Водородные автомобили

Водородные автомобили

Реферат

Водородные автомобили

1. Водород - топливо будущего

Большинство крупных автопроизводителей проводит опыты с топливными элементами. Такие экспериментальные автомобили в большом количестве мелькают на выставках. Но есть две компании, которые исповедуют иной подход к переводу машин на водородное питание.

«Водородное будущее» автотранспорта эксперты связывают, прежде всего, с топливными элементами. Их притягательность признают все.

Никаких движущихся частей, никаких взрывов. Водород и кислород тихо-мирно соединяются в «ящике с мембраной» (так упрощённо можно представить топливный элемент) и дают водяной пар плюс электричество. Ford, General Motors, Toyota, Nissan и многие другие компании наперебой щеголяют «топливоэлементными» концепткарами и собираются вот-вот «завалить» всех водородными модификациями некоторых из своих обычных моделей. Водородные заправки уже появились в нескольких местах в Германии, Японии, США. Считается, что лишь водород, выработанный экологически чистым способом (ветер, солнце, вода) действительно обеспечит нам чистую планету. Тем более, что, по подсчётам экспертов, «серийный» водород будет не дороже бензина.

Особенно привлекательным тут выглядит разложение воды при высокой температуре в присутствии катализатора. О сомнительной экологической чистоте производства солнечных батарей; или проблеме утилизации аккумуляторов автомашин на топливных элементах (фактически - гибридов, так как это электромобили с водородной электростанцией на борту) - инженеры предпочитают говорить во вторую-третью очередь.

Между тем, есть ещё один путь внедрения водорода на автотранспорте - сжигание его в ДВС. Такой подход исповедуют BMW и Mazda. Японские и немецкие инженеры видят в этом свои преимущества.

Прибавку в весе машины даёт лишь водородная топливная система, в то время, как в авто на топливных элементах прирост (топливные элементы, топливная система, электромоторы, преобразователи тока, мощные аккумуляторы) - существенно превышает «экономию» от удаления ДВС и его механической трансмиссии. Потеря в полезном пространстве также меньше у машины с водородным ДВС (хотя водородный бак и в том, и другом случае съедает часть багажника). Эту потерю можно было бы вообще свести к нулю, если сделать автомобиль (с ДВС), потребляющий только водород.и Mazda предлагают сохранить в автомобиле возможность ездить на бензине (по аналогии с распространёнными ныне двухтопливными машинами «бензин/газ»).

Такой подход, по замыслу автостроителей, облегчит постепенный переход автотранспорта только на водородное питание, ведь клиент сможет с чистой совестью купить подобную машину уже тогда, когда в регионе, где он живёт, появится хоть одна водородная заправка. И ему не придётся опасаться застрять поодаль от неё с пустым водородным баком. Меж тем, серийный выпуск и массовые продажи машин на топливных элементах долгое время будут сильно сдерживаться малым числом таких заправочных станций, и стоимость топливных элементов пока велика. Кроме того, перевод на водород обычных ДВС (при соответствующих настройках) не только делает их чистыми, но и повышает термический КПД и улучшает гибкость работы.

Дело в том, что водород обладает намного более широким, по сравнению с бензином, диапазоном пропорций смешивания его с воздухом, при которых ещё возможен поджиг смеси. И сгорает водород полнее, даже вблизи стенок цилиндра, где в бензиновых двигателях обычно остаётся несгоревшая рабочая смесь. Физические свойства водорода существенно отличаются от таковых у бензина. Над системами питания немцам и японцам пришлось поломать голову. Но результат того стоил. Показанные BMW и Mazda водородные автомобили сочетают привычную для владельцев обычных авто высокую динамику с нулевым выхлопом. А главное - они куда лучше приспособлены к массовому производству, чем «ультраинновационные» машины на топливных элементах.и Mazda сделали ход конём, предложив постепенный перевод автотранспорта на водород. Если построить машины, способные питаться и водородом, и бензином, говорят японские и немецкие инженеры, то водородная революция получится «бархатной». А значит - более реальной.

Автостроители двух известных фирм преодолели все трудности, связанные с такой гибридизацией. Как и для авто на топливных элементах, которым предрекают скорый рассвет, создателям машин с водородным ДВС нужно было сперва решить, каким способом хранить водород в автомобиле.

