4 Аспекти застосування автомобільних гідридних акумуляторів водню

При оцінці можливості застосування того чи іншого гідрида в якості акумулятора водню для транспортної енергетичної установки з ДВЗ основною умовою є виділення необхідної кількості водню з гідрида на всіх режимах роботи двигуна.

Серед металогідридів мають місце як екзотермічні гідриди, що виділяють водень при підводить до них тепла, так і ендотермічні, що виділяють водень при умові їх охолодження. Перші є більш доцільними для застосування в транспортних енергоустановки з ДВЗ, оскільки для виділення водню з них може бути використана енергія, що виносяться в систему охолодження двигуна і енергія відпрацьованих газів. Застосування ендотермічною гідридів вимагало б встановлення додаткової системи з відповідним енергоспоживанням [7]. Гідриди FeTi-H₂, Mg₂Cu-H₃ як найбільш перспективні для транспортних енергетичних установок з ДВЗ відносяться до екзотермічної групи, тому доцільно провести аналіз енергетичного балансу на базі цих гідридів. Для низькотемпературного гідрида FeTi-H₂ може бути використана як енергія що виносяться до систему охолодження, так і енергія відпрацьованих газів, а для високотемпературних гідрідів тільки енергія відпрацьованих газів. Так як ізотерм рівноважного тиску водню над гідридом, що відповідає 1,5 МПа, лежить в межах 250-300° С.

У загальному вигляді енергобалансу автомобільної енергоустановки з гідридним акумулятором водню може бути представлений у наступному вигляді (рис.4.1):

Н₂+Ме Ме Н₂+Q_S відвід тепла

підвод тепла Q_S+Ме Н₂ Ме+ Н₂

1моль Н₂+1/2моля О₂ 1моль Н₂О+246 кДж

1/3 1/3 1/3

система відпрацьовані корисна

охолодження гази робота

Q_д

Рисунок 4.1 - Загальному вигляді енергобалансу автомобільної енергоустановки з гідридним акумулятором водню.

Незалежно від типу гідрида і способу підведення енергії для будь-якого режиму роботи двигуна повинна виконуватися наступного співвідношення:

∆Q = Q_д−Q_S ≥ 0, (4.1)

де Q_д - енергія, що виносяться з ДВС в систему охолодження або з відпрацьованими газами;

Qs - енергія, підводима до гідриду для виділення необхідної кількості водню.

Проведемо аналіз для систем з низькотемпературних гідридом FeTiH₂ і підводом енергії з системи охолодження двигуна. Витрата енергії в водневим двигуном на одиницю потужності складає в середньому 12500 кДж/кВт.год. По експериментальним даними з охолоджуючої рідиною систем охолодження передає в навколишнє середовище в середньому 20% введеної з паливом енергії, тобто приблизно 2500 кДж/кВт.год. У той же час для виділення необхідної кількості водню, вважаючи, що Q_S = 14920 кДж / кг Н₂ треба підвести 1500 кДж/кВт.год., Що складає близько 60% від енергії, віддавати двигуном в систему охолодження. Таким чином, низькотемпературна гідрид FeTiH₂ може ефективно працювати в теплообмінне контурі з системою охолодження двигуна, забезпечуючи виділення водню в необхідних кількостях і з будь-яким тиском до 1,0-15 МПа. Крім цього, така система за рахунок відбору енергії з системи охолодження гідридом, дозволяє зменшити площу радіатора охолодження.

У системах з низькотемпературних гідридом і підводом енергії від відпрацьованих газів не може бути недоліку в енергії, оскільки з відпрацьованими газами двигуна виноситься в середньому близько 40% енергії палива, що складає близько 5,0 МДж/кВт.год., У той час як питома енергія десорбції водню всього лише 1,5 МДж / кВт.год. Надлишок енергії може бути легко погашений шляхом регулювання витрати відпрацьованих газів через гідридний акумулятор.

Високотемпературні гідриди магнієвої групи мають енергію освіти (енергія десорбції) від 30.103 до 39.103 кДж/кг Н₂, що більш ніж у два рази перевищує енергію десорбції низькотемпературних гідридів, незважаючи на це, енергія газів, достатня для виділення необхідної кількості водню. Як було показано вище, енергія відпрацьованих газів становить 5,0 МДж/кВт.год., а енергія десорбції навіть для гідрида МgH₂, (самого енергойомкого) не перевищує 4,0 МДж/кВт.год. На перший погляд здається, що ніяких проблем для застосування високотемпературних гідридів в якості акумуляторів водню для транспортних ДВС не існує. Однак, це тільки на перший погляд, оскільки в наведеному балансі не врахована робоча температура гідрида. Тому при аналізі балансу енергії необхідно розглядати не повну енергію відпрацьованих газів, а диспонуємо, тобто ту частину енергії відпрацьованих газів, коли температура дорівнює або вище ізотерми гідрида при заданому рівноважному тиску водню. Для ДВЗ з зовнішнім сумішоутворення робочий тиск водню У системі живлення не повинно бути нижче 0,1-0,15 МПа, при внутрішньому сумішоутворення з подачею водню на такті випуску не менше 0,3-0,4 МПа і при внутрішньому сумішоутворення з подачею водню на такті стиснення не менше 1,5 МПа.

