Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДА В ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Авторы:
Город:
Петрозаводск
ВУЗ:
Дата:
21 октября 2018г.

В условиях возрастающего спроса на экологически чистые виды топлив во многих регионах мира, роста парка автомобилей и ужесточения экологических требований (сокращению расхода топлива и эмиссии СО2) все большее внимание уделяется поиску новых эффективных источников энергии.

Поскольку значительная часть энергопотребления приходится на транспорт, прежде всего, автомобильный, то производители транспортных средств поставлены перед необходимостью развивать и внедрять в эксплуатацию все более энергетически эффективные и экологически чистые способы их приведения в движение [1], [2].

Особый интерес среди различных альтернативных топлив для транспортных средств вызывает водород, имеющий высокий потенциал для активного применения в качестве моторного топлив уже сегодня. Водород и его смеси для транспорта действительно имеют неплохие возможности для замещения и дополнения автомобильных бензинов.

Наблюдаемое в мире в последние десятилетия резкое увеличение интереса к водороду как к горючему и энергоносителю определяется следующими его основными особенностями:

·                 запасы водорода практически неограниченны;

·                 водород – универсальный вид энергоресурса, так как может использоваться в качестве горючего для производства электричества в рабочих циклах различного типа и в качестве энергоносителя для транспортировки в газообразном, жидком и связанном состояниях;

·                 при помощи водорода возможна аккумуляция энергии;

·                 среди прочих видов органического топлива водород отличается наибольшей теплотворной способностью на единицу массы и наименьшим отрицательным воздействием на окружающую среду.

Энергосодержание 1 г. водорода эквивалентно энергосодержанию 2,8 г. бензина при расчете по низшей теплоте сгорания. Если же в расчете принять для водорода высшую теплоту сгорания, а для бензина низшую, как это имеет место в действительности, то эта величина составит 3,3. При использовании водорода в топливных элементах вследствие большого КПД топливного элемента (в 1,5-3 раза большего, чем у двигателя внутреннего сгорания) эффективность водорода как топлива оказывается еще выше.

Если замена всех бензиновых двигателей на водородные не реальна, то почти без всяких изменений в двигателе, можно использовать бензин с 10-процентной водородной добавкой. Такой небольшой шаг резко улучшит экологическую обстановку в крупных городах.

Ключевым звеном в энергоустановках на водородном топливе является топливный элемент. Топливные элементы относятся к химическим источникам тока. Они осуществляют прямое превращение энергии топлива в электрическую энергию, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями обычные процессы горения [4], [5].

До сих пор не так много существует автомобилей, использующих водородные двигатели внутреннего сгорания. По этой причине пока трудно понять, как их правильно обслуживать и ремонтировать.

В общем, заставить двигатель внутреннего сгорания работать на водороде не так сложно. Однако заставить его работать должным образом гораздо сложнее.

Свойства водорода достаточно хорошо известны [6], [7]. Свойства, важные для использования водорода в качестве горючего топлива:

·                 широкие пределы воспламеняемости;

·                 малая энергия воспламенения;

·                 способность к быстрому охлаждению;

·                 высокая температура самовоспламенения;

·                 высокая скорость пламени стехиометрического состава;

·                 высокий коэффициент диффузии;

·                 очень низкая плотность.

Водород обладает широкими пределами воспламенения по сравнению с другими видами топлива. В результате водород может использоваться в двигателе внутреннего сгорания наряду со многими другими смесями. Главное преимущество заключается в том, что водород может работать и на бедной смеси. При этом большая экономия топлива и абсолютно полное сгорание происходят тогда, когда двигатель работает на бедных смесях. Кроме этого, температура сгорания понижается, тем самым, уменьшая количество токсичных веществ, как оксиды азота, выделяемые из выхлопной трубы. Существует предел того, насколько бедной может быть смесь, поскольку очень бедные смеси понижают выходную мощность из-за понижения степени нагрева топливной смеси.

