Перспективы внедрения водорода на автомобильном транспорте

В процессе сгорания топлива окислы азота формируются за фронтом пламени в зоне повышенной температуры, вызванной реакцией сгорания топлива. Образование окислов азота, если это не азотосодержащие соединения образуются в результате взаимодействия кислорода и азота воздуха. Общепринятой теорией образования окислов азота является термическая теория. В соответствии с этой теорией выход окислов азота определяется максимальной температурой цикла, концентрацией азота и кислорода в продуктах сгорания и не зависит от химической природы топлива рода топлива (при отсутствии в топливе азота). В отработавших газах ДВС с искровым зажиганием содержание окиси азота составляет 99% от количества всех окислов азота (NOx). После выхода в атмосферу происходит окисление NO до NO2.

При работе ДВС на водороде образование окиси азота имеет некоторые особенности по сравнению с работой двигателя на бензине. Это связано с физико-химическими свойствами водорода. Главными факторами в этом случае являются температура сгорания водородовоздушной смеси и ее пределы воспламенения. Как известно пределы воспламенения водородовоздушной смеси находятся в диапазоне 75% - 4,1%, что соответствует коэффициенту избытка воздуха 0,14 - 9,85, в то время как у изооктана в диапазоне 6,0%-1,18%, что соответствует коэффициенту, избытка воздуха 0,29 - 1,18. Важной особенностью сгорания водорода является повышенная скорость сгорания стехиометрических смесей.

Перевод ДВС с бензина на водород приводит в области стехиометрических смесей к резкому возрастанию максимальной температуры цикла. Скорость тепловыделения при работе ДВС на водороде в 3-4 раза выше, чем при работе на бензине

При работе ДВС на бензине наблюдается неравномерность протекания индикаторных диаграмм от цикла к циклу. При работе на водороде, особенно при стехиометрическом составе, неравномерность отсутствует. При этом угол опережения зажигания настолько мал, что практически можно считать его равным нулю. Обращает на себя очень резкое нарастание давления за ВМТ, свидетельствующее о повышенной жесткости процесса. Такой характер протекания рабочего процесса ДВС при использовании в качестве топлива водорода способствует повышенному образованию окислов азота. Максимальное значение концентрации окислов азота в ОГ соответствует работе ДВС с коэффициентом избытка воздуха 1,27. Это вполне закономерно, т.к. в топливовоздушной смеси содержится большое количество свободного кислорода и в результате высоких скоростей сгорания имеет место высокая температура сгорания топливовоздушного заряда. Вместе с тем, при переходе на более бедные смеси скорости тепловыделения снижаются. Снижаются и максимальная температура цикла, а следовательно и концентрация в ОГ окислов азота.

Зависимости изменения выброса токсичных веществ с ОГ ДВС при работе на бензине, бензоводородных композициях и водороде. Наибольшее значение выбросов NOx соответствует работе ДВС на водороде. Вместе с тем по мере обеднения топливовоздушной смеси концентрация NOx снижается, достигая практически нулевого значения при коэффициенте избытка воздуха большего 2 единиц. Таким образом, перевод автомобильного двигателя на водород позволяет кардинально решить проблему топливной экономичности, токсичности отработавших газов и снижения выброса двуокиси углерода.

Применение водорода в качестве добавки к основному топливу может способствовать решению задачи улучшения топливной экономичности ДВС, снижения выброса токсичных веществ и уменьшения выброса двуокиси углерода, требования по содержанию которой в ОГ ДВС постоянно ужесточаются. Добавка водорода по массе в диапазоне 10-20 процентов может стать для автомобилей с гибридными двигателями оптимальной в самое ближайшее время.

Применение водорода в качестве моторного топлива может быть эффективно только лишь при создании специализированных конструкций. В настоящее время ведущие производители автомобильных двигателей работают над созданием таких моторов. В принципе, основные направления по которым необходимо двигаться при создании новой конструкции водородных ДВС известны. К ним относятся:

1. Применение внутреннего  смесеобразования позволит улучшить  на 20-30 процентов удельные массогабаритные  показатели водородного двигателя.

2. Применение сверх бедных  водородовоздушных смесей для гибридных энергоустановок даст возможность существенно снизить температуру сгорания в камере сгорания ДВС и создаст предпосылки для повышения степени сжатия ДВС, использования новых материалов, в том числе и для внутренней поверхности камеры сгорания, позволяющих снизить потери тепла в систему охлаждения двигателя.

Все это, по мнению специалистов, позволит довести эффективный КПД ДВС, работающего на водороде до 42-45 процентов, что вполне сопоставимо с КПД электрохимических генераторов, для которых в настоящее время нет данных по экономической эффективности в условиях реальной эксплуатации автомобилей с учетом привода вспомогательных агрегатов, отопления салона и др.

