Намаляване на токсичността на двг чрез използване на горива и горивни смеси с подобрени екологични характеристики

Даниел Петков Станчев*

*ТУ-Варна, e-mail daniel_stanchev@abv.bg

Резюме: В докладът са описани процесите протичащи в ДВГ при използването на водород като горивото и ефектът върху екологичните му характеристики.

1.ВЪВЕДЕНИЕ

Замърсяването на околната среда с токсични газове от транспортните средства е сериозен проблем,който трябва да се разреши в близко бъдеще.Като този проблем може да се разреши с използването на горива и горивни смеси с подобрени екологични характеристики.През юли 1998 година „Асоциацията на европейската автомобилна индустрия" (АСЕА) пое ангажимент пред Европейския съюз в срок до 2008 година да намали емисите на СО2 при новорегистрираните в страните от съюза автомобили средно до 140 грама на километър. На практика това означаваше намаление на емисиите със 25% в сравнение стези през 1995 година и се равнява на постигане на среден разход на гориво на новия автомобилен парк от около 6,0 л/100 км. Скоро се очаква и приемането на допълнителни мерки за намаляване на емисиите от въглероден двуокис с 14% в периода до 2012 година. С това тази задачата става извънредно сложна и би могла да бъде разрешена или с използване на горива с намалено въглеродно съдържание, или с пълното елиминиране на въглерода от състава на горивата. По тази теория водородът излиза на автомобилната сцена.Водородната технология в автомобилната техника върви главно по два пътя,първият е с използването на ДВГ,а вторият е с използването на тъй наречените горивни клетки като има вариянт за тяхното комбиниране.

При реализирането на двигател с принудително възпламеняване използващ водород за гориво възникват констуктивни проблеми които са следствие на по различните свойства на използваното гориво.Водородът има по-висока температура на горене, ниска плътност както и липсата на мазилни качества.Това налага използването на други материали за възлови елементи на двигателя,като клапаните,седлата им,свещите,системата за захранване и буталата. Друг основен проблем при създаването на водородни двигатели е в безопасността на съхраняване на горивото в автомобила и на подаването му в двигателя.За тази цел водородът се съхранява в течно състояние в метален резервоар с двоини метални стени,между които е създаден вакуум.Подаването му в ДВГ се осъществява чрез система от клапани.

При тази горивна уредба вредностите в отработените газове имат много ниски стойности.Основен компонент в тях представляват водни пари.

В автомобилите водородът се съхранява в криогенен съд със суперизолация - нещо като високотехнологичен термос. При ниската температура на съхранение горивото се намира в течна фаза и постъпва в двигателя като конвенционалните горива.

На този етап конструкторите имат разработка на индиректното впръскване на горивото, като качеството на сместа зависи от режима на работа на двигателя. На фиг.1а е показан начинът на подаване на водорода в предкамерата, чрез клапан.

В режим на частично натоварване двигателят работи с бедни смеси подобно на дизеловите - извършва се промяна само по отношение на количеството на впръскнато гориво. Става въпрос за т. нар. „качествено регулиране" на смесобразуването, при което двигателят работи с излишък на въздух, но поради малкото натоварване образуването на азотни емисии е сведено до минимум. Когато възникне нужда от значителна мощност, двигателят започва да работи като бензинов мотор, преминавайки към т. нар. „количествено регулиране" на смесообразуването и към нормални (необеднени) смеси. Тези промени стават възможни от една страна благодарение на бързодействието на електронното управление на процесите в мотора, а от друга вследствие на гъвкавото действие на системите за контрол на газоразпределението,работещ съвместно със система за управление на всмукването без дроселова клапа. Трябва да се има предвид, че работната схема на тази разработка е само междинен етап от еволюцията на технологията и че в бъдеще двигателите ще преминат към директно впръскване на водород в цилиндрите и турбокомпресорно пълнене. Очаква се прилагането на тези техники да доведе до по-добри динамични показатели на автомобила от тези при сравним бензинов мотор и до повишаване на общия коефициент на полезно действие на двигателя с вътрешно горене.

Интересно е да се отбележи, че поради физическите и химически свойства на водорода, той е много по-лесно възпламеним от бензина. На практика това означава, че за да се инициира процес на горене при водорода е необходимо влагането на много по-малка първоначална енергия. От друга страна във водородните двигатели с лекота могат да се използват и много „бедни" смеси - нещо, което при съвременните бензинови двигатели се постига с цената на сложни и скъпи технологии.Топлината между частиците на водородо-въздушната смес се разсейва по-слабо, а едновременно с това при него температурата на самовъзпламеняване е значително по-висока, както е по-висока и скоростта на горивните процеси в сравнение с тези при бензина. Водородът има малка плътност и силна дифузионна способност (възможност за проникване на частиците в друг газ - в този случай във въздуха).Именно малката активираща енергия, необходима за самовъзпламеняване е един от най-големите проблеми по отношение на контрола на горивните процеси при двигателите, използващи водород, защото сместа лесно може да се запали самоволно вследствие от контакта до по-горещи зони в горивната камерата и да повлече след себе си верига от напълно неконтролируеми процеси. Избягването на този риск е едно от най-големите предизвикателства при конструирането на водородните двигатели, но не по-лесно е да се елиминират следствията от факта, че силно дифузната горящата смес се движи изключително близо до цилиндровите стени и може да проникне през извънредно тесни процепи като покрай притворените клапани например.Всичко това задължително се отчита при проектирането на тези двигатели, като също се има впредвид разликата в протичането на горивния процес и получените вредни газове (като азотен оксид, въглероден оксид,въглероден диоксид )според вида на възпламеняването.

От посочените в табл. 1 основни свойства на водорода и бензина се вижда, че характерните показатели за водорода в срав­нение с бензина те са: скорост на горене във въздуха, енергията на възпламенявано; границата на възпламеняване (особено при по-­бедните смеси и др.). Скоростта на разпространение на пламъка във водородо-въздупщата смес е около 265-325 m/s и силно за­виси от температурата па сместа, като с повишаване на темпе­ратурата скоростта нараства.

1,5 - водород; 2 – бензин; 3 – метанол; 4 - амоняк

На фиг.1 и фиг.2 са показани разликите между α и Ne и съответно ηе℅ и Ne при предкамерно факелно и искрово възпламеняване .

Както се вижда от графиките предкамерното факелно възпламеняване има както преимуштества така и своите недостатаци, затова се правят разработки за директно впръскване в цилиндъра.

Високата температура на самозапалване и високото октаново число (от порядъка на 130) дават възможност степента на сгъстяване на двигателя, а оттам и неговата ефективност да се увеличи, но при това отново се появява опасността от самозапалване на водорода от допира до по-силно загрята част в цилиндъра. Предимство на високата дифузионна способност на водорода е възможността за лесно смесване с въздуха, което пък при пробив на резервоара гарантира бързо и безопасно разсейване на горивото. Идеалната по отношение на горенето смес въздух-водород е със съотношение от около 34:1 (при бензина тази пропорция е 14,7:1). Това означава, че при съединяването на една и съща маса водород и бензин, в първия случай ще необходим над два пъти повече въздух. В същото време водородо-въздушната смес заема значително по-голямо пространство което обяснява защо двигателите, работещи с водород имат по-малка мощност. Чисто цифровата илюстрация на съотношенията и обемите е достатъчно красноречива - плътността на готовия за изгаряне водород е 56 пъти по-малка от тази на бензиновите пари.Трябва да отбележим обаче, че по принцип водородните двигатели могат да работят и със смеси въздух-водород в съотношение до 180:1 (т. е. с много „бедни" смеси), което на свой ред означава, че моторът би могъл да функционира без наличието на дроселова клапа и да ползва приниципа на работа на дизеловите мотори. Трябва задължително да се спомене също така, че водородът е безспорен лидер в сравнението между водорода и бензина като енергийни източници на база маса - килограм водород има почти три пъти по-високо енергийно съдържание от килограм бензин.

Както и при бензиновите двигатели, втечненият водород може да се впръсква и непосредствено пред клапаните в колекторните тръби, но оптималното решение е впръскването да става директно по време на такта сгъстяване - в този случай мощността може да надвиши с 25% тази на сравним бензинов двигател. Това се дължи на факта, че горивото (водородът) не измества въздуха както при бензиновия или дизеловия двигател, позволявайки горивната камера да е изпълнена само със (значително по-голямо от обичайното количество) въздух. Освен това за разлика от бензиновите двигатели, при водородния не е необходимо конструктивно да се организира завихряне, защото водородът дифузира достатъчно добре с въздуха и без тази мярка. Поради различните скорости на горене в отделните участъци на цилиндъра е по-добре да се поставят две свещи, като при водородните двигатели използването на платинени електроди не е уместно, защото платината се превръща в катализатор който води да окисляване на горивото още при ниски температури. От горе изнесената информация може да се направят следният извод: