Използване на водород като моторно гориво - всички транспортиране газ

Първите опити използват водород като гориво са обратно към 1920. когато газът да бъдат попълнени дирижабли, също се използва за захранване на двигателите за въздушните дирижабли. По време на Втората световна война, Ленинград, откъснати от снабдяването с течни горива в балона на изпускателната водород се използва успешно за двигатели от мобилни станции. Експерименти върху използването на водорода като моторно гориво са били и в следвоенните години, обаче, не са разработени основно се дължи на факта, че практическата необходимост от подмяна на петролни горива към момента все още не е било.

Водородът може да се счита идеално гориво поради неговата висока топлина на изгаряне, неизчерпаеми резерви, с околната среда: изпускателната съдържа само чиста вода пара (без въглеродни оксиди, сажди и дим). Въпреки това, тези полезни свойства, когато се използва в водород като гориво и имат противоположна посока. На първо място, въпреки че и водород е най-разпространеният елемент на Земята, в свободна форма, той е на линия. Главна (брой) водород-съдържащ вещество - вода. За изолиране тях на водород изисква да изразходват количество енергия, която надвишава тази, получена при изгарянето на гориво в двигателя.

Топлината на изгаряне на водород за единица маса всъщност почти три пъти по-висока от съответната стойност за течни горива. Но за изгаряне на 1 кг водород се изисква почти три пъти повече кислород. Следователно, обемът на калоричност на единица стехиометрично (съдържащ минимално необходимото количество кислород), водород-въздушна смес е дори по-ниска от течни и газообразни въглеводородни горива. Това е, когато режимът на външна заряд, типични за двигател с вътрешно горене бензин, и същата ефективност на водород двигател ще осигури почти 20% по-малко енергия, отколкото бензин или газ. Ниска калоричност на водород-въздушна смес поради големия специфичен обем от водород, обаче ако водородът се подава в цилиндъра след времето на прием клапан затваряне, съотношението на газ може да бъде оптимизирано. Това включва съхранение и доставка на водород под налягане, както и специален дизайн на системата за захранване с гориво.

Накрая, тезата за пълна безопасност на отработилите газове на двигателя водород изисква някои корекция. Наистина, при горене на водород, водна пара се образува в среда от кислород. Въпреки това, изгарянето на водород-въздушни смеси, както и въглеводородни горива, атмосферен азот се оксидира за да образува много вредни оксиди NO и NO2. Техният брой може да бъде дори по-висока от тази на бензинов двигател (при равни други условия), се дължи на по-високи температури в зоната на горене. Освен това, все още друг експеримент наблюдения, свързани с интензивно освобождаване в атмосферата на водна пара. Трябва също да се отбележи, неизбежно консумация смазка чрез изгаряне.

Но въпреки всичко това, предимствата на водородно гориво за двигатели на превозни средства са очевидни. Освен това, при условие, че изчерпването на изкопаеми горива "водород" може да бъде двигател заедно с двигателя, единствената алтернатива. Дори днес, такива двигатели (и електрически) могат да се използват в ограничени количества в много строги ограничения върху състава на отработените газове. Необходимо е да се поддържа тяхната изследователска и развойна дейност въз основа на гледна точка, дори и далечно.

Въпреки това, преди серийно производство на превозни средства, задвижвани с водород, трябва да реши редица сериозни проблеми. На първо място, е необходимо да се осигури производството на водород в достатъчни количества. Повечето технологии, използвани за тази цел, в химическата промишленост, като суровините са изкопаеми горива - природен газ. масло. В този изразходват големи количества енергия, получени от част от топлината на изгаряне на въглеводородната суровина. Суровите материали могат да се използват и въглища, но в този случай енергийните загуби са по-големи, отколкото при получаване на кокс, светещи или генератор газ (в "двигател" малко по-малък от свойствата на водород). Освен това, намаляването на водород от вода с помощта на кислород освободен от въглищата окислява въглерод, което води до образуването на СО2 - основен фактор на парниковия ефект. За да се осигури водородни горивни значителна паркинг ще изисква увеличаване на производството на въглища няколко пъти.

Гъвкав и екологично безопасна технология на производство на водород, на базата на вода електролиза. Все пак, това предполага, че глобалното разбиране на излишъци на електроенергията не се очаква, тъй като консумацията на енергия расте по-бързо, отколкото са пуснати в експлоатация нови електроцентрали. Въпреки това, местните аспект, като излишната действително съществува - е преди всичко водноелектрически и атомни електроцентрали. Сложността на управление на мощността в силата на тези сили, за да се търсят начини за използване на излишната енергия по време на периоди на намаляване на натоварването, особено през нощта. При условие, достатъчно широк търсенето, тази енергия може да се използва в производството на водород гориво. Друг резерв, свързани с ядрената енергия, при което водородът оформен в системите за охлаждане на реактора.

