ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ТРАНСПОРТ
Транспортные средства на водородном топливе HYDROGEN ENERGY AND TRANSPORT
Hydrogen fuel vehicles
УДК 621.43
ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДА В КАЧЕСТВЕ МОТОРНОГО ТОПЛИВА ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. ИСТОРИЯ, НАСТОЯЩЕЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
А. Ю. Раменский , П. Б. Шелищ , С.И.Нефедкин
Member of International Editorial Board
Национальная ассоциация водородной энергетики (НАВЭ), Россия * Московский энергетический институт (технический университет), Россия
В работе рассматриваются вопросы, связанные с использованием водорода в качестве моторного топлива для автомобильных двигателей внутреннего сгорания. Рассмотрены исторические, экономические и технические аспекты этой важной научно-технической, инновационной и экономической проблемы.
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВОДОРОДНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ
В России практическое применение водорода в качестве моторного топлива началось в 1941 г. В Великую Отечественную войну в блокадном Ленинграде техник-лейтенант Шелищ Б. И. (рис. 1) предложил использовать водород, «отработавший» в аэростатах, как моторное топливо.
Были переоборудованы для работы на водороде несколько сотен ГАЗ-АА [1] (рис. 2).
Позже в семидесятые годы в нескольких научно-исследовательских организациях СССР интенсивно проводились работы по использованию водорода в качестве добавки к бензину. Наиболее известны такие центры как НАМИ, ИПМАШ АН УССР, СМНС АН СССР.
В частности, в НАМИ под руководством Шатрова Е. В. были проведены научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию бен-зоводородного микроавтобуса РАФ 22034. Была разработана бензоводородная система питания двигателя. Она прошла полный комплекс стендовых и лабораторно-дорожных испытаний [2-4].
На рис. 3 фотографии Шатрова Е. В. — научного руководителя проекта и Кузнецова В. М. —
Рис. 1. Портрет Б. И. Шели-ща работы Резаева А. А. (2005 г.)
Рис. 2. ГАЗ-АА на водороде
руководителя группы водородных двигателей, внесших существенный вклад в организацию НИОКР по созданию бензоводородного автомобиля в НАМИ.
Рис. 3. Шатров Е. В. (слева) и Кузнецов В. М. (справа)
Как головной институт Министерства автомобильной промышленности СССР, НАМИ тесно сотрудничал с ведущими научно-исследовательскими организациями страны — ИПМаш АН УССР, Сектором механики неоднородных
Статья поступила в редакцию 25.07.2006 г.
The article has entered in publishing office 25.07.2006
надлежала академику Легасову В. А. Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова был головным разработчиком металлогидридной системы хранения водорода на борту автомобиля. Руководителем проекта был Чернилин Ю. Ф., активными участниками работ были Удовенко А. Н. и Столяревский А. Я.
Рис. 4. Микроавтобус РАФ 22031, работающий на бензо-водородных топливных композициях
сред АН СССР, Заводом ВТУЗом при ЗИЛе, ИМаш АН СССР и др.
Примером такого сотрудничества были совместные исследования с ИПМаш АН УССР, директором которого в те времена был Подгорный А. Н., внесший большой вклад в развитие водородной энергетики в целом. В области применения водорода на автомобиле следует обратить внимание на работы руководителей ведущих подразделений института: Варшавского И. Л., Мищенко А. И., Соловья В. В. и многих других [5]. На фотографии (рис. 5), запечатлена встреча сотрудников ИПМаш АН УССР Подгорного А. Н, Соловья В. В. и др. с президентами АН СССР Александровым А. П. и АН УССР Патоном Б. Е.
Рис. 6. Бензоводородный автопогрузчик
Рис. 7. Бензоводородный автомобиль «Волга»
Рис. 5. Встреча руководителей АН СССР и АН УССР с сотрудниками ИПМаш АН УССР
Широко известны разработки этого института по созданию автомобилей и автопогрузчиков, работающих на бензоводородных топливных композициях с металлогидридными системами хранения водорода на борту. Некоторые образцы таких разработок показаны на рис. 6 и рис. 7.
Другим примером сотрудничества НАМИ с ведущими НИИ страны была работа по созданию металлогидридных систем хранения водорода на автомобиле.
В рамках консорциума по созданию метал-логидридных систем хранения тесно сотрудничали три ведущие организации: ИАЭ им. И. В. Курчатова, НАМИ и МГУ им. М. В. Ломоносова. Инициатива создания такого консорциума при-
Рис. 8. Семененко К. Н. (слева) и Легасов В. А. (справа)
Металлогидридные соединения разработал и изготовил в необходимом количестве Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова. Эта работа велась под руководством Семенен-ко К. Н., заведующего кафедрой химии и физики высоких давлений. 21 ноября 1979 г. были зарегистрированы в Государственном реестре изобретений СССР заявки № 263140 и № 263141 с приоритетом изобретения 22 июня 1978 г.
