CC BY
113Использование водорода в качестве моторного топлива для автомобильных двигателей внутреннего сгорания
A.С. Хачиян, профессор МАДИ (ГТУ), к.т.н.,
B.Ф. Водейко, доцент МАДИ (ГТУ), к.т.н.
В статье приведен теоретический анализ свойств водорода применительно к его использованию в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с внешним и внутренним смесеобразованием.
Рассмотрены особенности конструкции и показатели одного из первых созданных и испытанных водородных двигателей - 12-цилиндрового двигателя фирмы «BMW». Показатели его оценены с использованием результатов теоретического анализа.
Внимание к использованию водорода в двигателях внутреннего сгорания и в других энергетических установках продолжает расти. Во-первых, вследствие огромных его запасов в природе, и, во-вторых, благодаря почти полному отсутствию в продуктах 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 (табл. 1).
Отметим наименьшую плотность, наибольшую низшую теплотворность топлива и стехиометрической смеси, наиболее широкие пределы воспламеняемости (взрывоопасности) водорода. При работе на воздухе последнее свойство водорода не представляется опасным ввиду его малой плотности, что препятствует образованию взрыво-
опасных концентраций водорода в воздухе. В то же время это свойство позволяет обеспечивать, при необходимости, качественное регулирование ДВС.
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 табл. 2 приведен состав продуктов сгорания для тех же видов топлив.
Отметим наименьшее содержание в продуктах сгорания стехиометри-ческих 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.
Таблица 1
Параметры Дизельн. СУГ Метан Метанол Этанол Бензин Диметил- Водород
топливо пропан бутан эфир
Ни, МДж/кг 42,5 46,35 45,75 50 19,5 25 44 27,6 120
р, кг/м3 при 1 =0°, р = 1 бар 840 502 578 0,66 790 810 750 660 0,092
Цетановое число 40-55 5 12 - 5 8 - >55 -
Температура самовоспламения, °С 280 504 431 650 450 420 415 235 570
Октановое число - 111,5 95 130 111 108 92 - 90-95
/0, кг/кг 14,4 15,8 15,6 17,4 6,5 9 14,96 9 34,8
Ни//0, МДж/кг 2,95 2,93 2,93 2,87 3 2,78 2,94 3,07 3,44
Точка (пределы) кипения,°С 180-370 -42 -0,6 -162 65 78 35-190 -25 -252,8
Пределы взрывоопасности (% газа в воздухе) 0,6-6,5 2,0511,38 1,6810,3 5-15 5,5-26 3,5-15 1,5-5,9 3,4-18 4-76
Кажущаяся молек. масса, р 180-200 44,097 58,124 16,0 32 46 110-120 46 2
Массовая доля углерода 0,86 0,817 0,827 0,75 0,375 0,522 0,855 0,522 0
Массовая доля водорода 0,14 0,183 0,173 0,25 0,125 0,13 0,145 0,13 1
Массовая доля кислорода 0 0 0 0 0,5 0,348 0 0,348 0
Таблица 2
Продукт
Топливо СО2 Н2О СО2+Н2О N2 X С02 % Н20, % Трехатомные газы, %
Дизельное 3,19 1,134 4,324 11,256 15,45 20,65 7,35 28
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 5 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 19 11,65 30,65
Диметилэфир 1,914 1,17 3,084 6,976 10,06 19 11,65 30,65
Водород 0 9 9 26,78 35,78 0 25,15 25,15
В табл. 3 приведены значения теоретического коэффициента молекулярного изменения при внешнем смесеобразовании для ряда моторных топлив.
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 экономичности цикла при использовании водорода, то свойства продуктов сгорания без специальных расчетных иссле-
дований не позволяют прогнозировать, в каком направлении по сравнению, например, с бензином могут изменяться показатели цикла при использовании водорода.
Расчеты проведены по методике и программе, разработанным на кафедре «Теплотехники и автотракторных двигателей» МАДИ (ГТУ) под руководством одного из авторов [3], [4].
В табл. 4 приведены результаты расчетного анализа применительно к традиционным видам моторного топлива и водороду. В случае использования водорода варьировался коэффициент избытка воздуха. Расчеты выполнены для размерности двигателя S/D=80/89
при отсутствии наддува. Программа обеспечивала оптимизацию момента воспламенения. Коэффициент наполнения вычислялся для случаев внешнего смесеобразования по количеству и плотности смеси, а для случая внутреннего смесеобразования - по количеству и плотности воздуха.
