CC BY
245
УДК 621.433.2:629.352
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ОБРАЗЕЦ ВОДОРОДНОГО АВТОМОБИЛЯ НА БАЗЕ МОДЕЛИ ГАЗ-2705
А.М. Левтеров, доцент, к.т.н., ХНАДУ, В.Д. Савицкий, научн. сотр., ИПМаш им. А.Н. Подгорного НАН Украины
Аннотация. Изложены основные положения разработанной концепции конвертирования двигателей внутреннего сгорания на питание водородом. Приведены результаты работы по созданию экспериментального образца водородного автомобиля на базе модели ГАЗ-2705.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, бензин, водород, обратная вспышка, автомобиль.
Введение
Непрерывный рост энергетических потребностей человечества, приводящий к ускоренному истощению ресурсов органического топлива и все увеличивающемуся загрязнению окружающей среды, создаёт ситуацию, которую все чаще характеризуют как энергоэкологический кризис. Поэтому в широком масштабе ведутся поиски решения проблемы уменьшения расхода невозобновляемых источников энергии и снижения темпов загрязнения окружающей среды вредными выбросами. В этих условиях все больший интерес представляет концепция водородной энергетики, т.е. использования водорода в широком промышленном масштабе в качестве носителя энергии, в том числе и на транспорте.
Перспективность применения водорода для автомобильных двигателей определяется прежде всего экологической чистотой, неограниченностью и возобновляемостью сырьевых запасов, а также уникальными моторными качествами, что открывает возможность его широкого применения в современных двигателях без существенных конструктивных изменений. Однако некоторые физические свойства водорода ставят ряд серьезных научно-технических проблем, требующих решения при конвертировании двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Основными из этих проблем являются: разработка наиболее эффективных способов работы двигателей на
водороде, исключающих нарушения стабильности протекания рабочего цикла (обратная вспышка и калильное зажигание); разработка систем топливоподачи и способов аккумулирования водорода на борту автомобиля, а также решение ряда самостоятельных вопросов, прямо не связанных с автомобилем, но без учета которых проблема неразрешима, а именно - получение водорода по цене, конкурентоспособной с нефтяными моторными топливами, его транспортировка и хранение, создание инфраструктуры, обеспечивающей эксплуатацию автомобильного транспорта на водороде.
Конвертирование ДВС на питание водородом
Основной проблемой, возникающей при переводе поршневых двигателей на питание водородом, является воспламенение свежего заряда на такте впуска, именуемое специалистами обратной вспышкой, которая проявляется в виде хорошо прослушиваемых хлопков во впускном коллекторе и практически всегда приводит к остановке двигателя.
Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в Институте проблем машиностроения НАН Украины, позволили сделать вывод о том, что обратная вспышка является следствием очень низкой энергии воспламенения водородовоздушной смеси близкого к стехиометрическому состава и
происходит во время перекрытия впускного и выпускного клапанов в результате контакта смеси с горячими отработавшими газами [1].
Различные способы подавления обратной вспышки (такие, как рециркуляция отработавших газов, впрыскивание воды в цилиндр или во впускной коллектор, подача водорода при низких температурах и цикловая подача его с запаздыванием относительно момента открытия впускного клапана), подвергнутые экспериментальной проверке, оказались либо малоэффективными, либо требующими разработки сложных технических устройств для своей реализации.
В качестве альтернативы перечисленным методам предотвращения обратной вспышки был предложен способ работы ДВС [2] с непрерывной подачей водорода во впускной коллектор (в зону перед впускным клапаном). При этом в первый момент после открытия клапана в цилиндр поступает только богатая водородом невоспламеняющаяся смесь, благодаря чему температура остаточных газов снижается и воспламенение водородовоздушной смеси не происходит. Такой способ борьбы с обратной вспышкой не ухудшает технико-экономические показатели водородного двигателя, а его конструктивное воплощение отличается простотой и отсутствием подвижных деталей.
