Водород как топливо для ДВС

Содержание
1 Введение ................................................................................................... 3
2 Свойства и получение водорода ............................................................. 4
3 Перспективы водорода как топлива....................................................... 6
4 Работа ДВС на водороде и его экологичность...................................... 7
5 Вывод ...................................................................................................... 14
6 Список литературы ................................................................................ 15
Изм.
Лист
№ докум
Подпись
Дата
Разраб
Литера
Лист
Листов
Свистула
y
2
15
Н. Контр.
Утв
Содержание
Реферат
Введение
В современном мире все больше встаёт вопрос экологичности
двигателей внутреннего сгорания. ЕС, США, Китай и другие ищут более
экологичные замены нефтяным топливам. Большее предпочтение отдаётся
электрическим автомобилям. Но у них встают вопросы по поводу добычи
энергии, на автотранспорт приходится 30% энергетических ресурсов и при
использовании электричества следует задуматься о самих способах добычи
энергии. В большинстве случаем это тепловые и атомные электростанции,
что не является достаточно экологичным методом. Зелёная энергетика в виде
солнечных батарей и ветряков, пока что не может конкурировать с более
дешёвыми методами сжигания угля или же радиоактивных топлив. Можно
найти выход в гибридных установках, но и это не до конца оптимальное
решение. Нефть является невозобновляемым источником и рано или поздно
ресурс исчерпается. И в этом плане водород в будущем может стать лидером
во всех сферах, где его можно применить в качестве топлива или же
получение самой энергии. Водород является самым распространённым
элементом во вселенной (92%) и его добыча возможна возобновляемыми
источниками как вода, а также из других элементов в которых он находится.
Ну и самым главным достоинством водорода является его экологичность.
Но к сожалению современные способы его добычи ещё далеки от идеала и с
решением этих проблем можно действительно задумываться о увеличение
использования водорода в ДВС.
Лист
Изм. Лист
№ докум
Подпись
Дата
3
Свойства и получение водорода
Первый элемент периодической системы химических элементов Д. И.
Менделеева. Относительная атомная масса 1,0079. Существуют два
стабильных изотопа водорода — 1H (протий) и 2H (дейтерий), а также один
радиоактивный — 3H (тритий). В свободном состоянии и при нормальных
условиях водород — бесцветный газ, без запаха и вкуса. Обычно существует
в комбинации с другими элементами, например, кислорода в воде, углерода в
метане и в органических соединениях. Поскольку водород химически
чрезвычайно активен, он редко присутствует как несвязанный элемент.
Охлажденный до жидкого состояния водород занимает 1/700 объема
газообразного состояния. Водород хорошо растворяется в некоторых
металлах: в одном объеме палладия, например, растворяется до 900 объемов
водорода. В соотношении 2:1 с кислородом образует взрывчатый гремучий
газ. Температура сгорания водорода чрезвычайно высока — 2800 оС. Водород
является великолепным восстановителем.[1]
В настоящее время мощности по производству водорода в мире
оцениваются в 40 млн т/год, при этом более 90 % водорода получают в
процессах риформинга и других нефтеперерабатывающих и
нефтехимических процессах. Водород вырабатывается также при конверсии
природного газа в синтез-газ. Получение водорода электролизом воды в
настоящее время — процесс чрезвычайно дорогой, по затратам энергии он
практически равен количеству энергии, получаемой при сгорании водорода в
двигателе. Кроме того, следует учитывать способ получения электроэнергии,
необходимой для электролиза воды. Если электроэнергия вырабатывается на
электростанциях, использующих в качестве топлива природный газ
(минимальная токсичность дымовых газов) или уголь (максимальная ток
сичность дымовых газов), то экологичность применения водорода в качестве
моторного топлива во многом теряет свои преимущества.[1]
Лист
Изм. Лист
№ докум
Подпись
Дата
4
Доля электростанций, использующих энергию воды, атомные станции,
солнечные батареи в большинстве стран мира не очень велика.
Далее рассмотрим получение водорода в промышленности
— электролиз воды и водных растворов щелочей и солей
— пропускание паров воды над раскаленным углем при 1000 оC
— паровая и парокислородная конверсия метана
— газификация угля:
— использование ядерной энергетики;
— использование альтернативных источников энергии.
