения находится в пределах 0,3—0,9 МПа в зависимости от концентрации водорода. Энергия, необходимая для выделения водорода из РеТШ*, может быть подведена из системы охлаждения дви
!
гателя. Хорошие условия для теплопередачи достигаются в цилиндрических емкостях большой длины и малого диаметра. Давление, возникающее при нагреве железотитанового гидрида (при 80—100°С), может быть непосредственно использовано для подачи водорода в цилиндры, например в случае дизельного двигателя.
Объемная энергоемкость гидридов находится на уровне жидкого водорода, благодаря чему объем «гидридного» бака меньше объема криогенного бака для жидкого водорода. Масса же самого блока примерно на порядок выше по отношению к жидкому водороду из-за значительной плотности металлического носителя.
Перспективным направлением развития гидрндных систем хранения водорода является сочетание аккумуляторов с различными гидриднымн компонентами, например на основе железотитанового сплава и магния Низкотемпературный компонент обеспечивает запуск двигателя, а высокотемпературный, характеризующийся более высоким содержанием водорода, — его основную работу. Согласно расчетам, при такой комбинации двух аккумуляторов общей массой 200 кг и суммарной емкостью 50—75 л пробег автомобиля при одной заправке составит около 400 км.
На автомобиле «Баїзип В-210» с двигателем рабочим объемом 1,4 л и є = 9,5 [171] криогенный бак массой 120 кг вместимостью 230 л размещается в багажнике. Водород под давлением 0,4—0,5 МПа подается во впускной патрубок с помощью клапанного механизма, приводимого в действие дополнительным кулачковым валом (рис. 4.23). Клапан впрыска водорода открывается одновременно с впускным клапаном двигателя и закрывается через 90° поворота коленчатого вала. Для изменения расхода водорода установлен двухступенчатый редуктор с двумя игольчатыми клапанами. Проходное сечение
Рис. 4.24. Схема гидридно-криогенной системы питания водородом автомо биля ’’Chevrolet”:
і-криогенный бак с жидким водородом: 2 — заправочный трубопровод; 3электрокла-пан- 4 — ресивер- 5 — каталитический дожигатель; 6 —регулятор; 7 — гидридиый аккуму ’ лятор; 8 — отработавшие газы первого клапана поддерживается в соответствии с оборотами двигателя с помощью вакуумного привода, а второго — механическим приводом от педали акселератора. Низкотемпературная изоляция топливных магистралей обеспечивает температуру водорода в точке впрыска порядка —130 °С, что позволяет значительно повысить наполнение цилиндров. Общая масса системы питания жидким водородом составляет 150 кг. Средний расход сжиженного водорода непосредственно двигателем: составляет 22 л, а с учетом потерь при хранении и заправке — около 25 л на 100 км, что обеспечивает полный пробег автомобиля порядка 1000 км. В пересчете на бензиновый эквивалент топливная экономичность автомобиля составляет 5,7 6,5 лII00 км. При испытаниях автомобиля по городскому ездовому циклу в отработавших газах содержалось 0,05 г [СН], 0,18 г СО и 2,56 г N0* на 1 км пробега.
На «водородной» модификации автомобиля «Chevrolet» (рис. 4.24) использована комбинированная гидридно-криоген-ная система питания. Двигатель запускается на жидком водороде с включением водородного аккумулятора после стабилизации теплового режима, причем для подогрева гидрида служит вода из системы охлаждения. Избыток газовой фазы в баке жидкого водорода расходуется на подзарядку гидридного аккумулятора, что позволяет поЛностью ликвидировать утечки низ-
Рис. 4.25. Универсальная характеристика водородного двигателя: ре — среднее эффективное давление цикла; п —
частота вращения;—изолинии к. п. д.;
—— изолинии коэффициента избытка воздуха кокипящего компонента. Гидрид-ный аккумулятор представляет собой стальной контейнер, заполненный 400 кг РеИНг, обеспечивающего хранение 6,4 кг водорода. При нагреве аккумулятора до 70 °С получается «1,3 кг1 /ч водорода под давлением 1—2 МПа. В криогенном баке массой 41 кг содержится 3,8 кг водорода. Основные элементы гидрид-но-криогенной системы питания размещены в багажнике автомобиля.
Опытные образцы водородных дизелей созданы в лаборатории института Мусаши (Япония) [172]. Для организации рабочего процесса дизеля водород непосредственно впрыскивается в камеру сгорания в конце такта сжатия под давлением 8 МПа с помощью специальной форсунки с гидравлическим приводом от штатного топливного насоса высокого давления. Для воспламенения смеси служит керамическая калильная свеча с встроенным вольфрамовым электронагревателем. Электронагреватель включается на режимах пуска и прогрева двигателя, на остальных режимах свеча обеспечивает температуру 1170—1270 К за счет выделяющегося при сгорании топлива тепла. Благодаря комплексу конструктивных мероприятий при работе на водороде сохранена мощность двигателя на уровне базового дизеля при относительно высоких показателях энергетической эффективности (рис. 4.25).
Для обеспечения приемлемого запаса хода (не менее 300 км) водород используют в жидком виде, при этом он подается в дизель специальным насосом высокого давления. Хранят водород в криогенном баке с заправочной емкостью по водороду 82 дм3. Бак массой 35 кг изготовлен из легированной стали, оборудован вакуумно-порошковой изоляцией. В связи с низкой температурой жидкого водорода в топливном насосе высокого давления дизеля использованы специальные материалы. В частности, гильза изготовлена из легированной стали, а рабочая поверхность плунжера имеет полиамидное покрытие. Недостатки данной конструкции водородного автомобиля— сложность заправки криогенным компонентом, низ кий ресурс работы водородного насоса и большие потери водорода (до 12—15%).
В связи с техническими проблемами и высокой стоимостью перевода автомобиля на чистый водород в последние годы работы в этой области развиваются главным образом в направлении создания двигателя с комбинированным бензино-водородным питанием, а также создания водородно-метанольного двигателя, работающего на водородсодержащих продуктах термокаталитической конверсии метанола. Благодаря активирующей добавке водорода появляется возможность работы двигателя на переобедненных топливно-воздушных смесях в области частичных нагрузок и режиме холостого хода. Зависимость предела обеднения смеси аПр от добавки водорода носит следующий характер:
Содержание Н2> 0 10 20 40 100
% (масс.)
а„р 1,12 1,67 2,5 3,34 5,0
Более совершенной и широко испытанной конструкцией является бензино-водородный автомобиль «Мегэебеэ Вепг 280 ТЕ» (рис. 4.26). Для аккумулирования водорода используют ме-таллогидрид ЁеИНд:, подогреваемый водой, которая, в свою очередь, нагревается в специальном теплообменнике за счет тепла отработавших газов. Выделяющийся водород проходит фильтр для очистки от частиц металлического носителя. С помощью редуктора давление водорода понижается до 0,2 МПа и он посредством электромагнитных клапанов подается на впуск каждого цилиндра, куда впрыскивается и основное топливо — бензин. Управление комбинированной топливной системой осуществляется микропроцессором, входными сигналами для которого служат нагрузка и обороты двигателя, а также температура охлаждающей жидкости. Для аварийного отключения подачи водорода имеется электромагнитный запорный клапан, включаемый водителем (тумблер на панели приборов). Пуск двигателя может производиться как на бензине, так и на водороде вплоть до температуры окружающего воздуха —15°С. Масса автомобиля при установке дополнительной водородной системы питания повысилась на 150 кг.