Поэтому значения коэффициента наполнения получены достаточно близкими. Это не значит, что во всех случаях в цилиндры поступает одинаковое количество свежей смеси. При внешнем смесеобразовании поступление воздуха в случае использования водорода меньше, чем в случае бензина даже в предположении полного ис-
Таблица 3
Топливо Бензин Пропан Бутан Метан Метанол Этанол Диметилэфир Водород
р0, теоретический коэффициент молекулярного изменения при внешнем смесеобразовании 1,052 1,084 1,081 1 1,14 1,105 1,105 1,21
Таблица 4
Топливо Способ смесеобразования 3 тц, кг/ч П 1и а /а Р1, МПа п, Рг, МПа Т К тах, Т , К ср' Т , К рез' О0 восплам. град до ВМТ
Водород Внешнее 1,0 11,66 0,984 0,129 1,05 0,336 7,72 3016 988 1642 -6
1,6 8,18 0,986 0,109 0,944 0,482 5,45 2145 788 1236 -1
Внутреннее 1,0 15,41 0,93 0,12 1,1468 0,306 7,55 3087 1064 1646 -1
1,6 9,73 0,94 0,119 0,9876 0,417 6,12 2555 866 1257 1
Бензин 1,0 36,4 0,945 0,118 1,226 0,382 6,23 2806 1050 1535 9
Дизельное топливо 1,6 23,6 0,955 0,142 0,979 0,479 7,89 2112 801 1206 9
парения последнего. Расчеты показали, что сокращение длительности тепловыделения с 30 до 20° ПКВ в случае использования водорода не сопровождается повышением КПД цикла. В табл. 4 результирующая по теплообмену температура заряда за цикл, от которой в значительной мере зависят потери в систему охлаждения, определялась по выражению:
к
J Г а Т d (р
X _ н_
1рез- к
J а т d <р
н
где ат - коэффициент теплоотдачи.
В отличие от средней за цикл температуры, результирующая температура учитывает то обстоятельство, что в период наибольших температур цикла велика интенсивность теплопереноса. Естественно, Т выше при меньших
рез ~
избытках воздуха. Повышение Трез и абсолютных потерь теплоты в среду охлаждения при внутреннем смесеобразовании объясняется увеличением количеств поступающего в цилиндры топлива в связи с увеличением количества поступающего воздуха при равных значениях а. Индикаторный КПД, естественно, выше при больших избытках воздуха.
Внутреннее смесеобразование при работе на водороде существенно повышает удельную работу цикла. При а=1,0 переход на внутреннее смесеобразование обеспечивает увеличение р. на 9,2%, что объясняется большим парциальным объемом водорода при поступлении его через впускную систему. В то же время КПД цикла снижается примерно на 9% из-за больших температур и большего влияния диссоциации.
Сравнение с показателями, полученными на бензине при внутреннем смесеобразовании и а=1, выявляет более чем на 20% меньшую экономичность и уменьшение на 6,5% удельной работы цикла при работе на водороде.
Первое связано с заметно большими относительными потерями теплоты в среду охлаждения (на 18%) и большим влиянием диссоциации вследствие более высоких максимальных температур заряда. Оказывает влияние и превалирующее воздействие большей теплоемкости водяного пара.
Снижение среднего давления цикла меньше, чем снижение экономичности из-за большего значения теплотворной способности водородно-воздушной смеси по сравнению с бензо-воздуш-ной (в 1,17 раза).
Наибольшая экономичность цикла была получена при использовании дизельного топлива. Так, при равных избытках воздуха (а=1,6) КПД цикла при работе на дизельном топливе выше, чем при использовании водорода, на 8,4%, несмотря на вдвое большую длительность тепловыделения. Это связано с более благоприятным (по величине теплоемкости) составом продуктов сгорания и большей степенью сжатия.
В случае использования водорода максимальные значения температуры и давления заряда при прочих равных условиях несколько выше, что связано с меньшей принятой при расчетах длительностью тепловыделения. В реальных же условиях меньшая длительность тепловыделения объясняется высокой скоростью сгорания водородно-воз-душных смесей.
Результаты проведенного анализа были использованы при оценке основных показателей работы двигателя на водороде, устанавливаемого на опытной серии автомобилей класса «люкс» фирмы «BMW».
Ввиду того, что необходимая инфраструктура для применения водородных автомобилей пока еще отсутствует, разработчики фирмы «BMW» выбрали битопливную концепцию ДВС.
Базовой моделью являлся V-об-разный 12-цилиндровый двигатель автомобиля «BMW» 760i с рабочим объемом 6 л, имеющий непосредственный впрыск бензина и электронную систему <^аке1готс» [1], [2].
Для предотвращения возможных детонации, калильного зажигания и обратных вспышек степень сжатия £ была уменьшена с 11,5 до 9,5. Изменена была также геометрия камеры сгорания. Для уплотнения газового стыка были разработаны специальные стальные прокладки. Особенности стехиометричес-кого процесса сгорания водорода при нагрузках, близких к полной и заключающихся в более высокой скорости сгорания и интенсивной теплоотдаче, приводили, по сравнению с работой на бензине, к более высоким локальным
термическим и механическим нагрузкам на поршень и кольца.