Самый перспективный вариант - металл-гидриды - ёмкости со специальными сплавами, которые впитывают водород в свою кристаллическую решётку и отдают его при нагревании. Так достигается самая высокая безопасность хранения и самая высокая плотность упаковки топлива. Но это и самый хлопотный, и дальний по срокам массовой реализации вариант. Ближе к серийному производству топливные системы с баками, в которых водород хранится в газообразном виде под высоким давлением (300-350 атмосфер), либо в жидком виде, при сравнительно невысоком давлении, но низкой (253 градуса Цельсия ниже нуля) температуре. Соответственно, в первом случае нам нужен баллон, рассчитанный на высокое давление, а во втором - мощнейшая теплоизоляция.

Первый вариант более опасен, но зато в таком баке водород может сохраняться долго. Во втором случае безопасность куда выше, но на неделю-другую водородный автомобиль на стоянку не поставишь. Точнее, поставишь, но водород хоть медленно, но будет нагреваться. Давление вырастет, и предохранительный клапан начнёт стравливать дорогое топливо в атмосферу.выбрала вариант с баком высокого давления, BMW - с жидким водородом.

Немцы понимают все недостатки своей схемы, но сейчас BMW уже экспериментирует с необычной системой хранения, которую будет ставить на следующие свои водородные машины. Пока автомобиль эксплуатируется, из окружающей атмосферы вырабатывается жидкий воздух и закачивается в промежуток между стенками водородного бака и внешней теплоизоляцией. В таком баке водород почти не нагревается, пока испаряется жидкий воздух во внешней «рубашке». С таким устройством, говорят в BMW, водород в бездействующей машине может сохраняться почти без потерь примерно 12 дней.

Следующий важный вопрос - способ подачи топлива в двигатель. Но здесь сначала нужно перейти, собственно, к автомобилям.уже несколько лет эксплуатирует целый флот из опытных водородных «семёрок». Да, баварцы перевели на водород именно флагманскую модель. Заметим, первый автомобиль на водороде BMW построила в 1979 году, но лишь в последние несколько лет фирма буквально взорвалась новыми водородными авто. В рамках программы CleanEnergy в 1999-2001 годах BMW построила несколько двухтопливных (бензин / водород) «семёрок». Их 4,4 - литровые V-образные 8-цилиндровые двигатели развивают на водороде 184 лошадиные силы. На этом топливе (ёмкость в последней версии авто составляет 170 литров) лимузины могут пройти 300 километров, и ещё 650 километров - на бензине (в машине оставлен стандартный бак).

Сначала компания развивала впрыск газообразного водорода во впускные трубы (перед клапанами). Потом экспериментировала с непосредственным впрыском газообразного водорода (под большим давлением) непосредственно в цилиндр. А позже объявила, что, по всей видимости, впрыск жидкого водорода в область перед впускными клапанами, - самый многообещающий вариант. Но окончательный выбор не сделан и изыскания в этой области будут продолжены. У Mazda своя гордость: она приспособила под водород свои знаменитые роторные двигатели Ванкеля.

Впервые такую машину японская компания построила в 1991 году, но это был чистый концепткар от бампера до бампера. А вот в январе 2004 года разорвалась бомба. Японцы показали водородный (а точнее - двухтопливный) вариант своего знаменитого спорткара RX-8. Его роторный мотор с собственным, кстати, именем RENESIS, завоевал титул «двигатель 2003 года», впервые в истории обставив на этом международном конкурсе классических поршневых соперников. И вот теперь RENESIS научили «есть» водород, сохранив и бензиновое питание. При этом японцы подчёркивают преимущество двигателя Ванкеля при такой конверсии. Перед впускными окнами в корпусе роторного мотора - масса свободного места, где в отличие от тесной головки цилиндра поршневого ДВС легко разместить форсунки. Их две на каждую из двух секций RENESIS. В двигателе Ванкеля полости всасывания, сжатия, рабочего хода и выхлопа разделены (в то время как в обычном моторе - это один и тот же цилиндр). Потому здесь не может произойти случайного преждевременного воспламенения водорода от «встречного огня», да и форсунки для впрыска работают всегда в благоприятной (в смысле долговечности), холодной зоне мотора. На водороде японский Ванкель развивает 110 лошадиных сил - почти вдвое меньше, чем на бензине. Вообще-то, в расчёте на вес водород энергетически более «содержательное» топливо, чем бензин. Но таковы настройки топливных систем, выбранные инженерами Mazda.

