РАЗРАБОТКА УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ВОДОРОДНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ СЛЕДУЮЩЕГО ПОКОЛЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются перспективы использования водородного топлива как альтернативы традиционным углеводородным источникам энергии. Проанализированы основные преимущества водорода, включая его экологическую чистоту, высокую энергетическую плотность и потенциал для снижения выбросов углекислого газа. Также исследуются проблемы, связанные с производством, хранением и транспортировкой водорода, а также развитие инфраструктуры для его заправки. В работе представлена концепция двигателя с непосредственным впрыском водорода в цилиндр, который обеспечивает более высокую эффективность сгорания, снижение выбросов оксидов азота и улучшенную реакцию на изменения нагрузки. Рассматриваются экономические аспекты использования водородных технологий и их экологическая устойчивость, что делает водородный транспорт важным шагом на пути к устойчивому и чистому энергетическому будущему.

ABSTRACT

The article discusses the prospects of using hydrogen fuel as an alternative to traditional hydrocarbon energy sources. The main advantages of hydrogen are analyzed, including its ecological purity, high energy density and potential for reducing carbon dioxide emissions. The problems related to the production, storage and transportation of hydrogen, as well as the development of infrastructure for its refueling, are also being investigated. The paper presents the concept of an engine with direct injection of hydrogen into a cylinder, which provides higher combustion efficiency, reduced emissions of nitrogen oxides and improved response to load changes. The economic aspects of the use of hydrogen technologies and their environmental sustainability are considered, which makes hydrogen transport an important step towards a sustainable and clean energy future.

Ключевые слова: водород, система впрыска топлива, двигатель внутреннего сгорания, водородное топливо, непосредственный впрыск, автомобильный транспорт, топливная экономичность, выбросы оксидов азота.

Keywords: hydrogen, fuel injection system, internal combustion engine, hydrogen fuel, direct injection, automobile transport, fuel efficiency, emissions of nitrogen oxides

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в Европе действуют стандарты [1], которые требуют от производителей автомобилей устанавливать обязательные стандарты по средним (для парка автомобилей, производимого компанией за год) выбросам CO₂, а в США, кроме того, по расходу топлива. Эти стандарты вводятся поэтапно с 2012 года и, как ожидается, позволят сократить выбросы CO₂ и, следовательно, потребление топлива к 2016 году в США почти на 40 процентов по сравнению с уровнями 2007 года, а в Европе - на 25 процентов к 2015 году и на 40 процентов к 2020 году.

Европейские стандарты обязуются сократить выбросы CO₂ до 130 г/км к 2015 году за счет улучшения конструкции транспортных средств и дополнительно на 10 г₂, а также на 120 г/км за счет других мер, таких как использование биотоплива. С 2020 года выбросы CO₂ в Европе не должны превышать 95 г/км. В то же время возрастают экологические требования к выбросам CO, CH, NO_x и вредных частиц [2]. Эти проблемы актуальны и для России, которая присоединилась к экологическим требованиям Европейского союза [3].

Одним из важных направлений снижения негативного воздействия выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания на окружающую среду и здоровье человека, соблюдения будущих стандартов вредных выбросов от автомобильного транспорта, экономии ресурсов нефтяного топлива является использование топлив, содержащих водород (таких как водород, синтез-газ и т.д.), которое часто называют топливом будущего.

Преимущества использования водородного топлива

Водородное топливо, не содержащее углерода, теоретически не может образовывать парниковый газ CO₂, монооксид углерода CO, несгоревшие углеводороды CH и сажу при горении в воздухе. Однако на практике при сгорании водорода в двигателе внутреннего сгорания эти компоненты присутствуют в очень небольших количествах, что в основном связано с сгоранием моторного масла в камере сгорания. Расход моторного масла в современных двигателях не превышает 0,01-0,05 л/100 км[4].

Основными токсичными элементами, которые образуются при сгорании водорода в двигателе, являются оксиды азота (NO_x). В двигателе с искровым зажиганием, когда водород сжигается при полной нагрузке, максимальные выбросы NO_x почти в два раза выше, чем при сжигании углеводородного топлива, из-за повышенной температуры сгорания водорода. Однако, при частичных нагрузках выбросы NO_x можно поддерживать на низком уровне, работая на очень обедненных смесях. Согласно [5], двигатель гибридного автомобиля (степень сжатия 14), работающий на обедненной смеси водорода и воздуха (α ≥ 2,5), смог достичь соответствия экологическим стандартам EZEV (на порядок более строгим, чем ULEV (США) и стандарты Евро-4) по выбросам NOx без каталитической обработки выхлопных газов.