В настоящее время мощности по производству водорода в мире
оцениваются в 40 млн т/год, при этом более 90 % водорода получают в
процессах риформинга и других нефтеперерабатывающих и
нефтехимических процессах. Водород вырабатывается также при конверсии
природного газа в синтез-газ. Получение водорода электролизом воды в
настоящее время — процесс чрезвычайно дорогой, по затратам энергии он
практически равен количеству энергии, получаемой при сгорании водорода в
двигателе. Кроме того, следует учитывать способ получения электроэнергии,
необходимой для электролиза воды. [1]
По себестоимости получение водорода при электролизе воды с
использованием энергии АЭС – 1427-1732 долл./т. Для примера, средние
текущие издержки добычи нефти оцениваются в 44 долл./т. Что делает
водород слишком дорогим при всех его достоинствах. Но хоть и не до конца
признанным учёными, холодным ядерным синтезом(далее ХЯС) может быть
решена добыча водорода. При условии развитий технологий ХЯС цена
добыча водорода оценивается в 4,33 долл./т. Не мало важным так же будет
факт, что для производства могут быть использованы радиоактивные отходы
ядерных реакторов стронций – 90, цезий-137 и др. Что ещё сильнее решит
экологические проблемы и стоимость добычи водорода.
Лист
Изм. Лист
№ докум
Подпись
Дата
5
Перспективы водорода как топлива
Интерес к водороду как моторному топливу обусловлен следующими
обстоятельствами:
— при сгорании водорода в двигателе образуется практически только
вода, и в этом отношении двигатель на водородном топливе является
наиболее экологически чистым;
— высокие энергетические свойства водорода — низшая теплота
сгорания водорода составляет 120 МДж/кг, что чуть меньше чем в 3 раза
выше по сравнению с бензином (около 44,5 МДж/кг), т. е. 1 кг водорода
эквивалентен почти 3 кг бензина;
— практически неограниченная сырьевая база при условии получения
водорода из воды. Использование водорода в качестве моторного топлива для
автомобилей может осуществляться по нескольким вариантам:
— применение самого водорода;
— применение водорода совместно с традиционными нефтяными
топливами;
— использование водорода как топлива в топливных элементах.
Так же водород имеет широкие пределы воспламенения 4-75%(об.)
против 1,5–76 % (об.) для бензина делают его идеальным горючим для
двигателей. Скорость сгорания водородо-воздушной смеси в двигателе в 3
раза больше, чем изооктановой-воздушной смеси, при этом значительно
более высокий термический КПД. Двигатель на водороде может быть
сконструирован с очень большой выходной мощностью, без радикальных
изменений известных инженерных решений и в отношении конструкции, и в
отношении системы зажигания. Двигатель внутреннего сгорания на
водородном горючем позволяет использовать зажигание посредством накала
вместо дорогостоящего искрового зажигания. Водородное горючее имеет еще
то преимущество, что не дает двигателю углеродных или свинцовых
отложений, продукты сгорания химически не агрессивны, поэтому износ
Лист
Изм. Лист
№ докум
Подпись
Дата
6
двигателя и расход масла в процессе эксплуатации, заметно снижается.
Водородный двигатель легче запускается, летучесть водорода в сочетании с
его воспламеняемостью делают его незаменимым горючим в условиях
полярного холода. Термический КПД при работе двигателей внутреннего
сгорания на водороде возрастает при увеличении степени сжатия (при ε =
5,45 η = 37,5 % и при ε = 7 η = 43 %). Реализация любой схемы использования
водорода в двигателях внутреннего сгорания зависит от создания
экономичной, гибкой в использовании системы хранения водорода.[1]
Работа ДВС на водороде.
Работа двигателя внутреннего сгорания при изменении рабочего тела
на водород имеет несколько нюансов. Первая из проблем заключается в
низкой плотности водорода и его стехиометрическим соотношением по
отношению к воздуху. Это приводит к уменьшению «литровой мощности»
при равных условиях организации процесса. В какой-то мере это можно
компенсировать более быстрым и полным сгоранием водорода. Но
существует ещё ряд проблем. Одной из такой является опасность калильного
воспламенения водородосодержащей смеси. Преждевременное
воспламенение приводит к «обратным вспышкам» смеси во впускном
коллекторе, достаточно опасным с точки зрения надежности и безопасности.
Их причиной является контакт с нагретыми частями двигателя. Обработка
данных по газовым двигателям, о так же специально поставленные
эксперименты показали, что во избежание калильного зажигания температура
наиболее нагретых частей двигателя не должна превышать 700 оC, а
предельное значение температуру отработавших газов, контакт с которыми
может вызвать воспламенение смеси, составляет 600 оC. Таким образом,
обеспечить работу водородного двигателя без «хлопков» можно при
коэффициенте избытка воздуха не ниже 2.
