Библиографическое описание:

Жарков В. В., Назаров С. К. К вопросу применения водорода на двигателях внутреннего сгорания // Молодой ученый. — 2012. — №5. — С. 47-50.

Энергоснабжение мира будет в ближайшие 30-50 лет базироваться в основном на органических топливах (углях, природном газе, нефти) за счет которых в настоящее время обеспечивается около 90% мирового потребления энергии. Оценка мировых запасов органических топлив весьма затруднена из-за недостаточной разведанности недр нашей планеты, а также несовершенствования методов бурения и изучение дна океана приведет к существенному изменению наших представлений о запасах энергетических ресурсов.

В таблице 1 представлены прогнозные и разведанные запасы ископаемых топлив по наиболее оптимистических и пессимистическим оценкам. Количество разведенных ресурсов отражает современные технические возможности и безусловно будет изменяться с развитием науки и техники. Если исходить из оптимистических прогнозов ресурсов в размере 13550 млрд.т.у.т., то как видно из таблицы 1, на долю угля приходится 88,5, нефти и природного газа 6,0, нефтеносных песков и сланцев 5,5. Их этого количества разведанные запасы составляют 1200 млрд.т.у.т., из которых на долю угля приходится 69, нефти и природного газа 22, нефтяных песков и сланцев 9.0% [5].

Таблица 1

Потенциальные запасы ископаемых минеральных топлив в мире, млрд. т.у.т. [5].

Вид топлива

Разведанные запасы

Прогнозные запасы

минималь

ные

максималь

ные

минималь

ные

максималь

ные

Твердые

450

830

5000

12000

Нефть и газовый конденсат

95

150

220

450

Углеводороды и битуминозных песка и сланца

90

120

370

730

Природный газ

65

100

240

370

Итого:

700

1200

5830

13550

Примечания: Запасы ядерного топлива соответствует запасам угля.


Водород (Н2) является одним из наиболее перспективных видов топлив как для использования в современных типах ДВС (при некоторых их модификаций), так и для энергетики будущего. Это топливо эффективно удовлетворяет комплексу требований по энергетическим показателям двигателя и экономическим требованиям обеспечения безотходной технологии.

Первое практическое использование водорода в качестве добавки к топливу для авиационных ДВС относится к 1927г. В Советском Союзе работы по применению Н2 в качестве топлива для ДВС проводятся в секторе неоднородных средств АН СССР под руководством академика В.В. Струминского, в институте проблем машиноведения АН УССР и ряде других организаций. Наиболее распространенный современный промышленный способ получения Н2 основан на частичном окислении метана и его конверсии с водяным паром [7].

2СН4 + О2 → 2СО + 4Н2;

СО + Н2О → Н2 + СО2;

СН4 + Н2О → СО + 3Н2

Метан является ценным химическим сырьем, поэтому рассматриваются перспективные способы получения Н2 из воды. К таким способам относятся термодиссоциация воды, протекающая при температурах 4000-5000К, и разработанный и Институте атомной энергии им. И.В.Курчатова двухступенчатый цикл с использованием теплоты атомного реактора [1].

2Fе3O4 → 6FeO + O2;

3 FeO + Н2О → Fe3O4 + H2.

Подсчитано, что термоядерный реактор тепловой мощностью 10млн.кВт при работе по такому циклу позволит получить 1млн.т. Н2 в год.

Основные физические показатели Н2 приведены ниже.

Температура кипения, К

20,24

Температура застывания, К

13,8

Критическая температура, К

32,9

Критическое давление, МПа

1,27

Плотность при нормальных условиях, кг/м3

0,08987

Плотность при температуре кипения, кг/м3

0,07097 ∙ 103

Плотность при температуре застывания, кг/м3

0,0896 ∙ 103

Теплота плавления, кДж/моль

0,0965

Теплота испарения, кДж/моль

0,903

Концентрационный диапазон воспламеняемости с воздухом, % по объему

4 - 75


Жидкий водород (ЖН2) представляет собой бесцветную жидкость без запаха. Газообразный водород (ГН2) бесцветный газ без запаха. Твердый водород (ТН2) обладает кристаллической структурой. При охлаждении ЖН2 ниже температуры кипения в нем появляются конгломераты кристаллов ТН2, количество которых увеличивается до полного исчезновения ЖН2. Смесь ЖН2 и ТН2 называется шугообразным водородом (ШН2).