Също така е необходимо да се реши въпроса за рационални методи за съхранение на водород за използване като гориво. Безплатна водород, както и други горими газове могат да се съхраняват или в компресиран или втечнен форма. Освен това, има методи за съхранение на химически свързана форма, осигуряващи освобождаване на водород директно на борда на превозното средство, преди да влезе в двигателя. Сравнение на различни изпълнения, показани в таблицата. Като основен параметър за сравняване на избрана енергийна плътност - количеството енергия при 100% може да се получи с помощта на 1 кг на системата за съхранение.

Както показва таблицата, се дължи на ниската плътност на склад за съхранение водород, осигурява равни с течност на двигателя гориво, изисква значително по-голяма маса. През 1970-80-те години. когато разработчиците са били достъпни само за стоманени цилиндъра, с възможност за съхранение на водород в цилиндрите не е сериозно да се обмисли. Метод за криогенно съхранение в периода все още не е доведен до ниво, позволяващо използването му на моторни превозни средства. Основното внимание е отделено на батерии хидрид и реактори, основани на gidroreagiruyuschih сплави.

Първият вариант се основава на способността на водород за образуване на нестабилен метално съединение - хидриди. При определени условия, тези съединения се разлагат с освобождаването на свободен водород. Може да се използва, например, лантан-никел хидрид LaNi5 H6. Контейнерът с хидрид, съдържаща водород на 0,5 кг, има маса от 40 до 45 кг. Следователно конкретната консумация на енергия на този резервоар 1100.1300 кДж / кг (като в стоманен цилиндър).

Таблица. специфичен разход на енергия на горивото на 1 кг система за съхранение на данни

Запалка магнезиев-никел хидрид Mg2 NiH4 предоставя специфична енергия от около 4000 килоджаул / кг. дисоциация температура на този хидрид е 287 ° С, така хидрид батерия трябва да се нагрява от отработени газове. Това може да бъде трудно да се предоставят на водород при ниски натоварвания, когато температурата на газа не е достатъчно висока.

Също така е възможно производство на водород основава на взаимодействието на водата с gidroreagiruyuschimi сплави. Тази светлина метални сплави с добавки, които осигуряват бърз поток на физико-химични процеси. реакция на вода и алуминий и магнезий имат формата:

Следователно, за производство на водород изисква 1 кг до 9 кг или 12 кг алуминий магнезий. Освен това, в реакции с използване на 18 кг вода на 1 кг водород. По този начин, специфичен разход на енергия (с изключение на теглото на елементите, влизащи системата на реактора), съответно, 3800 и 3400 кДж / кг.

Предимство на съхранение на водород в химически свързана форма висока безопасност. Тъй като освобождава водород веднага се изгаря в двигателя, количеството на свободен газ в система за превозно средство, което образува взривоопасна смес с въздух, - минимум.

През 1980, в Ленинград Политехническия институт по изследване на сложни моторни инсталации използват реактори базирани gidroreagiruyuschih магнезиеви сплави се извършва [1]. В резултат на тези произведения са създадени работещи реактори за плакати и коли моторни инсталации. Са изследвани подробно по-специално работния процес двигатели с водород гориво, проведено широка гама от експериментален тест кола. магнезиев сплав под формата на чипове се зарежда в специален подвижен касета, която след това се монтира в реактора. Водата в дозирано количество изпомпва през реактора и сместа пара-образувалата се суши в хладилник. След това, почти чист водород се подава във всмукателния колектор на двигателя.

През последните десет години значителен напредък в областта на технологиите за съхранение на газообразни горива, които могат да бъдат използвани за водород. По този начин, от Diehl проектиран многослойна конструкция, съдържаща вътрешна втулка алуминий и пръстеновидни редуващи се слоеве от пластмаса и намотките на винт. На тази основа процес създава серия от цилиндри, варираща от 4 до 150 литра, които са предназначени за работно налягане от 20 или 30 МРа. Тегловното съотношение на балон с нейния капацитет от около 0,6 кг / L.

дизайнерска компания Mannesman вътрешен цилиндър част е направена от високо легирана стомана, а външният армировката е намотка на фибри материал - неговата специфична якост на десет пъти по-висока от тази на стоманата. Работно налягане е 20 или 30 МРа, обемът на - 60 до 165 литра, и тегло - от 46 до 110 кг т.е. конкретната стойност 0.6. 0,8 кг / л.

Brunswick компания предлага ол пластмасова версия състои от три слоя от материали с различни свойства. Според производителя, теглото на тези цилиндри (в равни обеми и налягания съхранява газ) е по-малка от масата на контейнери от стоманобетонна подсилен алуминий и 1,5 и 2 пъти, съответно, и почти четири пъти - контейнерите на стоманена конструкция.

