20.Применение водорода для питания ДВС

20. Применение водорода для питания ДВС

Есть два пути использования водорода в качестве топлива на автомобилях.

Первый – непосредственное его сжигание в двигателях внутреннего сгорания.

Второй – использование водорода для питания топливных элементов.

Рассмотрим каждый из этих способов

1)Перевод на водород обычных ДВС не только делает их полностью «чистыми», но и повышает термический КПД, улучшает характеристики мотора, делая их более «гибкими», эластичными. Над идеей сжигания водорода в ДВС работают инженеры многих автомобильных компаний – например, BMW, Honda, Mazda. Они предлагают пока сохранить в автомобиле возможность ездить и на бензине (по аналогии с распространенными ныне двухтопливными системами «бензин/газ»). Такой подход, по замыслу конструкторов, облегчит постепенный переход автотранспорта полностью на водородное питание. Так, BMW уже выпускает, пусть и не серийно, модели седьмой серии, оснащенные двигателями, работающими на водороде. В перспективе концерн намерен оснащать водородными двигателями все свои автомобили.

Автомобиль Honda FCX Clarity, также с водородным двигателем, должен появиться на рынке уже нынешним летом. Пока, правда, только на американском.

2) Сегодня водородное будущее автотранспорта большинство экспертов опять связывают с топливными элементами, или водородными топливными ячейками (fuel-cell vehicle, FCV). Никаких движущихся частей, никаких взрывов. Водород и кислород тихо-мирно соединяются в «ящике с мембраной» (так упрощенно можно представить топливный элемент) и дают водяной пар плюс электричество.

Концерн General Motors начал эксперименты с топливными элементами еще в 60‑ х годах прошлого столетия. Тогда в Детройте построили микроавтобус с электродвигателем мощностью 32 кВт, получавшим энергию от батарей из 32 блоков топливных элементов. Питаясь водородом из стальных баллонов, микроавтобус мог пройти на одной заправке до 200 км. Но когда топливный кризис 70‑ х был преодолен, о топливных элементах забыли, их американцы применяли лишь в рамках своей лунной программы – так, на орбитальной станции NASA Skylab (1973‑ 1979 годы) они были едва ли не основными источниками энергии.

21. Использование спиртового топлива в двигателях

Среди различных спиртов и их смесей наибольшее распространение в качестве моторного топлива получили метанол и этанол. Их основными недостатками являются пониженная теплота сгорания, высокая теплота испарения и низкое давление насыщенных паров, но в целом по моторным свойствам этанол лучше метанола.

Высокие антидетонационные качества определяют преимущественное использование спиртов в двигателях внутреннего сгорания с принудительным (искровым) зажиганием. При этом основные мероприятия по переводу автомобилей на работу на чистых спиртах сводятся к увеличению вместимости топливного бака (в случае необходимости сохранения беззаправочного пробега), увеличению степени сжатия двигателя до 12—14 с целью полного использования детонационной стойкости топлива и перерегулировки карбюратора на более высокие его расходы (в соответствии со стехиометрическим коэффициентом) и большую степень обеднения смеси. Низкое давление насыщенных паров и высокая теплота испарения спиртов делают практически невозможным запуск карбюраторных двигателей уже при температурах ниже +10°С. Для улучшения пусковых качеств в спирты добавляют 4—6% изопентана или 6—8% диметилового эфира, что обеспечивает нормальный пуск двигателя при температуре окружающего воздуха от —20 до —25 °С. Для этой же цели спиртовые двигатели оборудуются специальными пусковыми подогревателями. При неустойчивой работе двигателя на повышенных нагрузках из-за плохого испарения спиртов требуется дополнительный подогрев топливной смеси с помощью, например, отработавших газов.

С энергетической точки зрения преимущества спиртов заключаются главным образом в высоком к. п. д. рабочего процесса и высокой детонационной стойкости. Величина к. п. д. спиртового двигателя выше бензинового во всем диапазоне рабочих смесей, благодаря чему удельный расход энергии на единицу мощности снижается.

При использовании спиртовых топлив снижается содержание контролируемых вредных компонентов отработавших газов автомобиля. Благодаря низким температурам горения спиртов на единицу расходуемой энергии и топлива выделяется значительно меньше, чем у бензина оксидов азота. Одновременно вследствие улучшения полноты сгорания спиртовых смесей выбросы СО и СН* также уменьшаются. Выбросы канцерогенных ароматических углеводородов также на порядок ниже, чем при работе двигателя на бензине.

Наряду с положительной экологической эффективностью использования спиртовых топлив следует отметить и такие негативные явления, как повышенные выбросы альдегидов и испарения углеводородных соединений. Содержание альдегидов растет с увеличением концентрации спиртов в топливной смеси. Для метанола характерны выбросы формальдегида, в то время как при сгорании этанола образуется преимущественно ацетальдегид. Минимальные выбросы альдегидов соответствуют стехиометрическому составу топливной смеси и возрастают при ее обеднении или обогащении. В среднем выбросы альдегидов при работе на спиртах примерно в 2—4 раза выше, чем при работе двигателя на бензине. Их снижения добиваются при добавке к спиртам воды (до 5%) и присадок к топливу до 0, 8% анилина, подогреве воздуха на входе в двигатель.

Эксплуатационные свойства метанольного топлива, и в первую очередь энергетические показатели и пусковые качества, улучшаются при дополнительном вводе высших спиртов и эфиров. Такие топлива получили название смесевых спиртовых топлив. Испытания одной из композиций смесевого топлива показали увеличение мощности двигателя на 4—7% и улучшение топливной экономичности (в сравнении с чистым метанолом) — на 10—15%, при этом содержание в отработавших газах оксидов азота снижается на 25—30% в сравнении с работой на бензине.