Авторские свидетельства на сплавы-аккумуляторы водорода А.С. №722018 и №722021 от 21 ноября 1979 г. были одними из первых изобретений в этой области в СССР и в мире. В изобретениях предлагались новые составы сплавов, позволяющих существенно увеличить количество запасаемого водорода. Это достигалось путем модификации состава и количества ком-
понентов в сплавах на основе титана или ванадия. Такие композиции позволили добиться концентрации 2,5...4,0 масс. % водорода. Выделение водорода из интерметаллида осуществлялось в интервале температур 250...400 °С. Этот результат и по сей день является практически максимальным достижением для сплавов такого типа. В разработке сплавов принимали участие ученые ведущих с то время научных организаций СССР, связанных с разработкой материалов и устройств на базе гидридов интерметаллических соединений и сплавов — МГУ им. М. В. Ломоносова (Семененко К. Н., Вербецкий В. Н., Митрохин С. В., Зонтов В. С.); НАМИ (Шатров -Е. В., Раменский А. Ю.); ИПМаш АН СССР (Варшавский И. Л.); Завода-ВТУЗа при ЗИЛ (Гусаров В. В., Кабалкин В. Н.).
Компоновка металлогидридной системы хранения водорода на борту микроавтобуса РАФ 22034, работающего на БВТК, испытания системы проводились в Отделе двигателей на газовых и других видах альтернативных топлив НАМИ под руководством заведующего отделом Раменского А. Ю. Активное участие в работе принимали сотрудники отдела: Кузнецов В. М., Го-лубченко Н. И., Иванов А. И., Козлов Ю. А.
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И ТОКСИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВС, РАБОТАЮЩЕГО НА БВТК В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
По отношению к бензину водород имеет в 3 раза большую теплотворную способность, в 1314 раз меньшую энергию воспламенения и, что существенно для ДВС, более широкие пределы воспламенения топливно-воздушной смеси.
Такие свойства водорода делают его чрезвычайно эффективным для применения в ДВС, даже в качестве добавки [2-5].
В то же время к недостаткам водорода как топлива в чистом виде можно отнести падение мощности ДВС по сравнению с бензиновым аналогом. Очень «жесткий» процесс сгорания водо-родно-воздушных смесей в области стехиомет-рического состава приводит к детонации на режимах высоких нагрузок. Эта особенность водородного топлива требует существенных изменений конструкции ДВС.
В этой связи наиболее целесообразна организация топливоподачи БВТК таким образом, чтобы на режимах холостого хода и частичных нагрузок двигатель работал на топливных композициях с высоким содержанием водорода. По мере возрастания нагрузок концентрация водорода должна снижаться, и на режиме полного дросселя подачу водорода необходимо прекратить. Это позволит сохранить мощностные характеристики двигателя на прежнем уровне.
На рис. 9 и 10 представлены графики изменения экономических и токсических характеристик бензинного двигателя с рабочим объемом 2,45 л и степенью сжатия 8,2 единицы от состава бензино-водородо-воздушной смеси и концентрации водорода в БВТК.
КПД, %
21 -г
17
13
I I I I I I I I I
Коэффициент избытка воздуха
I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I
4
Бензин ■a— 5%H2 - 10%H2
—А— - 20 %H2 — — 50 %H2 —•— -100 %H2
Рис. 9. Регулировочные характеристики двигателя по составу смеси при работе двигателя на БВТК (Ne = const, n = const)
-г 1000
19
17
15
13
500
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
КПД %
N O
x y
Рис. 10. Влияние добавки водорода на экономические и экологические показатели ДВС
Регулировочные характеристики двигателя по составу смеси при постоянной мощности Ив = 6,2 кВт и частоте вращения коленчатого вала п = 2400 об/мин дают возможность представить, как меняются показатели двигателя при работе на водороде, БВТК и бензине. Мощност-ные и скоростные показатели двигателя для испытаний выбраны таким образом, чтобы они наиболее полно отражали условия эксплуатации автомобиля в городских условиях. Мощность двигателя Ив = 6,2 кВт и частота вращения коленчатого вала п = 2400 об/мин соответствуют движению легкового автомобиля «Волга» с постоянной скоростью 60 км/час по горизонтальной ровной дороге.
9
5
1
CHm
Как видно из графиков, по мере увеличения концентрации водорода в БВТК эффективный КПД двигателя возрастает. Максимальное значение КПД при мощности 6,2 кВт и частоте вращения коленчатого вала 2400 об/мин достигает на водороде 18,5%. Это в 1,32 раза выше, чем при работе двигателя на этой же нагрузке на бензине. Максимальное значение эффективного КПД двигателя при работе на бензине составляет на этой нагрузке 14 %. При этом состав смеси, соответствующий максимальному КПД двигателя (эффективный предел обеднения), смещается в сторону бедных смесей. Так, при работе на бензине эффективный предел обеднения топ-ливно-воздушной смеси соответствовал коэффициенту избытка воздуха (а), равному 1,1 единицы. При работе на водороде коэффициент избытка воздуха, соответствующий эффективному пределу обеднения топливно-воздушной смеси а = 2,5. Не менее важным показателем работы автомобильного двигателя внутреннего сгорания на частичных нагрузках является токсичность отработавших газов (ОГ). Исследование регулировочных характеристик двигателя по составу смеси на БВТК с различными концентрациями водорода показали:
1). по мере обеднения смеси концентрация окиси углерода (СО) в отработавших газах снижалась практически до нуля не зависимо от вида топлива;
2). увеличение концентрации водорода в БВТК приводит к существенному сн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.