Перспективы внедрения водорода на автомобильном транспорте

Благодаря прямому преобразованию в ТЭ химической энергии топлива в электрическую, КПД установок с ТЭ может достигать 70-80%, а продолжительность работы определяется (в отличие от аккумуляторов) лишь запасом топлива (см. Табл. 2). Практически все крупные автомобильные компании мира проводят работы в этом направлении. В нашей стране аналогичные работы в небольшом объеме проводятся в ОАО «АвтоВАЗ». Для массового применения ТЭ в автотранспорте их стоимость должна быть снижена до 50-100 долл./кВт (при современной стоимости примерно 1000 долл./кВт). Прогнозируется [11], что потенциальный рынок ТЭ на транспорте к 2020 году будет соответствовать мощности 57000 МВт. Наша страна, в связи с отсутствием требуемого финансирования, по данным разработкам отстает примерно на 10 лет.

Приведенные результаты подтверждают реальную техническую и экономическую возможность уже сегодня на базе избыточных электрических мощностей приступить к практическому использованию водорода в качестве моторного топлива и тем самым не только оздоровить экологическую обстановку в крупных городах, но и приблизить сроки более широкого освоения водородной энергетики.

4. Особенности ДВС при работе на водороде

По отношению к бензину водород имеет в 3 раза большую теплотворную способность, в 13-14 раз меньшую энергию воспламенения, и, что существенно для ДВС, более широкие пределы воспламенения топливно-воздушной смеси. Такие свойства водорода делают его чрезвычайно эффективным для применения в ДВС, даже в качестве добавки. В то же время к недостаткам водорода как топлива можно отнести: падение мощности ДВС по сравнению с бензиновым аналогом; «жесткий» процесс сгорания водородовоздушных смесей в области стехиометрического состава, что приводит к детонации на режимах высоких нагрузок. Эта особенность водородного топлива требует изменений конструкции ДВС. Для существующих двигателей необходимо применять водород в композиции с углеводородными топливами, например с бензином. или природным газом.

Например, организацию топливоподачи бензоводородных топливных композиций (БВТК) для существующих автомобилей необходимо осуществлять таким образом, чтобы на режимах холостого хода и частичных нагрузок двигатель работал на топливных композициях с высоким содержанием водорода. По мере возрастания нагрузок концентрация водорода должна снижаться и на режиме полного дросселя подачу водорода необходимо прекратить. Это позволит сохранить мощностные характеристики двигателя на прежнем уровне. На рис. 9 представлены графики изменения экономических и токсических характеристик двигателя с рабочим объемом 2,45 л. и степенью сжатия 8,2 ед. от состава бензоводородовоздушной смеси и концентрации водорода в БВТК.

Регулировочные характеристики двигателя по составу смеси при постоянной мощности Ne=6,2 квт и частоте вращения коленчатого вала n=2400 об/мин дают возможность представить, как меняются показатели двигателя при работе на водороде, БВТК и бензине.