. Особенности водородных двигателей

Водородный двигатель рассматривается как панацея, решающая энергетическую (нефтяную) и экологическую проблему.

Основная проблема водородного двигателя состоит в том, что добывать водород в природе невозможно - его приходится получать электролизом воды, или переработкой природных углеводородов, все равно, сжигая при этом нефть, газ, уголь или уран. Таким образом, водород является не топливом, а лишь аккумулятором энергии. Следовательно, при расчете КПД водородного двигателя надо считать КПД всей цепочки: производство электроэнергии на электростанции - передача электроэнергии - получение водорода - транспортировка водорода - водородный двигатель, а такой КПД водородного двигателя значительно ниже, чем у бензиновых двигателей. Следовательно, он неэкономичен, тратит больше топлива и дает больше экологически вредных выбросов.

Типы водородных двигателей

Существует два принципиально различных типа водородных двигателей.

Топливные элементы - по сути, гальванические элементы в которых реакция водорода с кислородом происходит непосредственно с получением электричества. Имеют высокий КПД, не имеют движущихся частей, не греют улицу. На сегодняшний день имеют два серьезных недостатка: низкая удельная мощность (даже при небольшой мощности имеют большой вес) и высокая цена (они содержат платину и палладий). Поэтому они используются в основном в космических аппаратах и на подводных лодках, однако, если их поставить на автомобиль, то он по цене сравняется с космическим кораблем. Рано или поздно эти технические проблемы будут решены, но «энергетическую проблему» они все равно не решают.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) на водороде - принципиально не отличается от аналогичного ДВС на пропане, на котором сейчас ездит половина грузовиков. Дешёвая, надёжная, отработанная конструкция. Скорее всего, перевести пропановый двигатель на водород можно даже не переделкой, а перенастройкой - экспериментальные образцы давно существуют - миллиард для этого не нужен. «Энергетическую проблему» они также не решают.

Экологические проблемы ДВС на водороде

Во-первых, как уже было сказано выше, водородный двигатель (с учетом производства водорода и электроэнергии) дает больше экологически-вредных выбросов, правда там где расположена электростанция - где-нибудь в тайге, а не в городах, где эта проблема наиболее актуальна.

В идеале сам ДВС на водороде выбрасывает в атмосферу только водяной пар. В реальных условиях добиться столь идеального сгорания практически невозможно - в зависимости от условий горения, могут образовываться гидроксиды OH (которые взаимодействуя с металлом, будут вызывать его коррозию и образовывать весьма опасную для экологии щелочь), перекись водорода (крашенные блондинки знают, насколько это едкое и опасное вещество), соединения азота и др. Сам водород, утечки которого неизбежны, разрушает озоновый слой.

Водяной пар, при массовых выбросах, так же представляет серьёзную опасность - он может привести к трудно прогнозируемым климатическим изменениям; также как и CO₂, является «парниковым газом»; усиливает коррозию материалов, что может привести к преждевременным обрушениям конструкций и серьёзным техногенным катастрофам; ухудшает самочувствие людей; создает благоприятные условия для размножения болезнетворных бактерий; увеличивает «скользкость» дорожного покрытия и количество туманов, что ведет к повышению количества ДТП.

Проблема безопасности

Водород, также как пропан или пары бензина в смеси с воздухом образует «гремучую смесь». Однако, в отличие от пропана, водород невозможно удержать в баллоне - молекулы водорода настолько малы, что легко диффундируют сквозь металл.

Существует и другой способ хранения водорода - металл-гидриды - ёмкости со специальными сплавами, которые впитывают водород в свою кристаллическую решётку и отдают его при нагревании. Такой способ хранения имеет высокую плотность упаковки топлива, но чреват тем, что эта ёмкость может нагреться и отдать водород не только от нагревателя, но и, например, от солнца или работающего двигателя, что может вызвать утечку водорода и взрыв.

Конечно, все можно предусмотреть - создать специальные покрытия, термостаты, датчики утечки, систему вентиляции и т.д., но тогда автомобиль по стоимости опять сравняется с космическим кораблем.

Особенности ДВС при работе на водороде

По отношению к бензину водород имеет в 3 раза большую теплотворную способность, в 13-14 раз меньшую энергию воспламенения, и, что существенно для ДВС, более широкие пределы воспламенения топливно-воздушной смеси. Такие свойства водорода делают его чрезвычайно эффективным для применения в ДВС, даже в качестве добавки. В то же время к недостаткам водорода как топлива можно отнести: падение мощности ДВС по сравнению с бензиновым аналогом; «жесткий» процесс сгорания водородовоздушных смесей в области стехиометрического состава, что приводит к детонации на режимах высоких нагрузок. Эта особенность водородного топлива требует изменений конструкции ДВС. Для существующих двигателей необходимо применять водород в композиции с углеводородными топливами, например с бензином или природным газом.

Например, организацию топливоподачи бензоводородных топливных композиций (БВТК) для существующих автомобилей необходимо осуществлять таким образом, чтобы на режимах холостого хода и частичных нагрузок двигатель работал на топливных композициях с высоким содержанием водорода. По мере возрастания нагрузок концентрация водорода должна снижаться и на режиме полного дросселя подачу водорода необходимо прекратить. Это позволит сохранить мощностные характеристики двигателя на прежнем уровне. На рис. 1 представлены графики изменения экономических и токсических характеристик двигателя с рабочим объемом 2,45 л. и степенью сжатия 8,2 ед. от состава бензоводородовоздушной смеси и концентрации водорода в БВТК.

Экономические и токсические характеристики ДВС на водороде и БВТК

Регулировочные характеристики двигателя по составу смеси при постоянной мощности Ne=6,2 квт и частоте вращения коленчатого вала n=2400 об/мин дают возможность представить, как меняются показатели двигателя при работе на водороде, БВТК и бензине.

Мощностные и скоростные показатели двигателя для испытаний выбраны таким образом, чтобы они наиболее полно отражали условия эксплуатации автомобиля в городских условиях. Мощность двигателя Ne=6,2 квт и частота вращения коленчатого вала n=2400 об/мин соответствует движению автомобиля, например «ГАЗЕЛЬ» с постоянной скоростью 50-60 км/час по горизонтальной, ровной дороге. Как видно из графиков, по мере увеличения концентрации водорода в БВТК эффективный КПД двигателя возрастает. Максимальное значение КПД при мощности 6,2 квт и частоте вращения коленчатого вала 2400 об/мин достигает на водороде 18,5 процентов. Это в 1,32 раза выше, чем при работе двигателя на этой же нагрузке на бензине. Максимальное значение эффективного КПД двигателя на бензине составляет на этой нагрузке 14 процентов. При этом состав смеси соответствующий максимальному КПД двигателя (эффективный предел обеднения) смещается в сторону бедных смесей. Так при работе на бензине эффективный предел обеднения топливно-воздушной смеси соответствовал коэффициенту избытка воздуха (а) равному 1,1 единицы. При работе на водороде коэффициент избытка воздуха соответствующий эффективному пределу обеднения топливно-воздушной смеси а=2,5. Не менее важным показателем работы автомобильного двигателя внутреннего сгорания на частичных нагрузках является токсичность отработавших газов (ОГ). Исследование регулировочных характеристик двигателя по составу смеси на БВТК с различными концентрациями водорода показали, что по мере обеднения смеси концентрация окиси углерода (СО) в отработавших газах снижалась практически до нуля не зависимо от вида топлива. Увеличение концентрации водорода в БВТК приводит к снижению выброса с отработавшими газами углеводородов СnHm. При работе на водороде концентрация этого компонента на отдельных режимах падала до нуля. При работе на этом виде топлива выброс углеводородов во многом определялся интенсивностью сгорания в камере сгорания ДВС. Образование окислов азота NxOy, как известно, не связано родом топлива. Их концентрация в ОГ определяется температурным режимом горения топливно-воздушной смеси. Возможность работы двигателя на водороде и БВТК в диапазоне бедных составов смесей позволяет снизить максимальную температуру цикла в камере сгорания ДВС. Это существенно уменьшает концентрацию окислов азота. При обеднении топливно-воздушной смеси свыше а=2, концентрация NxOy снижается до нуля

Наиболее перспективным направлением в области использования водорода для автомобильной техники являются комбинированные энергоустановки на базе электрохимических генераторов с топливными элементами (ТЭ). При этом, необходимым условием является получение водорода из возобновляемых, экологически чистых источников энергии, для производства которых, в свою очередь, должны использоваться экологически чистые материалы и технологии.