Высшая теплота сгорания Н2 равна 120МДж/kg, что превышает массовую теплоту сгорания всех топлив для ДВС. Однако вследствии малой плотности Н2 его объемные энергетические характеристики хуже, чем у нефтяных топлив. Объемная теплопроизводительность водородно-воздушной смеси меньше теплопроизводительности смесей на основе бензина (на 15%) и спирта (на 10%) [3].

Температура воспламенения водородно-воздушной смеси выше, чем смесей на базе углеводородных топлив, однако благодаря более низкой энергии активации Н2 для его воспламенения требуется меньше количество энергии.

Водородно-воздушные смеси сгорают со скорости превышающими скорости сгорания смесей на основе углеводородных топлив и в значительной степени зависящими от температуры [6]:


Температура, К

293

373

473

573

673

Скорость распространения пламени при 0,1МПа, м/с

2,50

4,00

6,00

9,00

12,00


В условиях камеры сгорания скорость распространения пламени значительно возрастает вследствие влияния турбулизации и повышенных давлений. Большие скорости сгорания обусловливают высокую жесткость процесса сгорания. Например, при α = 1 скорость нарастания давления в цилиндре примерно в три раза больше, чем при работе бензо-воздушных смесях. При увеличении α скорость нарастания давления уменьшается [5].

При анализе условий хранения ЖН2 большое значение имеет его коэффициент термического расширения δ, который изменяется по температуре следующим образом:


Температура, К

14

15

16

17

18

19

20

20,38

Коэффициент термического расширения, δ∙103

9,72

10,62

11,51

12,41

13,30

14,20

15,04

15,43


При диффузии водорода в углеродистую сталь происходит наводороживание металла (FeC + 2Н2Fe + СН4), вследствие которого в массе металла появляются газовые пузыри и трещины. Диффузия водорода в металлы возрастает с повышением температуры. Например, при 1750К в одном объеме железа растворяется до двух объемов водорода. Диффузия водорода в металлы ухудшает их твердость, термическую стойкость, текучесть и ряд других свойств.

При нормальной и низких температурах водород химически малоактивен. Реакционная способность его значительно возрастает при нагреве, под действием электрического разряда и в присутствие катализаторов. Повышение активности водорода обусловлено образованием атомарного водорода, обладающего высокой реакционной способностью.

Высокая диффузионная способность ГН2 с одной стороны, обеспечивает хорошие условия смесеобразования в ДВС, а с другой стороны - снижает пожаро – и взрывоопасность водорода – воздушных смесей, случайно образовавшихся из-за утечек Н2 (благодаря быстрому его рассеиванию).

Устойчивое воспламенение Н2 можно обеспечить с помощью принудительного зажигания от электрической искры или дозы запального топлива, возможно также воспламенение с помощью катализатора Н2 может подаваться в цилиндр как вместе с воздухом, так и путем впрыска в камеру сгорания.

Благодаря широкому концентрационному диапазону воспламеняемости водорода – воздушных смесей открывается возможность качественного регулирования мощности ДВС, при этом индикаторный КПД двигателя возрастает.

Предел обеднения водородно-воздушной смеси определяется ухудшением динамики тепловыделения и как следствие этого неустойчивой работой двигателя. Вследствие высокой химической активности и больших скоростей сгорания смеси работа двигателя на составах смеси, достаточно близких к стехиометрическому, вызывает явления аналогичные детонации.

Использование Н2 по сравнению с бензином вызывает снижение мощности давления. Это объясняется уменьшением коэффициента наполнения из-за низкой плотности Н2 и вызываемого этим увеличением относительной доли объема цилиндра, занимаемой топливом. Например, при α = 1 ГН2 занимает почти 30% объема цилиндра (а пары нефтяного топлива только 2-4% объема).

Вследствие высоких скоростей и температур сгорания водорода – воздушных смесей в отработанных газах ДВС может содержаться значительное количества окислов азота NО. С обеднением смеси концентрации NО уменьшается. Для снижения количества NО в отработавших газах можно применять добавку воды к водородному топливу. Однако, что при работе на Н2 в отработавших газах не должно содержаться СО и СN, однако эксперименты обнаруживают их незначительное количество. Это объясняется выгоранием углеводородных смазочных материалов, попадающих в камеру сгорания.

Наиболее сложной задачей при использовании водорода и бензо-водородных смесей в качестве топлива для ДВС является хранение расходного запаса Н2 на борту автомобиля. Принципиально возможны три способа хранения Н2: в сжатом виде в баллонах высокого давления, в сжиженном виде и в химически связанном виде в составе соединений, легко разрушающихся с выделением Н2 (энергоносителей).