Мощностные и скоростные показатели двигателя для испытаний выбраны таким образом, чтобы они наиболее полно отражали условия эксплуатации автомобиля в городских условиях. Мощность двигателя Ne=6,2 квт и частота вращения коленчатого вала n=2400 об/мин соответствует движению автомобиля, например «ГАЗЕЛЬ» с постоянной скоростью 50-60 км/час по горизонтальной, ровной дороге. Как видно из графиков, по мере увеличения концентрации водорода в БВТК эффективный КПД двигателя возрастает. Максимальное значение КПД при мощности 6,2 квт и частоте вращения коленчатого вала 2400 об/мин достигает на водороде 18,5 процентов. Это в 1,32 раза выше, чем при работе двигателя на этой же нагрузке на бензине. Максимальное значение эффективного КПД двигателя на бензине составляет на этой нагрузке 14 процентов. При этом состав смеси соответствующий максимальному КПД двигателя (эффективный предел обеднения) смещается в сторону бедных смесей. Так при работе на бензине эффективный предел обеднения топливно-воздушной смеси соответствовал коэффициенту избытка воздуха (а) равному 1,1 единицы. При работе на водороде коэффициент избытка воздуха соответствующий эффективному пределу обеднения топливно-воздушной смеси а=2,5. Не менее важным показателем работы автомобильного двигателя внутреннего сгорания на частичных нагрузках является токсичность отработавших газов (ОГ). Исследование регулировочных характеристик двигателя по составу смеси на БВТК с различными концентрациями водорода показали, что по мере обеднения смеси концентрация окиси углерода (СО) в отработавших газах снижалась практически до нуля не зависимо от вида топлива. Увеличение концентрации водорода в БВТК приводит к снижению выброса с отработавшими газами углеводородов СnHm. При работе на водороде концентрация этого компонента на отдельных режимах падала до нуля. При работе на этом виде топлива выброс углеводородов во многом определялся интенсивностью сгорания в камере сгорания ДВС. Образование окислов азота NxOy, как известно, не связано родом топлива. Их концентрация в ОГ определяется температурным режимом горения топливно-воздушной смеси. Возможность работы двигателя на водороде и БВТК в диапазоне бедных составов смесей позволяет снизить максимальную температуру цикла в камере сгорания ДВС. Это существенно уменьшает концентрацию окислов азота. При обеднении топливно-воздушной смеси свыше а=2, концентрация NxOy снижается до нуля. В 2005 году НАВЭ разработан микроавтобус ГАЗЕЛЬ, работающий на БВТК. В декабре 2005 года он был представлен на одном из мероприятий, проводимых в Президиуме Российской академии наук. Презентация микроавтобуса была приурочена к 60 летию президента НАВЭ П.Б. Шелища.

Для оценки надежности бензоводородной аппаратуры и пропаганды перспектив водородной экономики, прежде всего в сфере автомобильного транспорта, НАВЭ провела с 20 по 25 августа 2006 года автопробег водородных автомобилей. Пробег осуществлялся по по маршруту Москва - Н. Новгород - Казань - Нижнекамск - Чебоксары - Москва протяженностью 2300 км. Автопробег был приурочен к Первому всемирному конгрессу «Альтернативная энергетика и экология». В пробеге принимали участие два водородных автомобиля. Второй грузовой многотопливного автомобиля ГАЗ 3302, работал на водороде, сжатом природном газе, БВТК и бензине. Автомобиль был оснащен 4 облегченными стеклопластиковыми баллонами с рабочим давлением 20 мпа. Масса бортовой системы хранения водорода составляет 350 кг. Запас хода автомобиля на БВТК составлял 300 км.

При поддержке Федерального агентства по науке и инновациям НАВЭ при активном участии Московского энергетического института МЭИ (ТУ), Автокомбината №41, Инженерно-технического центра «Водородные технологии» и ООО «Славгаз» был создан опытный образец автомобиля ГАЗ 330232 «ГАЗЕЛЬ-ФЕРМЕР» грузоподъемностью 1,5 тонны, работающий на БВТК с электронной системой подачи водорода и бензина. Автомобиль оснащен трехкомпонентным нейтрализатором.

5.  Перспективы внедрения водорода на автомобильном транспорте

Наиболее перспективным направлением в области использования водорода для автомобильной техники являются комбинированные энергоустановки на базе электрохимических генераторов с топливными элементами (ТЭ). При этом, необходимым условием является получение водорода из возобновляемых, экологически чистых источников энергии, для производства которых, в свою очередь, должны использоваться экологически чистые материалы и технологии.

