Водородные автомобили с гидридными аккумуляторами наиболее целесообразно использовать в городских условиях, где они могут успешно конкурировать с обычными автомобилями.

Альтернативные виды топлив

 

Газообразные топлива

 

В настоящее время наибольшее распространение получили два вида газообразного топлива: сжиженный нефтяной газ (СНГ) и сжатый природный газ (СПГ). Существует ещё сжиженный природный газ, но он не получил широкого распространения из-за сложности криогеннных установок, необходимых для перевода газа в жидкое состояние.

 

Сжиженные газы

 

Основные компоненты сжиженных газов – это пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀ и их смеси. Получают их из газов, выходящих из буровых скважин вместе с нефтью и из газообразных фракций, получаемых при переработке нефти.

Оба углеводорода при небольшом давлении (без охлаждения) можно перевести в жидкое состояние. К примеру, при +20 ⁰С пропан сжижается при 0,716, а бутан - при 0,103 МПа.

Сжиженные газы хранят в баллонах, рассчитанных на рабочее давление 1,6 МПа. В таких условиях даже чистый пропан находится в жидком виде, что позволяет эксплуатировать автомобили на СНГ круглогодично на всей территории страны, кроме южных районов в летнее время (где t выше 48,5 ⁰С).

СНГ характеризуется большим коэффициентом объёмного расширения. Повышение температуры на 1 ⁰С влечёт рост давления в газовом баллоне на 0,6 – 0,7 МПа, что может привести к его разрушению. Чтобы этого не случилось, в нём предусматривают паровую подушку объёмом не менее 10 % полезной ёмкости.

Для газобаллонных автомобилей в соответствии с ГОСТ 20448 – 90 выпускают сжиженные газы двух марок: СПБТЗ (смесь пропана и бутана техническая зимняя) и СПБТЛ (смесь пропана и бутана техническая летняя). В таблице 1 приведён состав этих газов.

 

Таблица 3.1 – Состав сжиженных газов

Содержание газов, % по массе	СПБТЗ	СПБТЛ
Метан, этан и этилен
Пропан и пропилен
Бутан и бутилен

 

В состав СНГ добавляют специальные вещества – одоранты, обладающие сильным запахом, так как СНГ обычно не имеют запаха и цвета, и обнаружить их утечку очень трудно. Наиболее распространённый одорант – этилмеркаптан С₂Н₅SH, его ощущают уже при концентрации 0,2 г на 1000 м³ воздуха или газа.

В настоящее время промышленность выпускает га­зобаллонные автомобили двух типов:

- со специальными двигателями, предназначенными для работы на газе, в которых предусмотрена резервная система питания для кратковременной работы на бензине;

- с универсальными двигателями, допускающими работу, как на газе, так и на бензине.

Освоено производство комплектов газобаллонного оборудования для обычных бензиновых двигателей с целью их перевода на СНГ.

Эксплуатационные качества автомобилей с газовыми двигателями (по срав­нению с бензиновыми) оцениваются следующим обра­зом:

- пусковые качества до - 5 °С равноценны. Запуск при низких температурах затруднён и приводит к снижению надёжности газового оборудования. В таких условиях запуск осуществляется на бензине, а после прогрева двигатель переводится на работу на газовое топливо;

- динамические качества ухудшаются на 5 – 8 %;

- мощность и топливная экономичность газовых дви­гателей повышаются, так как в связи с высокими анти­детонационными свойствами СНГ (их ОЧ превышает 100 единиц) в газовых двигателях можно применять более высокие степени сжатия, хотя энергосодержание СНГ на единицу объема и меньше, чем у бензина;

- при правильной регулировке и нормальном опти­мальном режиме работы системы подачи газового топ­лива существенно снижается токсичность отработавших газов: по окиси углерода - в 3 - 4 раза, по окислам азота в 1,2 - 2 раза, по углеводородам в 1,2 - 1,4 раза и более;

- срок смены масла увеличивается в 2 - 2,5 раза. В камеру сгорания поступает газообразное топливо, ко­торое к концу такта сжатия тщательно перемешивается с воздухом и равномерно распределяется по цилиндрам, смывание смазки с рабочих поверхностей исключается. Мас­ло меньше разжижается и загрязняется;

- моторесурс и надежность работы двигателей увели­чиваются. Межремонтный пробег автомобилей на СНГ возрастает в 1,4 - 2 раза;

- трудоемкость технического обслуживания и ре­монта газобаллонных автомобилей возрастает на 3 – 5 %, тем не менее эти затраты перекрываются увеличением пробега автомобилей между ремонтом двигателей.

