2.2.3 Сложные эфиры (эфиры растительных масел

История использования растительных масел как топлива.

Возможность использовать переработанные растительные масла в качестве моторного топлива была открыта в 1853 году Даффи и Патриком, однако первое испытание такой силовой установки случилось только спустя четыре десятилетия — 10 августа 1893 года в немецком Аугсбурге Рудольф Дизель применил арахисовое масло в двигателе собственной конструкции, названном впоследствии по имени изобретателя "дизелем". Любопытно, что самый первый дизельный мотор, изготовленный в 1890 году, работал на продуктах переработки нефти, но Дизель тогда решил, что растительное масло - более перспективный вид топлива. Этот же двигатель Дизель продемонстрировал на Всемирной выставке в Париже в 1898 году. Он считал использование биотоплива чрезвычайно перспективным и верил, что машины будущего будут работать именно на нем.

Достоинства и недостатки эфиров растительных масел.

Главное достоинство биодизеля - его экологическая чистота. По вы­бросу в атмосферу -вредных веществ биодизель значительно чище, чем со­лярка. Так, он «чадит» сажей на 50%, СО - на 10 - 12%, СН - на 20% меньше, чем обычное дизтопливо. Серы в выхлопе ничтожно мато - 0,005 - 0,05% против 0,2 - 0,5% у солярки. Установка нейтрализаторов отрабо­тавших газов позволяет еще больше снизить количество выбрасываемых токсичных компонентов.

Теплота сгорания биодизельного топлива уступает этому показателю у дизельного - 37,2 МДж/кг против 42,5 МДж/кг (-10%). Поэтому мощ­ность двигателя, работающего на биодизеле, снижается в среднем на 7%, а расход топлива повышается примерно на 5 - 8%.

Из-за высокого содержания кислорода в биодизельном топливе (10%) в отработавших газах автомобиля больше окислов азота. Но этот по­казатель снижается до нормы после соответствующих настроек топливной системы (за счет уменьшения угла опережения впрыскивания топлива). Кстати, при помощи регулирования топливной системы можно практиче­ски полностью восстановить и мощность мотора.

Биодизель не ядовит и поэтому его просто транспортировать и хранить. В последние годы, благодаря налоговым льготам, предостав­ляемым правительством США тем, кто использует альтернативное топли­во, множеству ограничений на традиционное топливо и давлению со сто­роны американских фермеров, выращивающих сою, биодизель стал пер­спективным в как альтернативное топливо.

Ресурсы растительных масел.

Как известно масличные культуры «производят» масло на всех уров­нях: под землёй (земляные орехи); на земле (соя); над землёй (рапс, лён, горчица, подсолнечник); на кустах (рицинус, хлопок, фундук); на деревьях (оливы, бук, пальмы). Более 150-ти видов растущих по всему миру расте­ний, способны накапливать в достаточном количестве масла. Это позволя­ет отдельным регионам самостоятельно, на местном уровне, решать свои энергетические проблемы.

Масло выделяется из масличных культур путем выжимки и экстра­гирования (трихлорэтиленом или гексаном) и очищается при нейтрализа­ции, вымораживании или фильтровании. Вместе с тем, мировое производ­ство растительных масел не превышает 35 млн т в год, и все они практиче­ски целиком потребляются пищевой и химической промышленностью. К тому же и нынешняя стоимость растительных масел в несколько раз пре­вышает стоимость дизельного топлива, получаемого из нефти.

Эфиры растительных масел (ЭРМ) и их производство. 

В Европе чаще всего для производства биодизельного топлива ис­пользуют рапсовое масло, которое представляет собой сложные эфиры глицерина и ряда высших карбоновых кислот: насыщенных (миристиновой 1,5%, стеариновой 1,6%, арахиновой 1,5%) и ненасыщенных (олеиновой, 20–25%, эруковой 56—65%, линолевой 14% и линоленовой 2— 3%).

Чистые растительные масла недостаточно стабильны и имеют повышен­ную вязкость и коксуемость. Поэтому производится их переэтерификация метиловым или этиловым спиртом

Процесс производства выглядит примерно так: сначала масло очи­щают, а затем в него добавляют метиловый спирт и катализатор (щелочь). В результате реакции переэтерификации получается смесь, которой дают отстояться. Легкие верхние фракции продукта и являются рапсовым ме­тил-эфиром, или биодизельным топливом. Из каждой тонны рапса можно получить около 300 кг (30%) рапсового масла, а из него - порядка 270 кг биодизельного горючего.

