Особенности рабочего процесса двигателей, работающих на водороде.

Часть 1. Моторные свойства водорода

Пригодность любого топлива для использования в двигателях внутреннего сгорания определяется его моторными свойствами. Водород как моторное топливо обладает рядом важных особенностей, отличающих его от других топлив. Важнейшие характеристики водорода представлены в табл. 1.1.

Табл. 1.1. Моторные свойства водорода и бензина

Низшая теплотворная способность единицы массы топлива.

Водород является одним из наиболее энергоемких топлив, его низшая теплотворная способность почти в 3 раза выше, чем нефтяных моторных топлив, и составляет 120 000 кДж/кг (для дизельного топлива эта величина составляет 42 700 кДж/кг, а для бензина – 43 930 кДж/кг). Однако при переводе двигателя на питание водородом не следует ожидать увеличения мощности двигателя ввиду того, что при сгорании газообразного водорода коэффициент молекулярного изменения μ принимает значения около 0,7, в то время как для жидких топлив эта величина больше единицы. Мощность двигателя при переводе его на питание водородом будет значительно ниже при одинаковых размерах цилиндра и степени сжатия. Это следует из уравнения сгорания водорода:

2Н2 +О2=2Н2О.

При сгорании трех молекул газов свежего заряда образуется две молекулы продуктов сгорания, вследствие чего уменьшается число молей продуктов сгорания М2 по сравнению с числом молей свежего заряда М1.

Способ смесеобразования.

Большое влияние на работу двигателя оказывает способ смесеобразования. При использовании водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания может применяться внешнее или внутреннее смесеобразование.

При внешнем смесеобразовании степень гомогенности смеси определяется такими свойствами топлива, как температура кипения и диффузионная способность. Водород в этом отношении является наилучшим топливом, так как его температура кипения составляет – 253 ° С, что в любых условиях работы двигателя исключает наличие жидкой фазы в рабочей смеси; коэффициент диффузии водорода превышает аналогичную величину бензина в 8 раз. Можно сказать, что в атмосферных условиях водород всегда является газообразным и прекрасно перемешивается с воздухом. Эти свойства водорода обеспечивают формирование гомогенной смеси и исключают образование жидкой пленки на поверхностях впускного тракта вследствие переохлаждения смеси в процессе смесеобразования и ее расслоения под действием ускорений в изгибах впускного такта 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 несколько раз меньше, чем при внешнем смесеобразовании. Свойства водорода удовлетворяют этим требованиям лучше любого из углеводородных топлив, как жидких, так и газообразных. Водород способен за очень короткое время (менее 1 мс) образовать горючую смесь, равномерно перемешиваясь с воздухом.

Концентрационные пределы воспламенения.

Пределы изменения составов топливовоздушных смесей, при которых возможно их воспламенение и сгорание, называют концентрационными пределами воспламенения и оценивают либо в объемных долях содержания топлива в смеси, либо коэффициентом избытка воздуха α. Пределы воспламенения определяются экспериментально. Для водорода α = 0,15…20, а для бензина коэффициент избытка воздуха составляет α = 0,6…1,4. Таким образом, бензовоздушные смеси горят в очень узком диапазоне коэффициентов избытка воздуха, что вызывает необходимость использовать в них количественный характер регулирования мощности двигателя. Для водорода, имеющего очень большие концентрационные пределы воспламенения смесей, напротив, можно обеспечить качественное регулирование состава смеси и мощности двигателя, т.е. подавать водород в цилиндры независимо от количества подаваемого воздуха. Это позволяет получить значительный выигрыш в конструкции системы топливоподачи и существенно повысить топливную экономичность двигателя на водороде по сравнению с бензиновым двигателем в широком диапазоне эксплуатационных режимов работы при изменении как нагрузочного, так и скоростного режима двигателя.

Температура воспламенения.

Под температурой воспламенения понимают температуру, при которой смесь газов воспламеняется и горит. Температура воспламенения всех газов, в том числе и водорода, превышает 500 ° С, поэтому газовые двигатели не могут работать по циклу Дизеля, так как газы не самовоспламеняются даже при весьма высоких давлениях конца сжатия. Газовые двигатели требуют постороннего источника зажигания, которым в водородном двигателе является свеча. Температура воспламенения водорода (630 ° С) больше, чем температура воспламенения бензина (530 ° С) и дизельного топлива (350 ° С).

С температурой воспламенения тесно связана величина периода задержки воспламенения, которая для водорода является весьма малой. Водородно-воздушная смесь начинает гореть практически сразу после электрического пробоя искрового промежутка или появления в цилиндре открытого пламени.

Энергия воспламенения.

При стехиометрическом составе смеси энергия, необходимая для воспламенения водорода, более чем в 10 раз ниже той, которая необходима для углеводородных топлив, и составляет 0,02 МДж. Следствием этого является, во-первых, то, что существующие системы зажигания бензиновых двигателей при переводе их на питание водородом не потребуют модернизации, а для вновь разрабатываемых двигателей требования к системам зажигания окажутся пониженными. Система зажигания двигателя на водороде будет более простой и дешевой. Низкая энергия воспламенения, во-вторых, является основной причиной неконтролируемого воспламенения водородовоздушной смеси в двигателях, обусловленного тлеющими частицами нагара, остаточными газами, а также горячими точками камеры сгорания: электродами свечи зажигания, выпускным клапаном, острыми кромками поверхностей камеры сгорания.

Низкая энергия воспламенения в широких пределах изменения коэффициентов избытка воздуха требует осуществления на двигателе дополнительных мероприятий по предупреждению неконтролируемого воспламенения.

При образовании горючей смеси во впускном коллекторе, как это наблюдается, например в карбюраторном двигателе, возникает большая опасность ее воспламенения и пожара на двигателе. В связи с этим наилучшим решением является приготовление горючей смеси непосредственно в цилиндре двигателя. Только такой способ смесеобразования дает возможность полностью исключить вспышки во впускном коллекторе. Однако для подачи водорода в цилиндр в этом случае требуется специальный клапан, т.е. двигатель должен иметь, по крайней мере, три клапана: для впуска воздуха, впуска водорода и выпуска отработавших газов.

Скорость сгорания.

Скорость сгорания топливовоздушных смесей определяется скоростью перемещения фронта пламени. Скорость сгорания жидких углеводородных топлив нефтяного происхождения составляет 40 м/с. Скорость сгорания водородовоздушных смесей зависит от коэффициента избытка воздуха α и равна ~270 м/с при α = 1. Высокая скорость сгорания, или «квазидетонационное» сгорание водородовоздушных смесей, приводит к высокой жесткости работы двигателя, высокой скорости нарастания давления. Следствием этого является возможность значительного увеличения частоты вращения коленчатого вала, так как уменьшение времени, отводимого на процесс сгорания при увеличении частоты вращения, не приведет к ухудшению индикаторных показателей рабочего процесса. С другой стороны, высокая скорость нарастания давления, превышающая 0,3 МПа/град, для двигателя нежелательна. В связи с этим нецелесообразна работа водородного двигателя при стехиометрическом составе смеси. Двигатели на водороде должны работать при значениях α, несколько превышающих единицу.

Плотность.

Низкая плотность водорода как в жидком, так и в газообразном состоянии создает трудности, связанные с хранением. Необходима разработка компактных и безопасных способов, особенно актуальным и сложным является создание автомобильных водородных двигателей внутреннего сгорания. Необходима разработка хранения водорода. Наиболее перспективным, наряду с криогенным хранением, является способ хранения водорода в гидридах металлов. Известно, что в единице объема многих гидридов содержится водорода больше, чем в том же объеме жидкого водорода. Так, LaNi5H6 аккумулирует при 0,4 МПа столько же водорода, сколько его могло бы храниться в эквивалентном по объему баллоне при давлении 100 МПа. Недостатком гидридного хранения является высокий вес баков, сопоставимый с весом аккумуляторных батарей, обеспечивающих одинаковый пробег электромобиля и двигателя, работающего на водородном топливе.

Октановое число.

Октановое число газообразных топлив превышает октановые числа жидких топлив и не опускается ниже 100 единиц. Октановое число водорода зависит от коэффициента избытка воздуха и может составлять 105…110, поэтому степень сжатия водородного двигателя может достигать 10…12 единиц, что дает возможность повысить КПД рабочего цикла и приблизить его к КПД двигателей, работающих по циклу Дизеля. Следует отметить, что октановое число водорода не является величиной постоянной и зависит от коэффициента избытка воздуха в горючей смеси.

Коэффициент избытка воздуха при сгорании.

Исследования показывают, что работа водородного двигателя при α = 1 и высоких степенях сжатия невозможна. Это происходит в связи с тем, что скорость распространения пламени становится при α = 1 очень большой и может достигнуть 680 м/с. Сгорание со скоростью фронта пламени 200…300 м/с вызывает возникновение волн давления, распространяющихся со скоростью звука вследствие значительных перепадов давления перед фронтом пламени и за ним. Следует отметить, что такое сгорание не является детонационным, так как скорость распространения ударной детонационной волны составляет 2…3 км/с. Однако на индикаторной диаграмме водородного двигателя появляются характерные зубцы из-за появления высокочастотных волн давления, возникающих в камере сгорания. Работа при α <1 нецелесообразна в связи с общим недостатком воздуха для процесса сгорания. При проектировании водородных двигателей коэффициент избытка воздуха должен приниматься значительно больше единицы.

Реакции сгорания водорода.

Водород образует соединения со всеми химическими элементами, кроме инертных газов. Несмотря на это, в большинстве случаев необходимы высокие температуры или воздействие катализаторов, чтобы реакция могла протекать достаточно быстро. Реакция водорода с кислородом при комнатной температуре может идти только в присутствии катализатора. При пропускании водорода через платиновую трубку водород загорается. Наряду с платиной каталитическое воздействие на горение Н2 оказывают и другие металлы, но при более высоких температурах. Реакция между кислородом и водородом является разветвленной цепной. В результате начальных реакций образуются активные центры – свободные атомы или радикалы (ОН), которые поддерживают дальнейшее протекание цепной реакции. При повышении давления в процессе сгорания до некоторого предела происходит тепловой взрыв, и наряду с цепочными большую роль начинают играть тепловые процессы горения. Наличие окислов азота в отработавших газах свидетельствует о том, что азот воздуха также участвует в реакции. Атом азота реагирует с молекулой кислорода, образуя оксид азота и атом кислорода, который вновь участвует в реакции. Окислы азота образуются при высокой температуре (>1 500 К) в зоне позади фронта пламени. Максимальная концентрация окислов азота соответствует α = 0,8.

Продуктом сгорания водорода в воздухе в основном является вода. Однако при температурах свыше 1 000 ° С водяной пар начинает диссоциировать (с поглощением тепла) на водород и кислород, но даже при температуре 2 000 ° С степень диссоциации незначительна и не превышает 1,8 %. Другим продуктом сгорания водорода является перекись водорода, но она образуется в небольших количествах и может быть легко разложена каталитически.

Часть 2. Водород как топливо для ДВС

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

Анализ имеющихся в литературе результатов исследований технико-экологических характеристик бензиновых и ди­зельных двигателей, использующих водород как топ­лива, позволили установить сле­дующее:

1. Рабочий процесс двигателей при цикловом его дозировании на впуске осуществляется устойчиво в широком диапазоне коэффициентов избытка воздуха α. При непрерывной подаче водорода во впускной тракт рабочий процесс нарушается вследствие появления обратных вспышек, которые являются результатом прежде­временного воспламенения водорода при его контакте с горячими точками камеры сгорания либо остаточными газами при относительно богатой смеси ( α = 1– 1,4).
2. При составах смеси, близких к стехиометрическим,
   рабочий процесс двигателя на водороде является жестким вследствие
   высокой скорости сгорания смеси.
3. Мощность двигателя на водороде при внешнем смесеобразовании более чем на 20 % ниже мощности, развиваемой двигателем на бензине; при обеспечении внутреннего смесеобразования мощность двигателя не снижается.
4. Оптимальный состав рабочей смеси с точки зрения достижения максимального КПД и минимальных выбросов окислов азота N0х соответствует α = 2,5…2,7.
5. Добавка водорода к бензовоздушным смесям в
   количестве 5 % обеспечивает увеличение эффективности
   рабочего цикла, снижение расхода бензина до 30 %, существенное
   снижение выброса вредных веществ с отработавшими газами (ОГ) двигателей.
6. При организации работы транспортного средства на углеводородо-водородных смесях (смесях бензина и водорода в различных пропорциях) можно использовать следующие способы дозирования водорода: постоянную подачу неизменного количества водорода независимо от режима работы двигателя и расхода бензина или регулируемую подачу водорода, поддерживая его определенную долю в топливной смеси (например, 10 % от количества бензина во всех режимах работы двигателя). Первый вариант дозирования отличается простотой, так как в этом случае требуется лишь дозирующая шайба, обеспечивающая постоянный расход водорода.

