Экологическая безопасность

В нашей стране обширные работы по использованию водорода для автомобильных двигателей активно ведут многие научные центры.

Метод получения  этого химического элемента с  применением так называемых энергоаккумулирующих веществ детально разработан Институтом проблем машиностроения АН Украины, который проводит также фундаментальные  исследования процессов сгорания водородовоздушных и бензоводородовоздушных смесей, разрабатывает принципиальные схемы силовой установки автомобиля при различных методах хранения нового горючего на борту.

Водород как  моторное топливо имеет некоторые  особенности, обусловленные его свойствами. Широкие пределы воспламеняемости позволяют лучше регулировать протекание рабочего процесса двигателя. В результате удается повысить экономичность при частичных нагрузках - режиме, в котором автомобильный двигатель «живет» довольно долго. Теплотворность однородной смеси водорода с воздухом ниже, чем у бензина. Поэтому мощность двигателя на водороде в большей степени, чем при использовании бензина, зависит от способа смесеобразования.

Исследования  детонационной стойкости бензоводородовоздушных и водородовоздушных смесей показали, что их склонность к детонации в значительной степени зависит от коэффициента избытка воздуха. И в этом отношении при использовании водорода в качестве топлива выявлены иные закономерности, чем для бензина. Изучение работы двигателей на водородовоздушных и бензоводородовоздушных смесях показало высокую стабильность рабочего процесса. Сравнивая пределы изменения оптимального угла опережения зажигания при работе на водороде и бензине, можно заметить, что в первом случае он существенно зависит от коэффициента избытка воздуха. При обогащении смеси наивыгоднейший угол опережения зажигания значительно уменьшается. Поэтому при работе на водороде двигателю нужны иные регулировки этого параметра.

Наконец, при  сгорании водорода отработавшие газы не содержат таких вредных компонентов, как СО, углеводороды, РЬО. Остается только один токсичный компонент в выхлопе - NО (и то в меньших количествах, чем при работе на бензине). При использовании водорода в качестве добавки содержание вредных компонентов резко сокращается благодаря полноте сгорания. Кроме того, уменьшается необходимость использования вредных антидетонационных свинцовых присадок к бензинам.

Эксперименты  показали, что двигатели внутреннего  сгорания могут с успехом работать как на чистом водороде, так и на смеси его с парами бензина. Любопытно, что уже 10-процентная добавка (от массы расходуемого топлива) водорода может оказать существенное влияние, снижая токсичность отработавших газов и улучшая экономические показатели. Она намного расширяет пределы воспламеняемости смеси, что создает условия для эффективного регулирования процесса сгорания. Практически это означает возможность устойчивой работы на очень бедных бензоводородовоздушных смесях с большим коэффициентом избытка воздуха, чем обеспечивается значительная экономия бензина. Учитывая то обстоятельство, что двигатель в городских условиях до 30% времени работает на холостом ходу или режимах неполной нагрузки, можно представить себе, какие экономические выгоды несет использование водорода. А работа двигателя при высоких коэффициентах избытка воздуха сопровождается почти полным сгоранием смеси, и, следовательно, в отработавших газах нет токсичных компонентов. В Институте проблем машиностроения АН Украины уже разработаны автомобильные силовые установки, действующие на водородном топливе. Для них водород получают из воды (с применением энергоаккумулирующих веществ, в основе которых лежат окислы металлов), а также из гидридов - веществ, способных при охлаждении поглощать водород, а при нагревании - отдавать его.

Связывать водород  гидридами необходимо в интересах  безопасности, так как при утечках  из баллонов он образует, смешиваясь с  воздухом, взрывчатую смесь, которая  легко воспламеняется (вспомните  частые аварии дирижаблей с емкостями, заполненными водородом). Но важнее тот факт, что гидриды являются более рациональным методом хранения водорода на борту автомобиля по объемным показателям.

Общая схема  силовой установки топлива: водородное топливо, получаемое в результате взаимодействия энергоаккумулирующих веществ с водой, подается системой питания в двигатель. Мощность двигателя регулируется компонентами, подаваемыми в реактор для освобождения связанного водорода.

Силовая установка  может быть выполнена как по открытому, так и закрытому циклу. В первом случае на борту автомобиля размещаются только емкости для энергоаккумулирующих веществ и воды, а продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. При замкнутом цикле дополнительно вводятся теплообменник и конденсатор, позволяющие использовать пары воды из выхлопных газов. Поступающая в реактор с энергоаккумулирующими веществами вода снова служит источником для получения водорода. Так при замкнутом цикле «носителем» топлива служит вода, а энергией - энергоаккумулирующие вещества. Водородное топливо при обоих циклах может использоваться в чистом виде или в качестве добавок (5-10% по массе). В последнем случае на машине сохраняется система питания бензином. «Извлечение» водорода из воды происходит в реакторе, содержащем энергоаккумулирующие вещества. Наиболее простым является реактор постоянного действия, в котором давление поддерживается регулировкой подачи компонентов в зону реакции.