Топливные характеристики ЭРМ.

Главное достоинство биодизеля - его экологическая чистота. По вы­бросу в атмосферу -вредных веществ биодизель значительно чище, чем со­лярка. Так, он «чадит» сажей на 50%, СО - на 10 - 12%, СН - на 20% меньше, чем обычное дизтопливо. Серы в выхлопе ничтожно мато - 0,005 - 0,05% против 0,2 - 0,5% у солярки. Установка нейтрализаторов отрабо­тавших газов позволяет еще больше снизить количество выбрасываемых токсичных компонентов.

Теплота сгорания биодизельного топлива уступает этому показателю у дизельного - 37,2 МДж/кг против 42,5 МДж/кг (-10%). Поэтому мощность двигателя, работающего на биодизеле, снижается в среднем на 7%, а расход топлива повышается примерно на 5 - 8%.

Из-за высокого содержания кислорода в биодизельном топливе (10%) в отработавших газах автомобиля больше окислов азота. Но этот показатель снижается до нормы после соответствующих настроек топливной системы (за счет уменьшения угла опережения впрыскивания топлива). Кстати, при помощи регулирования топливной системы можно практически полностью восстановить и мощность мотора.

Биодизель не ядовит и поэтому его просто транспортировать и хранить.

Перспективы биодизельных топлив.

В настоящее время совершенствованием производства биодизельных топлив достаточно интенсивно занимаются в некоторых странах Западной Европы (Австрия, Франция и др.) и в США Сведений о проведении аналогичных работ в России практически нет. Даже самые рьяные энтузиасты биодизеля не надеются на не­го как на панацею от мировой энергетической проблемы. Растительная биомасса вполне пригодна для отопления жилых домов и производственных помещений, однако говорить об использовании ее для производства альтернативных видов жидкого топлива для двигателей внутреннего сгорания пока не при­ходится.

Кислородсодежащие соединения, вводимые в топлива как добавки: фенолы, сложные эфиры, гетероциклы и пр.

Кислородсодержащие добавки, не относящиеся к классам спиртов и эфиров

Спиртами и эфирами далеко не исчерпывается перечень веществ, которые можно рассматривать как потенциальные моторные топлива. Разрабатываются новые композиции, содержащие такие вещества как диметоксиметан (метилаль, формаль), 1,1-диметоксиэтан, 1,1-диэтоксиэтан (ацеталь), диметиловые эфиры этилен- и диэтиленгликолей. Наиболее перспективным представляется диметоксиметан (ДММ, метилаль) - бесцветное высоколетучее вещество с низкой температурой кипения (42 °С) и малой вязкостью. Он уже находит применение в органическом и фармацевтическом синтезе, в лакокрасочной промышленности, в качестве смывок, в очищающих и обезжиривающих растворителях, в производстве клея и пластмасс, в аэрозолях технического назначения, в товарах бытовой химии, а также как добавка к топливу.

Назначение и оказываемые эффекты.

ДММ представляет особый интерес прежде всего потому, что его в принципе можно получать из продуктов окисления природного газа, когда одновременно образуются метанол и формальдегид.

Еще одним видом топлив с кислородсодержащими веществами яв­ляются Топлива серии Р, разработанные в Принстонском университете (США), представляющие собой смесь этанола, метилтетрагидрофурана (МТГФ), углеводородов С₅ и более; в зимние сорта вводится н-бутан

Октановые числа новых топлив в зависимости от состава находятся в диапазоне 87—93 единицы. 1 л топлива этого типа эквивалентен 1 л обычного бензина или 0,88 л реформулированного; энергозатраты на производство 1 л топлива на 14,6 МДж меньше, чем на производство 1 л реформулированного бензина. В перспективе топлива серии Р могут заменить в США около 380 тыс. м бензина.

Водород как топливо для двигателей внутреннего сгорания

Общая характеристика водорода как топлива.