К сожалению, в ближайшей перспективе применение таких высокотехнологичных транспортных средств в широком масштабе проблематично. Это связано с несовершенством рядя технологий, применяемых при их производстве, недостаточной отработанностью конструкции электрохимических генераторов, ограниченностью и высокой стоимостью применяемых материалов. Другим важным элементом сдерживания продвижения на автомобильном рынке водородной техники с топливными элементами является недостаточная отработка конструкции таких АТС в целом. В частности, отсутствуют достоверные данные при испытании автомобиля на топливную экономичность в условиях реальной эксплуатации. Как правило, оценка эффективности работы энергоустановки установки осуществляется на основе вольт-амперной характеристики. Такая оценка эффективности не соответствует принятой в практике двигателестроения оценки эффективного КПД ДВС, при расчете которого учитываются также и все механические потери, связанные с приводом агрегетов двигателя. Нет достоверных данных по топливной экономичности автомобилей в реальных условиях эксплуатации, на величину которых оказывает влияние необходимость обслуживания дополнительных бортовых устройств и систем, устанавливаемых на автомобили как традиционно, так и вязанные с особенностями конcтракции автомобилей на топливных элементах. Нет достоверных данных и по оценке эффективности в условиях отрицательных температур, при которых необходимо осуществлять поддержание температурного режима, обеспечивающего работоспособность как самой энергоустановки и подаваемого топлива, так и подогрев кабины водителя или салона с пассажирами. Для современных автомобилей рабочий режим эксплуатации может достигать -40 оС, это особо надо учитывать в российских условиях эксплуатации.

Как известно, в топливных элементах вода является не только продуктом реакции взаимодействия водорода и кислорода, но и активно участвует в рабочем процессе генерации энергии, смачивая твердополимерные материалы, входящие в конструкцию топливных ячеек. В современной технической литературе отсутствуют данные о надежности и долговечности топливных элементов в условиях низких температур. Очень противоречивые данные публикуются в литературе и по долговечности работы ЭХГ на ТЭ.

В этой связи, вполне закономерным является продвижение рядом ведущих мировых автопроизводителей транспортных средств, работающих на водороде, оснащенных двигателями внутреннего сгорания. В первую очередь, это такие известных компании как BMW и Mazda. Двигатели автомобилей BMW Hydrogen-7 и Mazda 5 Hydrogen RE Hybrid (2008) успешно конвертированы на водород.

