Анализ дизельных двигателей с добавлением водорода

В статье рассматриваются дизельные двигатели грузовых автомобилей с добавлением водорода в топливовоздушную смесь. Способы хранения топлива на борту транспорта. Способы доставки газообразного топлива в камеру сгорания. Также рассматривается экономическая и энергоэкологическая проблема. На основе проведенного анализа были сделаны выводы о том, что аналогичные решения по использованию водородного топлива, как добавки к дизельному топливу, малоизучены, а используемые технологии устарели, системы требуют доработки, а некоторые нерациональны. Предложено новое решение, заменяющее прямое хранение водородного топлива, что приводит к повышению безопасности и упрощению заправки транспортного средства.

Ключевые слова: дизельный двигатель, водород, хранение топлива, экология, экономика.

The article discusses the diesel engines of trucks with the addition of hydrogen to the air-fuel mixture. Methods for storing fuel on board vehicles. Methods for delivering gaseous fuel to the combustion chamber. The economic and energy-ecological problem is also considered. Based on the analysis, it was concluded that similar solutions for the use of hydrogen fuel, as additives to diesel fuel, are poorly understood, and the technologies used are outdated, the systems need improvement, and some are irrational. A new solution is proposed that replaces the direct storage of hydrogen fuel, which leads to increased safety and simplified refueling of the vehicle.

Key words: diesel engine, hydrogen, fuel storage, ecology, economy.

Огромное количество городов в нашей стране насчитывает более 500000 жителей. Для жизнеобеспечения этих городов требуется колоссальное количество специализированного транспорта — это службы водоканала, спецслужбы, спецтранспорт по вывозу мусора. Все перечисленные единицы техники — грузовые транспортные средства. Перевод данных автомобилей, в виду лимитированного количества инфраструктуры газовых заправок, а тем более ограниченного пробега для электротранспорта, невозможен, как ни на газ, так ни на электротягу. Организации вынуждены использовать дизельный автотранспорт знаменитый своими тяговыми свойствами, но уступающий по экономическому и экологическому направлению.

Наиболее перспективным на данный момент является использование альтернативных замещающих добавок в топливовоздушную смесь: нефтяной газ, природный газ, водород. Последний рассмотрим подробнее.

Водород, как моторное топливо, имеет ряд особенностей по сравнению с классическими углеводородными топливами. Водород меняет рабочий процесс двигателя, существенно снижаются вредные выбросы и улучшается топливная экономичность. Однако ввиду малого стехиометрического соотношения водород — воздух (для сжигания 1 моля водорода требуется 2.38 молей воздуха, в то время как для 1 моля нефтяных моторных топлив около 50 молей) и низкой плотности водорода теплотворность водородовоздушной смеси стехиометрического состава будет ниже, чем топливовоздушных смесей традиционных топлив, что повлечёт за собой снижение мощности поршневого двигателя при переводе его на водород [1]. Следовательно, использование водорода как монотопливо проблематично.

В случае использования водорода в качестве частично замещающей добавки в дизельных двигателях, дизель играет роль запального топлива и улучшает антидетонационную стойкость, увеличивая границы воспламенения, а также изменяет диапазон работы двигателя. В то же время водород является присадкой к дизельному топливу и повышает энерго-экономические и экологические качества, аналогичные горению водорода и всему процессу сгорания углеводородного топлива. В случае внешнего водородовоздушного смесеобразования на двигателях незначительно снижается мощность из-за нехватки кислорода для полноценного сжигания топлива. Для компенсации кислорода и достижения стехиометрической смеси опытным путем было принято решение увеличить давление воздуха во впускном коллекторе за счет изменения конфигурации агрегатного наддува на 0.05 бар, при неизменных показателях подачи дизельного топлива и водорода, мощность двигателя восстановилась до значений соответствующих дизельному двигателю без добавки водорода.