В нормальных условиях H2 - бесцветный газ. без запаха и вку­са, 1 л водорода при 0 °С и атмосферном давлении имеет массу 0,08987 г. Особый интерес к водороду именно как моторному топливу обусловлен следующими обстоятельствами:

• при сгорании H2 в двигателе образуется практически только; вода, и в этом отношении двигатель на водородном топливе является наиболее экологически чистым;

• низшая теплота сгорания H2 составляет 120 МДж/кг, что более чем в 4 раза выше по сравнению с бензином (около 25 МДж/кг), т.е. ' 1 кг водорода эквивалентен почти 4,5 кг бензина;

• при условии получения H2 из воды можно считать сырьевую базу для его производства практически неограниченной.

Основные направления использования в энергетике H2 . Сущность атомно-водородной энергетики.

В последние 10—15 лет во всем мире ведутся ин­тенсивные исследования по созданию и коммерциализации энергоустано­вок на основе топливных элементов (ТЭ) - электрохимических генерато­ров (ЭХГ). Это обусловлено, прежде всего, очевидными преимуществами ЭХГ перед традиционными источниками электроэнергии. Важнейшими из них являются: высокий КПД превращения химической энергии топлива в электроэнергию; низкий уровень вредных выбросов; бесшумность в рабо­те; модульность конструкции, что позволяет легко и быстро строить ЭХГ разной мощности в рамках одной и той же технологии.

В США первые исследования по использованию водорода в качестве топли­ва были начаты в 1944 году, и их курировало Министерство обороны США, заинтересованное в создании водородного топлива для ракет. В 1950-е годы предпринимались попытки построить реактивные самолеты на водородных двигателях. В 2004 году на разра­ботку новых подходов и способов использования водорода в качестве энергоносителя США затратили около 800 млн долларов, Япония — 150 млн долларов.

Разработанная в нашей стране в начале 70-х годов ХХ века концепция широкого использования производимого из воды с помощью ядерных реакторов водорода как энергоносителя в промышленности, в энергетике, на транспорте и в быту получила название «атомно-водородная энергетика» (АВЭ). Можно определить концепцию атомно-водородной энергетики (АВЭ) как «вода на входе + чистая ядерная энергия => водород ё водород => кислород = чистая энергия + вода на выходе».

Атомно-водородная энергетика нацелена на расширение использования ядерной энергии в энергоёмких отраслях химической, металлургической, строительной, топливной промышленности, а также на транспорте. Становление атомно-водородной энергетики потребует развития специальных инновационных технологий. Среди них — высокотемпературные реакторы, агрегаты для эффективного производства водорода из воды, водородный топливный элемент, хемотермические преобразователи, хранение и транспорт водорода.

Достоинства и недостатки водорода как топлива

Достоинства: Главным и неоспоримым преимуществом автомобилей на водородном топливе является высокая их экологичность. Так и запишем: Экологичность водородного топлива. Продуктом горения водорода является вода, точнее водяной пар. Это, естественно, не означает, что при езде на таком автотранспорте не будет выделяться токсичных газов, ведь в ДВС помимо водорода сгорают ещё и различные масла. Однако количество выбросов их несравнимо с чадящими бензиновыми коллегами. Собственно, ухудшающееся состояние экологии – это проблема человечества, и если количество бензиновых «монстров» будет расти такими темпами, то водородное топливо, как когда-то, в войну, станет единственным спасением теперь уже не города, а всего человечества. ДВС на водороде может использовать и классические виды топлива, такие как бензин. Для этого придётся устанавливать на автомобиль дополнительный топливный бак. Такой гибрид гораздо легче «продвинуть» на рынок, чем чистый водородный ДВС. Бесшумность. Простота конструкции и отсутствие дорогостоящих, ненадёжных и опасных систем топливоподачи, охлаждения и т.д. Коэффициент полезного действия электродвигателя работающего на водородном топливе в несколько раз выше, чем у классического двигателя внутреннего сгорания.

Недостатки: Большой вес автомобиля. Для работы электродвигателя на водородном топливе необходимы мощные аккумуляторные батареи и водородные преобразователи тока, которые в общей конструкции весят не мало, да и габариты у них внушительные.

Дороговизна водородных топливных элементов.

