Сравнение альтернативных видов топлив

 

Использование автомобильного транспорта в жизнедеятельности человека стало неотъемлемой частью общественного развития. Однако моторизация общества выдвигает ряд серьезных социальных проблем, среди которых - экология и сохранение природных ресурсов. Автомобили - основные потребители энергии и один из главных источников загрязнения атмосферы. Наиболее энергоемким и экологически опасным компонентом автомобиля является его энергетическая установка. Главные направления совершенствования автомобильных энергоустановок в настоящее время определяются двумя важнейшими социально-экономическими проблемами:

- рациональным использованием топлива нефтяного происхождения, в том числе заменой его альтернативными энергоносителями;

- снижением вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду.

Постоянно ужесточающиеся международные требования по ограничению выброса вредных веществ автотранспортными средствами (АТС) и экономии энергоресурсов требуют от производителей разработки принципиально новых энергетических установок, работающих на новых, экологически чистых видах топлива нефтяного происхождения. На рисунке 1.1 приведена сравнительная оценка влияния различных видов топлива на экологические показатели автомобильного двигателя с принудительным воспламенением отно­сительно традиционного топлива - бензина.

 

Рисунок 1.1 - Сравнительная оценка влияния альтернатив­ных видов топлива на экологические показатели ав­томобильного двигателя с принудительным воспламенением: 1 - бензин; 2 - бензин + продукты его конверсии; 3 - бензин + Н₂; 4 - сжиженный нефтяной газ; 5 - сжатый природный газ; 6 - метанол; 7 - метанол + Н₂; 8 - синтез-газ (Н₂ + СО); 9 - водород (Н₂)

 

Из приведенных гистограмм видно, что од­ним из лучших решений может быть использо­вание водорода или синтез газа с большой кон­центрацией водорода как альтернативного топ­лива для энергетической установки АТС.

Очевидным преимуществом водорода является его неисчерпаемые ресурсы в природе и возможность получения из возобновляемых сырь­евых источников. Водород обладает чрезвычай­но высокой энергоемкостью (почти в три раза больше, чем у традиционных нефтяных топлив) и уникальными кинетическими характе­ристиками. Кроме того, продукты сгорания во­дорода практически не содержат вредных ком­понентов на основе углерода (оксида и диоксида углерода, углеводородов и альдегидов).

На рисунке 1.2 приведены регулировочные токсические характерис­тики опытного образца двигателя при питании его водородом и бензовоздушными смесями.

Рисунок 1.2 - Токсические регулировочные характеристи­ки двигателя 4 - 7,9/8,0 при использовании водоро­да и водородных смесей (n = 2700 мин¹, N = 6,2 кВт)

В ходе проведенных ранее исследований ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» совместно с Институтом проблем машиностроения НАН Украины были созданы различные варианты опытных образцов автомобилей, работающих на водород­ном топливе. Из-за ограниченного запаса водо­рода на борту автомобиля испытывались вари­анты с комбинированным питанием водородом и бензином, а также исследовалась возможность работы автомобиля на чистом водороде. Результаты испытаний подтвердили экологические преимущества водорода. Даже при смешанном питании двигателя водородом и бензином выбросы оксида углерода снижаются в 10 раз, несгоревших углеводородов - в 2-3 раза, окси­дов азота - в 2 раза. Топливная экономич­ность при работе автомобиля на бензоводородном топливе в среднем на 17 % выше по сравнению с работой на бензине.

Работающий на водороде двигатель с искровым зажиганием имеет возможность качественного регулирования топливовоздушной смеси в очень широких пределах (вплоть до значений коэффициента избытка воздуха 3 и более), что, с одной стороны, открывает перспективы существенного улучшения экономичности двигателя, а с другой - позволяет резко снизить выбросы оксидов азота с отработавшими газами.

