Водородный двигатель – будущее наших автомобилей. Смесь водорода с бензином


Водородный двигатель – будущее наших автомобилей

Проблема топливных ресурсов – одна из актуальнейших на сегодняшний день, а с течением времени она будет только усугубляться. Нефтепродукты, среди которых бензин – один из самых потребляемых, не только дорожают с завидной регулярностью, но и в недалёком будущем обещают стать товаром весьма дефицитным. Потому уже сейчас понятно: будущее – за альтернативными видами топлива. Водородный двигатель – вот то самое ноу-хау, которое обещает решить многие проблемы автомобилистов. И самое приятное то, что сделать подобный агрегат, вырабатывающий энергию для машины из воды, можно самостоятельно, как говорится, собственными силами!

Кстати, двигатель «от воды», как и многие чудеса научно-технического прогресса, пришёл к нам с Запада. «Газ Брауна», а именно так называют автомобильный водород, добывают в процессе электролиза. В Америке уже много лет существуют и продаются довольно элементарные установки, позволяющие водителю сэкономить чуть ли не 50 процентов топлива. А люди, разбирающиеся в технике и не забывшие школьный курс физики и химии, собирают водородный генератор своими руками.

От теории к практике

Пробная водородная установка может выглядеть следующим образом. Под капот автомобиля устанавливается небольшая ёмкость с водой – контейнер или сосуд. Эта ёмкость играет роль водородных топливных ячеек. Вода обычная, из крана. В неё насыпается чайная ложечка катализатора, сода, затем погружаются пластины из нержавейки – 2-3 штуки. Проводами пластины соединены с аккумулятором. Когда включается зажигание, начинается процесс химической реакции, и водородный двигатель вырабатывает соответствующий газ. А шланг с водородом монтируется в воздуховод следом за фильтром.

Как и в любом агрегате, в нашем двигателе важно всё установить правильно и в нужной последовательности. Когда установка завершена, из воды путём электролиза добываются кислород и водород. Происходит реакция расщепления молекул воды на водородные и кислородные атомы. Смесь газов по впускному коллектору втягивается в топливный бак машины, там смешивается с бензином и далее сгорает как обычное топливо.

Какую выгоду приносит водородный двигатель, если бензин всё равно нужен, спросите вы? Большую, даже если пока ваше авто ещё не работает на чистом водороде. Обогащение бензина кислородом и водородом способствует более полной выработке горючего, что в разы повышает производительность работы двигателя. Это значит, что если раньше на 100 км, к примеру, вы расходовали 5 литров бензина, то теперь их хватит на 130-150 километров! Неплохо, да?

И ещё о плюсах

Когда-то люди мечтали делать деньги из воздуха, т.е. из «ничего». Водородный двигатель позволяет из другого «ничего» – из воды – получать топливо. Преимущества водородного топлива таковы:

  • высокая экологичность продукта. Отработанные газы практически безвредны и не представляют угрозы окружающей среде в отличие от выхлопных продуктов горения бензина или соляры;
  • теплота сгорания водорода значительная даже по сравнению с бензином – двадцать восемь тысяч шестьсот двадцать килокалорий на килограмм;
  • смесь водорода и кислорода обладает высокой воспламеняемой способностью при широком температурном режиме. Поэтому, независимо от того, атмосферный воздух горяч или холоден, автомобиль одинаково хорошо движется;
  • работая на водородном топливе, машина практически не детонирует, сохраняя мягкий, плавный ход даже при сжатии в пределах 14,0;
  • водородное топливо хорошо воспламеняется при разных пропорциях смешивания с воздухом. Поэтому можно регулировать качество образующейся в двигателе воздушно-газовой смеси, изменяя количество подаваемых смешанных газов (водород и кислород). Если использовать водород (Н2), можно, по большей части, не дросселировать воздушный поток при впуске, благодаря чему повышается температурный коэффициент полезного действия у двигателя машины в режиме частичной нагрузки.

Дальнейшие задачи и перспективы

На сегодняшний день практически все автомобильные концерны – BMW, Honda, Opel, Ford и другие – заняты разработкой водородных двигателей разной модификации с перспективой внедрения их в серийное производство и постепенный переход от бензиновых на газовые виды топлива. Задачи конструкторно-технического характера следующие:

  • если брать за основу бензиновый двигатель, то в нём необходимо увеличить рабочий объём цилиндров;
  • в двигателе должна обеспечиваться необходимая для водорода степень сжатия;
  • водородовоздушная смесь воспламеняется очень быстро, поэтому необходимо разработать систему предотвращения преждевременности этого процесса, особенно учитывая возможность обратных вспышек или детонации;
  • предотвращение образования окисей азота в отработанных газах, когда атмосферный воздух используется как окислитель.

Эти и другие задачи находятся в стадии интенсивного решения, и в недалёком будущем большинство авто будет бегать на водородных двигателях не только самодельных, но и заводских.

fb.ru

Как работает водородный двигатель в автомобиле?

Водородный двигатель Традиционный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) имеет ряд существенных недостатков, что заставляет ученных искать ему достойную замену. Самым популярным вариантом подобной альтернативы является электродвигатель, однако он не единственный, кто может составить конкуренцию ДВС. В данной статье речь пойдет о водородном моторе, который по праву считается будущим автомобилестроения и может решить проблему с вредными выбросами и дороговизной топлива.

Краткая история

Несмотря на то, что сохранность окружающей среды только сейчас стала массовой проблемой, об изменении стандартного двигателя внутреннего сгорания ученые задумывались и раньше. Так, мотор, работающий на водороде, «увидел мир» еще в 1806 году, чему поспособствовал французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз (он производил водород при помощи электролиза воды).

Прошло несколько десятков лет, и в Англии выдали первый патент на водородный двигатель (1841 год), а в 1852 году немецкие ученые сконструировали ДВС, который мог работать на воздушно-водородной смеси.

Водородный двигатель Чуть позже, во времена блокады Ленинграда, когда бензин был дефицитным продуктом, а водород имелся в достаточно большом количестве, техник Борис Шелищ предложил использовать для работы заградительных аэростатов воздушно-водородную смесь. После этого на водородное питание перевели все ДВС лебедок аэростатов, а общее число работающих на водороде машин достигало 600 единиц.

В первой половине ХХ века интерес общественности к водородным двигателям был невелик, но с приходом топливно-энергетического кризиса 70-х годов ситуация резко изменилась. В частности, в 1879 году компания BMW выпустила первый автомобиль, который вполне успешно ездил на водороде (без взрывов и водяного пара, вырывающегося из выхлопной трубы).

Следом за BMW, в этом направлении начали работать другие крупные автопроизводители, и к концу прошлого столетия практически каждая уважающая себя автокомпания уже имела концепцию разработки машины на водородном топливе. Тем не менее, с окончанием нефтяного кризиса исчез и интерес общественности к альтернативным источникам топлива, хотя в наше время он снова начинает пробуждаться, подогреваемый защитниками экологии, борющимися за снижение токсичности выхлопных газов автомобилей.

Более того, цены на энергоносители и желание обрести топливную независимость только способствуют проведению теоретических и практических исследований ученными многих стран мира. Самыми активными являются компании BMW, General Motors, Honda Motor, Ford Motor.

Интересный факт! Водород – самый распространенный элемент во Вселенной, но найти его в чистом виде на нашей планете будет очень непросто.