Одним из преимуществ использования водорода в качестве источника энергии является его экологичность. Это связано с циклическим характером преобразования энергии или вещества, особенно если для производства водорода используется солнечная энергия. Кроме того, использование водорода может повысить эффективность двигателя внутреннего сгорания [4-10]. Большинство концепций, реализованных до настоящего времени, используют комбинацию системы искрового зажигания и внешнего смесеобразования (впрыск водорода во впускные каналы) [11-14].

Использование водорода в качестве автомобильного топлива также позволяет повысить эффективность и топливную экономичность двигателя с искровым зажиганием за счет более эффективного рабочего процесса. Благодаря очень широким пределам расхода и повышенной скорости сгорания водорода (и топлив, содержащих водород) двигатель может стабильно работать на очень обедненных смесях, включая качественный контроль нагрузки. В целом, благодаря более быстрому сгоранию и контролю качества можно увеличить ориентировочный КПД двигателя до 52%, значительно улучшив топливную экономичность [15].

Проблемы, связанные с работой двигателя, работающего на водороде

Проблемы, возникающие при использовании топлива на основе водорода, связанные с управлением технологическим процессом:

Детонация

Детонация представляет собой наиболее серьезное проявление аномального горения. По мере распространения пламени по камере сгорания несгоревшая смесь перед пламенем, известная как конечный газ, сжимается, что приводит к повышению ее температуры, давления и химической активности. Это вызывает, по-видимому, двухэтапный термогенетический процесс, в котором относительно медленные реакции холодного пламени завершаются быстрым самовоспламенением. Результатом является чрезвычайно быстрое (взрывное) высвобождение большей части энергии, содержащейся в конечном газе, что приводит к локальному повышению давления. Это приводит к распространению волн давления по камере сгорания с частотами, соответствующими частотам собственных колебаний камеры. Это явление называется калильным зажиганием (5-10 кГц) [16-18]. При создании водородных двигателей с внешним смесеобразованием часто возникают проблемы с ретроспективными кадрами. В лучшем случае он вызывают громкий хлопок и остановку двигателя из-за взрывного сгорания смеси во впускной системе до завершения процесса заправки и полезной работы. В худшем случае они могут привести к разрушению впускной системы. Влияние степени сжатия на возникновение обратной вспышки трудно определить однозначно. С одной стороны, снижение степени сжатия повышает устойчивость к обратной вспышке за счет снижения температуры в камере сгорания. С другой стороны, увеличение степени сжатия увеличивает отношение площади камеры сгорания к объему, что увеличивает отвод тепла и охлаждает остаточные газы. Кроме того, увеличение степени сжатия уменьшает количество остаточных газов. Предположительно, существует оптимальная степень сжатия, которая способствует повышению мощности и КПД.

Обычно упоминаются следующие причины флэшбэка [19]:

• Горячие точки в камере сгорания: сажа, частицы, свеча зажигания, остаточные газы, выпускные клапаны и т.д.
• Остаточная энергия в цепи зажигания.
• Индукция в проводах системы зажигания: в многоцилиндровых двигателях регулируемое зажигание в одном цилиндре может вызвать воспламенение в другом цилиндре, если отдельные провода системы зажигания расположены близко друг к другу.
• Запоздалое сгорание в зазорах теплового пояса поршня, которое продолжается до тех пор, пока впускной клапан не откроется и не подожжет новый заряд.
• Воспламенение Cali: Воспламенение Cali часто происходит в водородных двигателях из-за низкой энергии воспламенения и широких пределов воспламеняемости водорода.

Двигатель внутреннего сгорания с внешним смесителем

Водород часто упоминается как источник энергии будущего. Концепция его использования в чистом виде или в качестве компонента водородного топлива для двигателей внутреннего сгорания почти так же стара, как и сам двигатель [18].

Эффективность двигателя с искровым зажиганием при заправке водородом во многом зависит от метода смесеобразования. В автомобильных двигателях с искровым зажиганием, где топливо и воздух смешиваются перед поступлением в цилиндр в системе впуска (внешнее смесеобразование), энергетические показатели значительно снижаются (до 40% и более) из-за уменьшения наполнения и уменьшения объемной теплоты сгорания водородно-воздушной смеси. Системы сгорания, использующие внутреннее смешивание (непосредственный впрыск водорода в цилиндры двигателя), позволяют преодолеть этот недостаток внешнего смешивания [19].

Непосредственный впрыск водородсодержащего топлива

При использовании внутреннего смешивания, когда водород и воздух смешиваются непосредственно в цилиндре, значительного увеличения мощности можно добиться за счет оптимизации процесса сгорания и увеличения калорийности заряда [18].

Внутреннее перемешивание обеспечивает более высокие энергетические характеристики, полностью исключает воспламенение и обладает большим потенциалом для снижения выбросов NOx (особенно при средних и высоких нагрузках), а также исключает детонацию и воспламенение от калибра.

