Быстрорастущее в мире число автомобилей требует ускорения поиска путей решения энергоэкологических проблем. Это вызывает необходимость постоянной работы над совершенствованием рабочих процессов автомобильных двигателей, в том числе расширения спектра автомобильных топлив. С конца 70-х годов прошлого века внимание автостроителей все более привлекает к себе использование водорода в качестве автомобильного топлив.
Активные работы в этом направлении были начаты в научных и производственных учреждениях СССР. Они возглавлялись НАМИ, Институтом проблем машиностроения Украинской Академии наук, Волгоградским политехническим институтом (ВПИ) и др. организациями. Эти работы дали возможность создать основы теории рабочих процессов ДВС при использовании в топливных смесях водорода. Практическая реализация результатов этих исследований позволила создать конструкции автомобилей, использующих добавку водорода к бензовоздушным смесям. Эти работы были реализованы под руководством И. Л. Варшавского, А. И. Мищенко [1], рядом сотрудников НАМИ.
В теоретических исследованиях серьезный вклад был внесен коллективом научных сотрудников ВПИ и коллективом Тольяттинского политехнического института.
Данный обзор не претендует на широкое рассмотрение проблем использования водорода в автостроении и касается, главным образом, результатов, достигнутых перечисленными выше научными и производственными учреждениями.
Применение водорода в машиностроении потребовало изучение его теплофизических и моторных свойств. Такие исследования были описаны в кандидатской диссертации Ю. А. Трелина. Фрагменты его исследований [2], учитывающие свойства водорода как добавки к бензовоздушным смесям, приведены в таблице 1.
Таблица 1
Термохимические характеристики бензоводородных топливных композиций (БВТК)
|
Показатель |
Процент (по массе) добавки водорода вБВТК |
|||||
|
0 |
10 |
20 |
30 |
50 |
80 |
|
|
Эквивалентная углеводородная формула БВТК |
C7,16H14 |
C7,16H25,1 |
C7,16H38,38 |
C7,16H36,8 |
C7,16H113,9 |
C7,16H199,34 |
|
Отношение C/H |
0,511 |
0,285 |
0,184 |
0,125 |
0,063 |
0,036 |
|
L0, кмоль/кмоль |
50,2 |
64,5 |
81,25 |
102,8 |
171,3 |
531,43 |
|
l0, кг/кг |
14,835 |
16,835 |
18,83 |
20,825 |
24,813 |
30,791 |
|
Низшая теплота сгорания БВТК, МДж/кг |
46,17 |
49,95 |
57,51 |
65,07 |
80,19 |
102,87 |
|
Теплота сгорания топливовоздушной смеси с БВТК, МДж/кг |
2,863 |
2,878 |
2,934 |
2,993 |
3,128 |
3,292 |
Топливные смеси, включающие бензин, воздух, водород, имеют моторные свойства, определяемые соотношением содержания в них углерода и водорода. С уменьшением отношения C/H расширяются концентрационные пределы горения смеси и растет скорость сгорания. Наибольшее влияние содержания водорода на моторные свойства проявляется при малых нагрузках и режиме холостого хода. В частности, это приводит к сокращению продолжительности первой фазы сгорания в двигателях с внешним смесеобразованием. Чем больше содержание водорода в смеси, тем быстрее протекает первая фаза сгорания. Сказанное подтверждают результаты исследований, выполненных в ВПИ [6].
Проверка этого предположения проводилась на четырехтактном одноцилиндровом карбюраторном двигатели воздушного охлаждения со степенью сжатия ε = 4. Такая степень сжатия обеспечивала достаточно высокую стабильность пробивных напряжений и энергии искры как при работе на бензовоздушных смесях, так и при добавках водорода. Расход водорода фиксировался при помощи протарированной мерной диафрагмы, расход воздуха — разработанным в ВПИ устройством, топлива — объемным способом. Индицирование двигателя проводилось с помощью тензодатчика давления.