Принцип работы и типы водородного двигателя

Основным отличием водородной установки от традиционных двигателей является способ подачи топливной жидкости и последующее воспламенением рабочей смеси. При этом принцип трансформации возвратно-поступательных движений кривошипно-шатунного механизма в полезную работу остается неизменным. Учитывая, что горение нефтяного топлива происходит достаточно медленно, топливно-воздушная смесь наполняет камеру сгорания раньше, чем поршень займет свое крайнее верхнее положение (так называемую верхнюю мертвую точку).

Водород Стремительная реакция водорода дает возможность сдвинуть время впрыска ближе к тому моменту, когда поршень начинает возвращаться к нижней мертвой точке. Нужно отметить, что давление в топливной системе не обязательно будет высоким.

Если водородному двигателю создать идеальные рабочие условия, то он может иметь топливную систему питания закрытого типа, когда процесс смесеобразования будет проходить без участия атмосферных воздушных потоков. В таком случае после такта сжатия в камере сгорания остается водяной пар, который, проходя через радиатор, конденсируется и снова превращается в обычную воду.

Однако применение такого вида устройства возможно только тогда, когда на транспортном средстве имеется электролизер, отделяющий водород от воды для его повторной реакции с кислородом. На данный момент добиться таких результатов крайне сложно. Для стабильной работы двигателей применяется моторное масло, а его испарения являются частью выхлопных газов.

Поэтому беспроблемный запуск силовой установки и ее устойчивая работа на гремучем газе без использования атмосферного воздуха – пока что неосуществимая задача. Различают два варианта автомобильных водородных установок: агрегаты, функционирующие на основе водородных топливных элементов, и водородные двигатели внутреннего сгорания.

Силовые установки на основе водородных топливных элементов

В основе принципа работы топливных элементов лежат физико-химические реакции. По сути, это те же свинцовые аккумуляторные батареи, вот только коэффициент полезного действия топливного элемента несколько выше, чем АКБ, и составляет около 45% (иногда больше).

Работа водородного двигателяВ корпус водородно-кислородного топливного элемента помещена мембрана (проводит только протоны), разделяющая камеру с анодом и камеру с катодом. В камеру с анодом поступает водород, а в камеру катода – кислород. Каждый электрод заранее покрывают слоем катализатора, в роли которого нередко выступает платина. При его воздействии молекулярный водород начинает терять электроны.

В это же время протоны проходят через мембрану к катоду и под влиянием того же катализатора соединяются с электронами, поступающими снаружи. В результате реакции образуется вода, а электроны из камеры анода перемещаются в электроцепь, подсоединенную к мотору. Проще говоря, мы получаем электрический ток, который и питает двигатель.

Водородные двигатели на основе топливных элементов сегодня используются на автомобилях «Нива», оснащенных энергоустановкой «Антэл-1», и машинах «Лада 111» с агрегатом «Антел-2», которые были разработаны уральскими инженерами. В первом случае одного заряда хватает на 200 км, а во втором – на 350 км.

Следует отметить, что из-за дороговизны металлов (палладия и платины), входящих в конструкцию таких водородных двигателей, подобные установки имеют очень большую стоимость, что существенно увеличивает и цену транспортного средства, на котором они установлены.

А знаете ли вы? Специалисты компании Toyota начали работать с технологией топливных элементов еще 20 лет назад. Примерно тогда стартовал и проект гибридного автомобиля Prius.

Водородные двигатели внутреннего сгорания

Водородное топливо Данный тип силовых установок очень похож на распространенные сегодня моторы на пропане, поэтому, чтобы перейти с пропана на водородное топливо, достаточно просто перенастроить двигатель. Уже существует немало примеров подобного перехода, но нужно сказать, что в этом случае КПД будет несколько ниже, чем при использовании топливных элементов. В то же время, для получения 1 кВт энергии водорода потребуется меньше, что вполне компенсирует данный недостаток.

Использование этого вещества в обычном моторе внутреннего сгорания вызовет целый ряд проблем. Во-первых, высокая температура сжатия «заставит» водород вступить в реакцию с металлическими элементами двигателя или даже моторным маслом. Во-вторых, даже небольшая утечка при контакте с раскаленным выпускным коллектором точно приведет к возгоранию.

По этой причине для создания водородных конструкций используются только силовые агрегаты роторного типа, так как их конструкция позволяет уменьшить риск возгорания за счет расстояния между впускным и выпускным коллектором. В любом случае, все проблемы пока удается обходить, что позволяет считать водород достаточно перспективным топливом.

Хорошим примером транспортного средства с водородной установкой может послужить экспериментальный седан BMW 750hL, концепт которого был представлен еще в начале 2000-х годов. Автомобиль оснащен двенадцатицилиндровым мотором, работающим на основе ракетного топлива и позволяющим разогнать машину до 140 км/час. Водород в жидкой форме хранится в специальном баке, и одного его запаса хватает на 300 километров пробега. Если же он полностью расходуется, система автоматически переключается на бензиновое питание.

Водородный двигатель на современном рынке

Последние исследования ученых в области эксплуатации водородных двигателей показали, что они не только очень экологичны (как электродвигатели), но могут быть очень эффективными в плане производительности. Более того, по техническим показателям водородные силовые установки обходят своих электрических собратьев, что уже было доказано (к примеру, Honda Clarity).

Honda Clarity Также следует отметить, что, в отличие от систем Tesla Powerwall, водородные аналоги имеют один существенный недостаток: зарядить аккумулятор при помощи солнечной энергии уже не получится, а вместо этого придется искать специальную заправочную станцию, которых на сегодняшний день даже в мировом масштабе насчитывается не так уж и много.

Сейчас Honda Clarity выпущен достаточно ограниченной партией, и приобрести автомобиль можно только в Стране восходящего солнца, так как в Европе и Америке транспортное средство появится только в конце 2016 года.

Интересно знать! Генератор Power Exporter 9000 (может входить в комплектацию Honda Clarity) способен питать всю домашнюю технику почти целую неделю.

Также в наше время выпускаются и другие транспортные средства, использующие водородное топливо. К ним относятся Mazda RX-8 hydrogen и BMW Hydrogen 7 (гибриды, работающие на жидком водороде и бензине), а также автобусы Ford E-450 и MAN Lion City Bus.

Среди легковых автомобилей самыми заметными представителями водородных транспортных средств на сегодня являются автомобили Mercedes-Benz GLC F-Cell (есть возможность подзарядки от обычной бытовой сети, а суммарный запас хода составляет около 500 км), Toyota Mirai (работает только на водороде, и одной заправки должно хватать на 650 км пути) и Honda FCX Clarity (заявленный запас хода достигает 700 км). Но и это еще не все, ведь автотранспорт на водородном топливе выпускается и другими компаниями, например, Hyundai (Tucson FCEV).

Плюсы и основные недостатки водородных двигателей

BMW Hydrogen 7 При всех своих преимуществах, нельзя сказать, что водородный транспорт лишен определенных недостатков. В частности, необходимо понимать, что горючая форма водорода при комнатной температуре и нормальном давлении представлена в виде газа, что вызывает определенные трудности в хранении и транспортировке такого топлива. То есть существует серьезная проблема конструирования безопасных резервуаров для водорода, применяющегося в качестве топлива для автомобилей.