Для организации внутренней системы смешивания, обеспечивающей низкие выбросы NO_x, исключающей воспламенение каличей и улучшающей энергетические характеристики двигателя, представляется целесообразным использовать систему питания. Эта система обеспечивает непосредственный впрыск водородного топлива с гибким контролем смешивания и сгорания путем регулировки момента и продолжительности впрыска топлива. Это гарантирует, что двигатель работает по крайней мере в двух основных рабочих режимах: гомогенном сгорании смеси и стратифицированном сгорании смеси. Для этой цели должны быть предусмотрены следующие элементы:

• На холостом ходу и при очень низкой нагрузке: двигатель работает на плохо однородных водородно-воздушных смесях с коэффициентом избытка воздуха α ~ 3-5. Дросселирование на входе используется для повышения стабильности горения и снижения выбросов оксидов азота (NO_x) и несгоревшего водорода. Нагрузка количественно контролируется.
• При низкой нагрузке: двигатель работает при полностью открытой дроссельной заслонке на бедных однородных смесях, при этом коэффициент избытка воздуха α колеблется в пределах от ~ 3-5 до 1,8-2,2. Это позволяет снизить выбросы NO_x и повысить показатель эффективности. Нагрузка качественно контролируется.
• При средней и большой нагрузке: двигатель работает на стратифицированных смесях стехиометрического состава с дросселированием впуска. Это обеспечивает низкий уровень выбросов NO_x благодаря эффективной работе каталитического нейтрализатора. Нагрузка регулируется количественно.
• При полной нагрузке: двигатель работает с полностью открытой дроссельной заслонкой на богатой стратифицированной смеси с коэффициентом избытка воздуха α = 0,97. Это обеспечивает высокую энергоэффективность.

При работе с непосредственным впрыском водорода момент начала впрыска играет ключевую роль в формировании топливной смеси, процессе сгорания и, в конечном счете, в эффективности и уровнях выбросов.

Прямой впрыск водородного топлива дает возможность применить стратегию отложенного начала впрыска для контроля выбросов NO_x. Применение NO_x -минимизация EOR при каждой нагрузке приводит к значительному снижению выбросов двигателя по сравнению с распределенным впрыском водорода во впускные каналы или при работе на бензине, см. Рисунок 1.

Более эффективным подходом к снижению выбросов NO_x при средних и высоких нагрузках является управление процессом сгорания с помощью двойного впрыска топлива. В этом случае первая порция водородного топлива подается заранее во время такта сжатия, а вторая порция впрыскивается во время самого процесса сгорания [19]. Первая фаза впрыска способствует получению нежирной, хорошо гомогенизированной смеси, которая пригорает с минимальным образованием NO_x. Оставшийся водород, необходимый для достижения заданной нагрузки, впрыскивается непосредственно на этапе горения.

Рисунок 1. Отсутствие выбросов при различных стратегиях контроля

Как показано на рисунке 1, концепция двойного впрыска приводит к дополнительному значительному сокращению выбросов NO_x от двигателя.

Каталитическая очистка выхлопных газов позволяет добиться практически нулевого уровня выбросов. Также возможно использование накопительного катализатора в сочетании с работой с обедненной смесью во всем диапазоне нагрузок. Другим вариантом является катализатор восстановления, который используется в сочетании со стехиометрическим сжиганием при превышении указанного предела смеси (α= 1,8-2,2), см. Рисунок 2.

Рисунок 2. Операционные стратегии для достижения практически нулевых выбросов оксидов азота

Выбор между этими двумя стратегиями эксплуатации потребует дальнейших исследований и будет зависеть от наличия соответствующей системы каталитического восстановления выхлопных газов, общей эффективности, которая может быть достигнута с помощью выбранной стратегии, и технических характеристик системы непосредственного впрыска водорода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обзор и анализ современных национальных и международных исследований рабочих процессов и конструкций двигателей внутреннего сгорания с непосредственным впрыском водородного топлива в цилиндр, сравнительная оценка возможных решений для таких двигателей, аналитические и патентные исследования, проведенные в рамках данной исследовательской работы, показали, что водород обладает наибольшим потенциалом для улучшения экономических, экологических и энергетических показателей поршневых двигателей внутреннего сгорания, предназначенных для использования при сжигании водородного топлива.

Основные характеристики двигателя, работающего на водородном топливе, в значительной степени зависят от метода смесеобразования. Внутреннее смесеобразование обеспечивает наилучшие энергетические характеристики, полностью исключает аварийное горение (обратное воспламенение, калибровое воспламенение, детонация) и обладает большим потенциалом для достижения низких выбросов NO_x и высокой индикаторной эффективности.