При использовании водорода с традиционным топливом велика опасность взрыва и возгорания. Несовершенные технологии хранения водородного топлива. То есть, ученые и разработчики до сих пор не решат, какой сплав использовать для баков хранения водорода. Не разработаны необходимые стандарты хранения, транспортировки, применения водородного топлива. Полное отсутствие водородной инфраструктуры заправок автомобилей. Сложный и дорогой способ получений водорода в промышленных масштабах. Прочитав о достоинствах и недостатках водородного топлива можно сделать вывод, что в свете ухудшающийся экологии, альтернативный источник энергии водород станет единственным продуктивным решением проблемы. Но, если обратится к недостаткам, то становится ясным, почему, до сих пор, серийный выпуск водородных автомобилей откладывается на неопределённый срок.

Методы получения H2:

1. Паровая конверсия метана – ПКМ. Осуществляется в мире в основном путём паровой конверсии метана при температурах 750-850 °С в химических паровых реформерах и каталитических поверхностях. На первом этапе метан и водяной пар превращаются в водород и монооксид углерода (синтез-газ). Вслед за этим «реакция сдвига» превращает монооксид углерода и воду в диоксид угле­рода и водород. Эта реакция происходит при температурах 200-250 °С. Для осуществления эндотермического процесса ПКМ сжигается около поло­вины исходного газа. При использовании паровой конверсии метана в со­четании с высокотемпературным гелиевым реактором (ВТГР) требуемая тепловая мощность ВТГР составляет в расчёте на 5 млн т водорода около 6,5 ГВт.

2. Плазменная конверсия углеводородов. . В РКЦ «Курчатовский инсти­тут» выполнены исследования плазменной конверсии природного углево­дородного топлива (метан, керосин) в синтез-газ. Эта технология может быть применена на заправочных станциях или на борту водородных авто­мобилей при использовании обычного жидкого топлива. Разработаны так­же плазмохимические методы получения водорода с помощью ВЧ- и СВЧ-технологий с использованием в качестве сырья химических соединений, в Которых водород находится в слабосвязанном состоянии, например, серо­водорода.

3. Электролитическое разложение воды (электролиз). Электролитиче­ский водород является наиболее доступным, но дорогим продуктом. Для разложения чистой воды при нормальных условиях требуется напряжение 1,24 вольта. Величина напряжения зависит от температуры и давления, от свойств электролита и других параметров электролизера. В промышлен­ных и опытно-промышленных установках реализован к.п.д. электролизера ~70-80 %, в том числе для электролиза под давлением. Паровой электро­лиз - это разновидность обычного электролиза. Часть энергии, необходи­мой для расщепления воды, в этом случае вкладывается в виде высокотем­пературного тепла в нагрев пара (до 900 °С), делая процесс более эффек­тивным. Стыковка ВТГР с высокотемпературными электролизерами по­зволит повысить суммарный кпд производства водорода из воды до 50 %.

Одним из существенных ограничений крупномасштабного электро­лизного производства водорода является потребность в драгоценных ме­таллах (платина, родий, палладий) для катализаторов, которая пропорцио­нальна мощности и, следовательно, поверхности электродов.

4. Расщепление воды. По-видимому, в ближайшем будущем методы по­лучения водорода с использованием углеродного сырья будут основными. Однако сырьевые и экологические ограничения процесса паровой конверсии метана стимулируют разработку процессов производства водорода из воды.

5. Термохимические и термоэлек­трохимические циклы. Воду можно термиче­ски разложить и при более низкой температуре, используя последователь­ность химических реакций, которые выполняют следующие функции: свя­зывание воды, отщепление водорода и кислорода, регенерация реагентов. термохимический процесс получения водорода с кпд до 50 % исполь­зует последовательность химических реакций (например, серно-кислотно-йодный процесс) и требует подвода тепла при температуре около 1000 °С. Источником тепла при термохимическом разложении воды также может служить высокотемпературный реактор. На отдельных стадиях процессов такого типа наряду с термическим воздействием для отщепления водорода может использоваться электричество (электролиз, плазма).

Комплексные технологии.