Кроме того, баллоны с этим веществом требуют периодической проверки и сертификации, которые могут выполняться только квалифицированными специалистами, имеющими соответствующую лицензию. Также к этим проблемам стоит добавить и дороговизну обслуживания водородного мотора, не говоря уже об очень ограниченном количестве заправочных станций (по крайней мере, в нашей стране).

Не стоит забывать и о том, что водородная установка увеличивает вес автомобиля, из-за чего он может оказаться не столь маневренным, как вам бы того хотелось. Поэтому, учитывая все вышесказанное, хорошенько подумайте: стоит ли приобретать водородное транспортное средство, или пока с этим лучше повременить.

Однако нужно сказать, что и преимуществ в подобном решении немало. Во-первых, ваш автомобиль не будет загрязнять окружающую среду токсичными выхлопными газами, во-вторых, массовое производство водорода может помочь решить проблему резко меняющихся цен на топливо и перебоев в поставках обычных видов топливных жидкостей.

К тому же, во многих странах уже построены сети трубопроводов для метана, и их несложно адаптировать для прокачки водорода с последующей доставкой к заправкам. Производить водород можно как в малых масштабах, то есть на местном уровне, так и массово – на крупных, централизованных предприятиях. Рост производства водорода послужит дополнительным стимулом для роста поставок этого вещества в бытовых целях (например, для отопления домов и офисов).

Подписывайтесь на наши ленты в Facebook, Вконтакте и Instagram: все самые интересные автомобильные события в одном месте.

Была ли эта статья полезна?Да Нет

auto.today

Серийный автомобиль работающий на водороде. Топливо для автомобиля

Твитнуть

Поделиться

Плюсануть

Поделиться

Класснуть

Toyota Mirai

 

Технологии внедрения новых источников питания двигателей для автомобилей развиваются с каждым годом. Данные технологии находят инвестиции, так как многие компания хотят избавиться от нефтяной зависимости, особенно в тех странах, где это полезное ископаемое не добывается. В Евросоюзе хотят избавиться от нефтяной иглы в борьбе за окружающую среду и ее безопасность. Современный водородный двигатель не выбрасывает в атмосферу углекислый газ, в отличие от бензиновых и дизельных моторов, поэтому эта технология более приемлема для европейских автомобильных производителей.

На сегодня существует три типа силовых установок, которые использует автомобиль работающий на водороде.

Первый тип основывается на обычном бензиновом двигателе, который питается водородной смесью. Данная смесь состоит из бензина на 90% и водорода на 10%. Небольшая доля водорода позволяет увеличить КПД двигателя внутреннего сгорания примерно на 20%. При этом выброс СО2 заметно снижается, что является основным требованием экологичности Евро-5. Первые автомобили с силовой установкой такого типа появились впервые еще в 80-х годах прошлого века. Однако сложность и дороговизна конструкции не окупалась экономией топлива.

 

hydrogen

 

Ко второму типу относятся автомобили с гибридной силовой установкой, которая имеет электрический привод на колеса, но аккумулятор привода заряжает бензиновый двигатель, работающий на смеси бензина и водорода, подобно первому типу. Второй тип силовой установки еще более эффективный, чем первый. КПД электродвигателя составляет 95%, тогда как КПД бензинового мотора составляет лишь 35%. Кроме того, ДВС, заряжающий аккумулятор, расходует в два раза меньше топлива на одном и том же километраже. Автомобиль с подобной гибридной силовой установкой имеет десятикратный запас экологичности по нормам Евро-5.

К третьему типа относятся истинные водородные автомобили, такие как новый Toyota Mirai. Колеса имеют привод от электродвигателя, питающегося от специального аккумулятора. Данная батарея аккумулирует электричество, полученное от химической реакции воздуха и водорода в топливных элементах. Побочным продуктом данной реакции является только вода. Автомобиль вообще не выбрасывает в атмосферу СО2. КПД такой силовой установка составляет в среднем 75-80%, что более чем в два раза выше КПД бензинового мотора.

Сравним эти три типа силовых установок с применением водорода в следующей таблице.

Критерий Первый тип (бензиновый ДВС на смеси водорода) Второй тип (гибрид) Третий тип (истинный водородный автомобиль)
Привод колес От бензинового ДВС От электромотора От электромотора
КПД 35% 50% 75-80%
Тип топлива Бензин + водород Бензин + водород Водород
Наличия большой аккумуляторной батареи нет да да
Выбросы СО2 есть есть нет

 

hydrogen

 

Остается только один вопрос. Наличие водородных заправок. Япония, выпустив водородный Toyota Mirai заранее обеспечила водородными заправками основные города своих островов, ведь водород как топливо для автомобиля не было ранее популярно. Данная модель имеет особую системы заправки топливных элементов водородом. Полная заправка требует всего три минуты времени.

Надеемся, что в ближайшем будущем автомобили с водородными установками станут доступными для среднестатистического автовладельца.

Теги

Поделись с друзьями

Твитнуть

Поделиться

Плюсануть

Поделиться

Класснуть

motormania.ru

К вопросу применения водорода на двигателях внутреннего сгорания

Энергоснабжение мира будет в ближайшие 30-50 лет базироваться в основном на органических топливах (углях, природном газе, нефти) за счет которых в настоящее время обеспечивается около 90% мирового потребления энергии. Оценка мировых запасов органических топлив весьма затруднена из-за недостаточной разведанности недр нашей планеты, а также несовершенствования методов бурения и изучение дна океана приведет к существенному изменению наших представлений о запасах энергетических ресурсов.

В таблице 1 представлены прогнозные и разведанные запасы ископаемых топлив по наиболее оптимистических и пессимистическим оценкам. Количество разведенных ресурсов отражает современные технические возможности и безусловно будет изменяться с развитием науки и техники. Если исходить из оптимистических прогнозов ресурсов в размере 13550 млрд.т.у.т., то как видно из таблицы 1, на долю угля приходится 88,5, нефти и природного газа 6,0, нефтеносных песков и сланцев 5,5. Их этого количества разведанные запасы составляют 1200 млрд.т.у.т., из которых на долю угля приходится 69, нефти и природного газа 22, нефтяных песков и сланцев 9.0% [5].

Таблица 1

Потенциальные запасы ископаемых минеральных топлив в мире, млрд. т.у.т. [5].

Вид топлива

Разведанные запасы

Прогнозные запасы

минималь

ные

максималь

ные

минималь

ные

максималь

ные

Твердые

450

830

5000

12000

Нефть и газовый конденсат

95

150

220

450

Углеводороды и битуминозных песка и сланца

90

120

370

730

Природный газ

65

100

240

370

Итого:

700

1200

5830

13550

Примечания: Запасы ядерного топлива соответствует запасам угля.

Водород (Н2) является одним из наиболее перспективных видов топлив как для использования в современных типах ДВС (при некоторых их модификаций), так и для энергетики будущего. Это топливо эффективно удовлетворяет комплексу требований по энергетическим показателям двигателя и экономическим требованиям обеспечения безотходной технологии.

Первое практическое использование водорода в качестве добавки к топливу для авиационных ДВС относится к 1927г. В Советском Союзе работы по применению Н2 в качестве топлива для ДВС проводятся в секторе неоднородных средств АН СССР под руководством академика В.В. Струминского, в институте проблем машиноведения АН УССР и ряде других организаций. Наиболее распространенный современный промышленный способ получения Н2 основан на частичном окислении метана и его конверсии с водяным паром [7].