Реализация описанного способа осуществляется заменой штатного впускного коллектора специальным, соотношение основных конструктивных параметров которого описано по-луэмпирическими зависимостями [3]. Оснащение нескольких моделей двигателей специальными впускными коллекторами показало, что все они работали на водороде устойчиво, причем во всем диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала и коэффициента избытка воздуха.
Поисковые работы по альтернативным способам подавления обратной вспышки и оптимизации параметров рабочего цикла поршневого водородного ДВС были продолжены. Так, для исключения обратной вспышки приняты меры по снижению температуры продуктов сгорания на номинальном и близких к нему режимах работы водородного двигателя. В частности, проведены теоретические исследования влияния соотношения между степенью сжатия (е) и
коэффициентом избытка воздуха (а) на основные показатели водородного ДВС [4]. Численное моделирование рабочего цикла показало, что одновременное увеличение s и а при неизменном среднем индикаторном давлении (pi) и некотором росте максимального давления позволяет увеличить индикаторный КПД, а также снизить максимальную температуру и температуру продуктов сгорания в момент открытия выпускного клапана. Причем последнюю - до величины, при которой обратная вспышка не возникает. Такой подход дает еще один, наряду с описанным выше [2], способ решения проблемы возникновения обратной вспышки в водородном двигателе. Для удобства использования данного метода были выведены универсальные аналитические зависимости [5] для подсчета минимальных и более высоких значений степени сжатия и коэффициента избытка воздуха при соблюдении условия p = const.
Следует однако отметить, что существенное увеличение степени сжатия (до 8=11,0 и выше) приводит к необходимости разработки специальной головки цилиндров для водородного двигателя. Но и небольшое увеличение 8, достигнутое доработкой (фрезерованием) штатной головки, приводит к снижению температуры продуктов сгорания и в сочетании с описанным выше способом [2] значительно упрощает задачу подавления обратной вспышки при одновременном улучшении показателей водородного ДВС.
Как отмечалось выше, еще одним серьезным нарушением стабильности протекания рабочего цикла водородного двигателя является преждевременное воспламенение водородовоздушных смесей, близких по составу к стехиометрическим, в процессе сжатия, или калильное зажигание. В качестве средства борьбы с этим явлением использовалась тщательная подготовка камеры сгорания, а именно устранение царапин, острых кромок и снятие нагара (если двигатель до конвертирования работал на бензине). Но все же наиболее важным фактором предотвращения калильного зажигания является выбор типа свечей зажигания, в частности, для двигателя ЗМЗ-4026 наилучшими оказались свечи BU8H фирмы NGK, в которых в качестве бокового электрода используется корпус свечи при отсутствии элементов с ухудшенным теплоотводом.
При выборе способа регулирования мощности водородного двигателя ставилась задача достижения высокого уровня эффективного КПД во всем диапазоне нагрузок вплоть до холостого хода. Широкие концентрационные пределы воспламенения водородовоздушных смесей свидетельствуют о возможности качественного регулирования мощности водородного двигателя. Однако анализ данных, полученных при проведении экспериментальных исследований, показал, что при а > 3,5 ^ 4,0 наблюдается снижение индикаторного КПД. Поэтому для достижения высокой эффективности рабочего цикла водородного двигателя на малых нагрузках было бы целесообразно ограничивать максимальное значение коэффициента избытка воздуха указанной величиной, т.е. применять смешанное регулирование. И все же на определенном этапе разработки концепции водородного двигателя с целью упрощения системы управления им вполне допустимо остановиться на качественном регулировании мощности. В пользу этого утверждения свидетельствует и тот факт, что, несмотря на очевидную эффективность применения дросселирования на малых нагрузках (до 30 % на холостом ходу), суммарное снижение расхода водорода при работе по городскому циклу составляет всего около 3 - 4 %. В дальнейшей нашей работе этот резерв повышения топливной экономичности конечно же будет использован.
Результаты стендовых испытаний двигателя ЗМЗ-4026 с увеличенной до 8,9 степенью сжатия и установленным специальным впускным коллектором при качественном регулировании мощности, приведенные на рис. 1, иллюстрируют высокую эффективность рабочего цикла при работе на водороде по описанному выше способу. Около 60 % рабочей зоны универсальной характеристики по эффективному КПД имеет уровень выше Пе = 0,3, т.е. зона наилучшей экономичности водородного двигателя в сравнении с бензиновым значительно обширней и имеет более высокие абсолютные значения (на 15 - 20 % выше, чем у бензинового двигателя). Еще внушительней преимущество водородного двигателя в области малых нагрузок - здесь эффективность его рабочего цикла в 2 раза выше, чем у бензинового двигателя. Последнее обстоятельство имеет решающее значение при использовании водородного автомобильного транспорта в условиях городской
эксплуатации. Что же касается некоторого снижения максимальной мощности при переходе на водород при внешнем смесеобразовании (около 15 %), то оно, в случае необходимости, может быть компенсировано повышением степени сжатия или применением наддува.
0.7
ре,МПа
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0
1000 1500 2000 п, мин:1 3000
Рис. 1. Универсальная характеристика водородного варианта двигателя ЗМЗ-4026 по эффективному КПД (пе) и коэффициенту избытка воздуха (а)
При снятии характеристик двигателя ЗМЗ-4026 на моторном стенде производился отбор проб отработавших газов для анализа на присутствие в них оксидов азота (КОх) и остаточного водорода (Н2). Замер концентрации остаточного водорода в отработавших газах имел целью определить степень полноты сгорания водородовоздушной смеси, а также возможность образования в системе выпуска взрывоопасной концентрации водорода. Проведенные исследования показали, что объемная доля водорода в отработавших газах составляет при стехиометрическом составе смеси около 0,02 %, а при атах - 0,6 %. Указанные концентрации свидетельствуют о высоком качестве протекания рабочего цикла и не являются взрывоопасными, находясь за пределами воспламенения водородовоздушных смесей.
Максимальный выход оксидов азота с отработавшими газами водородного двигателя наблюдается, как и у бензинового двигателя, на режиме 85 - 90 % от максимальной нагрузки. Однако при обеднении водородовоздушной смеси эмиссия оксидов азота резко
падает и при а > 1,9 - 2,0, т.е. при нагрузке менее 65 %, образование оксидов азота практически прекращается. Выявленный характер изменения эмиссии КОх по нагрузочной характеристике дает основания предполагать, что интегральные выбросы этого токсичного компонента при работе транспортного средства с водородным двигателем по ездовому циклу будут невелики, т. к. в этом цикле большую часть времени занимают малые и средние нагрузки.
Аккумулирование водорода на борту транспортных средств
В настоящее время известны три основных принципиально различных метода аккумулирования водорода: в газообразном состоянии в баллонах высокого давления; в жидком состоянии в криогенных сосудах; в связанном состоянии в виде гидридов некоторых металлов и сплавов. Энергетические показатели этих систем в сравнении с бензином приведены в табл. 1.
Таблица 1 Удельные показатели энергоносителей
Среди рассматриваемых способов аккумулирования водорода наиболее высокие массовые энергетические показатели имеет криогенная система. Массовая доля водорода на единицу массы криогенного аккумулятора у ряда экспериментальных автомобильных систем находится в пределах 0,1 - 0,13. Для сравнения, металлогидридные и баллонные аккумуляторы имеют этот показатель 0,01 -0,025 и 0,03 - 0,05 соответственно.
Объемные характеристики криогенного аккумулятора, ввиду малой плотности жидкого водорода и большого объема термоизоляции, оказываются довольно низкими - около 20 -25 л на 1 кг водорода. При сравнении с бензиновым баком криогенный аккумулятор
проигрывает по объему в 4 - 5 раз, металло-гидридный аккумулятор - в 3 - 4 раза. Баллонные системы при давлении водорода 25 МПа имеют этот показатель на уровне 9 -10, а при давлении 40 МПа - 5 - 6.