Изучено много комбинаций химических реакций, в которых вода расщепляется на водород и кислород в замкнутом цикле с поглощением тепла и электричества. Такой цикл может быть построен и на базе ПКМ. При паровой конверсии метана около половины водорода производится из воды. Довести в этом цикле долю водорода, получаемого расщеплением воды, до 100 %, можно путём электрохимического или плазменного вос­становления метана из метанола с возвращением его в начало процесса. Выбор оптимального процесса разложения воды определяется рядом кри­териев, среди которых важнейшими являются следующие: эффективность цикла, термодинамические и кинетические характеристики отдельных ре­акций, доступность и стоимость реагентов, совместимость реагентов и конструкционных материалов, безопасность процесса, экологические со­ображения и, в конечном счёте, экономические показатели.

Хранение H2. Из-за низкой темперапуры кипения водорода при его транспорте и хранении первостепенное значение имеет тепловая изоляция. Жидкий водород обычно транспортируют и хранят в специальных резер­вуарах с двойными стенками, пространство между которыми заполнено специальной изоляцией- Наиболее распространены вые о ко вакуумная, ва-куумно-порошковая и многослойная низкотемпературные тепловые изоля­ции; используют и комбинированные изоляции, например многослойно-порошковую. При конструировании оборудования для хранения и транс­порта жидкого водорода необходимо учитывать, что в условиях глубокого холода прочностные характеристики большинства металлов и сплавов улучшаются, а ударная вязкость резко уменьшается. Водород обладает способностью проникать через толщу материала, в частности металлов, и с повышением давления и температуры диффузия водорода в металлы возрастает. Глубина проникания молекул водорода в кристаллическую решетку металла в большинстве случаев не превышает 4-6 мм, а при нагартовке материала может быть снижена до 2,0—1,5 мм. Для алюминия она достигает 1!)—30 мм, а при нагартовке снижается до 4—6 мм. Водородная диффузия в сталях практически полностью устраня­ется путем легирования с помощью хрома, молибдена, вольфрама и других элементов.

Водород хранят и в газообразном виде. Для его сжатия требуется меньше энергии, чем для ожижения. Газообразный водород может быть накоплен в подземных полостях, истощенных месторождениях природного газа. Так, при испытаниях российских ЯРД для хранения использовались подземные ёмкости, в которых водород содержался под давлением 90 ат­мосфер.

Сущность локального хранения

При использовании водорода индивидуальными потребителями воз­никает проблема локального хранения. Особенно это важно при использо­вании водорода в автомобилях, где наряду с требованиями безопасности должны быть обеспечены высокие показатели по удельной ёмкости на единицу массы и объёма. Создание металлических или композитных (ме­талл + углеродное волокно) резервуаров, пригодных для эффективного хранения водорода на транспорте, требует применения новых технологий. Одним из последних примеров в этом направлении является разработка и испытание Центром Келдыша совместно с институтами ракетной про­мышленности композитных баллонов размером до 40 см для хранения во­дорода при давлении до 70 МПа на автомобиле.

Водородная безопасность

Обеспечение безопасности при использо­вании водорода сводится к решению проблем предотвращения аварийных ситуаций, связанных с потерей герметичности систем, производящих и ис­пользующих водород, а также к изучению процессов протекания аварий и разработки методов управления авариями с целью снижения негативного воздействия. В работах В.В. Азатяна, А.Г. Мержанова с соавторами были предло­жены высокоэффективные средства, позволяющие регулировать законо­мерности горения и взрыва водородо-воздушных смесей: скорость горе­ния, критические условия воспламенения, перехода горения в детонацию. В качестве эффективных ингибиторов применительно к горению смесей водорода в воздухе, содержащих более 10% водорода, ученымиз были предложены и испытаны олефиновые соединения, в частности прогилен.

Экономика производства H2.

В настоящее время в США и Японии разработка термохимических процессов производства водорода из воды с использованием энергии ВТГР явно активизировалась. Основным стимулом для поведения этих работ яв­ляется результаты сопоставления общего к.п.д производства водорода раз­личными методами. Общий к.п.д для варианта с электролизом - не выше 25 %, в то время как для варианта термохимия + ВТГР общий к.п.д может достигать 45-48 %. Преимущество термохимических процессов обуслов­лено прежде всего переходом с экстенсивных поверхностных систем раз­ложения воды на электродах к интенсивным объёмным процессам в хими­ческих реакторах. В далёкой перспективе, развитие водородной экономики может по­требовать до половины мощностей ядерной энергетики, что, по одному из прогнозов, составляет более 2000 ГВт. Темпы и структура развития ядер­ной энергетики должны отслеживать эти требования.