2СН4 + О2 → 2СО + 4Н2;

СО + Н2О → Н2 + СО2;

СН4 + Н2О → СО + 3Н2

Метан является ценным химическим сырьем, поэтому рассматриваются перспективные способы получения Н2 из воды. К таким способам относятся термодиссоциация воды, протекающая при температурах 4000-5000К, и разработанный и Институте атомной энергии им. И.В.Курчатова двухступенчатый цикл с использованием теплоты атомного реактора [1].

2Fе3O4 → 6FeO + O2;

3 FeO + Н2О → Fe3O4 + h3.

Подсчитано, что термоядерный реактор тепловой мощностью 10млн.кВт при работе по такому циклу позволит получить 1млн.т. Н2 в год.

Основные физические показатели Н2 приведены ниже.

Температура кипения, К

20,24

Температура застывания, К

13,8

Критическая температура, К

32,9

Критическое давление, МПа

1,27

Плотность при нормальных условиях, кг/м3

0,08987

Плотность при температуре кипения, кг/м3

0,07097 ∙ 103

Плотность при температуре застывания, кг/м3

0,0896 ∙ 103

Теплота плавления, кДж/моль

0,0965

Теплота испарения, кДж/моль

0,903

Концентрационный диапазон воспламеняемости с воздухом, % по объему

4 - 75

Жидкий водород (ЖН2) представляет собой бесцветную жидкость без запаха. Газообразный водород (ГН2) бесцветный газ без запаха. Твердый водород (ТН2) обладает кристаллической структурой. При охлаждении ЖН2 ниже температуры кипения в нем появляются конгломераты кристаллов ТН2, количество которых увеличивается до полного исчезновения ЖН2. Смесь ЖН2 и ТН2 называется шугообразным водородом (ШН2).

Высшая теплота сгорания Н2 равна 120МДж/kg, что превышает массовую теплоту сгорания всех топлив для ДВС. Однако вследствии малой плотности Н2 его объемные энергетические характеристики хуже, чем у нефтяных топлив. Объемная теплопроизводительность водородно-воздушной смеси меньше теплопроизводительности смесей на основе бензина (на 15%) и спирта (на 10%) [3].

Температура воспламенения водородно-воздушной смеси выше, чем смесей на базе углеводородных топлив, однако благодаря более низкой энергии активации Н2 для его воспламенения требуется меньше количество энергии.

Водородно-воздушные смеси сгорают со скорости превышающими скорости сгорания смесей на основе углеводородных топлив и в значительной степени зависящими от температуры [6]:

Температура, К

293

373

473

573

673

Скорость распространения пламени при 0,1МПа, м/с

2,50

4,00

6,00

9,00

12,00

В условиях камеры сгорания скорость распространения пламени значительно возрастает вследствие влияния турбулизации и повышенных давлений. Большие скорости сгорания обусловливают высокую жесткость процесса сгорания. Например, при α = 1 скорость нарастания давления в цилиндре примерно в три раза больше, чем при работе бензо-воздушных смесях. При увеличении α скорость нарастания давления уменьшается [5].

При анализе условий хранения ЖН2 большое значение имеет его коэффициент термического расширения δ, который изменяется по температуре следующим образом:

Температура, К

14

15

16

17

18

19

20

20,38

Коэффициент термического расширения, δ∙103

9,72

10,62

11,51

12,41

13,30

14,20

15,04

15,43

При диффузии водорода в углеродистую сталь происходит наводороживание металла (FeC + 2Н2 ⇆Fe + СН4), вследствие которого в массе металла появляются газовые пузыри и трещины. Диффузия водорода в металлы возрастает с повышением температуры. Например, при 1750К в одном объеме железа растворяется до двух объемов водорода. Диффузия водорода в металлы ухудшает их твердость, термическую стойкость, текучесть и ряд других свойств.

При нормальной и низких температурах водород химически малоактивен. Реакционная способность его значительно возрастает при нагреве, под действием электрического разряда и в присутствие катализаторов. Повышение активности водорода обусловлено образованием атомарного водорода, обладающего высокой реакционной способностью.

Высокая диффузионная способность ГН2 с одной стороны, обеспечивает хорошие условия смесеобразования в ДВС, а с другой стороны - снижает пожаро – и взрывоопасность водорода – воздушных смесей, случайно образовавшихся из-за утечек Н2 (благодаря быстрому его рассеиванию).

Устойчивое воспламенение Н2 можно обеспечить с помощью принудительного зажигания от электрической искры или дозы запального топлива, возможно также воспламенение с помощью катализатора Н2 может подаваться в цилиндр как вместе с воздухом, так и путем впрыска в камеру сгорания.

Благодаря широкому концентрационному диапазону воспламеняемости водорода – воздушных смесей открывается возможность качественного регулирования мощности ДВС, при этом индикаторный КПД двигателя возрастает.

Предел обеднения водородно-воздушной смеси определяется ухудшением динамики тепловыделения и как следствие этого неустойчивой работой двигателя. Вследствие высокой химической активности и больших скоростей сгорания смеси работа двигателя на составах смеси, достаточно близких к стехиометрическому, вызывает явления аналогичные детонации.

Использование Н2 по сравнению с бензином вызывает снижение мощности давления. Это объясняется уменьшением коэффициента наполнения из-за низкой плотности Н2 и вызываемого этим увеличением относительной доли объема цилиндра, занимаемой топливом. Например, при α = 1 ГН2 занимает почти 30% объема цилиндра (а пары нефтяного топлива только 2-4% объема).

Вследствие высоких скоростей и температур сгорания водорода – воздушных смесей в отработанных газах ДВС может содержаться значительное количества окислов азота NО. С обеднением смеси концентрации NО уменьшается. Для снижения количества NО в отработавших газах можно применять добавку воды к водородному топливу. Однако, что при работе на Н2 в отработавших газах не должно содержаться СО и СN, однако эксперименты обнаруживают их незначительное количество. Это объясняется выгоранием углеводородных смазочных материалов, попадающих в камеру сгорания.

Наиболее сложной задачей при использовании водорода и бензо-водородных смесей в качестве топлива для ДВС является хранение расходного запаса Н2 на борту автомобиля. Принципиально возможны три способа хранения Н2: в сжатом виде в баллонах высокого давления, в сжиженном виде и в химически связанном виде в составе соединений, легко разрушающихся с выделением Н2 (энергоносителей).

Получение, транспортировка и хранение жидкого водорода достаточно хорошо освоены в смежных областях техники в начале 50-х годов. Например, в США в 1960 году выпуск ЖН2 составлял 14т/сут. и увеличился к 1970 году до 160т/сут. Главной задачей при этом является обеспечение минимального испарения ЖН2,хранящегося в топливных баках. Современное (взаимственное из опыта ракетной техники) решение этой задачи заключается в использовании криогенных емкостей, имеющих двойные стенки, пространственно между которыми вакуумировано и заполнено чередующимися слоями экранирующих и изолирующих материалов – экрано-вакуумной изоляцией. Потери на испарение ЖН2 в стационарных резервуарах такого типа не превышает 10% в год, в расходных автомобильных баках 1% в сутки. Баки снабжают системой сброса избыточного давления испарившегося Н2 с дальнейшим дожиганием или адсорбцией его паров. Для снижения испаряемости и повышение плотности Н2 при хранении в перспективе возможно применение ШН2, содержащего 30-50% ТН2. Сжижение водорода требует значительных энергетических затрат (до 45%), что повышает стоимость топлива.

