Применение водорода для автомобильных двигателей

АННОТАЦИЯ

Применения 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.

ABSTRACT

The use of hydrogen for automobile engines is determined, first of all, by its ecological purity, unlimited and renewable raw materials, as well as by its unique motor qualities, which opens up the possibility of its wide application in modern engines without significant design changes.

Ключевые слова: водород, двигатель, возду­х, экологическая чистота, большая нагрузка, температура, чистый воздух, климатические факторы.

Keywords: hydrogen, engine, air, environmental cleanliness, high load, temperature, clean air, climatic factors.

Применение водорода как топлива для ДВС либо в чистом виде, либо в виде добавки к основному углеводородному топли­ву не вызывает сомнений. 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; 5 и др.]. 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.

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 износов 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 [4].

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 топлив. 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).

При оптимальном изменении доли добавляемого к бензину водорода обеспечивается качественное регулирование двигателя. Это самое совершенное топливо для будущих транспортных средств. Получается оно 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.

Данная технология питания водородом узбекских автомобилей представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Технология питания водородом узбекских автомобилей

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

Теоретический расчет ДВС автомобиля «Лачетти» приведен в таблице.

Таблица 1.

Теоретический расчет ДВС автомобиля «Лачетти»

Автомобиль сможет вырабатывать водородное топливо на ходу. Недавно инженеры Института «Weizmann» сделали предложение использовать чистый цинк, который, вступая в реакцию с солнечным светом, вырабатывал водород [7]. Здесь хотелось подчеркнуть, что, если заводы «GM – UZBEKISTAN» и «Самавто» перейдут в перспективе на водородное топливо, страна получит огромную прибыль. Эксплуатационный нормативный расход топлива на пробег 100 км составляет для легкового автомобиля «Лачетти» с бензином 7,2 л/100 км и с добавкой  водорода в бензин – 5,7 л/100 км. Экономия топлива – до 20%.

Заключение. 1. Водород является экологически чистым топливом, так как при его сгорании образуется только вода. 2. Самым распространенным элементом Вселенной является водород (в космосе в виде раскаленной плазмы он составляет 70 % массы Солнца и звезд). 3. 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. 4. Создана установка – генератор водорода (электролизер) для получения водорода. 5. При КПД, приблизительно равном 100 %, установка, потребляющая мощность в 1 кВт, должна вырабатывать 500 литров газа Брауна в час. 6. Так как в основе топливных элементов лежит электрохимический процесс, то КПД на смеси водород – воздух может быть более 85 %. 7. В качестве эталона энергозатрат мы предпочитаем минимальную теоретически необходимую для электролиза энергию 1,96 Вт*час/л. 8. 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. 9. 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. 10. 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.

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. Словецкий Д.И. Плазмохимические процессы получения чистого водорода. – М. : Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН.
5. Akhmedovich M.A., Fazliddin A. Current State Of Wind Power Industry // The American Journal of Engineering and Technology. – 2020. – Т. 2. – № 09. – P. 32–36.
6. 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.
7. Электронный ресурс URL: http://rus.delfi.ee/archive/novaya-tehnologiya-polucheniya-chistogo-vodoroda.
8. Электронный ресурс URL: http://www.elektrolizer.com/production.html.