Автомобили с водородными поршневыми двигателями

Автомобили с водородными поршневыми двигателями

С.И. Козлов, профессор, д.т.н.,

B.Н. Фатеев, заместитель директора Центра физико-химических технологий НИЦ «Курчатовский институт», профессор, д.х.н.,

C.В. Люгай, директор Центра использования газа ООО «Газпром ВНИИГАЗ», к.т.н.

Приводятся описания выполненных систем хранения газообразного и жидкого водорода на борту (в том числе и с металлогидридными аккумуляторами), мероприятий по адаптации двигателей к работе на водороде и предупреждению обратных вспышек. Представлены системы подачи газообразного и жидкого водорода в двигатель автобуса и легковых автомобилей, системы регулирования водородных двигателей, а также результаты стендовых и дорожных испытаний автомобилей с водородными двигателями на токсичность отработавших газов и экономичность.

Описаны экспериментальные работы по водородному питанию обычных поршневых двигателей компаний ВМШ, Ford, Mazda (с двигателем Ф. Ванкеля), а также перспективы применения водорода в двигателях Стирлинга.

__Ключевые слова:

водородные и бензоводородные автомобили, адаптация для работы на водороде серийных бензиновых двигателей, системы хранения водорода на борту, гидридные аккумуляторы водорода, водородный двигатель Ванкеля, двигатель Стирлинга.

одородные автомобили делят на две группы: автомобили, в которых водород применяется как основное топливо, и автомобили, в которых водород используется в качестве добавки к жидкому или газообразному топливу.

В начальной стадии исследования по применению водорода проводились на серийных бензиновых двигателях, адаптированных для работы на водороде.

Классическим примером водородного автомобиля может служить

т

^Соци^

Транспорт на водороде

к\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\

экспериментальный автобус «Лей-лэнд» и экспериментальный автомобиль UCLA Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе [1]. В автобусе «Лейлэнд» водород из баллонов подавался к двухступенчатому редуктору, где его давление снижалось до 0,562...0,633 МПа, и далее к золотниковому распределителю, установленному на блоке цилиндров двигателя и приводившемуся в действие двойной роликовой цепью от дополнительного вала. Расход водорода регулировался специальным краном, установленным перед золотниковым распределителем и соединенным с педалью акселератора.

Пробная эксплуатация автобуса в пригородных условиях Лондона показала хорошую управляемость и приемистость двигателя при работе на водороде. Запас водорода обеспечивал автобусу пробег 113.129 км.

Автомобиль UCLA, предназначенный специально для условий городской эксплуатации, был создан на базе модели «Форд Босс» 1971 г. с двигателем V-8 рабочим объемом 5,75 л. Водород хранился при давлении 41 МПа в двух баллонах, расположенных за передними сидениями, массой по 136 кг. Вместимость баллонов по водороду составляла 1,36 кг в каждом. В двигатель водород подавался специальным газовым смесителем с предварительным снижением давления в двухступенчатом редукторе до 300 Па. Для повышения безопасности подача водорода осуществлялась только при наличии разряжения во впускном патрубке, для чего на водородной магистрали устанавливался электромагнитный

клапан, управляемый датчиком разряжения.

При переводе бензинового двигателя на водород была проведена его модификация - степень сжатия снижена с 11,9 до 8,9, установлен ограничитель температуры водо-родовоздушной смеси до 71 °С, изменены фазы газораспределения. Для предотвращения обратных вспышек смеси на впуске, снижения жесткости рабочего процесса и уменьшения эмиссии оксидов азота была применена 25%-я рециркуляция отработавших газов.

Рис. 1. Схема системы питания двигателя водородом автомобиля UCLA: 1 - водород из испарителя; 2 - регуляторы; 3 - манометр; 4 - давление водорода во впускном коллекторе; 5 - вторичный карбюратор газообразного топлива; 6 - модифицированный бензиновый карбюратор (впуск воды); 7 - сетка из нержавеющей стали; 8 - двигатель; 9 - первичный карбюратор газообразного топлива; 10 - подвод воды из системы охлаждения двигателя к водородному испарителю

Система питания двигателя состоит из двух стандартных газовых регуляторов фирмы YMPCO модели

РЕУ и двух смесителей СА 125 и СА 300 той же фирмы (рис. 1). Водород из подогревателя под избыточным давлением 35.. .225 кПа подается в спаренные регуляторы, а из них уже под давлением 3,0 кПа - в оба смесителя. Регулирование двигателя - количественное последовательным открытием дросселей первого и второго смесителей таким образом, что на частичных и средних нагрузках водо-родовоздушная смесь постоянного состава (а=2,2) подается только через первый смеситель.