Перспективой системой хранения водорода при работе автомобиля на ДВС является использование энергоносителей на основе гидридов некоторых металлов (например, Li, K, Mg, Fe, Ti и пр.) [4]. При пропускании водорода через порошки этих металлов образуются их гидриды по типу Li + Н → LiН и выделяется теплота, которая должна быть отведена. При подогреве гидридного порошка (что может осуществляться на борту автомобиля, например, за счет теплоты отработавших газов или жидкости из системы охлаждения двигателя) Н2 выделяется из гидридов и направляется в систему топливоподачи двигателя. Такие циклы могут повторяться многократно. При прекращении теплоподвода (по команде или вследствие аварии) выделение Н2 прекращается. Эта особенность обеспечивает достаточно высокую пожара - взрывобезопасность эксплуатации автомобиля с гидридным аккумулятором Н2.

В таблице 2 приведены сравнительные данные по системам хранения топлива, обеспечивающим пробег автомобиля равный 418 км [4].

Необходимо отметить также способ получения Н2 непосредственно на транспортном средстве, который основан на способности ряда веществ (Аℓ, Li, Mgи др) восстанавливать, воду до водорода с образованием окислов соответствующих элементов. В дальнейшем окислы могут быть восстановлены в стационарных условиях. Испытание опытных реакторов такого типа дало хорошие результаты.

Таблица 2

Сравнительные данные по системам хранения топлива

Показатели

Бензин

Сжатый ГН2

ЖН2

Гидрат MgН2

Масса топлива, кг

53,5

13,4

13,4

13,4

Объем топлива, м3

0,07

1,0

0,19

-

Масса бака, кг

13,6

13,61

181

213,6

Полная масса топливной системы, кг

67

1374

195

227

Отметим возможность использования Н2 в электрохимических газовых аккумуляторах. В этих аккумуляторах Н2 реагирует с кислородом и происходит выделение электрической энергии. Газовые аккумуляторы рассматривают в качестве источников энергии для перспективных транспортных средств. С этой точки зрения накопление конструкторских и технологических решений в областях производства и транспортировки Н2 приобретает еще большое значение.

Литература:
  1. Аксенов А.Ф. Трение и изнашивание металлов в углеводородных жидкостях. – М.: Машиностроение. 1977г.

  2. Афрошмова В.Н., Поляцкий М.А. Экспериментальное исследование эффективности горения газового топлива. – ТрЦKTИ 1967 г. № 76 с.25-42.

  3. Варшавский И.Л. Малотоксичный автомобиль: Снижение токсичности отработавших газов двигателя применением добавок водорода. – В сб.: Защита воздушного бассейна от загрязнения токсичными выбросами транспортных средств. – АНУСС. ИПМаш АН УССР. 1977г.

  4. Иссерлин А.С., Певзнер М.И., Ежова Е.И. Горелочные устройства для сжигания газа в металлургии тяжелых цветных металлов. М.: ВНИИЭ газпром 1972г.с.,75

  5. Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива. Ленинград «Недра» Ленинградское отделение. 1987г. с.336.

  6. Обельницкий А.М. Расчет термохимических свойств двухкомпонентных топлив для поршневых двигателей внутреннего сгорания. – Межвузовский сборник научных трудов// Автомобиль и окружающая среда. 1976г.

  7. Обельницкий А.М. Топливо и смазочные материалы. М.: «Высшая школа» 1982г.

moluch.ru

Топливо на основе водорода

 

Сущность изобретения: топливо содержит до 33 об.% моноксида углерода, 0,1-11 об.% ингибитора - по меньшей мере один углеводород из гомологических рядов алифатических, олефиновых углеводородов нормальной и изоструктуры, циклических углеводородов, в том числе ароматических, содержащих в молекуле от 1 до 8 атомов углерода, и остальное водородовоздушную смесь и моноксид углерода при содержании в водородовоздушной смеси до 75 об.% водорода. Топливо обладает широкой областью использования, высокими энергетическими и эксплуатационными характеристиками, экологически чисто и взрывобезопасно. 2 з.п.ф-лы, 8 табл.

Изобретение относится к топливной промышленности, в частности к топливу на основе водорода, которое может быть использовано в различного типа энергетических установках и двигателях, основанных на процессах горения, в том числе в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках включая генераторы, а также в промышленных печах.