История применения водорода в качестве топлива для ДВС.

Одним из пионеров использования чистого водорода в качестве мо­торного топлива является наш соотечественник - инженер-лейтенант Шелищ. В блокадном Ленинграде не хватало бензина, но было достаточно много мощностей для производства водорода. Этот газ использовался для наполнения аэростатов. Шелищ предложил перевести автомобили на водо­род. Он переделал одну машину, показал, что она будет работать, и вскоре по Ленинграду разъезжали уже 200 автомобилей на водороде.

Недавно довольно торжественно было отмечено 40-летие использо­вания водорода в качестве топлива для автомобилей. Учреждена медаль имени Шелища, которой награждают за крупные достижения в использо­вании водородного топлива.

Топливные характеристики

водород характеризуется наиболее высокими энергомассовыми показателями среди химических топлив. В то же время из-за низкой плотности водород по объемной теплопроизводительности уступает большинству жидких и газообразных топлив. Теплота сгора­ния 1 м³ стехиометрической в однородно-воздушной смеси составляет 2992 кДж/м , что на 15—20% меньше по сравнению с бензином к спирта­ми, и это является основной причиной снижения мощности двигателя при переводе на водород.

С воздухом водород устойчиво воспламеняется, в широком диапазо­не концентраций вплоть до а - 10, что обеспечивает устойчивую работу двигателя на всех скоростных режимах в широком диапазоне изменения состава смеси от а = 0,2 до а = 5. В связи с этим мощность водородного двигателя может изменяться качественным регулированием, при котором уменьшаются потери, а его к. п. д. при частичных нагрузках увеличивается на 25—50%.

Критическая степень сжатия при стехиометрическом водородо-воздушном составе смеси не превышает 4,7, что соответствует октановому числу по исследовательскому методу 46 единицам, в то время как при а ~ 3,5 степень сжатия достигает 9,4 и октановое число равно 114. Таким обра­зом, при достаточном обеднении смеси возможна бездетонациопная работа водородного двигателя в широком диапазоне степеней сжатия.

Высокая реакционная способность водорода может приводить к про­скокам пламени во впускной трубопровод, преждевременному воспламе­нению и жесткому сгоранию топливных смесей. Этих недостатков можно избежать, если модифицировать топливоподающую систему двигателя.

Особенности горения и детонации.

Водородно-воздушные смеси характеризуются высокой скоростью сгорания в двигателе, причем при стехиометрическом соотношении перио­ды индукции очень малы и сгорание протекает практически при постоян­ном объеме, что ведет к резкому повышению давления. Скорость нараста­ния давления в цилиндре водородного двигателя при работе на стехиометрических смесях примерно в 3 раза выше по сравнению с бензиновым ана­логом. При обеднении смеси скорость снижается и при а - 1,9 достигает значений, соответствующих при работе на стехиометрических бензино-воздушных смесях.

Детонационно-подобные явления, характерные для работы двигателя на водороде, изучены недостаточно. Согласно большинству данных, водо­род начинает детонировать при степенях сжатия 8 -10 в широком диапазо­не а. В то же время очистка камеры сгорания (удаление нагара и высту­пающих кромок, шлифовка поверхности) позволяет осуществить работу на водороде при степенях сжатия, близких к 10, и стехиометрических топлив­ных смесях.

При достаточном обеднении смеси возможна бездетонациопная работа водородного двигателя в широком диапазоне степеней сжатия.

Особенности состава выхлопных газов.

Отсутствие углерода в водородном топливе приводит к тому, что в отработавших газах практически отсутствуют оксиды углерода (СО и COz) | и несгоревшие углеводороды (СН). Незначительные количества этих про­дуктов в отработавших газах обусловлены выгоранием смазочных мате­риалов, попадающих в камеру сгорания. Выброс оксидов азота при сте­хиометрическом составе смеси за счет более высокой температуры горения водородно-воздушной смеси вдвое превышает выброс оксидов азота бен­зинового двигателя. Однако обеднение смеси приводит к быстрому снижению, и при а =1,8 оксиды азота в отработавших газах практически от­сутствуют.