На рис. 1 приведены кривые изменения продолжительности первой фазы сгорания τI при угле открытия дроссельной заслонки φдр = 15 % и разной частоты вращения вала двигателя. Коэффициент избытка воздуха находился в пределах 0,8÷1,0. Меньшие значения α относятся к работе двигателя без добавок водорода. При подаче водорода соответственно уменьшалось количество бензина в смеси. Как видно, добавка водорода при неизменной энергии искры вызвала сокращение длительности первой фазы сгорания τI в 2÷2,5 раза (большие величины отвечают меньшей частоте вращения вала двигателя)
Рис. 1. Зависимость продолжительности первой фазы сгорания от частоты вращения коленчатого вала при φдр = 15 %: 1 — бензовоздушная смесь; 2 — бензовоздушная смесь с добавками водорода
Это сокращение τI объясняется ростом активных центров при добавлении в смесь водорода, атомы которого обладают высокой активностью. Сокращение τI приводит к повышению цикловой стабильности воспламенения, что, в свою очередь, позволяет повысить предел эффективного обеднения смеси и работать ДВС на бедных смесях, т. е. с большим КПД. Влияние водорода тем значительнее, чем беднее основная бензовоздушная смесь (рис. 2).
Рис. 2. Пределы обеднения бензовоздушных смесей: 1 — теоретический; 2 — экспериментальные по пределу воспламенения; 3 — область высокой эмиссии CnHm; 4 — экспериментальный по минимуму эмиссии CnHm
Как показали эксперименты В. З. Гибадуллина [4,5] форсирование воспламенения имеет место и при локальном обогащении бензовоздушной смеси в области межэлектродных зазоров свечей зажигания как в поршневых, так и в роторно-поршневых двигателях. Позитивное влияние на воспламенение локального обогащения ТВС водородом оказывает замена в ТВС бензина на метан, имеющим меньшую скорость сгорания. Это подтвердили опыты, проведенные с локальной подачей водорода в область межэлектродного зазора при использовании в качестве топлива метана и пропана [7].
Исследования, проведенные учеными АвтоВАЗа, подтвердили, что обогащение метановоздушной смеси водородом не только ускоряет процесс воспламенения, но и заметно повышает топливную экономичность двигателя [8]. Этот результат очень важен при замене питания ДВС метаном вместо бензина.
Проведенные позднее в Тольяттинском и Волгоградском технических университетах исследования [9] показали, что влияние добавок водорода в смесь проявляется по-разному на разных стадиях процесса сгорания в ДВС: оно больше на стадии воспламенения и догорания. Влияние этих добавок на основную стадию турбулентного сгорания требует уточнения роли, которую играют на этой стадии параметры турбулентности. На стадии догорания добавка в смесь водорода заметно ускоряет процесс догорания и его полноту, обеспечивая улучшение энергоэкологических показателей двигателя.
В работе [10] было установлено, что с ростом добавок водорода и увеличением скорости сгорания повышается эффективность преобразования теплоты в работу. Эта эффективность оценивалась в [10] по доле теплоты, выделившейся в характерных точках цикла двигателя: ВМТ — XВМТ; максимального давления цикла PZ — XPz; максимальной температуры Tz — XTz. Отмечено, что наибольшее влияние добавки водорода в смесь оказывают на XВМТ, что благотворно сказывается на топливной экономичности двигателя.
В работе [10] с использованием методов математической статистики было показано, что токсичность отработавших газов двигателя с искровым зажиганием, работающего на бензоводородовоздушных смесях определяется совокупным влиянием доли водорода в смеси, частоты вращения вала двигателя, расхода бензина, угла опережения зажигания, межэлектродного зазора в свече зажигания.
Результаты исследований [2, 4, 8] были дополнительно подтверждены широкими исследованиями И. Л. Варшавского [15]. Материалы, описанные в указанных выше исследованиях, показали однозначное наличие энергоэкологических преимуществ двигателей, работающих на бензоводородовоздушных смесях, т. е. на бензовоздушных смесях с добавками водорода. Это определило практическую целесообразность создания автомобилей, двигатели которых питались бы бедными бензоводородовоздушными смесями. Такие работы активно проводились, в частности, в НАМИ и Институте проблем машиностроения АН УССР [13]. Были созданы опытные автомобили РАФ 22034, ГАЗ-24 «Волга», ВАЗ 2101 «Жигули» и др.
В этих автомобилях необходимое количество водорода на борту транспортного средства хранилось в металлогидридных аккумуляторах. В таблице 2 приведены взятые из [12] характеристики некоторых металлогидридов.
