Utilizarea hidrogenului drept carburant - toate transportul gazului

Primele experimente folosesc hidrogenul drept combustibil sunt din nou la anii 1920. când gazul să fie umplut dirijabile, de asemenea, utilizat pentru alimentarea motoarelor dirijabil. În timpul al doilea război mondial, Leningrad, tăiat de la alimentarea cu combustibil lichid la balon cu hidrogen de evacuare a fost folosit cu succes pentru motoarele de stații mobile. Experimentele privind utilizarea hidrogenului drept combustibil de motor au fost, de asemenea, în anii de după război, cu toate acestea, nu au fost dezvoltate în principal datorită faptului că nevoia practică de înlocuire a combustibililor din petrol la momentul respectiv nu a fost încă.

Hidrogenul poate fi considerat un combustibil ideal datorită încălzirii sale ridicate de ardere, rezerve inepuizabile, protecția mediului: evacuare conține doar vapori de apă pură (fără oxizi de carbon, funingine și fum). Cu toate acestea, aceste proprietăți benefice atunci când sunt utilizate în hidrogen drept combustibil și au direcția opusă. În primul rând, și, deși hidrogenul este cel mai abundent element de pe Pământ, în formă liberă, este deconectat. Main (număr) substanță care conține hidrogen - apă. Pentru izolarea din acestea de hidrogen necesar să consume o cantitate de energie mai mare decât cea obținută la arderea combustibilului în motor.

Căldura de combustie a hidrogenului pe unitate de masă efectiv de aproape trei ori mai mare decât valoarea corespunzătoare pentru combustibilii lichizi. Dar pentru arderea 1 kg de hidrogen este, de asemenea, necesar de aproape trei ori mai mult oxigen. În consecință, valoarea calorică per unitate de volum stoichiometric (care conține cantitatea minimă necesară de oxigen), un amestec de hidrogen-aer este chiar mai mic decât combustibilii de hidrocarburi lichide și gazoase. Adică, atunci când modul extern de încărcare, tipic de motor pe benzină cu combustie internă și aceeași eficiență a motorului de hidrogen va furniza aproape 20% mai puțină energie decât benzina sau gaz. Valoarea calorică redusă a amestecului hidrogen aer datorită mare volum specific de hidrogen, cu toate acestea, dacă hidrogenul alimentat în cilindru după închiderea temporizarea supapei de admisie, raportul gaz poate fi optimizat. Aceasta implică stocarea și furnizarea de hidrogen sub presiune, iar designul special al sistemului de alimentare cu combustibil.

În sfârșit, teza cu privire la siguranța totală a gazelor de eșapament a motorului hidrogen necesită, de asemenea, unele ajustări. Într-adevăr, la o ardere de hidrogen, vapori de apă se formează într-un mediu de oxigen. Cu toate acestea, arderea amestecurilor de hidrogen-aer, precum și hidrocarburi ale combustibililor, azotul atmosferic este oxidat pentru a forma oxizi foarte dăunătoare NO și NO2. Numărul lor poate fi chiar mai mare decât cea a unui motor pe benzină (ceteris paribus), datorită temperaturilor mai mari în zona de ardere. Mai mult decât atât, totuși un alt experiment observații asociate cu o descărcare intensă în atmosferă de vapori de apă. De asemenea, trebuie remarcat faptul consumul inevitabil de ulei lubrifiant prin ardere.

Dar, în ciuda toate acestea, avantajele de hidrogen combustibil pentru motoarele vehiculelor sunt evidente. Mai mult, în condițiile epuizării resurselor de combustibili fosili „hidrogen“ poate fi acționat de motorul împreună cu motorul, singura alternativă. Deja astăzi, astfel de motoare (si electrice) pot fi utilizate în cantități limitate într-un restricții foarte severe privind compoziția gazelor de evacuare. Este necesar să se mențină cercetarea și dezvoltarea acestora pe baza perspectivei, chiar și la distanță.