Водород является перспективным промышленным энергоносителем и рациональным топливом для энергетических установок, в том числе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинных двигателей. Важнейшими достоинствами водородного топлива являются: его большая теплота сгорания, составляющая 143,06 МДж/кг, что более чем в 4 раза превышает теплоту сгорания условного углеводородного топлива, экологическая чистота как самого водорода, так и продукта его сгорания - воды, а также низкая вязкость водорода, облегчающая его транспортировку по трубопроводам. Водород является многотоннажным целевым и побочным продуктом в различных производствах. Несмотря на указанные достоинства, использование водорода в качестве топлива и энергоносителя сильно ограничено следующими особенностями его воспламенения и горения, затрудняющими обращение с ним: - очень легкая воспламеняемость, проявляющаяся в очень широких концентрационных пределах воспламенения в воздухе и малых мощностях импульса, инициирующего горение. Концентрационная область воспламенения водорода намного шире, чем у углеводородов, а поджигающие мощности намного меньше; - высокие скорости распространения пламени, превышающие скорость пламени бензиновой горючей смеси в 7-8 раз; - короткие периоды задержки воспламенения водородовоздушных смесей; - легкий переход горения в режим цепно-теплового взрыва и в детонацию. Последние три из перечисленных выше особенностей приводят к тому, что в двигателе внутреннего сгорания горючая смесь воспламеняется задолго до достижения требуемой степени сжатия, порой пламя проскакивает в приводящие патрубки или переходит в режим взрыва. Все это обусловливает нестабильность и "жесткость" работы двигателя, к ударной нагрузке, "стуку" детонационного типа. В результате двигатель быстро изнашивается, снижается его мощность. Воспламенение водородовоздушной смеси во всасывающих патрубках нарушает устойчивость работы ДВС, приводя к его остановке. Известно топливо для энергетических установок на основе водорода, к которому добавляют бензин с целью улучшения эксплуатационных характеристик топлива (заявка Японии N 587488, C 10 L 1/12, 1983). Однако поскольку бензин это - смесь жидких углеводородов, содержащих в молекуле от 5 до 12 атомов углерода и кипящих при 30oC и выше (иногда также со следами растворенного бутана), то использование такой добавки фактически не устраняет недостатки с точки зрения экологии. Кроме того, поскольку состав бензина фиксирован в рамках каждой марки, то влиять на режим горения возможно только путем изменения количества добавки, что сильно ограничивает возможности регулирования. Недостатком использования бензина в качестве добавки является и то, что при этом требуются сложные конструкции, обеспечивающие регулируемое парообразование бензина перед его смешением с водородом. Наиболее близким к заявляемому является топливо на основе водорода, предложенного для ДВС, содержащее водородовоздушную смесь и 2- 27 об.% одного из простейших олефиновых углеводородов - этилена, пропилена или бутилена (патент РФ N 2028369, C 10 L 3/00, 1995). Существенным недостатком этого топлива является ограниченная возможность варьирования его свойств, т.е. характеристик горения. Обусловлено это тем, что поскольку в качестве добавки используется лишь один из указанных выше трех углеводородов одного и того же гомологического ряда, имеющих близкие химические свойства, то варьирование характеристик горения возможно только путем изменения количества добавленного углеводорода. Это сильно сужает возможности регулирования горения. Кроме того, использование только однокомпонентного ингибитора предполагает обязательное выделение его из смесей других соединений, в том числе углеводородов. Это значительно повышает стоимость топлива. Для указанного топлива в упомянутом патенте предлагается относительно узкая область использования, а именно применение только в двигателях внутреннего сгорания. Еще большие трудности использования водорода в качестве топлива в наземном транспорте связаны с необходимостью обеспечить транспортное средство таким количеством горючего, которое обеспечит сколько-нибудь дальний пробег. Использование жидкого водорода, требующее поддержание очень низких температур на самом транспортном средстве, сильно увеличивает его вес и габариты, повышает стоимость эксплуатации. Эти осложнения присущи также попыткам использовать интерметаллиды, способные поглощать водород при высоких давлениях и выделить его при сбрасывании давления и нагревании. Задачей настоящего изобретения является создание топлива на основе водорода, имеющего широкую область использования, обладающего высокими энергетическими и эксплуатационными характеристиками, экологически чистого и взрывобезопасного при получении, транспортировке, хранении, компремировании и сжижении с легко варьируемыми характеристиками воспламенения и горения. Для обеспечения достаточно большого количества топлива на основе водорода на транспортном средстве в настоящем изобретении предлагается обходить эти трудности использованием смеси водорода с другим высокоэнергетическим горючим - оксидом углерода, причем смесь получается известной реакцией каталитического разложения метанола Ch4OH = 2h3+CO в маленькой камере над двигателем. Используется то обстоятельство, что горение как водорода, так и CO в присутствии h3, протекает по похожим между собой разветвленно-цепным механизмам при участии одних и тех же активных промежуточных частиц - атомов H, O, радикалов ОН, идентифицированных в зоне горения (Азатян В. В., Ожерельев Б.В., Акопян Л.А. Докл. АН СССР. 1961, т. 141, с. 129; B.Lewis, G. von Elbe, Combustion, Flames and Explosions in Gases. Acad. Press. N.Y.-London. 1987; Денисов Е.Т., Азатян В.В. Ингибирование цепных процессов. - М., 1997). Реакции этих частиц с ингибиторами приводят к обрыву реакционных цепей и в итоге - к предотвращению воспламенения или при соответствующем составе и количестве ингибитора - к пассивации процесса. Другой задачей изобретения является создание топлива, позволяющего регулировать режимы горения путем варьирования не только количества ингибиторов, но также их состава при использовании топлива в энергетических установках: ДВС, газотурбинных двигателях, генераторах электростанций, промышленных печах и т.д. Эти задачи изобретения достигаются тем, что топливо на основе водорода содержит компоненты при следующем соотношении, об.%: ингибитор 0,1 - 11, смесь водорода, оксида углерода и остальное - воздух. Содержание водорода и оксида углерода в различных смесях варьируется соответственно до 75% и 33% от всей смеси. В качестве ингибитора топливо содержит по меньшей мере один углеводород из гомологических рядов: алифатических, олефиновых углеводородов нормального и изоструктуры, циклических углеводородов, в том числе ароматических. Топливо в качестве ингибитора преимущественно содержит смесь от двух и более указанных углеводородов, выбираемых в зависимости от требуемых характеристик топлива. Водородовоздушная смесь содержит до 33 об.% монооксида углерода. Водород в качестве топлива может быть получен каталитическим разложением аммиака. Новизна способа регулирования горения топлива на основе водорода с помощью ингибиторов прежде всего в том, что предлагается использовать ингибиторы для регулирования не только горения водорода, но другого процесса - горения смесей водорода с оксидом углерода, являющегося высококалорийным горючим. Применительно же к горению только водородовоздушных смесей основные отличия предложенных в данной заявке ингибиторов от названных в патенте RU 2028369 состоят в следующем. В указанном патенте сказано об использовании только одного из следующих трех ненасыщенных углеводородов (олефинов): или этилена, или пропилена, или бутилена. В данной же заявке предлагается использовать: 1. Не только индивидуальные олефины, но также их смеси, состоящие из двух, трех и большего числа компонентов в зависимости от необходимости, что существенно расширяет возможности регулирования горения. При этом в состав смесей входят не только олефины, но также углеводороды других классов - алканы (метан, этан, пропан и до октана, их изомеры), ароматические и алициклические углеводороды. Соответственно воздействие предлагаемых ингибиторов разнообразнее и возможности регулирования несравненно шире. 2. Совокупность предлагаемых одних только олефинов и даже в варианте использования не в виде их смесей несравненно шире, чем в патенте RU 2028369, поскольку здесь используются олефины, содержащие в молекуле также 4, 5, 6, 7 и 8 атомов углерода и большое число их изомеров. Преимущества не только в разнообразии, но также в значительно большей эффективности. Испытания предложенного топлива проводились на установках двух типов, позволяющих изучать как воспламеняемость и интенсивность горения, так и распространение пламени. Воспламеняемость и интенсивность горения изучались в замкнутом объеме в цилиндрическом реакторе, изготовленном из нержавеющей стали и способном выдерживать давление до 100 атм. Внутренний диаметр реактора 9,0 см и высота 30,0 см. Реактор снабжен специальным окошечком для регистрации воспламенения по свечению пламени (хемилюминесценции) и датчиком давления для регистрации изменения давления газовой смеси, происходящего в результате реакции. Воспламенение регистрировали по свечению визуально и с использованием фотоэлектронного умножителя ФЭУ -39, а в ряде случаев также с помощью фотодиода. Показателем воспламенения и интенсивности горения служил также скачок давления, происходящий в результате саморазогрева реакционной смеси. Анализ газов до и после воспламенения проводили с использованием хроматографа. Рабочие газовые смеси составляли непосредственно в реакторе. Перед напуском газов реактор вакуумировали до 0,4 Па. Затем в реактор последовательно напускали ингибитор, водород и воздух, контролируя их количества по величинам парциального давления, которое измеряли с помощью манометра, вакуумметра или механотрона. Поджиг газа проводили с помощью нихромовой проволоки, помещенной у нижнего торца реактора. Нагрев проволоки проводили подачей на нее импульса электрического тока при максимальном времени разогрева не более 0,2 с. Приведенные в табл. 1 данные показывают, что основные характеристики воспламенения и горения h3 и смеси h3 с CO практически одинаковы. Теплотворность же CO даже на 16% больше, как это показывают справочные данные. Хроматографическим анализом продуктов горения показано, что при содержаниях 2h3 + CO меньше 35% догорание CO практически полное (больше 99,5%). Данные, представленные в табл. 2 и 3, показывают, что предложенные ингибиторы эффективно подавляют горение смеси 2h3 + CO: сужают концентрационную область воспламенения, снижают интенсивность горения. В табл. 4 - 7 представлены экспериментальные данные в качестве примеров с указанием состава топлива без CO, количественного и качественного составов ингибиторов, результаты изучения воспламеняемости и интенсивности горения при различных составах газовых смесей. В примерах, представленных в этих таблицах в качестве ингибиторов использованы следующие углеводороды: Состав I: 50% C3H8 (пропан) + 50% C3H6 (пропен). Состав II: 11% C3H6 + 89% C4h20 (бутан). Состав III: 20% C3H8 + 37% C4h20 + 19% C3H6 + 20% C4H8 + 4% C6H5Ch4 (толуол). Состав IV: 50% C8h28 (октаны) + 50% C3H6. Состав V: 32% Ch5 + 8% C3H6 + 60% C4 h20. Использовались также индивидуальные углеводороды, такие как метан, пропан, октан, бензол, олефины. В табл. 4 иллюстрируется различное действие индивидуальных углеводородов на горение водородовоздушных смесей и в том числе преимущества с точки зрения большей эффективности гексена и октена по сравнению с пропеном, фигурирующим в патенте RU 2028369. В примерах 9-15 табл.5 в качестве водородовоздушной смеси использовалась смесь водорода и азота, получающаяся разложением аммиака над железным катализатором (промотированным). (О методике получения см. справочник "Водород, свойства, получение, хранение, транспортировка, применение," М.: Химия, 1989, 334 с.). В таблицах в качестве показателя интенсивности горения (окисления) топлива в замкнутом объеме на описанной выше установке представлены величины скачка давления газовой смеси, обусловленного саморазогревом, сопровождающим горение. Испытания показали, что в зависимости от исходных концентраций компонентов горение топлива может протекать в двух различных режимах: горения, не переходящего в тепловой взрыв, и горения в режиме теплового взрыва, характеризующегося намного большими разогревами и скоростями процесса, причем в обоих режимах процесс протекает по разветвленно-цепному механизму. С использованием доминирующей роли цепного механизма путем целенаправленного варьирования состава и количества ингибитора удается не только управлять воспламеняемостью топлива, но также регулировать интенсивность его горения в режиме, не переходящего во взрыв, в режиме взрыва, а также предотвратить переход горения во взрыв. Так, ингибитор состава III (табл. 5) при его содержании в топливе 9% и более предотвращает переход горения во взрыв при любых соотношениях водорода и воздуха, в то время как в отсутствие ингибитора воспламенение смесей, содержащих от 12 до 50% водорода, переходит в режим взрыва. Взятый в еще меньшем количестве ингибитор уменьшает интенсивность взрыва, как это видно, например, из табл. 6, наличие всего 0,1% ингибитора снижает интенсивность взрыва смеси 42% водорода в воздухе на 10%. Из представленных данных видно, что использование ингибиторов позволяет сильно снизить воспламеняемость топлива, и тем самым безопасно получать его, транспортировать, хранить и использовать в энергетических установках. Для безопасной транспортировки, компремирования, хранения используется такое количество выбранного ингибитора, чтобы в объеме, содержащем горючее, в том числе в трубопроводе, смесь находилась вне области воспламенения при случайных образованиях водородовоздушных смесей. В зависимости от целей и требований к свойствам топлива эффективными являются как смеси ингибиторов, так и индивидуальные компоненты, такие как метан, пропан, гексен, ароматические углеводороды. Использование названных ингибиторов в виде их смесей в составе топлива позволяет без снижения его технических эксплуатационных характеристик существенно снизить стоимость. В этом отношении особенно рационально использование газовых непредельных соединений - продуктов нефтепереработки, получаемых в промышленности при каталитическом и термическом крекинге нефтепродуктов, коксовании и представляющих собой смесь олефиновых и алифатических углеводородов. Продукты перегонки угля содержат также ароматические углеводороды. Для испытания влияния ингибиторов на скорость распространения пламени горение проводили в горизонтальной трубе из нержавеющей стали диаметром 5,0 см и длиной 190 см. Зажигание проводили с одного конца трубы с помощью нихромовой проволоки, через которую пропускали импульс электрического тока путем разряда аккумуляторной батареи. Вдоль трубы в трех местах расположены кварцевые окна для регистрации пробегающего пламени по его свечению. Последнее через многожильный световод поступает в фотоумножитель, сигнал от которого входит в двухлучевой запоминающий осциллограф С 9-16. Проведенные испытания показывают, что предлагаемые ингибиторы эффективно уменьшают скорость пламени. Например, 1 об.% ингибитора, состоящего из равных количеств пропана, пропилена и бутана, снижает скорость пламени смеси 25% водорода с воздухом в два раза, а в смеси 37% водорода с воздухом - около 5 раз. В смесях, содержащих более 50% водорода, такая добавка вовсе предотвращает распространение пламени. В табл. 8 представлены результаты влияния различных количеств ингибитора в водородовоздушной смеси, содержащей 40% водорода. Эти данные показывают, что в зависимости от содержания ингибитора горение может протекать в двух режимах, различающихся интенсивностью процесса, в том числе величиной скачка давления газа (Pm), и значит, его температуры. При содержаниях ингибитора 1% и меньше горение сопровождается характерным для взрыва звуком и большим скачком давления и, значит, температуры. Из таблицы видно, что изменение количества ингибитора на 0,2% при переходе от 1,0% к 1,2% различие в величинах Pm в несколько раз больше, чем при таком же или даже большем изменении его количества при переходе от 0,8% к 1,0% или от 1,2% к 1,5%. Таким образом, в области 1,1% ингибитора происходит резкий переход от режима горения со взрывом в режим горения без взрыва. Причем изменение количества ингибитора позволяет регулировать не только переход горения от одного режима в другой, но также интенсивность процесса в каждом из этих режимов. Полученные данные позволяют использовать предлагаемое топливо в регулируемом режиме в различных устройствах, в том числе двигателях внутреннего сгорания, газовых турбинах и промышленных печах.