Несмотря на очень хорошие массовые и объемные показатели, криогенные аккумуляторы водорода могут иметь весьма малую область применения, в основном только для легковых автомобилей с запасом хода более 200 км, и не только из-за высоких энергозатрат на ожижение водорода, но и из-за высокой сложности заправки жидкого водорода, сложности криогенной топливной аппаратуры и высоких требований к культуре обслуживания криогенных систем.
Весьма привлекательным является аккумулирование водорода в обратимых металло-гидридах. Этот метод при относительной простоте и низких энергозатратах на аккумулирование обеспечивает высокую безопасность эксплуатации транспортных средств. Недостатком металлогидридных аккумуляторов является их относительно большая масса на единицу энергии. Однако в случае использования гидридного аккумулятора водорода в качестве противовеса автопогрузчика или другой машины с технологическим балластом отмеченный недостаток полностью устраняется
Аккумулирование водорода в металлокомпозитных баллонах при давлении 25 МПа и более по массовым показателям вдвое превосходит металлогидридные технологии и в такой же пропорции уступает криогенному способу по объемным показателям. Но, даже с учетом низкой стоимости баллонов в сравнении с гидридным аккумулятором и криогенным сосудом, а также возможности использования технического водорода, такой способ аккумулирования из-за его высокой пожаро- и взрывоопасности может применяться только для грузовых автомобилей, где вероятность разрушения баллонов и арматуры при столкновениях и других аварийных ситуациях существенно ниже.
Экспериментальные образцы водородных транспортных средств
Первым автотранспортным средством, двигатель которого (УМЗ-451МП) конвертирован на питание водородом по предлагаемой
Источник энергии Удельная энергоемкость
массовая кДж/кг объемная кДж/л
Водородные аккумуляторы: металлокомпозитные баллоны с давлением 25 МПа 3530 2410
криогенный 12000 5440
металлогидридный ^еТЙ1.7) 1840 6800
Бензин 44000 32120
концепции, стал автопогрузчик модели 4092 [6]. Аккумулирование водорода на борту экспериментальной машины основано на использовании обратимых металлогидридов. Гидридный аккумулятор вместимостью 2,7 кг водорода установлен на место верхней части противовеса, при этом общая масса автопогрузчика и распределение нагрузки по осям не изменились.
Отделением проблем машиностроения, механики и процессов управления АН СССР и Президиумом АН СССР работы по созданию водородного варианта автопогрузчика модели 4092 отнесены к числу важнейших достижений АН СССР за 1987 год. По предложению руководства Одесского морского торгового порта в 1987 году были проведены испытания созданного образца в условиях реальной эксплуатации в складских помещениях порта. В процессе испытаний были подтверждены хорошая работоспособность и экологическая чистота водородного автопогрузчика, а также высказан ряд конструктивных предложений по его усовершенствованию.
Следующим объектом, двигатель которого (УМЗ-417) был конвертирован на питание водородом, стал автопогрузчик модели 4092-01. В отличие от своего предшественника этот экспериментальный образец оснащен существенно более мощным двигателем (за счет увеличения степени сжатия), а его гидридный аккумулятор, полностью заместивший противовес, вмещает 6,8 кг водорода, что обеспечило увеличение продолжительности работы без дозаправки с 2 до 4,5 часа.
Научно-технический опыт, накопленный при разработке водородных вариантов автопогрузчиков двух моделей, позволил создать экспериментальный образец водородного транспортного средства на базе грузопассажирского автомобиля «Г АЗель» модели Г АЗ-2705 с двигателем ЗМЗ-4026.
Полученное на моторном стенде поле характеристик водородного варианта этого двигателя с качественным регулированием мощности позволило разработать систему
автоматического регулирования расхода водорода и угла опережения зажигания (рис. 2). Работает система следующим образом.
