Водород, как присадка к стандартному топливу ДВС. Просто добавь воды. Водород в двс

Водород, как присадка к стандартному топливу ДВС. Просто добавь воды

Сегодня мы продолжаем тему использования водорода на транспорте и расскажем об еще одной технологии. Суть ее – использование незначительного количества водорода (или водородосодержащих добавок), как дополнительного компонента к стандартному топливу автомобиля: бензину, дизелю, либо газу. При этом экономия основного топлива может достигать 30 процентов, а выработка необходимого водорода может происходить прямо на борту автомобиля в момент движения.

Технология впервые появилась в момент топливного кризиса – высокие цены на нефть стимулируют человечество на поиск энергосберегающих технологий. Речь, правда, идет о первом нефтяном кризисом 70-х годов прошлого века.

В 1974 году канадец Джон Хоусман перед обществом автомобильных инженеров Соединённых штатов Америки сделал доклад под названием "Бортовой генератор водорода и частично водородный впрыск в ДВС. Учёными было выяснено, что мельчайшая добавка водорода в ДВС, работающий на традиционном топливе, существенно повышает технические показатели моторов. Тогда же он предложил получать необходимый для работы ДВС водород из обычной дистиллированной воды прямо на борту автомобиля.

Идея имела успех и переросла в коммерчески успешный проект. Позже была разработана и запатентована система впрыска водорода во впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания" "HFI" (Hydrogen Fuel Injection). Разработчик гарантирует, что система позволяет реализовать 10-процентную экономию топлива и значительное сокращение выброса вредных веществ в атмосферу. В том числе сажи, - слабого места дизельных двигателей.

Принцип действия данной технологии основан на том, что электролизный аппарат, берущий энергию из бортовой электрической сети автомобиля, разлагает дистиллированную воду и направляет высвободившийся водород и кислород во впускной коллектор двигателя. Количество поступающих в дизель газов очень незначительно, в то время как они ощутимо повышают полноту сгорания дизельного топлива. За счет чего, в свою очередь меняется характер распространения факела пламени в рабочих цилиндрах моторов. Именно это и способствует повышению КПД дизельного двигателя и росту отдачи от традиционного топлива.

Исспытания транспорта с топливом в качестве водорода проводились еще в СССР. Однако, разработки так и не получили практического воплащения.

Система HFI и по сей день известна и широко используется в Северной Америке. Она может работать с любым ДВС (дизель, бензин, природный газ). Крупные американские компании занимающиеся грузоперевозками оптом закупают у канадцев комплекты оборудования стоимостью от 4 до 14 тысяч долларов и не жалеют: экономия на использовании каждого большегруза около 700 $ в месяц в расходах на топливо". Водородная установка окупается максимум за два года, и это не считая роста ресурса двигателя на котором она установлена и снижения воздействия на окружающую среду.Неоспоримые плюсы: Во-первых, не нужны какие-либо специализированные заправочные комплексы. Газ генерируется в компактной установке на борту самого автомобиля. Во-вторых, владельцы установок избавлены от необходимости хранения топливных элементов, тяжёлых баллонов с газообразным водородом или теплоизолированных - с жидким на борту автомобиля, так как весь объем вырабатываемого газа тут же потребляется двигателем. В-третьих, ощутимая экономия на ГСМ.

Так что, пока ведущие автомобильные концерны мира пытаются полностью перевести автомобиль на водород, "канадцы" предпочитают довольствоваться малым, разбавляя им традиционное топливо.

О водородосодержащих добавках все чаще говорят на постсоветском пространстве. Гугл в помощь и выясняется, что множество энтузиастов проводят испытания на собственных автомобилях, устанавливая на под капот электролизеры водорода собственной разработки. Технологией так же заинтересовались крупные компании.

Один из самодельных электролизеров на карбюратороном ВАЗ

Еще в 2009 году в автопробеге «Голубой коридор», участвовал микроавтобус «Соболь» с генератором водородсодержащих добавок – разработкой Российского Федерального Ядерного Центра. Машина благополучно прошла все 2500 км от Москвы до Сочи и домой до Сарова. В октябре того же года «Соболь» можно было увидеть на московской выставке «GasSUF 2009».

Российские разработчики исходят из того, что перевод автотранспорта на топливные элементы, работающие на чистом водороде, – дело отдаленного будущего. До сих пор нет простого, экономичного и безопасного способа получения чистого водорода, его транспортировки, хранения на заправочных станциях и заправки автомобилей. А вот если присмотреться к старым, испытанным двигателям внутреннего сгорания, то обнаружится, что их потенциал не полностью исчерпан. Нет необходимости в полной замене традиционного топлива, достаточно ввести в него 1-6% водорода (по массе), и процессы сгорания топлива существенно улучшаются.

Использование водорода как добавки наиболее удобно при использовании в качестве основного топлива метана. Водород можно добавлять в метан, таким образом, избежав необходимости установки на автомобиль дополнительных баллонов. Газовую смесь – природный газ + водород, именуемую гайтаном, можно готовить заранее и использовать серийные газовые двигатели.

Другой путь, как мы уже упоминали выше– получать водород непосредственно на борту автомобиля. Но путь по которому пошли канадцы–получать водород из дистиллированной воды в электролизере, не понравился российским ученым. Недостатки системы - высокая стоимость электролизера и необходимость иметь на борту излишки электроэнергии.

Предложенный россиянами метод - получение водородсодержащего синтез-газа - это смесь водорода и монооксида углерода. Речь идет не о чистом водороде, однако, по своему физико-химическому воздействию на процесс сгорания добавка синтез-газа равносильна добавке чистого водорода. Стоимость такого генератора в несколько раз ниже стоимости электролизера, в его составе отсутствуют драгметаллы, что снимает ограничение по массовости производства.

Генератор синтез-газа на "Соболье"

Сегодня в России есть патентованные разработки – генераторы синтез-газа. Генератор получился относительно недорогим и это позволяет говорить уже о широком применении водорода в качестве добавки к топливу. Последняя модификация генератора совместно с двигателем ЗМЗ 40522.10 была отработана на Заволжском моторном заводе и установлена на автомобиле «Соболь», учувствовавший в пробеге «Голубой коридор».

Генератор синтез-газа состоит из каталитического реактора и микропроцессорной системы управления, включая бортовой контроллер, фильтры, клапаны, редуктор. Каталитический реактор выполнен в виде интегрированного по теплу блока, состоящего из газового устройства поджига, смесителя, каталитической камеры, рекуператора и теплообменника. При массе 7 кг реактор занимает объем 5 л, производительность его – до 25 м3/ч синтез-газа, время запуска – 15 с, температура газов в реакторе – 900 °С. Срок службы пористого никельсодержащего катализатора составляет более 1000 ч.