Коэффициент избытка воздуха подбирался из условия достижения максимального эффективного КПД и минимальной эмиссии N0^. Второй смеситель вступает в работу после полного открытия дроссельной заслонки первого. Состав топливовоз-душной смеси второго смесителя также постоянный, но с коэффициентом избытка воздуха значительно меньше единицы. Потоки первого и второго смесителей перемешиваются во впускном коллекторе, образуя топли-вовоздушную смесь переменного состава с коэффициентом избытка воздуха от а=2,2 в начале открытия второго дросселя до а=1,0 при полном открытии обоих дросселей.

Для предупреждения обратных вспышек на впуске и снижения эмиссии оксидов азота на нагрузках, близких к полной мощности двигателя, между вторым смесителем и его дроссельной заслонкой установлен модифицированный бензиновый карбюратор для подачи воды. Поскольку расход воды через карбюратор определяется степенью открытия дроссельной заслонки, он всегда пропор-

ционален коэффициенту избытка воздуха и соответственно мощности двигателя.

Испытания автомобиля UCLA на топливную экономичность и токсичность отработавших газов по методике CVS-73 показали следующее: расход топлива составляет 1 кг водорода на 35 км, а запас водорода обеспечивает без заправки пробег всего лишь около 100 км; в отработавших газах отсутствуют такие компоненты как СО, СО и СН, а количество NO

' 2 ' х

составляет около 0,205 г/км. По динамическим качествам водородный автомобиль близок к базовому.

Для почтового ведомства США в Калифорнийском университете на базе серийного двигателя рабочим объемом 3,8 л был разработан проект автомобиля на жидком водороде [1]. Его отличием от ряда других является то, что в нем водород из криогенного бака подавался в подогреватель в газообразном состоянии под давлением 225 кПа. Избыточное давление в криогенном баке создавалось за счет подогрева жидкого водорода специальным электрическим подогревателем (рис. 2). Диаметр проволоки подогревателя подбирался из условий достижения на поверхности пузырькового кипения водорода. Проволока была намотана конусом на четырех пенопластовых опорных стойках, укрепленных эпоксидной смолой на конце отводной трубки.

Давление газообразного водорода в криогенном баке поддерживалось постоянным автоматически с помощью реостата, имеющего обратную связь по давлению. Во избежание повреждения внутренней части

т

^Соци^

Транспорт на водороде

вш

криогенного бака при отсутствии в нем жидкого водорода подогреватель был снабжен защитой посредством параллельного включения специального низкотемпературного диода.

Рис. 2. Схема электрического подогревателя-испарителя: 1 - цепь датчика уровня топлива; 2 - цепь нагревателя; 3 - эпоксидная смола; 4 - отверстие для вентиляции при наполнении; 5 - подача и отбор жидкости; 6 - реле давления и манометр; 7 - диод

Модернизации включала следующие мероприятия: изменение характеристики регулятора опережения зажигания; уменьшение межэлектродного зазора свечи зажигания до 0,3 мм; улучшение изоляции высоковольтных проводов в системе зажигания; установление на двигателе специального распределителя зажигания, в котором для исключения зажигания от взаимоиндукции все свечи, кроме одной, соответствующей порядку работы цилиндров,

замыкаются на массу.

Принципиально иная схема водородного автомобиля была разработана исследовательской лабораторией двигателей технологического института в Токио [1]. Автомобиль «Датсун В-210» с четырехцилиндровым двигателем рабочим объемом 1,4 л имел систему питания жидким водородом. Такой подход реализуется также ведущими автостроительными компаниями - BMW, Ford и Mazda.

