Застосування водневого палива на автотранспорті

Автомобіль як транспортний засіб з'явився близько 100 років тому і до теперішнього часу отримав широке і повсюдне поширення, виконуючи важливі функції в економіці всіх країн. У світі налічується понад 300 млн. автомобілів, причому світове їх виробництво з кожним роком зростає.

Автомобільний транспорт є одним з основних споживачів нафтових палив (на його частку припадає приблизно одна восьма їх виробництва) і одним з основних джерел забруднення навколишнього середовища. Частка шкідливих викидів з відпрацьованими газами автомобільних двигунів складає 39-63 % загального забруднення навколишнього середовища. За оцінками зарубіжних експертів світові запаси нафти оцінюються в 100 млрд. т , , тобто розраховані на 15 років за сучасними темпами споживання.

Енергетичні та екологічні проблеми набувають в даний час першорядне значення. Рішення енергоекологічних проблем в більшій чи меншій мірі можуть забезпечити наступні заходи:

  •  створення більш досконалих енергоустановок нового типу;
  •  вдосконалення робочого процесу традиційних ДВС і застосування систем нейтралізації відпрацьованих газів;
  •   використання в традиційних ДВС нових у » дов палива.

У плані вирішення поставлених проблем, на перший погляд , великий інтерес представляють електричні силові установки, що використовують електрохімічні джерела енергії - акумуляторні батареї та електрохімічні генератори.

Незважаючи на ряд істотних переваг (висока пристосованість до переривчастого режиму міського руху висока довговічність, простота технічного обслуговування і екологічна чистота), практичне застосування електромобіля залишається проблематичним з двох основних причин . По-перше, для таких автомобілів немає надійних, легких і, головне, досить енергоємних електрохімічних джерел струму. Питома потужність і енергоємність акумуляторних батарей і паливних елементів приблизно на порядок нижче , ніж сучасних ДВС. По-друге, переклад всього автомобільного парку на харчування електрохімічними акумуляторами викличе витрачання величезної кількості електроенергії на підзарядку акумуляторів. У промислово розвинених країнах сумарна потужність автомобільних двигунів в кілька разів перевищує потужність всіх електростанцій. Крім того, переважна частина електроенергії виробляється при спалюванні викопних палив, тому енергоекологічного проблема була б перенесена з автомобільної сфери в сферу теплових електростанцій.

Розробка і застосування для автотранспорту нових типів двигунів, наприклад зовнішнього згоряння (парові двигуни і двигуни Стерлінга), дозволяють досягти низького рівня шкідливих викидів з продуктами згоряння і забезпечити перспективні жорсткі норми по токсичності. Однак у цьому випадку не вирішується проблема дефіциту паливних ресурсів . Практичне застосування нових схем двигунів для автомобільного транспорту пов'язане з вирішенням ряду складних технічних проблем, особливо це відноситься до двигуна Стерлінга. Крім того, перебудова автомобільної промисловості зажадала б колосальних капіталовкладень. Тому можливість широкого впровадження подібних двигунів відсувається на досить значний час.

Рішення екологоенергетіческой проблеми на автомобільному транспорті шляхом вдосконалення конструкції існуючих ДВС передбачає передусім удосконалення робочого процесу підсистем живлення для забезпечення максимальної повноти згоряння на всіх режимах роботи двигуна, а також застосування різних пристроїв для знешкодження відпрацьованих газів шляхом їх допалювання , каталітичної та рідинної нейтралізації, фільтрації та т. д. На жаль, застосування цих досить складних і дорогих пристроїв малоефективно і пов'язано зі значними витратами.

МОТОРНІ ВЛАСТИВОСТІ ВОДНЮ ТА ПЕРЕДУМОВИ ЙОГО ВИКОРИСТАННЯ В ЯКОСТІ ПАЛИВА ДЛЯ ДВС

Ідея використання водню як палива для поршневих ДВС не нова. Наприкінці 20 -х, початку 30 -х рр. . поточного сторіччя в Німеччині та Англії були розпочаті розробки водневих маршових двигунів для аеростатів і під водних човнів. Однак у зв'язку з технічними труднощами з організації робочого процесу, зумовленими моторними властивостями водню, а також у зв'язку з відсутністю ефек них і безпечних способів його акумулювання ці роботи були призупинені.

На початку 70 -х рр. . внаслідок загостренні енергоекологічної ситуації повернення до водню як палива, екологічно чистому та має необмежену сировинну базу, цілком виправданий.

