Разработчики водородного двигателя Александр Христолюбов, Валерий Терентьев и Олег Бризицкий
Японские автогиганты Toyota, Honda и Nissan заявили о намерении объединить усилия по созданию двигателя на водородном топливном элементе. инженеры и технологи знаменитого саровского РФЯЦ ВНИИЭФ такую попытку уже предприняли. Правда, на водороде их двигатель работает только частично. зато Экспериментальный автомобиль уже ездит по Сарову и готов выйти в массы.
Начнём с перечисления причин, по которым водородный двигатель пока не получил широкого распространения. Чистый водород очень взрывоопасен — непонятно, как его хранить в автомобилях и на заправках. Относительно дешёвый водород получается при использовании невозобновляемых источников энергии, что не экологично. Водородные топливные элементы невозможны без катализаторов из благородных металлов: платины, рутения, палладия, запасов которых на Земле хватит для производства не более 5 млн. автомобилей в год.
Наконец, замена всего мирового парка машин с двигателями внутреннего сгорания на автомобили с водородными элементами экономически нецелесообразна. Теперь перейдём к тому, как решили проблему в Сарове. Оказалось, что если немного сбавить амбиции и не пытаться переводить автомобиль на водород полностью, а ввести в смесь обычного двигателя внутреннего сгорания до 6% водорода (по теплотворной способности), то экологичность двигателя увеличивается примерно на 15%, а расход топлива в городском режиме снижается. Вот так просто и эффективно, впрочем, как всё гениальное.
АВТОВАЗ И ДРУГИЕ
— Всё началось на фоне нашей основной работы по получению чистого водорода из природного газа, — рассказывает директор научно-производственного комплекса и главный конструктор ФГУП «РФЯЦ ВНИИЭФ» Сергей Перетрухин. — 10 лет назад, когда мы занимались этой работой, на нас вышел Автоваз и попросил помочь создать автомобиль на водороде. Мы хорошо понимали, что вопреки обещаниям прессы автомобиль на чистом водороде ¬— далёкое будущее, поэтому сделали встречное предложение: не полностью заменить бензин или газ на водород, а попробовать подавать в двигатель внутреннего сгорания композиционную смесь — например, газ с добавками водорода.
Вот так РФЯЦ ВНИИЭФ в содружестве с Автовазом приступил к разработке двигателя на обычном топливе с добавками водорода. Через несколько лет для Автоваза настали трудные времена, и он от программы откололся. Зато создатели новой технологии из Сарова получили грант (довольно приличный) от государства. К тому же приобрели ценного партнёра в лице новосибирского Института катализа СО РАН им. Борескова, с которым впоследствии проделали большую часть работы.
— Суть в том, — объясняет особую ценность этого сотрудничества Сергей Перетрухин, — что один из важнейших элементов нашей системы — катализатор, который используется для получения водорода, и Институт катализа оказался нам нужен как воздух.
Также в разработке двигателя принимали участие ООО «Газомотор-Р» из Рыбинска, ООО «Химфист» из Черноголовки и ФГУП «НАМИ» из Москвы.
КУДА ПОЛОЖИТЬ ВОДОРОД
— Основная идея нашего проекта, — продолжает Сергей Перетрухин, — известна довольно давно. Еще в 70–80 е годы прошлого века было доказано, что добавление нескольких процентов водорода к топливу улучшает сгорание, уменьшает вредность выхлопа, позволяет при малых нагрузках работать на обеднённой смеси и так далее. Все эти эффекты подробно описал академик Зельдович в своей теории сгорания. Не было ответа на другой вопрос: как это сделать в реальных условиях.
И в самом деле — как? Если разместить в автомобиле два топливных бака — для бензина и для водорода, возникнет минимум две проблемы. Во первых, всё та же взрывоопасность водорода. Во вторых, представляете, какая морока заправлять бензин и водород на разных станциях и следить, чтобы ни то ни другое не закончилось?
В мировой практике пытались реализовать ещё одно, на первый взгляд перспективное, решение. В автомобили на природном газе добавляли водород прямо в топливо, то есть в природный газ. Такой транспорт ездил во время Олимпийских игр в Пекине и в Ванкувере. Но у самого метода выявились два недостатка. Во первых, оптимальное соотношение природного газа и водорода для различных режимов работы двигателя разное, а постоянная доля водорода в топливе не приводит ни эффективность, ни экологичность прототипа к расчётным результатам. Во вторых, водород делает слабые стороны природного газа как топлива для двигателя внутреннего сгорания ещё более слабыми. В первую очередь снижается пробег на полном баке.
— Изучив все недостатки технологий, созданных по теме до нас, — говорит Сергей Перетрухин, — мы пришли к решению, что водород лучше делать из обычного топлива прямо на борту и тут же добавлять его в камеры сгорания двигателя. Тогда и хранить не надо, и отдельно заправлять не надо, и процент добавки легко регулировать. Эту идею мы запатентовали и перешли к её воплощению.
