АВТОМОБИЛЬ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДАСреди задач, решаемых сегодня в мировом автомобилестроении, создание малотоксичного ив то же время экономичного автомобиля — едва ли не самая злободневная и сложная. В идеале он должен иметь «чистый выхлоп» и расходовать как можно экономнее нефтяное топливо. А сложность здесь в том, что эти столь просто формулируемые требования, соприкасаясь, создают очевидные противоречия. В последние годы в русле технического, градостроительного и гигиенического направлений, сложившихся в борьбе за чистый воздух, все четче формируются поиски новых видов топлива — не нефтяного происхождения, которые подходили бы для использования в двигателях внутреннего сгорания. Другими словами, проблема «чистого автомобиля» перерастает в проблему источника энергии. И все чаще исследователи обращаются к водороду, с которым связываются сегодня большие надежды. Водородная технология, водородная энергетика — о них говорят все настойчивее по той причине, что этот химический элемент — основа единственного известного сегодня топлива, не образующего при сгорании пресловутого угарного газа и потому экологически наименее вредного. К тому же запасы его в природе практически неисчерпаемы. Вот почему уже много лет предпринимаются попытки использовать водород для двигателей внутреннего сгорания. В этом направлении еще в 30-е годы у нас работали московский автомеханический институт, МВТУ имени Баумана и ряд других институтов. Во время Отечественной войны идею водородного топлива практически применили иа автомобилях в войсках противовоздушной обороны на Ленинградском фронте. В послевоенные годы в нашей стране академик Е. А. Чудаков и один из авторов этой статьи И. Л. Варшавский использовали водород для питания одноцилиндрового двигателя в Автомобильной лаборатории АН СССР. Занимались этой проблемой и академик В. В. Струминский, другие исследователи. Однако эксперименты тогда не получили широкого размаха. Они стали более актуальными и возобновились в последние годы. Только в США к 1976 году по этой теме вели исследования 1б экспериментально-конструкторских групп, которые создали 42 разновидности «водородных» двигателей. Аналогичные поиски развернуты учеными ФРГ и Японии. Столь большой интерес к водороду как к топливу объясняется не только его преимуществами экологического характера, но и физико-химическими свойствами: теплота сгорания у него втрое выше, чем у нефтепродуктов, воспламеняемость смеси с воздухом имеет широкие пределы, водород обладает высокой скоростью распространения пламени и нивкой энергией воспламене-ВОДОРОДНОЕ топливония — в 10—12 раз ниже, чем бензин. В нашей стране обширные работы по использованию водорода для автомобильных двигателей активно ведут многие научные центры, усилия которых координирует Академия наук СССР. Метод получения этого химического элемента с применением так называемых энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ) детально разработан Институтом проблем машиностроения АН УССР, который проводит также фундаментальные исследования процессов сгорания водородовоздушных и бензоводородовоздушных смесей, разрабатывает принципиальные схемы силовой установки автомобиля при различных методах хранения нового горючего на борту. Водород как моторное топливо имеет некоторые особенности, обусловленные его свойствами. Широкие пределы воспламеняемости позволяют лучше регулировать протекание рабочего процесса двигателя. В результате удается повысить экономичность при частичных нагрузках — режим, в котором автомобильный двигатель «живет» довольно много. Теплотворность однородной смеси водорода с воздухом ниже, чем у бензина. Поэтому мощность двигателя на водороде в большей степени, чем при Использовании бензина, зависит от способа смесеобразования. Исследования детонационной стойкости бензоводородовоздушных и водородовоздушных смесей выполнены в ХАДИ и Институте проблем машиностроения АН УССР. Их результаты показали, что склонность таких смесей к детонации в значительной степени зависит от коэффициента избытка воздуха. И в этом отношении при