Интерес к водороду как моторному топливу, экологически чистому, энергоёмкому и имеющему потенциально неограниченную сырьевую базу, вполне оправдан. Обострение энергетической и экологической ситуации повышает актуальность исследований в этих областях.
Ограниченность сырьевых запасов для производства традиционных видов топлив определяет актуальность работ по исследованию и применению альтернативных видов топлива, а именно водорода. Исследования строятся таким образом, чтобы осуществлялось постепенное замещение традиционных видов топлива на альтернативные. В этой последовательности можно выделить три основных этапа;
1. Применение в виде присадок альтернативных видов, к традиционному виду топлива
2. Частичное замещение традиционных видов
3.Применение альтернативных топлив в чистом виде
Проблема использования водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) включает обширный круг вопросов:
а) Изучение возможности перевода на водород двигателей с внутренним процессом смесеобразования и с внешним искровым зажиганием.
б) Исследование параметров рабочего процесса двигателей при работе на водороде.
в) Определение оптимальных способов регулирования рабочего процесса.
г) Разработку систем топливоподачи и ряд других вопросов.
Исследования, направленные на использование водорода в качестве топлива для ДВС, проводились и проводятся при его использовании в качестве добавки (присадки), частичного замещения традиционных видов на альтернативные на базе двигателей с искровым зажиганием, и двигателей с воспламенением от сжатия.
Результаты исследований параметров рабочего процесса двигателей с использованием водорода в качестве топлива для ДВС с внешним процессом смесеобразования, с искровым зажиганием показывают, что при определенных достоинствах имеются трудности организации нормальной работы двигателя. В частности всеми авторами отмечается наличие обратных вспышек в систему впуска, что нарушает нормальную функцию двигателя. Применение внешнего процесса смесеобразования водородного двигателя приводит к уменьшению наполнения цилиндра свежим зарядом, что обуславливает снижение мощности в сравнении с базовым до 40%.
Для кардинального исключения обратных вспышек на впуск, с целью сохранения уровня мощности водородного ДВС, рекомендуется организация рабочего процесса с применением внутреннего процесса смесеобразования характерного для дизелей. На кафедре двигателей внутреннего сгорания АлтГТУ им. И.И. Ползунова в течение ряда лет успешно ведутся работы по применению добавок газообразного водорода к дизельному топливу. Здесь разработаны две оригинальные системы топливоподачи (А.с. 1087681 и А.с. 1455008).
Первая обеспечивает равномерное насыщение дизельного топлива водородом в смесительной камере форсунки и впрыскивание водородонасыщенного топлива в цилиндр. Относительная масса добавляемого водорода составляет 0,1% цикловой массы топлива.
Вторая система обеспечивает подачу водорода непосредственно в цилиндр через специально сконструированную дополнительную клапан-форсунку с электронным приводом с воспламенением порции топлива, подаваемого через основную топливную систему. Экспериментальные исследования дизель-водородного двигателя показали работоспособность предложенной системы топливоподачи и возможность организации рабочего процесса с 10% добавкой водорода по массе к дизельному топливу.
В ходе экспериментальных исследований работы тракторного дизеля 6ЧН13/14(Д-461 АО «Алтайдизель») с добавками водорода двумя способами изучались качественное и количественное изменения протекания внутрицилиндровых процессов; определяющие показатели мощности, экономичности и экологичности. Так, при испытаниях двигателя, оборудованного первой системой топливоподачи, достигнуто снижение расхода топлива на 5-8%, выбросов сажи на 30-50%. При подаче водорода непосредственно в цилиндр (вторая система топливоподачи) удалось добиться резкого снижения выбросов сажи- 2- 4 раза, расхода топлива - на 30-40%, а также существенно снизить эмиссию эмислов азота. В среднем за рабочий цикл концентрация сажи при работе дизеля на водородонасыщенном топливе снизилась на 10-15%, причем максимальная концентрация сажи уменьшилась почти на 30%.
Уменьшение на 5-7% температуры пламени, определенной методом оптического индицирования цилиндра дизеля, связано с уменьшением относительной доли излучения высокотемпературных частиц в общем излучении сажи вследствие общего уменьшения концентрации излучателя.
Добавка водорода к дизельному топливу в количестве до 10% от цикловой массы топлива привела к резкому снижению концентрации сажи и некоторому уменьшению температуры излучателя. Так, на номинальном режиме работы дизеля максимальные значения концентрации сажи снизились более чем в два раза, причем положительный эффект в сажевыделении наблюдается как на стадии образования, так и выгорания сажи.
Анализ влияния присадки водорода (0,1% от цикловой массы топлива) к дизельному топливу па индикаторный КПД показывает, что вместе с интенсификацией процесса сгорания происходит увеличение полноты сгорания, уменьшается конвективный и радиационный теплообмен. Конвективный - за счет снижения температуры газов, радиационный - как следствие уменьшения концентраций сажи, температуры пламени и его степени черноты. Все это способствует уменьшению составляющих неиспользованной теплоты в цикле от несвоевременности и неполноты сгорания, теплообмена, изменения температуры и состава РТ. В результате индикаторный КПД несколько увеличивается.
Несколько иная картина наблюдается при добавке водорода к дизельному топливу в количестве до 10% от цикловой массы топлива. Результатом увеличения конвективного и уменьшения радиационного тепловых потоков является соответственное изменение суммарного коэффициента неиспользования теплоты от теплообмена. Этот факт является одной из причин увеличения индикаторного КПД дизеля.
Исследования показывают, что применение водорода для двигателей внутреннего сгорания целесообразно с целью достижения минимального возможного уровня токсичности отработавших газов (ОГ). За счет снижения количества дизельного топлива подаваемого в цилиндр существенно снижаются вредные выбросы СО, С, Н и другие содержания углеродов. Однако высокая максимальная температура сгорания смеси определяет высокий уровень содержания в ОГ окислов азота NOx. Снижение эмиссии окислов азота возможно за счет обеднения рабочей смеси, а также за счет подачи на впуск воды, которая нормализует процесс сгорания.