Применение водорода в виде добавки автомобильных двигателях

DOI: 10.32743/UniTech.2021.85.4-2.22-24

АННОТАЦИЯ

В данной работе были проанализированы вопросы повышения экономических и экологических показателей путем добавки водорода в бензиново-воздушную смесь автомобильных двигателей.

ABSTRACT

In this paper, we analyzed the issues of improving its economic and environmental performance by adding hydrogen to the gasoline-air mixture of automobile engines.

Ключевые слова: водород, генератор водорода, экология, автомобиль, двигатель, топливо, бензин, экономика.

Keywords: hydrogen, hydrogen generator, ecology, car, engine, fuel, gasoline, economy.

ВВЕДЕНИЕ. В постановлении Президента Республики Узбекистан от 10 июля 2020 года № ПП-4779 «О дополнительных мерах по повышению энергоэффективности экономики и снижению зависимости отраслей экономики от топливно-энергетической продукции за счет привлечения имеющихся ресурсов» утверждена дорожная карта «по повышению энергоэффективности и экономии топливно-энергетических ресурсов на крупных энергоемких предприятиях отраслей экономики». В пункте 15 настоящей дорожной карты поставлена задача «разработать долгосрочную Национальную стратегию по развитию водородной энергетики» [4; 5].

Водород как добавка к основному углеводородному топливу имеет ряд преимуществ: хорошая воспламеняемость в смеси с возду­хом, обеспечивающая легкий запуск двигателя при практиче­ски любых возможных температурах окружающей среды; высо­кая антидетонационная стойкость, допускающая работу при больших степенях сжатия; высокая скорость и полнота сгора­ния, что позволяет приблизить реальный цикл работы ДВС с искровым зажиганием к идеальному с подводом теплоты к смеси при постоянном объеме, т. е. увеличить КПД цикла. Добавка во­дорода к бензину снижает эмиссию таких вредных выбросов, как CO, CO₂ и CH, о чем свидетельствуют многочисленные публикации [1; 3; 8].

Применение водорода для автомобильных двигателей определяется, прежде всего, экологической чистотой, неограниченностью и возобновляемостью сырьевых запасов, а также уникальными моторными качествами, что открывает возможность его широкого применения в современных двигателях без существенных конструктивных изменений.

Экологическая обстановка во всем мире, особенно в крупных городах развитых стран (Париж, Рим, Нью-Йорк, Токио, Пекин, Берлин, Лондон, Сеул, Дели, Москва, Ташкент и др.), требует немедленного освоения новых альтернативных топлив, которые обеспечат чистый воздух в городах и тем самым резко снизят заболеваемость среди населения.

По данным российских экспертов, ежегодный экологический ущерб составляет более 3,5 млрд долл. США [6].

Первый водородный легковой автомобиль был разработан в Германии в 1979 году компанией BMW. В этом автомобиле из выхлопной трубы выпускался только водяной пар.

В настоящее время ведущие автомобильные концерны работают над созданием автомобилей на водородном топливе.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ. Водород – многообещающий вид топлива для ДВС, так как имеет неисчерпаемую сырьевую базу, обладает очень высокой теплотой сгорания (Ни = 10228 кДж/м³), не выделяет токсических веществ и не ухудшает свойств смазочного масла. Водород не образует при сгорании лаков, нагара и кокса, что благоприятно с точки зрения износа и надежности ДВС. Теплотворность стехиометрической смеси его с воздухом на 15 % ниже, чем у бензина, поэтому мощность двигателя при обычном способе впуска смеси, соответственно, уменьшается. Однако при подаче водорода в камеру в такте сжатия (как у дизеля) можно сохранить ту же мощность, что и на бензине [2].

Энергетические и экологические выгоды от использования водорода в качестве добавки к топливу очевидны: в ходе реакции окисления водорода вырабатывается гораздо больше энергии, чем от любого вида углеводородного топлива, а выхлопы представляют собой пары воды и оксидов азота.

Европейский союз принял программу «Чистый городской транспорт Европы». Поэтому сейчас в Европе приняты экологические стандарты для автомобилей четвертого поколения Евро-5 и Евро-6.

По статистическим данным, общее количество автомобилей в г. Ташкенте составляет более 1 млн единиц. Количество автобусов «Мерседес» и «Исузу» составляет более 1000 единиц. Автомобильный транспорт перевозит более 80 % пассажиров. Поэтому экологическая проблема в г. Ташкенте также стоит остро. В настоящее время единственным путем повышения экологичности автотранспорта является его перевод на альтернативные виды топлива, что обеспечивает сокращение вредных выбросов в окружающую среду двигателями.

