CC BY
8Захаров А. И.*, Иванков Вас. В.**, Иванков Вяч. В. ***, Терехов В. Н.*,
Милованова О. А.*
*Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии
**Фонд МОСЭКОТРАНС ***ООО «БЭСТЛТД», 107005, Москва, 2-я Бауманская, 9/23, Россия
Разработка комбинированного
бензоводородного питания для улучшения экологических
характеристик автомобиля
Опытная работа проведена под эгидой Правительства Москвы.
АННОТАЦИЯ
Разработана система бензоводородного питания автомобиля СКАП, которая включает сменный аккумулятор водорода - экостат. Применение СКАП снижает расход горючего и значительно понижает содержание токсичных составляющих в выхлопных газах двигателей. Дана оценка экологического эффекта использования СКАП.
1. ВОДОРОД КАК МОТОРНОЕ ТОПЛИВО
Перспективность использования водорода в автомобильном транспорте связана главным образом с
экологической чистотой и высокими моторными свойствами [1].
Использование водорода позволит также устранить один из основных недостатков автомобильных двигателей - резкое снижение КПД с 30 до 10% на частичных нагрузках в условиях городской эксплуатации. Водород даже при небольших добавках 1-6% к бензину уже позволяет поднять топливную экономичность на частичных нагрузках на 30-40%. Это достигается благодаря тому, что предельная величина воспламенения для водорода более широкая, чем для бензина. Пределы воспламенения в % по объему для водорода находятся в интервале 4,7 - 74,2, а для бензина - 0,59 - 6,0. Более показательным для пределов воспламенения является пересчет объемных долей на коэффициент избытка воздуха, который соответственно имеет
Табл.1. Экологическая эффективность СКАП-2 (тыс. тонн).
Состав выхлопных газов Россия Земля Эффект
Н2=0% Н2 = 1% Н2 = 0% н2 = 1% %
СО2 92400 74700 1650000 1300000 11,1
СО 9240 3721 165000 66450 55,7
NОх 3080 2654 55000 47400 5,2
СУНХ 924 826 16500 14745 1,7
1 - 6% водорода (Н2) в горючей смеси бензинового двигателя: П уменьшает токсичность выхлопных газов в 2 - 20 раз; П снижает расход горючего на 15 - 24%;
П повышает моторесурс двигателя и его КПД на 40% в режиме городского цикла.
пределы воспламенения: для водорода от 0,15 до 10, для бензина только от 0,27 до 1,7. Особый интерес представляет нижний предел воспламенения, который показывает степень обеднения топливовоздушной смеси. Для водорода предел обеднения смеси в несколько раз больше, чем для бензина. Следовательно, водородное горючее позволяет в более широких пределах регулировать мощность двигателя.
Водородовоздушные смеси обладают высокой скоростью сгорания, благодаря чему повышается эффективность рабочего процесса.
Расстояние гашения пламени - толщина пристеночного слоя топливовоздушной смеси, в котором прекращается реакция окисления - для водорода более чем в четыре раза меньше. Это приводит к более полному сгоранию топлива и снижению токсичной части углеводородных составляющих в выхлопных газах.
Водород по целому комплексу свойств: широкие концентрационные пределы, высокая скорость сгорания и высокая диффузионная подвижность — характеризует себя идеальной добавкой к топливу для ускорения процесса сгорания углеводородных воздушных смесей. Это позволяет повысить топливную экономичность и значительно понизить содержание токсичных компонентов в отработанных газах. Оценка экологической эффективности СКАП при добавке только 1% водорода к бензину приведена в Табл.1.
Видно, что значительно понижаются токсичные составляющие в выхлопных газах при понижении расхода бензина.
2. ХРАНЕНИЕ ВОДОРОДА НА БОРТУ АВТОМОБИЛЯ
Автомобиль для своего движения потребляет энергию окисления жидкого углеводородного топлива (бензина), хранящегося на борту. Водород в газообразном виде имеет низкую плотность, что является проблемой, которая сдерживает широкое использование водорода в транспорте. Водород на борту автомобиля можно хранить в газообразном компрессированном состоянии, в сжиженном состоянии и в химически связанном состоянии в виде гидридов.
Попытки использовать компрессированный водород для питания ДВС не дали положительных результатов. Баллоны с водородом имеют большой вес и объем. Кроме того баллоны с высоким давлением водорода на борту автомобиля, в случае аварии, являются взрывным устройством с большой ударной силой.
Жидкий водород имеет температуру кипения -252,40 С и плотность 0,071кГ/л, тогда как под давлением 30 МПа его плотность составляет только 0,025кГ/л. Следовательно, жидкий водород более компактный, чем сжатый и представляет значительный интерес для транспорта. В этой связи необходимо отметить много примеров использования жидкого водорода в легковых автомобилях и автобусах. Вместе с тем сложность криогенного оборудования и неизбежность выкипания водорода при хранении сдерживают использование жидкого водорода в транспорте.
Хранение водорода на борту транспортного средства в химически связанном состоянии в виде гидри-
дов представляет практический интерес в связи с тем, что в этом случае выполняются условия высокой степени безопасности эксплуатации при низких затратах энергии на аккумулирование водорода в гидридах. Необходимо отметить, что в гидридах водород имеет более высокие характеристики по массе и объему.