Формула изобретения

1. Топливо на основе водорода, содержащее водородовоздушную смесь и ингибитор, отличающееся тем, что дополнительно содержит до 33 об.% моноксида углерода и в качестве ингибитора по меньшей мере один углеводород из гомологических рядов: алифатических, олефиновых углеводородов нормальной и изоструктуры, циклических углеводородов, в том числе ароматических, содержащих в молекуле от 1 до 8 атомов углерода, при следующем соотношении компонентов, об.%: Ингибитор - 0,1 - 11 Водородовоздушная смесь и монооксид углерода - Остальное при этом топливно-воздушная смесь содержит до 75 об.% водорода. 2. Топливо по п. 1, отличающееся тем, что в качестве ингибиторов оно содержит преимущественно смесь из двух и более указанных углеводородов. 3. Топливо по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в качестве водородовоздушной смеси оно содержит продукт синтеза водорода из аммиака.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 10.10.2004        БИ: 28/2004

www.findpatent.ru

Свойства водорода

ПоршеньАвтор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle)Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]Количество просмотров 7575 Количество комментариев 0

Необходимо считаться и с тем, что все ископаемые топлива будут в перспективе исчерпаны. Топливо из биомассы не в состоянии удовлетворить мировую потребность в моторном топливе. Можно производить еще некоторое количество искусственного топлива из биологических отходов, но всего этого будет явно недостаточно.

Поэтому есть все основания предполагать, что идеальным топливом будущего станет водород [2]. Он не является первичным энергоносителем, а представляет собой как бы природный аккумулятор энергии, очень легкий, неизнашиваемый и широкоупотребимый.