Cu toate acestea, înainte de producția în serie a vehiculelor pe bază de hidrogen, trebuie să rezolve o serie de probleme serioase. În primul rând, este necesar să se asigure producerea hidrogenului în cantități suficiente. Cele mai multe tehnologii utilizate în acest scop în industria chimică, materiile prime sunt combustibili fosili - gaze naturale. ulei. In acest consumat cantități mari de energie primite de o parte din căldura de ardere a hidrocarburilor de alimentare. Materiile prime pot fi utilizate de asemenea, și cărbune, dar în acest caz, pierderile de energie sunt mai mari decât în ​​prepararea cocsului, iluminând sau gaz generator de (în „motor“ ei un pic inferioare proprietăților de hidrogen). Mai mult, reducerea hidrogenului din apa folosind un oxigen eliberat de cărbune oxidează carbon, ceea ce conduce la formarea de CO2 - principalul factor al efectului de seră. Pentru a furniza combustibil de hidrogen un parc auto substanțială va fi necesară o creștere a producției de cărbune de mai multe ori.

Tehnologia versatilă și ecologic sigură a producției de hidrogen, pe baza electroliza apei. Cu toate acestea, acest lucru presupune că înțelegerea globală a surplusului de energie electrică nu este de așteptat, deoarece consumul de energie crește mai repede decât sunt puse în noi centrale electrice de operare. Cu toate acestea, aspectul local, astfel de exces de fapt există - este, în principal centrale hidroelectrice și nucleare. Complexitatea controlului puterii în puterea acestor forțe să caute modalități de a utiliza excesul de energie în timpul perioadelor de reducere a sarcinii, mai ales pe timp de noapte. Cu condiția o cerere suficient de larg, această energie ar putea fi utilizate în producția de hidrogen combustibil. O altă rezervă asociată cu energia nucleară, în care hidrogenul format în sistemele de răcire a reactorului.

De asemenea, este necesar să se rezolve problema metodelor raționale de stocare a hidrogenului pentru utilizare drept combustibil. hidrogen liber, precum și alte gaze combustibile pot fi depozitate fie sub formă de comprimate sau lichefiate. Mai mult, există metode de depozitare în formă legată chimic, care prevede eliberarea hidrogenului direct la bordul vehiculului înainte de intrarea în motor. Compararea diferitelor exemple de realizare prezentate în tabel. Ca parametru de bază pentru compararea densității energiei selectate - cantitatea de energie la 100 de procente pot fi obținute folosind per 1 kg de sistemul de stocare.

După cum arată tabelul, datorită densității scăzute a stocului de stocare a hidrogenului, asigură egal cu combustibilul lichid motor, necesită masă considerabil de mare. În 1970-80-e. când dezvoltatorii erau disponibile doar cilindri de oțel, cu posibilitatea de stocare a hidrogenului în butelii nu este considerată în mod serios. O metodă de stocare criogenică în perioada nu a fost încă adus la un nivel care să permită utilizarea sa la autovehicule. Atenția principală a fost acordată hidrură și reactori pe bază de aliaje gidroreagiruyuschih.

Prima variantă se bazează pe capacitatea de hidrogen pentru a forma un compus metalic instabil - hidruri. În anumite condiții, acești compuși se descompun cu eliberarea de hidrogen liber. Poate fi folosit, de exemplu, hidrură de lantan-nichel LaNi5 H6. Recipientul cu hidrură conținând hidrogen de 0,5 kg are o masă de 40 până la 45 kg. În consecință, consumul specific de energie al acestui rezervor 1100.1300 kJ / kg (ca în cilindru de oțel).

Tabel. Consumul specific de energie de combustibil per 1 kg de sistem de stocare în masă

Brichetă magneziu nichel hidrură de Mg2 NiH4 furnizează energie specifică de aproximativ 4000 kJ / kg. Temperatura de disociere a acestei hidrură este 287 ° C, astfel încât hidrură trebuie încălzit de gazele de eșapament. Acest lucru poate fi dificil de a furniza hidrogen la sarcini mici atunci când temperatura gazului nu este suficient de mare.

Este de asemenea posibilă producerea hidrogenului bazate pe reacția apei cu aliaje gidroreagiruyuschimi. Această lumină aliaje metalice cu aditivi care furnizează flux rapid de procese fizico-chimice. reacția de apă și de aluminiu și magneziu au forma:

În consecință, pentru producerea hidrogenului necesită 1 kg până la 9 kg sau 12 kg de aluminiu și magneziu. Mai mult, în reacții folosind 18 kg de apă per 1 kg de hidrogen. Astfel, consumul specific de energie (excluzând greutatea elementelor care intră în sistemul de reactor), respectiv, 3800 și 3400 kJ / kg.