МОТОРНІ ВЛАСТИВОСТІ ВОДНЮ

Придатність будь-якого виду палива для транспортних ДВС визначається його моторними властивостями. Водень як моторне паливо має низку особливостей, що відрізняють його від інших видів палива. Застосування водню дозволяє по новому підійти до організації робочого процесу ДВЗ, істотно поліпшити їх паливну економічність і понизити кількість шкідливих викидів з відпрацьованими газами. Водень є одним з найбільш енергоємних топ -лив, його нижча теплотворна спроможність майже в три рази вище, ніж нафтових моторних палив, і становить 120 X 103 кДж / кг. Проте зважаючи малого стехиометрического співвідношення водень - повітря ( для спалювання 1 благаючи водню вимагається 2,38 молей повітря, в той час як для 1 благаючи нафтових моторних палив близько 50 молей) і низької щільності водню теплотворність водородовоздушной суміші стехіометричного складу буде нижче, ніж топлнвовоздушних сумішей традиційних палив, що спричинить за собою зниження потужності поршневого двигуна при переведенні його на водень.

Порівняльні значення питомої енергоємності заряду для бензинового і водневої двигунів і характеристики палив представлені в табл. 1. Наведені дані показують, що у водневому двигуні об'ємне відношення паливо - Еоздух в стехиометрической суміші становить 0,42, у той час як в бензиновому двигуні - всього лише 0,02. Висока об'ємна частка водню в топлівовоздушной суміші при зовнішньому сумішоутворення призводить до значного зниження ' енергоємності заряду, незважаючи на дуже високу теплотворну здатність водню.

Таблиця 1. Енергоємність заряду поршневого двигуна на бензині і водні.

При стехіометричном складі суміші енергоємність заряду водневого двигуна із зовнішнім смесеобразованием на 15 % нижче, ніж бензинового двигуна. При внутрішньому сумішоутворення, навпаки, енергоємність заряду водневого двигуна на 12 % вище, що дозволяє досягти досить високих значень середнього ефективного тиску (до 0,85 МПа). Однак на підставі наявних даних ще не можна зробити висновок про можливу максимальної літрової потужності водневого двигуна. Її величина значною мірою залежатиме від можливості використання області стехіометричного складу сумішей в зв'язку зі схильністю до самозаймання на впуску, схильністю до детонації і високою емісією оксидів азоту. Тому склад водородовоздушной суміші на повній потужності може бути обмежений коефіцієнтом надлишку повітря 1,5.

Великий вплив на робочий процес двигуна надають властивості палива, що визначають якість сумішоутворення. При використанні водню як палива для ДВС можуть застосовуватися кілька способів сумішоутворення: для двигунів з запалюванням від іскри - зовнішнє і внутрішнє ( подача водню як у процесі впуску, так і на лінії стиснення); для двигунів з самовоспламенением - зовнішнє і внутрішнє- (подача водню на лінії стиснення і запалювання шляхом вприскування запальний дози рідкого вуглеводневого палива , а також подача водню наприкінці такту стиснення за певним законом спільно з запальний дозою рідкого вуглеводневого палива); для газових турбін - внутрішнє з безперервною подачею водню в зону горіння.

У разі зовнішнього сумішоутворення ступінь гомогенності суміші визначається такими властивостями палива, як температура кипіння і дифузійна здатність. Водень в цьому відношенні має прекрасні властивості : температура кипіння -253 ° С, що в будь-яких умовах роботи двигуна виключає наявність рідкої фази водню в суміші; коефіцієнт дифузії водню в повітрі за нормальних умов становить 0.63 см2 / с, що у вісім разів перевищує коефіцієнт дифузії вуглеводневих палив в повітрі.

Зазначені властивості водню забезпечують формування високогомогенной суміші і виключають утворення рідкої плівки па поверхнях впускного тракту внаслідок переохолодження суміші в процесі сумішоутворення і її розшарування під дією прискорень у вигинах впускного тракту і пульсацій потоку на впуску.

При внутрішньому сумішоутворення з подачею палива на • лінії стиснення вимоги до палив по швидкості формування гомогенної суміші більш жорсткі, оскільки час, що відводиться на смесеобразование, в цьому випадку в кілька разів менше, ніж при зовнішньому сумішоутворення. Зазначені властивості Водню задовольняють цим вимогам краще будь-якого з вуглеводневих палив, як рідких, так і газоподібних.

