Водород как моторное топливо

Первые исследования по использованию водорода в двигателях внутреннего сгорания были проведены ещё в 20-е годы прошлого века. В 1927 году водород использовался на дирижаблях фирмы Цеппелин в качестве обогатителя углеводородных топлив для авиационных двигателей с целью увеличения дальности полёта.

С тех пор водород постоянно вызывает интерес по использованию в качестве моторного топлива. Это объясняется его высокими энергетическими показателями, неограниченной сырьевой базой и высокой экологичностью.

Физические свойства. При нормальной температуре водород – газ без цвета и запаха. Нетоксичен. При контакте с жидким водородом возникает мгновенное обмораживание, по физиологическому действию на организм, аналогичное ожогу глубокого проникновения.

Жидкий водород представляет собой бесцветную жидкость без запаха. Сжижается водород при температуре минус 252,7 °С, а кристаллизуется при минус 259,2 °С, т. е. находится в жидком состоянии при весьма малом темпера-турном интервале – около 6°. В этой области возможно образование шугообразной промежуточной формы – смеси жидкого водорода с небольшими кусочками водородного льда. Для образования шуги в жидком водороде требуется его небольшое – до 0,7 °С переохлаждение.

Использование жидкого водорода может вызвать разрушение некоторых конструкционных материалов за счёт появления у них высокой хрупкости при очень низкой температуре. Резиновый мячик после погружения в жидкий водород при падении разбивается, как стеклянный.

При низких температурах у металлов и сплавов ударная вязкость, удлинение и сужение уменьшаются, однако прочностные характеристики, как правило, увеличиваются. Для контактирования с жидким водородом рекомендуется применять хромоникелевые стали марок Х18Н10Т, ОХ18Н12Б и Х14Г14Н3Т. Из сплавов меди можно использовать латуни марок Л-62, ЛС 69-1, ЛЖ МЦ 59-1-1, а также бронзы – оловяннофосфористую Бр. ОФ 10-1, бериллиевую Бр. Б2 и алюминиевые бронзы. Однако наилучшими конструкционными материалами для контакта с жидким водородом являются сплавы алюминия АМЦ, АМГ, АМГ-5В и др. [11].

Газообразный водород обладает высокой диффузионной способностью по отношению к газам. Водород способен проникать и в кристаллическую решётку металлов. Это явление называют «наводораживание» и используют для аккумуляции водорода. Глубина проникновения водорода различна для разных металлов и может быть понижена соответствующей обработкой, уплотняющей кристаллическую решётку.

Водородо-воздушные смеси характеризуются широкой областью воспламенения (4–75% по объёму) и взрываемости (18,3–74% по объёму). Таким образом, водород весьма пожаро- и взрывоопасный газ. Температура воспламенения водорода довольна высока (590 °С), он сильно летуч и быстро рассеивается, так что в целом по безопасности он примерно равен природному газу.

Как моторное топливо, водород обладает наиболее высокими энерго-массовыми показателями среди других топлив. Теплотворная способность водорода при сгорании равна 120 МДж/кг. Таким образом, водород по массовой энергоёмкости превосходит обычные углеводородные топлива примерно в 2,5–3, спирты – в 5–6 раз. Но водород имеет очень низкую плотность, даже в жидком виде.

Массовая теплопроизводительность водородо – воздушных смесей также превышает теплопроизводительность остальных топлив и составляет 3,3 МДж/кг при . Энергия воспламенения водорода очень низка – примерно в 70 раз меньше, чем у метана, а скорость распространения фронта пламени в условиях камеры сгорания при примерно в три раза выше, чем в бензовоздушной смеси.

С воздухом водород устойчиво воспламеняется в широком диапазоне концентрацией – вплоть до . Это обеспечивает работу водородного двигателя на всех скоростных режимах в широком диапазоне изменения составов смеси: от до . В связи с этим мощность такого двигателя может изменяться качественным регулированием, при этом его КПД на частичных нагрузках увеличивается на 25–50% [11].

Однако, если максимальное значение эффективного КПД двигателя при работе на водороде выше, чем при работе на бензине, то эффективная мощность заметно падает. Последнее обусловлено весьма низкой плотностью водорода, что приводит к уменьшению наполнения цилиндров топливом. Например, для обеспечения в цилиндре газообразный водород должен занимать почти 30%, в то время, как пары бензина занимают только 2–4%. В целом перевод двигателя на водородное топливо вызывает понижение мощности в среднем на 20–25%. Кроме того, повышенный температурный режим горения приводит к увеличению окислов азота в отработавших газах.

Использование водорода в качестве топлива, при его высокой реакционной способности, в ряде случаев приводит к обратным проскокам пламени во впускной трубопровод, преждевременному воспламенению и жёсткому сгоранию топливных смесей. Необходима модификация топливной системы двигателя.

В настоящее время для подачи водорода в цилиндры двигателя применяют следующие способы:

– впуск во впускной трубопровод;

– применение модифицированного карбюратора газобаллонных

автомобилей;

– индивидуальная дозированная подача водорода в область впускного клапана;

– непосредственная подача водорода под высоким давлением в камеру сгорания.

Все эти способы требуют существенной модификации системы питания двигателя.

Возможно применение водорода в качестве дополнительного топлива для карбюраторных двигателей. При минимальной модификации, касающейся в основном системы питания, можно достичь значительного повышения его топливной экономичности (снижение расхода бензина на 35–40% [7]) и уменьшение токсичности отработавших газов. Здесь возможны два пути:

– постоянная подача водорода в неизменном количестве при помощи дозирующей шайбы – способ весьма простой, но на низких частотах вращения коленчатого вала происходит переобогащение смеси водородом, что ведёт к увеличению выбросов NO_x;

– для поддержания постоянного соотношения «водород/топливо» необходима дозация подачи водорода, например газовый редуктор в комбинации с бензиновым карбюратором. В этом случае для сохранения максимальной мощности двигателя и улучшения экономических и токсических характеристик необходимо подавать водород в количестве 5%. При подаче 10% водорода существенно увеличивается содержание окислов азота в отработавших газах.

Наибольшую трудность при использовании водорода в качестве моторного топлива вызывают вопросы хранения его запасов на автомобиле. В настоящее время рассматриваются три способа хранения:

– в виде сжатого газа;

– в жидком состоянии;

– с использованием гидридных аккумуляторов в виде «наводороженных» металлов.

Рассмотрим эти способы несколько подробнее.

1. Водород в виде сжатого газа при обеспечении достаточного запаса хода, с учётом очень низкой плотности водорода, необходимо хранить под большим давлением. Это требует применения прочных толстостенных сосудов большой массы. Кроме необходимости размещения запаса баллонов, их масса существенно снижает грузоподъёмность автомобиля, а также требует ступенчатого редуцирования давления.

2. При использовании водорода, хранящегося в жидком состоянии значительно улучшаются объёмно-массовые показатели топливной системы. Но в этом случае основная проблема – обеспечение поддержания низкой температуры топливного бака. Основную роль здесь играет термоизоляция бака. Жидкий водород обычно транспортируют и хранят в криогенных резервуарах с двойными стенками, полость между которыми заполнена изоляцией. Наиболее эффективна многослойная изоляция, составленная из чередующихся слоёв экранирующих и изолирующих материалов. В качестве экранирующего материала обычно используют алюминиевую фольгу, а для теплоизоляции применяют стеклоткань, стеклобумагу и др. При давлении в изолирующем пространстве 1,33 Па такая изоляция практически не пропускает тепло, благодаря чему потери от испарения в цистерне вместимостью 100 м³ не превосходят 0,25 % в сутки. А при хранении в стационарном резервуаре – 10% в год. Созданы криогенные баки для автомобилей, имеющие утечку жидкого водорода менее 1 % в сутки [11].

Испытания, проведённые на автомобиле «Датсун В-210» с двигателем

V = 1,4 л и , показали следующие результаты:

– масса криогенного бака – 120 кг;

– вместимость бака – 230 л;

– температура водорода при впрыске во впускной патрубок – минус 130 °С;

– общая масса системы питания – 150 кг;

– расход водорода с учётом потерь при заправке и хранении – 25 л на 100 км;

– запас хода на 1 заправке – 1000 км;

– экономичность при пересчёте на бензин – 5,7–6,5 л/100 км.

3. Наибольший практический интерес представляет аккумулирование водорода в составе металлогидридов, т. е. насыщение кристаллической решётки металлов водородом с последующим выделением газообразного водорода при соответствующих условиях.

Для зарядки гидридного аккумулятора через металлический компонент пропускают водород под небольшим давлением и одновременно отводят выделяющееся тепло. Процесс зарядки может повторяться несколько тысяч раз без ухудшения энергоёмкости аккумулятора. Охлаждение производят обычной холодной водопроводной водой.

Выделение водорода из гидридного аккумулятора происходит при подогреве гидридов. Для этой цели можно использовать тепло охлаждающей жидкости или отработавших газов. В случае аварии и разрушения наружной оболочки гидридного аккумулятора, начинается улетучивание водорода, что быстро понижает температуру гидрида и прекращает выделения газа. Благодаря этому во многих отношениях гидридный аккумулятор водорода безопаснее бака с бензином.

В качестве гидридов можно применять различные металлы, но предъявляемые эксплуатационные требования сокращают этот список. Высоким КПД аккумулирования водорода (до 90%), хорошей термической совместимостью характеризуется сплавы железа с титаном. Недостатком железо-титановых гидридов является большая масса и невысокое содержание водорода в процентах по массе (0,9).

Несмотря на высокую плотность гидридных металлов, суммарные массы гидридной и жидко-водородной топливных систем соизмеримы вследствие большой массы криогенных баков.

Автомобиль с двигателем внутреннего сгорания и гидридным аккуму-лятором имеет большую массу и меньший запас хода по сравнению с автомобилем, работающим на бензине, но превосходит по этим показателям электромобиль. В городских условиях автомобиль с гидридным аккумулятором вполне конкурентоспособен с обычными автомобилями и электромобилями. Для модификации двигателя необходимо небольшое повышение степени сжатия, замена топливоподающей системы и установка угла опережения зажигания около 10° до ВМТ. Снижение мощности, уменьшение крутящего момента и увеличение массы автомобиля требуют модификации главной передачи. Несколько больше времени требует зарядка гидридного аккумулятора по сравнению с заправкой бензином. Так, гидридный аккумулятор вместимостью 65 л, содержащий 200 кг гранулированного железо-титанового сплава, поглощает при полной зарядке 50 м³ водорода. При охлаждении водопроводной водой время полной зарядки составляет 45 мин, причём за первые 10 мин происходит зарядка 75% ёмкости. При подогреве горячей охлаждающей жидкостью и температуре окружающей среды минус 20 °С давлении водорода в аккумуляторе свыше 0,1 МПа.

Гидридные аккумуляторы могут быть весьма эффективны и при питании двигателя бензо-водородной смесью, которая значительно снижает содержание вредных компонентов в отработанных газах, что особенно важно при эксплуатации автомобильного транспорта в крупных городах.