Un avantaj de stocare a hidrogenului într-o formă legată chimic o siguranță ridicată. Deoarece hidrogenul eliberat este imediat ars în motor, cantitatea de gaz liber într-un sistem de vehicul care formează un amestec exploziv cu aerul, - minimum.

In 1980, la Institutul Politehnic din Leningrad de cercetare asupra instalațiilor motorii complexe folosind reactoare de pe bază de aliaje de magneziu gidroreagiruyuschih a fost efectuat [1]. Ca urmare a acestor lucrări au fost create modele de reactoare funcționale pentru afișe și instalații cu motor de automobile. Au fost investigate în detaliu special motoarele de flux de lucru pentru combustibil de hidrogen, a efectuat o gamă largă de modele de testare experimentale. Aliajul de magneziu sub formă de așchii a fost încărcat în casetă detașabilă specială, care este apoi instalat în reactor. Apa din cantitatea dozată pompat prin reactor și amestecul format abur se usucă într-un frigider. Apoi, aproape hidrogen pur a fost alimentat în galeria de admisie a motorului.

In ultimul deceniu, progrese semnificative în tehnologia de stocare a combustibililor gazoși care pot fi utilizate pentru hidrogen. Astfel, prin Diehl proiectat construcția multistrat care cuprinde un manșon de aluminiu interioară și straturi alternative inelare de plastic și înfășurările șuruburilor. Pe acest proces bază a creat o serie de cilindri care variază de la 4 la 150 de litri, care sunt proiectate pentru o presiune de lucru de 20 sau 30 MPa. Raportul în greutate de balon la capacitatea sa de 0,6 kg / L.

Compania de design Mannesman Porțiunea de cilindru interior este fabricat dintr-un oțel înalt aliat, iar armătura exterioară este o înfășurare din material fibros - rezistența specifică de zece ori mai mare decât cea a oțelului. Presiunea de lucru este, de asemenea, 20 sau 30 MPa, volumul - 60 până la 165 de litri, iar greutatea - de la 46 la 110 kg, adică valoarea specifică 0.6. 0,8 kg / l.

compania Brunswick ofera versiunea toate din plastic realizate din trei straturi de materiale cu proprietăți diferite. Potrivit producătorului, greutatea acestor butelii (la volume egale și presiuni de gaz stocate) este din aluminiu și 1,5 și de 2 ori, respectiv, și aproape de 4 ori mai mică decât masa containerelor din oțel armat armat - containerele de construcție din oțel.

La stocarea hidrogenului sub formă lichidă, este chiar mai bine. De exemplu, masa totală a tancului criogenice TSC 0,09 / 1,2, cele care conțin 90 litri de gaz lichefiat - 100 kg. Căldura specifică pe unitatea de masă, în acest caz, aproximativ 7000 kJ / kg, adică numai de 4 ori mai mică decât cea pentru combustibilii lichizi. Cu toate acestea, aceasta crește în mod semnificativ consumul de energie pentru lichefierea deoarece temperatura hidrogenului lichid este de aproximativ 20 K. In rezervoarele criogenice industriale dezvoltate în prezent și utilizate pentru instalațiile mari - locomotive, pentru nave maritime, aviație. Pe lângă creșterea consumului de energie, utilizarea metodei de stocare criogenice necesită rezolvare o astfel de problemă, deoarece utilizarea sau retragerea gazului de evaporare în timpul opririi motorului.

În practică, designul utilizat sistemele de motoare auto bazat pe utilizarea ca un balon, astfel încât hidrură și sisteme criogenice.

Anumite dificultăți sunt asociate cu furnizarea de putere a motorului egală atunci când funcționează cu hidrogen și benzină. Mai mult, există posibilitatea de a amestecurilor care conțin hidrogen la aprindere prematură de piese de motor fierbinți și gazelor fierbinți. Când o aprindere prematură carburație extern duce la „efecte inverse“ a amestecului în colectorul de admisie, ceea ce este periculos în ceea ce privește fiabilitatea și siguranța în funcționare.

Experimentele speciale a stabilit o corelație fiabilă între graniță „pops“ în galeria de admisie și o cantitate specifică de aport de căldură prin ardere pe unitate de masa corporala [2]. Sa demonstrat că securitatea este asigurată nu mai puțin de 2. Astfel, dacă nu se iau măsuri speciale, puterea motorului este hidrogen este de aproximativ 2,5 ori mai mică decât cea a benzinei când coeficientul excesului de aer. De exemplu, pentru un motor VAZ-2111 putere este redusă 52-27 kW.