При съхраняване на водород в течна форма е дори по-добре. Например, общата маса на криогенно резервоара TSC 0.09 / 1.2, съдържащи 90 литра на втечнен газ - 100 кг. Специфичната топлина за единица маса, в този случай около 7000 кДж / кг, т.е. само 4 пъти по-малка от тази за течни горива. Въпреки това значително увеличава консумацията на енергия за втечняване, защото температурата на течен водород е около 20 К. В момента разработени и използвани индустриални криогенни резервоари за големи инсталации - локомотив, морски, авиацията. Освен увеличаването на потреблението на енергия, използването на криогенно съхранение метод изисква решаването на такъв проблем, тъй като използването или оттеглянето на изпаряване на газ по време на спиране на двигателя.

На практика дизайн използва автомобилни системи на двигателя, основани на използването като балон, така хидрид и криогенни системи.

Някои трудности, свързани с осигуряване на равен мощността на двигателя, когато работи на водород и бензин. Освен това, има възможност за смеси с водород съдържащ до преждевременно запалване от горещите части на двигателя и горещи газове. Когато външен карбурация преждевременно запалване води до "аванс" на сместа във всмукателния колектор, който е опасен по отношение на надеждността и безопасността на работа.

Специални експерименти установени надеждна връзка между граничните "УОЗ" в всмукателния колектор и специфично количество топлина въвеждане чрез изгаряне на единица телесна маса [2]. Доказано е, че сигурността не е осигурено по-малко от 2. По този начин, ако не се вземат специални мерки, мощността на двигателя е водород е около 2,5 пъти по-ниска от тази на бензин, когато коефициента на излишък на въздух. Например, за двигател ВАЗ-2111 мощност е намалена 52-27 кВт.

Съществуват няколко подхода за компенсиране на мощност. Докато се поддържа външната карбураторни с обща миксер рационалното решение е да се предоставят допълнително гориво за условия, близки до номиналната мощност. Този подход е изпълнена, в частност, развитието на системата за подаване на гориво за двигатели ВАЗ-2111 [3]. Едновременно с тези вериги може да се намали и необходимата маса на системата за съхранение на водород. Но течно гориво и намаляване на отработените газове токсичност само частично прилагане. Двигателят работи на чист водород само при работа на празен ход и ниски натоварвания. Ако някой смята, че тези режими са с голяма част от времето на работа и на главния делът на емисиите на въглеродни окиси и неизгорели въглеводороди, то е напредък в сравнение с бензинов двигател.

При прилагането на схеми смесват мощност нужди информиран управление избор алгоритъм контролиране на състава на сместа, която ще осигури минимален разход на гориво и в крайна сметка ограничава емисиите в атмосферата на токсични продукти от горенето. Такъв избор е възможно на основата на комплексен модел за работни потоци, обмяна на газ, температурата състояние и ДВГ емисии. Това трябва да бъде взето под внимание възможните отклонения в процеса на горене, които, от своя страна, ще се определят начините за справяне с тях.

Фиг. 1 показва изменението на максимума, при условие че не "памучни", капацитета на двигателя при различни формулировки benzovodorodovozdushnoy смес. От графиките, че показателите запазване кардиналност база бензин двигател е възможно само при тегловно съотношение на водород и бензинови разходи не повече от 5%. Този резултат е изцяло в съответствие с данните преди проведени експериментални изследвания.

Всички по-горе се отнася за традиционните карбураторно системи - или карбораторен системите с непрекъснато впръскване на горивото в един всмукателен колектор. Последната схема улесни в голяма степен проблемите, свързани с риска от "мак". Така, в инжектора на гориво могат да бъдат заменени от системи с инжектиране клапана за отмерена горивен газ и конфигуриране на електронната система за управление да предоставят водород в цилиндъра в такта на пълнене след затваряне на изпускателния клапан. Това предотвратява проникването на водород в колектор изпускателна и контакт с горещите отработени газове. Освен това, липсата на всмукателен колектор водород-въздушна смес значително намалява риска от експлозия в резервоара. Въпреки това, сместа контакт в цилиндъра с горещи части - изпускателния клапан и запалителната свещ изолатора - неизбежно. До известна степен проблемът може да бъде решен чрез въвеждане на мерки за подобряване на охлаждането.

Въпреки това, общото намаление на енергия в сравнение с бензиновия вариант е предстоящо. В някои случаи това може да бъде толерирана предвид, че намаляването на мощността се компенсира драстично намаляване отработените газове токсичност. В допълнение, двигателят работи при постно водород-въздушна смес, и отделя минимално количество на азотни оксиди чрез понижаване на температурата в зоната на горене. Намаляване на мощността може да се компенсира от увеличаване. Това ще изисква значителна преработка на основната структура на двигателя, най-вече за укрепване на части, които получават механично напрежение.

Най-радикал решение е да се използват вериги с вътрешно образуване на смес и искрово запалване. Първо, топлина на изгаряне на горивния газ (чрез подаване на гориво директно в цилиндъра) трябва да не се дължи на общия обем на водород и газово гориво в резервоара, а директно към количеството въздух, подаван към цилиндъра. Съответно, специфично

Фиг. 1. зависимост от максималната мощност на двигателя ВАЗ-2111, работещ при различни формулировки

benzovodorodovozdushnoy смес (газта напълно отворена)