Автомобили, работающие на сжиженном газе, имеют такой же запас хода, как и автомобили, работающие на бензине. Сжиженные газы транспортируются в обычных автомобильных или железнодорожных цистернах. Заправка ими автомобилей осуществляется с помощью простых газозаправочных устройств.

Препятствием для дальнейшего расширения применения СНГ в качестве топлива является ограниченность ресурсов сжиженного нефтяного газа и большая ценность его, как сырья для химической промышленности. Более перспективен в этом плане сжатый природный газ. Следует учитывать огромные запасы этого газа, его дешевизну и высокий уровень развития газовой промышленности.

 

Сжатые газы

 

Основные компоненты сжатых газов – метан СН₄, окись углерода СО и водород Н₂ – получают преимущественно из природных газов (возможно получение из попутных, нефтяных, коксовых и других газов).

При высокой температуре, даже при высоком давлении эти газы не могут быть сжижены: для этого необходимы низкие температуры.

Для сжатого газа применяют газобаллонные установки, рассчитанные на работу при высоком давлении – 20 МПа.

На автомобиле СПГ храниться в толстостенных стальных баллонах ёмкостью по 50 литров. Батарея таких баллонов имеет достаточно большой вес (около 500 кг), в результате чего снижается грузоподъёмность автомобиля. Это же обстоятельство является основным препятствием использования СПГ на легковых автомобилях. Более перспективной считают криогенную технологию хранения СПГ на автомобиле. Это направление является этапным на пути создания водородных двигателей

Для заправки автомобилей применяют две марки сжатого природного газа (СПГ) – А (95 % СН₄ по объёму) и Б (90 % СН₄ по объёму). Хотя они и отличаются компонентным составом, однако их свойства определяются основной составляющей – метаном.

Из всех углеводородных газов метан содержит мак­симум водорода на один атом углерода и поэтому обладает высокой теплотворностью, достаточно широ­кими пределами воспламеняемости, низким содержани­ем токсичных веществ (СО и СН) в продуктах сгора­ния. Метан намного легче воздуха (в отличие от дру­гих углеводородных газов), и поэтому при утечках он улетучивается, скапливаясь в верхних частях помеще­ния. Метан имеет высокую детонационную стойкость, что обеспечивает «мягкую» работу двигателя при ис­пользовании природного газа и позволяет форсировать двигатель по степени сжатия. СПГ воспламе­няется при температуре 635 - 645°С в камере сгорания двигателя, что в 3 раза выше температуры воспламе­нения бензина.

Это затрудняет запуск двигателя, особенно при по­ниженных температурах окружающего воздуха. В то же время по опасности воспламенения и пожароопасности СПГ значительно безопаснее бензина.

Опыт эксплуатации автомобилей на СПГ позволяет объективно оценить положительные и отрицательные факторы его применения. К положительным факторам можно отнести следую­щие:

- повышается срок службы моторного масла в 2 - 3 раза из-за отсутствия его разжижения и уменьшения загрязнения; в результате расход масла уменьшается на 30 – 40 % по сравнению с бензиновыми двигателями;

- увеличивается в среднем на 35 – 40 % моторесурс двигателя вследствие отсутствия нагара на деталях цилиндропоршневой группы;

- увеличивается на 40 % срок службы свечей зажига­ния;

- увеличивается в 1,5 раза межремонтный пробег дви­гателя;

- значительно снижается (до 90 %) выброс с отрабо­тавшими газами вредных веществ, особенно СО.

