Водород – перспективное топливо для ДВС

В настоящее время все шире ведутся работы по исследованию применения в качестве топлива водорода (H₂), а также его смесей с бензином.

Наиболее характерные особенности водорода:

в единице массы водород содержит почти в 3 раза больше тепловой энергии, чем все известные нефтяные топлива (высшая теплота сгорания – 120 МДж/кг). Однако у водорода низкая плотность, поэтому необходим большой объем для его размещения (даже жидкий водород занимает в 3,5 раза больший объем, чем эквивалентное по энергии количество бензина);

температура воспламенения водородовоздушной смеси выше, чем у бензовоздушной, однако из-за низкой энергии активации реакции сгорания водорода для воспламенения требуется меньшее количество энергии;

водород обладает способностью быстро смешиваться с другими газами, в том числе с воздухом. Смесь водород-воздух имеет широкие пределы воспламеняемости (при содержании водорода от 4 до 74 %);

отработавшие газы при работе на водороде практически не содержат оксиды углерода и углеводородов, а только оксиды азота;

критические температура (32,9 К) и давление (1,27 МПа) позволяют перевести водород в жидкое состояние только при очень низких температурах.

Получение водорода возможно из метана и воды. Поскольку метан сам является топливом, а также ценным химическим сырьем, применение его для получения водорода признано нецелесообразным. Из воды свободный водород можно получить в процессе термической диссоциации при весьма высоких температурах (4000…5000 К), что возможно в условиях АЭС. Схема химических реакций:

2Fe₃O₄ ® 6FeO + O₂;

3FeO + H₂O ® Fe₃O₄ + H₂.

На борту транспортных средств водород можно хранить в сжатом виде в баллонах высокого давления, в сжиженном виде – в криогенных резервуарах, в аккумулированом виде – в составе металлогидридов.

Если водород применяется в качестве добавки к бензину, его расход невелик (до 20 % от основного топлива) и можно использовать первый вид хранения. Другие виды хранения более компактны.

Заимствованное из опыта ракетной техники современное решение задачи хранения жидкого водорода заключается в применении криогенных емкостей с двойными стенками, между которыми имеются вакуум и изолирующие материалы. Потери водорода при этом не превышают 1 % в сутки.

Металлогидриды – порошки на основе металлов (Mg, Li, Ni, Fe, Ti и др.). При пропускании через порошок водорода под небольшим давлением образуются гидриды по типу M + H ® MH и выделяется теплота, которую необходимо отвести. Выделение водорода происходит при подогреве гидридов горячей жидкостью из системы охлаждения или непосредственно отработавшими газами. Процесс зарядки и разрядки аккумулятора может повторяться несколько тысяч циклов.

Гидридный бак безопаснее бака с бензином, обеспечивает приемлемый энергоперенос без необходимости создания высоких давлений или криогенных температур. Объемная энергоемкость лучших гидридов приближается к уровню жидкого водорода, благодаря чему объем гидридного бака может быть меньше объема криогенного сосуда для жидкого водорода. Масса самого гидридного бака примерно на порядок выше по отношению к жидкому водороду вследствие значительной плотности металлического носителя. Тем не менее суммарные массы гидридной и жидководородной топливных систем соизмеримы вследствие большей массы криогенных баков, для которых требуется система для сброса избыточного давления испарившегося водорода с последующей нейтрализацией его на каталитических дожигателях. Специальная система, исключающая утечки водорода, требуется и для заправки автомобиля жидким водородом (температура жидкого водорода минус 253 °С).

Следует иметь в виду, что несмотря на высочайшую теплотворную способность водорода, его использование по сравнению с бензином вызывает снижение мощности двигателя, так как увеличивается доля объема цилиндра, занимаемого топливом (при a = 1 газообразный водород занимает около 30 %, а пары бензина всего 2 % объема, см. Приложение 1). Однако использование жидкого водорода с впрыском его на такте сжатия теоретически позволяет добиться даже некоторого повышения мощности двигателя.

Благодаря широким концентрационным пределам воспламеняемости водородовоздушных смесей, открывается возможность качественного регулирования мощности ДВС, при этом к.п.д. на частичных режимах работы двигателя возрастает. В отработавших газах может содержаться значительное количество токсических компонентов NO_x, вследствие высоких скоростей и температур сгорания водородных смесей. С обеднением смеси концентрация NO_x снижается. Для снижения уровня NO_x можно применить добавку воды на режимах работы двигателя, близких в максимальной нагрузке, что также полезно для уменьшения вероятности появления обратных вспышек в ресивере.

Негативное явление при применении водорода – процесс наводороживания металлов по схеме FeC + 2H₂ «Fe + CH₄, что приводит к воз-никновению в массе металла газовых пузырей и трещин, соответственно ухудшающих их свойства: твердость, прочность, термическую стойкость.

Таким образом, не окончательная решенность большинства технических проблем, связанных с применением водорода, не позволит ему в ближайшем будущем стать одним из основных видов топлива для ДВС.