Для двигателя, работающего на водороде необходимо учитывать [3]:

·                  водороду требуется мало энергии для воспламенения;

·                  водород способен охлаждаться быстрее, чем бензин;

·                  водород обладает относительно высокой температурой самовоспламенения. Это очень важно, когда речь идет о сжатых под давлением водородных смесях. Фактически, температура самовоспламенения является важным фактором, определяющим степень сжатия, что характеризует двигатель, так как повышение температуры зависит от степени сжатия. Высокая температура самовоспламенения водорода (высокое октановое число) позволяет использовать в водород в двигателях с более высокой степенью сжатия, чем в обычных бензиновых двигателях;

·                  водород обладает высоким коэффициентом скорости воспламенения. В этих условиях скорость воспламенения водорода на порядок выше (быстрее), чем у бензина. Это значит, что водородные двигатели могут наиболее близко приближаться к термодинамически идеальному циклу работы двигателя. В бедных смесях, однако, скорость воспламенения заметно уменьшается;

·                  водород имеет высокий коэффициент диффузии;

·                  водород обладает низкой плотностью;

·                  водород – это газообразное топливо, в обычных условиях оно занимает больше места в камере сгорания, чем жидкое топливо;

·                  в зависимости от метода использования водорода в двигателе, выходная мощность по сравнению с бензиновым двигателем составляет от 85% (введение всасывающего трубопровода) до 120% (введение высокого давления);

·                  вентиляция картера более важна для водородных двигателей, чем для бензиновых.

Главная проблема, связанная с развитием водородных двигателей – преждевременное воспламенение. В зависимости от состояния двигателя  и стратегии управления (богатые и бедные смеси), водородный двигатель производит эмиссии от нулевых до эмиссий высоких оксидов азота и окиси углерода.

Теоретически максимальная полезная мощность водородного двигателя зависит от количества топлива и метода впрыска топлива.

Таким образом, в зависимости от способа подачи топлива, максимальная полезная мощность водородного двигателя может быть или на 15% выше, или на 15% ниже, чем в бензиновых двигателях, если использовать стехиометрический коэффициент смеси топлива и воздуха. Однако согласно этому коэффициенту, температура сгорания очень высока и в результате выделяется большое количество оксидов азота (NOx), который является токсичным соединением.

Типичные водородные двигатели разработаны для использования в два раза больше воздуха, чем теоретически требуется для полного сгорания. С таким соотношением воздуха и топлива выделение NOx понижается почти до нуля. К сожалению, это также понижает полезную мощность почти в два раза по сравнению с бензиновым двигателем такого же размера. Чтобы компенсировать потерю мощности, водородные двигатели обычно больше по размеру, чем бензиновые двигатели, и/или снабжены турбонаддувом.

 

Список литературы

 

1.        Беляев С. В. Топлива для современных и перспективных автомобилей : учебное пособие / С.В. Беляев, В. В. Беляев. – Петрозаводск : Изд-во ПетрГУ, 2005. – 236 с.

2.        Перский С.Н. К вопросу развития энергосберегающих и экологически чистых технологий на транспорте / С.Н. Перский, С.В. Беляев, А.А. Селиверстов // Инновационное развитие. – Пермь, 2016. – №4 (4). – С.12-14.

3.        Шаманов Н.П. Электрохимические транспортные энергоустановки с водородным топливом / Н.П. Шаманов, А.Н. Калмыков. – СПб, 2006. – 306 с.

4.        Arthur D. Little, Inc. Guidance for Transportation Technologies: Fuel Choice for Fuel Cell Vehicles, Main Report, Phase II Final Report to DOE", 35340-00, 2001. – 84 р.

5.        Brian Cook. An introduction to fuel cells and Hydrogen technology. Canada, 2001. – 28 р.

6.        Fuel Cell Handbook, DOE/NETL-2002/1179. By EC&G Technical Services, Inc. Science Application International Corporation, U.S. Department of Energy Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, Morgantown, West Virginia, 2002.

7.        Gross K. The Reversible Hydrides Solution for Hydrogen Storage. Sandia National Laboratories, Livermore, California, 2003. – 25 p.