Наряду с преимуществами можно отметить следую­щие недостатки:

- трудоемкость ТО и ТР увеличивается на 7 - 8%, а цена автомобиля возрастает в среднем на 27 % из-за наличия дополнительной газобаллонной аппаратуры;

- мощность двигателя снижается на 18 – 20 %, что приводит к ухуд­шению тягово-динамических и эксплуатационных ха­рактеристик автомобиля.

- дальность ездки на одной заправке газом уменьшается (не превышает 200 - 250 км);

- грузоподъемность автомобиля снижается на 9 – 14 % в связи с применением толстостенных стальных баллонов высокого давления.

Рассмотренные особенности СПГ как топлива для автомобилей позволяют определить и рациональную область применения газобаллонных автомобилей: пере­возки в крупных городах и прилегающих к ним районах (приоритетное значение - оздоровления воздушного бас­сейна).

 

Водород

 

В настоящее время всё более широко ведутся работы по применению в качестве топлива водорода, а также его смесей с бензином. Характерные особенности водорода заключаются в следующем:

- водород самый лёгкий элемент, даже в жидком состоянии он в 14 раз легче воды;

- в единице массы водород содержит в 3 раза больше тепловой энергии, чем все известные ископаемые топлива. Однако, чтобы его разместить, необходимы довольно большие объёмы;

- водород обладает способностью моментально смешиваться с другими газами и, в частности, с воздухом атмосферы;

- водород горит в газообразном состоянии с образованием паров воды. Для сжигания 1 кг водорода необходимо в 2 раза больше воздуха, чем для сжигания бензина;

- отработавшие газы при работе на водороде не содержат окиси углерода, углеводородов, окислов свинца, а окислы азота присутствуют в меньших количествах, чем при работе на бензине.

Использование водорода в чистом виде требует значительного усложнения конструкции системы питания и двигателя в целом. Это связано с низкой теплотворной способностью водородно-воздушной смеси, в результате чего мощность двигателя снижается на 15 – 20 %. Этого недостатка можно избежать если организовать поступление водорода непосредственно в цилиндр двигателя на такте всасывания или в начале такта сжатия, то есть произвести радикальные изменения конструкции системы питания.

Но использование водорода в качестве добавки к бензовоздушной смеси не требует таких изменений. Эксплуатация автомобилей на бензоводородных смесях в условиях интенсивного городского движения позволяет экономить топливо нефтяного происхождения и при этом снизить загрязнение окружающей среды токсичными продуктами отработавших газов. Так, например, если расход бензина составлял 12,2 кг/100 км, то в данном случае он снизится до 5,5, а расход водорода составит всего 1,8 кг. При этом концентрация окиси углерода в отработавших газах снижается в 13 раз, окислов азота – в 5 раз, углеводородов – на 30 %.

Следует иметь в виду, что по стоимости водородное топливо не выше других синтетических топлив.

Известно, что жидкий водород занимает в 3,5 раза больший объем, чем эквивалентное по энергии количе­ство бензина, что усложняет его хранение и распределе­ние (необходима надежная теплоизоляция бака, так как температура жидкого водорода минус 253°С). В каче­стве емкостей для транспортирования и хранения при­ходится использовать криогенные резервуары с двойны­ми стенками, пространство между которыми заполнено изолирующими материалами. Получение водорода элек­тролизом, термической диссоциацией и фотолизом воды, термохимическим способом, из гидрида магния с добав­кой 5% никелевого катализатора при нагревании до 257°С (порошкообразный гидрид магния занимает в 4,6 раза больший объем, чем эквивалентное количе­ство бензина) представляет определенные сложности.

Учитывая, что смесь газообразного водорода с ки­слородом воздуха в широком диапазоне концентраций образует гремучий газ, который в закрытых емкостях или помещениях горит очень быстро при значительном повышении давления, что может привести к взрыву и разрушениям, необходима полная герметизация топливоподающей системы и организация сброса избыточного давления водорода в баке с его последующей нейтра­лизацией на каталитических дожигателях. Специальная система, исключающая утечки жидких и газообразных фаз топлива, требуется и для заправки автомобиля жидким водородом.