Национальная ассоциация водородной энергетики НАВЭ, в тесном сотрудничестве с ОАО «АВЭКС», Московским энергетическим институтом МЭИ (ТУ) и ЗАО Автокомбинат №41 построила первый в России образец водородного грузового автомобиля грузоподъемностью до 2000 кг оснащенного гибридной энергоустановкой, работающей на водороде с двигателем внутреннего сгорания.

Очевидно, что практическое внедрение альтернативных видов энергоносителей, позволяющих решить проблему замещения углеводородных топлив, будет проходить поэтапно. Первым этапом в освоении водорода, может стать практическое использование его на существующих автотранспортных средствах в качестве добавки к бензину и природному газу. Такое использование водорода, уже сегодня может дать не только экономический эффект, но и решить экологические проблемы, особенно в крупных мегаполисах. Расширение рынка автотранспортных услуг с использованием малотоксичных автомобилей, работающих на водородо-содержащих топливных композициях, позволит начать формировать инфраструктуру водородных автотранспортных комплексов, накапливать опыт технического обслуживания таких автомобилей, приведет к развитию сети заправочных станций и даст возможность постепенно перейти к следующему этапу - этапу использования водорода в качестве основного топлива для двигателей внутреннего сгорания, а в последствии для электрохимических генераторов, позволяющих осуществлять превращение химической энергии топлива в энергию привода колес электромобиля.

 

Заключение

Топливо будущего. Практически все основные автомобилестроительные фирмы занимаются разработкой автомобилей с гибридными двигателями. Они сочетают в себе небольшой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и электропривод с аккумуляторными батареями. Энергия от двигателя и от тормозной системы автомобиля используется для зарядки аккумуляторов, питающих электропривод.

Типичные гибридные двигатели позволяют на 20-30% эффективнее использовать топливо по сравнению с традиционными ДВС и выбрасывают в атмосферу значительно меньше вредных веществ. Это огромное достижение, если учесть, сколько миллионов долларов ежегодно тратится на едва заметное повышение экономичности автомобилей за счет улучшения аэродинамики кузовов и отдельных агрегатов.

Но это только начало. Скоро появится возможность использования водорода в качестве топлива для ДВС в составе этих гибридных двигателей, а к концу десятилетия, может быть, появится возможность купить автомобиль на так называемых топливных элементах, в котором вообще нет ДВС. В качестве источника энергии в нем будет использоваться водород, который дешев, безопасен и исключительно экологичен: единственным выбросом в атмосферу будет водяной пар, а выхлопная труба автомобиля превратится в водосточную.

Водород – самый распространенный на Земле химический элемент: он содержится в воде, в нефти, в природном газе. Но мы знаем также, что водород в газообразном состоянии крайне летуч, и годами это было самым большим барьером на пути водородной экономики.

Сорок пять лет назад люди могли только мечтать об автомобилях без выхлопа и о домах и целых городах, полностью обеспечивающих себя энергией от Солнца. Было бы забавно полистать подшивку Popular Mechanics и перечитать различные предсказания того, когда и как общество достигнет этих чудес.

Сегодня мечты сбываются. Проблемы, возникшие из-за применения технологий, технологиями же и решаются. Дымящие трубы больше не олицетворяют пустую трату энергии. Выхлопные газы автомобилей не будут отравлять окружающую среду. И всего этого наше общество достигло, шагнув в будущее, а не отступив в прошлое.

 

Список литературы:

1. Донченко В.К. Экологическая безопасность атмосферы города и автотранспорт//Тезисы доклада. Совет безопасности Санкт-Петербурга. - СПб, 1998.

2. Систер В.Г. О научно-технической программе перевода автотранспорта Москвы на диметилэфир //Наука Москвы и регионов. 2002. №2.

3. Мищенко А.И.Применение водорода для автомобильных двигателей.Киев: Наукова Думка, 1984.

4. Крутенев В.Ф., Каменев В.Ф. Перспективы применения водородного топлива для автомобильных двигателей//Конверсия в машиностроении.1997. N6.

5. Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П., Кулешов Г.Г. Введение в водородную энергетику. М.: Энергоатомиздат.1984.

6. Справочник.Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение. - М.: Химия. 1989.

7. Коровин Н.В. Электрохимическая энергетика. - М.: Энергоатомиздат. 1991.

8. Энергетическая стратегия России. - М. 1994.

9. Мищенко А.И., Белогуб А.В., Савицкий В.Д., Талда Г.Б., Шатров Е.В., Кузнецов В.М., Раменский А.Ю. «Применение водорода для вигателей автомобильного транспорта», Атомно-водородная энергетика и технологии. Сборник статей Выпуск 8,- М.:Энергоатомиздат, 1988г.

10. Экология и природоохранная деятельность на транспорте: Тем. Сборник нормативно-справочных материалов. - М., 1993.

11. Павлова Е.И. Экология транспорта: учебник для вузов// Е.И. Павлова. - М.: Высшая школа