Некоторые свойства водорода приведены в табл. ниже. Плотность энергии в единице массы у водорода уникальна, поэтому уже сегодня он применяется на космических кораблях. Водород может быть отличным аккумулятором [3] производимой в ночное время электростанциями электроэнергии, приемлем для использования в газовой сети как для промышленных, так и бытовых нужд, его можно транспортировать на большие расстояния. Водород может хорошо применяться в двигателях внутреннего сгорания [4], газовых турбинах, двигателях Стирлинга и других источниках механической энергии.

Свойства бензина, дизельного топлива и водорода ПараметрыБензинДизельноетопливоЖидкийводород
Плотность, кг/дм30,730,860,071
Температура кипения, °C38—204160—343-253
Низшая массовая теплотворная способность, кДж/кг4,49∙1044,30∙10412∙104
Низшая объемная теплотворная способность, кДж/м332,7∙10636,8∙1068,52∙106
Стехиометрическое отношение14,814,534,6
Температура воспламенения, °C257254574
Ламинарная скорость горения, м/с0,340,342,7

Водород — один из самых распространенных элементов на земле. Обычно его получают электролизом воды, в результате которого образуются водород и кислород. При воспламенении смесь этих газов сгорает с образованием воды. Таким образом энергию, затрачиваемую на разложение воды, вновь получают при сжигании смеси образующихся газов. Следовательно, водород — неуничтожаемый аккумулятор энергии, не нарушающий биологического равновесия на планете.

Вода, необходимая для получения водорода, имеется в избытке и при наличии электрического тока или приемлемого источника энергии можно повсюду получать водород. Образующийся одновременно с водородом кислород может применяться для различных целей. Выгодна была бы заправка автомобиля обоими этими газами, поскольку в двигателе они сгорали бы с образованием одной лишь чистой воды. Если же используется кислород атмосферы, содержащей, как известно, 79 % азота и 21 % кислорода, то наличие азота — инертного газа, обеспечивает снижение высоких скоростей сгорания, имеющих место и являющихся причиной стука, при горении смеси чистых h3 и O2. С другой стороны, присутствие азота приводит к тому, что при высоких температурах образуются токсичные окислы азота NOx. Для снижения максимальных температур сгорания целесообразно использовать рециркуляцию охлажденных отработавших газов.

Зависимость минимальной энергии воспламенения E от состава топливовоздушной смеси α
Зависимость минимальной энергии воспламенения от состава топливовоздушной смеси

Как видно из рис. справа, для воспламенения водорода в воздухе требуется очень небольшая энергия. Для сравнения на этом же рисунке приведена энергия E, необходимая для воспламенения смесей углеводородов в тех же условиях. Даже очень бедные смеси водорода с воздухом легко воспламеняются: небольшое количество водорода, вводимое в смесь бензина с воздухом, заметно улучшает воспламеняемость бедных смесей [5]. Это также учитывается при разработке способов экономии нефтяных топлив.

Последнее обновление 07.03.2014Опубликовано 19.06.2012

Читайте также

Сноски

  1. ↺ Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль/Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. - М.: Машиностроение, 1987. - 320 с.: ил.//Стр. 299 - 301 (книга есть в библиотеке сайта). – Прим. icarbio.ru
  2. ↺ См. статью «Водородный аккумулятор». – Прим. icarbio.ru
  3. ↺ См. статью «Водородный двигатель внутреннего сгорания». – Прим. icarbio.ru
  4. ↺ См. статью «Камеры сгорания бензиновых двигателей, обеспечивающие сжигание бедных смесей». – Прим. icarbio.ru

Комментарии

icarbio.ru

Водородный двигатель внутреннего сгорания

ПоршеньАвтор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle)Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]Количество просмотров 12430 Количество комментариев 2 Рис. 1 Подача водорода в двигатель через седло впускного клапана.
Подача водорода в двигатель через седло впускного клапана.

Водород имеет наименьшую из известных газов плотность, поэтому он легко проникает даже в очень малые зазоры. В двигателе внутреннего сгорания водород через клапаны поступает во впускной и выпускной трубопроводы и является причиной возникновения в них взрывов. Чтобы избежать этого, необходимо уделить должное внимание подаче водорода и смешению его с воздухом. Некоторые системы питания предполагают подачу водорода во всасываемый воздух только при открывании впускного клапана. Один из таких способов изображен на рис. 1, где фаска впускного клапана при его посадке на седло прекращает и подачу водорода.

Недостатком газообразного водорода является то, что, занимая большой объем, он уменьшает общее количество горючей смеси в конце такта впуска в сравнении с использованием жидкого топлива (бензина) в каплеобразном состоянии. Поскольку мощность двигателя зависит от количества поступившей в цилиндры рабочей смеси, удельная мощность, снимаемая с единицы рабочего объема у двигателя, работающего на водороде, на 25 % меньше, чем при работе на бензине.

Рис. 2 Форсунка для подачи газообразного водорода в цилиндр с гидравлическим управлением клапана.
Водородный двигатель: форсунка для подачи газообразного водорода в цилиндр с гидравлическим управлением клапана.

Этот недостаток можно устранить подачей водорода в цилиндр после закрытия впускного клапана и заполнения цилиндра свежим воздухом. В этом случае водород впрыскивают (точнее, вдувают) аналогично впрыску топлива в дизеле. Этот способ находится в стадии разработки; экспериментальная форсунка, у которой клапан подачи газообразного водорода в цилиндр управляется гидравлически (рис. 2). При таком способе питания достигается такая же литровая мощность, как и у бензинового двигателя. При этом давление впрыска газообразного водорода, естественно, должно быть больше, чем давление воздуха в цилиндре в момент подачи топлива.

Применение водорода позволяет достичь хорошего индикаторного КПД. На рис. 3 показаны полученные значения индикаторного КПД при работе двигателя на водороде и бензине при различных составах смеси (цифры на кривых). Наилучшие результаты были получены при работе на водороде в условиях малых нагрузок, т. е. при низких значениях среднего эффективного давления. Таким образом, при работе на водороде топливо расходуется наиболее экономно при движении по городу, что весьма желательно.

Рис. 3 Зависимость индикаторного КПД ηi двигателя от нагрузки и состава смеси для водорода (h3) и бензина (Б).
Водородный двигатель: зависимость индикаторного КПД двигателя от нагрузки и состава смеси для водорода и бензина.

Из вредных примесей в отработавших газах присутствуют только окислы азота NOx, однако их содержание может быть снижено рециркуляцией отработавших газов. Следует отметить также простоту подачи воды для этой же цели в водородный двигатель. В бензиновом двигателе подача воды затруднена, так как для этого требуются отдельные бак и система питания водой, что усложняет обслуживание автомобиля и, кроме того, способствует возникновению коррозии двигателя. При работе двигателя на водороде отработавшие газы охлаждаются, так что водяные пары конденсируются, и образующаяся вода может быть подана в двигатель.

Опубликовано 14.06.2012

Читайте также

Сноски

  1. ↺ Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль/Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. - М.: Машиностроение, 1987. - 320 с.: ил.//Стр. 299 - 301 (книга есть в библиотеке сайта). – Прим. icarbio.ru

Комментарии

icarbio.ru


Смотрите также