В настоящие время известны три различных способа хранения водорода: газообразный — в баллонах высокого давления, жидкий — в криогенном баке, в связанном состоянии — в виде гидридов некоторых металлов.

Хранение водорода в баллонах высокого давления наиболее простой способ, но вследствие большой массы и чрезвычайно большого объема считается неприемлемым, а также большие энергозатраты на компримированный водород ставят под сомнения возможность применения данного метода [1].

Гидриды — резервуар, состоящий из металла и интерметаллического соединения, способного поглощать водород в процессе диффузии и выделять его при нагревании.

Все перечисленное оборудование достаточно громоздкое и экономически затратное как в производстве, так и в установке на транспортные средства. Также стоит упомянуть, что во всех трех случаях необходима инфраструктура заправок и станций технического обслуживания, которые будут взаимодействовать с взрывоопасными агрегатами. Так как оборудование актуально больше для грузовых дизельных автомобилей, а это значит, что транспортные средства с высокой долей вероятности будут уезжать на дальние расстояния — междугороднее сообщение. Не во всех регионах есть возможность пополнить резервуары подобных систем. Дорожно-транспортные происшествия играют немаловажную роль во взаимодействии с водородным оборудованием. Большие объемы взрывоопасного топлива, хранящиеся на борту автомобиля, могут стать причиной катастрофы.

Получение водорода с помощью электролиза является самым перспективным решением для автомобильного транспорта. Используя электричество аккумулятора автомобиля, генераторы водорода (электролизеры) путем электролиза расщепляют воду (H2O) на основные элементы: водород (H2) и кислород (O2) (Рис. 1).

Рис. 1. Схема доставки водорода в двигатель внутреннего сгорания

Производство водорода активизируются только на запущенном двигателя. Полученный газ не накапливается и не хранится, он сразу подается в двигатель, где смешивается с дизельным топливом. Благодаря такой системе не изменяется безопасность транспортного средства, дозаправка дополнительного бака происходит дистиллированной водой в любых условиях в любом регионе, не требуется большое пространство для установки водородного оборудования, установка производится в подкапотное пространство (Рис. 2–3).

Рис. 2. Расположение электролизера перед радиатором системы охлаждения

Рис. 3. Расположение бака с дистиллированной водой в подкапотном пространстве

На производство водорода, достаточное для автомобиля со средним двигателем, расходуется 8–15А (Таблица 1). По потреблению тока — это сопоставимо с включением штатной аудиосистемы автомобиля. В результате чего, транспортное средство не нуждается в дополнительных элементах для генерации и аккумулирования электроэнергии.

Таблица 1

Оптимальный объем водорода в зависимости от объема двигателя

Однако данная система не позволяет качественно изменить характеристики двигателя, увеличить мощность в связи с тем, что добавка водорода свыше 29.5 % от суммарного тепла, которое подведено при α=1.349 вызывает детонационное сгорание, сопровождаемое появлением стуков с кардинальным падением мощности ДВС, увеличивается объемное содержание водорода в выхлопных газах, что указывает на ухудшение рабочего процесса.

Для более контролируемого процесса сгорания и работы системы необходим непосредственный впрыск водорода с помощью форсунок в камеры сгорания двигателя.

Вывод о дизельных двигателях с добавкой водорода в топливовоздушную смесь возможно сделать уже сейчас, система работает, снижает количество используемого дизельного топлива, снижает вредные выбросы в атмосферу, мощностные характеристики не изменяются, однако система непосредственного впрыска позволит произвести более точные замеры, появится возможность точно изменять характеристики смеси, а также повысить мощность. В данный момент производятся расчеты конструкции непосредственного впрыска при использовании водорода, производимого электролизерам на борту транспортного средства.

Литература:

1. А. И. Мищенко. Применение водорода для автомобильных двигателей. Наукова думка, Украина, Киев, 1984.
2. Г. А. Терентьев, В. М. Тюков, Ф. В. Смаль. Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов. М.: «Химия», 1989.