Особенности использования водорода в дизельных двигателях

Использование водорода в дизельных двигателях в значительной степени затрудняется высокими температурами самовоспламенения водо-родно-воздушных смесей. Поэтому для организации устойчивого воспла­менения водорода дизели переоборудуют в двигатели с принудительным зажиганием от свечи или переводят на работу по газожидкостному процес­су - с впрыском запальной дозы жидкого топлива (обычно дизельного). Водород может подаваться как совместно с воздухом, так и непосредст­венным впрыском в цилиндры. Устойчивая работа дизеля на водороде обеспечивается только в узком диапазоне топливных смесей, ограничи­ваемом пропусками воспламенения и детонацией.

Опытные образцы водородных дизелей созданы в лаборатории ин­ститута Мусаши (Япония). Для организации рабочего процесса дизеля во­дород непосредственно впрыскивается в камеру сгорания в конце такта сжатия под давлением 8 МПа с помощью специальной форсунки с гидрав­лическим приводом от штатного топливного насоса высокого давления. Для воспламенения смеси служит керамическая калильная свеча с встро­енным вольфрамовым электронагревателем. Электронагреватель включа­ется на режимах пуска и прогрева двигателя, на остальных режимах свеча обеспечивает температуру 900 - 1000 °С за счет выделяющегося при сго­рании топлива тепла. Благодаря комплексу конструктивных мероприятий при работе на водороде сохранена мощность двигателя на уровне базового дизеля при относительно высоких показателях энергетической эффектив­ности.

Для обеспечения приемлемого запаса хода автомобиля с дизельным двигателем (не менее 300 км) водород используют в жидком виде, при этом он подается в дизель специальным насосом высокого давления. Хра­нят водород в криогенном баке с заправочной емкостью по водороду 82 л. Бак массой 35 кг изготовлен из легированной стали, снабжен вакуумно-порошковой изоляцией. В связи с низкой температурой жидкого водорода в топливном насосе высокого давления дизеля использованы специальные материалы. В частности, гильза изготовлена из легированной стали, а ра­бочая поверхность плунжера имеет полиамидное покрытие. Недостатки данной конструкции водородного автомобиля - сложность заправки крио­генным компонентом, низкий ресурс работы водородного насоса и боль­шие потери водорода (до 12—15%).

Хранение водорода как моторного топлива.

Одним из серьезных вопросов в применении водорода в качестве моторного топлива является выбор способа его хранения на борту автотранспортного средства. Водород — самый легкий среди химических элементов, поэтому в заданном объеме его помещается значительно меньше, чем других видов топлива.

Так, при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении водород занимает примерно в 3 тыс. раз больший объем, чем бензин с равным количеством энергии. В сжиженном виде водород занимает значительно меньше места, хотя для этого его необходимо охладить всего до двух десятков градусов выше абсолютного нуля. Однако, развитие криогенных технологий и успехи, достигнутые в сфере использования сверхнизких температур, уже сегодня позволяют без особого ущерба полезному пространству автомобиля хранить на его борту запас жидкого водорода, достаточный для пробега 500 км и более. Достоинством данной системы хранения является наименьшая масса и высокая объемная концентрация водорода; жидкий водород эквивалентен газообразному, сжатому до 170 МПа. Поэтому если к системе хранения водорода предъявляются ограничения по массе и по объему, что характерно для транспортных средств, то преимущество имеет криогенная система хранения. Одним из способов связанного хранения водорода являются гидриды. Однако лучшие из известных сегодня гидридов - железотитановые и никель-магниевые - уступают по объемным и весовым параметрам криогенному способу хранения водорода.

Хранение с помощью промежуточных носителей.

Основная проблема использования водорода в качестве моторного топлива связана с его хранением. Температура кипения водорода равна 252,8°С. Поэтому хранить его на транспортном средстве можно в газообразном виде при обычных температурах и высоком давлении, в сжиженном виде при температурах ниже его температуры кипения или с использованием промежуточного носителя. Для эксплуатации наиболее рационально использование промежуточного носителя водорода. Такими носителями являются гидриды металлов (магния, ванадия, железа и др.) и их сплавы. Водород в них сохраняется в химически связанном состоянии и при необходимости извлекается из соединения при термическом, химическом или термохимическом воздействиях. Однако в настоящее время работы по переводу дизеля на водород пока не вышли из стадии отдельных лабораторных исследований. Возможность использования газообразного топлива в двигателях внутреннего сгорания определяется его физико-химическими свойствами.

