2.9Висновки

• Застосування альтернативних палив дозволяє забезпечити їхнє виробництво з місцевої сировини, що особливо важливо для ряду держав в аспекті політичному, екологічному й суспільному.

• Альтернативні палива забезпечують зниження емісії деяких токсичних складових газів, що відробили, у навколишнє середовище.

• Рослинні палива, знижуючи емісію З02 в атмосферу, ефективно впливають на явище парникового ефекту.

• CNG, LPG і метанол є природними паливами, найбільш конкурентноздатними стосовно вуглеводневих палив. CNG й LPG у цей час стають усе більше доступними. Вони, в основному, застосовуються для харчування легкових і вантажних автомобілів, оснащених дизельними двигунами. Слід зазначити, що останнім часом застосовуються електронні системи подачі палива, однак їхня вартість значно вище, ніж звичайних засобів конвертації двигунів для роботи на альтернативних паливах.

• Паливами CNG й LPG, у першу чергу, повинні харчуватися двигуни тих автомобілів, які експлуатуються в міських агломераціях, у яких у цей час концентрація токсичних складових газів, що відробили, є найвищою.

• Метанол й етанол варто вважати перспективними паливами для засобів транспорту.

• Електромобілі будуть більш широко застосовуватися тоді, коли наступить революційний технологічний перелом у виробництві акумуляторів і коли буде надлишок дешевої електроенергії.

• Водень - як найкраще паливо найближчим часом не знайде широкого застосування через проблеми, пов'язаних з його зберіганням на автомобілях і проблемами безпеки.

3Водень як моторне паливо

Перші дослідження з використання водню у двигунах внутрішнього згоряння були проведені ще в 20-і роки минулого століття. В 1927 році водень використовувався на дирижаблях фірми Цепелін як збагачувач вуглеводневих палив для авіаційних двигунів з метою збільшення дальності польоту.

Відтоді водень постійно викликає інтерес до використання його як моторного палива. Це пояснюється його високими енергетичними показниками, необмеженою сировинною базою й високою екологічністю.

Відзначимо найбільш характерні особливості водню:

1. Водень найлегший елемент, навіть у рідкому стані він приблизно в 14 разів легше води;

2. В одиниці маси водень містить 120 Мдж, що майже в 3 рази більше теплової енергії, чим всі відомі викопні палива. Однак, щоб його розмістити, необхідні досить великі об'єми;

3. Водень має здатність миттєво змішуватися з іншими газами й, зокрема, з повітрям атмосфери. Суміш водень-повітря запалюється при вмісті водню від 4 до 74%;

4. Водень горить у газоподібному стані при температурі близько 500 °С з утворенням пари дистильованої води (у рідкому й твердому станах він не горить). Для спалювання 1 кг водню необхідно в 2 рази більше повітря, ніж при спалюванні бензину;

5. Спалини не містять окису вуглецю, вуглеводнів, а окисли азоту присутні в менших кількостях, порівняно із бензином.

У той же час через низьку теплотворну здатність воднево-повітряної суміші потужність двигуна знижується на 15-20%.

Фізичні властивості. При нормальних умовах водень – безбарвний газ. Нетоксичний. Рідкий водень являє собою безбарвну рідину без заходу. Скраплюється водень при температурі мінус 252,7 °С, а кристалізується при мінус 259,2 °С, тобто перебуває в рідкому стані при досить малому температурному інтервалі – близько 6°. У цій області можливе утворення проміжної форми – суміші рідкого водню з невеликими шматочками водневого льоду. Для утворення шуги в рідкому водні потрібно його невелике – до 0,7 °С переохолодження. Застосування рідкого водню може викликати руйнування деяких конструкційних матеріалів за рахунок появи в них високої крихкості при дуже низькій температурі. Гумовий м’ячик після занурення в рідкий водень при падінні розбивається, як скляний.