Для уменьшения термического напряжения поршня был предусмотрен кольцевой канал в зоне поршневых колец (рис. 1).
При подборе колец разработчики стремились уменьшить до минимума прорыв выпускных газов, чтобы исключить возможность попадания части водорода и воды внутрь блок-картера. Компрессионное кольцо толщиной 1,2 мм разработано на основе компромисса между формой, механической прочностью и жесткостью.
Конструктивно прорвавшиеся газы возвращаются обратно в камеру сгорания с помощью отсасывающего устройства. Для исключения обратных вспышек в блок-картере был предусмотрен дополнительный запорный клапан, встроенный в систему вентиляции. При работе ДВС на водороде, помимо всего, были оптимизированы качество моторного масла и параметры масляного насоса.
Подобно всем газовым двигателям, необходимо было тщательно подобрать пару - клапан и седло клапана. Для материала седел клапанов была разработана специальная износостойкая легирующая присадка. Сами клапаны были изготовлены из термостойкой легированной стали с присадками никеля и молибдена. Как впускные, так и выпускные клапаны дополнительно имели защитное покрытие.
Система смесеобразования при работе на Н2 основана на распределенной подаче Н2 по патрубкам цилиндров под некоторым давлением из расположенного рядом с ними газосборника (рис. 2). Избыточное давление возникало вследствие испарения водорода, находящегося в криогенном баке. Поэтому необходимости в насосе не было. Теп-
Рис. 2. Система питания двигателя водородом: 1 - электромагнитный клапан, регулирующий давление; 2 - трубопровод из нержавеющей стали; 3 -газосборник, расположенный на впускном коллекторе; 4 - клапаны для подачи водорода
лота, потребная для испарения, отбиралась от охлаждающей жидкости. Ее количество регулировалось изменением подачи горячей жидкости насосом с электроприводом.
Водород в газообразном состоянии проходил через электромагнитный кла-
Рис. 3. Установка клапана для подачи водорода
пан, регулирующий давление 1, гибкий трубопровод из нержавеющей стали 2 и поступал к газосборнику 3, расположенному на впускном коллекторе. От него питались клапаны, которые подавали водород в соответствии с порядком работы по цилиндрам, смешивая его с воздушным зарядом (рис. 3). Давление в газосборнике регулировалось по датчикам давления и температуры.
Водород, вследствие своих молекулярных особенностей, требует максимальной плотности всей топливной системы. Все резьбовые соединения, уплотнения, имеющиеся в конструкции, были выполнены с учетом этого требования. Возможные протечки определялись благодаря установке сенсора, реагирующего на присутствие водорода.
Система зажигания с распределителем зажигания была заимствована у бензинового двигателя. Были применены также свечи гоночного двига-
теля и многоискровое зажигание. По калильному числу были выбраны свечи с меньшим, чем у бензинового двигателя, калильным числом.
Ввиду повышенного содержания воды в прорывающихся через неплотности картерных газах были приняты специальные меры по управлению надежностью двигателя. В частности, применена надежная система фильтрации масла, которая обеспечивала нормальные трибологические условия работы двигателя. В систему охлаждения двигателя был включен теплообменник для водорода, связанный с баком-хранилищем Н2 (рис. 4). Этот добавочный круг циркуляции являлся самостоятельной системой и использовал тепловую энергию двигателя для
создания давления Н2. Терморегулятор поддерживал температуру в системе в пределах 50°С. Управление дополнительным водяным насосом в малом циркуляционном круге обеспечивало потребность в теплоте.
Максимальные значения крутящего момента и мощности при самых низких значениях вредных выбросов были достигнуты при стехиометрических условиях сгорания водорода.
При значении а близком к 1 энергия искрообразования и необходимость изменения опережения зажигания уменьшались, а скорость сгорания, градиент повышения давления при сгорании оказывался выше по сравнению с бензиновым двигателем.
Для получения оптимальных условий сгорания необходимый угол опережения зажигания составляет около 1° ПКВ до ВМТ. При этих условиях 12-цилиндровый водородный двигатель развивает мощность 191,2 кВт и наибольший крутящий момент 390 Н^м (рис. 5).
При работе на водороде не образуется первичных выбросов С02, СО и СН. К сожалению, из-за расхода масла на угар появлялось незначительное количество продуктов СН, однако, они окислялись в трехкомпонентном нейтрализаторе, и концентрация вредных выбросов с отработавшими газами была настолько мала, что ею можно пренебречь.