Широкие концентрационные пределы и высокая скорость сгорания водорода в воздухе дают возможность организовать качественное регулирование рабочего процесса двигателя, при этом даже при 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 теоретический КПД последнего на 10…15 % выше. При частичных нагрузках в двигателе с количественным регулированием значительное влияние на снижение КПД оказывает дросселирование, которого можно из­бежать в водородном двигателе при качественном регулиро­вании.

Высокие скорости сгорания водородовоздушной смеси в ши­роком диапазоне коэффициентов избытка воздуха обеспечивают стабильное протекание рабочего процесса во всех режимах работы двигателя. Это, в свою очередь, предполагает более высокую максимальную температуру цикла водородного двигателя. Влияние высокой температуры сказывается двояко. С одной стороны, повышение перепада температур в цикле повышает КПД двигателя. С другой стороны, рост максимальной температуры приводит к образованию большего количества окислов азота в отработавших газах. Наличие каких-либо других токсичных веществ, кроме окислов азота, в отработавших газах водородного двигателя практически исключается.

С учетом широких концентрационных пределов, высокой скорости сгорания и высокого коэффициента диф­фузии водорода, он может быть использован в качестве добавки, иници­ирующей процесс сгорания бедных углеводородовоздушных смесей. Иными словами, водород может быть использован в качестве добавки к бензину, причем водород и бензин горят в любых соотношениях.

Применение водорода в качестве дополнительного топлива для бензиновых автомобильных двигателей открывает широкие перспективы для улучшения их топливной экономичности и экологических характеристик. При минимальной модификации бензинового двигателя (модификации только системы питания) можно значительно повысить его топливную экономичность и снизить токсичность отработавших газов.

Водород как моторное топливо обладает теми же свойствами, что и другие газы: образует гомогенную горючую смесь, уменьшает износ деталей цилиндропоршневой группы (так как при сгорании водорода не образуются абразивные частицы), увеличивает срок службы масла (в связи с тем, что при возможных протечках топлива в картер двигателя находящееся там масло не разжижается, как это наблюдается при использовании бензина), способствует равномерному наполнению цилиндров многоцилиндровых двигателей, не образует топливной пленки во впускном трубопроводе.

Часть 3. Работа двигателя на смеси водорода и бензина

Серийный двигатель может работать на смеси бензина и водорода при незначительной модернизации.

Добавка водорода к углеводородным топливам способствует формированию высокоактивных центров химических реакций (атомарного водорода), снижению энергии воспламенения и расширению пределов сгорания бензина.

При питании двигателя бензином с 5 %-й добавкой водорода и коэффициенте избытка воздуха α =1,05 максимальная мощность двигателей ГАЗ-24 и ВАЗ-2101 сохраняется на уровне мощности базового двигателя. При этом на 30 % снижается расход бензина, значительно уменьшается эмиссия оксидов углерода и углеводородов и существенно повышается топливная экономичность. При полном открытии дроссельной заслонки и одинаковом значении мощности удельный эффективный расход топлива при работе с 5 %-й добавкой водорода снижается на 11,5 % и для ГАЗ-24 составляет в пересчете на бензин 217 г/кВт× ч против 260 г/кВт× ч при работе на бензине. Аналогичная закономерность наблюдается и при частичном открытии дроссельной заслонки. Так, при открытии дросселя, соответствующем 66 % максимальной мощности удельный эффективный расход топлива сокращается на 14 % во всех режимах работы.

На рис. 3.1. представлен ряд типичных индикаторных диаграмм и основные показатели рабочего процесса при различных составах топливовоздушной смеси на водороде и смеси бензина с водородом. Результаты получены на двигателе ГАЗ-24 методом выделения одного цилиндра, что позволило получить обеднение топливовоздушной смеси до α =7.

Рис. 3.1. Индикаторные диаграммы при работе двигателя ЗМЗ – 24 на водороде (а, E=7,4, n=1 500 мин-1) (а) и смеси бензина с водородом (б, E=8,4, n=25 00 мин-1) (б)

Анализ представленной информации позволяет сделать вывод о том, что имеет место зависимость основных параметров рабочего процесса от коэффициента избытка воздуха. Максимум среднего индикаторного давления Рi на водороде достигается при обогащении смеси до α =1, а для бензина, как известно, максимум среднего индикаторного давления достигается при α =0,8. Дальнейшее обогащение водородовоздушной смеси приводит к снижению Рi . Смещение максимальных значений Рi в бензиновом двигателе в сторону более богатых смесей является следствием сокращения периода видимого сгорания, определяющего динамику процесса сгорания. В водородном двигателе при составах смеси, близких к стехиометрическому, динамика процесса сгорания существенно выше и в области обогащенных смесей изменяется мало.

При работе на смеси бензина с водородом максимум среднего индикаторного давления Рimax , так же, как и при работе на бензине, сдвинут относительно стехиометрического состава в область α =0,8…0,9, поскольку при Рimax количество водорода в условном комбинированном топливе весьма мало и не превышает 0,03…0,04 массовых долей. Следовательно, рабочий процесс по основным показателям близок к процессу работы на бензине, хотя наблюдается некоторое уменьшение начального периода сгорания и угла опережения зажигания, а также примерно 3 %-е повышение максимальной температуры и давления цикла.

По мере обеднения бензоводородовоздушной смеси доля водорода в составе топлива увеличивается , достигая 100 % при α =5…6, что ведет к интенсификации процесса сгорания и стабилизации такого важного показателя, как продолжитель­но видимого сгорания. Мощностной состав бензоводородовоздушной смеси подбирается из условия достижения максимальной эффективности цикла при сохранении среднего индикаторного давления на уровне базового бензинового двигателя.

Увеличение доли водорода в составе топлива вызывает увеличение скорости сгорания, что приводит к сокращению длительности процесса сгорания, увеличению скорости тепловыде­ления и величины активного тепла, выделившегося к моменту достижения максимальной температуры цикла. При увеличе­нии массовой доли водорода от 0 до 0,1 скорость тепловыделения на участке видимого сгорания возрастает, а коэффициент активного тепловыделения к моменту достижения максимальной температуры цикла увеличивается.

Увеличение скорости тепловыделения на участке видимого сгорания вызывает рост максимальной температуры Тz и давления Рz цикла, однако он наблюдался только при увеличении массовой доли водорода до 0,04. Такой характер изменения Тz и Рz является следствием уменьшения коэффициента молекулярного изменения в процессе сгорания и снижения энергоемкости заряда при добавках водорода выше 0,04 массовых долей. Среднее индикаторное давление и индикаторный КПД в зависимости от относительного количества водорода имеют экстремальный характер с максимумом при ψ = 0,03 …0,04. Некоторый рост Pi при обогащении бензовоздушной смеси водородом до ψ = 0,04 определяется почти двукратным уменьшением степени неравномерности рабочего процесса (неидентичности последовательных рабочих циклов). Последующее снижение Pi обусловлено снижением энергоемкости заряда по мере увеличения добавки водорода.

На увеличение индикаторного КПД кроме рос­та Pi существенное влияние оказывает динамика тепловыделения, которая возрастает с повышением доли водорода в топливе. Однако при добавках водорода, превышающих ψ= 0,04…0,05, улучшение динамики тепловыделения не может ком­пенсировать увеличения относительных потерь тепла в систему охлаждения (о чем свидетельствует снижение коэффициента использования теплоты в конце расширения ζВ ), что вызывает снижение Pi и индикаторного КПД ηi . Таким образом, для мощностных режимов работы двигателя на смеси бензина и водорода относительная массовая доля водорода в составе условного комбинированного топлива должна находиться в пределах 0,03…0,04 от суммарной массы топлива.

Структура распределения энергии, вводимой в цикл с топливом, отражается внутренним тепловым балансом рабочего процесса, где химическая энергия топлива, вводимого за цикл в процессе сгорания, частично идет на повышение внутрен­ней энергии рабочего тела и на совершаемую им работу от начала сгорания до его окончания. На рис. 3.2. приведены графики теплового баланса роторно-поршневого двигателя ВАЗ-311 при частоте вращения коленчатого вала n =2 500 мин-1 , где 1 – доля тепла, преобразованная в эффективную работу; 2 – доля потерь теплоты в систему охлаждения; 3 – доля потерь теплоты с отработавшими газами; 4 – доля потерь теплоты вследствие недогорания. Графики, приведенные на рис. 3.2., наглядно показывают характер изменения индикаторного КПД в зависимости от коэффициента избытка воздуха (кривая 1, рис. 3.2.). Максимальные значения КПД отмечаются при α≈2. Дальнейшее обеднение смеси приводит к уменьшению доли теплоты, преобразованной в эффективную работу.

Рис. 3.2. Распределение относительных тепловых потерь роторно-поршневого двигателя ВАЗ-311

Доля потерь теплоты в систему охлаждения с ростом α уменьшается, а доля потерь теплоты с отработавшими газами возрастает.

Анализ представленных графиков показывает, что максимальный эффект (увеличение мощности и уменьшение расхода топлива) достигается при нагрузках менее 50 % номинальной мощности, т.е. именно при тех режимов работы, которые наиболее характерны для эксплуатации автомобиля.

Энергетические показатели цикла теплового двигателя зависят от условий осуществления цикла и вида применяемого топлива. В случае применения водорода ввиду его низкой плотности, малого стехиометрического соотношения и уменьшения числа молей в процессе сгорания наблюдается существенное отличие показателей цикла водородного двигателя от показателей цикла бензинового двигателя. На рис. 3.3. показан характер изменения ряда характеристик рабочего цикла двигателя на водороде в зависимости от коэффициента избытка воздуха. Характер изменения максимальной температуры цикла Тz не зависит от вида топлива, а ее абсолютная величина возрастает по мере увеличения доли водорода в составе комбинированного топлива. Рост Тz является следствием снижения суммарной объемной теплоемкости продуктов сгорания и уменьшения числа их молей в процессе сгорания. Максимальное Рz и среднее Рср давления цикла с ростом доли водорода в составе комбинированного топлива уменьшаются, причем с ростом α значение коэффициента избытка воздуха сказывается на изменении параметров рабочего процесса в меньшей степени. Характер изменения максимального давления цикла Рz соответствует характеру изменения объемной энергоемкости топливовоздушной смеси НЗ . Абсолютная величина Рz снижается с обогащением бензовоздушной смеси водородом, особенно в области стехиометрического состава, где наблюдается значительное уменьшение коэффициента молекулярного изменения m и энергоемкости заряда. С обеднением топливовоздушных смесей происходит сближение состава продуктов сгорания и вследствие этого уменьшается различие в цикловых давлениях; при α=2 значение Рz для всех топливных смесей практически одинаково. Снижение энергоемкости НЗ с ростом количества водорода в топливовоздушной смеси ведет к уменьшению среднего давления и работы цикла. Наряду с энергоемкостью заряда на Рср существенное влияние оказывает также и коэффициент молекулярного изменения.

Рис. 3.3. Зависимость параметров рабочего процесса двигателя от коэффициента избытка воздуха при различных соотношениях в топливе бензина и водорода

Теоретический КПД цикла практически не зависит от вида топлива, но существенно возрастает с обеднением топливовоздушной смеси, рис. 3.4.

Рис. 3.4. Зависимость теоретического КПД цикла от состава бензоводородовоздушной смеси

На рис. 3.5. показана схема системы питания двигателя бензи­ном и водородом с по­мощью карбюратора-сме­сителя

Рис. 3.5. Схема системы питания двигателя бензином и водородом с помощью карбюратора-смесителя

В двигателях, работающих на смеси бензина и водорода, для устранения повышенной опасности преждевременного воспламенения или взрыва водородно-воздушной смеси, водород вводят в смесь с бензином или в воздух возможно ближе к цилиндрам через карбюраторы-смесители, рис. 3.3.5., где использованы следующие обозначения: 1 – датчик давления водорода; 2 – отсечной клапан; 3 – рабо­чий клапан; 4 – жиклер водорода; 5 – игла жиклера; 6 – винт холостого хода; 7 – диффузор водородной сме­сительной камеры; 8 – водо­родная форсунка; 9 и 10 – диффузоры бензиновой смеси­тельной камеры; 11 – воздушная заслонка; 12 – поплавковая камера с дозирующими системами; 13 – кулачок привода дроссельной заслонки смесительной камеры; 14 – дроссельная заслонка бензиновой смесительной камеры; 15 – датчик положения педали управления дроссель­ной заслонкой; 16 – педаль управления подачей топлива; 17 – двигатель; 18 – датчик частоты вращения; 19 – дроссельная заслонка водородной смесительной камеры; 20 –датчик положения дрос­сельной заслонки; 21 – ва­куумная камера регулятора расхода водорода; 22 – блок управления расходом водорода; 23 – большая мембрана ре­гулятора; 24 – воздушная ка­мера; 25 – шток иглы; 26 – ма­лая мембрана; 27 – водород­ная камера;

I – водород; II – воздух; III – бензин

Таким образом, добавка водорода в относительно небольших количествах к бензину позволяет значительно улучшить характеристики двигателя. Работа двигателя на смеси бензина и водорода может осуществляться при незначительной модернизации серийного двигателя и позволяет как повысить его топливную экономичность, так и снизить токсичность отработавших газов.

Внутреннее смесеобразование также перспективно для повышения удельной мощности водородных двигателей, особенно в случае, когда водород подается в цилиндр под некоторым давлением. Однако реализация внутреннего смесеобразования на современных высокооборотных автомобильных двигателях сопряжена с рядом трудностей, связанных с необходимостью подачи водорода за несколько миллисекунд. Схема водородной форсунки показана на рис. 3.6. При данном способе смесеобразования водород подается в предкамеру специальной форсункой с гидравлическим приводом, осуществляемым от штатного насоса высокого давления двигателя в дизельном варианте.

Рис. 3.6. Схема водородной форсунки с гидравлическим приводом

Расход водорода регулируется изменением продолжительности впрыска и его давления. Продолжительность впрыска может изменяться от 8 до 10 мс, а давление от 3 до 8 МПа. Момент начала впрыска водорода может изменяться в широких пределах: 115…35° до ВМТ, что дает возможность оптимизации момента и продолжительности подачи водорода.

Независимо от способа смесеобразования работа водородного двигателя на топливовоздушных смесях состава, близкого к стехиометрическому, характеризуется высокой жесткостью рабочего процесса. Жесткость рабочего процесса определяется скоростью нарастания давления при сгорании и оценивается величиной порядка 5 000 МПа/с при максимальных давлениях цикла 6,0…9,0 МПа. Значительно более высокая скорость нарастания давления в водородном двигателе по сравнению бензиновым, для которого она не превышает 1 000 МПа/с (или 0,3 МПа на градус поворота коленчатого вала) вызывается высокой скоростью сгорания водородовоздушной смеси состава, близкого к стехиометрическому, что приближает реальный процесс сгорания в двигателе к процессу подвода теплоты при постоянном объеме в теоретическом идеальном цикле.

Средняя скорость распространения фронта пламени в камере сгорания водородного двигателя при стехиометрическом составе смеси достигает 120 м/с (в бензиновом двигателе – 40 м/с). При таких скоростях сгорания в бензиновых двигателях наблюдается явление, называемое «рамбл» (грохот) и являющееся одним из возможных нарушений процесса сгорания. Такое сгорание возникает, если происходит калильное воспламенение сразу от нескольких источников, от каждого из которых в камере сгорания начинает движение свой фронт пламени.

По мере обеднения водородовоздушной смеси средняя скорость распространения пламени снижается и при α=1,9 достигает значений, характерных для бензиновых двигателей при стехиометрическом составе смеси. Характер изменения скорости нарастания давления хорошо согласуется с характером изменения скорости сгорания водородовоздушных смесей.

Максимальное давление конца сгорания Рz в водородном двигателе при внешнем смесеобразовании выше, чем в бензиновом двигателе, на 10…15%. При внутреннем смесеобразовании Рz может достигать величин, характерных для дизелей с непосредственным впрыском. Для водородных двигателей, следовательно, необходимо ограничивать не только скорость нарастания давления, но и максимальное давление сгорания. Это можно осуществить путем применения бедных смесей (α=1,3…1,5), однако такой способ ограничения приводит к значительному снижению мощности – потеря мощности может составить до 30 %.

Высокая скорость сгорания и очень низкий период задержки воспламенения водородовоздушной смеси стехиометрического состава осложняют перевод бензинового двигателя на питание водородом, так как может начаться детонационное сгорание. Детонационные свойства обычных топлив, применяемых в двигателях с искровым зажиганием, оценивают октановым числом, определяемым на специальных одноцилиндровых двигателях с переменной степенью сжатия. Между октановым числом (ОЧ) бензина и допустимой по детонационной стойкости степенью сжатия устанавливается определенная зависимость, но для водорода определение такой зависимости вызывает значительные трудности. Детонационная стойкость водорода, определяемая по шкале октановых чисел, может принимать различные значения, так как она зависит от коэффициента избытка воздуха.

С обеднением смеси ее склонность к детонации резко снижается и при α = 3 достигает 110 единиц. Явление детонации зависит также от угла опережения зажигания; при более позднем угле опережения зажигания явление детонации исчезает. Известны двигатели на водороде, работающие при степени сжатия E = 14, однако имеются и двигатели, работающие при E = 7. Считается, что детонация возникает тогда, когда на индикаторной диаграмме начинают появляться характерные «зубцы», соответствующие появлению высокочастотных колебаний газа в камере сгорания. Однако при α = 1,3 скорость детонационного сгорания составляет 680 м/с, что значительно меньше скорости детонационного сгорания бензинового двигателя (~2 000 м/с). Даже сгорание со скоростью 200…300 м/с вызывает возникновение волн давления, распространяющихся со скоростью звука вследствие значительного перепада давления перед фронтом пламени и за ним.

