РД. Методические указания

Подкаталог: Кекс
07.11.2014

Экономия топлива, источники энергии, газ на транспорте, газовое оборудование, продажа и покупка автомобилей, запчасти

Введение

Водород как инициатор горения

А сколько его нужно?

Источник водорода

Получение водорода каталитической паровой конверсией органических соединений

Химические способы получения водорода

Получение водорода электролизом воды

Работает или нет?

 

История использования водорода в качестве топлива для тепловых двигателей весьма длинна и любопытна. Она не прекращается и поныне. Но в данном случае нас будет интересовать – применительно к двигателям внутреннего сгорания - использование водорода в несколько ином качестве.

Эта история начинается в 70-х годах прошлого века, а именно с резкого подорожания сырой нефти на мировых рынках, что влечет за собой подорожание и продуктов ее переработки, а в особенности моторных топлив. Во многих странах интенсифицируются работы по исследованию возможного использования альтернативных моторных топлив – низших спиртов (метанол, биоэтанол, бутанол), природного и попутного нефтяного газов, растительных масел специально выращиваемых сельскохозяйственных культур (биодизель), водорода и т.д. В первую очередь эти исследования ведутся с целью замены вида топлива на выпускаемых автомобилях без внесения в двигатель существенных конструктивных изменений. В результате исследований определяется, какую долю традиционного топлива можно заменить и насколько это рентабельно с учетом стоимости дооснащения транспортного средства (в том числе и регистрации этого), изменением схемы его эксплуатации и необходимостью создания соответствующей инфраструктуры (заправки и сервисные центры). Одновременно оценивается и влияние такой замены на состояние окружающей среды – оно как минимум не должно ухудшаться в большей степени, чем при использовании традиционного топлива.

Практически для всех перечисленных выше альтернативных видов топлива находится определенное место – только в силу наличия в своем составе способных к окислению элементов они в состоянии заменить какую-то часть традиционного топлива вплоть до 100%. Особняком в этом списке стоит водород. Резонно признать за ним первенство в перспективных разработках по полной замене традиционных углеводородных энергоносителей. Однако, судя по темпу этих разработок - это дело относительно далекого будущего, в том числе и в нашей стране. Таким образом, в ближайшее время речь может идти в лучшем случае лишь о добавках водорода в моторное топливо. Но дело в том, что его добавка не только и не столько способна заменить энергоресурс уменьшаемой доли бензина или солярки. Его действие более интересно - даже в очень малых концентрациях водород, будучи добавлен в топливно-воздушную смесь, способен значительно увеличить КПД двигателя – в данном случае теплотворная способность таких его количеств не имеет существенного значения.

Не секрет, что далеко не вся энергия, полученная с топливом, преобразуется в механическую работу – потери в любом серийно выпускаемом двигателе велики и разнообразны. Основная их доля возникает при отводе тепла от частей двигателя и при уносе тепловой энергии выхлопными газами. Существенно уменьшить эти потери без значительной переделки двигателя невозможно – они конструктивно обусловлены. Кроме того, какая-то часть топлива просто вылетает в выпускной коллектор, не успев сгореть. В современных автомобилях с бензиновыми двигателями, в отличие от авто с дизельным приводом, в выхлопной тракт помещают катализатор, способствующий дожиганию остатков топлива, но это касается лишь уменьшения вредных выбросов, но отнюдь не увеличения КПД двигателя. Величина потерь с выхлопом в значительной степени зависит от свойств используемого топлива – главным образом от кинетики его горения. Время сгорания топливно - воздушного заряда, попадающего в цилиндр в каждом цикле, достаточно велико, а пик максимальных температуры и давления газов должен приходиться на определенную фазу основного рабочего такта. Для этого инициировать горение заряда (подача искры в случае бензина или впрыск дизтоплива) необходимо задолго до достижения поршнем верхней мертвой точки - для холостого хода это обычно в районе минус 10 градусов - так называемый угол опережения зажигания. Поскольку время горения заряда не зависит от частоты работы двигателя, то при ее повышении этот угол приходится значительно увеличивать – при 2500 об. в мин – порой до минус 30 градусов и более.

Необходимо отметить, что положительная механическая работа совершается, начиная лишь с момента прохода поршнем верхней мертвой точки. Соответственно в той части цикла, когда поршень находится в фазе между моментом инициации горения и верхней мертвой точкой, работа, совершаемая при горении, отрицательна, т.е. начинающее гореть топливо замедляет движение поршня. В итоге работа двигателя зависит от правильно установленного соотношения фаз горения. При слишком раннем зажигании (впрыске) появляется детонация - доля отрицательной механической работы становится недопустимо высокой – мощность и КПД падают, кроме того существует опасность повреждения кривошипно-шатунного механизма. При слишком позднем зажигании (впрыске) не развиваются необходимые максимальные температура и давление газов в наиболее благоприятной фазе рабочего такта и успевает сгореть недостаточная часть заряда, возникает опасность перегрева двигателя, а мощность и КПД также падают.

Теперь вернемся к замечательным свойствам водорода. Скорость горения водородно-воздушных смесей на порядок больше, чем скорость горения аналогичных смесей на основе бензина или дизтоплива. Кроме того по сравнению с последними первые выгодно отличаются и своей большей детонационной устойчивостью. При минимальных добавках водорода в воздушно-топливный заряд время сгорания последнего существенно уменьшается, поскольку водород, смешавшись предварительно с порцией попадающего в цилиндр воздуха и сгорая сам, эффективно поджигает смесь во всем объеме. Применительно к регулировочным схемам работы двигателя это означает, что можно снизить дозу основного топлива в заряде и сделать зажигание(впрыск) более поздним. Это приводит к повышению эффективности работы двигателя: инициация горения при этом не будет поздней для того, чтобы пик максимально эффективного горения приходился на нужную фазу рабочего такта, но при этом, во-первых, резко снижаются потери топлива с выхлопными газами(часто сгорание происходит практически полностью), а, во-вторых, в цикле значительно уменьшается доля отрицательной работы. Кроме того, добавка водорода приводит к существенному(в разы) снижению вредных выбросов остаточных углеводородов и сажи, а также окисей углерода и азота.

Какое же количество водорода необходимо подавать двигателю, чтобы увидеть описанное выше увеличение эффективности его работы? Оказывается, что не более 2-5% от общего количества потребляемого топлива в пересчете на его энергоресурс (для разных двигателей по данным разных авторов). Повышение доли водорода сверх этого приведет лишь к обыкновенной замене части топлива по его теплотворной способности.

В начале 1980-х годов в СССР проводились массовые исследования по использованию в качестве автомобильного топлива бензиноводородных смесей. Было создано и испытано множество опытных образцов легковых машин, микроавтобусов и грузовиков на базе шасси автомобилей самых разных советских марок. Практически во всех случаях, помимо снижения токсичности выбросов, отмечено снижение расхода бензина вплоть до 40% и повышение эксплуатационной экономичности до 25% при использовании топливных смесей с содержанием водорода менее 5% (источник, архив).

Поэтому далее нас будут интересовать только малые его добавки – когда потребление газа двигателем составляет в абсолютном выражении не более нескольких литров в минуту.

Итак, мы вводим водород в воздушный коллектор двигателя. Откуда же мы можем его взять? Возможно хранить запасы водорода на борту в некоторой емкости (просто под давлением, в металлогидридных аккумуляторах или в жидком виде), куда он будет попадать из внешнего источника хранения или наработки. С точки зрения использования водорода как добавки, инициирующей горение основного топлива – это нецелесообразно в настоящее время ввиду высокой стоимости соответствующего дополнительного оборудования и отсутствии напрочь инфраструктуры по заправке. Альтернатива этому - получать водород на борту из водородсодержащих веществ. Таковыми могут быть, во-первых, само углеводородное топливо, используемое в данном транспортном средстве (природный газ). В данном случае речь идет о так называемой каталитической конверсии углеводородов в присутствии водяного пара. Во-вторых, водород можно получить химическим путем из богатых водородом неорганических соединений или при вытеснении его из воды более активными элементами (металлами). И, наконец, в-третьих, водород можно получить также из воды электрохимическим способом. Рассмотрим все способы подробнее.

В присутствии классических катализаторов гидрогенизации (лучшие из них – на основе металлов платиновой группы, несколько хуже – пористые никелевые) при повышенной температуре (700 - 900°С) углеводороды в присутствии паров воды трансформируются в смесь газов (так называемый синтез-газ). Основными компонентами этой смеси являются водород и окись углерода. В дальнейшем эта смесь может быть очищена от окиси углерода (получение технического водорода) или непосредственно использоваться как водородсодержащее топливо. В крупном промышленном производстве в качестве сырья для данной процедуры могут быть использованы практически любые источники углеводородов, начиная с природного газа, состоящего практически из одного метана, и заканчивая мазутом.

Проведение процесса при давлении, меньшем 1 МПа нецелесообразно. Расход пара на конверсию метана при таком давлении (около 10 атм.) должен составлять не менее , чем 3:1 – при меньшем соотношении реакция имеет маленький выход. Испарение воды и нагрев пара осуществляется за счет энергии сгорания самого сырья. С учетом потерь тепла через стенки печей, реактора, коммуникаций и т.д. КПД процесса не превышает 70%. При использовании в качестве сырья более сложных по строению молекул углеводородов нужно существенно увеличивать подачу водяного пара, в противном случае избыток углерода будет выпадать в виде аморфной сажи, забивающей катализатор. КПД процесса при этом значительно снижается. Таким образом, по описанным технологическим причинам водородный бортовой реактор автомобиля такого типа приемлемого размера и цены может использовать в качестве сырья только метан (природный газ).