Жорсткі вимоги, що пред'являються до палив з формування гомогенної суміші, відпадають при внутрішньому сумішоутворення з подачею палива в кінці стиснення, так як воно згорає в міру подачі в циліндр. Водночас паливо повинне мати здатність за дуже короткий проміжок часу (приблизно 1 мс ) утворити горючу суміш. Водень, володіючи високою швидкістю дифузії, в цьому відношенні перед. ставлять собою прекрасне паливо. Однак, так як даний спосіб сумішоутворення може бути реалізований в поєднанні з примусовим запалюванням, можуть виникнути певні труднощі в точному відповідність моменту запалення і моменту подачі водню. Крім того, можуть мати місце певні проблеми, пов'язані з апаратурою вприскування водню під високим тиском внаслідок його низької щільності і стисливості.

У газотурбінних двигунах за великої витрати палива згоряння водню має відбуватися безперервно в будь-яких умовах, причому з попередньо змішаними полум'ям. При застосуванні водню, що має значно більшу дифузійну здатність, також, як і при використанні вуглеводневих палив, доцільним є внут реннее смесеобразование , яке забезпечує швидку і високу гомогенізацію суміші в зоні згоряння.

Особливості робочого процесу двигунів, що працюють на водні, визначаються головним чином властивостями водні -повітряної суміші, а саме: межами запалення, температурою і енергією займання, швидкістю поширення фронту полум'я, відстанню гасіння полум'я. Всі ці властивості у водню на порядок краще, ніж у вуглеводневих палив.

Межі займання. Межі зміни складів топ- лівовоздушних сумішей, при яких можливе їх займання і згоряння, називають межами запалення і оцінюють або в об'ємних частках змісту палива на суміші, або коефіцієнтом надлишку повітря. Межі займання визначаються експериментально і їх значення залежать від методу визначення і умов експерименту.

Об'ємна частка нижньої межі водородовоздушной суміші при нормальних умовах становить 0,04-0,1, верхнього - 0,7-0,8, для бензину відповідно - 0,014-0,024 і 0,04-0,08, для метану -0,05 -0,06 і 0,127-0,150.

З точки зору моторних властивостей палива найбільший інтерес представляє нижню межу займання, так як він дозволяє оцінити ступінь ефективного збіднення па- вовоздушной суміші і визначає спосіб регулювання двигуна. Для водню він у декілька разів вища, ніж для вуглеводневих палив. Навіть при низьких температурах можливо якісне регулювання потужності двигуна, що дозволяє отримати високу паливну економічність в порівнянні з бензиновим двигуном в широкому діапазоні навантажень і частот обертання.

Мал. 1. Залежність між температурою і межею займання водню в повітрі. 1 - Верхня межа, 2 - нижня межа.

 

Мал. 2. Температура займання по Преттру.

  Температура займання. Під температурою займання розуміють температуру, при якій суміш після певного впливу запалюється й продовжує горіти Найбільш точні дані по температурах займання водородовоздушних сумішей можна знайти у В. Іост.

Значення температур займання для водородовоздушной суміші поблизу стехіометричного складу коливаються в широких межах залежно від методу і умов дослідження. Максимальне відхилення результатів перевищує 500 ° С, тому вказати межі температур займання, що відповідають умовам займання в ДВС, дуже важко. Найбільш близькими, ймовірно, слід вважати температури, отримані Діксоном і Крофтом за методом адіабатичного стиснення. Вони похитали , що зі зменшенням концентрації водню в повітрі температура займання знижується. Це ж підтверджується і результатами досліджень Преттра (рис. 2 ) .

Мал. 3. Залежність температури займання водню в суміші з сухим повітрям від тиску (цифри на кривих - період індукції в секундах).

Певний вплив на температуру займання водоповітрянної суміші чинить тиск , при якому вона знаходиться. Залежність температури займання від тиску (мал. 3 ), отримана Діксоном за методом змішування попередньо підігрітих газів в концентричних трубках, показує, що при зниженні тиску нижче 0,1 МПа температура займання різко падає, а при тиску нижче 0,01 МПа займання взагалі виявляється неможливим.

Великі періоди індукції, отримані Діксоном, на думку В. Іост, визначаються не стільки хімічними процесами, скільки якістю сумішоутворення. Підтвердженням цьому можуть служити дані Преттра і ряду інших авторів , які при досить ретельних дослідженнях водородовоз - задушливих сумішей не змогли виявити помітних періодів індукції.