Рис. 2. Схема системы топливоподачи и регулирования угла опережения зажигания водородного двигателя: 1 - баллонная рампа; 2 - запорный вентиль; 3 -понижающий редуктор; 4 и 8 - электроклапаны; 5 - электронный блок отключения подачи водорода; 6 - регулировочный вентиль холостого хода; 7 -регулировочный вентиль пускового устройства; 9 - реле; 10 - педаль управления; 11 - соленоид; 12 - механический дозатор; 13 - распределитель зажигания; 14 - центробежный дозатор с ограничителем частоты вращения коленчатого вала; 15 - центробежный регулятор; 16 -
Две
Водород из баллонной рампы 1 через запорный вентиль 2, понижающий редуктор 3 и электроклапан 4 подается к первой ступени регулирования - механическому дозатору 12, управляемому педалью 10 и регулирующему расход водорода по нагрузочной характеристике.
Последовательно с механическим соединен центробежный дозатор - 14, приводимый в действие центробежным регулятором 15 и предназначенный для коррекции расхода водорода по скоростным характеристикам (в его конструкцию введен ограничитель частоты вращения вала водородного двигателя). Центробежный дозатор соединен с трубками специального впускного коллектора двигателя 16.
Параллельно двухступенчатой системе дозирования подачи водорода, запертой в исходном положении педали 10 управления, включена система пусковой подачи водорода и холостого хода. Она дозирует подачу водорода при пуске двигателя и работе на холостом ходу и состоит из регулировочного вентиля 6 холостого хода, электроклапана 8, подключенного через реле 9 параллельно обмотке электростартера двигателя, и регулировочного вентиля 7 пускового устройства.
Электроклапаном 4 управляет электронный блок 5, отключающий подачу водорода при неработающем двигателе и его случайной остановке.
Как показали экспериментальные исследования, в первом приближении оптимальный угол опережения зажигания водородного двигателя не зависит от скоростного режима и определяется только нагрузкой, т. е. положением педали управления, связанной механически с распределителем 13 зажигания. Поэтому в распределителе центробежный корректор отключен. Вакуумный же корректор используется для работы пускового устройства, которое приводится в действие соленоидом 11, подключенным параллельно обмотке стартера.
Бортовая система хранения водорода основана на использовании металлокомпозитных баллонов ёмкостью 67 л, рассчитанных на давление 25 МПа, которые по своим массовым показателям в 4 раза лучше стандартных водородных баллонов емкостью 40 л при давлении 15 МПа. Четыре объединенных общим коллектором облегченных баллона вместимостью 5,39 кг водорода смонтированы на металлической раме, установленной в грузовом отсеке автомобиля. На раме также смонтированы расходный вентиль с редуктором высокого давления и заправочный вентиль, к которому подведен трубопровод от заправочного узла, расположенного в лючке, предназначенном для горловины бензобака (бензобак в конвертированной машине демонтирован). Давление в коллекторе на входе в редуктор высокого давления с целью определения количества оставшегося водорода контролируется манометром, установленным в пассажирском салоне над вторым рядом сидений. Водород после редуктора под давлением около 0,5 МПа поступает по трубопроводу к редуктору низкого давления,
находящемуся в моторном отсеке. Общая масса системы хранения водорода на борту автомобиля составляет около 230 кг.
Дорожные испытания созданного экспериментального образца водородного автомобиля, общий вид и моторный отсек которого представлены соответственно на рис. 3 и 4, проведенные в условиях городской эксплуатации, подтвердили эффективность принятой концепции использования водорода в качестве топлива. При испытаниях по замкнутому кольцевому маршруту протяженностью 41,6 км (4 круга) был определен контрольный расход водорода, который составил
0,0384 кг/км, что при указанном выше количестве водорода на борту обеспечивает пробег автомобиля без дозаправки около 140 км.