Для комбинированного питания двигателя бензоводородной смесью, когда расход водорода невысок (в пределах 20% от основного топлива), его использо­вание возможно в сжатом виде. Включение и отсечка подачи водорода не вызывают затруднений и обычно производятся с помощью электромагнитного клапана.

В качестве наиболее перспективной формы использо­вания водорода рассматриваются вторичные энергоно­сители, когда водород аккумулируют, например, в соста­ве металлогидридов. В этом случае успешно решается проблема безопасности эксплуатации водородного то­плива, к тому же обеспечивается приемлемый энерго­запас без необходимости создания высоких давлений или криогенных температур.

Выделение водорода происходит при подогреве гид­ридов горячей жидкостью из системы охлаждения или непосредственно отработавшими газами. Для зарядки гидридного аккумулятора через восстановленный метал­лический компонент пропускается водород под неболь­шим давлением и одновременно отводится образующе­еся тепло. Процесс зарядки может повторяться несколь­ко тысяч циклов без ухудшения энергоемкости аккумуля­тора. В случае аварии и разрушения наружной оболоч­ки емкости часть водорода быстро улетучивается, вызы­вая понижение температуры гидрида и прекращение вы­деления водорода. Благодаря этому гидридный аккуму­лятор водорода во многих отношениях безопаснее бака с бензином.

Водородные автомобили с гидридными аккумуляторами наиболее целесообразно использовать в городских условиях, где они могут успешно конкурировать с обычными автомобилями.

Синтетические спирты

 

Всё большее развитие получают процессы синтеза жидкого искусственного топлива из угля, природного газа, известняка, бытовых отходов, отходов лесного хозяйства, растительных продуктов.

Из выпускаемых промышленностью синтетических спиртов практический интерес представляет метанол. В качестве сырья для производства метанола перспективны природный газ, нефтяные остатки и более всего угль. Следует отметить, что при существующей технологии производства, стоимость синтетических спиртов в 1,5 – 2 раза выше стоимости бензина.

Метанол и этанол при использовании их в качестве топлива для автомобильных двигателей характеризуются высоким октановым числом, меньшей по сравнению с бензинами теплотворной способностью, высокой скрытой теплотой испарения, низкой упругостью паров и температурой кипения (отсюда, однако, двойное снижение запаса хода автомобиля и ухудшение пусковых качеств двигателя). В то же время метанол, как автомобильное топливо обусловливает рост мощности и к.п.д. двигателя. При работе на нём обеспечивается снижение теплонапряжённости деталей цилиндропоршневой группы, закоксовывания и нагарообразования. К достоинствам применения чистого метанола можно отнести также ощутимое расширение пределов эффективного обеднения топливовоздушной смеси и пределов регулирования, существенное уменьшение токсичности отработавших газов.

Рассмотренные достоинства метанола не позволяют тем не менее рекомендовать его к повсеместному применению, так как сохранение технико – эксплуатационных показателей автомобиля в этих условиях влечёт за собой конструктивные изменения топливной аппаратуры, двигателя и в какой – то мере самого автомобиля. Поэтому в настоящее время метанол может быть практически использован в качестве добавки к бензину. В этом случае достигаются следующие положительные результаты:

- нет необходимости вносить изменения в конструк­цию двигателя и регулировать его топливную аппара­туру;

- обеспечивается экономия бензина при сохранении мощности, динамических и экономических показателей, а также уровня токсичности двигателя;

- можно работать на бензине с несколько меньшим октановым числом, заменить этилированный бензин на неэтилированный.

Серьезные проблемы возникают из-за низкой ста­бильности бензометанольных смесей и их чувствительности к воде. Смесь немедленно расслаивается, и водно-метанольная фаза осаждается при попадании даже небольшого количества воды.

К серьезным и пока еще мало изученным проблемам, возникающим при использовании метанола, относится его ядовитость. Считают, что из-за его высокой летуче­сти необходима более тщательная герметизация топли-воподающей системы питания автомобиля, тщательное соблюдение правил техники безопасности.

В автомобильных двигателях как в смеси с бензи­ном, так и самостоятельно может применяться также и этанол.