Лист
Изм. Лист
№ докум
Подпись
Дата
7
Кроме того стоит учитывать возможность существенного повышения
механических и тепловых нагрузок на детали двигателя из-за высокой
скорости сгорания водорода. В том же исследовании было выявлено что при
применении водородного двигателя у которого α = 2 снижалась мощность, но
сохранялась экологичность по выбросам оксидов азота. А в расчётных
данных, проведённых в предположении, что опасность «хлопков» и
ухудшенное наполнение устранены внутрицилиндровой подачей газа, при α
= 1, не проходил по количеству выбросов окислов азота 0,58% по сравнению
с 0,36% у бензинового двигателя. Такая проблема может быть решена
применением газотурбинного наддува с α = 2, у которого сохраняется
экологичность во выбросам, но приходиться мириться с некоторым снижение
эффективного КПД, а так же для такого метода требуется охлаждение
наддувочного воздуха до 70 оC, что вполне осуществимо при использовании
воздухо-воздушных темплообменников с турбулизацией охлаждаемого и
охлаждающего воздуха. Ниже предоставлена регулировочные характеристика
по углу опережения зажигания двигателя ВАЗ, работающего на водородном
топливе.[2]
Лист
Изм. Лист
№ докум
Подпись
Дата
8
Рис. 1 – Регулировочные характеристики по углу опережения.(дросельная
заслонка полностью открыта n=5500 мин-1): - α=2;
- α=2; ○ - α=1;
pk = 2 бар – давление наддува
Определенные проблемы при этом связанны с повышением максимального
давления сгорания, которое, однако, может быть компенсировано
уменьшением угла опережения зажигания. Расчётная проверка параметров на
режиме внешней скоростной характеристики показывают, что водородный
двигатель с наддувом превосходит бензиновый по эффективному КПД во
Лист
Изм. Лист
№ докум
Подпись
Дата
9
всем диапазоне частот вращения, при этом сохраняя низкую концентрацию
окислов азота. Более значительное преимущество водородного двигателя по
сравнению с бензиновым могут быть получены при работе на частичных
нагрузках, так как широкие пределы воспламенения водородно-воздушных
смесей позволяют применить качественное регулирование мощности.
Ниже предоставлена внешняя скоростная характеристика двигателя ВАЗ. [2]
Рис. 2 – Внешняя скоростная характеристика: 1 – бензин, α = 1; 2 – водород,
α = 1; 3 – водород, α = 2 (без наддува); 4 – водород, α = 2 (с наддувом pk = 2
бар)
Лист
Изм. Лист
№ докум
Подпись
Дата
10
Так же сравнительно недавно стало развиваться новое направление
применения водородосодержащего топлива, в виде частичной подачи с
основным топливом чистого водорода или водородсодержащего синтез-газа.
Исследования показывают, что добавка лишь небольшого количества
водорода к основному топливу даёт ощутимый эффект. Например,
разработанные в Институте катализа Сибирского отделения Российской
академии наук генераторы синтез-газа, частично преобразующие
поступающее в двигатель с искровым зажиганием газообразное либо жидкое
топливо в водородсодержащий синтез-газ и исключающие необходимость
хранения водорода на борту транспортного средства, показали весьма
положительные результаты по снижению вредных выбросов ДВС.[3] Для
более широкого использования такого вида водородсодержащего топлива
необходимо было решить проблему каталитического преобразования
(риформинга) в синтез-газ дизельного топлива, состоящего преимущественно
из тяжёлых углеводородных фракций, требующих предварительного
испарения и изменения принципов каталитического окисления. В Сибирском
государственном университете путей сообщения совместно с Институтом
катализа СО РАН эта проблема была успешно решена путём разработки и
проведения ресурсных испытаний действующих образцов каталитических
генераторов синтез-газа, работающих на дизельном топливе.[3] Опытная
апробация производилась на дизель-генераторных установках различной
мощности, оснащённых одно- и четырёхцилиндровыми дизельными ДВС, во
впускной коллектор которых подавался синтез-газ, состоящий из смеси
водорода и окиси углерода, в процентном отношении от 0 до 10 % от массы
потребляемого двигателем дизельного топлива в режимах холостого хода и
номинальной нагрузки. На рисунке 3, показаны полученные данные по
исследованию.[3]
Лист
Изм. Лист
№ докум
Подпись
Дата
11
Рис. 3 – Изменение содержания вредных веществ и температуры
отработавших газов дизельного ДВС при добавке синтез-газа
В результате экспериментальных исследований доказано, что добавка
водородсодержащего синтез-газа обеспечивает существенное снижение
содержания вредных веществ в отработавших газах дизельных ДВС. В
результате проведённых экспериментов было установлено, что в режиме
холостого хода подача водородсодержащего синтез-газа в целом не оказывает
существенного положительного влияния на процесс работы дизельного
двигателя, а при работе энергетической установки в режимах, близких к
режиму номинальной мощности, наоборот, заметен ощутимый
положительный эффект от применения водородсодержащего синтезгаза. Этот
эффект заключается, в первую очередь, в снижении выбросов в атмосферу
вредных веществ. Наиболее положительный экологический эффект
достигается при подаче синтез-газа уровне 15…20 л/мин, в этом случае
выбросы СО уменьшаются на 18 %, СН – на 54 %, NOx – на 73 %. Резкое
снижение выброса несгоревших углеводородов и окислов азота объясняется
более полным сгоранием топливовоздушной смеси в камере сгорания за счёт
присутствия в процессе горения водорода, улучшающего сгорание основного
топлива.