Получение, транспортировка и хранение жидкого водорода достаточно хорошо освоены в смежных областях техники в начале 50-х годов. Например, в США в 1960 году выпуск ЖН2 составлял 14т/сут. и увеличился к 1970 году до 160т/сут. Главной задачей при этом является обеспечение минимального испарения ЖН2, хранящегося в топливных баках. Современное (взаимственное из опыта ракетной техники) решение этой задачи заключается в использовании криогенных емкостей, имеющих двойные стенки, пространственно между которыми вакуумировано и заполнено чередующимися слоями экранирующих и изолирующих материалов – экрано-вакуумной изоляцией. Потери на испарение ЖН2 в стационарных резервуарах такого типа не превышает 10% в год, в расходных автомобильных баках 1% в сутки. Баки снабжают системой сброса избыточного давления испарившегося Н2 с дальнейшим дожиганием или адсорбцией его паров. Для снижения испаряемости и повышение плотности Н2 при хранении в перспективе возможно применение ШН2, содержащего 30-50% ТН2. Сжижение водорода требует значительных энергетических затрат (до 45%), что повышает стоимость топлива.

Перспективой системой хранения водорода при работе автомобиля на ДВС является использование энергоносителей на основе гидридов некоторых металлов (например, Li, K, Mg, Fe, Ti и пр.) [4]. При пропускании водорода через порошки этих металлов образуются их гидриды по типу Li + Н → LiН и выделяется теплота, которая должна быть отведена. При подогреве гидридного порошка (что может осуществляться на борту автомобиля, например, за счет теплоты отработавших газов или жидкости из системы охлаждения двигателя) Н2 выделяется из гидридов и направляется в систему топливоподачи двигателя. Такие циклы могут повторяться многократно. При прекращении теплоподвода (по команде или вследствие аварии) выделение Н2 прекращается. Эта особенность обеспечивает достаточно высокую пожара - взрывобезопасность эксплуатации автомобиля с гидридным аккумулятором Н2.

В таблице 2 приведены сравнительные данные по системам хранения топлива, обеспечивающим пробег автомобиля равный 418 км [4].

Необходимо отметить также способ получения Н2 непосредственно на транспортном средстве, который основан на способности ряда веществ (Аℓ, Li, Mg и др) восстанавливать, воду до водорода с образованием окислов соответствующих элементов. В дальнейшем окислы могут быть восстановлены в стационарных условиях. Испытание опытных реакторов такого типа дало хорошие результаты.

Таблица 2

Сравнительные данные по системам хранения топлива

Показатели

Бензин

Сжатый ГН2

ЖН2

Гидрат MgН2

Масса топлива, кг

53,5

13,4

13,4

13,4

Объем топлива, м3

0,07

1,0

0,19

-

Масса бака, кг

13,6

13,61

181

213,6

Полная масса топливной системы, кг

67

1374

195

227

Отметим возможность использования Н2 в электрохимических газовых аккумуляторах. В этих аккумуляторах Н2 реагирует с кислородом и происходит выделение электрической энергии. Газовые аккумуляторы рассматривают в качестве источников энергии для перспективных транспортных средств. С этой точки зрения накопление конструкторских и технологических решений в областях производства и транспортировки Н2 приобретает еще большое значение.


Литература:
  1. Аксенов А.Ф. Трение и изнашивание металлов в углеводородных жидкостях. – М.: Машиностроение. 1977г.

  2. Афрошмова В.Н., Поляцкий М.А. Экспериментальное исследование эффективности горения газового топлива. – ТрЦKTИ 1967 г. № 76 с.25-42.

  3. Варшавский И.Л. Малотоксичный автомобиль: Снижение токсичности отработавших газов двигателя применением добавок водорода. – В сб.: Защита воздушного бассейна от загрязнения токсичными выбросами транспортных средств. – АНУСС. ИПМаш АН УССР. 1977г.

  4. Иссерлин А.С., Певзнер М.И., Ежова Е.И. Горелочные устройства для сжигания газа в металлургии тяжелых цветных металлов. М.: ВНИИЭ газпром 1972г.с.,75

  5. Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива. Ленинград «Недра» Ленинградское отделение. 1987г. с.336.

  6. Обельницкий А.М. Расчет термохимических свойств двухкомпонентных топлив для поршневых двигателей внутреннего сгорания. – Межвузовский сборник научных трудов// Автомобиль и окружающая среда. 1976г.

  7. Обельницкий А.М. Топливо и смазочные материалы. М.: «Высшая школа» 1982г.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle