El uso de combustible de hidrógeno para los coches
Автомобиль как транспортное средство появился около 100 лет назад и к настоящему времени получил широкое и повсеместное распространение, выполняя важные функции в экономике всех стран. В мире насчитывается более 300 млн. автомобилей, причем мировое их производство с каждым годом возрастает.
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 LH2; 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.
