Альтернативные инновационные двигатели

Водородно-воздушные смеси характеризуются высокой скоростью сгорания в двигателе, причем при стехиометрическом соотношении периоды индукции очень малы и сгорание протекает практически при постоянном объеме, что ведет к резкому повышению давления. Скорость нарастания давления в цилиндре водородного двигателя при работе на стехиометрических смесях примерно в 3 раза выше по сравнению с бензиновым аналогом. При обеднении смеси скорость снижается и при а=1,9 достигает значений, соответствующих при работе на стехиометрических бензино-воздушных смесях .

Детонационно-подобные явления, характерные для работы двигателя  на водороде, изучены недостаточно. Согласно большинству данных, водород  начинает детонировать при степенях сжатия 8=6 в широком диапазоне  а. В то же время очистка камеры сгорания (удаление нагара и выступающих кромок, шлифовка поверхности) позволяет осуществить работу на водороде при 8, близких к 10, и стехиометрических топливных смесях . По данным , критическая степень сжатия при стехиометрическом составе во-дородно-воздушных смесей не превышает 4,7, что соответствует октановому числу по исследовательскому методу 46, в то время как при а=3,5 она достигает 9,4 и октановое число–114. Таким образом, при достаточном обеднении смеси возможна бездетонационная работа водородного двигателя в широком диапазоне степеней сжатия.

Состав отработавших газов водородного двигателя  существенно отличается от состава  газов бензинового двигателя  внутреннего сгорания в основном за счет отсутствия углерода в топливе. Тем не менее в отработавших газах водородного двигателя присутствует незначительное количество СО и [СИ], наличие которых обусловлено выгоранием углеводородных смазок, попадающих в камеру сгорания (рис. 4.21). Максимальный выброс оксидов азота вследствие более высоких температур сгорания водорода примерно вдвое превышает выбросы N0; бензиновым двигателем. С обеднением смеси выбросы оксидов азота у водородного двигателя быстро снижаются и при а=1,8 практически отсутствуют.

Добавка к водородному  топливу воды позволяет резко  снизить выбросы оксидов азота без существенных потерь мощности двигателя или ухудшения его к. п. д., Так, при массовом отношении Н20/Н2 = 8 выбросы воды; уменьшаются в среднем в 8–10 раз .

Высокая реакционная  способность водорода приводит к  проскокам пламени во впускной трубопровод, преждевременному воспламенению и жесткому сгоранию топливных смесей. Этих недостатков можно избежать, если модифицировать топливо-подающую систему двигателя. В настоящее время для подачи водорода в двигатель применяют следующие способы: впрыск во впускной трубопровод; модифицированный карбюратор (как в системах питания пропан-бутановыми и природными газами), индивидуальное дозирование водорода во впускной клапан каждого цилиндра; непосредственный выпрыск под высоким давлением в камеру сгорания.

Первые два варианта обеспечивают устойчивую работу двигателя  только при частичной рециркуляции отработавших газов или добавке  воды к топливной смеси. Частичная  рециркуляция отработавших газов предотвращает  проскок пламени за счет разбавления заряда инертными компонентами и смягчает сгорание при работе двигателя на богатых водородно-воздушных смесях. В то же время благодаря снижению максимальных цикловых температур выбросы N0; уменьшаются. Количество рециркулируемых газов не превышает 10–20% от поступающей в двигатель топливной смеси, однако любая степень рециркуляции ведет к дополнительному снижению наполнения цилиндра. В отличие от рециркуляции впрыск воды или бензина (обычно во впускной патрубок) не ухудшает наполнения.

Рис. 4.21. Состав отработавших газов водородного двигателя:

/, // – границы  устойчивой работы на водороде; /// – нижняя граница работы  на изооктане; - – бензин;----–водород

Предпочтительнее организовать впрыск водорода непосредственно в  камеру сгорания. При этом полностью  исключаются проскоки пламени во впускном трубопроводе, а максимальная мощность двигателя не только не снижается но может быть повышена на 10–15%. Одновременно за счет оптимального протекания рабочего процесса уровень выбросов; водородного двигателя снижается, а эффективный кпд повышается. Согласно экспериментальным данным непосредственный впрыск водорода в одноцилиндровом двигателе при 8-15,4 и а = 2,5 обеспечил повышение его к. п. д. на 55%.

Использование водорода в дизельных двигателях в значительной степени затрудняется высокими температурами самовоспламенения водородно-воздушных смесей. Поэтому для организации устойчивого воспламенения водорода дизели переоборудуют в двигатели с принудительным зажиганием от свечи или переводят на работу по газожидкостному процессу –с впрыском запальной дозы жидкого топлива (обычно дизельного). Водород может подаваться как совместно с воздухом, так и непосредственным впрыском в цилиндры. Устойчивая работа дизеля на водороде обеспечивается только в узком диапозоне топливных смесей, ограничиваемом пропусками воспламенения и детонацией (рис. 4.22).