На підставі аналізу, проведеного вище, точно встановити температуру займання водородовоздушних сумішей не представляється можливим, але можна оцінити межі, в яких вона змінюється. При тиску р : = 0,1 МПа інтервал температур займання водню в повітрі знаходиться в межах 530-630 0С, що трохи вище, ніж у бензину.

ПЕРЕДУМОВИ ВИКОРИСТАННЯ ВОДНЮ В ЯКОСТІ ПАЛИВА ДЛЯ АВТОМОБІЛЬНИХ ДВИГУНІВ

Моторні властивості водню дозволяють зробити деякі припущення про можливість і доцільність застосування водню як палива для сучасних автомобільних двигунів.

Широкі концентраційні межі згоряння водню в повітрі (а = 0,15 - 10) дають можливість перейти до якісної регулювання двигунів, що працюють за циклом Отто. Застосування якісного регулювання значно знизить насосні втрати, що в поєднанні з іншими факторами (поліпшенням повноти згоряння, чудовим смесеобразованием і стабільністю складу суміші по циліндрах) може істотно вплинути на збільшення ефективного ККД двигуна.

Відомо, що ступінь досконалості будь-якого двигуна визначається тим, наскільки його реальний цикл відповідає теоретичному. Для ДВС з іскровим запалюванням, що працюють за циклом з підведенням тепла при постійному обсязі, це відповідність визначається швидкістю згоряння, так як теоретичний чикла передбачає миттєвий підведення тепла, тобто нескінченну швидкість згоряння. У цьому плані реальний цикл двигуна при роботі на водні набагато ближче до теоретичного, ніж при роботі на будь-якому вуглеводневому паливі.

Широкі концентраційні межі і висока швидкість згоряння водню в повітрі дають можливість організувати якісне регулювання робочого процесу двигуна, при цьому навіть на повному навантаженні коефіцієнт надлишку повітря нижче одиниці використовувати недоцільно. Порівнюючи ККД бензинового двигуна, для якого оптимальний коефіцієнт надлишку повітря дорівнює 0,85-0,9, і водневого двигуна, можна відзначити, що теоретично ККД останнього повинен бути на 10-15 % вище. На часткових навантаженнях в двигуні з кількісним регулюванням значний вплив на зниження ККД надає дросселирование, цього можна уникнути в водневому двигуні при якісному регулюванні.

Поряд із зазначеним певний позитивний вплив на ККД водневого двигуна може надати менша тепловіддача в стінки камери згоряння внаслідок нижчої з - лучательной здатності водневого полум'я в порівнянні з вуглеводневим.

Високі швидкості згоряння водородовоздушной суміші в широкому діапазоні коефіцієнтів надлишку повітря дають гарантію стабільного протікання робочого процесу на всіх режимах роботи двигуна, однак при згорянні сумішей, за складом близьких до стехиометрическому за рахунок дуже високої ско-рости згоряння можливе різке збільшення швидкості наростання тиску в циліндрі по порівняно з циклом на бензині. Це в свою чергу передбачає більш високу максимальну температуру циклу водневого двигуна.

Більш високі температури циклу і наявність вільного кисню в камері згоряння (а = 1,0 - 1,15) на режимах повних навантажень водневого двигуна повинні сприяти більш інтенсивному утворенню оксидів азоту, ніж в бензиновому двигуні. Однак на часткових навантаженнях за рахунок якісного регулювання ( а > 1,5 ) можливе різке зниження емісії оксидів азоту до незначного рівня. Наявність будь-яких інших токсичних речовин у відпрацьованих газах водневого двигуна практично виключається . Це передбачає можливість створення екологічно чистого автомобільного двигуна.

Враховуючи широкі концентраційні межі і високу швидкість згоряння водню і його високий коефіцієнт дифузії, він може бути використаний як добавки, що ініціює процес згоряння бідних углеводородовоздушних сумішей.

Застосування водню як додаткового палива для бензинових автомобільних двигунів відкриває можливість принципово нового підходу до організації робочого процесу. При мінімальній модифікації сучасного бензинового двигуна , що стосується в основному системи живлення, можна значно підвищити його паливну економічність і різко знизити рівень токсичності відпрацьованих газів.

Мал . 4 . Порівняння способів зберігання водню і бензину : 1 - бензиновий бак; 2 - кріогенний бак для LH2; 3 - гідрідний акумулятор для FeTiHx; 4 - балони високого тиску ( 40 МПа); 5 - бак для Н2 при нормальних умовах.

Обговорюючи можливості застосування водню для автомобільних двигунів, не можна обійти таке важливе питання, як зберігання водню на транспортному засобі.