При работе на водороде такое обеднение смеси не вызывает сколько-нибудь серьезных проблем устойчивой работы двигателя вследствие увеличения цикловой нестабильности рабочего процесса, в то время как доля рабочих режимов с частичной нагрузкой двигателя в условиях городской эксплуатации автомобиля весьма велика. Поэтому интегральные выбросы оксидов азота при работе транспортного средства на водород­ном топливе в городском цикле в 4-5 раз меньше, чем у двигателя, работающего на углеводо­родном топливе. Отработавшие газы практически не содержат оксида углерода и углеводородов. Таким образом, использование водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей по сравнению с углеводородным топливом имеет преимущества в плане экологической чистоты отработавших газов и значительного повышения экономичности двигателя.

Содержание оксидов азота при работе дви­гателя на водороде при нагрузках менее 65 % в области переобедненных составов топливовоздушной смеси (коэффициент избытка воздуха 1,7-2,0 ед.) снижается на 80-90%, поэтому применение водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей позволяет отказаться от использования дорогостоящих систем нейт­рализации отработавших газов. Значительно снижается и выброс диоксида углерода - ос­новной причины возникновения парникового эффекта, что недостижимо при использовании других видов моторного топлива.

Водород по сравнению с углеводородными топливами имеет преимущества и в плане значительного повышения экономичности двигателя. При работе по внешней скоростной характеристике прирост эффективного КПД составляет 10-13 %, а при работе на режимах с частичной нагрузкой достигает 30 % .

Однако ряд физико-химических свойств водорода, определяющих его моторные качества, ставит серьезные проблемы, без решения которых невозможно осуществить перевод традиционного двигателя на питание водородом. Это уменьшение эффективной мощности при подаче газообразного водорода вследствие крайне низкой плотности, в результате чего его объемные энергетические характеристики значительно ниже, чем у традиционных топлив; возникновение явления обратных вспышек на режимах нагрузок, близких к максимальным; взрывоопасность в случае утечек; охрупчивание металла вследствие диффузии водорода в его поверхность.

Серьезной проблемой является отсутствие экономически оправданных безопасных средств хранения водорода на борту автомобиля для обеспечения его приемлемой энерговооруженности. На сегодняшний день в ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» разработаны и испытаны три способа хранения водорода: в виде сжатого газа в баллонах высокого давления, в сжиженном состоянии в криогенных резервуарах и в связанном состоянии в металлогидридных аккумуляторах. Даже наилучший из них - криогенный - уступает в несколько раз по энергоплотности нефтяным топливам, не говоря уже о том, что в техническом отношении он неизмеримо сложнее систем хранения и транспортировки жидких нефтяных топлив. Поэтому применение водорода в автомоби­ле сразу упирается в проблему энерговооруженности (или, проще говоря, запаса хода) автомобиля. Существующие системы хранения водорода неприемлемы для автотранспорта либо из-за малой емкости, либо из-за технической сложности и недостаточной безопасности в эксплуатации и аварийных ситуациях.

Перевод автомобильных двигателей на пи­тание водородом связан с созданием развитой инфраструктуры: производство водорода в про­мышленных масштабах транспортировка к местам заправки- создание сети заправочных станций. Такая инфраструктура, по мнению западных экспертов, будет создана только через 20-30 лет.

Рассмотренные технические проблемы, которые связанные с созданием мобильного, экономически оправданного в производстве, безопасного и надежного в эксплуатации водородного двигателя, обусловлены большими затратами, а без их решения невозможно внедрение водорода в качестве топлива для автотранспортных средств.

Так же внимание к использованию водорода в двигателях внутреннего сгорания и в других энергетических установках продолжает расти. Во-первых, вследствие очень огромных его запасов в природе, и, во-вторых, благодаря почти полному отсутствию в продуктах его сгорания основного парникового газа – двуокиси углерода.

Для оценки перспектив эффективного использования водорода в ДВС рассмотрим свойства самого водорода и продуктов его сгорания в сравнении с другими традиционными и альтернативными топливами (таблица 1.1).