Адаптация стандартного двигателя под жидкий водород потребовала значительной его модернизации, которая предусматривала, прежде всего, разработку специального водоро-дораспределительного механизма для цикловой подачи водорода во впускные патрубки каждого цилиндра и коснулась также системы зажигания. Были применены устройство коррекции угла опережения зажигания в зависимости от коэффициента избытка воздуха и специальные свечи зажигания с повышенным калильным числом и специальной поверхностью изолятора. Для снижения уровня эмиссии углеводородов на поршнях двигателя были установлены специальные тройные маслосъемные кольца. Особо следует отметить, что несмотря на распространенное мнение о повышенной склонности водородо-воздушной смеси к детонационному сгоранию степень сжатия двигателя была увеличена с 8,5 до 9,5.

Особенностью системы питания двигателя водородом являлось то, что водород в двигатель подавался при температуре -130 °С, что по данным работы [2] приводит к снижению эмиссии оксидов азота

примерно на порядок и 30%-му приращению мощности за счет увеличения коэффициента наполнения двигателя. Для поддержания заданного температурного уровня газообразный водород из криогенного бака подавался к двигателю по трубопроводу с вакуумной термоизоляцией. Приборы системы питания, расположенные на двигателе, также имели высокоэффективную термоизоляцию. Подача водорода из криогенного бака к системе питания двигателя осуществлялась при избыточном давлении 0,6 МПа. Это давление в газовом объеме криогенного бака поддерживалось регулированием скорости испарения жидкого водорода путем отбора части водорода из газового объема, подогрева его в теплообменнике и последующей подачи насосом через днище криогенного бака в жидкую фазу. Такая схема регулирования скорости испарения водорода обеспечивала нормальную работу двигателя на всех режимах, включая переходные.

На автомобиле «Датсун В-210» было применено комбинированное регулирование мощности двигателя, сочетавшее качественное регулирование на больших и средних нагрузках (вплоть до а=1,7) и количественное - на малых нагрузках путем дросселирования двигателя при постоянном коэффициенте избытка воздуха (а=1,7). Дозирование водорода осуществлялось двумя последовательно установленными редукторами, один из которых обеспечивал изменение расхода в зависимости от скоростного режима работы двигателя с помощью специального вакуумного

насоса, а второй - в соответствии с нагрузкой двигателя от педали акселератора.

В процессе дорожных и стендовых испытаний автомобиля оценивалась топливная экономичность двигателя и уровень токсичности отработавших газов. Средний расход жидкого водорода с учетом потерь на испарение при хранении и заправке составил 25 л/100 км, а непосредственный расход двигателем -около 22 л, что обеспечивало автомобилю пробег на одной заправке примерно 1000 км. Топливная экономичность автомобиля в пересчете на бензиновый эквивалент составила 5,7.6,5 л/100 км.

Испытания автомобиля по городскому ездовому циклу показали, что в отработавших газах содержалось 0,05 г СН; 0,18 г СО; 2,56 г N0 на 1 км пробега. Наличие в отработавших газах углеводородов и оксидов углерода объясняется попаданием моторного масла в камеру сгорания через компрессорные кольца.

Большой практический интерес представляют водородные автомобили с металлогидридными аккумуляторами [3-6].

На рис. 3 представлена принципиальная схема топливной системы отечественного бензоводородного автомобиля ГАЗ-24 «Волга» [1] с гидрид-ным аккумулятором водорода, который хранится на автомобиле в аккумуляторе 5 в связанном состоянии в виде гидрида FeTiHх . При подогреве гидридных патронов 6 отработавшими газами гидрид диссоциирует, выделяя водород, который собирается в накопительной емкости 7.

(ЗД V/////////////////////,

^Соци^

Транспорт на водороде

к\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\

Равновесное давление водорода над гидридом, а следовательно и в наполнительной емкости, поддерживается автоматически в пределах 0,6.0,7 МПа изменением расхода отработавших газов через аккумулятор с помощью распределителя 16, имеющего обратную связь по давлению водорода в накопительной емкости.