Для обеспечения внутреннего смесеобразования и сгорания в 4-тактном двигателе с искровым зажиганием для достижения низких выбросов выхлопных газов, включая:

• сокращение выбросов CO и CH из выхлопных газов не менее чем на 15%;
• сокращение выбросов CO₂ как минимум на 20% в выхлопных газах;
• для снижения выбросов NO_x из выхлопных газов ниже уровня базового двигателя, а также для улучшения энергетических характеристик двигателя как минимум на 25% по сравнению с внешним смесеобразованием и высокого уровня показателя эффективности необходимо использовать систему питания, обеспечивающую гибкое регулирование смесеобразования и сгорания за счет непосредственного впрыска водородного топлива.

Список литературы:

1. Регламент (ЕС) № 443/2009 Европейского парламента и Совета от 23 апреля 2009 г., устанавливающий стандарты выбросов для новых легковых автомобилей в рамках комплексного подхода Сообщества к сокращению выбросов CO2 малотоннажными транспортными средствами, Официальный журнал Европейского Союза, L 140/1, 5.6.2009.
2. Регламент (ЕС) № 715/2007 Европейского парламента и Совета от 20 июня 2007 года об официальном утверждении типа механических транспортных средств в отношении выбросов легких пассажирских и коммерческих транспортных средств (Евро 5 и Евро 6) и о доступе к информации о ремонте и техническом обслуживании транспортных средств. Официальный журнал   Европейского союза, L 171/1, 29.6.2007.
3. Кутенев В.Ф., Каменев В.Ф. «Вредные вибрации автомобильных двигателей, нормирование и методы измерений», М., 1999.
4. Ф. Шейфер, Р. ван Бассейсен «Снижение выбросов и расхода топлива в автомобильных двигателях», Springer – Verlag / Вена, 1995.
5. Блариган П.В. “Разработка двигателя внутреннего сгорания на водородном топливе, предназначенного для работы на одной скорости /мощности”, Документ SAE, № 961690, 1996.
6. Галлопулос Н.Э. «Альтернативные виды топлива для поршневых двигателей внутреннего сгорания», материалы General Motors, 1977.
7. Г. Кизген, М. Клютинг, К. Бок, Х. Фишер «Новый 12-цилиндровый водородный двигатель 7-й серии: начался ледниковый период H2», Документ SAE, № 2006-01-0431, 2006.
8. Яура А. К., Ортманн В., Штунц Р., Наткин Б., Грабовски Т. «Ford H2RV: первый в отрасли HEV, приводимый в движение двигателем, работающим на H2-топливе - экономичное и экологически чистое решение для устойчивой мобильности», Документ SAE, № 2004-01- 0058, 2004.
9. Тан Х., Кабат Д.М., Наткин Р.Дж., Штокхаузен В.Ф., Хеффель Дж. «Разработка динамометра для водородных двигателей Ford P2000», Документ SAE, № 2002-01- 0242, 2002.
10. Воинов А.Н. «Управление в быстродействующем поршневом двигателе» М. “Машиностроение”, 1977.
11. Оздор Н., Далгер М., Шер Э. «Циклическая изменчивость в двигателях с искровым зажиганием: обзор литературы», SAE Tech.Pap. Сер., № 940987, 1994.
12. Хейвуд Дж.Б., «Основы двигателя внутреннего сгорания», McGraw-Hill, Inc., 1988.
13. Верхельст С., Сиренс Р., Верстратен С. «Критический обзор экспериментальных исследований двигателей SI, работающих на водородном топливе», Документ SAE, № 2006-01-0430, 2006.
14. Erren R.A. «Der Erren-Wasserstoffmotor», Automobiltechnische Zeitschrift 41, Heft 19, 1939.
15. Месснер Д., Виммер А., Герке У., Гербиг Ф. «Применение и валидация метода 3D CFD для двигателя внутреннего сгорания, работающего на водороде, с внутренним смесеобразованием», Документ SAE, № 2006-01-0431, 2006.
16. Ким Дж.И.М., Ким Ю.Т., Ли Дж.Т., Ли С.Ю. «Рабочие характеристики двигателя, работающего на водороде, с непосредственным впрыском и системой искрового зажигания», Документ SAE, № 952498, 1995.
17. Виммер А., Валлнер Т., Ринглер Дж., Гербиг Ф. «Непосредственный впрыск H2 - многообещающая концепция сгорания», Документ SAE, № 2005-01– 0108, 2005.
18. Эргашев К..X.Расчет и анализ фактического цикла работы дизельного двигателя. - М.: МАДИ (ГТУ), 2004.
19. Эргашев К.X, Расчет цикла четырехтактного газового двигателя. - М., МАДИ (ГТУ), 2001