использовании водорода в качестве топлива выявлены иные закономерности, чем для бензина. Изучение работы двигателей на водородовоздушных и бензоводородовоздушных смесях показало высокую стабильность рабочего процесса. Сравнивая пределы изменения оптимального угла опережения зажигания при работе на водороде и бензине, можно заметить, что в первом случае он существенно зависит от коэффициента избытка воздуха. При обогащении смеси наивыгоднейший угол опережения значительно уменьшается. Поэтому при работе на водороде двигателю нужны иные регулировки этого параметра. Наконец, при сгорании водорода отработавшие газы не содержат таких вредных компонентов, как окись углерода, углеводороды, окислы свинца. Остается только один токсичный компонент в выхлопе — окислы азота (и то в меньших количествах, чем при работе на бензине). При использовании водорода в качестве добавки содержание вредных компонентов резко сокращается благодаря полноте сгорания. Кроме того, уменьшается необходимость использования вредных антидетонационных свинцовых присадок к бензинам. Эксперименты показали, что двигатели внутреннего сгорания могут с успехом работать как на чистом водороде, так и на смеси его с парами бензина. Любопытно, что уже 10-процентная добавка (от массы расходуемого топлива) водорода может оказать существенное влияние, снижая токсичность отработавших газов и улучшая экономические показатели. Она намного расширяет пределы воспламеняемости смеси, что создает условия для эффективного регулирования процесса сгорания. Практически это означает возможность устойчивой работы на очень бедных бензоводородовоздушных смесях с большим . коэффициентом избытка воздуха, чем обеспечивается значительная экономия бензина. Учитывая то обстоятельство, что двигатель в городских условиях до 30% времени работает на холостом ходу или режимах неполной нагрузки, можно представить себе, какие экономические выгоды несет использование водорода. А работа двигателя при высоких коэффициентах избытка воздуха сопровождается почти полным сгоранием смеси, и, следовательно, в отработавших газах нет токсичных компонентов. В Институте проблем машинострое-Рис. 1. Установка с применением ЭАВ для питания двигателя водородом: 1 — реакторы периодического действия; 2 — бак для воды; 3 — кран подачи воды в реактор; 4 — блок насосов с электроприводом; 5 — редуктор в системе подачи водорода.14 ПОИСКИ И ЭКСПЕРИМЕНТЫния АН УССР уже разработаны автомобильные силовые установки, действующие на водородном топливе. Для них водород получают из воды (с применением ЭАВ, в основе которых лежат окислы металлов), а также из гидридов — веществ, способных при охлаждении поглощать водород, а при нагревании — отдавать его. Связывать водород гидридами необходимо в интересах безопасности, так как при утечкаж из баллонов он образует, смешиваясь с воздухом, взрывчатую смесь, которая легко воспламеняется (вспомните частые аварии дирижаблей с емкостями, заполненными водородом). Но важнее тот факт, что гидриды являются более рациональным методом хранения водорода на борту автомобиля по объемным показателям. Общая схема силовой установки такова: водородное топливо, получаемое в результате взаимодействия ЭАВ с водой, подается системой питания в двигатель. Мощность двигателя регулируется компонентами, подаваемыми в реактор для освобождения связанного водорода. Силовая установка может быть выполнена как по открытому, так и по закрытому циклу. В первом случае на борту автомобиля размещаются только емкости для ЭАВ и воды, а продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. При замкнутом цикле дополнительно вводятся теплообменник и конденсатор, позволяющие использовать пары воды из выхлопных газов. Поступающая в реактор с ЭАВ вода снова служит источником для получения водорода. Так при замкнутом цикле «носителем» топлива служит вода, а энергией — ЭАВ. Водородное топливо при обоих циклах может использоваться в чистом виде или в качестве добавок (5—10% по массе). В последнем случае на машине сохраняется система питания бензином. «Извлечение» водорода из воды происходит в реакторе, содержащем