В нашей работе для хранения водорода было использовано интерметаллическое соединение на основе Бе-Т1, легированное небольшими добавками Мп и Мт (мишметалла). Эти легирующие добавки в небольших количествах немного повышают емкостные характеристики сплава по водороду. Кроме того, они улучшают кинетические свойства: не требуется специальной активационной обработки сплава, а также уменьшается время сорбции и десорбции. Сплавы с добавками имеют меньше вероятность быть отравленными при зарядке грязным водородом.
При выполнении опытной работы было выплавлено более тридцати сплавов на заводе АО «Электросталь» с развесом слитка около 3 кг и три плавки на заводе АО «Суперметалл» с развесом слитка 14-17 кг.
Поглощение водорода в сплавах Т-Бе-Мп происходит в интервале давлений от 0,2 до 4 МПа при комнатной температуре. Максимальное содержание водорода при комнатной температуре составляло около 1,9%. Десорбция водорода происходит в интервале температур 40-1000 С. Изотермы для сплава плавки 136/Б-408 приведены на рис.1.
Можно отметить, что основная часть водорода десорбируется при давлении ниже 1 МПа в интервале температур 20-900 С.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Н/М, % масс.
Рис. 1. Изотермы десорбции водорода на сплаве Л10/е0 9Мп011о0 005 при температурах, оС: 1 - 20, 2 - 53, 3 - 72, 4 - 90.
Захаров А. И., Иванков Вас. В., Иванков Вяч. В., Терехов В. Н., Милованова О. А.
Разработка комбинированного бензоводородного питания для улучшения экологических характеристик автомобиля.
17
23 4 24 Рис. 2. Схема «СКАП»:
1. Термостат, 2. Экостат, 3. Клапан предохранительный, 4. Клапан запорный, 5. Редуктор газовый, 6. Электромагнитный газовый клапан, 7. Дозатор инжектор, 8. Патрубок, 9. Проставка, 10. Аккумулятор, 11. Ключ зажигания, 12. Катушка зажигания, 13. Блокуправления, 14. Панель управления, 15. Манометр, 16. Милливольтметр, 17. Датчик наличия водорода в салоне, 18. Индикатор водорода, 19. Термопара, 20. Карбюратор, 21. Коллектор ДВС, 22. Отопитель автомобиля, 23. Тройники, 24. Кран.
3. СИСТЕМА КОМБИНИРОВАННОГО АВТОМОБИЛЬНОГО БЕНЗОВОДОРОДНОГО ПИТАНИЯ (СКАП)
В первых опытах по использованию комбинированного питания ДВС нами применялся пятилитровый баллон, заполненный интерметаллидом Ti-Mn 5 Баллон вмещал около 300 г. водорода с прокалиброванным на 4 часа работы дозатором. Это было определено из предположения, что за время работы будет израсходовано 28 кг бензина. Таким образом, добавка водорода к углеводородному горючему составило 1% по массе. Проведенные испытания показали, что эффективность добавки водорода в количестве 1% заметна на частных циклах эксплуатации в городских условиях, вместе с тем, режим с большим расходом горючего и в условиях форсажа равномерная добавка дает малый эффект. В этой связи были проработаны несколько вариантов системы питания комбинированным топливом. В этом сообщении рассматривается вариант расхода водорода пропорционально расходу бензина с возможной коррекцией количества расходуемого водорода на холостом ходу, частных циклах и форсаже.
Схема системы питания автомобиля приведена на рис.2.
В разработанной системе водород подается минуя карбюратор, через проставку, непосредственно в коллектор двигателя.
На схеме система питания бензином не приводится, только изображен карбюратор 20 с проставкой 9.
Система питания водородом включает: сменную кассетную емкость (экостат) 2 (описание ее приводится ниже), которая находится в термостате 1, обогреваемой охлаждающей жидкостью от двигателя. Водород в коллектор 21 подается из экостата 2 через разъем 4, редуктор 5, дозатор-инжектор 7, патрубок 8, электромагнитный клапан 6, открытие которого осуществляется блоком управления 13.
Двигатель с добавкой водорода работает следующим образом :
При включении двигателя через замок зажигания 11 напряжение подается на электронный блок управления 13, который открывает электромагнитный клапан 6 и водород через дозатор-инжектор 7 подается пропорционально числу оборотов двигателя в коллектор 21 ДВС. Таким образом, при включении стартера первые порции бензоводородовоздушной смеси попадают в ДВС, обогащенные водородом, что делает легким запуск двигателя.
На режимах холостого хода минимальную частоту вращения вала регулируют при открытом электроклапане 6. Так как водородовоздушная смесь является горючей в широком диапазоне концентра-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE) #2 2002
ций, расход водорода можно отрегулировать близким к совершаемой работе для преодоления потерь на трение двигателя на холостом ходу. При этом , выхлопные газы будут содержать в десятки раз меньше ядовитых компонентов СО, N0 и СН по сравнению с работой только на одной бензовоздушной смеси на этом режиме.