Гидридные баки

Для хранения и транспортирования Н2, кроме обычных методов, разработанных для жидкого и газообразного водорода, перспективно использование твердых соед. - гидридов металлов и интерметаллидов. Последние способны реагировать с большими кол-вами Н2 при невысоких т-рах и давлениях (см. Гидриды). Из гидридов интерметаллидов наиб. интересны соед. на основе Ti, Fe, Mg, Ni, La и V. Они содержат до 400 см3 Н2 на 1 г гидрида, выделяют Н2 при сравнительно низких т-рах (150-200 °С) и относительно дешевы. Для хранения гидридов интерметаллидов разработаны спец. емкости - гидридные баки. Гидриды интерметаллидов м. б. использованы, в частности, на автотранспорте. Гидридный бак устанавливается на автомобиле и обогревается отработавшими газами двигателя: гидрид разлагается и выделяется водород, к-рый подается в двигатель как добавка к бензину.

Использование водорода в бензиново-водородных двигателях.

Более совершенной и широко испытанной конструкцией является бензино-водородный автомобиль, в котором для аккумулирования водо­рода используют металлогидрид, подогреваемый водой, которая, в свою очередь, нагревается в специальном теплообменнике за счет тепла отрабо­тавших газов. Выделяющийся водород проходит фильтр для очистки от частиц металлического носителя. С помощью редуктора давление водоро­да понижается до 0,2 МПа, и он посредством электромагнитных клапанов подается на впуск каждого цилиндра, куда впрыскивается и основное топ­ливо — бензин. Управление комбинированной топливной системой осу­ществляется микропроцессором, входными сигналами для которого слу­жат нагрузка и обороты двигателя, а также температура охлаждающей жидкости. Для аварийного отключения подачи водорода имеется электро­магнитный запорный клапан, включаемый водителем (тумблер на панели приборов). Пуск двигателя может производиться как на бензине, так и на водороде вплоть до температуры окружающего воздуха -15 °С. Масса ав­томобиля при устанозке дополнительной водородной системы питания по­высилась на 150 кг.

Программа управления подачей топлива обеспечивает работу двигателя на смеси бензина и водорода на средних нагрузках с регулируемым соотношением компонентов. На режиме холостого хода и малых нагрузках двигатель работает только на водороде, при больших нагрузках — на чистом бензине. Прекращение подачи водорода при повышенных нагрузках обусловлено стремлением сохранить максимальную мощность двигателя, а также избежать его жесткой работы, повышенных выбросов оксидов азота и проскока пламени на впуске.

Перевод на бензино-водородное питание снижает расход бензина в диапазоне скоростей движения 90—120 км/ч примерно вдвое и дает его экономию около 28% при езде по городскому ездовому циклу. При этом значительно снижаются выбросы токсичных продуктов: СО - в 7,3 раза, углеводородов и оксидов азота - примерно на 30%.

Опыт использования водорода как топлива в России и мире.

Практическое применение водорода в качестве моторного топлива началось в 1941 году. В Великую Отечественную войну в блокадном Ленинграде техник-лейтенант Шелищ Б.И. Предложил использовать водород, "отработавший" в аэростатах, как моторное топливо для двигателей автомобиля ГАЗ. Заставить с помощью энергии водорода двигаться самоходный экипаж смог в 1959 году бельгийский изобретатель Ленуар. Первый ДВС использовал в качестве топлива, как водород, так и светильный газ. Возможно, водород так бы и прижился в качестве основного топлива для автотранспорта, но в 1870 году стали использовать бензин в ДВС. Постепенно первые эксперименты с водородным топливом были забыты. В начале восьмидесятых годов начало зарождаться новое направление в применении водорода в качестве топлива для автомобилей, которое в настоящее время рассматривается как основная тенденция. Это направление связано с созданием автомобилей работающих на топливных элементах.