К сожалению, в ближайшей перспективе применение таких высокотехнологичных транспортных средств в широком масштабе проблематично. Это связано с несовершенством ряда технологий, применяемых при их производстве, недостаточной отработаностью конструкции электрохимических генераторов, ограниченностью и высокой стоимостью применяемых материалов. Например, удельная стоимость одного кВт мощности ЭХГ на топливных элементах достигает 150-300 тысяч рублей (при курсе российского рубля 30 руб./долл. США). Другим важным элементом сдерживания продвижения на автомобильном рынке водородной техники с топливными элементами является недостаточная отработка конструкции таких АТС в целом. В частности, отсутствуют достоверные данные при испытании автомобиля на топливную экономичность в условиях реальной эксплуатации. Как правило, оценка эффективности работы энергоустановки осуществляется на основе вольт-амперной характеристики. Такая оценка эффективности не соответствует принятой в практике двигателестроения оценки эффективного КПД ДВС, при расчете которого учитываются также и все механические потери, связанные с приводом агрегатов двигателя. Нет достоверных данных по топливной экономичности автомобилей в реальных условиях эксплуатации, на величину которых оказывает влияние необходимость обслуживания дополнительных бортовых устройств и систем, устанавливаемых на автомобили как традиционно, так и вязанные с особенностями конcтрукции автомобилей на топливных элементах. Нет достоверных данных и по оценке эффективности в условиях отрицательных температур, при которых необходимо осуществлять поддержание температурного режима, обеспечивающего работоспособность как самой энергоустановки и подаваемого топлива, так и подогрев кабины водителя или салона с пассажирами. Для современных автомобилей рабочий режим эксплуатации может достигать -40оС, это особо надо учитывать в российских условиях эксплуатации.

Как известно, в топливных элементах вода является не только продуктом реакции взаимодействия водорода и кислорода, но и активно участвует в рабочем процессе генерации энергии, смачивая твердополимерные материалы, входящие в конструкцию топливных ячеек. В современной технической литературе отсутствуют данные о надежности и долговечности топливных элементов в условиях низких температур. Очень противоречивые данные публикуются в литературе и по долговечности работы ЭХГ на ТЭ.

В этой связи, вполне закономерным является продвижение рядом ведущих мировых автопроизводителей транспортных средств, работающих на водороде, оснащенных двигателями внутреннего сгорания. В первую очередь, это такие известных компании как BMW и Mazda. Двигатели автомобилей BMW Hydrogen-7 и Mazda 5 Hydrogen RE Hybrid (2008) успешно конвертированы на водород.

С точки зрения надежности конструкции, относительной низкой стоимости одного кВт установленной мощности энергоустановки на базе двигателей внутреннего сгорания, работающие на водороде значительно превосходят ЭХГ на ТЭ, однако ДВС имеют, как принято считать, меньший КПД. Кроме того, в отработавших газах двигателя внутреннего сгорания может содержаться некоторое количество токсичного вещества. В качестве основного направления совершенствования автомобильной техники, оснащенной двигателем внутреннего сгорания, в ближайшей перспективе следует рассматривать использование комбинированных (гибридных) энергоустановок. Наилучший результат до топливной экономичности и токсичности отработавших газов, по-видимому, следует ожидать от применения гибридных установок с последовательной схемой преобразования химической энергии топлива в ДВС в механическую энергию движения автомобиля. При последовательной схеме ДВС автомобиля работает практически на постоянном режиме с максимальной топливной эффективностью, приводя в движение электрогенератор, который подает электрический ток на электромотор привода колес автомобиля и накопитель электроэнергии (аккумулятор). Основной задачей оптимизации при такой схеме является поиск компромисса между топливной экономичностью ДВС и токсичностью ее отработавших газов. Особенность решения задачи заключается в том, что максимальный КПД двигателя достигается на при работе на обедненной топливовоздушной смеси, а максимальное снижение токсичности отработавших газов достигается при стехиометрическом составе, при котором количество топлива, подаваемого в камеру сгорания, подается строго в соответствии с количеством воздуха, необходимым для его полного сгорания. Образование окислов азота при этом ограничивается дефицитом свободного кислорода в камере сгорания, а неполнота сгорания топлива нейтрализатором отработавших газов. В современных ДВС датчик для замера концентрации свободного кислорода в ОГ ДВС подает сигнал на электронную систему подачи топлива, которая спроектирована таким образом, чтобы максимально поддерживать стехиометрический состав топливовоздушной смеси в камере сгорания двигателя на всех режимах ДВС. Для гибридных энергоустановок с последовательной схемой возможно добиться наилучшей эффективности регулирования топливовоздушной смеси из-за отсутствия знакопеременных нагрузок на ДВС. Вместе с тем, с точки зрения топливной экономичности, ДВС стехиометрический состав топливовоздушной смеси не является оптимальным. Максимальный КПД двигателя всегда соответствует смеси обедненной на 10-15 процентов по сравнения со стехиометрической. При этом КПД ДВС при работе на обедненной смеси может быть на 10-15 выше, чем при работе на смеси стехиометрического состава. Решение проблемы повышенного выброса вредных веществ, свойственного на этих режимах для ДВС с искровым зажиганием, возможно в результате перевода работы ДВС на водород, бензоводородные топливные композиции (БВТК) или метановодородные топливные композиции (МВТК). Применение водорода в качестве топлива или в качестве добавки к основному топливу может позволить существенно расширить пределы эффективного обеднения топливовоздушной смеси. Это обстоятельство позволяет существенно увеличить КПД ДВС и снизить токсичность отработавших газов.