Блок управления 13 позволяет варьировать отрезком времени открытия инжектора, что дает возможность изменять содержание водорода в горючей смеси в зависимости от рабочего цикла и количества водорода в экостате.
4. СМЕННАЯ ВОДОРОДНАЯ ЕМКОСТЬ (ЭКОСТАТ)
Экостат представляет собой гребенку с цилиндрическими баллонами 7, соединенными между собой рампой 3, имеющей с одного конца предохранительный клапан 1, с другого - обратный клапан 4 (рис.3).
Через обратный клапан 4 экостат соединяется с системой питания двигателя.
Объем экостата определен 6 литрами , исходя из необходимости иметь на борту автомобиля около 0,3 кг водорода. Экостат включает 6 однолитровых бал-
лонов. Диаметр баллона определен величиной 60 мм, учитывая теплопроводность интерметаллида И-Ре-Мп с емкостью по водороду 1,7-2% по массе. Экостат вмещает более 17 кг интерметаллида.
5. ТЕРМОСТАТ
Термостат служит для нагрева баллонов экоста-та, наполненных гидридом, с целью десорбции водорода. Конструкция термостата изображена на рис.4.
Она представляет собой тонкостенный металлический бак по центральной плоскости которого в один ряд размещены, в нашем случае, шесть цилиндрических резиновых гнезд 2, являющихся местами расположения баллонов. Термостат имеет два штуцера 4 и 5 для подачи и отвода жидкости, поддерживающей необходимую температуру для десорбции водорода. К термостату подведены трубопроводы с обогревающей жидкостью.
Баллоны экостата в рабочем состоянии находятся в окружении резиновых рукавов 2, которые при работающем двигателе плотно прижимаются к цилиндрической поверхности баллонов экостата за счет давления жидкости, подаваемой от охлаждающей системы двигателя через штуцеры 4 и 5.
Рис.3. ЭКОСТАТ - емкость для хранения водорода в связанном состоянии в металлогидриде: 1. Предохранительный клапан, 2. Втулка, 3. Коллектор-рампа, 4. Обратный клапан, 5. Нипель приварной, 6. Гайка, 7. Баллон, 8. Фильтр, 9. Втулка.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Учитывая важность решения проблемы экологически чистого транспорта для больших городов, определен начальный этап повышения чистоты выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания за счет небольших (до 5%) добавок водорода к углеводородному топливу.
Для решения этой проблемы: П Разработана система комбинированного бензоводородного питания ДВС [2]; П Найдены составы сплавов накопителей водорода и разработана простая технология их производства [3];
П Разработана конструкция сменного аккумулятора водорода (экостат); П Проработан проект монтажа системы комбинированного бензоводородного питания на карбюраторных автомобилях ВАЗ 23093, ГАЗ и др. марках.
Сменный аккумулятор водорода (экостат) легко решает проблему освоения водородного топлива в автомобильных и других транспортных средствах.
12
1. Термостат, 2. Экостат, 3. Запасное колесо, 4. Водородный трубопровод, 5. Электромагнитный клапан, 6. Газовый редуктор, 7. Дозатор-инжектор, 8. Карбюратор, 9. Проставка, 10. Манометр, 11. Отопитель, 12. Индикатор водорода, 13. Выключатель зажигания, 14. Двигатель, 15. Трубопровод подвода теплоносителя из системы охлаждения ДВС.
2 кг
Рис. 4. Термостат: 1-бак, 2- резиновые рукава, 3-хомут, 4-5- штуцеры.
6. РАЗМЕЩЕНИЕ СКАПА НА АВТОМОБИЛЕ
ЛИТЕРАТУРА
На p^.5 ^иведена cxeма pазмeщeния CKAП на автoмoбилe маpки BAЗ 21093.
B багажжм oтдeлeнии ycтанoвлeн тepмocтат 1 c э^отатам 2. Для ycтанoвки тepмocтата, ^казато на p^yœe, пoтpeбoвалocь пocтавить вepтикальнo за-паcнoe кoлeco 3. ^дача жидкocти в тepмocтат ocy-ществима oт oтoпитeльнoй cиcтeмы автoмoбиля тpyбoпpoвoдами 15. Элeктpoмагнитный клапан 5, дoзатop вoдopoда 7 cмoнтиpoваны на стенке машин-нoгo oтдeлeния автoмoбиля, к выxoдy элек-тpoмагнитнoгo клапана тодведен тpyбoпpoвoд 4 для пoдачи вoдopoда oт экocтата чepeз пoнижающий газoвый peдyктop 6. Tpyбoпpoвoд c газoм 4 вмoнти-poван cнаpyжи на днище автoмoбиля.
[1] Мищенко А. И. Применение водорода для автомобильных двигателей. Наукова думка, Украина, Киев, 1984.
[2] Захаров А. И., Иванков В. В. Комбинированная система питания двигателя внутреннего сгорания экологически чистых транспортных средств, преимущественно автомобилей. Россия, Патент №2117178.
[3] Захаров А. И., Иванков В. В., Степанов В. В. Способ получения сплавов накопителей водорода на основе химически активных переходных металлов. Россия, Патент №20883711.