При роботі на водні спостерігається підвищене зношування поверхонь, що контактують із воднем  при високій температурі. Це відбувається через те, що при високій температурі радикали водню, маючи високу розчинність і велику швидкість дифузії  в сталі, частково поглинаються поверхневими шарами металу й вступають у хімічні сполуки з її складовими. При цьому утвориться метан і маловуглецева сталь. Радикали водню відновлюються до молекул у поверхневих шарах металу зі збільшенням об'єму. Утворюється, - метан і водень – які створюють внутріпорожнинний тиск, викликаючи утворення мікротріщин по границях зерен металу. Зневуглецьована сталь втрачає механічні властивості.

При низьких температурах у металів і сплавів ударна в'язкість, подовження й звуження зменшуються, однак характеристики міцності, як правило, збільшуються. Для контактування з рідким воднем рекомендується застосовувати хромонікелеві сталі марок Х18Н10Т, ОХ18Н12Б и Х14М14Н3Т. Зі сплавів міді можна використати латуні марок Л-62, ЛС 69-1, ЛЖ МЦ 59-1-1, а також бронзи - оловяннофосфористую Бр. ОФ 10-1, берилієву Бр. Б2 й алюмінієві бронзи. Однак найкращими конструкційними матеріалами для контакту з рідким воднем є сплави алюмінію АМЦ, АМГ, АМГ-5У и ін. [11].

Масова теплоздатність воднево – повітряних сумішей також перевищує теплопродуктивність інших палив і становить 3,3 МДж/кг при . Енергія запалення водню дуже низка – приблизно в 70 разів менше, ніж у метану, а швидкість поширення фронту полум'я в умовах камери згоряння при приблизно в три рази вище, ніж у бензоповітряних сумішей.

З повітрям водень стійко запалюється в широкому діапазоні концентрацією – аж до . Це забезпечує роботу водневого двигуна на всіх швидкісних режимах у широкому діапазоні зміни сполук суміші: від до . У зв'язку із цим потужність такого двигуна може змінюватися якісним регулюванням, при цьому його ККД на часткових навантаженнях збільшується на 25-50% [11].

Однак, ефективна потужність ДВЗ при роботы на водні помітно падає, що обумовлено досить низькою густиною водню, що приводить до зменшення наповнення циліндрів паливом.

Наприклад, для забезпечення в циліндрі газоподібний водень повинен займати майже 30%, у той час, як пари бензину займають тільки 2–4%. У цілому переобладнання двигуна для роботи на водневому паливі викликає зниження потужності в середньому на 20-25%.

Використання водню як паливо, при його високій реакційній здатності, у ряді випадків приводить до зворотних пропусків полум'я у впускний трубопровід, передчасному запаленню й жорскому згорянню паливних сумішей. Необхідна модифікація паливної системи двигуна.

Сьогодні для подачі водню в циліндри двигуна застосовують наступні способи:

- подача у впускний трубопровід;

- індивідуальна дозована подача водню в область впускного клапана;

- безпосередня подача водню під високим тиском у камеру згоряння.

Всі ці способи вимагають істотної модифікації системи живлення двигуна. Можливе застосування водню як додаткового палива для бензинових двигунів. При мінімальній модифікації, що стосується в основному системи живлення, можна досягти значного підвищення його паливної економічності (зниження витрати бензину на 35-40% [7]) і зменшення токсичності відпрацьованих газів.

Найбільші труднощі при використанні водню як моторного палива викликає питання збереження його запасів на автомобілі. Існує три основні способи зберігання:

- у вигляді стисненого газу;

- у рідкому стані;

- з використанням гідридних акумуляторів у вигляді насичених воднем металів.

Розглянемо ці способи трохи докладніше.

1. Водень у вигляді стисненого газу, при забезпеченні достатнього запасу ходу, з врахуванням дуже низької щільності водню, необхідно зберігати під дуже великим тиском. Це вимагає застосування міцних товстостінних балонів з великою масою. Крім необхідності розміщення запасу балонів, їхня маса істотно знижує вантажопідйомність автомобіля, а також вимагає багатоступеневого зниження тиску.