Уточнена оцінка можливості застосування того чи іншого гідрида в якості акумулятора водню для транспортної енергетичної установки може бути проведена за методикою. Суть методики полягає у порівнянні диспонуємо енергії, відпрацьованих газів, підраховані за їх температурі і витраті на режимах їздових циклу, з енергією, необхідної для десорбції водню на тих же режимах [8]. Ця методика може бути використана як для випадку роботи двигуна тільки на водні, так і для випадку роботи двигуна на суміші бензину з воднем.

Розрахунок диспонуємо енергії здійснюється за наступним виразом:

Q_Р = G_О.Г ∙С_Р (t_1.OГ - t_2.OГ) τ_Р/3600, (4.3)

де G_О.Г - кількість відпрацьованих газів (кг);

Ср - теплоємність відпрацьованих газів (кДв/кг.град);

t_1.OГ. - температура газів на вході в акумулятор;

t_2.OГ - температура відпрацьованих газів на виході з акумулятора;

τ_Р - час режиму їздових циклу (секунд).

Енергія десорбції необхідної кількості водню з гідридів визначається згідно з виразом:

Q_S=, (4.4)

де - часовий витрата водню (кг);

- енергія десорбції (кДж/кг Н₂)

При цьому в методиці зроблені наступні допущення:

1) тиск водню в гідридном акумуляторі постійний;

2) гідридний акумулятор прогріті до температури десорбції;

3) система без інерційна;

4) теплоємність газів постійна Ср = 1,086 кДж / кг.град.;

Нижче на прикладі автомобіля ГАЗ-24 "Волга" з двигуном, що працює на суміші бензину з воднем, показаний аналіз енергетичного балансу системи ДВЗ – “гідридний акумулятор водню” при випробуваннях автомобіля за їздових циклу згідно ОСТ 37.001.54-74. Даний їздових цикл включає найбільш характерні режими роботи автомобільного двигуна в умовах міської експлуатації з високою інтенсивністю руху.

На рис 4.1 показаний випробувальний їздових цикл і відповідні його режиму кількість G_о.г, і температура t_о.г. газів, а витрати водню GH₂, отримані шляхом перерахунку результатів стендових випробувань двигуна ЗМЗ-24 при роботі на суміші бензину з воднем. Сумарний витрата водню за їздових цикл становить 15,6 грамів, причому максимальний витрата має місце на режимах П та Ш передач (0,67 кг/год та 0,66 кг/год) відповідно, на режимі холостого ходу витрата не перевищує 0,180 кг/час, а на режимах примусового холостого ходу подача водню вимикається.

Розташовується енергія відпрацьованих газів підраховувати на кожному режимі їздових циклу для різних температур газів на виході з гідридного акумулятора (t_2о.г = 0; 50; 100; 140; 200; 260; 320°С). Рис.4.1 ілюструє співвідношення диспонуємо енергії відпрацьованих газів і необхідної для десорбції водню по режимам їздових циклу для гідридного акумулятора на сплавах FеTi і Мg₂Ni. Для низькотемпературного гідрида (t_2о.г = 50 ° С) розташовуються енергії цілком достатньо для десорбції необхідної кількості водню на всіх режимах їздових циклу, включаючи холостий хід, причому на більшості режимів має місце значний надлишок тепла. Для високотемпературного гідрідаMg₂NiH₄ (t_2о.г =260°С) розташовуються енергії достатньо лише на режимах руху з постійною швидкістю.

Забезпечити постійну температуру на виході з теплообмінника-гідридного бака − неможливо, так як температура продуктів згоряння змінюється в широких межах (120-480°Св залежності від режиму їздових циклу [9] . При постійній поверхні теплообміну У гідридному баці з підвищенням температури продуктів згоряння на вході в теплообмінник також збільшується температура на виході, що призводить до зниження диспонуємо тепла в циклі. Де показано також необхідну кількість тепла для десорбції водню за цикл ряду гідридів в інтервалі температур для рівноважних тисків від 0,15 до 1,0 МПа. Як видно з малюнка, для низькотемпературних гідридів диспонуємо кількість тепла в 2-3 рази перевищує необхідне. Надлишок тепла, щоб уникнути перегріву гідридного бака і збільшення тиску водню в ньому вище розрахункового, необхідно скидати, що досягається установкою розподілювача ВГ, який здійснює кількісне регулювання витрати продукту згоряння через теплообмінник гідридного бака і тим самим забезпечує нормальну роботу гідридного бака при температурах продуктів згоряння, значно перевищують рівноважну температуру десорбції при 1,0 МПа.

