4.3. Водень

Інтерес до водню як до палива для ДВЗ обумовлений його високими енергетичними показниками, унікальними кінетичними характеристиками, відсутністю більшості шкідливих речовин в продуктах згоряння.

Водень з масової енергоємності перевершує традиційні вуглеводневі палива приблизно в 2,5 ... 3; спирти в 5 ... 6 разів. Нижча теплота згоряння молекулярного водню становить 120 МДж / кг.

Однак через низьку енергощільність водень по об'ємної теплопродуктивності поступається більшості рідких і газоподібних палив. Теплота згоряння 1 м ³ нормальної водне-повітряної суміші становить 3,1 МДж, що менше приблизно на 15 і 10% по відношенню відповідно до бензинів і спиртам.

З повітрям водень стійко запалюється в широкому діапазоні концентрацій (від α = 0,2 до α = 10). У зв'язку з цим потужність водневого двигуна може змінюватися якісним регулюванням, при якому його ККД на часткових навантаженнях збільшується на 25 ... 50%.

Однак, якщо максимальне значення ефективного ККД двигуна при роботі на водні вище, ніж при роботі на бензині, то ефективна потужність помітно падає. Останнє обумовлено дуже низькою щільністю водню, що призводить до зменшення наповнення двигуна паливом. Наприклад, при нормальному складі суміші газоподібний водень, що подається разом з повітрям, займає майже 30% обсягу циліндра, тоді як розпорошений і випарів бензин - тільки 2 ... 4%. В цілому переклад на водень викликає зниження потужності двигуна в середньому на 20 ... 25%.

Температура займання водневих сумішей вище, ніж вуглеводневих, однак завдяки нижчим значенням енергії активації для займання водню потрібна менша кількість енергії. Мінімальна енергія запалення водню становить 0,02 мДж проти 0,28 мДж у бензину і 0,23 мДж в метану.

Водне-повітряні суміші характеризуються високою швидкістю згоряння в двигуні (таблиця 4.4), причому в нормальній області згоряння протікає практично при постійному обсязі.

Таблиця 4.4

Двигун	Частота обертання, хв-1	Ступінь стиснення	Швидкість поширення полум'я, м / с
Водневий	1500	12	48,43
Бензиновий	1500	12	16,45

Склад ВГ водневого двигуна істотно відрізняється від складу ВГ бензинових і дизельних ДВЗ в основному за рахунок відсутності вуглецю в паливі. Практично єдиними токсичними компонентами, представленими в ВГ водневого ДВЗ, є оксиди азоту. Максимальна величина емісії NOx внаслідок більш високих температур згоряння водню приблизно вдвічі вище, ніж у бензинового двигуна. Однак з зубожінням суміші питомий викид NOx водневого двигуна швидко знижується і при α> 1,8 їх емісія практично відсутня.

Одним із серйозних питань у застосуванні водню як моторного палива є його зберігання на борту автотранспортного засобу.

Прийнятні об'ємно-масові показники системи зберігання водню на автомобілі в чистому вигляді забезпечуються тільки при його зріджуванні, тобто в кріогенних балонах, або в металогідридних акумуляторах (таблиця 4.5).

Таблиця 4.5

Порівняльні характеристики паливних систем

Показник	Бензин	Стиснутий водень	Зріджений водень	Водень в складі гідридів
Вага палива, кг	53,5	13,4	13,4	13,4
Об’єм палива, м3	0,07	1,0	0,19	0,23
Вага баку, кг	13,06	1361	181	45,4
Об’єм бака, м3	0,08	1,53	0,28	0,25
Загальна вага паливної системи, кг	67	1374	195	227

Однією з проблем зберігання водню в рідкому стані є те, що в такому вигляді він знаходиться у вузькому інтервалі температур: від точки кипіння 24 К до точки замерзання 17 К, коли він переходить у твердий стан. Якщо температура піднімається вище точки кипіння, водень переходить з рідкого стану в газоподібний. Ще однією проблемою є втрати на випаровування. За кожну добу википає 3 ... 4% рідкого водню.

До числа невирішених проблем використання водню як палива для ДВС належать відсутність відносно дешевих способів його отримання.

Способи отримання водню, що грунтуються на процесі електролізу води, володіють великою енергоємністю. Як правило, для цього потрібно затратити більшу кількість енергії, ніж те, що може бути виділено при спалюванні виробленого водню.

На сьогоднішній день найдешевшим способом виробництва водню є отримання його шляхом конверсії природного газу. Але і в цьому випадку за кількістю енергії, еквівалентного літру бензину, виробництво водню обходиться в 5 ... 6 разів дорожче.