Запасы природного газа в нашей стране значительны и он имеет достаточно низкую рыночную цену – значительно более низкую, чем традиционные моторные топлива (с учетом соотношения массы и топливной эффективности). Уже созданы и проходят испытания экспериментальные установки, смонтированные на базе автомобилей некоторых отечественных марок, используемых в нашей стране в коммерческих перевозках. В этом направлении комплексно задействованы серьезные учреждения и организации – Российский Федеральный Ядерный центр (г. Саров), Научный Автомобильный Моторный Институт (НАМИ, г. Москва), Институт катализа Сибирского отделения РАН (г. Новосибирск), производственное предприятие ООО «Газомотор-Р» (г. Рыбинск) и другие (источник, архив). Заявлено об активном привлечении инвестиций в коммерческую реализацию проекта. Однако, необходимо отметить ряд его особенностей, существенно ограничивающих внедрение разработанных устройств.

1. По очень предварительным оценкам авторов разработки для того, чтобы бизнес был рентабельным, а сроки окупаемости этого оборудования у конечного потребителя не превышали 2 лет, необходимо развернуть производство мощностью как минимум 30 тысяч комплектов в год (120 штук за один рабочий день). Следовательно, изготовление возможно только на относительно крупных производственных мощностях, а это требует больших капиталовложений. С другой стороны гарантированный сбыт устройств в таком количестве невозможен в течение достаточно продолжительного времени в силу «нераскрученности» темы. Возникает типичное противоречие в процессе внедрения, снижающее привлекательность для инвесторов.

2. Ограничение внедрения возникает еще и по причине технологических особенностей процесса, описанных выше, а именно – использование в бортовой системе каталитической газификации сжиженного газа весьма проблематично, а бензина и дизельного топлива - практически невозможно. Перевод автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями с однотопливного варианта эксплуатации на двухтопливный экономически не оправдан. Таким образом речь может идти только об автотранспорте с однотопливным вариантом эксплуатации на природном (не сжиженном) газе.

3. Процесс конверсии включает в себя несколько стадий, для проведения которых требуются отдельные специализированные узлы. Размеры некоторых из них по требованиям технологичности достаточно велики и принципиально не могут быть уменьшены. В конечном счете размеры всего комплекса оборудования таковы, что не позволяют ему разместиться в моторном отсеке легкового автомобиля или даже внедорожника. Поэтому авторы разработки предполагают наибольшую отдачу от внедрения этой разработки в достаточно узких сегментах рынка, где размеры установки не существенны – в комплексе со стационарными энергоустановками на базе газопоршневых ДВС и на городском автотранспорте. В последнем случае речь, по всей видимости, может идти только о маршрутных такси, полностью переведенных на природный газ.

4. В технических отчетах об эффективности использования данного оборудования основной акцент делается на его экологической привлекательности – в несколько раз сокращаются выбросы окиси углерода и в несколько десятков раз – окислов азота и несгоревших углеводородов. В то же время экономия на использовании топлива выглядит достаточно скромной. В режиме движения по трассе экономия не превышает 4-5%. Впрочем, известно, что максимальная эффективность при использовании добавок водорода в ДВС имеет место при частичных нагрузках на двигатель, а особенно на холостом ходу. Именно такие режимы работы двигателя реализуются в городском цикле. Но и в этом случае эффект экономии не превышает 15-17%.

5. К середине 2010 года в нашей стране было всего 215 автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) по заправке сжатым природным газом и число их прирастает чрезвычайно медленно. Кроме того, практически все уже существующие находятся в крупных городах (Санкт-Петербурге, Москве и некоторых других). Если говорить о наличии АГНКС на автомагистралях, то нужно признать, что они присутствуют только на трассе Москва - Санкт-Петербург. Правда существует еще 45 передвижных автогазозаправщиков, но их лишь с некоторым натягом можно приравнять к АГНКС. Для сравнения – станций для заправки сжиженным газом – около 2 тысяч, а традиционных АЗС – по разным данным, в зависимости от точности учета количества ведомственных заправок – от 40 до 70 тысяч.

Существует возможность приобретения индивидуальной мини-станции для заправки природным газом из существующих бытовых и производственных газовых сетей. При ее эксплуатации для заправки одного автомобиля с пробегом 20 тысяч км в год срок ее окупаемости составит около 3 лет, не считая затрат на монтаж и разрешительные процедуры.

6. Срок эксплуатации пористого никелевого катализатора составляет 1000 часов. Если учесть, что коммерческий транспорт должен функционировать как минимум 12-15 часов в сутки, то выходит, что катализатор надо менять каждые 2-3 месяца. Применительно к установкам в комплексе с газопоршневыми ДВС это нужно делать еще чаще.