На скорости до 40 км/ч автомобиль может идти на синтез-газе, при повышении скорости микропроцессорная система управления уменьшает содержание водорода, на скорости свыше 80 переводит автомобиль на питание чистым метаном.

Каковы же перспективы этой технологии? Стоимости генератора синтез-газа, при серийности 30 тысяч штук в год - 700$. Окупаемость – год-два. Очевидно, что процесс внедрения будет непростым и длительным. Впрочем, жизнь показывает, что новые технологии порой получив быстрое развитие быстро совершенствуются дешевеют и уходят в массы. В любом случае, на взгляд OGAZE технология применения водорода в качестве инициирующее добавки в основное топливо интересная и заслуживает пристального внимания.

ogaze.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
Вид топлива	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:

Аксенов А.Ф. Трение и изнашивание металлов в углеводородных жидкостях. – М.: Машиностроение. 1977г.
Афрошмова В.Н., Поляцкий М.А. Экспериментальное исследование эффективности горения газового топлива. – ТрЦKTИ 1967 г. № 76 с.25-42.
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.
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
Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива. Ленинград «Недра» Ленинградское отделение. 1987г. с.336.
Обельницкий А.М. Расчет термохимических свойств двухкомпонентных топлив для поршневых двигателей внутреннего сгорания. – Межвузовский сборник научных трудов// Автомобиль и окружающая среда. 1976г.
Обельницкий А.М. Топливо и смазочные материалы. М.: «Высшая школа» 1982г.

moluch.ru

Водородные двигатели внутреннего сгорания — КиберПедия

ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДНЫХ УСТРОЙСТВ В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ

Автомобильный транспорт

В настоящее время автомобили, которые работают на водородном топливе, можно разделить на три группы:

Первая – это автомобили с самым обычным двигателем, который работает или на водородной смеси или на водороде. Такие типы машин могут работать как на чистом водороде или, к примеру, добавляют 10 % водорода к основному топливу. В таких случаях КПД у двигателя увеличивается (во втором примерно на 20 %), а выхлоп будет намного чище (содержание углеводов и угарного газа) уменьшится почти в полтора раза, а оксидов азота уменьшится почти в пять раз. Такие автомобили и двигатели к ним были сделаны как за рубежом, так и у нас примерно в 80 годах.

Но учитывать следует затраты и многие конструкционные сложности, это является всего лишь промежуточным этапом на пути к третьему виду автомобилей.

Вторая - это автомобили с двумя электроносителями, которые называются еще гибридными. Его колеса должны приводить в движение электропривод, к которому энергию доставляет аккумулятор, заряжающийся от высокоэкономичного двигателя.

Этот двигатель работает на смеси водорода с бензином или просто работающий на водороде. Такой двигатель, работающий на водородной основе, намного экономичней и выгоднее, ведь КПД у электродвигателя может достигать до 90 или 95 % в сравнении с бензиновым топливом (около 35%) или, например, с дизельным (50%), следовательно, общий КПД может повыситься на 30%, при этом сразу снижается весь расход топлива.

Даже для аккумулятора и его подзарядки необходим бензин, поэтому объем всех вредных выбросов укладывается в нормы «Евро-4» примерно с десятикратным запасом. Но получить полностью чистый выхлоп можно только третьим видом автомобилей с водородным двигателем.

Третья – это уже реальный водородный автомобиль. В нем встроен электродвигатель, который питается от основного топливного элемента, он расположен на борту автомобиля. В теории КПД этого элемента, который работает на особой смеси воздух – водород, может стать в 85 %.

Даже не сегодняшний день удалось создать двигатели с КПД, превышающие 75% - это уже вдвое выше, чем в самых лучших двигателях внутреннего сгорания. В городских условиях такие автомобили получают огромное преимущество перед автомобилями, работающими на бензине.

Гиганты автомобильной индустрии очень быстро отреагировали на перспективы трансформации энергоносителей. Попытки разработки «водородного» транспортного средства увенчались успехом еще в прошлом веке, а первом десятилетии века нынешнего появились уже серийные образцы «водородных» автомобилей. По оценкам немецких футурологов из группы к середине 21 века доля привычных, бензиновых двигателей не превысит одной четверти, остальные агрегаты будут потреблять альтернативное топливо.

На сегодняшний день мировые автопроизводители могут предложить заинтересованным покупателям и «водородную» и «гибридную» (традиционный бензин плюс водород) схему силового агрегата. Лидирующие позиции в этом сегменте рынка занимают концерны Daimler, Honda, и симбиоз китайского Shanghai и немецкого VW. Именно эти производители предлагают автолюбителям готовые решения: BMW Hydrogen 7, Honda FCX, Mercedes F-Cell. Рассмотрим эти и другие решения подробнее.

Honda FCX – полноценный «водородный» автомобиль, развивающий скорость до 160 км/час и способный проехать более 500 километров на одной заправке. Емкость бака Honda FCX – более 5 килограмм сжиженного водорода. На сегодня обладателями этого технического чуда являются 200 счастливчиков, а готовность приобрести такой автомобиль выразили около 50 тысяч автолюбителей.

Силовыми агрегатами Honda FCX являются 3 электродвигателя, один вращает вал передней колесной пары, два других вмонтированы в задние колеса. Мощность «переднего» двигателя – 80 кВт. Мощность «задних» агрегатов – по 25 кВт каждый. Двигатели Honda FCX не испытывают проблем с пуском даже при чрезвычайно низких температурах (-30 по Цельсию).

Проект Honda FCX относится к комплексным решениям. Кроме транспортного средства компания Honda продает бытовую установку по добыче водородного топлива - Home Energy Station, вырабатывающую водород методом электролиза. Причем под водородное топливо расходуется только часть выработанного газа, оставшийся объем тратится на производство электроэнергии и обогрев жилища. В сутки Home Energy Station производит около 50 «кубов» альтернативного топлива.

Mercedes F-Cell является автомобилем из серии «B-class», оснащенным особым агрегатом, который разрабатывался в рамках проекта HYGENIUS. На сегодняшний день проект F-Cell проходит традиционные тесты, аналогичные испытаниям в полевых условиях «бензиновых» моделей. Инженеры концерна Mercedes заявили о решении проблемы «холодного пуска» двигателя и возможном завершении работ по оптимизации функционирования управления электродвигателем в скоростном режиме.

Mercedes F-Cell образца 2010 года оснащен электродвигателем F 600, мощность которого увеличилась до 115 лошадиных сил, а крутящий момент приближается к отметке 350 Нм. Кроме того, инженеры Mercedes добились 16-процентного сокращения потребления топлива по сравнению с моделями 2005 года. Теперь Mercedes F-Cell способен преодолеть более 400 километров всего на одной заправке «водородного» бака. Расходы на заправку «полного» бака не превышают стоимости 12 литров стандартного дизельного топлива. Автомобиль Mercedes F-Cell пока еще не поступил в продажу. Концерн Mercedes-Benz эксплуатирует модель F-Cell в рекламных целях, подогревая интерес к другим разработкам компании – автобусам из серии Citaro.

Проект Citaro ориентирован на выпуск общественного транспорта для крупных городов. На сегодня в мире существует около 40 действующих автобусов Mercedes Citaro. Мощность электродвигателя такого автобуса не превышает 250 кВат, что позволяет транспортировать пассажиров и багаж со скоростью 80 км/час. Расход составляет 25 кило на 100 километров. В баке бака Mercedes Citaro помещается 42 килограмма водородного топлива, что позволяет этому транспортному средству проехать 167 км без дозаправки. Автобусы Mercedes Citaro можно увидеть не только в крупных городах Европы – 3 автобуса закупил Китай (для пекинского общественного транспорта), а 1 автобус «заехал» в далекую Австралию.

BMW Hydrogen 7 –очередной вариант стандартной «семерки» BMW, оснащенный гибридным двигателем внутреннего сгорания. В качестве топливной смеси применяется бензин или водород. Двигатель Hydrogen является итогом двадцатилетней работы инженеров компании BMW. Этот агрегат способен «разогнать» стандартный BMW 7 до 230 км/час, а до первой сотни это авто «добегает» за 9,5 секунд.

Показатель потребление топлива у Hydrogen равняется 6,5 литрам бензина или 25 литров жидкого водорода на 100 километров пути. Емкость классического (бензинового) бака – 74 литра (хватает на 480 км). Емкость водородного бака – 8 килограмм. Именно этот элемент BMW Hydrogen 7 отличает данное авто от изделий конкурентов. Бак для водородного топлива позволяет сохранять этот летучий газ в сжиженном состоянии, поддерживая постоянную температуру в -253 градусов по Цельсию. Разумеется, такая схема хранения топлива чрезвычайно опасна, но концерн BMW утверждает, что его автомобиль Hydrogen 7 не опаснее классического бензинового варианта, а канадские аудиторы из Magna International подтверждают это заявление. Водородный бак для Hydrogen 7 прошел все тесты безопасности, и выдержал не только механическое воздействие, но и нагрев до температуры в 1000 градусов по Цельсию. К сегодняшнему дню реализовано более 100 автомобилей BMW Hydrogen 7

Аналогичный проект делает компания Mazda, решившая запустить в серию концепт RX-8 hydrogen – автомобиля с гибридным двигателем. Агрегат получил наименование Wankel и позволяет проехать до 100 километров пути на одной заправке водородным топливом или 550 км на бензине.

Емкость водородного бака составляет 2,4 кило. Первая партия RX-8 hydrogen была заказана Норвегией, закупившей более 30 автомобилей для проверки работоспособности национального проекта HyNor (водородные дороги Норвегии - hydrogen highway in Norway). Мощность водородной части двигателя RX-8 hydrogen в два раза ниже бензиновой – 109 против 192 «лошадок», но этих усилий с избытком хватает для достижения максимальной скорости в 170 км/час и разгона до 100 км/час 10 секунд.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При современных темпах роста потребления ископаемых видов топлива, запасов нефти хватит минимум на 75 лет, природного газа - более чем на 100 лет, угля - более чем на 200 лет. Надежды, которые возлагались на новые или альтернативные источники энергии, такие как энергия солнца, ветра, биоэнергия, геотермальная энергия и другие, так и остаются пока нереализованными, не внеся кардинальных изменений в структуру мирового энергобаланса. Удельный вес новых или альтернативных источников энергии, исключая гидроэлектроэнергию, в ее глобальной выработке к 2020 г будет составлять около 2%.

Переход на водородную энергетику означает крупномасштабное производство водорода, его хранение, распределение и транспортировку. Водород находит применение и во многих областях, таких как металлургия, органический синтез, химическая и пищевая промышленность, транспорт и т.д. Судя по современным темпам и масштабам развития водородной энергетики на нашей планете, мировая цивилизация в ближайшее время должна перейти к водородной экономике. Очень важно выбрать ключевое направление для развития. Работы по водородной энергетике во многих странах относятся к приоритетным направлениям социально-экономического развития. Ведется активный поиск путей перевода большинства энергоемких отраслей промышленности, на водородное топливо и на топливные элементы. Использование водорода в качестве основного энергоносителя приведет к созданию принципиально новой водородной экономики, станет научно-техническим прорывом, влияющим на развитие человечества в целом.

Водородные двигатели внутреннего сгорания

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.

Схема водородного двигателя для автомобиля обеспечивается следующим образом: поршень, двигаясь от верхней точки к нижней точке камеры, при этом открывает выпускной клапан. В этот момент камера сгорания сообщена с атмосферным давлением, поскольку имеющееся давление равно атмосферному давлению.

Нахождение поршня с самой нижней точке камеры, осуществляет герметизацию камеры сгорания. При этом закрывается выпускной клапан, а через топливные клапана подаваемая топливная смесь воспламеняется. В качестве топливной смеси применяется стехиометрическая смесь, имеющая и другое название, как гремучий газ.

Сгорая, гремучий газ резко повышает рост давления в камере сгорания водородного двигателя. Силой этого давления происходит открытие установленных в головке цилиндра обратных клапанов, что позволяет произвести выброс в атмосферу сгоревших продуктов из камеры. В этот момент происходит резкое понижение давления в камере сгорания, что активизирует закрытие обратных клапанов, тем самым герметизируя камеру сгорания.

Под силой атмосферного давления поршень, работающий со стороны под поршневой полости, совершая перемещение из нижней мертвой точки в верхнюю точку, тем самым завершает рабочий ход. Когда поршень достигает верхней точки, вновь происходит открытие выпускного клапана, что образовывает повторение описываемого рабочего цикла. Продукты сгорания, произведенные в камере сгорания, являют собой увлажненный воздух.

Само получение гремучего газа для водородного двигателя автомобиля может производиться электролизом воды в электролизере, который устанавливается на любой модели автомобиля. Такова простейшая схема двигателя, которая и обеспечивает движение транспортного средства.

Имеющийся в готовом виде водород может применяться в качестве топливной смеси в самом обычном двигателе внутреннего сгорания, при этом сгорание осуществляется в 1800 раз быстрее, а производительность, соответственно выше, чем у бензина или солярки. Пары воды рекомендовано добавлять в двигатель к имеющемуся там водороду. Итогом такой совместной работы водорода, при высоких температурах и давлении, создающихся в двигателе, и вступлении в реакцию с углеродными отложениями, сгорающих в рабочих циклах ДВС, становится вид самой камеры сгорания, представшей сверкающей и отбеленной. Происходит исчезновение нагара совместно со смазкой, появляясь в виде масляной плёнки на гильзах цилиндров. Что в значительно степени способствует отсутствию большого износа двигателя внутреннего сгорания. Для обеспечения работы ДВС на водородной смести достаточно будет произвести небольшую модернизацию автомобиля в виде создания клапанов и выхлопной системы из нержавеющей стали. Поршни должны быть с керамическим покрытием. На рисунке 1 представлена схема водородного двигателя внутреннего сгорания.

Рисунок 1-Схема водородного ДВС

Двигатель внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, один цилиндр 1 с рубашкой охлаждения 2, впускной клапан 3, выпускной 4, свечу зажигания 5, поршень 6 и головку цилиндра 7, образующие камеру сгорания 8, источник водорода и кислорода, источник давления подачи электролита, форсунку 22, топливный бак 27 и дренаж 28 для продувки электролизера. Источник водорода и кислорода выполнен в виде электролизера 9 в герметичном корпусе 10 с рубашкой охлаждения 11, например, водяной, общей с цилиндром или обособленной, который с подводкой питания от источника 12 постоянного тока, например от бортового аккумулятора к его электродам, обособленно для каждого цилиндра установлен на двигателе. Электролизер 9 выполнен с возможностью свободного прохода через него электролита разложения воды на водород и кислород и получения газовой смеси. Электролизер 9 может быть выполнен из листового металла, например никеля, с отверстиями 13 (перфорация) или из металлической сетки, например никелевой, в виде двух электродов-полублоков 14 и 15, своими пластинами 16 с зазором 17 вписывающимися друг в друга. Электроды-полублоки диэлектрической прокладкой 18 изолированы друг от друга и от корпуса. Для вывода полученной газовой смеси из электролизера и подачи ее в цилиндр выполнен патрубок 19 с отсекателем 20, выполненным, например, в виде самодействующего обратного клапана. Источник давления подачи электролита в электролизер выполнен в виде насоса 21 высокого давления, например плунжерного, кинематически или через блок управления связанного с кривошипно-шатунным механизмом. Форсунка 22 выполнена с кавитатором 23 в виде местного сужения 24 канала 25 - соплом и с кавитационной зоной 26.

Перед началом работы топливный бак 27 заправляют электролитом, например, водным раствором едкого калия, и на электролизер 9 подают постоянный ток от источника 12. Первый такт - впуск. Поршень 6 от ВМТ перемещается к НМТ. Выпускной клапан 4 закрыт, впускной клапан 3 открыт. В цилиндре 1 создается разрежение. Образовавшуюся в электролизере 9 водородно-кислородную смесь по патрубку 19 через отсекатель 20 и впускной клапан 3 засасывает в рабочий объем цилиндра 1, чем создается разрежение в герметичном корпусе 10 с рубашкой охлаждения 11 электролизера 9. Далее впускной клапан 3 закрывается, и в цилиндре 1 происходят такты: сжатие, рабочий ход, выпуск, что и должно соответствовать рабочему циклу четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, и циклы повторяются. В конце такта впуска топливный насос 21 забирает из топливного бака 27 цикловую дозу электролита и под давлением, например, 2 МПа, и через форсунку 22 впрыскивает ее в электролизер 9. В форсунке 22 благодаря разрежению в электролизере 9 и кавитатору 23 в местном сужении 24 канала 25 - соплом, скорость впрыскиваемого электролита резко возрастает, а давление падает до критического значения и схлопывание образовавшихся в кавитационной зоне 26 пузырей приводит к диссоциации - разложению воды на водород и кислород и к тончайшему распыливанию электролита, что улучшает работу устройства. Тончайше распыленный электролит через отверстия 13 и зазоры 17 между пластинами 16 или через сетчатые электроды-полублоки 14 и 15 свободно проходит на выход к патрубку 19 и контактирует с поверхностью электролизера 9. Затем при протекании постоянного тока от источника 12 через распыленный электролит происходит электролиз - разложение воды на водород и кислород, и циклы повторяются. При взрыве, обратных ударах в устройстве срабатывает отсекатель 20, а взрывная волна расширяется в цилиндре за счет перемещения поршня 6 и охлаждается, что обеспечивает безопасную работу устройства. При необходимости электролизер 9 продувают или промывают через дренаж 28.

cyberpedia.su

Водородный двигатель - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Водородный двигатель

Cтраница 3

При использовании водорода в смеси с бензином также основным нежелательным продуктом сгорания являются оксиды азота. Хотя в топливовоздушной смеси может содержаться довольно значительное количество бензина, возможность реализации нагрузочной характеристики двигателя при а 1 и необходимом соотношении бензин - водород можно получить выход СО и СН не выше, чем в водородном двигателе. Поэтому в наших исследованиях основное внимание было уделено оксидам азота. Максимальный выход оксидов азота в водородном двигателе ( рис. 35) наблюдается в области а 1 2, что близко к выходу в бензиновом двигателе, а уровень концентрации почти вдвое выше. ОГ водородного двигателя является следствием более высоких максимальных температур цикла при одинаковых коэффициентах а, что подтверждено результатами обработки индикаторных диаграмм. [31]

Состав отработавших газов водородного двигателя существенно отличается от состава газов бензинового двигателя внутреннего сгорания в основном за счет отсутствия углерода в топливе. Максимальный выброс оксидов азота вследствие более высоких температур сгорания водорода примерно вдвое превышает выбросы NO бензиновым двигателем. С обеднением смеси выбросы оксидов азота у водородного двигателя быстро снижаются и при сс1 8 практически отсутствуют. [32]

По программе НАСА ( США) в 80 - х годах для космических исследований и разработок будет ежегодно расходоваться около 10 тыс. т водорода. По имеющимся уже проектам в середине 80 - х годов должны быть созданы авиационные водородные двигатели и в конце 80 - х годов - экспериментальные самолеты. Локхид ( США) намерена использовать самолеты с водородными двигателями для рейсов США - Европа - Ближний Восток. [33]

Независимо от способа смесеобразования работа водородного двигателя на топливовоздуш-ных смесях состава, близкого к стехиометрическому, характеризуется высокой жесткостью рабочего процесса. Как известно, жесткость рабочего процесса определяется скоростью на-растания давления в процессе сгорания. В ряде работ [53, 77] скорость нарастания давления в водородном двигателе оценивается величиной около 5000 МПа с - 1 при максимальных давлениях 6 0 - 9 0 МПа. Большие значения относятся к двигателям с внутренним смесеобразованием. [34]

Широкие концентрационные пределы и высокая скорость сгорания водорода в воздухе дают возможность организовать качественное регулирование рабочего процесса двигателя, пра этом даже на полной нагрузке коэффициент избытка воздуха ниже единицы использовать нецелесообразно. Сравнивая КПД бензинового двигателя, для которого оптимальный коэффициент избытка воздуха равен 0 85 - 0 9, и водородного двигателя, можно отметить, что теоретически КПД последнего должен быть на 10 - 15 % выше. На частичных нагрузках в двигателе с количественным регулированием значительное влияние на снижение КПД оказывает дросселирование, этого можно избежать в водородном двигателе при качественном регулировании. [35]

Этот энергоноситель характеризуется высокой массовой теплотой сгорания и имеет широчайшую сырьевую базу. Целесообразность использования водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания объясняется его уникальными физико-химическими свойствами ( см. табл. 6.2) и наиболее высокими экологическими качествами двигателя, работающего на водороде, по сравнению с другими альтернативными топлива-ми. Широкие концентрационные пределы воспламенения водородно-воздуш-ных смесей ( 4 - 75 об. %) позволяют обеспечить оптимальные условия его сгорания с точки зрения топливной экономичности и токсичности ОГ. Отработавшие газы водородного двигателя значительно менее токсичны, чем ОГ традиционного дизеля. В ОГ такого двигателя присутствуют оксиды азота NOX, но и их содержание на 10 - 15 % ниже, чем у бензинового двигателя, и на 20 - 25 % ниже, чем у дизеля. Вместе с тем, из-за высокой скорости сгорания водородно-воздушных смесей отмечаются повышение жесткости цикла и соответствующий рост нагрузок на детали цилиндропоршневой группы двигателя. [36]

Детонационно-подобные явления, характерные для работы двигателя на водороде, изучены недостаточно. Согласно большинству данных, водород начинает детонировать при степенях сжатия е6 в широком диапазоне а. По данным [169], критическая степень сжатия при стехиометрическом составе во-дородно-воздушных смесей не превышает 4 7, что соответствует октановому числу по исследовательскому методу 46, в то время как при а3 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. [38]

Современные двигатели внутреннего сгорания могут очень хорошо работать на водороде; для перевода их на водородное горючее необходимо лишь незначительно изменить конструкцию карбюратора и отрегулировать угол опережения зажигания для приведения его в соответствие с требуемым количеством воздуха и скоростью распространения фронта племени. Единственными продуктами сгорания явились бы водяной пар и окислы азота, причем выделение окислов азота можно регулировать при помощи реакторов каталитической конверсии. При его использовании в двигателях в воздух не выбрасывались бы несгоревшие углеводороды, соединения свинца и, разумеется, окись углерода. Но использованию водорода в качестве моторного топлива присущ и крупный недостаток. Проблема заключается в хранении газообразного водорода. Бензин, залитый в бак вместимостью 76 л, имеет массу 53 кг; эквивалентное по энергосодержанию количество газообразного водорода имело бы массу только 19 кг, но как его хранить. Пробег автомобилей с водородным двигателем, построенных до настоящего времени, между заправками обычно не достигал и 100 км. [40]

Страницы: 1 2 3

www.ngpedia.ru

Персональный сайт - Как работает двигатель на водороде

Как работает двигатель на водороде

В настоящее время ведутся разработки и внедрение нового топлива для избавления от нефтяной зависимости. Америка ставит для себя задачу, как работает двигатель на водороде, как избавиться полностью от нефтяных продуктов за 10 или 15 лет.

Европа тоже не намерена отставать, тем более им приходиться часто выполнять все жесткие нормы на выброс вредных веществ автомобильным транспортом. У них с 1993 года были введены такие нормы бензина, как «Евро-1», в 1996 году уже ввели «Евро-2», с 1999 года вводился стандарт «Евро-3», а уже с 2005 года был введен в Европе более жесткий стандарт «Евро-4».

В недалеком будущем автомобилям будет запрещено выбрасывать вредные вещества в атмосферу, и тогда уж автомобилистам не обойтись без машины, у которой двигатель работает на водороде.

Главное препятствие к внедрению в быт человека автомобиля на водородном двигателе – это отсутствие необходимой системы получения водорода в промышленных объемах, а также системы хранения, заправки и транспортировки.

Постоянно возникает вопрос, как научить работать двигатель на водороде?

По мнению только американских аналитиков и специалистов, такой двигатель, который работает на водороде создадут не раньше 2020 или 2030 году. Но на переходные периоды ведущие компании автомобилестроителей предлагают «гибридные автомобили»: в которых встроенный экономичный двигатель внутреннего сгорания может подзаряжать аккумуляторную батарею, питающую потом электрический двигатель.

Немного из истории о том, как учили работать двигатель на водороде

Двигатель внутреннего сгорания был создан в 1806 году французским изобретателем Франсуа Исааком де Риваз. Его двигатель работал на водороде, который ученый производил с помощью электролиза воды.

В других экспериментальных двигателях обычно использовался светильный газ. Бензин же стали использовать в двигателях внутреннего сгорания только в 1870 году.

В блокадном Ленинграде сам бензин был в недостатке, но водород имелся в огромных количествах. Борис Шелищ – военный техник, предложил тогда использовать имеющуюся водородную смесь для работы всех заградительных аэростатов.

Потом на водород были переведены многие двигатели лебёдок аэростатов. Даже на этом топливе смогло работать 600 автомобилей во время блокады в городе.

Как работает двигатель на водороде

Автомобили с двигателями, работающих на водороде

В настоящее время автомобили, которые работают на водородном топливе, можно разделить на три группы.

Первая – это авто с самым обычным двигателем, который работает или на водородной смеси или на водороде. Такие типы машин могут работать как на чистом водороде или, к примеру, добавляют 10 % водорода к основному топливу.

В таких случаях КПД у двигателя увеличивается (во втором примерно на 20 %), а выхлоп будет намного чище (содержание углеводов и угарного газа) уменьшится почти в полтора раза, а оксидов азота уменьшится почти в пять раз. Такие автомобили и двигатели к ним были сделаны как за рубежом, так и у нас примерно в 80 годах.

Второй тип- это автомобили с двумя электроносителями, которые называются еще гибридными. Его колеса должны приводить в движение электропривод, к которому энергию доставляет аккумулятор, заряжающийся от высокоэкономичного двигателя.

Третий вид – это уже реальный водородный автомобиль. В нем встроен электродвигатель, который питается от основного топливного элемента, он расположен на борту автомобиля. В теории КПД этого элемента, который работает на особой смеси воздух – водород, может стать в 85 %.

Двигатель, работающий на водороде. Водород в составе топлива.

На сегодняшний день производство дешевого водорода очень далеко от совершенства. Но многие крупные предприятия химической промышленности получают более 500 млрд. м3 водорода в год. Почти половина этого количества топлива идет на аммиачные удобрения, а также на такие нужды, как производство стали, маргарина и стекла. В основном получают водород путем парового рифоминга природного газа: например, метан при очень высоких температурах (около 900°С) в составе никелевого катализатора начинает реагировать с паром.

В настоящее время такой водород остается самым дешевым, но российские ученые нашли способ сделать дешевле производство в 2 раза.

Есть и многие другие способы получения водорода. К примеру, электролиз, крекинг или переработка любой биомассы (такие как древесина и солома). Но любой из приведенных вариантов имеют недостатки.

Самый простой способ получения водорода – это электролиз. Но для выработки водорода таким образом, следует затратить 4 кВт электроэнергии, чтобы выработать около 1 м3 водорода, который, после того как сгорит, даст лишь 1,8 кВт. Но электролиз все-таки эффективней и перспективней в настоящее время. Сейчас биологи разрабатывают новое направление в технологии выработки водорода.

Некоторые бактерии и водоросли во время процесса фотосинтеза могут разлагать воду и выделять водород. Но проблема состоит в том, что они делают это в отсутствии кислорода и за краткий период.

В общем, двигатель, работающий на водороде, уже готов, осталось только сделать дешевле сам водород.

Как работает двигатель на водороде

Схема работы двигателя на водороде для автомобиля обеспечивается следующим образом:

поршень, двигаясь от верхней точки к нижней точке камеры, при этом открывает выпускной клапан.

В этот момент камера сгорания сообщена с атмосферным давлением, поскольку имеющееся давление равно атмосферному давлению

Нахождение поршня с самой нижней точке камеры, осуществляет герметизацию камеры сгорания.

При этом закрывается выпускной клапан, а через топливные клапана подаваемая топливная смесь воспламеняется. В качестве топливной смеси применяется стехиометрическая смесь, имеющая и другое название, как гремучий газ.

В этот момент происходит резкое понижение давления в камере сгорания, что активизирует закрытие обратных клапанов, тем самым герметизируя камеру сгорания.

Когда поршень достигает верхней точки, вновь происходит открытие выпускного клапана, что образовывает повторение описываемого рабочего цикла. Продукты сгорания, произведенные в камере сгорания, являют собой увлажненный воздух.

Такова простейшая схема двигателя, которая и обеспечивает движение транспортного средства.

Пары воды рекомендовано добавлять в двигатель к имеющемуся там водороду. Итогом такой совместной работы водорода, при высоких температурах и давлении, создающихся в двигателе, и вступлении в реакцию с углеродными отложениями, сгорающих в рабочих циклах ДВС, становится вид самой камеры сгорания, представшей сверкающей и отбеленной.

Происходит исчезновение нагара совместно со смазкой, появляясь в виде масляной плёнки на гильзах цилиндров. Что в значительно степени способствует отсутствию большого износа двигателя внутреннего сгорания.

Для обеспечения работы ДВС на водородной смести достаточно будет произвести небольшую модернизацию автомобиля в виде создания клапанов и выхлопной системы из нержавеющей стали.

Поршни должны быть с керамическим покрытием. Для тех, кто уже решился на подобную модернизацию, появление проблем с ржавчиной и смазкой не должны отпугивать. Поскольку все осуществляется в рабочем порядке, при своевременном проведении технического обслуживания автомобиля.

Хочется напомнить автомобилистам всех рангов и мастей, что первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на водородной смеси, изобрел в 1806 году швейцарец Франсуа Исаак де Риваз, бывший в то время майором конструктором.

Водородная смесь производилась конструктором уже тогда, при помощи электролиза воды. В то время, как его коллеги для своих экспериментальных работ по созданию водородного ДВС, использовали, в основном, светильный газ.

Во время Великой отечественной воны, в период блокады Ленинграда, бензин являлся большим дефицитом, а водород имелся в больших количествах. Поэтому предложение техника Бориса Шелищ о применении воздушно-водородной смеси, для обеспечения работы заградительных аэростатов было сделано своевременно и как нельзя кстати. Тогда же и ДВС лебедок аэростатов были переоборудованы для использования в качестве топливной смеси только водорода. В этот же блокадный период более шестисот автомобилей были переоборудованы для применения водородной смеси.

Одним из основных показателей использования топлива является коэффициент полезного действия. И если эта цифра для современной модели автомобиля, работающей на бензиновой топливной смеси, составляет тридцать пять процентов, то коэффициент полезного действия ДВС при применении в качестве топливной смеси гремучего газа, то есть водорода, будет равняться уже сорока пяти процентам.

Канадская компания Ballard Power Systems, проводившая испытания своего автобуса, применяя водородные топливные элементы, достигла на сегодняшний день максимального улучшения этого вида показателей, получив КПД, который равен пятидесяти семи процентам.

Преимущества и недостатки двигателя на водороде

В настоящее время практически всеми автомобильными компаниями разрабатываются и испытываются способы использовать водород как альтернативное автомобильное топливо.

В результате исследований в этой области, рассматривают автомобильные двигатели на водороде двух видов: гранды автомобилестроения, такие как компании Ford Genral Motors, Toyota, Honda, Nissan склоняются к полной или частичной замене традиционного автомобильного топлива водородом при сохранении двигателей внутреннего сгорания; такие компании как Mazda и BMW предлагают использовать электродвигатель, питающийся энергией, которую вырабатывают водородные топливные элементы.

Что же так привлекает разработчиков? Рассмотрим преимущества и недостатки двигателей автомобилей на водороде.

Преимущества двигателя на водороде.

Основным преимуществом, которым обладают автомобили с двигателями на водороде, является высокая экологичность. Водород можно назвать самым экологически чистым топливом, продуктом горения которого является вода, что видно из нижеприведенной реакции: 2Н2+О2=2Н2О.

Конечно, это не означает, что при езде на автомобиле с двигателем на водороде из его выхлопной трубы, прямо как из носика чайника, валит абсолютно нетоксичный водяной пар. Не стоит забывать, что в двигателе, помимо топлива, сгорает ещё и масло в не значительных количествах.

Возможно, ученые в будущем доработают это. Возможно, при горении масла будут выделяться продукты, не портящие воды. Тогда воду можно будет собрать прямо из двигателя и вновь использовать для получения водорода путем электролиза.

Кроме того, преимущества тесно связаны и с типом двигателя машин. Так, при традиционном двигателе внутреннего сгорания снижается масса автомобилей, и увеличивается полезный объем багажных отделений, несмотря на то, что необходимо устанавливать топливные баки для водородного топлива.