Рис. 3. Общий вид экспериментального образца водородного автомобиля на базе модели ГАЗ-2705
Рис. 4. Моторный отсек экспериментального образца водородного автомобиля на базе модели ГАЗ-2705
При испытаниях бензинового прототипа по тому же маршруту расход топлива составил 17,1 л на 100 км или 0,128 кг/км. Пересчет расхода бензина и водорода в тепловые единицы (кДж/км), показал, что переход на питание водородом улучшает экономичность автомобиля на 22 %.
При снятии экологических характеристик автомобиля на части маршрута производился отбор проб отработавших газов в герметичный мешок, находящийся в грузовом отсеке. Сравнительные результаты хроматографирования этих проб, а также измерений концентрации токсичных компонентов на холостом ходу приведены в табл. 2.
Таблица 2 Токсичность отработавших газов автомобиля ГАЗ-2705
Как следует из приведенных в табл. 2 данных, с экологической точки зрения экспериментальный автомобиль имеет безусловное преимущество перед бензиновым прототипом. Перевод его на питание водородом снижает количество оксидов азота в отработавших газах почти в 2 раза, а наличие оксида углерода, несгоревших углеводородов и других токсичных веществ практически сводит к нулю.
Выводы
В итоге выполнения работы по созданию водородного варианта автомобиля ГАЗ-2705, опирающейся на результаты теоретических и экспериментальных исследований рабочих процессов водородного ДВС, а также опыт разработки водородных автопогрузчиков двух моделей, изготовлен и испытан работоспособный экспериментальный образец малотоксичного транспортного средства. Система хранения водорода на борту, представляющая собой рампу из четырех металлокомпозитных баллонов высокого давления, обеспечивает пробег экспериментального автомобиля без дозаправки около
140 км. Эффективность использования энергии топлива водородным автомобилем при эксплуатации в городских условиях на 22% выше, чем у бензинового прототипа. Снижение эмиссии оксидов азота при переводе автомобиля на питание водородом составляет 50%, а выбросы других токсичных веществ практически отсутствуют.
Литература
1. Мищенко А.И., Савицкий В.Д., Байков В.А.
Новый способ работы поршневого двигателя с искровым зажиганием на водороде // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Атомно-водородная энергетика и технология. - 1987. - Вып. 3. -С.33-37.
2. А. с. 1206458 СССР, МКИ3 Б 02 В 43/08.
Способ работы двигателя внутреннего сгорания / А.И. Мищенко, А.С. Куценко, В.Д Савицкий, В.А. Байков, Н.С. Тихо-ненко. - № 3772572/25 - 06; Заяв.
18.07.84; Опубл. 23.01.86, Бюл. № 3.
3. А. с. 1401958 СССР, МКИ3 Б 02 В 43/08.
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания / А.И. Мищенко, В.Д. Савицкий, В.А. Байков. - № 4107036/25 - 06; Заяв. 18.08.86; Опубл. 17.01.88, Бюл. № 2.
4. Мищенко А.И., Савицкий В.Д., Байков В.А.
Оптимизация рабочего процесса водородного ДВС по степени сжатия и коэффициенту избытка воздуха // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерная техника и технология. - 1989. - Вып. 1.
- С. 73 - 75.
5. Пат. 2006607 РФ, МКИ3 Б 02 В 43/08. Спо-
соб конвертирования двигателя внутреннего сгорания / В.Д. Савицкий, А.С. Куценко, В.А. Байков, Н.С. Тихоненко.
- № 4707389/06; Заяв. 20.07.89; Опубл. 30.01.94, Бюл. № 2.
6. Мищенко А.И., Савицкий В.Д., Байков
В.А. и др. Водородный автопогрузчик // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Атомно-водородная энергетика и технология. - 1987. - Вып. 3. - С. 44 - 45.
В работе принимал участие В.А. Байков.
Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 18 октября 2007 г.
Параметры Бензин Водород
На холостом ходу:
СО, % 0,9 0
N0» ч.н.м. 140 0
СпНт, ч.н.м. 850 0
По циклу:
СО, % 1,9 следы
N0» ч.н.м. 770 390
СпНт, % 0,095 следы