В заключение раздела отметим, что существуют экспериментальные автомобили с генераторами синтез-газа способом каталитической конверсии низших спиртов, например метанола (источник, архив). Но нужно иметь ввиду, что единственно промышленно значимым способом получения метанола является его каталитический синтез из окиси углерода и водорода, т.е. из синтез-газа. А синтез-газ в нашей стране получают каталитической паровой конверсией углеводородов – в основном природного газа. Таким образом стоимость метанола получается выше в 1,5 раза, чем стоимость природного газа (при учете соотношения массы и энергоресурса). Казалось бы это делает нецелесообразным такую замену сырья. Однако, это не так. Процесс конверсии метанола в синтез-газ идет с поглощением тепловой энергии, которая в конечном счете увеличивает энергоресурс топлива. А откуда взять тепло для синтеза? Оказывается, что его можно взять из выхлопных газов, поскольку необходимая для его осуществления температура существенно ниже температуры превращения метана – при правильном выборе катализатора она не превышает 300°С. Таким образом, значительная часть тепла, уносимого отработавшими газами, может быть возвращена. Использование в качестве сырья метанола вместо природного газа добавляет еще 5-10% экономии топлива и пропорционально увеличивает эксплуатационную эффективность. Платой за это является увеличение стоимости устройства. Применительно к вопросам внедрения разработки нужно отметить все те же моменты, что и для установок на природном газе.

Существуют чисто академические наработки по использованию некоторых гидридов, боргидридов и алюмогидридов щелочных металлов в процессе получения водорода. Даже в первом приближении проблематично оценить возможность использования веществ этих групп в качестве сырья для получения добавок водорода в ДВС, поэтому в дальнейшем они не будут рассматриваться. Гораздо более привлекательными выглядят технологии получения водорода из воды.

Общеизвестно, что вода состоит из водорода и кислорода. Из курса химии средней школы известно также, что кислород в этой связке является более электроотрицательным элементом. Для того, чтобы оторвать водород от кислорода чисто химическим способом, его нужно заменить на другой, более активный элемент, чем он сам. Теоретически таким элементом может быть любой металл, стоящий левее водорода в электрохимическом ряду активности (слева направо восстановительный потенциал уменьшается). Для практических нужд следует учесть стоимость этого металла, а также других необходимых реактивов. Кроме того важным моментом является себестоимость и массо-габаритные характеристики самого реактора, а также стоимость и технологичность процедур его обслуживания.

Из всей совокупности подходящих по химическим свойствам металлов только два выпускаются промышленностью в достаточных количествах и имеют на первый взгляд приемлемую цену. Это магний (существующая мировая цена – около $3000/тн)и алюминий (соответственно - около $2000/тн). Теоретические выходы водорода на единицу массы у этих металлов при взаимодействии с водой почти одинаковы и использование алюминия в силу более низкой цены представляется разумным. Однако, существенное их отличие по химическим свойствам делает предпочтительным использование именно магния - предварительно подогретый металл реагирует с водой с выделением водорода уже при температуре 80-90°С. Эта реакция также легко протекает, если на магний действовать просто слегка перегретым водяным паром. Алюминий не вступает в реакцию с водой вплоть до температуры в 300°С (реактор высокого давления). Реакции мешает очень плотный слой окиси, который покрывает металл. Ускорить реакцию можно путем добавления щелочного агента, связывающего окись в водорастворимое соединение – при этом он будет потребляться в ходе реакции. Другой способ – использование сплавов алюминия с малыми концентрациями активирующих присадок других металлов, например галлия. Эти сплавы имеют выраженное фазовое строение – зерна алюминия разделены прослойками из галлия. Если поместить такой сплав в воду, то начинается выраженная межкристаллитная коррозия – вода проникает между фазами металлов и достаточно интенсивно взаимодействует с алюминием с выделением водорода. Вся эта экзотика делает применение алюминия для получения водорода, по крайней мере в поставленной нами задаче, достаточно проблематичным.

В 80-х годах прошлого века в Ленинградском политехническом институте велись работы по созданию автомобилей, работающих на водороде и бензино-водородных смесях. Водород получался на борту экспериментального транспортного средства по реакции взаимодействия магния с водой. Для этого был построен довольно сложный по конструкции реактор массой около 100 кг (вместе с запасом расходных материалов). Благодаря достаточно высокой рабочей температуре процесса полученный водород содержал значительные примеси паров воды. Однако, перед подачей в двигатель этой смеси водяной пар не удалялся, поскольку не только не мешал работе мотора, но и позволял эффективно подавлять образование и выбросы окислов азота.

В ходе испытаний установки было отмечено улучшение работы двигателя в присутствии небольших добавок водорода. – при снижении токсичности выхлопа увеличение КПД доходило до 20%. Двигатель устойчиво работал на значительно обедненных смесях, благодаря чему существенно увеличивался пробег на единицу массы потраченного топлива. Стоимость реактора и трудоемкость его монтажа на автомобиль оказались примерно равны таковым для обыкновенного газо-балонного оборудования. К сожалению, разработки далее опытного образца не были продолжены (источник, архив).