Рис. 3. Принципиальная схема системы питания бензоводородного автомобиля с металло-гидридным аккумулятором водорода: 1 - двигатель; 2 - карбюратор-смеситель; 3 - регулятор расхода водорода; 4 - редуктор давления; 5 - гидридный аккумулятор; 6 - элемент гидридного аккумулятора; 7 - накопительная емкость; 8 - электронный блок управления; 9 - общий электромагнитный клапан; 10 - рабочий электромагнитный клапан; 11 - привод заслонки смесителя; 12 - датчик давления; 13 - датчик положения дроссельной заслонки карбюратора;

14 - тумблер включения блока управления;

15 - замок зажигания; 16 - регулятор расхода ОГ; 17 - глушитель; 18 - манометр; 19 - указатель температуры ОГ в гидридном аккумуляторе; 20 - заправочный вентиль; 21 - регулируемый жиклер холостого хода; 22 - запорный вентиль; 23 - клапан аварийного сброса давления; 24 - продувочный вентиль; 25 -контрольная лампа; 26 - заправочный штуцер

Водород из накопительной емкости через запорный вентиль 22 подается к системе питания двигателя, состоящей из карбюратора-смесителя 2, всережимного регулятора расхода водорода 3, понижающего редуктора 4, электронного блока отключения подачи водорода

8 с электромагнитными клапанами

9 и 10 и регулируемого жиклера холостого хода 21.

Перевод двигателя с бензина на смесь бензина с водородом осуществляется включением тумблера 14, однако это возможно лишь при давлении в наполнительной емкости выше 0,1 МПа. При более низком давлении реле давления 12 блокирует включение электромагнитного блока и исключает возможность перевода двигателя на смесь бензина с водородом.

В России разработана бензоводо-родная система питания и переоборудованы двигатели микроавтобуса ГАЗель (рис. 4й) и грузовой ГАЗели (рис. 4б) [7].

Экспериментами по водородному питанию обычных поршневых двигателей серьезно занимается фирма BMW [8]. Этой компанией разработана модель 745h (рис. 5), оснащенная восьмицилиндровым двигателем на водороде. Машина может работать как на бензине, так и на водороде. Двигатель объемом 4,4 л развивает мощность в 135 кВт, максимальная скорость равна 215 км/ч. Запаса водородного топлива хватает на 300 км пробега, если добавить к этому 650 км, которые можно проехать, заправив полный бак бензина, получаем почти 1000 км. Последняя разработка компании BMW -

а б

Рис. 4. Бензоводородные микроавтобус ГАЗель

экспериментальный седан 750^ с двигателем на водородном топливе. Разработчиков привлекла эколо-гичность двигателя - он выделяет только водяной пар.

Рис. 5. Автомобиль BMW 745h с ДВС на водороде

Рис. 6. Водородный автомобиль Ford Focus

C-Max H2 ICE

Разработкой водородных машин занимается и компания Ford [9, 10].

В европейском исследовательском центре в Аахене (Германия) построен компактвэн Ford Focus C-Max H2 ICE c четырехцилиндровым двигателем объемом 2,3 л, работающим на водороде (рис. 6).

Падение мощности компенсировано наддувом, двигатель оснащен нагнетателем с приводом от коленчатого вала и двумя охладителями наддувочного воздуха. Сжатый и охлажденный воздух смешивается с водородом во впускном коллекторе и поступает в цилиндры. Двигатель развивает мощность 81 кВт, а запаса газа в трех баллонах общим объемом 119 л (примерно 3 кг сжатого Н2) хватает на 200 км пробега. Перед подачей газа к двигателю два редуктора снижают давление с 35,0 до 0,55 МПа. Газовая аппаратура позволяет изменять состав смеси в очень широких пределах - от очень бедной с 4 % Н2 до очень богатой, где водорода 70 %. Это необходимо для получения низкого расхода топлива и регулирования состава выхлопных газов.

На рис. 7 показан водородный автомобиль фирмы Mazda, разработанный на базе RX-8 с роторным двигателем [11].

/ТА

^Соци^

Транспорт на водороде

к\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\

Рис. 7. Mazda RX-8 Hydrogen RE с водородным двигателем Ванкеля

Мощность роторного двигателя (рис. 8) Mazda RX-8 Hydrogen RE при работе на водороде составляет 80 кВт, на бензине 154 кВт.