Программа управления подачей топлива обеспечивает работу двигателя на смеси бензина и водорода на средних нагрузках с регулируемым соотношением компонентов, показанным на рис. 4.27 [173]. На режиме холостого хода и малых нагрузках двигатель работает только на водороде, при больших нагрузках— на чистом бензине. Прекращение подачи водорода при повышенных нагрузках обусловлено стремлением сохранить максимальную мощность двигателя, а также избежать его жесткой работы, повышенных выбросов оксидов азота и проскока пламени на впуске. *
Рис. 4.26. Основные элементы автомобиля ’’Mersedes Benz 280 ТЕ”, работающего на бензино-водородной смеси:
1 — микро-ЭВМ; 2 — заливная горловина бензобака; 3 — бензобак; 4 — металлогндрид-ный аккумулятор; 5—фильтр; 6 — газовый редуктор; 7 — запорный вентиль; 8 — дроссельная заслонка с приводом от серводвигателя; 9 — распылитель водорода; 10 — бензиновая форсунка; 11 — теплообменник с крышкой; 12 — блок электронного управления двигателем; 13 — насос теплообменника; 14 — вентиляция под кожухом металлогидридного аккумулятора; 15 — вентиляция салона
Сравнительные испытания автомобиля показали следующие результаты (числитель — расход бензина, знаменатель — расход водорода):
Система питания |
Бензиновая |
Бензино-во дородная |
|
Расход топлива в бензиновом эквиваленте, лII00 км: |
|||
при скорости 90 км/ч |
9,3 |
2,9/4,1 |
|
при скорости 120 км/ч |
11,7 |
6,0/5,5 |
|
по городскому циклу |
15,0 |
3,7II0,8 |
|
Выбросы токсичных веществ, г/цикл: |
|||
оксида углерода |
41 |
5,6 |
|
углеводородов |
12,1 |
8,5 |
|
оксидов азота |
7,1 |
4,9 |
|
Перевод на бензино-водородное питание снижает расход бензина в диапазоне скоростей движения 90—120 км/ч при-
Рис. 4.27. Универсальная характеристика бензино-водородного двигателя:
ре — среднее эффективное давление цикла; п — частота вращения; цифры иа кривых указывают относительное содержание Н2 в топливной смеси; 1 — область работы на водороде; II — то же, иа бензине мерно вдвое и дает его эко-номию около 28% при езде по городскому ездовому циклу.
При этом значительно снижаются выбросы токсичных продуктов: СО — в 7,3 раза, углеводородов и оксидов азота— примерно на 30%.
В нашей стране Институтом проблем машиностроения АН УССР созданы опытные образцы автомобилей ГАЗ-24 «Волга» и «Москвич 412» с бензино-водородным питанием [166, 174]. Гидридный аккумулятор на базе сплава РеИ при массе 180 кг содержит около 2,5 кг водорода, что обеспечивает пробег автомобиля в городских условиях эксплуатации 250—300 км. Двигатель работает с переменной подачей.водорода: на холостом ходу — на чистом водороде, на режиме максимальной мощности — на смеси 97% бензина и 3% водорода. На частичных нагрузках содержание водорода в топливной смеси изменяется в зависимости от состава топливно-воздушной смеси (коэффициента избытка воздуха) по оптимальному закону, обеспечивающему максимальную топливную экономичность двигателя и минимальную токсичность отработавших газов. В результате эксплуатационный расход бензина снизился на 35—40%, а вредные выбросы сократились в несколько раз.
Следует отметить некоторые физические особенности водорода, опоеде-ляющие дополнительные, специфические требования к конструкционным материалам. Водород обладает способностью проникать через толщу материала, в частности металлов, и с повышением давления и температуры диффузия водорода в металлы возрастает. Глубина проникания молекул водорода в кристаллическую решетку металла в большинстве случаев не превышает 4—6 мм, а при нагартовке материала может быть снижена до 2,0—1,5 мм. Для алюминия она достигает 15—30 мм, а при нагартовке снижается до 4—6 мм. Водородная диффузия в сталях практически полностью устраняется путем легирования с помощью хрома, молибдена, вольфрама и других элементов.
Водородно-воздушные смеси характеризуются широкой областью воспламенения [4—75% (об.)] и взрываемости [18,3— 74% (об.)], что повышает их пожаро- и взрывоопасность. В то же время водород отличается высокой температурой воспламенения (590 °С) и способностью к быстрому рассеиванию в
воздушной среде, благодаря чему по суммарным показателям безопасности он приравнивается к природному газу [171].
⇐Двухтопливные композиции | Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов | Продукты газификации⇒