Лист
Изм. Лист
№ докум
Подпись
Дата
12
Кроме того, отмечается некоторая стабилизация процесса горения
топливной смеси в камере сгорания, проявляющаяся в снижении
неравномерности частоты вращения коленчатого вала. При увеличении
количества подаваемого в двигатель синтез-газа отмечается и факт
понижения температуры отработавших газов. Это явление можно объяснить
следующим фактором: при высокой температуре сгорания в цилиндрах ДВС
(порядка 615 °С) из входящего в состав синтез-газа окиси углерода (угарного
газа) образуется углекислый газ, одним из физических свойств которого
является снижение температуры газа при резком снижении давления.
Соответственно, при открытии выпускного клапана и последующем
снижении давления при выходе из цилиндра смеси отработавших газов их
температура значительно снижается. Подача синтез-газа во впускной
трубопровод ДВС означает частичное замещение поступающего через
впускной трубопровод двигателя воздуха водородсодержащим синтез-газом,
что приводит к резкому снижению потребления жидкого дизельного топлива
и в итоге к повышению показателей топливной экономичности.[3]
Стоит отметить, что серьёзную конкуренцию данным способам может
составить использование водорода как топливного элемента. В данном случае
происходит реакция без горения, но также с образованием воды, что делает
этот способ тоже очень экологичным. А полученное электричество идёт в
электрический двигатель, имеющий больший КПД, чем у ДВС.
Лист
Изм. Лист
№ докум
Подпись
Дата
13
Вывод:
Исходя из всего выше перечисленного сложно говорить о массовом
внедрении двигателей внутреннего сгорания на водороде в данный момент.
Хоть и при сгорании водорода с кислородом образуется вода и кажется, что
это самый экологичный способ сгорания топлива, не всё так однозначно. Так
из исследований оказалось, что у двигателей на водороде при α = 1 могут
быть больше выбросов оксидов азота по сравнению с бензиновым вариантом,
из-за атмосферного азота и повышенной температуры в зоне сгорания. А при
решении данной проблемы следует повышать α, что сказывается на
мощностных характеристиках двигателя и эффективном КПД. Или же
применять более дорогое решение и ставить в такие двигатели
газотурбинный наддув. Не менее интересным является добавка водорода к
основному топливу. Которую можно применять сейчас и уменьшить
количество выбросов с традиционных ДВС. Что ещё важно это нынешние
проблемы добычи водорода и его хранения. А также двигатели на водороде
должны выдержать конкуренцию с применение водорода как топливного
элемента, что является не менее перспективным решением его применения.
Тем не менее в будущем эти проблемы могут быть решены и тогда можно
будет говорить о повсеместном внедрении водорода, который может
добываться из возобновляемых источников. Решая тем самым проблему
исчерпаемости нефтяных топлив и экологию. Что может привести в
совершенно новую эпоху как двигателестроения, так и энергетики
Лист
Изм. Лист
№ докум
Подпись
Дата
14
Список литературы
1) Водород в энергетике : учеб. пособие / Р. В. Радченко, А. С.
Мокрушин, В. В. Тюльпа. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2014.
2) Галышев, Ю. В. Анализ перспективы создания водородных
двигателей / Ю. В. Галышев // Международный научный журнал
Альтернативная энергетика и экология. – 2005. – № 2(22). – С. 19-23. – EDN
HYIKXR.
3) Красников, В. В. Перспективы применения водородного топлива в
энергетических установках транспортных средств / В. В. Красников, Н. С.
Вахрина // Наземные транспортно-технологические средства:
проектирование, производство, эксплуатация : Материалы I Всероссийской
заочной научно-практической конференции, Чита, 25–28 октября 2016 года /
Ответственный редактор С.П. Озорнин. – Чита: Забайкальский
государственный университет, 2016. – С. 62-67. – EDN YJEVOR.
Лист
Изм. Лист
№ докум
Подпись
Дата
15