Процесс получения  в нем топлива происходит не мгновенно, т. е. он обладает некой инерцией. Выделяющийся в реакторе водород поэтому должен поступать к мотору через редуктор-регулятор, поддерживающий оптимальное давление перед форсунками подачи.

По разработанным  методикам для испытаний с  применением энергоаккумулирующих веществ на основе оксидов металлов, а также с использованием гидридов были апробированы серийные легковые автомобили «Москвич» и «ВАЗ».

Первый эксперимент (применение энергоаккумулирующих веществ - автомобиль «Москвич») - система питания  бензином оставлена без изменения. На машине смонтированы два реактора 1, обеспечивающие получение водорода из воды, и редуктор 5, предназначенный для дозирования подачи топлива на разных режимах работы двигателя.

Реакторы периодического действия имеют постоянную загрузку энергоаккумулирующих веществ на основе кремния или алюминия с регулируемой подачей воды. Насосы высокого давления 4, приводимые электродвигателем, подают воду из бака через подогреватель и фильтр к реактору, где ее распыляют форсунки. В водяной системе установлены обратные клапаны, предотвращающие проникновение туда водорода при прекращении подачи воды. Кроме того, в ней предусмотрен кран 3, который переключает подачу воды с одного реактора на другой. Все агрегаты этой экспериментальной установки смонтированы на общей раме и помещены в багажнике.

Рис. 3.

Установка с  применением энергоаккумулирующих веществ для питания двигателя  водородом: 1 - реакторы периодического действия; 2 - бак для воды; 3 - кран подачи воды в реактор; 4 - блок насосов  с электроприводом; 5 - редуктор в  системе подачи водорода

Водород от реакторов  поступает к крану, установленному на приборной панели, которым водитель соединяет работающий реактор 1 с  системой подачи водорода. Последняя  состоит из понижающего редуктора, влагоотделителя, газового счетчика и  редуктора регулирования подачи водорода (управляется специальной педалью). Топливо вводится во впускной трубопровод, непосредственно перед впускным клапаном.

Для работы на водороде, получаемом из гидридов, система питания  бензином также сохранена и дополнительно  установлена система хранения и подачи водорода (автомобиль «ВАЗ»). Она состоит из гидридного бака 1, нагреваемого отработавшими газами, редуктора со всережимным вакуумным регулятором 9 расхода водорода и смесителя 8, сделанного на базе серийного карбюратора. Скорость выделения водорода гидридом система регулирует автоматически (блок управления 10, реле давления 2, заслонка с электромагнитным приводом 7 на выпускной трубе), поддерживает постоянным, независимо от режима двигателя, давление водорода в системе. Гидридный бак при зарядке охлаждается водой.

Рис. 4.

Установка с  применением гидридов: 1 - гидридный  бак; 2 - реле давления; 3 - вентиль заправки; 4 - выхлопной патрубок гидридного бака; 5 - глушитель; 6 - бензиновый бак; 7 - электромагнитный привод заслонки; 8 - смеситель; 9 - регупятор давления и расхода водорода; 10 - блок электронного управления

Применение водорода в качестве дополнительного топлива  для карбюраторных двигателей открывает  возможность принципиально нового подхода к организации рабочего процесса. При минимальной модификации двигателя, касающейся в основном системы питания, можно достичь значительного повышения его топливной экономичности (эксплуатационный расход бензина снижается на 35-40%) и уменьшить токсичность отработавших газов.

Таблица 13 Токсичность отработавших газов,

КомпонентыТопливоБензинПриродный  газБензин с водородомСО100103СН1008074NОх10090 4,5

Водотопливные эмульсии. Применение воды в рабочем  процессе двигателя внутреннего  сгорания не является новинкой последних  лет. Впрыск воды использовался для обеспечения работы двигателей внутреннего сгорания на низкооктановых топливах еще в 30-е годы.

Сейчас основное внимание при использовании воды в качестве добавки к топливу  уделяется возможности повышения  экономичности и снижения токсичности отработавших газов автомобиля.

Водотопливные эмульсии - это жидкое топливо с  мельчайшими каплями равномерно распределенной по объему топлива воды. Эмульсия приготовляется непосредственно  на автомобиле. Для предотвращения расслоения эмульсии в топливо добавляется эмульгатор в количестве 0,2-0,5%. Содержание воды в водотопливной эмульсии может достигать 30-40%.

Применение водотопливных  эмульсий возможно как в карбюраторном, так и дизельном двигателе. Но в карбюраторном двигателе применение водотопливных эмульсий в ряде случаев приводит к ухудшению некоторых показателей (в частности, топливной экономичности), отказам при полном открытии дроссельной заслонки, перебоям при движении с низкой скоростью. Наилучшие результаты дает использование водотопливных эмульсий на дизельных двигателях. Подача в камеру сгорания воды обеспечивает дополнительное распыление топлива за счет дробления перегретыми парами воды. Удельный расход топлива при этом снижается на 4-10%.

Добавка воды к  топливу позволяет снизить содержание некоторых токсичных веществ в отработавших газах за счет уменьшения максимальных температур в камере сгорания, величина которых определяет количество NОх. При применении водотопливных эмульсий количество NOх может снизиться на 40- 50%. Снижается также дымность отработавших газов, так как сажа при наличии паров воды взаимодействует с ними с образованием углекислого газа и азота. Выделение СО остается практически неизменным по сравнению с работой двигателя внутреннего сгорания на топливе без добавки воды, а выделение СпНш несколько увеличивается. Этот вид топлива пока не нашел широкого применения на автомобильном транспорте, поскольку усложняется конструкция автомобиля, возникает ряд проблем при эксплуатации в зимний период, недостаточно изучено влияние воды на условия работы и долговечность двигателя внутреннего сгорания.

Синтетические спирты. В качестве топлива для  двигателя внутреннего сгорания автомобилей нашли применение метанол  и этанол как в чистом виде, так  и в составе многокомпонентных  смесей.

Наибольшее распространение автомобили, работающие на спиртовом топливе, получили в Бразилии, которая ввозит 80-85% нефтепродуктов, расплачиваясь за них валютой. Расходы на горючее растут из года в год и исчисляются миллиардами долларов. Поэтому в стране с энтузиазмом был встречен объявленный президентом в 1975г. проект «алкоголизации транспорта». Топливные баки бразильских автомобилей заправляются смесью спирта и бензина в пропорции 1:4.

Со временем предполагается перевести весь автопарк на использование этилового спирта вместо бензина. Спирт получают из сахарного тростника (Бразилия - крупнейший в мире производитель этой культуры). Возможно получение до 80 т биомассы с 1га в год. Плантаций, занимающих 2% территории страны, будет достаточно, чтобы обеспечить потребность в новом горючем.

По расчетам специалистов 1л спирта обходится  на 30- 35 % дешевле бензина.

Мексика, вторая по численности населения страна Латинской Америки, готова последовать  бразильскому примеру. В США также  проявляется интерес к производству топливного спирта из древесных, сельскохозяйственных и иных отходов.

С энергетической точки зрения преимущество спиртовых  топлив заключается в высоком  КПД рабочего процесса и высокой  антидетонационной стойкости топлива, но теплота сгорания спиртов примерно вдвое ниже, чем у бензинов. Низкая энергоемкость спиртов ведет к увеличению удельного расхода топлива.

Использование спиртов требует сравнительно небольшого изменения конструкции автомобиля. Основные мероприятия сводятся к  увеличению объема топливных баков и установке устройств, обеспечивающих стабильный пуск двигателя в любую погоду. Требуется также замена некоторых металлов и прокладочных материалов, в частности облицовка пластмассой метанольного бака. Это связано с высокой коррозийной активностью спиртов и необходимостью более тщательной герметизации топливоподающей системы, поскольку метанол является нервно-сосудистым ядом. Применение бензометанольной смеси выдвигает ряд других специфических требований. В частности, ужесточаются требования к давлению насыщенных паров бензина, поскольку даже с 5 %-ной добавкой метанола оно значительно увеличивается. Чтобы избежать расслоения смеси, при ее хранении, транспортировке и применении необходимо соблюдать определенную температуру и не допускать попадания в нее воды. Некоторые синтетические материалы, используемые в системах подачи топлива и в автомобильных системах питания, оказались нестойкими к бензометанольной смеси. При переводе автомобиля с бензина на бензометанольную смесь пришлось изменить пропускную способность жиклеров, при этом несколько увеличился общий расход топлива. Вместе с тем установлено, что смесь с содержанием метанола до 15 % не ухудшает основных технико-эксплуатационных показателей грузовых автомобилей. Высокие антидетонационные показатели спиртов позволяют повышать степень сжатия двигателя внутреннего сгорания до 14-15 единиц.

Использование спиртовых топлив снижает содержание токсичных веществ в отработавших газах, что объясняется более  низкой температурой горения спиртового топлива.

С начала 70-х годов, когда резко обострилась энергоэкологическая ситуация, практически все промышленно развитые страны развернули широкий поиск альтернативных энергоносителей, способных заменить бензин и дизельное топливо. Среди альтернативных топлив особое внимание уделяется водороду: его использование для двигателей внутреннего сгорания позволяет решить как сырьевую, так и экологическую проблемы, причем сделать это без коренной перестройки технической базы современного двигателестроения. В частности, исследования показали, что применение водорода в качестве основного или дополнительного топлива для двигателей с принудительным воспламенением заряда повышает их топливную экономичность на 30-40% и резко снижает токсичность отработавших газов, так как моторные свойства позволяют двигателям работать на бедных смесях при качественном регулировании мощности. За рубежом работы по созданию автомобильных «водородных» двигателей внутреннего сгорания ведутся передовыми развитыми странами уже давно и довольно успешно. В частности, автомобильная компания «Даймлер-Бенц» (Германия) изготавливала легковые автомобили и микроавтобусы на базе серийных моделей, двигатели которых питаются как бензином с добавкой водорода, так и «чистым» водородом. Из трех приемлемых для автотранспортных средств способов аккумулирования водорода - в сжатом до 20 МПа, сжиженном при температуре 20К или химически связанном в металлогидридах состоянии - на экспериментальных автомобилях фирмы «Даймлер-Бенц» применялся последний.