Таблица 2
Характеристики некоторых металлогидридных систем хранения водорода
|
Металлическая фаза |
Плотность сплава (гидрида), г/см3 |
Содержание Hв гидриде,% по массе |
Условия выделения водорода |
ΔH, кДж/моль Н2 |
|
|
T, K |
PH2, МПа |
||||
|
LaNi5 |
8,3 (6,6) |
1,4 |
293 |
0,12…0,15 |
31 |
|
La0,7Mn0,3Ni5 |
8,2 (6,5) |
1,4 |
293 |
0,35…0,4 |
30 |
|
TiFe |
6,9 (5,5) |
1,7 |
293 |
0,1…0,2 |
30…33 |
|
(Ti,Zr)(Mn,V,Fe,Gr)2 |
6…7 (5…6) |
1,8…2,2 |
293 |
0,1…1,0 |
30…40 |
В НАМИ были проведены исследования двигателя с рабочим объемом 2,45 л и степенью сжатия 8,2, на режимах отражающих эксплуатацию автомобилей «Волга» в городских условиях. Результаты, полученные при этих исследованиях, в виде графиков представлены на рис. 3 и рис. 4.
Опыты показали, что эффективность обеднения бензоводородовоздушной смеси (БВТК) оказывается тем значительнее, чем больше доля водорода в смеси. Это сопровождается соответствующим увеличением КПД. Увеличение доли водорода в БВТК уменьшает содержание несгоревших углеводородов CnHm и оксидов азота NOx. Опыты показали, что наиболее целесообразно организовать изменение состава БВТК таким образом, чтобы на режимах холостого хода и малых нагрузок двигатель работал на смесях с большим содержанием водорода. По мере возрастания нагрузок содержание водорода в смеси должно снижаться. На полной нагрузке, чтобы не терять мощность, подачу водорода можно вообще прекратить.
В настоящее время общепризнано, что системы хранения водорода на борту любого транспортного средства является нерациональными из-за своих больших габаритов и массы, а также взрывоопасности. Последующие работы, в том числе проведенные на АвтоВАЗе [14], показали, что положительное влияние на показатели ДВС дает подача в бензовоздушную смесь не чистого водорода, а газовой смеси с большой концентрацией водорода. В качестве такой смеси сейчас рассматривается синтез-газ, представляющий собой промежуточный продукт переработки углеводородного горючего (бензина, метана, метанола и т. п.). Синтез-газ представляет собой, в основном, смесь водорода и оксида углерода CO.
Использование синтез-газа в качестве добавки к моторному топливу считается даже предпочтительнее, чем чистого водорода, т. к. присутствующие в синтез-газе элементы сгорают вместе с водородом, образуя минимальное количество вредных продуктов. Далее, энергоустановки для получения синтез-газа сами производят и расходуют водород, исключая необходимость хранить его на борту транспортного средства в сжатом или сжиженном виде. Кроме того, общий КПД силовой установки, включающей реактор для получения синтез-газа, повышается за счет использования для работы реактора теплоты отработавших газов двигателя. В результате эксплуатационный КПД такой установки оказывается на 25 % выше, чем у бензинового двигателя.
Установка с реактором для получения синтез-газа при использовании в качестве топлива метанола реализована в нашей стране на гибридном автомобиле ЗИЛ-5301. Получаемый в реакторе синтез-газ на 65 % состоит из водорода, а остальные продукты, в том числе оксид углерода, составляют 35 %. По данным литературных источников [16] добавка 6÷10 % водородосодержащего синтез-газа к обычному топливу дает следующие эффекты:
– сокращается на 20÷25 % расход топлива при движении автомобиля в условиях городского цикла;
– уменьшается до норм Евро-4 содержание вредных веществ в отработавших газах;
– расход топлива на холостом ходу сокращается на 40 %.
Приведенный обзор позволяет сделать вывод об актуальности развития исследований по совершенствованию работы ДВС с использованием водорода и водородосодержащих газовых смесей, совершенствования работы бортовых реакторов для получения синтез-газа. Значимость таких работ возрастает при переходе к использованию в ДВС нетрадиционных топлив (метана, метанола и т. п.).
Литература:
1. Мищенко А. И. Применение водорода для автомобильных двигателей / А. И. Мищенко. — Киев: Наук. Думка, 1984. –143 с.