Применительно к использованию магния для получения водорода очень интересные исследования ведутся в настоящее время в разных местах, например в Санкт-Петербургском Государственном Морском Техническом Университете. Речь идет о разработке эффективных электрохимических энергоустановок, используемых «на автономных объектах, имеющих ограничения по запасам хранимых энергоносителей или по интенсивности создаваемых физических полей. К числу таких объектов относятся разнообразные транспортные средства, в частности, морские и, особенно, подводные».(источник, архив). Разрабатываемые устройства представляют собой совокупность обыкновенного химического источника тока и топливного элемента на водороде. В источнике тока в качестве анода используется листовой прокат слаболегированного сплава магния (многотоннажный продукт промышленности), в качестве катода – недорогой некорродирующий сплав. Электролитом, а одновременно и теплоносителем служит слабый раствор подходящих нейтральных солей или просто морская вода. После замыкания элемента на электрическую нагрузку и обеспечения контакта электродов с электролитом (погружные или наливные системы) магниевый анод начинает растворяться, а на катоде начинает выделяться водород. Электрический КПД и разность потенциалов данного источника тока невелики. Но гораздо более важным моментом является возможность достаточно быстрой и большой подачи водорода с точной регулировкой процесса выработки – она зависит от электрической нагрузки в цепи. При необходимости быстрого прекращения газовыделения размыкают цепь и устраняют контакт с электролитом.

В описанной выше разработке водород, полученный на первом этапе, направляется на водородный топливный элемент с целью дальнейшей выработки электроэнергии. Но нас в данном случае интересует только источник водорода.

Принципиально данные описанные выше технологии, на наш взгляд, достаточно просты и могут быть использованы на борту автомобиля для получения добавок водорода в моторные топлива – используемые реакции хорошо изучены и идут в относительно мягких условиях, поэтому легко контролируемы. Для производства соответствующего оборудования не нужны крупные капиталовложения и большие площади. Среди немногочисленных негативных моментов в оценке возможности внедрения этих разработок следует отметить только один - достаточно высокую рыночную цену магния, а следовательно и стоимость получаемого водорода – она в несколько раз выше, чем стоимость водорода, полученного методом каталитической паровой конверсии метана. Впрочем, за последние время наметилась тенденция снижения цен на магний по причине интенсификации его производства в Китае. Нужно также отметить работы по созданию собственного производства в Армении - благодаря последним разработкам компании «Экоатом» себестоимость производства магния удалось снизить до $600/тн. Если учесть, что Армения обладает очень большими запасами исходного сырья, то это может существенно отразится на мировых ценах. В настоящее время несколько российских компаний проявляют интерес к этому с целью организации поставок магния из Армении в Россию.

Способ получения водорода электролизом воды был предложен очень давно (У.Николсон и Э.Карлайль, 1800 год). Также достаточно давно известны теоретические основы электролиза вообще (М.Фарадей, 1834). Относительно давно был построен первый промышленный водно-щелочной электролизер (норвежская компания Norsk Hydro Electrolysers, 1927 год). Но только с середины 70-х годов прошлого века возникла идея получать водород таким способом на борту автомобиля. Побудительным мотивом к этому послужило резкое и значительное подорожание нефти и продуктов ее переработки, о чем мы рассказали в самом начале. Однако, одного этого было бы недостаточно, если бы не стремительное развитие в это время технологий промышленного производства, особенно эффективного электрического оборудования автомобилей (мощные генераторы, емкие аккумуляторы) и элементной базы электроники.

Прецедент был создан в 1974 году, когда Д.Хоусман с коллегами из Лаборатории реактивного движения НАСА доложили обществу автомобильных инженеров США результаты исследований впрыска в двигатели внутреннего сгорания небольших количеств водорода, получаемого на борту транспортного средства методом электролиза (источник, архив). Дело в том, что эксперименты в направлении изучения влияния добавок водорода в традиционные моторные топливно-воздушные смеси к этому времени уже велись, но никому не приходило в голову добывать водород на борту, да еще и таким способом. С тех самых пор во всем мире ведутся работы по созданию эффективных бортовых электролитических систем.

Немного теории. Начнем с того, что вода – довольно плохой проводник электрического тока, т.е. обладает высоким электрическим сопротивлением. Поэтому электролизеры с использованием чистой воды, хотя и встречаются, но достаточно редко. Для повышения проводимости (увеличения КПД процесса) в воду добавляют различные электролиты. Поскольку требуется разложить воду на составные элементы – водород и кислород, то выбор невелик. В качестве электролита по электрохимическим причинам можно выбрать либо неорганическую кислоту с кислородсодержащим анионом, либо щелочь. Кислота оказывается неприемлемой, поскольку при относительно высоких рабочих температурах процесса (80-90°С) и относительно высоком положительном электрическом потенциале трудно подобрать подходящие конструкционные материалы. Поэтому в промышленных электролизерах в качестве электролита используют концентрированный раствор едких щелочей, который легко переносится относительно недорогими нержавеющими сталями.