Экологические проблемы актуальны для всех стран мира. Во многих странах приняты жесткие требования по экологизации автотранспорта. В настоящее время многие зарубежные двигателестроительные фирмы взяли курс на решение задачи достижения нулевой токсичности отработавших газов. Многолетний опыт показывает, что добиться этого возможно только в случае использования альтернативных видов топлива. Следует подчеркнуть, что в строгом смысле альтернативное топливо (биогаз, водород) не имеет нефтяной основы.

Водород в ДВС используется в газообразном состоянии, так как его хранение в жидком виде сопряжено с существенными техническими трудностями ввиду низкой температуры кипения (–252,88 °С). Недавно инженеры Института «Weizmann» сделали предложение использовать чистый цинк, который, вступая в реакцию с солнечным светом, вырабатывал водород [7].

На рисунке 1 предоставлена принципиальная схема генератора водорода.

При оптимальном изменении доли добавляемого к бензину водорода обеспечивается качественное регулирование двигателя. Это самое совершенное топливо для будущих транспортных средств. Получается он из воды, но сгорает в ДВС так, что в зависимости от регулировки может отдавать кислород в атмосферу. На выхлопе получаются кислород и водяной пар, однако кислород здесь берется из воды, используемой для получения газа.

Рисунок 1. Схема генератора водорода:

1 – ключ; 2 – реле; 3 – масса; 4 – предохранитель; 5 – аккумулятор; 6 – генератор водорода; 7 – резервуар; 8 – влагоотделитель; 9 – воздушный фильтр

Базовый и теоретический расчеты при добавке водорода в бензин двигателя автомобиля «Лачетти» приведены в таблице 1.

 Таблица 1.

Базовый и теоретический расчеты при добавке водорода в бензин двигателя автомобиля «Лачетти»

Если заводы «GM – UZBEKISTAN» и «Самавто» перейдут в перспективе на применение добавки водорода в топливо, страна получит огромную прибыль. Эксплуатационые испытания показали, что расход топлива на пробег 100 км составляет для легкового автомобиля «Кобальт» с бензином 7,2 л/100 км, а при добавке водорода в бензин – 5,7 л/100 км. Экономия топлива – до 20%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Применение водорода в качестве топлива возможно в разнообразных условиях, что может дать существенный вклад в мировую энергетику, когда ресурсы ископаемого топлива будут близки к полному истощению. По сравнению с бензином и дизельным топливом водород более эффективен и меньше загрязняет окружающую среду.

2. Создана установка генератора водорода (электролизер) для получения водорода.

3. Повышение экономичности двигателя, прежде всего, благодаря применению качественного регулирования и обеспечению более полного и своевременного горения. При использовании низкооктановых топлив с оптимальной добавкой водорода повышение экономичности возможно вследствие увеличения степени сжатия.

4. Полное исключение выбросов основного парникового газа – диоксида углерода и существенное снижение токсичности за счет уменьшения выбросов продуктов неполного окисления. При работе на бедных смесях малыми оказываются и выбросы оксидов азота.

5. В качестве добавки к бензину и природному газу использование водорода уже сегодня может дать не только экономический эффект, но и решить экологические проблемы, особенно в крупных мегаполисах.

Список литературы:

1. Ассад М.С. Альтернативные моторные топлива: тенденции развития, феноменологические аспекты развития. – Барановичи : РИОБарГУ, 2008. – 328 с.
2. Каменев В.Ф., Фомин В.М., Хрипач Н.А. Теоретические и экспериментальные исследования работы двигателя на дизельно-водородных топливных композициях // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ. – М., 2005. – № 7 (27).
3. Перспективы разработки автомобильных топлив с улучшенными экологическими свойствами / А.А. Гуреев [и др.] // Химия и технология топлив и масел. – 1993. – № 11. – С. 4–7.
4. Постановление Президента Республики Узбекистан от 10 июля 2020 года № Q-4779 «Увеличение энергоэффективности экономики и снижение зависимости экономических секторов в топливно-энергетических продуктах».
5. Постановление Президента Республики Узбекистан от 22 августа 2019 года № ПП-4422 «Об ускоренных мерах по повышению энергоэффективности отраслей экономики и социальной сферы, внедрению энергосберегающих технологий и развитию возобновляемых источников энергии».
6. Словецкий Д.И. Плазмохимические процессы получения чистого водорода. – М. : Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева, РАН.
7. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://rus.delfi.ee/archive/novaya-tehnologiya-polucheniya-chistogo-vodoroda.
8. Heffel James W. NOx emission reduction in a hydrogen fueled internal combustion engine at 3000 rpm using exhaust gas recirculation // J. Hydrogen Energy. – 2003. – Vol. 28. – P. 1285–1292.