2. Трелин Ю. А. Исследование особенностей работы ДВС с искровым зажиганием при добавках водорода в бензовоздушную смесь: дисс. канд. тех. наук: 05.04.02 / ВПИ. — Волгоград, 1981. — 207 с.
3. Разработка компактных устройств для получения синтез-газа из углеводородного топлива на борту автомобиля в целях повышения топливной экономичности и улучшения экологических характеристик автомобилей О. Ф. Бризицкий, В. Я. Терентьев, А. П. Христолюбов и др. / /Альтернативная энергетика и экология. — 2004. — № 11. — С. 17–23.
4. Гибадуллин В. З. Организация рабочего процесса ДВС с внешним смесеобразованием и локальной подачей микродоз водорода в область межэлектродного зазора свечи зажигания: дисс. канд. тех. наук: 05.04.02 / ВПИ. — Волгоград, 1992. — 205 с.
5. Злотин Г. Н. Начальный очаг горения при искровом зажигании гомогенных топливовоздушных смесей в замкнутых объемах: монография / Г. Н. Злотин, Е. А. Федянов. — Волгоград. гос. техн. ун-т. — Волгоград, 2008.– 152 с.
6. Злотин Г. Н. Влияние добавки водорода на продолжительность первой фазы сгорания в карбюраторном двигателе / Г. Н. Злотин, О. И. Козлов, Ю. А. Трелин // Рабочие процессы в поршневых ДВС: межвузовский сборник научных трудов. — ВПИ — Волгоград, 1979– С. 22–26.
7. Захаров Е. А. Рабочий процесс ДВС с искровым зажиганием и локальными добавками углеводородных газов в область межэлектродного зазора: дисс. канд. тех. наук: 05.04.02 / ВолгГТУ. — Волгоград, 1998. — 163 с.
8. Брызгалов А. А. Добавка водорода в метановоздушную смесь газового двигателя / А. А. Брызгалов, А. П. Шайкин // Материалы Международного научного симпозиума «Автотракторостроение — 2009». Книга 2, Москва, МГТУ «МАМИ», 2009.– С. 25–34.
9. Смоленский В. В. Особенности процесса сгорания в бензиновых двигателях при добавке водорода в топливно-воздушную смесь.: автореф. дис. канд. тех. наук: 05.04.02 / ТГУ. — Тольятти, 2007. — 16 с.
10. Злотин Г. Н. Исследования эффективности преобразованиятепла в ДВС с искровым зажиганием при работе на бензо-водородовоздушных смесях / Г. Н. Злотин, О. И. Козлов, Ю. А. Трелин // Рабочие процессы в поршневых ДВС: межвузовский сборник научных трудов. — ВПИ — Волгоград, 1981– С. 61–72.
11. Варшавский И. Л. Системный анализ токсичности ДВС с искровым зажиганием при работе на бензо-водородовоздушных смесях / И. Л. Варшавский, Г. Н. Злотин, О. И. Козлов, Ю. А. Трелин // Рабочие процессы в поршневых ДВС: межвузовский сборник научных трудов. — ВПИ — Волгоград, 1980– С. 61–72.
12. Тарасов Б. П. Металлогидридные системы обратимого хранения водорода. // Альтернативная энергетика и экология: специальный выпуск «Сборник тезисов Второго Международного Симпозиума «Безопасность и экономика водородного транспорта»" (IFSSEHT-2003). — 2003. — C. 38–39.
13. Шатров Е. В.. Исследование мощностных и токсических характеристик двигателя, работающего на бензовоздушных смесях / Е. В. Шатров, А. Ю. Раменский, В. М. Кузнецов // Автомобильная промышленность. — 1979. — № 11. — С
14. Ивлев С. Н. Концепция ОАО «АВТОВАЗ» по переходу к использованию альтернативных топлив и водорода [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.lada-auto.ru/files/101.pdf.
15. Варшавский И. Л. Применение водорода в тепловых двигателях // Атомно-водородная энергетика и технология. Вып. 3. — М.: Атомиздат, 1980. — С. 129–160.
16. Сорокин А. И. Эффективность использования альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания / А. И. Сорокин, Г. К. Мирзоев // Химия в интересах устойчивого развития. — 2005. — № 13. — С 805–808.