В отработавших газах двигателей внутреннего сгорания содержится свыше 200 различных углеводородов. Теоретически, в случае сгорания гомогенных смесей (из условий равновесия) углеводородов в отработавших газах ДВС не должно содержаться, однако из-за негомогенности топливовоздушной смеси в камере сгорания ДВС возникают разные начальные условия протекания реакции окисления топлива. Температура в камере сгорания различается по ее объему, что также существенно влияет на полноту сгорания топливовоздушной смеси. В ряде исследований было установлено, что вблизи сравнительно холодных стенок камеры сгорания происходит гашение пламени. Это приводит к ухудшению условий сгорания топливовоздушной смеси в пристеночном слое. В работе Daneshyar H и Watf M произвели фотографирование процесса сгорания бензовоздушной смеси в непосредственной близости от стенки цилиндра двигателя. Фотографирование осуществлялось через кварцевое окно в головке цилиндра двигателя. Это позволило определить толщину зоны гашения в пределах 0,05-0,38 мм. В непосредственной близости от стенок камеры сгорания СН в 2-3 раза возрастает. Авторы делают вывод, что зона гашения является одним из источников выделения углеводородов.

Другим важным источником образования углеводородов является моторное масло, которое попадает в цилиндр двигателя в результате не эффективного удаления со стенок маслосъемными кольцами или через зазоры между стержнями клапанов и их направляющими втулками. Исследования показывают, что расход масла через зазоры между стержнями клапанов и их направляющими втулками в автомобильных бензиновых ДВС достигает 75% общего расхода масла на угар.

При работе ДВС на водороде в топливе не содержится углеродосодержащих веществ. В этой связи подавляющее большинство публикаций содержит сведения о том, что в отработавших газах ДВС не может содержаться углеводородов. Однако это оказалось не так. Безусловно, с увеличением концентрации водорода в БВТК и МВТК концентрация углеводородов существенно снижается, но не исчезает полностью. Во много это может быть связано с несовершенством конструкцией топливной аппаратуры, дозирующей подачу углеводородного топлива. Даже небольшая утечка углеводородов при работе ДВС на сверхбедных смесях может привести к выбросу углеводородов. Такой выброс углеводородов может быть связан с износом цилиндропоршневой группы и как следствием повышенным угаром масла и др. В этой связи при организации процесса сгорания необходимо поддерживать температуру сгорания на таком уровне, при котором имеет место достаточно полно сгорание углеводородных соединений.