Există mai multe abordări pentru a compensa pentru putere. Menținându carburație exterior cu o soluție rațională mixer comună este de a furniza combustibil suplimentar la condiții apropiate de puterea nominală. Această abordare a fost utilizată, în special, dezvoltarea sistemului de alimentare cu combustibil pentru un motor VAZ-2111 [3]. Concomitent cu aceste circuite pot fi reduse și masa necesară a sistemului de stocare a hidrogenului. Dar economia de combustibil lichid și reducerea toxicității gazelor de eșapament implementate doar parțial. Motorul funcționează cu hidrogen pur doar la ralanti și sarcini reduse. În cazul în care se consideră că aceste moduri au o mare parte a timpului de funcționare și proporția principală a emisiilor de oxizi de carbon și hidrocarburi nearse, atunci este un progres în comparație cu un motor pe benzină.

La punerea în aplicare circuite mixte are nevoie de putere algoritm de management alegere a informat controlul compoziția amestecului, care va asigura un consum minim de combustibil și în cele din urmă limitarea emisiilor în atmosferă a produselor de ardere toxice. O astfel de selecție este posibil bazată pe un flux de lucru de modelare, de schimb de gaze, condiții de temperatură și de evacuare ale motorului integrate de emisii. Acest lucru ar trebui să fie luate în considerare abaterile probabile în procesul de ardere, care, la rândul său, va identifica modalități de a le rezolva.

Fig. 1 prezintă variația maximă, cu condiția să nu „cottons“, capacitatea motorului la diferite formulări de amestec benzovodorodovozdushnoy. Din graficele că motorul indicatorilor de conservare cardinalitate benzină de bază este posibilă numai la un raport în greutate de costuri de hidrogen și benzină nu mai mult de 5%. Acest rezultat este în întregime în concordanță cu datele anterior efectuat studii experimentale.

Toate cele de mai sus sunt valabile în cazul sistemelor de carburație tradiționale - sau sisteme carburator cu injecție continuă a combustibilului într-o galerie de admisie. schemă mai recente facilitează în mare măsură problemele asociate cu riscul de a „popping“. Astfel, în injectorul de carburant poate fi înlocuit cu sisteme cu valve de injecție a gazului dozat și configura sistemul de control electronic pentru alimentarea hidrogenului în cilindru în cursa de admisie după închiderea supapei de evacuare. Acest lucru evită pătrunderea hidrogenului în colectorul de evacuare și contactul său cu gazele de eșapament. În plus, lipsa de amestec colector hidrogen aer de admisie reduce substanțial riscul de explozie în rezervor. Cu toate acestea, amestecul de contact în cilindrul cu părțile fierbinți - supapa de evacuare și izolatorul bujiei - inevitabilă. Într-o anumită măsură, problema poate fi rezolvată prin introducerea unor măsuri de îmbunătățire a răcirii.

Cu toate acestea, reducerea totală de energie în comparație cu versiunea pe benzină este iminentă. În anumite cazuri, acest lucru poate fi tolerat având în vedere că reducerea puterii este compensat în mod dramatic a reduce toxicitatea gazelor de eșapament. În plus, motorul funcționând la un amestec de hidrogen aer sărac, și emite cantitate minimă de oxizi de azot prin scăderea temperaturii în zona de ardere. Reducerea puterii poate fi compensată prin impuls. Acest lucru va necesita o prelucrare semnificativă a structurii de bază a motorului, în principal, pentru consolidarea pieselor, care primesc solicitări mecanice.

Soluția cea mai radicală este de a utiliza circuite cu formarea amestecului intern și cu aprindere prin scânteie. În primul rând, valoarea calorică a gazului combustibil (prin alimentarea cu combustibil direct în cilindru) trebuie atribuită nu volumului total de hidrogen și gaz combustibil în rezervor, dar în mod direct cu cantitatea de aer furnizată la cilindru. Prin urmare, specificul

Fig. 1. Dependența puterii maxime a motorului VAZ-2111 care funcționează la diferite formulări

amestec benzovodorodovozdushnoy (acceleratie complet deschis)