Двигатели внутреннего сгорания позволяют использовать не только водород, но и традиционные виды топлива, конечно, для этого надо будет иметь два топливных бака, но такую технологию ввести в массы потребителей значительно легче.

Что же касается электродвигателя, то его работа обеспечивается электроэнергией, вырабатываемой в результате физико-химических реакций в топливном элементе. Коэффициент полезного действия электродвигателя, а так же приемистость, мощность на единицу массы и другие показатели значительно выше, чем у традиционного двигателя внутреннего сгорания.

Электродвигатель более прост в обслуживании, здесь имеется намного меньше трущихся деталей, а без дорогостоящих элементов для систем питания, смазки, охлаждения, сложной трансмиссии вполне можно обойтись.

Так же к преимуществу электродвигателя можно отнести создание меньшего уровня шума при работе.

Недостатки двигателя на водороде

Недостатки автомобилей с двигателями на водороде так же тесно связаны с типом двигателя. Так, для обеспечения нормальной работы электродвигателя необходимы не только водородные элементы, но и мощные аккумуляторы и преобразователи тока, вес и габариты которых далеко не маленькие. В результате увеличивается вес автомобиля.

А, кроме того водородные топливные элементы в настоящее время недешевы. При использовании водородных элементов в автомобилях с традиционным двигателем внутреннего сгорания велика взрыво- и пожароопасность.

Кроме того, вопрос о баках для водорода окончательно не решен: на сегодняшний день инженерами предлагаются металл-гидридные аккумуляторы, а так же баки для хранения под высоким давлением ил в сжиженном виде.

К преимуществам и недостаткам автомобилей с двигателями на водороде можно относиться по-разному. Но одно несомненно: исследования в данной области будут продолжаться.

ГИДРОДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ В ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

Тезис "водород - топливо будущего", "автомобили с двигателями на водороде” - звучит всё чаще.

По прогнозам многих специалистов, к 2050 году треть производимой энергии должна быть покрыта водородом как источником топлива.

Водород по всем параметрам является идеальным топливом с учетом его неограниченных запасов, если в качестве сырья рассматривать воду.

Основные проблемы двигателей на водороде это:

-разработка экономичной производительной аппаратуры получения водорода для работы двигателей на водороде;

-способы хранения; -транспортировка с небольшими потерями.

ГДВС в этом смысле есть идеальный двигатель по всем параметрам:

- экологически совершенно чистый, так как, для его работы не требуется кислорода из атмосферы и нет выхлопа;

- КПД 80-85% - это максимально возможный кпд для теплосиловых машин;

- ГДВС по сути искусственный источник неисчерпаемой энергии.

ГДВС как новый принцип работы теплосиловой машины решает проблем мировой энергетики и экологии. ГДВС по своим техническим и экономическим характеристикам продукта превосходит все мировые аналоги и практически не будет иметь конкуренции на рынке

Автобус Mercedes Citaro на водородных топливных элементах

Водородный транспорт. Как работает двигатель на водороде.

Водородный транспорт — это различные транспортные средства, использующие в качестве топлива водород Это могут быть транспортные средства как с двигателями внутреннего сгорания так и с водородными топливными элементами

Как работает двигатель на водороде

BMW Hydrogen 7 с водородным двигателем внутреннего сгорания

НА ГЛАВНУЮ

doc-suvorov.narod.ru

Способ получения технического водорода и его использования в двигателях внутреннего сгорания

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Способ получения технического водорода и его использования в двигателях внутреннего сгорания содержит термохимический цикл разложения воды, причем источником теплоты для термохимической реакции и потребителем водорода является двигатель внутреннего сгорания. Отработанные газы двигателя нагревают реактор до 900-950oС, сокращают подачу углеводородного топлива и включают подачу воды из бака. Выделенный водород охлаждается до 450-480oС и поступает во впускной трубопровод двигателя, где смешивается с обедненной горючей смесью. Технический результат заключается в получении дешевого и экологически чистого топлива для автомобильного транспорта и в увеличении мощности автомобиля и удешевлении автотранспортных перевозок. 1 ил.

Изобретение относится к способам получения технического водорода и его использования в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания.

Известны способы получения водорода путем взаимодействия воды с амальгамой алюминия или металла, выбранного из группы - бериллий, цирконий, марганец, титан, хром при повышенной температуре [1] ; а также алюминий и добавки галлия, индия, олова [2] ; и сплавы, содержащие литий, натрий или калий [3] . Основными недостатками этих способов является большой расход дорогостоящих сплавов и редких металлов, хранение их в герметичных сосудах или под слоем инертного газа. Известен термохимический процесс производства водорода из воды с подводом теплоты извне при температуре 800-1000oC [4] . Основными недостатками этого способа являются наличие автономного источника теплоты, необходимость переработки и хранения водорода, что значительно удорожает его стоимость. Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является способ получения технического водорода и его использования в двигателях внутреннего сгорания, содержащий термохимический цикл разложения воды, причем источником теплоты для термохимической реакции и потребителем водорода является двигатель внутреннего сгорания [5] . Однако известное техническое решение не обеспечивает эффективной работы двигателя внутреннего сгорания. Задачей изобретения является получить дешевое и экологически чистое топливо для автомобильного транспорта; сократить выбросы в атмосферу вредных веществ от выхлопных газов автомобилей; сократить на 50-70% расход углеводородного топлива на каждом автомобиле; удешевить автотранспортные перевозки. Поставленная задача решается тем, что способ получения технического водорода и его использования в двигателях внутреннего сгорания содержит термохимический цикл разложения воды, причем источником теплоты для термохимической реакции и потребителем водорода является двигатель внутреннего сгорания, согласно изобретению отработанные газы двигателя нагревают реактор до температуры 900-950oC, сокращают подачу углеводородного топлива и включают подачу воды из бака, а выделенный водород охлаждается до температуры 450-480oC и поступает во впускной трубопровод двигателя, где смешивается с обедненной горючей смесью. На чертеже изображена принципиальная схема устройства для реализации способа получения и использования водорода. Принципиальная схема устройства содержит двигатель внутреннего сгорания 1; впускной трубопровод горючей смеси 2; воздушный фильтр 3; впускной трубопровод водорода 4; термохимический реактор 5; трубопровод подачи воды 6; бак для воды 7; выпускной трубопровод отработанных газов 8. При запуске и прогреве двигателя 1 отработанные газы, имеющие температуру около 1200oC, из цилиндров двигателя по выпускному трубопроводу 8 поступают в рубашку термохимического реактора 5, нагревают его до температуры 900-950oC и поступают далее в выпускной трубопровод. При нагреве реактора до 900-950oC сокращают подачу углеводородного топлива и включают подачу воды из бака для воды 7 по трубопроводу 6. Вода, подогретая до 450-500oC, поступает в камеру термохимического реактора. При прохождении пара через слой реагента выделяется технический водород с температурой выхода около 900oC. Технический водород охлаждается до температуры 450-480oC и по трубопроводу 4 поступает во впускной трубопровод двигателя 2, где смешивается с обедненной горючей смесью, поступающей в трубопровод 2. Горючая смесь с содержанием от 4 до 18% водорода в зависимости от требуемой нагрузки поступает в цилиндры двигателя. Применение данного способа получения и использования технического водорода обеспечено доступным и надежным источником теплоты, получаемой от двигателя внутреннего сгорания, при минимальных затратах. Оптимальные размеры реактора обеспечивают достаточный выход водорода для того, чтобы сократить расход углеводородного топлива на 50-70%. Имеется доступный выбор дешевых реагентов с высокой степенью регенерации. Восстановление реагента осуществляется отработанными при работе двигателя газами, содержащими 1-2% CO и 1-1,5% CO2, которые поступают в реактор. Предлагаемый способ является достаточно простым в технологическом отношении, легко управляемым и безопасным, так как регулировка объема выхода водорода регулируется объемом подачи воды в реактор, а для выключения реактора достаточно выключить двигатель или отключить подачу воды. Применение данного способа получения и использования водорода позволяет получить дешевое и экологически чистое топливо для автомобильного транспорта; сократить выбросы в атмосферу вредных веществ от выхлопных газов автомобилей; сократить на 50-70% расход углеводородного топлива на каждом автомобиле; удешевить автотранспортные перевозки. Источники информации 1. Патент США N 3540854, НКИ 23-282, 17.11.1970. 2. Авторское свидетельство СССР N 535364, МПК С 22 С 21/00, 22.06.1976. 3. Авторское свидетельство СССР N 681674, МПК С 01 В 3/08 от 23.12.1981. 4. Шпильрайн Э. Э. Введение в водородную энергетику (стр. 113-123). М. : Энергоиздат, 1984. 5. Патент Российской Федерации N 2070978, МПК F 02 В 43/10, 27.12.1996.

Формула изобретения

Способ получения технического водорода и его использования в двигателях внутреннего сгорания, содержащий термохимический цикл разложения воды, причем источником теплоты для термохимической реакции и потребителем водорода является двигатель внутреннего сгорания, отличающийся тем, что отработанные газы двигателя нагревают реактор до 900-950oС, сокращают подачу углеводородного топлива и включают подачу воды из бака, а выделенный водород охлаждается до 450-480oС и поступает во впускной трубопровод двигателя, где смешивается с обедненной горючей смесью.

РИСУНКИ

Рисунок 1

Похожие патенты:

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам работы двигателей внутреннего сгорания

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к способу работы газового двигателя внутреннего сгорания (ДВС)

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к способу работы газового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в различных отраслях промышленности: в энергетике, в нефтяной и газовой промышленности, в сельском хозяйстве, на транспорте и др

Изобретение относится к области машиностроения

Изобретение относится к способам работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием

Изобретение относится к машиностроению, а именно к многоцилиндровым двигателям внутреннего сгорания

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия

Изобретение относится к двигателестроению, в частности способу получения топлива для двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам эксплуатации двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия с первичным топливом, содержащим метанол

Изобретение относится к технологии переработки углеводородного сырья, в частности к получению синтез-газа

Изобретение относится к технологии переработки углеводородного сырья в химическом реакторе сжатия на базе поршневого ДВС, в частности к получению синтез-газа парциальным окислением углеводородов в богатых углеводородно-воздушных смесях

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам работы двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к машиноведению, а именно двигателестроению. Техническим результатом является повышение КПД двигателя внутреннего сгорания. Сущность изобретения заключается в том, что топливная смесь состоит из водорода и атмосферного воздуха и перед сжатием предварительно охлаждается криогенной компонентой воздуха, которая становится составляющей топливной смеси, включая ее жидкую фазу. Использование водорода в топливе позволяет осуществить предварительное охлаждение топливной смеси жидким воздухом, при этом повысить степень сжатия топливной смеси при бездетонационной работе двигателя и уменьшить работу ее сжатия. Высокая степень сжатия топливной смеси позволяет включить в дальнейший процесс расширения продуктов сгорания дополнительное количество теплоты, образованной при сгорании подведенного водорода, и повысить эффективность цикла в целом. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к машиноведению, а именно двигателестроению. Техническим результатом является повышение КПД двухтактного двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что топливная смесь состоит из водорода и кислорода, включает в себя жидкую фазу воды, жидкий и газообразный азот, а перед подачей топливной смеси в цилиндр двигателя она предварительно охлаждается жидким азотом. После сжигания топливной смеси продукты сгорания сбрасываются через пульсационную трубу в атмосферу. Использование водорода в топливной смеси позволяет осуществить предварительное охлаждение топливной смеси жидким азотом, существенно повысить степень сжатия топливной смеси при бездетонационной работе двигателя и уменьшить работу ее сжатия. Кроме того, подводится дополнительное количество теплоты, образованной при сгорании водорода в процессе расширения продуктов сгорания, а также дополнительно охлаждается топливная смесь, поступающая в цилиндр двигателя, за счет выхлопа продуктов сгорания в пульсационную трубу. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к двигателям, работающим на газообразном топливе, конвертированным из дизельных двигателей. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что при работе двигателя с газовой форсункой, комбинированной со свечой зажигания, на такте всасывания впускают воздух через открытый впускной клапан в цилиндр двигателя и закрывают впускной клапан после поворота вала двигателя на четверть оборота от начального положения, при котором поршень находится в цилиндре в верхней «мертвой точке». Во время движения поршня к нижней «мертвой точке» при закрытом впускном клапане подают в цилиндр двигателя через форсунку горючий газ, который продолжают подавать в цилиндр двигателя на такте сжатия во время движения поршня от нижней «мертвой точки» к верхней «мертвой точке». Прекращают подавать горючий газ в цилиндр двигателя перед поворотом вала двигателя на угол, при котором уменьшающийся объем камеры в цилиндре двигателя становится равным объему камеры в цилиндре двигателя в момент закрытия впускного клапана. При дальнейшем перемещении поршня от нижней «мертвой точки» к верхней «мертвой точке» после прекращения подачи горючего газа в цилиндр двигателя созданную газовоздушную смесь сжимают и затем воспламеняют свечой зажигания. 1 ил.

Изобретение относится к способам получения технического водорода и его использования в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания

www.findpatent.ru

Водород, как присадка к стандартному топливу ДВС. Просто добавь воды. Водород в двс