Основной проблемой  использования водорода в качестве моторного топлива является его  хранение. Известны следующие варианты хранения водорода на автомобиле: в  газообразном состоянии (в сжатом виде), в криогенном (сжиженном) состоянии, с использованием промежуточного носителя (жидкого или твердого). Наилучшие показатели системы хранения чистого водорода обеспечиваются при его сжижении, т. е в криогенной схеме. Это наглядно иллюстрируется данными по различным топливным системам, приведенным к энергетическому эквиваленту, обеспечивающему пробег 400 км :

Применение газообразного  водорода отличается простотой однако не получило распространения из-за низкого энергозапаса, вызванного небольшой  плотностью топлива, и большой массы топливного контейнера.

Использование водорода в сжиженном состоянии более  эффективно, однако имеет свои сложности, особенно при его хранении и транспорте. Температура кипения водорода равна  –252,8 °С, поэтому при транспорте и хранении жидкого водорода первостепенное значение имеет тепловая изоляция. Жидкий водород обычно транспортируют и хранят в специальных резервуарах с двойными стенками, пространство между которыми заполнено специальной изоляцией. Наиболее распространены высоковакуумная, вакуумно-порошковая и многослойная низкотемпературные тепловые изоляции; используют и комбинированные изоляции, например многослойно-порошковую. При конструировании оборудования для хранения и транспорта жидкого водорода необходимо учитывать, что в условиях глубокого холода прочностные характеристики большинства металлов и сплавов улучшаются, а ударная вязкость резко уменьшается.

Для практической реализации более приемлемы схемы, в которых  используют промежуточный носитель водорода. Водород в этом варианте сохраняется в химически связанном виде и при необходимости извлекается из соединения с помощью термического, химического либо термохимического воздействия. В настоящее время наибольшее внимание привлекают твердые носители водорода – гидриды металлов и их сплавы. Главным преимуществом гидридов металлов является возможность повышения энергетической плотности водорода; кроме того, они безопасны при хранении и эксплуатации. В случае термического разложения гидрида металла возможно его повторное использование, так как при пропускании водорода при повышенном давлении происходит «зарядка» гидридного источника. Обратимость гидридных соединений позволяет на их основе изготавливать аккумуляторы водорода, в частности для питания автомобильных двигателей.

В случае железотитанового гидрида FeTiHx при рабочей температуре  около 20°С давление в емкости для  хранения находится в пределах 0,3–0,9 МПа в зависимости от концентрации водорода. Энергия, необходимая для  выделения водорода из FeTiHx, может  быть подведена из системы охлаждения двигателя.

Рис. 4.23. Схема  системы питания жидким водородом  автомобиля Datsun B-210

1-двигатель; 2-впускные  клапаны; 3 - подвод водорода; 4 – регулятор; 5– манометр; 6-уровнемер; 7-заправочный  клапан; 8-предохранительный клапан; 9-разрывная мембрана; 10-теплообменник; 11-насос; 12-водородный бак; 13-запорный клапан; 14-вакуумный привод;

Хорошие условия для  теплопередачи достигаются в  цилиндрических емкостях большой длины  и малого диаметра Давление возникающее  при нагреве железотитанового гидрида (при 80–100 С), может быть непосредственно использовано для подачи водорода в цилиндры, например в случае дизельного двигателя.

Объемная энергоемкость  гидридов находится на уровне жидкого  водорода, благодаря чему объем «гидридного» бака меньше объема криогенного бака для жидкого водорода Масса же самого блока примерно на порядок выше по отношению к жидкому водороду из-за значительной плотности металлического носителя.

На автомобиле «Datsun B-210»  с двигателем рабочим объемом 1,4 ли 8 = 9,5  криогенный бак массой 120 кг вместимостью  230 л размещается в багажнике. Водород под давлением 0,4-0,5 МПа подается во впускной патрубок с помощью клапанного механизма, приводимого в действие дополнительным кулачковым валом (рис. 4.23). Клапан впрыска водорода открывается одновременно с впускным клапаном двигателя и закрывается через 90° поворота коленчатого вала Для изменения расхода водорода установлен двухступенчатый редуктор с двумя игольчатыми клапанами. Проходное сечение первого клапана поддерживается в соответствии с оборотами двигателя с помощью вакуумного привода, а второго – механическим приводом от педали акселератора.

Рис. 4.24. Схема  гидридно-криогенной системы питания  водородом автомобиля "Shevrolet":

1 –криогенный  бак с жидким водородом; 2 – заправочный трубопровод; 3 – электроклапан; 4 –ресивер; 5 – каталитический дожигатель; 6 –регулятор; 7 – гидридный аккумулятор; 8 – отработавшие газы

Низкотемпературная изоляция топливных магистралей обеспечивает температуру водорода в точке  впрыска порядка –130°С, что позволяет значительно повысить наполнение цилиндров. Общая масса системы питания жидким водородом составляет 150 кг. Средний расход сжиженного водорода непосредственно двигателем составляет 22 л, а с учетом потерь при хранении и заправке – около 25 л на 100 км, что обеспечивает полный пробег автомобиля порядка 1000 км. В пересчете на бензиновый эквивалент топливная экономичность автомобиля составляет 5,7– 6,5 л/100 км. При испытаниях автомобиля по городскому ездовому циклу в отработавших газах содержалось (),05 г [СН], 0,18 г СО и 2,56 г N0; на 1 км пробега.

На «водородной» модификации  автомобиля "Shevrolet"(рис. 4.24) использована комбинированная гидридно-криогенная система питания. Двигатель запускается  на жидком водороде с включением водородного аккумулятора после стабилизации теплового режима, причем для подогрева гидрида служит вода из системы охлаждения. Избыток газовой фазы в баке жидкого водорода расходуется на подзарядку гидридного аккумулятора, что позволяет полностью ликвидировать утечки низкокипящего компонента.

Рис. 4.25. Универсальная  характеристика водородного двигателя:

Ре– среднее  эффективлое давление цикла; n –частота вращения;— -изолинии к. п. д.; - - - изолинии коэффициента избытка воздуха

Гидридный аккумулятор  представляет собой стальной контейнер, заполненный 400 кг FeTiHx обеспечивающего хранение 6,4 кг водорода. При нагреве аккумулятора до 70 °С получается «1,3 кг/ /ч водорода под давлением 1–2 МПа. В криогенном баке массой 41 кг содержится 3,8 кг водорода. Основные элементы гидридно-криогенной системы питания размещены в багажнике автомобиля.

Опытные образцы водородных дизелей созданы в лаборатории  института Мусаши (Япония) . Для организации  рабочего процесса дизеля водород непосредственно  впрыскивается в камеру сгорания в конце такта сжатия под давлением 8 МПа с помощью специальной форсунки с гидравлическим приводом от штатного топливного насоса высокого давления. Для воспламенения смеси служит керамическая калильная свеча с встроенным вольфрамовым электронагревателем. Электронагреватель включается на режимах пуска и прогрева двигателя, на остальных режимах свеча обеспечивает температуру 1170–1270 К за счет выделяющегося при сгорании топлива тепла. Благодаря комплексу конструктивных мероприятий при работе на водороде сохранена мощность двигателя на уровне базового дизеля при относительно высоких показателях энергетической эффективности (рис. 4.25).

Для обеспечения приемлемого  запаса хода (не менее 300 км) водород  используют в жидком виде, при этом он подается в дизель специальным насосом высокого давления. Хранят водород в криогенном баке с заправочной емкостью по водороду 82 дм. Бак массой 35 кг изготовлен из легированной стали, оборудован вакуумно-порошковой изоляцией. В связи с низкой температурой жидкого водорода в топливном насосе высокого давления дизеля использованы специальные материалы. В частности, гильза изготовлена из легированной стали, а рабочая поверхность плунжера имеет полиамидное покрытие. Недостатки данной конструкции водородного автомобиля– сложность заправки криогенным компонентом, низкий ресурс работы водородного насоса и большие потери водорода (до 12–15%).

В связи с техническими проблемами и высокой стоимостью перевода автомобиля на чистый водород  в последние годы работы в этой области развиваются главным образом в направлении создания двигателя с комбинированным бензино-водородным питанием, а также создания водородно-метанольного двигателя, работающего на водородсодержащих продуктах термокаталитической конверсии метанола. Благодаря активирующей добавке водорода появляется возможность работы двигателя на переобедненных топливно-воздушных смесях в области частичных нагрузок и режиме холостого хода.

Более совершенной и  широко испытанной конструкцией является бензино-водородный автомобиль «Mersedes Benz 280 TЕ» (рис. 4.26). Для аккумулирования водорода используют ме-таллогидрид FeTiHx;, подогреваемый водой, которая, в свою очередь, нагревается в специальном теплообменнике за счег тепла отработавших газов. Выделяющийся водород проходит фильтр для очистки от частиц металлического носителя. С помощью редуктора давление водорода понижается до 0,2 МПа и он посредством электромагнитных клапанов подается на впуск каждого цилиндра, куда впрыскивается и основное топливо – бензин. Управление комбинированной топливной системой осуществляется микропроцессором, входными сигналами для которого служат нагрузка и обороты двигателя, а также температура охлаждающей жидкости. Для аварийного отключения подачи водорода имеется электромагнитный запорный клапан, включаемый водителем (тумблер на панели приборов). Пуск двигателя может производиться как на бензине, так и на водороде вплоть до температуры окружающего воздуха –15°С. Масса автомобиля при установке дополнительной водородной системы питания повысилась на 150 кг.