2. При використанні водню, що зберігається в рідкому стані значно покращуються об'ємно-масові показники паливної системи. Але в цьому випадку основна проблема – забезпечення підтримки низької температури паливного бака. Основну роль тут грає термоізоляція бака. Рідкий водень звичайно транспортують і зберігають у криогенних резервуарах з подвійними стінками, порожнина між якими заповнена ізоляцією. Найбільш ефективна багатошарова ізоляція, складена із шарів, що екранують й ізолюють матеріалів. Для екранування зазвичай використовують алюмінієву фольгу, а для теплоізоляції застосовують склоткань, склопапір та ін. При тиску в ізолюючому просторі 1,33 Па така ізоляція практично не пропускає тепло, завдяки чому втрати від випару в цистерні місткістю 100 м³ не перевершують 0,25 % на добу. А при зберіганні в стаціонарному резервуарі - 10% на рік. Створено криогенні баки для автомобілів, що мають витік рідкого водню менш 1 % на добу [11].

Дослідження, проведені на автомобілі «Датсун В-210» із двигуном V = 1,4 л й , показали наступні результати:

- маса криогенного бака - 120 кг;

- місткість бака - 230 л;

– температура водню при упорскуванні у впускний патрубок – мінус 130 °С;

- загальна маса системи живлення - 150 кг;

- витрата водню з урахуванням втрат при заправленні й зберіганні - 25 л на 100 км;

- запас ходу на 1 заправленні - 1000 км;

- економічність при перерахуванні на бензин - 5,7-6,5 л/100 км.

3. Найбільший практичний інтерес представляє акумулювання водню в складі металогідридів, тобто насичення кристалічної решітки металів воднем з наступним виділенням газоподібного водню при відповідних умовах.

Для зарядки гідридного акумулятора через металевий компонент пропускають водень під невеликим тиском й одночасно відводять тепло, що утворюється. Процес зарядки може повторюватися кілька тисяч разів без погіршення енергоємності акумулятора.

Виділення газоподібного водню з гідридного акумулятора відбувається при його підігріві. Для цього можна використовувати тепло охолодної рідини або відпрацьованих газів. У випадку ДПТ при руйнуванні зовнішньої оболонки гідридного акумулятора водень швидко розсіюється, при цьому різко знижується температура гідриду й припиняє виділення водню. Завдяки цьому в багатьох випадках гідридний акумулятор водню безпечніше бака з бензином.

Як гідриди можна застосовувати різні метали, але пропоновані експлуатаційні вимоги скорочують цей список. Високим ККД акумулювання водню (до 90%), гарною термічною сумісністю характеризуються сплави заліза з титаном. Недоліком залізо-титанових гідридів є більша маса й невисокий зміст водню у відсотках по масі (0,9).

Однак сумарна маса гідридної і рідко-водневої паливних систем приблизно однакові.

Автомобіль із ДВЗ й гідридним акумулятором має більшу масу й менший запас ходу в порівнянні з автомобілем, що працює на бензині, але перевершує за цими показниками електромобіль. У міських умовах автомобіль із гідридним акумулятором цілком конкурентоздатний зі звичайними автомобілями й електромобілями. Для модифікації двигуна необхідно невелике підвищення ступеня стиску, заміна паливної системи й установка кута випередження запалювання. Зниження потужності, зменшення крутного моменту й збільшення маси автомобіля вимагають модифікації головної передачі. Трохи більше часу вимагає зарядка гідридного акумулятора в порівнянні із заправленням бензином. Так, гідридний акумулятор місткістю 65 л, що містить 200 кг гранульованого залізо-титанового сплаву, поглинає при повній зарядці 50 м³ водню. При охолодженні водопровідною водою час повної зарядки становить 45 хв, причому за перші 10 хв відбувається зарядка 75% ємності. При підігріві гарячою охолодною рідиною й температурі навколишнього середовища мінус 20 °С тиску водню в акумуляторі понад 0,1 МПа.

Водневі автомобілі з гидридными акумуляторами найбільше доцільно використати в міських умовах, де вони можуть успішно конкурувати зі звичайними автомобілями й електромобілями.