Детонационное сгорание делает работу водородного двигателя при α = 1 невозможной, если степень сжатия превышает E = 8.

Часть 4. Использование водорода в топливных элементах

Топливный элемент (ТЭ) является генератором электрической энергии. В нем химическая энергия реакции окисления водорода или другого топлива (например, метана) напрямую преобразуется в электрическую.

В топливном элементе происходит окисление топлива кислородом, «горение», однако при работе топливный элемент почти не нагревается – высвобождаемая при реакции энергия переходит непосредственно в электричество. Поскольку в топливном элементе нет промежуточного преобразования химической энергии в тепло, его КПД не ограничен циклом Карно и, в зависимости от конкретной реакции, может быть близок к 100 %.

Водородный топливный элемент представляет собой устройство, преобразующее химическую энергию реакции соединения водорода с кислородом напрямую в электричество. Химические реакции в ТЭ идут на специальных пористых (способных пропускать газы) электродах (аноде и катоде), активированных палладием (или другими металлами платиновой группы), по следующей схеме:

1. Водород поступает на анод топливного элемента, где атомы разлагаются на электроны и протоны. Для ускорения процесса используют катализатор.
2. Электроны поступают в электрическую цепь, создавая ток.
3. Протоны проходят через полимерную электролитическую мембрану.
4. Кислород (из окружающего воздуха) поступает на катод и соединяется с протонами и электронами водорода, образуя воду.
5. Побочными продуктами реакции являются тепло и водяной пар.

Катализатор на аноде ускоряет превращение водородных молекул в водородные ионы (Н+) и электроны. Водородные ионы (протоны) через мембрану поступают к катоду, где катализатор катода способствует образованию воды из протонов, электронов и кислорода. В качестве катализатора используется платина, палладий или другие металлы платиновой группы. Напряжение, возникающее на отдельном ТЭ, не превышает 1,1 В. Для получения необходимого напряжения ТЭ соединяются последовательно в батареи, а для получения необходимой мощности батареи ТЭ соединяются параллельно. Такие батареи ТЭ вместе с элементами газораспределения и терморегулирования монтируются в единый конструктивный блок, называемый электрохимическим генератором (ЭХГ). Принцип работы топливного элемента показан на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема топливного элемента

Достоинства топливных элементов как источников электрической энергии:

1. ТЭ имеет самый высокий КПД по сравнению с другими электрическими генераторами.
2. В результате реакции водорода с кислородом образуется только вода, поэтому ТЭ – самый экологически чистый источник энергии.
3. В топливном элементе нет движущихся частей и механизмов. Его конструкция исключительно проста.
4. Работа топливного элемента бесшумна.

Основная проблема в создании топливных элементов заключается в том, что реакции окисления (сгорания) топлива при комнатной температуре идут очень медленно. Необходимо ускорить катодную и анодную реакции, для чего можно либо использовать катализатор, либо поднять температуру ячейки. В случае кислородно-водородного элемента со щелочным электролитом лучшим катализатором для обоих электродов является платина (расход платины несколько грамм на 1 кВт), тонким слоем которой покрываются электроды. При применении в качестве электролита 100 %-й фосфорной кислоты температура топливного элемента может быть поднята до 150…200 °С. Сменив фосфорную кислоту на расплав карбонатов щелочных металлов, можно повысить температуру в топливном элементе до 650 °С. При более высоких температурах (800…1 000 °С) работает топливный элемент с твёрдым оксидным электролитом. В нем нет катализатора, элемент состоит из тонкого слоя смеси оксидов иттрия и циркония – твёрдого оксидного электролита с высокой подвижностью ионов кислорода; по обе стороны электролита находятся сетки – токосъёмники. Такой топливный элемент обладает наиболее высоким КПД, не содержит платины, а топливом для него может служить не только водород или природный газ, но и дизельное топливо. Использование данных топливных элементов затруднено их высокой температурой, что требует применения дорогостоящих конструкционных материалов и вспомогательных агрегатов; срок службы этих топливных элементов пока недостаточно велик. Таким образом, топливные элементы делятся на группы:

• Щелочные ТЭ. Электролит состоит из жидкой щелочи – водного раствора гидроокиси калия. Могут работать при температуре до 100 ° С только с чистым водородом и чистым кислородом.
• Топливные элементы на протонообменной мембране. В этих ТЭ электролит – твердая полимерная мембрана, которая пропускает ионы водорода (протоны) с анода на катод. Рабочая температура около 100 ° С.
• Топливные элементы на фосфорной кислоте. Электролитом служит бумажная матрица, насыщенная фосфорной кислотой. Рабочая температура около 200 ° С.
• Топливные элементы на расплаве карбонатов. В качестве электролита используют расплавленную смесь карбоната лития и калия (или натрия) в порах керамической матрицы. Рабочая температура около 650 ° С.
• Топливные элементы на твердых оксидах. Используется твердый керамический электролит на основе оксидов циркония и иттрия. Рабочая температура свыше 1 000 ° С.

Еще одним недостатком кислородно-водородного элемента является его высокая цена в производстве и в эксплуатации, связанная с применением платины и дорогого электролита, а также сложность технологии производства. Стоимость эксплуатации ТЭ зависит также и от цены водорода, тем более что топливный элемент может потреблять только очень чистый водород – примеси, особенно угарный газ, отравляют платиновый катализатор.

Первый автомобиль на топливных элементах NECAR-1 показан компанией «Daimler-Benz» в 1994 г. К 2000 г. был готов улучшенный образец NECAR-4, опытный выпуск которого начат с 2004 г. Общая длина NECAR-4 всего 3,38 м. Топливные элементы и бак, содержащий 100 л жидкого водорода, расположены под полом, что обеспечивает достаточное пространство в салоне для пассажиров и багажа. Мощность электромотора 54 кВт, максимальная скорость - 160 км/ч, запас хода 450 км. Общий пробег до капремонта составляет 150 тыс. миль(241401,6 км.). Движение начинается сразу после нажатия на педаль акселератора. 90 % максимальной мощности двигателя достигается за 2 с. Автомобиль с топливными элементами имеет динамику, сопоставимую с машинами, оснащенными бензиновыми или дизельными моторами. Партию легковых автомобилей с топливными элементами на жидком водороде на базе популярной модели «Ford Focus» («Ford Focus FCV») к выпуску в 2004 г. подготовил исследовательский центр американской компании «Ford Motor Company». Немецкий филиал компании «Ford Forschungszentrum Aachen» в сотрудничестве с 40 университетами из 12 стран создал модель «Mondeo P2000 HFC» на платформе семейного седана «Ford Taurus». Бак с жидким водородом расположен за задним сиденьем, пробег между двумя заправками 160 км. Партия седанов «Mondeo P2000 HFC» для опытной эксплуатации будет также собрана в США. Баварский концерн «BMW» демонстрирует во многих странах седан «BMW 750hl» с баком на 140 л жидкого водорода. Максимальная скорость 200 км/ч, запас хода 350 км. Роботизированная станция для заправки жидким водородом построена в 1999 г. в Мюнхене, рядом с аэропортом. Шестнадцать машин «BMW 750hl» с 1999 г. пробежали, в общей сложности, 65 тыс. миль(104607,36 км.). Японский автоконцерн «Toyota» также выпустил первую партию автомобилей с топливными элементами на жидком водороде. На начальном этапе эксплуатация машин будет происходить только в Токио, где построены специальные заправочные станции. Высокая стоимость автомобилей на топливных элементах с жидким водородом обусловлена высокими требованиями к составным элементам установок ЭХГ и сложной системой хранения водорода при весьма низкой температуре. Дополнительные трудности возникают при стоянке машины, (наблюдаются потери испаряющегося водорода).

В 2001-2005гг. на автошоу в США, Японии, Европе было продемонстрировано много экспериментальных образцов машин на топливных элементах и организованы их опытные и показательные пробеги. В первую очередь следует отметить модели самого крупного автостроителя концерна «General Motors» – HY-WIRE и GM HYDROGEN 3. «General Motors» на создание автомобилей с топливными элементами тратит четверть всех средств, выделяемых в компании на опытно-исследовательские работы. Массовое производство машин на топливных элементах компания планирует начать с 2010 г. General Motors рассчитывает стать первой компанией, которая выпустит миллион автомобилей с топливными элементами.

Пятиместный четырёхдверный седан GM HY-WIRE был впервые показан в Париже осенью 2002 г. Трёхфазный асинхронный двигатель мощностью 60 кВт расположен под капотом и вращает передние колёса. Под полом салона непосредственно в структуре шасси размещены 200 топливных элементов, в которых водород из трёх баллонов высокого давления реагирует с кислородом воздуха. Общая длина машины 4,95 м, вес 1 900 кг. Время разгона до скорости 100 км/ч при трогании с места 10 с. Запас хода 80 миль, разработчики рассчитывают довести пробег между перезарядкой баллонов до 170 миль. Рулевое колесо заменено на штурвал, который может быть расположен в салоне справа или слева. Всё управление осуществляется по проводам, по которым сигнал от соответствующих клавиш на штурвале передаётся тому или иному электромотору. (Система управления «drive-by-wire»). Компактное расположение всей топливной системы в плоском модуле, интегрированном в шасси (условное название «skateboard») позволяет устанавливать на одну и ту же ходовую часть различные кузова. В 2003 г. компания показала в Вашингтоне и передала для опытной эксплуатации микровэны GM HYDROGEN 3 на таком же шасси, что и HY-WIRE. Длина 4,32 м, вес 1 580 кг. Время разгона при трогании с места 16 с. Более медленный, в сравнении с бензиновыми двигателями, набор скоростей (если не установлен аккумулятор) пока преодолеть не удаётся. При температуре 4 градуса ниже нуля (по Цельсию) требуется 30 с, чтобы начался процесс выделения водорода и автомобиль тронулся с места. В Вашингтоне (округ Колумбия) компания оборудовала станцию для перезарядки баллонов с водородом.

В разработке автомобилей с топливными элементами активно участвуют и японские фирмы. Несколько десятков четырёхместных двухдверных хэтчбеков «Honda FCX» с электродвигателем 60 кВт и водородом (41 галлон жидкого водорода в двух баллонах) в качестве топлива компания «Honda» передала в 2003 г. в Лос-Анджелес для опытной эксплуатации. Honda FCX стала первой моделью на топливных элементах, которая прошла государственную сертификацию в Агентстве по охране окружающей среды США и получила разрешение на эксплуатацию . Запас хода автомобиля 170 миль. Удельный пробег на килограмме газообразного водорода 51 миля в городе и 48 – на шоссе. В конце 2003 г. на автошоу в Лос-Анджелесе фирма «Honda» показала комфортную четырёхместную модель бизнес-класса «Honda Kiwami» длиной 4,5 м с низким центром тяжести и топливными элементами собственной разработки.

Японский автоконцерн «Toyota» выпустил первую партию автомобилей с топливными элементами собственной конструкции на сжатом водороде FCHV-4. Максимальная скорость 150 км/ч, пробег между двумя заправками 250 км. На начальном этапе эксплуатация машин будет происходить только в Токио, где построены специальные заправочные станции, а также в Калифорнии.

Аналогичные исследования с собственными системами на сжатом и сжиженном водороде проводит японская фирма «Nissan» (X-Trail FCV) и крупнейшие европейские автокомпании.

На Московской международной выставке «Автосалон – 2001» среди других новинок мировой автомобильной промышленности представлен автомобиль (на платформе удлинённой Нивы) «Лада – АНТЭЛ» (автомобиль на топливных элементах), в котором используется энергетическая установка на основе электрохимического генератора, работающего на сжатых водороде и кислороде. Для использования на автомобиле разработан электрохимический генератор «Фотон», имеющий повышенное напряжение 120 В и мощность 25 кВт. Водород хранится на борту автомобиля в баллонах объемом 60 л под давлением 250 атм.

На ОАО «АвтоВАЗ» созданы тяговый электродвигатель мощностью 25 кВт, транзисторный силовой преобразователь электропривода, блоки источников питания, зарядное устройство и изменён кузов удлиненного автомобиля «Нивы» для обеспечения возможности монтажа установки с топливными элементами. Как показали первые испытания, запаса водорода в 1,2 кг оказалось вполне достаточно для пробега АНТЭЛ-1 до заправки двухсот километров, а мощности энергоустановки в 25 кВт для движения со скоростью 80 км/ч.