Использование концентрированной щелочи приводит к необходимости тщательной очистка получаемого газа от микроскопических капель электролита, вылетающего в виде аэрозоля при разрушении газовых пузырьков в жидкости.

Необходимо отметить, что даже если концентрация электролита велика и его электрическое сопротивление практически равно нулю, реакция электролиза начинает идти только тогда, когда приложенная к электродам разность потенциалов достигнет определенного минимального значения. Эта величина называется перенапряжением данной реакции. Она зависит в наибольшей степени от свойств материалов электродов. Поскольку из законов Фарадея следует пропорциональная зависимость между величиной силы тока и интенсивностью электрохимической реакции, то чем меньше перенапряжение при всех прочих равных условиях, тем эффективней процесс. Электролиз воды эффективнее всего проводить на электродах, изготовленных из особо чистой платины, покрытой для увеличения площади поверхности очень мелким порошком такой же платины («платиновая чернь»). Для такой ячейки величина перенапряжения разложения воды на водород и кислород (в сумме по полуэлементам анода и катода) минимальна по сравнению с любой другой комбинацией материалов электродов и равна 1,23 В. Исходя из этого энергия, необходимая для получения 1 куб.м водорода (и соответственно 0,5 куб.м кислорода) при нормальных условиях и исчезающее малой плотности тока, теоретически получается равной 2,94 квтчас. Это практически подтверждается измерением энергии сжигания водорода в присутствии кислорода в калорической бомбе.

Использование платины в качестве материала для изготовления электродов ограничено высокой ценой металлов платиновой группы. В промышленных электролизерах в качестве материалов электродов используются: для катодных поверхностей - обыкновенная низкоуглеродистая сталь, модифицированная введением небольших количеств соединений никеля, серы и фосфора, для анодных – сталь, электролитически покрытая никелем в ваннах матового никелирования. Коэффициент полезного действия таких электролизеров не превышал 60%. В настоящее время благодаря особым составам покрытий электродов и усовершенствованию конструкций создаются более эффективные аппараты.

По конструкции электролизеры принципиально разделяются на два типа – с использованием монополярных и биполярных электродов. В первом случае каждый электрод имеет на всей поверхности заряды одного знака. Электролизер состоит из набора отдельных ячеек (практически одноячеичных электролизеров), которые через внешние выводы электродов последовательно (реже параллельно) включены в электрическую цепь. В промышленности преимущественно используются аппараты второго типа. Они состоят из ячеек, набранных последовательно путем чередования пластин электродов и изолирующих прокладок. Таким образом только два крайних электрода в сборке являются монополярными и активными – через внешние выводы к ним подводится напряжение. Все остальные промежуточные электроды просто пропускают через себя ток и имеют на противоположных поверхностях заряды разного знака – одна поверхность электрода является катодом, другая – анодом. Подача воды осуществляется автоматически. Электролизные камеры полностью не отделены друг от друга по электролиту – в нижней и верхней частях электродов сделаны отверстия, с помощью которых формируются каналы подачи электролита и выноса газов.

Подавляющее большинство электролизных бортовых систем, реализуемых в настоящее время на рынке, имеют в своей конструкции три блока: электролизер, циркуляционный резервуар и блок очистки газа (как правило он же и устройство защиты от обратной вспышки). Электролизер - с биполярными электродами, имеющими в нижней и верхней своих частях отверстия для циркуляции электролита. Для упрощения конструкции разделение выделяющихся газов отсутствует, поскольку получаемый попутно кислород никакого влияния на работу двигателя не оказывает. Также для упрощения конструкции отсутствует система питания электролизера водой. Схема работы такова – электролит из циркуляционного резервуара через нижний штуцер электролизера и нижние отверстия в пластинах доставляется в ячейки. Выделяющийся в процессе электролиза газ поднимается вверх. Смесь газа и электролита (пена) выводится через верхние отверстия в электродах и далее через верхний штуцер электролизера в циркуляционный резервуар. В резервуаре газ отделяется от жидкости и идет в блок очистки, а освободившийся от газа электролит вновь поступает в электролизер – круг замыкается. Время от времени потери воды восполняют. В системе отсутствует принудительная циркуляция электролита. Для осуществления пассивной циркуляции за счет поднимающегося в столбе жидкости газа циркуляционный резервуар необходимо размещать как можно выше по отношению к электролизеру. Помимо этого нормальной гидродинамики, особенно при высокой вязкости холодного электролита, добиваются с помощью подбора и расчета размеров верхних и нижних отверстий в электродах. Если размеры верхних отверстий будут относительно малы, это будет препятствовать выходу газа – он будет накапливаться в ячейках и оттеснять жидкость вниз – уровень электролита будет падать. Это приведет к снижению эффективной площади электродов (повышению плотности тока) и снижению КПД. Если относительно малыми будут нижние отверстия, это будет препятствовать выходу газа в циркуляционный резервуар. Дело в том, что наиболее эффективным является т.н. поршневой поток – чередование в трубе больших пузырей газа и столбов жидкости, а он может существовать только тогда, когда скорость подачи электролита в электролизер достаточна. В обоих описанных выше случаях к тому же возникают нарушения в тепловом балансе системы – электролизер перегревается. Однако, слишком сильно увеличивать размеры отверстий тоже нежелательно – резко возрастают паразитные токи, которые также снижают эффективность и приводят к перегреву системы. В промышленных электролизерах без принудительной циркуляции электролита суммарное сечение каналов подвода электролита и отвода газов по отношению к площади пластин делается минимально необходимым, что практически не приводит к потерям на шунтирующие токи. Для бортовых систем такое соотношение мало. Но с его увеличением приходится идти на неизбежные потери – падают выходы по току. Кроме того выбор материала электродов (не платина), низкая рабочая температура, а зачастую и низкая концентрация электролита значительно повышают необходимое рабочее напряжение на каждой ячейке, вследствие чего эффективность процесса электролиза снижается ( выход по мощности). Таким образом суммарный КПД бортового электролизера не может превышать 80% даже теоретически. Если бы бортовой электролизер имел эффективность работы, равную 100%.