Рис. 8. Водородный двигатель Ванкеля автомобиля Mazda RX-8 Hydrogen RE

Одной водородной заправки Mazda RX-8 Hydrogen RE хватает на 100 км пробега, суммарный пробег на водороде и бензине составляет 650 км.

Перспективным представляется также новое направление в двигате-лестроении на водородном топливе, основанное на применении двигателя Стирлинга (рис. 9) [12].

Рис. 9. Водородный двигатель Стирлинга

Этот двигатель до конца XX в. широко не применялся на автотранспорте из-за более сложной конструкции по сравнению с обычным двигателем внутреннего сгорания, большей материалоемкости и стоимости. Однако в последнее время в ведущих мировых обзорах по энер-гопреобразующей технике двигатель Стирлинга рассматривается как обладающий наибольшими возможностями для дальнейшей разработки с целью применения водорода в качестве моторного топлива. Низкий уровень шума, большой ресурс, сравнимые размеры и масса, хорошие характеристики крутящего момента - все эти параметры могут обеспечить его конкурентоспособность. Достигнутые в настоящее время КПД в опытных образцах двигателей Стирлин-га даже при умеренных температурах нагрева (600.700 °С) характеризуются весьма внушительными цифрами - до 40 %. В лучших образцах двигателей Стирлинга удельная масса составляет 1,2.3 кг/кВт, а эффективный КПД до 45 % [11].

Литература

1. Мищенко А.И. Применение водорода для автомобильных двигателей. -

Киев : Наукова думка, 1984. - С. 141. 23

2. Галышев Ю.В. Применение водорода в качестве моторного топлива // Турбины и дизели. - 2007. - С. 8-12.

3. Eichlseder H, Wallner T, Freyman R, Ringler J. The potential of hydrogen internal combustion engines in a future mobility scenario // SAE paper 2003. - 2003-01-2267.

4. Мищенко А.И. Применение водорода для автомобильных двигателей. -Киев : Наукова думка, 1984. - С. 141.

5. Das LM. Hydrogen engines: a view of the past and a look into the future // Int J Hydrogen Energy 1990; 15: 425-43.

6. Eichlseder H, Wallner T, Freyman R, Ringler J. The potential of hydrogen internal combustion engines in a future mobility scenario // SAE paper 2003. - 2003-01-2267.

7. Раменский А.Ю., Шелищ П.Б., Нефедкин С.И. Применение водорода в качестве моторного топлива для автомобильных двигателей внутреннего сгорания. История, настоящее и перспективы // Альтернативная энергетика и экология. - 2006. - № 11 (43). - С. 63-70.

8. BMW Hydrogen 7: the first premium saloon with a bivalent internal combustion engine. Furst,S., Grater, A., Pehr K.,2007 / SAE Annual Spring Congress, 23-25 May 2007, Pacifico, Yokohama, Japan.

9. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П., Худяков В.А. Термо-динамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. - М. : Изд-во АН СССР, 1971. - Т. 1. - 266 с.

10. Мост В. Взрывы и горение в газах. - М. : Изд-во иностр. лит., 1952. - 687 с.

11. Lewis B, von Elbe G. Combustion, flames, and explosions of gases. Orlando, Fl: Academic Press, 1987.

12. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. - М. : Машиностроение, 1981. - 160 с.

Новости отрасли

шшшшш

Михаил Лихачев возглавил «Газпром газомоторное топливо»

В январе председателем правления - генеральным директором ООО «Газпром газомоторное топливо» назначен Михаил Лихачев.

Михаил Лихачев родился в 1971 г. в Ленинградской области. В 1994 г. окончил Балтийский государственный технический университет им. Д.Ф. Устинова. В 2009 г. получил степень MBA в Международном университете в Москве.

В 2003-2011 гг. - начальник департамента труб и соединительных деталей ООО «Газпром комплектация». В 20112014 гг. - заместитель генерального директора по управлению поставками ООО «Газпром комплектация».

Михаил Лихачев сменил на должности председателя правления - генерального директора ООО «Газпром газомоторное топливо» Виктора Зубкова, который является Председателем Совета директоров ОАО «Газпром».

Управление информации ОАО «Газпром»

/ТА

уны

^Соци^