При работе на воздухе последнее свойство водорода не представляется опасным в виду его малой плотности, что препятствует образованию взрывоопасных концентраций водорода в воздухе. В то же время это свойство позволяет обеспечивать, при необходимости качественное регулирование ДВС.

 

Таблица 1.1 - Свойства и продукты сгорания различных видов топлив

Параметры	ДТ	СУГ	Метан	Метанол	Этанол	Бензин	Димет- эфир	H2
пропан	бутан
Hu, МДж/кг	42,5	46,35	45,7		19,5			27,6
				0,66					0.092
Цетановое число	40-55			-			-	>55	-
Температура само-воспламенения,
Октановое число	-	111,5						-	90-95
	14,4	15,8	15,6	17,4	6,5		14,96		34.8
	2,95	2,93	2,93	2,87		2,78	2,94	3,07	3.44
Точка (пределы) кипения,	180-370	-42	-0,6	-162			35-190	-25	-252.8
Пределы взрыво-опасности (%газа в возд.)	0,6-6,5	2,05-11,38	1,68-10,3	5-15	5,5-26	3,5-15	1,5-5,9	3,4-18	4-76
Кажущаяся молек. масса,	180-200	44,097	58,124	16,0			110-120
Массовая доля углерода	0,86	0,817	0,827	0,75	0,375	0,522	0,855	0,522
Массовая доля водорода	0,14	0,183	0,173	0,25	0,125	0,13	0,145	0,13
Массовая доля кислорода					0,5	0,348		0,348

Важное значение для условий хранения водорода имеет очень низкая температура его кипения. Температура самовоспламенения водорода меньше по сравнению с метаном хранение которого в жидком виде сопряжено с трудностями.

В таблице 1.2 приведен состав продуктов сгорания для тех же видов топлив.

Таблица 1.2 - Состав продуктов сгорания топлив

Топливо	Продукт
CO2	H2O	CO2+H2O	N2		CO2%	H2O%	трех атомные газы%
Дизельное	3,19	1,134	4,324	11,256	15,45	20,65	7,35
Бензин	3,135	1,305	4,44	11,1519	15,96	19,04	8,16	27,8
Пропан	2,9957	1,647	4,6427	121,166	16,8	17,80	9,8	27,6
Бутан, изобутан	3,032	1,557	4,589	12,012	16,6	18,20	9,4	27,6
Метан	2,75	2,25		13,4	18,4	14,95	12,25	27,2
Метанол	1,375	1,125	2,5	5,02	7,52	18,30	14,9	33,2
Этанол	1,914	1,17	3,084	6,976	10,06		11,65	30,65
Диметилэфир	1,914	1,17	3,084	6,976	10,06		11,65	30,65
Водород				26,78	35,78		25,15	25,15

Отметим наименьшее содержание в продуктах сгорания стехиометрических водородно-воздушных смесей трехатомных газов, что, как известно может способствовать повышению экономичности цикла двигателя. Следует отметить, что в случае использования водорода трехатомные газы состоят из водяного пара, обладающего наибольшей теплоемкостью, что может отрицательно влиять на показатели цикла.

В таблице 1.3 приведены значения теоретического коэффициента молекулярного изменения при внешнем смесеобразовании для ряда моторных топлив.

Таблица 1.3 - Значения теоретического коэффициента молекулярного изменения при внешнем смесеобразовании

Топливо	Бензин	Пропан	Бутан	Метан	Метанол	Этанол	Диметил- эфир	Водород
	1,052	1,084	1,081		1,14	1,105	1,105	1,21

При использовании водорода имеет наибольшее значение, что должно способствовать, при прочих равных условиях, повышению давления в цилиндре в процессе горения и, как следствие, повышению работы цикла.

Приведенные выше данные подтверждают возможность работы водородного двигателя с качественным регулированием. Что же касается экономического цикла при использовании водорода, то свойства продуктов сгорания без специальных расчетных исследований не позволяют прогнозировать, в каком направлении по сравнению, например, с бензином могут изменяться показатели цикла при использовании водорода.