С точки зрения надежности конструкции, относительной низкой стоимости одного кВт установленной мощности энергоустановки на базе двигателей внутреннего сгорания работающие на водороде значительно превосходят ЭХГ на ТЭ, однако ДВС имеют, как принято считать, меньший КПД. Кроме того, в отработавших газах двигателя внутреннего сгорания может содержаться некоторое количество токсичные вещества. В качестве основного направления совершенствования автомобильной техники, оснащенной двигателем внутреннего сгорания в ближайшей перспективе следует рассматривать использование комбинированных (гибридных) энергоустановок. Наилучший результат до топливной экономичности и токсичности отработавших газов, по-видимому следует ожидать от применения гибридных установок с последовательной схемой преобразования химической энергии топлива в ДВС в механическую энергию движения автомобиля. При последовательной схеме ДВС автомобиля работает практически на постоянном режиме с максимальной топливной эффективностью, приводя в движение электрогенератор, который подает электрический ток на электромотор привода колес автомобиля и накопитель электроэнергии (аккумулятор). Основной задачей оптимизации при такой схеме является поиск компромисса между топливной экономичностью ДВС и токсичностью ее отработавших газов. Особенность решения задачи заключается в том, что максимальный КПД двигателя достигается на при работе на обедненной топливовоздушной смеси, а максимальное снижение токсичности отработавших газов достигается при стехиометрическом составе, при котором количество топлива, подаваемого в камеру сгорания подается строго в соответствии с количеством воздуха, необходимым для его полного сгорания. Образование окислов азота при этом ограничивается дефицитом свободного кислорода в камере сгорания, а неполнота сгорания топлива нейтрализатором отработавших газов. В современных ДВС датчик для замера концентрации свободного кислорода в ОГ ДВС подает сигнал на электронную систему подачи топлива, которая спроектирована таким образом, чтобы максимально поддерживать стехиометрический состав топливовоздушной смеси в камере сгорания двигателя на всех режимах ДВС. Для гибридных энергоустановок с последовательной схемой, возможно добиться наилучшей эффективности регулирования топливовоздушной смеси из-за отсутствия знакопеременных нагрузок на ДВС. Вместе с тем, с точки зрения топливной экономичности, ДВС стехиометрический состав топливовоздушной смеси не является оптимальным. Максимальный КПД двигателя всегда соответствует смеси обедненной на 10-15 процентов по сравнения с стехиометрической. При этом КПД ДВС при работе на обедненной смеси может быть на 10-15 выше чем при работе на смеси стехиометрического состава. Решение проблемы повышенного выброса вредных веществ, свойственного на этих режимах для ДВС с искровым зажиганием, возможно в результате перевода работы ДВС на водород, бензоводородные топливные композиции (БВТК) или метановодородные топливные композиции (МВТК). Применение водорода в качестве топлива или в качестве добавки к основному топливу может позволить существенно расширить пределы эффективного обеднения топливовоздушной смеси. Это обстоятельство позволяет существенно увеличить КПД ДВС и снизить токсичность отработавших газов.

Применение водорода в качестве моторного топлива может быть эффективно только лишь при создании специализированных конструкций. В настоящее время ведущие производители автомобильных двигателей работают над созданием таких моторов. В принципе, основные направления по которым необходимо двигаться при создании новой конструкции водородных ДВС известны. К ним относятся:

. Применение внутреннего смесеобразования позволит улучшить на 20-30 процентов удельные массогабаритные показатели водородного двигателя.

. Применение сверх бедных водородовоздушных смесей для гибридных энергоустановок даст возможность существенно снизить температуру сгорания в камере сгорания ДВС и создаст предпосылки для повышения степени сжатия ДВС, использования новых материалов, в том числе и для внутренней поверхности камеры сгорания, позволяющих снизить потери тепла в систему охлаждения двигателя.

Очевидно, что практическое внедрение альтернативных видов энергоносителей, позволяющих решить проблему замещения углеводородных топлив, будет проходить поэтапно. Первым этапом в освоении водорода, может стать практическое использование его на существующих автотранспортных средствах в качестве добавки к бензину и природному газу. Такое использование водорода, уже сегодня может дать не только экономический эффект, но и решить экологические проблемы, особенно в крупных мегаполисах. Расширение рынка автотранспортных услуг с использованием малотоксичных автомобилей, работающих на водородо-содержащих топливных композициях, позволит начать формировать инфраструктуру водородных автотранспортных комплексов, накапливать опыт технического обслуживания таких автомобилей, приведет к развитию сети заправочных станций и даст возможность постепенно перейти к следующему этапу - этапу использования водорода в качестве основного топлива для двигателей внутреннего сгорания, а в последствии для электрохимических генераторов, позволяющих осуществлять превращение химической энергии топлива в энергию привода колес электромобиля.

Список используемой литературы

1. Фомин В.М., Каменев В.Ф. Хрипач Н.А. Автомобильный двигатель, работающий на смесевом топливе бензин-водород // АГЗК + Альтернативные топлива. 2006.72-77.

. Кутенев В.Ф., Каменев В.Ф. Перспективы применения водородного топлива для автомобильных двигателей // Конверсия в машиностроении. - 1997. 73-79.

. Пономарев-Степной Н.Н., Столяревский А.Я. Водородная энергетика // 2004.

. Дополнительная учебная и справочная литература.