Рис. 4. Система охлаждения Н2 с теплообменником: 1 - уравнительный бак для охлаждающей жидкости; 2 - водяной насос с электроприводом; 3 - теплообменник водород - охлаждающая жидкость; 4 - кулер охлаждающей жидкости; 5 - регулирующий термостат теплообменника; 6 - термостат двигателя; 7 - водяной насос двигателя; 8 - двигатель
лею зео
36G 340 320 зоо 280 260 240 220
г 3DG Г 1 H-U при 4ЭМ 1Мч г— -
tel , З-iflT - п. с\
—
300
240
180
120
60
ЮОО 2000 3000 4000 500C 6000 7000 Частота вращения КВ двигателя, об/мин-1
Рис. 5. Внешняя характеристика двигателя V12-H2
Единственно возможным вредным выбросом в водородном двигателе является N0, образованию которого способствует высокая температура процесса, особенно при использовании стехиометрической смеси.
Ввиду того, что водородные двигатели могут работать на гомогенных смесях в широких пределах изменения а, благодаря более широким границам воспламенения водородно-воздушных смесей (от 4 до 76% по воздуху), открывается возможность новых путей уменьшения N0x без применения наддува. На режимах с высокими коэффициентами избытка воздуха (а>1,8) рабочие температуры низки, и поэтому достигаются малые выбросы N0^
На режиме максимальной мощности, при составе смеси, слегка отличающемся от стехиометрического, количество окислов азота с незначительным избытком водорода (около 1%) может быть обеспечено применением трехкомпо-нентного нейтрализатора. Вследствие высокой реакционной способности водорода достигается очень низкая остаточная концентрация N0 после нейтрализатора. В нейтрализаторе, кроме восстановления оксидов азота, обеспечивалось окисление избыточного водорода и углеводородов, проникающих в камеру сгорания с маслом.
При высоких нагрузках двигатель работал при слегка обогащенной смеси. Происходило количественное регулирование за счет изменения подъема впускных клапанов. При малых нагруз-
ках двигатель работал с а>1,8. На этих режимах достижение минимальных выбросов N0 не требует применения нейтрализатора.
Система управления обеспечивала переход с одного топлива на другое, плавное изменение восприятия нагрузки, стабильную работу двигателя на всех режимах, предотвращение детонации и защиту нейтрализатора. Эта же система обеспечивала в целом безопасную работу автомобиля на водороде.
Свыше а=4 работа двигателя на водороде оказалась невозможной из-за пропусков вспышек. Для того, чтобы достичь оптимальных значений расходов при работе на бедных смесях, необходима была комбинация качественного и количественного регулирования, начиная с некоторого значения коэффициента избытка воздуха.
Пробег автомобиля с водородным двигателем составил 200 км. Был зафиксирован разгон автомобиля с автоматической шестиступенчатой коробкой скоростей от 0 до 100 км/ч за 9,5 с. Максимальная скорость 230 км/ч была ограничена блоком управления.
Расход топлива при работе автомобиля на водороде составил 3,6 кг/100 км, что эквивалентно в бензиновом варианте расходу 13 л/100 км. Это несколько ниже по сравнению с бензиновым приводом (13,9 л/100 км).
Проведенные расчетные исследования позволили более глубоко и адекватно оценить результаты испытаний работы ДВС на водороде.
Так, в работах по двигателю BMW 760i утверждается, что эксплуатационная экономичность автомобиля несколько выше при использовании водорода. Расчеты в то же время показали, что при равных значениях а и одинаковом способе смесеобразовании КПД цикла выше на бензине. Поэтому уместно предположить, что несколько лучшая экономичность автомобиля связана в основном с применением в определенных диапазонах избытков воздуха качественного регулирования.
Кроме того, из расчетов следует, что на автомобиле не была достигнута предельно возможная удельная эффективная работа. Для рассматриваемой размерности и оборотности среднее давление механических потерь, согласно накопленному опыту, не может превышать 0,2 МПа. Поэтому на номинальном режиме при четырехклапанном газораспределении среднее эффективное давление может достигать 0,85 МПа. Была же получена существенно меньшая цифра - 0,75 МПа. Это свидетельствует о недостаточной доведен-ности рабочего процесса двигателя и его систем.
Тем не менее, описанный опыт в целом свидетельствует о принципиальной возможности использования водорода в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания. В то же время следует при этом иметь в виду ряд трудностей, которые должны преодолеваться создателями водородных ДВС.
Литература
1. Kiesgen G., Klüting M., Bock С., Fischer H. Новый 12-цилиндровый водородный двигатель. Начался век применения водорода в ДВС. Журнал SAE, март 2006.
2. Enke W., Gruber M., Hecht L., Staar B. Двухтопливный V-образный 12-цилиндровый двигатель на водороде легкового автомобиля БМВ. Журнал MTZ 061, 2007. С. 446-453.
3. Хачиян А.С., Синявский В.В. Расчет и анализ действительного цикла дизеля. - М., МАДИ (ГТУ), 2004.
4. Хачиян А.С., Синявский В.В. Расчет цикла четырехтактного газового двигателя. - М., МАДИ (ГТУ), 2001.