Найбільш перспективним з показана низькотемпературних гідридів слід вважати гідрид FeTiH2, що має найбільшу сорбційну здатність і низьку вартість, хоча і вимагає для заправки водень високої чистоти (99,98%). Тому на стадії експериментальних робіт з гідридними системами зберігання водню поряд з FeTi, може бути використаний і більш дорогий гідрид LaNi₅H₆, 7, який багаторазово (не менше 3000 циклів) поглинає технічний водень (98,5%) без погіршення сорбційних властивостей.

Гідрид FeTiH₂ цілком задовольняє вимогам балансу тепла і на будь-яких стаціонарних режимах руху автомобіля, на якому представлено зміна кількості диспонуємо тепла в залежності від температури вихідних газів. Так як витрата водню на розглянутих режимах різний, то необхідну кількість тепла для виділення водню з гідридом на цих режимах показано заштрихованою областю. Для забезпечення витрат водню на холостому ходу двигуна температура вихідних газів на виході з гідридного бака не повинна перевищувати 60°С.

Враховуючи фактор теплової інерційності гідридної системи зберігання водню, слід очікувати його нестачі на перехідних режимах роботи двигуна, на яких відбувається різке збільшення витрат водню. При загальній витраті водню за цикл дорівнює 15,6 грамів на частку перехідних режимів припадає 22%. Оскільки перехідні режим йдуть, як правило, за неодруженому ходом, де надлишок тепла практично відсутній, доцільно використовувати надмірне тепло інших ділянок циклу для накопичення водню з наступним його використанням на перехідних режимах. Це може досягатися установкою накопичувальної ємності, Крім цього, в процесі виділення водню з гідриду можливо додаткове збільшення обсягу накопичувальної ємності за рахунок обсягу гідридів, що значно підвищить динамічні якості системи живлення двигуна. Наявність накопичувальної ємності необхідно також для забезпечення запуску двигуна.

Розглядаючи можливість застосування високотемпературних гідридів магнієвої групи в якості автомобільних акумуляторів водню, слід відзначити, що жоден з цих гідридів не задовольняє прийнятим балансу тепла.Диспонуємо тепла за їздових циклу досить усього лише для виділення 12,5% необхідної кількості водню при використанні гідридом Мg₂CuH₃ і 24% Мg₂CuH₄ при мінімальному робочому тиску у системі живлення 0,15 МПа. Отже, гідриди цієї групи не можуть бути використані в якості самостійних акумуляторів водню для автомобілів. Їх застосування доцільно в комбінованих схемах з низькотемпературних гідридів, що дозволить істотно знизити загальну масу гідридної системи [10]. Гідрид Мg₂CuH₃ не представляє інтересу, так як не має переваг перед гідридом МgNiH₄, а його сорбційна здатність значно нижче. Гідрид МgН₂, хоча і має високу здатність сорбційна розглядатися в подальшому не буде, оскільки його частка в комбінованої системі вдвічі нижче.

Найбільш доцільним слід вважати застосування в комбінованих гідридних системах сплаву Мg₂Ni, для якого розташовується теплота достатня для виділення 24% від сумарного витрати водню в їздових циклі, а в реальних умовах міської експлуатації частка цього сплаву в комбінованої системі може досягати 50%, що дасть зниження маси на 25,5%

Перспективність застосування сплаву Мg₂Ni підтверджується також тим, що на режимах усталеного руху на прямий передачу диспонуємо тепла газів, достатньо для покриття 47% витрат водню при швидкості 60 км/год, 80%.

5 МАКЕТНИЙ ЗРАЗОК ВОДНЕВОГО АВТОНАВАНТАЖУВАЧА

МОДЕЛІ 4092 – 01

5.1. Конвертування ДВЗ на живленні воднем

Основна проблема виникає при перекладі поршневих двигунів на живлення воднем, є займання свіжого заряду на такті випуску, що назване фахівцями зворотнім спалахом, що проявляється у вигляді добре прослуховує бавовною у впускному колекторі і практично завжди призводить до зупинки двигуна.

Теоретичні та експериментальні дослідження, проведені в інституті проблем машинобудування НАН України, дозволили зробити про те, що зворотний спалах є наслідком дуже низької енергії займання водньоповітрянної суміші близького до стехеометріческого складу і відбувається під час перекриття випускного і випускного клапана в результаті контакту суміші з гарячими відпрацьованими газами.

Різні способи придушення зворотного спалаху (такі, як рециркуляція відпрацьованих газів, уприскування води в циліндр або у впускний колектор, подача водню при низьких температурах і циклової подача його з запізнювання щодо моменту відкриття впускного клапана), піддані експериментальній перевірці, або виявилися малоефективними, або вимагають розробки складних технічних пристроїв, для своєї реалізації.

В якості альтернативи перерахованими методами запобігання зворотного спалаху був запропонований спосіб роботи ДВС [10] с безперервного подачею водню у впускний колектор (в зону перед впускному клапаном). При цьому в перший момент після відкриття клапана циліндр надходить тільки багата водню не запалюється суміш, завдяки чому температура залишкових газів знижується і займання водньоповітрянної суміші не відбувається. Такий спосіб боротьби зі зворотним спалахом не погіршує техніко-економічні показники водневого двигуна, а його конструктивне перетворення відрізняється простою і відсутністю рухомих деталей.

Реалізація описаного способу здійснюється заміною штатного впускного колектора спеціальним, співвідношенням основних конструктивних параметрів якого описано напівемперічною залежністю [11]. Оснащення декількох моделей двигунів спеціальними випусками колекторами показало, що всі вони працювали на водні стійко, при чому в цьому діапазоні зміною частоти обертання колінчатого вала коефіцієнта надлишку повітря.

Пошукові роботи по альтернативним способам придушення зворотного спалаху та оптимізації параметрів робочого циклу поршневого водневого ДВС були продовжені. Так, для виключення зворотного спалаху вжити заходи щодо зниження температури продуктів згоряння на номінальному та близьких до німу режимах роботи водневого двигуна. Зокрема, проведені теоретичні дослідження впливу співвідношення між ступенем стиснення (ε) та коефіцієнтом надлишку повітря (α) на основні показників водневого ДВС [12]. Чисельне моделювання робочого циклу показало, що одночасне збільшення і α при незмінному середньому індекаторном тиску (p_i) дозволяє збільшити індекаторний ККД, а також знизити максимальну температуру і температуру продуктів згоряння в момент відкриття випускного клапана. При чому останню-до величини, при якій зворотній спалах не виникає. Такий підхід дає ще один, поряд з описаним вище, спосіб вирішення проблем виникнення зворотного спалаху в водневому двигуні Для зручності використання даного методу були виведені універсальні аналітичні залежності [13] для підрахунку мінімальних і більш високих значень ступеня стиснення та коефіцієнта надлишку повітря при дотриманні умови p_i=const.

Слід зазначити, що істотне збільшення ступеня стискання (до ε = 11,0 і вище) призводить до необхідності розробки спеціальної головки циліндрів для водневого двигуна. Але й невелике збільшення є, досягнуте доробкою (фрезерування) штатної головки, призводить до зниження температури продуктів згоряння та разом з описаним вище способом значно спрощує задачу придушення зворотного спалаху при одночасним поліпшення показника водневого ДВС.

Як зазначалося вище, ще одним серйозним порушенням стабільності протікання робочого циклу водневого двигуна є передчасне займання водню-повітряних сумішей, близьких до складу стехіометричної, в процесі стиснення, або калільного запалювання В якості засобу боротьби з цим явищем використовувалася ретельна підготовка камери згоряння. а саме усунення подряпин, гострих крайок і зняття нагару (якщо двигун до конвертування працював на бензині). Але все ж найбільш важливим фактором запобігання калільного запалювання є вибір типу свічок запалювання.

При виборі способу регулювання потужності водневого двигуна ставилося завдання досягнення високого рівня ефективного ККД у всьому діапазоні навантажень аж до холостого ходу. Широкі концентровані межі займання водньоповітрянних сумішей свідчать про можливість якісного регулювання потужності водневого двигуна. Однак аналіз даних, отриманих при проведенні експериментальних досліджень, показав, що при α > 3,5 - 4,0 спостерігається зниження індикаторне ККД. Тому для досягнення високої ефективності робочого циклу водневого двигуна на малих навантаженнях, було 6и доцільно обмежувати максимальне значення коефіцієнта надлишку повітря зазначеної величиною, тобто застосовувати змішане регулювання. І все ж на певному етапі розробки концепції водневого двигуна з метою спрощення системи управління їм цілком допустимо зупинитися на якісному регулювання потужності. На користь цього твердження свідчить і той факт, що, незважаючи на очевидну ефективність застосування дросселіровання на малих навантаженнях (до 30% на холостому ходу), сумарне зниження витрати водню при роботі міському циклу складається всього близько 3 - 4% У подальшій нашій роботі цей резерв підвищення паливної економічності звичайно ж буде використаний.

При виборі способу регулювання потужності водневого двигуна ставилося завдання досягнення високого рівня * ефективного ККД у всьому діапазоні навантажень аж до холостого ходу. Широкі концентровані межі займання водньоповітрянної сумішей свідчать про можливість якісного регулювання потужності водневого двигуна. Однак аналіз даних, отриманих при проведенні експериментальних досліджень, показав, що при α> 3,5 - 4,0 спостерігається зниження індикаторне ККД. Тому для досягнення високої ефективності робочого циклу водневого двигуна на малих навантаженнях, було 6и доцільно обмежувати максимальне значення коефіцієнта надлишку повітря зазначеної величиною, тобто застосовувати змішане регулювання. І все ж на певному етапі розробки концепції водневого двигуна з метою спрощення системи управління ім цілком допустимо зупинитися на якісному регулювання потужності. На користь цього твердження свідчить і той факт, що, незважаючи на очевидну ефективність застосування дросселірованія на малих. навантаженнях (до 30% на холостому ходу), сумарне зниження витрати водню при роботі городовий циклу складається всього близько 3 - 4% У подальшій нашій роботі цей резерв підвищення паливної економічності звичайно ж буде використаний

Результати стендових випробувань двигуна УМЗ-417 зі збільшеною до 8,9 ступенем стиснення та встановленим спеціальним впускному колектором при якісному регулюванні потужності, наведені на, ілюструють високу ефективність робочого циклу при роботі на водні по описаного вище способу Близько 60%, робочої зони універсальної характеристики з ефективного ККД має рівень вище ηе = 0,3 тобто зона найкращої економічності водневого двигуна в порівнянні з бензиновим значно великий і має більш високі абсолютні значення (на 15-20% вище, ніж у бензинового двигуна. Ще значний перевага водневого двигуна в області малих навантажень - тут ефективність його робочого циклу в 2 рази вище, чому бензинового двигуна. Остання обставина має вирішальне значення при використанні водневого автомобільного транспорту в умовах міський експлуатації Що ж стосується деякого зниження максимальної потужності при переході на водень при зовнішньому сумішоутворення (близько 15%), то воно, у разі необхідності, може бути компенсовано підвищенням ступеня стиснення або застосуванням наддуву.

Рисунок 5.1 - Загальний вигляд стенду дослідження двигуна УМЗ-417

При знятті характеристик двигуна УМЗ-417 на моторному стенді (рис.5.1.) проводився відбір проб газів, для аналізу на присутність в них оксидів азоту (|NO_х) та залишкового водню (Н₂). Замір концентрації залишкового водню у відпрацьованих газах мав на меті визначити ступінь повноти згоряння водньоповітрянної суміші, а також можливість утворення в системі випуску вибухонебезпечної концентрації водню. Проведені дослідження показали, що об’ємна частка водню у відпрацьованих газах становить при стехіометричном складі суміші близько 0,02%, а при α_max - 0,6%. Вказані концентрації свідчать про високу якість протікання робочого циклу і не є вибухонебезпечними, перебуваючи за межами займання водньоповітрянних.

Максимальний вихід оксидів азоту з відпрацьованими газами водневого двигуна спостерігається, як і у бензинового двигуна, на режимі 85 - 90% від максимальної навантаження. Однак при збіднених водньоповітрянних сумішей емісія оксидів азоту різко падає при падає і при α> 1,9 - 2.0, тобто при навантаженні менше 65%, освіта оксидів азоту практично припиняється [14]. Виявлений характер зміни емісії N0х по навантажувальні характеристиці дає підстави припускати, що інтегральні викиди цього токсичного компонента при роботі транспортного засобу з водневим двигуном по їздових циклу будуть невеликі, оскільки в цьому циклі більшу частину часу займають малі та середні навантаження (рис.5.2).

Першим автотранспортним засобом, двигун якого (УМЗ-451МП) конвертований на живленні воднем з пропонованої концепції, став автонавантажувач моделі 4092 [15] акумулювання водню на борту експериментальної машини засноване на використанні оборотних металогідридів. Гідридний акумулятор місткістю 2,7 кг водню встановлений на місце верхній частині противагу, при цьому загальна маса автонавантажувача і розподіл навантаження по осях не змінилися.

Відділенням проблем машинобудування, механіки і процесів управління АН СРСР і Президією АН СРСР роботи по створенню водневого варіанти автонавантажувача моделі 4092 віднесені до числа найважливіших досягнень АН СРСР за 1987 рік. За пропозицією керівництва Одеського морського торгового порту в 1987 році були проведені випробування створеного зразка в умовах реальної експлуатації в складських приміщеннях порту.

Рисунок – 5.2 Навантажувальна характеристика двигуна УМЗ – 417 (n=2000 хв^-1)

У процесі випробувань були підтверджені гарна працездатність і екологічна чистота водневого автонавантажувача, а також висловили ряд конструктивних пропозицій щодо його вдосконалення.

Наступним об'єктом, двигун якого (УМЗ-417) був конвертований на харчування воднем, став автонавантажувач моделі 4092-01 [16]. На відміну від свого попередника цей експериментальний зразок обладнаний істотно більш потужним двигуном (за рахунок збільшення ступеня стиснення), а його гідридний акумулятор, повністю замістити противагу, вміщує 6,8 кг водню, що забезпечило збільшення тривалості роботи без дозаправлення з 2 до 4,5 години.

Отримане на моторному стенді поле характеристик водневого варіанту цього двигуна з якісним регулюванням потужності дозволило розробити систему автоматичного регулювання витрати водню і кута випередження запалювання (рис.5.3)

1 - балона рампа; 2, - запірний вентиль, 3-понижуючий редуктор; 4 та 8 - електроклапани, 5 - електронний блок відключення. подачі водню; 6 - регулювальний вентиль холостого ходу; 7-регулювальні вентиль пускового пристрою, 9 - реле, 10 - педаль управління; 11 - соленоїд; 12 - механічний дозатор; 13-розподільник запалювання, 14 - відцентровий дозатор з обмежувачем частоти обертання колінчастого вала ; 15-відцентровий регулятор; 16-ДВС

Рисунок 5.3 - Схема системи паливоподачі та регулювання кута випередження запалювання водневого двигуна.

Водень з балонної рампи 1 через запірний вентиль 2, понижуючий редуктор 3 і 4 електроклапан подається до першої сходинки регулювання - механічному дозатор 12, керованого педаллю 10 і регулює витрата водню по навантажувальні характеристиці.

Послідовно з механічним з'єднанням відцентровий дозатор - 14, що наведений в дію відцентровим регулятором 15 і призначений для корекції витрат водню за швидкісними характеристиками (в його конструкцію введено обмежувач частоти обертання вала водневого двигуна). Відцентровий дозатор з'єднаний з трубками спеціального впускного колектора двигуна 16

Паралельно двоступінчастий системі дозування подачі водню, замкненою у вихідному положенні педалі 10 управління, включена система пусковий подачі водню і холостого ходу. Вона дозують подачу водню при пуску двигуна і роботі на холостому ходу і складається з регулюючого вентиля 6 холостого ходу, електроклапана 8, підключеного через реле 9 паралельно обмотці електростартера двигуна, і регулюючого вентиля 7 пускового пристрою.Електроклапаном 4 управляє електронний блок 5, відключають подачу водню при непрацюючому двигуні та його випадкової зупинці.

Як показали експериментальної дослідження, в першу приближені оптимальний кут випередження запалювання водневого двигуна не залежить від швидкісного режиму і визначається тільки навантаженням, тобто положенням педалі управління, пов’язаний механічно з розподільником 13 запалювання. Тому в розподільнику центробіжний коректор вимкнен. Вакуумний ж коректор використовується для роботи пускового пристрою, що приводиться в дію соленоїдом 11, підключеним паралельно обмотці стартера

5.2 Вибір типу інтерметаліда для системи акумулювання водню на борту автонавантажувача

При виборі типу інтерметалічного з'єднання для заповнення бортового гідридного акумулятора водню необхідно керуватися наступними основними вимогами:

1) тиск активації не більше 1,5 МПа;

2) тиск дисоціації гідридної фази при 20 ° С - 0,15 - О, 5 МПа;

3) сорбційна ємність не менше 150 см³Н₂/г;

4) можливість застосування водню технічної чистоти;

5) можливість застосування при виробництві інтерметаліда компонентів, що володіють доступністю і відсутністю жорсткої фондіруємості.

Всі відомі до цього часу інтерметалічні з'єднання, які використовуються для оборотного накопичення водню, можна розділити на два класи:

- високотемпературні

- низькотемпературні.

До перших відносяться з'єднання магнію і деякі з'єднання титану та цирконію. Для них температура десорбції, що забезпечує задані параметри дисоціації, становить 35⁰О С і вище, що є неприйнятним в розглянутому нами випадку.

До низькотемпературних гідридів інтерметалідів відноситься велика група матеріалів на основі сполук LaNi₅ і TiFe [17]. Теплота десорбції водню для них становить 17 - 170 кДж/кмоль що визначає температуру десорбції, як правило, в межах 50 - 150°С. Композиції типу TiFе дуже чутливі до чистоти водню із-за наявності в їх складі великої кількості окислообразующего титану. При роботі з технічним воднем без попереднього очищення утворюється плівка оксидів блокує доступ водню до інтерметаліду. До цього слід додати, що існуючі в СРСР технології по отриманню зазначених композицій орієнтовані на використання чистих компонентів, які, в особливості титан, жорстко фондіруеми.

Сказане вище ставить нас перед необхідністю припустити, що шуканий інтерметалід може представляти собою з'єднання типу АВ₅, де А - сильний гідрідообразуючий елемент (звичайно лантану або інші рідкоземельні елементи), В - каталізатор дісоціатівной хемосорбціі (зазвичай елементи 8-ї групи періодичної системи). Попередній аналіз по пунктам вищенаведених вимог показує наступне. По пункту I) в літературі [17 ] наводяться відомості, що вказують на застосування тисків 5 - 6 МПа, хоча при удосконаленні процесу активації ці значення можуть бути знижені. Пункти 2) і 3) цілком забезпечуються цим класом інтерметалічних сполук. Про виконання пункту 4) говорить той факт, що в силу малих кількостей гідрідообразуючего елементу (1/6 в атомному виразі), який є і окіслообразующім елементом, цей клас інтерметалідів найменш чутливий до чистоти водню. І нарешті, композиції типу ЦЛАН (система церій - лантан-алюміній-нікель) на основі з'єднання LaNi₅ є єдиними в СРСР, які виготовляються в дослідно-промисловому масштабі з використанням порошків оксидів рідкісноземельних елементів, що не є жорстко фондіруемимі сировинними продуктами, що забезпечує виконання пункту 5).

Таким чином, орієнтація на інтерметалічні з'єднання типу АВ₅ принципово дозволяє виконати всі пункти сформульованих вимог.

З усіх інтерметалічних сполук на основі LaNi₅ був зроблений вибір на користь системи ЦЛАН-1, що випускається НВО "Тулачермет" за ТУ 14-22-3-87 і має такий склад:

La_{0, 98} ∙Ce_{0, 02} ∙ Ni_{4, 98} ∙ AL_{0, 02} (5.1)

Алюміній служить тут технологічної добавкою і його стабілізуючою вплив на гідридну фазу нівелюється таким же кількістю дестабілізуючий церія. Таким чином, властивості ЦЛАН-1 ідентичні інтерметаліду LaNi.

На ріс.5.4 наведені ізотерми десорбції в цій системі при температурах 25, 50, 100 і 150⁰С. Відповідно тиск дисоціації гідридної фази становить, МПа: 0,2; 0,5; 2,0 і 5,5 (по середині відповідних майданчиків на ізотерм). Сорбційна ємність при 200С склала понад 150 см³ Н₂/м. Матеріал активували при тиску водню 5,0 МПа протягом 1,5 години. В подальшому було зроблено кілька напусков водню з наступним відбором дозованих порцій водню для побудови ізотерм десорбції.

Складніше відбувалася активація при тиску водню 1,5 МПа. Матеріал простояв при такому тиску і температурі 20 ° С близько 25 годин без ознак активації. Потім водень був відкачан і при залишкового тиску 10^-3 мм рт.ст. реактор був прогріті до температури 350 ° С на протязі 2-х годин, включаючи час нагрівання та охолодження. Після охолодження до кімнатної температури був повторений напуск водню при тиску 1,5 МПа. Через кілька хвилин був відзначений слабкий розігрів реактора, свідчить про початок процесу гідридообразовання. Після проведення ще двох таких циклів сорбент вийшов на номінальні властивості, повністю ідентичні тим, які були у нього після активації при тиску водню 5,0 МПа.

1- t=25⁰C; 2- t=50⁰С; 3- t=100⁰С; 4- t=150

Рисунок.5.4 - Ізотерми десорбції в системі ЦЛАН-1-Н₂

Отже, в якості інтерметаліда для системи акумулювання водню на борту автонавантажувача обраний ЦЛАН-1, що задовольняє наведеним виши вимогам.

5.3 Гідридний акумулятор водню

Гідридний акумулятор, встановлений на місце противаги, призначений для тривалого зберігання водню на борту автонавантажувача і виділення цього палива з гідридних елементів при роботі двигуна. Акумулятор складається з каркасу, в якому горизонтально встановлені чотирнадцять гідридних елементів, послідовно з'єднаних між собою патрубками підведення і відведення теплоносія. Гідридні елементи мають загальний колектор для підведення і відведення водню. Технічна характеристика гідридного акумулятора водню наведена в табл.5.2.

Таблиця 5.2 - Технічна характеристика гідридного акумулятора

Найменування показників	Значення
Гідрообразуючий сплав	ЦЛАН-1
Маса гідрообразуючего сплаву, кг	562,8
Маса акумуліруємого водню, кг	6,83
Маса акумулятора (з гідридом), кг	1000
Тиск водню при заправки, МПа	1,5-2,0
Робочий тиск водню, МПа	0,2-0,5
Час заправки (активне), хвл	15-20
Теплоносій	вода

На рис.5.5 представлена схема системи подачі теплоносія в гідридний акумулятор. Заправка акумулятора виробляється газоподібним воднем під тиском 1,5 - 2,0 МПа від джерела водню через заправний вентиль (5, см.ріс.5.3). Перед герметизації заправного трубопроводу здійснюється його продування воднем для видалення повітря. З метою охолодження гідридних елементів (8), необхідного для їх заправки воднем, до штуцера (10) підводиться вода з водопровідної мережі, з штуцера (II) вода подається на слив, а вентилі (9) та (12) переводять у положення відповідно на наповнення і на слив. При заправці водневий вентиль (3) повинен бути закритий. Заправка здійснюється протягом 15 т 20 хв до насичення гідридообразуючого сплаву воднем. Кінець заправки визначається по температурі виходить із штуцера (II) води, що по мірі насичення акумулятора стає рівною температурі подається води. Після закінчення заправки необхідно від'єднують аркатуру, що подають і відвідних воду, повернути вентилі (9) та (12) у вихідне положення, закрити водневий вентиль (5) і відключити заправний трубопровід.

Для переходу на робочий режим необхідно відкрити видатковий водневий вентиль (3), з якого паливо через редуктор (2) надходить до системи живлення двигуна (I). При цьому для нормальної роботи двигуна надлишковий тиск водню в гідриднім акумуляторі, яке контролюється за манометри (4), повинно бути не менше 0,12 МПа.

Після запуску двигуна вода, підігріває в його системі охолодження, надходить в теплообмінник (14), отримуючи певну кількість тепла і від відпрацьованих газів. Додатковою водяним насосом (13) підігріта вода подається у гідридні елементи, повідомляючи їм необхідну для десорбції водню тепло, а потім повертається у двигун. Дозаправка системи водою здійснюється через розширювальний бачок (7).

При досягненні температурою води на виході з двигуна значення 800С розподільник відпрацьованих газів (16) переводиться в положення, при якому відпрацьовані гази з двигуна, минаючи теплообмінник (14), потрапляють в глушник (15). Для запобігання аварійного підвищення тиску в водневій магістралі вона обладнана запобіжним клапаном (б), відрегульовані на тиск 2,5 МПа.

1 – двигун; 2 – редуктор; 3,5 - вентилі водневі; 4 - манометр; 6 - запобіжний клапан; 7 - розширювальний бачок; 8 - гідридні елементи; 9,12 - вентилі теплоносія; 10,11 - штуцери підведення і відведення теплоносія ; 13 - насос; 14 - теплообмінник; 15 - глушник; 16 - розподільник відпрацьованих газів

Рисунок 5.5 - Схема системи подачі теплоносія в гідридний акумулятор водню

5.4 Випробування макетного зразка водневого автонавантажувача

Виконання стендових досліджень водневого варіанти двигуна УМЗ-417, розробка паливної апаратури, а також системи акумулювання водню дозволили створити модернізований макетним зразок водневого автонавантажувача, загальний вигляд якого наведено на рис.5.6.

Випробування водневого варіанти автонавантажувача моделі 4092-01 проводилися за методикою ГСКБ по автонавантажувачах, що передбачає Загальний вигляд модернізованого макетного образу водневого автонавантажувача роботу по умовному циклу з довжиною плеча 25 м. Результати випробувань наведені в табл.5.3.

Рисунок 5.6 - Загальний вигляд модернізованого макетного зразка водневого автонавантажувача

Табліца 5.3 - Результати випробувань водневого автонавантажувач по умовному циклу

Найменування показників	Значення
Контрольна продуктивність, т/год	71,9
Контрольна витрата палива, кг/год	1,51
Середній час одного циклу, с	88
Максимальна швидкість руху, км/год	19,8
Тривалість роботи без дозаправлення воднем	4,52

Для випробувань автонавантажувача на токсичність була застосована методика, згідно з якою відбір відпрацьованих газів проводився У герметичний мішок, укріплений безпосередньо на випробовуваний машині. Перед контрольним заїздом по умовному циклу з мішка відкачували наявні там гази. По закінченні заїзду вимірювалася кількість відпрацьованих газів в мішку і концентрація токсичних компонентів. Крім цього, проводилися вимірювання концентрацій токсичних компонентів на холостому ходу. Результати випробувань наведені в табл.5.4.

Таблиця 5.4 - Результати випробувань на токсичність автона-вантажувача моделі 4092-01

Найменування показників	Значення
	на бензині	на водні
COна холостому ходу,% NOx на холостому ходу, млн^-1 CO по циклу, % NOx по циклу, млн.^-1 CnHm по циклу, %	1,8 150 2,6 870 0,11	0 0 сліди 565 сліди

Проведені випробування показали, що модернізований макетном зразок водневого автонавантажувача в цілому працездатний і має досить високу продуктивність для класу машин 2 т. У порівнянні з бензиновим прототипом викиди оксидів азоту (N0_x) у водневого автонавантажувача в 1,5 рази нижче, а оксид вуглецю (СО ), несгоревшіе вуглеводні (С_п Н_m) та інші токсичні компоненти відпрацьованих газів практично відсутні.

На прохання керівництва Одеського морського торгового порту були проведені випробування створеного зразка в умовах реальної експлуатації в складських приміщеннях порту. У процесі випробувань були підтверджені гарна працездатність і екологічна чистота водневого автонавантажувача, а також висловили ряд конструктивних пропозицій щодо його вдосконалення, врахованих нами в подальшій роботі з використання водню для ДВЗ [19].

Створений зразок водневого автонавантажувача експонувалася на виставці VII Міжнародної конференції з водневої енергетики і, завдяки досконалості застосованих наукових і технічних рішень, отримав високу оцінку іноземних та вітчизняних фахівців.

І все ж, незважаючи на досить глибоку недороботаність питань конвертування транспортних засобів на живлення воднем, широке використання цього екологічно чистого і поновлюваного виду палива і в колишньому СРСР і за кордоном стримується рядом факторів, в основному не пов'язані з поняттям "водневий двигун", а зумовлених недосконалістю процесів отримання, транспортування та зберігання водню. Так, вартість водню, одержуваного найбільш поширеним способом - електролітичні, приблизно в 5 разів вище вартості бензину. Та й масштаби його виробництва недостатні для того, щоб говорити про широкому використанні водню для автомобільного транспорту.