Отметим, что способ получать водород на борту из дистиллированной воды в электролизере уже существовал и применялся в тяжёлых грузовиках. Но из-за высокой стоимости электролизера и необходимости иметь под рукой дистиллированную воду он не нашёл широкого применения. Ноу-хау же саровских учёных заключалось в том, что водород они собирались получать не из воды, и не электролизом, а прямо из углеводородов, катализом — точнее, каталитическим парциальным окислением природного газа. То есть, в моторном отсеке должно было появиться устройство — можно назвать его реактором или ретортой, в которое отводилась бы тонкая струйка топлива из топливной магистрали и из которого в инжектор (карбюратор) поступал бы водород.
СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛА
Первый компактный реактор для наработки водорода из природного газа, построенный рабочей группой, получился совсем не компактным, очень тяжёлым и запускался полчаса.
— Как котёл на паровозе, — шутит главный конструктор. — Представляете, полчаса ждать, пока автомобиль прогреется?
Около восьми лет потребовалось специалистам, чтобы добиться от устройства нужного качества, веса, цены и размера, создать микропроцессорную систему управления реактором синтез-газа, адаптированную к системе управления двигателем, и провести испытания — сначала стендовые, а потом с двигателем ЗМЗ 40522.10.
Ёмкость сегодняшнего реактора 5 л, вес 7 кг, производительность 25 куб. м газа в час, время запуска 15 секунд, температура газов в реакторе 900 градусов. Реактор выполнен в виде интегрированного по теплу блока, состоящего из газового устройства поджига, смесителя, каталитической камеры, рекуператора и теплообменника. Срок службы катализатора около 1 тыс. часов. Вырабатываемая добавка синтез-газа по эффективности равна добавке чистого водорода. Ко всем расчётным выгодам наличия этого устройства в автомобиле прибавилась одна дополнительная. Из-за того, что реактор работает при высокой температуре, а его теплообменник соединён с теплообменником двигателя, решается проблема холодного старта для двигателей внутреннего сгорания, работающих на природном газе.
— А что же бензин, — не выдерживаю я, — на бензиновые двигатели, можно установить вашу систему?
— Теоретически да, а практически в нашей стране, к сожалению, нет, — отвечает учёный. — То есть технически всё не слишком сложно. Но дело в том, что качество бензина на наших заправках крайне нестабильно. Плохой же бензин будет сжигать катализаторы, как он сжигает каталитические нейтрализаторы выхлопных систем на иномарках, что ни для кого не секрет.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
И вот результат почти десятилетней работы. В апреле 2009 года микроавтобус «Соболь» с генератором водородосодержащих добавок в рамках автопробега «Голубой коридор» благополучно доехал от Москвы до Сочи, от Сочи до Сарова. Сегодня он продолжает колесить по дорогам вокруг РФЯЦ ВНИИЭФ. В процессе пробега, а также других испытаний доказано, что двигатель с генератором водородосодержащих добавок выбрасывает в окружающую среду на два порядка меньше различных оксидов азота — основного вредного вещества, содержащегося в автомобильных выхлопах. И это при отсутствии нейтрализатора отработавших газов.
Максимальный экологический эффект достигается на низких оборотах двигателя, в пробках и на скоростях до 40 км в час — то есть в городском режиме. На скоростях выше 40 км в час микропроцессор постепенно снижает выработку синтез-газа и при 80 км в час отключает реактор. Таким образом устраняется потеря эффективности на скоростях выше 60 км в час, характерная для автомобилей на топливных элементах. На холостых оборотах, то есть в пробках, реактор позволяет двигателю работать на обеднённой смеси с избытком воздуха в 1,7 раза, как у лучших дизельных двигателей, но без их минусов — выбросов сажи и оксидов азота.
Добавки синтез-газа делают автомобиль в четыре раза экономичнее по отношению к бензину из расчёта «рубли на километры». Пристройка реактора не требует модификации двигателя. А розничная стоимость всей системы после запуска в серию и производстве от 30 тыс. генераторов в год не превысит 40 тыс. рублей.
P. S.
Последний вопрос — целевой потребитель технологии. В городах это могут быть автобусы и такси. Вне городов — энергоустановки на базе газопоршневых двигателей внутреннего сгорания; газовые котлы на ТЭЦ, где реактор встраивается прямо в горелку (технология разработана), и газотурбинные установки (технологию встраивания ещё предстоит создать). Мне же, человеку не так много передвигающемуся на машине, генератор синтез-газа не нужен. Но очень приятно, что это важнейшее для сохранения экологии городов изобретение сделано в России, на предприятии, много десятилетий обеспечивавшем мирное небо над страной. Оказывается, в Сарове умеют делать не только бомбы!