Многие производители систем не утруждают себя необходимостью тестировать выпускаемые устройства на предмет производительности – в рекламных материалах и документации к продукции часто приводятся технические характеристики электролизеров, предполагают наличие КПД выше 100% и порой – существенно выше.

По материалам Интернета русскоязычная аудитория знакома с вопросом несколько лет. Если не принимать во внимание рекламу, слухи о том, что у какого-то знакомого работает, а у какого-то - нет, а также авторитетные заявления о том, что этого не может быть, потому, что не может быть никогда, остаются только отчеты с более или менее беспристрастной оценкой, основанной на результатах испытаний. Эти оценки делятся на положительные и отрицательные. Откуда такое противоречие? Попробуем разобраться.

Очевидно, для того, чтобы эффект был заметен (если он в принципе существует), устройство должно быть более или менее удачно сконструировано и изготовлено, а также качественно смонтировано. Как было сказано ранее: добавки водорода, полученного на борту любым способом, кроме электролиза, благотворно сказываются на работе двигателя - растет КПД и мощность, снижается выброс токсинов и расход топлива. Принципиальное отличие электролиза от всех других описанных выше способов заключается в том, что при этом методе происходит значительное потребление электрической энергии, которая поступает с генератора автомобиля. Для выработки дополнительной энергии генератором двигателю становится необходимо увеличение потребления топлива. Если КПД электролизера достаточно высок и система к тому же смонтирована правильно (диаметры шлангов, перепад высоты между электролизером и резервуаром и др.), то положительный эффект от использования добавок водорода с лихвой перекрывает дополнительное потребление топлива двигателем при увеличившейся нагрузки на генератор. Если КПД установки низкий – эффект уменьшается вплоть до полного исчезновения.

Известно, что электрический генератор автомобиля имеет запас мощности сверх той, что требуется для штатных электрических автомобильных приборов. Если КПД электролизера очень мал или в конкретном автомобиле запас мощности генератора сверх необходимой штатной недостаточен, нагрузка на него становится чрезмерной – эффект от добавленного устройства становится отрицательным, а генератору грозит выход из строя.

Несколько слов о регулировании работы двигателя. Самые простые варианты установки – это установка электролизной системы на дизельный и карбюраторный бензиновый двигатели. В первом случае как правило вообще не требуется никакого вмешательства в регулировку работы двигателя. Во втором случае регулировочным винтом карбюратора изменяют качество смеси (вызывают ее обеднение). Сложнее обстоит дело с регулировкой работы инжекторного бензинового двигателя. В таких системах впрыском топлива в цилиндры руководит электронный блок управления (ЭБУ, компьютер), работа которого основана на показаниях соответствующих датчиков – лямбда-зонда (кислородный датчик), ДМРВ (датчик массового расхода воздуха), датчика детонации и т.д. В память ЭБУ на заводе-изготовителе заложена программа управления, которая принципиально не подходит для работы этого же двигателя, но с добавками водорода. Таким образом для нормальной работы электролизерного комплекса необходимо «обмануть» ЭБУ. Для этого в электронные цепи управления двигателем встраивается дополнительный электронный блок. Выход сигналов с датчиков идет теперь сначала в этот блок. Сигналы нужным образом трансформируются и только затем поступают в компьютер автомобиля. Без электронного блока система не может работать нормально. В лучшем случае возникает ощутимый эффект увеличения мощности при незначительной экономии топлива – в городском цикле это 12-18%. Кроме того возникает перегрев двигателя – горючее сгорает полностью, а необходимого уменьшения подачи при этом не происходит (подробнее смотрите статью "Установка на инжектор Toyota 2AZ 2.4L").

Если все условия выполнены, т.е. электролизная система правильно сконструирована, изготовлена и установлена, то эффект от ее использования будет выглядеть так: экономия основного топлива в режиме частичных нагрузок (городской цикл) 25-40%, в режиме максимальных нагрузок (трасса) – 10-15%; ощутимое увеличение мощности (крутящего момента), особенно на малых и средних оборотах; улучшение эксплуатационных характеристик двигателя – уменьшение загрязнение масла сажей (реже нужно менять), очистка деталей камер сгорания (у бензиновых двигателей после 1-2 тысяч км пробега с водородом старые свечи выглядят как новые), более легкий запуск двигателя, особенно в холодную погоду.

Производители часто утверждают, что возможна экономия топлива, существенно большая, чем указано выше и это преподносится как преимущество какой-то системы. Может ли быть такое? Действительно, экономия может достигать и 70%, но это не будет истинной экономией. Причины этому две. Первая связана с регулировкой работы двигателя – при установке электролизной системы можно значительно уменьшить подачу горючего, при этом ухудшится динамика разгона (как говорят машина будет «тупить»), но потребление топлива резко снизится. Естественно, к такой экономии электролизер никакого отношения не имеет. Вторая причина связана с тем, что перед установкой электролизера грамотный мастер проводит по полной программе техническое обслуживание автомобиля и устраняет накопившиеся за время эксплуатации дефекты. Причем это может и не иметь отношение к двигателю. Такая процедура сама по себе улучшает работу узлов и агрегатов и снижает расход горючего. Но автовладелец этого не знает и эффект от добавок водорода кажется ему просто фантастическим, а мастер об этом не говорит, поскольку борется за клиентуру.

И в заключение – несколько слов об отличительных особенностях бортовых электролизных систем, способствующих их массовому внедрению.

1. Экологическая, а особенно экономическая эффективность использования данного типа устройств практически не уступает, а иногда даже выше таковой для других способов производства добавок водорода на борту автомобиля.

2. Производство устройств данного типа - в силу относительной их простоты и отсутствию дефицитных материалов и комплектующих – не требует больших производственных площадей и больших капиталовложений. В принципе при определенных навыках и минимальных знаниях вполне работоспособное устройство можно собрать даже в кустарных условиях – практически как говорят «на коленке в сарае» - широкое поле деятельности для малого бизнеса (при отсутствии необходимости в большом количестве работников в штате и малом реально необходимом сбыте).

3. Эксплуатация устройств не требует наличия специализированной сети – монтаж и наладка могут быть осуществлены любым автомехаником-профессионалом. Весь дальнейший сервис сводится к простой замене электролита и элементов системы очистки газа, которые по срокам могут быть совмещены с проведением традиционных мероприятий технического обслуживания, например, заменой масла в двигателе.

4. Простота и экономичность эксплуатации – дистиллированная вода продается во всех автомобильных магазинах и недорога. Что касается электролита, то он тоже недефицитен и недорог. Конечно, он не продается в нашей стране на каждом углу, но он и не входит в перечень запрещенных к открытой реализации – его продажа может быть организована через фирмы-производители систем.

5. Для некоторых описанных выше способов генерации добавок водорода на борту существуют ограничения по секторам рыночного внедрения в зависимости от размеров устройств. Поскольку многие из них представляют собой интегрированные по теплу или другим параметрам системы, размеры которых не могут быть уменьшены произвольно, они не могут быть установлены в относительно небольшие машины. Для систем электролиза такие ограничения отсутствуют – они могут быть установлены на любые по размерам автомобили, начиная от малолитражек и заканчивая гигантскими грузовиками. Но описываемое преимущество относительно. Оно несколько ограничено ценой устройства, которая, впрочем, как минимум не выше, чем у устройств другого типа. Если главная цель приобретения системы – экономия топлива, то надо учесть, что сроки окупаемости зависят от интенсивности эксплуатации транспортного средства (величины среднегодового пробега).

6. Установка электролизной системы не является переводом на двухтопливную систему эксплуатации. Она может быть использована на транспортном средстве, потребляющем любое топливо, будь то газ (природный сжатый или сжиженный), бензин или дизельное топливо. По сложности монтажа - проще установки газобаллонного оборудования, кроме того, не требует проведения разрешительных процедур, поскольку не вносит конструктивных изменений в узлы и агрегаты автомобиля.

С замечаниями и предложениями обращайтесь по адресу

Домашняя страница

Внимание! При использовании материалов ссылка на данный сайт обязательна!


Источник: http://vodorod-na-avto.com/art_additive.html