ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Водородные топлива из "Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов" С воздухом водород устойчиво воспламеняется в широком диапазоне концентраций — вплоть до а= 10. Столь низкий предел воспламенения обеспечивает работу водородного двигателя на всех скоростных режимах в широком диапазоне изменения составов смеси от а = 0,2 до а = 5,0. В связи с этим мощность водородного двигателя может изменяться качественным регулированием, при котором уменьшаются потери двигателя, а его к. п. д. при частичных нагрузках увеличивается на 25— 50% [166]. [c.172] 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 прк а=1,9 достигает значений, соответствующих при работе на стехиометрических бензино-воздушных смесях [167]. [c.172] Детонационно-подобные явления, характерные для работы двигателя на водороде, изучены недостаточно. Согласно большинству данных, водород начинает детонировать при степенях сжатия е=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 [168]. По данным []69], критическая степень сжатия при стехиометрическом составе водородно-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. [c.172] Высокая реакционная способность водорода приводит к проскокам пламени во впускной трубопровод, преждевременному воспламенению и жесткому сгоранию топливных смесей. Этих недостатков можно избежать, если модифицировать топливоподающую 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. [c.173] 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 КОл 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. [c.173] Использование водорода в дизельных двигателях в значительной степени затрудняется высокими температурами самовоспламенения водородновоздушных 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 диапазоне топливных смесей, ограничиваемом пропусками воспламенения и детонацией (рис. 4.22). [c.174] Применение газообр азного водорода отличается простотой. [c.174] 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 помошью термического, химического либо термохимического воздействия. В настояшее время наибольшее внимание привлекают твердые носители водорода — гидриды металлов и их сплавы. Главным преимуществом гидридов металлов является возможность повыщения 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. [c.175] 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. [c.176] Перспективным направлением развития гидридных систем хранения водорода является сочетание аккумуляторов с различными гидридными компонентами, нанример на основе железотитанового сплава и магния. Низкотемпературный компонент обеспечивает запуск двигателя, а высокотемпературный, характеризующийся более высоким содержанием водорода, — его основную работу. Согласно расчетам, при такой комбинации двух аккумуляторов общей массой 200 кг и суммарной емкостью 50—75 л пробег автомобиля при одной заправке составит около 400 км. [c.176] Опытные образцы водородных дизелей созданы в лаборатории института Мусащи (Япония) [172]. 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 прн работе на водороде сохранена мощность двигателя на уровне базового дизеля при относительно высоких показателях энергетической эффективности (рис. 4.25). [c.178] Программа управления подачей топлива обеспечивает работу двигателя на смеси бензина и водорода на средних нагрузках с регулируемым соотношением компонентов, показанным на рис. 4.27 [173]. На режиме холостого хода и малых нагрузках двигатель работает только на водороде, при больших нагрузках — на чистом бензине. Прекращение подачи водорода при повышенных нагрузках обусловлено стремлением сохранить, максимальную мощность двигателя, а также избежать его жесткой работы, повышенных выбросов оксидов азота и проскока пламени на впуске. [c.179] При этом значительно снижаются выбросы токсичных продуктов СО — в 7,3 раза, углеводородов и оксидов азота— примерно на 30%. [c.181] В нашей стране Институтом проблем машиностроения АН УССР созданы опытные образцы автомобилей ГАЗ-24 Волга и Москвич 412 с бензино-водородным питанием [166, 174]. Гидридный аккумулятор на базе сплава РеТ1 при массе 180 кг содержит около 2,5 кг водорода, что обеспечивает пробег автомобиля в городских условиях эксплуатации 250—300 км. Двигатель работает с переменной подачей водорода на холостом ходу — на чистом водороде, на режиме максимальной мощности — на смеси 97% бензина и 3% водорода. На частичных нагрузках содержание водорода в топливной смеси изменяется в зависимости от состава топливно-воздушной смеси (коэффициента избытка воздуха) по оптимальному закону, обеспечивающему максимальную топливную экономичность двигателя и минимальную токсичность отработавших газов. В результате эксплуатационный расход бензина снизился на 35—40%, а вредные выбросы сократились в несколько раз. [c.181] Следует отметить некоторые физические особенности водорода, оппеде-ляющие дополнительные, специфические требования к конструкционным материалам. Водород обладает способностью проникать через толщу материала, в частности металлов, и с повышением давления и температуры диффузия водорода в металлы возрастает. Глубина проникания молекул водорода в кристаллическую решетку металла в большинстве случаев не превышает 4—6 мм, а при нагартовке материала может быть снижена до 2,0—1,5 мм. Для алюминия она достигает 15—30 мм, а при нагартовке снижается до 4—6 мм. Водородная диффузия в сталях практически полностью устраняется путем легирования с помощью хрома, молибдена, вольфрама и других элементов. [c.181] Вернуться к основной статье