В 2002-2003 гг. были созданы второй и третий вариант модели «АНТЭЛ» со значительными изменениями в конструкции и применяемых материалах. В автомобиле ВАЗ-21111 «АНТЭЛ-2» использованы щелочные топливные элементы. Для хранения и подачи водорода применены суперлегкие и суперпрочные баллоны объемом 90 л и собственной массой всего 40 кг. Новые баллоны рассчитаны на давление 400 атм. Содержащегося в них водорода хватает на пробег автомобиля 350 км. Новый электродвигатель переменного тока развивает мощность 90 кВт при напряжении 200…300 В. ОАО «АвтоВАЗом» в проекте «АНТЭЛ» используется металлогидридная аккумуляторная батарея с очень высокими показателями. Она в 4 раза превосходит обычную свинцово-кислотную батарею по удельной энергоемкости, что позволяет не только быстро запускать установку на топливных элементах, но и кратковременно увеличивать мощность почти в 2 раза, а также осуществлять рекуперацию энергии при торможении автомобиля. На модели «АНТЭЛ-2» впервые в России применён электроусилитель тормозов. При заметном уменьшении габаритных размеров тормозной системы электроусилитель существенно улучшает безопасность движения автомобиля за счет повышения эффективности торможения. С помощью специально разработанного мобильного комплекса существенно сокращено время заправки автомобиля. Разработана также конструкция пятиместного автомобиля «АНТЭЛ-3» с системой получения водорода из бензина. Все узлы и системы энергоустановки размещены под полом кузова и в подкапотном пространстве. В этой модели нет баллонов для водорода и кислорода, имеется только бензобак. Пробег на одной заправке планируется довести до 900…950 км, что существенно выше, чем для модели «АНТЭЛ-1».

Автомобили, в качестве силовой установки которых используется только электродвигатель или только двигатель внутреннего сгорания, проектируются в настоящее время относительно редко. Большинство фирм разрабатывают гибридные автомобили, на которых используются одновременно два двигателя: классический двигатель внутреннего сгорания и электромотор. Электродвигатель предназначен для улучшения динамики автомобиля, для кратковременной работы – быстрого разгона автомобиля при обгонах и преодоления подъемов. При этом длительное движение по ровной дороге происходит с помощью двигателя внутреннего сгорания, который может работать как на водороде, так и на обычном углеводородном топливе.

Заключение

Водород как топливо для двигателей внутреннего сгорания обладает особенностями, отличающими его от топлив нефтяного происхождения и других газов:

• Водород является энергоемким топливом, его низшая теплотворная способность почти в 3 раза выше, чем нефтяных моторных топлив, и составляет 120 000 кДж/кг.
• Водород способен за очень короткое время (менее 1 мс) образовать гомогенную горючую смесь, равномерно перемешиваясь с воздухом.
• Для водорода концентрационные пределы воспламенения составляют α = 0,15…20, что позволяет обеспечить качественное регулирование состава смеси и мощности двигателя, т.е. подавать водород в цилиндры независимо от количества подаваемого воздуха. Это дает возможность значительно упростить конструкцию системы топливоподачи и существенно повысить топливную экономичность двигателя в широком диапазоне эксплуатационных режимов работы.
• Водород не самовоспламеняется даже при весьма высоких давлениях конца сжатия. Водородно-воздушная смесь начинает гореть практически сразу после электрического пробоя искрового промежутка или появления в цилиндре открытого пламени.
• Энергия, необходимая для воспламенения водорода, более чем в 10 раз ниже той, которая необходима для углеводородных топлив, и составляет 0,02 МДж.
• Низкая энергия воспламенения в широких пределах изменения коэффициентов избытка воздуха требует осуществления на двигателе дополнительных мероприятий по предупреждению неконтролируемого воспламенения.
• Скорость сгорания водородовоздушных смесей весьма высока, зависит от коэффициента избытка воздуха α и равна ~270 м/с при
• α = 1. Следствием этого является возможность значительного увеличения частоты вращения коленчатого вала.
• Низкая плотность водорода как в жидком, так и в газообразном состоянии создает ряд трудностей, связанных с хранением водорода на борту автомобиля. Необходима разработка компактных и безопасных способов хранения водорода. Эта проблема является наиболее актуальной и сложной при создании автомобильных водородных двигателей внутреннего сгорания.
• Наиболее перспективным, наряду с криогенным хранением, является способ хранения водорода в гидридах металлов.
• Мощность двигателя на водороде при внешнем смесеобразовании более чем на 20 % ниже мощности, развиваемой двигателем на бензине; при обеспечении внутреннего смесеобразования мощность двигателя не снижается.
• Оптимальный состав рабочей смеси с точки зрения достижения максимального КПД и минимальных выбросов окислов азота N0х соответствует α = 2,5…2,7.
• Водород может использоваться как добавка к бензину, значительно улучшающая характеристики двигателя с искровым зажиганием; водород в смеси с бензином горит в любых соотношениях. Наиболее целесообразна добавка 5…10 % водорода к бензину.
• Наиболее приемлемым является хранение водорода на борту автомобиля в свя­занном состоянии в гидридах металлов и сплавов. В зависимости от применяемого металла доля сор­бированного водорода может составлять от 2 до 10 % массы гидрида. Объем системы хра­нения водорода на основе гидрида FeTiHх близок к объему бензобака. Главным недостатком гидрида является его относительно боль­шая масса на единицу энергии.
• Для предотвращения преждевременного воспламенения водорода во впускном коллекторе необходимо использовать внутренне смесеобразование, т.е. подавать водород и воздух в цилиндр через отдельные клапаны.

Автомобиль с двигателем, работающим на водороде, является экологически чистым транспортным средством, в чем и состоит главное достоинство применения водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания.

Использованная литература

• Рогалев, В.В. Автомобильные двигатели на водороде: учеб. Пособие/ В.В. Рогалев: ‒ Брянск: БГТУ, 2006. ‒ 135 с.
• Мищенко, А.И. Применение водорода для автомобильных двигателей/ А.И. Мищенко. ‒ Киев: Наукова думка, 1984. ‒ 143 с.