К вопросу применения водорода на двигателях внутреннего сгорания

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].

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.

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 ТН_2, 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]:

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:

При диффузии водорода в углеродистую сталь происходит наводороживание металла (FeC + 2Н₂ ⇆Fe + 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

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.