2 Вибір напрямку досліджень

Розвиток автомобілебудування приводить, по-перше, до виснаження і без того обмежених запасів копалин палив і, по-друге, супроводжується викидом в атмосферу величезної кількості шкідливих речовин. На думку багатьох вітчизняних і закордонних фахівців найбільш перспективним напрямком розвитку енергоекологічних проблем автомобілізації є використання водню в якості палива для автомобільних ДВЗ.

Водень має великі переваги перед углеводневими паливами, які використовуються в даний час. Теплотворність водню, яка складає 120000 кДж / кг, в 2,8 рази вище в порівнянні з бензином [5]. Енергії для його займання потрібно в 15 разів менше, ніж для вуглеводневого палива. Максимальна швидкість розповсюдження фронту полум'я в 8 разів більше в порівнянні з вуглеводнями. Широкі концентраційні межі займання водню в суміші з повітрям дозволяють організувати якісне регулювання потужності, що істотно збільшує ККД поршневого двигуна. При спалюванні водню в кисні продукти горіння абсолютно нешкідливі для людини, а при окислюванні у повітрі в певних умовах може утворитися деяка кількість оксидів азоту. При використанні водню в якості палива виключається можливість утворення парникового ефекту, не виділяються токсичні окис вуглецю, вуглеводні, сажа та канцерогенні речовини. Пари водню не володіють токсичними властивостями, Водень в 14 разів легше повітря, легко зникає, внаслідок чого зменшується ймовірність утворення вибухонебезпечних сумішей з повітрям та небезпечних застійних зон водню.

Однак характеристика водню як моторного палива не вичерпується переліком його переваг. Низька щільність цієї речовини в газоподібному і навіть рідкому вигляді створює певні труднощі при створенні автомобільних систем його зберігання з прийнятними масовими і об'ємними показниками. При переводі поршневого двигуна на живлення воднем постає проблема виникнення зворотного спалаху у впускному трубопроводі, що призводить до нестійкої роботи (аж до зупинки двигуна) на водньоповітряних сумішах, близьких за складом до стехіометричної. Відсутність прийнятного вирішення цієї проблеми до недавнього часу було одним із стримуючих чинників на шляху застосування водню для транспортних енергетичних установок навіть в тих умовах, де це було б економічно виправдано вже сьогодні, наприклад, для двигунів, що експлуатуються в закритих приміщеннях.

Дослідна програма Інституту проблем машинобудування НАН України (ІПМаш НАН України) більше десяти років була пов'язана з розробкою ефективних способів роботи автомобільних двигунів на водні і на сумішах бензину з воднем, а також створенням систем подачі та зберігання водню на борту транспортного засобу. Мета цих робіт полягала в створенні прототипів автомобілів і автонавантажувачів для широкомасштабних випробувань. У рамках програми "Воднева енергетика і технологія" були створені й випробувані експериментальні зразки бензоводородневого автомобіля "Волга" і мікроавтобуса РАФ, а також водневого автомобіля "Жигулі" і автонавантажувача. Ці роботи дали об'єктивну інформацію про можливість конвертування транспортних засобів на живлення воднем і умови їх практичного використання.

У плані вирішення наукових і технічних проблем конвертування на водень були розроблені:

- Принципово новий спосіб запобігання зворотного спалаху в водородном двигуні при зовнішньому сумішоутворення і безперервної подачі водню у впускний тракт;

- Ефективні способи роботи двигунів на водні та суміші бензину з воднем, паливоподаюча апаратура та системи управління двигуном;

- Низькотемпературні металлогідридні системи зберігання водню з підводом теплоти від відпрацьованих газів і з системи охолодження двигуна.

- Необхідно зазначити, що застосування водню як додатку до бензину, не дивлячись на отримання істотного ефекту, може розглядатися лише як проміжний етап на шляху вирішення енерго-екологічних проблем транспортних енергетичних установок шляхом використання водню в якості палива. Більше, кардинальним засобом досягнення поставленої мети є конвертування поршневих двигунів на живлення тільки воднем. Прикладом реалізації такого підходу в створенні екологічно чистого транспортного засобу може бути розроблений в ІПМаш НАНУ експериментальний зразок водневого автонавантажувача.

Не останнє місце займає і проблема створення ефективних систем зберігання водню на борту транспортних засобів, здатних конкурувати з масовим і об'ємним показниками з бензиновою системою живлення. В даний час відомі три основних принципово різних методи акумулювання водню: у газоподібному стані в балонах високого тиску, в рідкому стані в кріогенних судинах і в зв'язаному стані у вигляді гідридів деяких металів і сплавів. Енергетичні показники цих методів у порівнянні з природним газом наведено в табл. 2.1.

Серед розглянутих способів акумулювання водню найбільш високі масові енергетичні показники має кріогенна система. Для водню на одиницю маси криогенного акумулятора у ряду експериментальних автомобільних систем знаходиться в межах 0,12 – 0,17. Для порівняння, металогідридні і балон акумулятори мають цей показник відповідно 0.01 - 0.03 і 0.008 - 0.014.

Об'ємні характеристики криогенного акумулятора через малої щільності рідкого водню і великого обсягу термоізоляції виявляються досить низькими - близько 20 - 25 л на 1 кг водню. При порівнянні з бензиновим баком криогенний акумулятор програє за обсягом в 4 - 5 разів, металогідридний акумулятор - у 1,5 - 2 рази. Балони системи при тиску водоводу 40Па мають цей показник на рівні 7 - 8, а при тиску 20 МПа - 15-20.

Таблиця 2.1 - Питомі показники енергоносіїв.

Джерело енергії	питома енергоємність		ККД двигуна	питома енергоємність з урахуванням ККД двигуна
	масова, кДж/кг	об'ємна кДж/кг		масова, кДж/кг	об'ємна кДж/кг
Водневі акумулятори: балони з тиском 20 МПа криогенний металогідридний (FeTiH1.7)	1590 12000 1840	610 5440 6800	0,35 0,35 0,35	560 4200 640	210 1900 2380
природний газ в балонах з тиском 20 МПа	4650	1860	0,25	1160	465
Бензин	44000	32120	023	10120	7390

Низькі об'ємні і масові показники балонних акумуляторів водню, а також високі пожежно-та вибухонебезпечних цього методу ставить під сумнів його застосування на автомобілях навіть з урахуванням можливості поліпшення його показників при використанні нових матеріалів, наприклад, пластмас, армованих вуглеводневий або борна волокном.

Незважаючи на високі масові показники криогенного акумулятора, складність поводження з рідким воднем, висока вибухонебезпечного у разі зіткнення транспортних засобів та інших аварійних ситуацій, а також великі енерговитрати на ожиження водню, роблять проблематичним застосування цього методу для автомобіля.

Найкращим з розглянутих способів акумулювання водню є його зберігання в оборотних металогідридах. Цей метод при відносній простоті і низькі енерговитрати на акумулювання забезпечує високу безпеку експлуатації транспортних засобів. Істотним недоліком металогідридних акумуляторів є їх велика маса на одиницю енергії.