На відміну від стаціонарних споживачів енергії та електричного транспорту, пов'язаного з лінією електропередачі, більшість транспортних засобів вимагає акумулювання та транспортування на борту значної кількості енергії, необхідної для їхнього руху. Сьогодні завдання акумулювання енергії вирішується в основному за рахунок транспортування на борту рідких вуглеводневих палив.

Водень, на відміну від вуглеводневих палив, має дуже низьку щільність і при атмосферних умовах може існувати тільки в газоподібній фазі. Це ставить проблему компактного зберігання його на транспортному засобі, зокрема на автомобілі.

Енергоекологічні ПОКАЗНИКИ водневого ДВС

Енергоекологічні показники ДВС істотно залежать від застосовуваного палива. Об'єктивно оцінити ці показники можна шляхом аналізу термодинамічних параметрів робочого тіла на різних стадіях робочого процесу. З цією метою були виконані розрахунки теоретичного циклу ДВС з урахуванням рівноважного складу продуктів згоряння на водні, суміші бензину з воднем в різних співвідношеннях і на бензині в широкому діапазоні коефіцієнтів надлишку повітря і ступенів стиснення.

СКЛАД ПРОДУКТІВ ЗГОРЯННЯ

У процесі згоряння під дією високих температур відбувається термічна дисоціація (розпад) складних молекул на простіші молекули, радикали і атоми. При цьому дисоціація супроводжується витратами енергії на розрив молекулярних зв'язків і збільшенням енергії продуктів розпаду, що веде до зниження максимальної температури і корисного тепловиділення в циклах ДВС.

Внаслідок дисоціації в складі робочого тіла збільшується кількість легких одно- і двоатомних газів, в результаті чого його молекулярна маса знижується. Тому а разі ізохоричного процесу згоряння дисоціація веде до збільшення тиску продуктів згоряння. У свою чергу підвищення тиску при горінні придушує всі реакції, що протікають із збільшенням числа молей , і веде до рекомбінації , тобто до з'єднання раніше диссоційованих молекул і атомів .

Таким чином, ступінь дисоціації продуктів згоряння визначається двома основними чинниками - максимальною температурою і ступенем підвищення тиску. Безумовно, визначальним чинником є температура. Склад продуктів згоряння в загальному випадку обумовлюється в основному хімічним складом палива і складом суміші, тобто коефіцієнтом надлишку палива. При дисоціації па нього справляють істотний вплив температура і тиск процесу згоряння.

На мал. 5 показані залежності рівноважного складу продуктів згоряння від коефіцієнта надлишку повітря а для бен - зоводородовоздушних сумішей. Поле, обмежене кривими концентрацій компонента, наприклад NO, відповідає його концентрації в продуктах згоряння бензоводородовоздушних сумішей різного складу. Розрахунки проведені при ступені стиснення e = 8,5 і початкових параметрах робочого тіла Т - 320 К і Р - 0,08 МПа. Рівноважний склад продуктів СГО-Ранія водородовоздушной суміші містить мінімальне число компонентів.

Мал. 5. Рівноважний склад продуктів згоряння бекзоводородовоз - задушливих сумішей ( суцільні лінії - 100 % водню; штрихові - 100 % бензину).

Збільшення частки водню в складі умовного палива од. нозначно веде до збільшення вмісту оксидів азоту в продуктах згоряння, в результаті чого із зменшенням відносини С/Н ізоконцентраціонние рівні NO зміщуються в область більш бідних сумішей. Однак, враховуючи можливість значного розширення меж згоряння топлівовоздушних сумішей, збагачених воднем, в область бідних складів, представляється можливим досягти дуже низьких рівнів або виключити повністю оксиди азоту з ОГ.

Завантажити книгу (формат DJVU 1,7Mb) Автор - Міщенко А.И., Київ - 1984 г.

Наші переваги

Будь набутий у нас товар ви можете повернути, якщо з яких-небудь причин він вам не підійшов або не сподобався.

На всю продавану нами продукцію ми надаємо гарантію терміном мінімум 1 рік (в залежності від виду товару).

Більшість пропонованих нами товарів здатне поліпшити характеристики автомобіля, не порушуючи гарантію на нього.

Більшу частину, пропонованих нами товарів, ми виробляємо особисто! Це дає можливість нашим клієнтам не тільки купувати продукцію за вигідними цінами, а й відразу з'ясовувати всі запитання по установці і використанню пристроїв.

up