ЭАВ. Наиболее простым является реактор постоянного действия, в котором давление поддерживается регулировкой подачи компонентов в зону реакции. Процесс получения в нем топлива происходит не мгновенно, то есть он обладает некоей инерцией. Выделяющийся в реакторе водород поэтому должен поступать к мотору через редукторрегулятор, поддерживающий оптимальное давление перед форсунками подачи. По разработанным в Институте проблем машиностроения АН УССР схемам для работы с применением ЭАВ на основе окислов металлов был приспособлен «Москвич—412», а с использованием гидридов — ВАЗ—2101. Первый эксперимент — с «Москвичом—412» (рис. 1) осуществлен инженерами А. Байковым и В. Журманом. Система питания бензином оставлена без изменений. На машине смонтированы два реактора 1, обеспечивающие получение водорода из воды, и редуктор б, предназначенный для дозирования подачи топлива на разных режимах работы двигателя. Реакторы периодического действия имеют постоянную загрузку ЭАВ на основе кремния или алюминия с регулируемой подачей воды. Насосы высокого давления 4, приводимые электродвигателем, подают воду из бака через подогреватель и фильтр к реактору, где ее распыливают форсунки. В водяной системе установлены обратные клапаны, предотвращающие проникновение туда водорода при прекращении подачи воды. Кроме того, в ней предусмотрен кран 3, который переключает подачу воды с одного реактора на другой. Все агрегаты этой экспериментальной установки смонтированы на общей раме и помещены в багажнике. Водород от реакторов поступает к крану, установленному на приборной панели, которым водитель соединяет работающий реактор 1с системой пода-. чи водорода. Последняя состоит из понижающего редуктора, влагоотделителя, газового счетчика и редуктора регулирования подачи водорода (управляется специальной педалью). Топливовводится во впускной трубопровод, непосредственно перед впускным клапаном. Переделка автомобиля ВАЗ—2101 (рис. 2) для работы на водороде, получаемом из гидридов, выполнена кандидатом технических наук А. Мищенко, а гидридный бак разработан инженером В. Степановым. На «Жигулях» сохранена система питания бензином и дополнительно установлена система хранения и подачи водорода. Она состоит из гидридного бака 1, нагреваемого отработавшими газами, редуктора со всережимным вакуумным регулятором 9 расхода водорода и смесителя 8, сделанного на базе серийного карбюратора. Скорость выделения водорода гидридом система регулирует автоматически (блок управления 10, реле давления 2, заслонка с электромагнитным приводом 7 на выпускной трубе), поддерживая постоянным, независимо от режима двигателя, давление водорода в системе. Гидридный бак при зарядке охлаждается водой. Работы по использованию водорода впервые были широко представлены на всесоюзной научной конференции «Защита воздушного бассейна от загрязнения токсическими выбросами транспортных средств» в 1977 году. Ее участники смогли тогда подробно ознакомиться с автомобилями, работающими на водородных добавках. Эти машины в течение многих месяцев проходили испытания на улицах Харькова. С тех пор прошло полтора года. К «водородным» «Жигулям» и «Москвичу» прибавилась такая же «Волга». Недавно успешно завершен предварительный цикл испытаний этого автомобиля, работающего на бензоводородной смеси. Ученые не строят иллюзий: впереди еще много работы, учитывая коварство водорода, его взрывоопасность и малый удельный вес, требующий больших объемов гидридного бака на борту. Пока запаса водорода в этом баке, если двигатель работает на водороде, хватает только на 100—120 километров пробега. При использовании водорода в качестве добавки пробег автомобиля составляет 400—500 километров. Тем не менее академик В. П. Бармин, ряд других ученых считают, что двигатель, работающий на водороде, сегодня уже не фантастика. Харьковские автомобили, работающие с добавкой водорода, стали серьезным переходным этапом в этих поисках. Их рассматривают уже как реальный «мост» к созданию настоящих «водородных» автомобилей, то есть работающих на одном этом топливе. Итак, машины с надписью «Планете — чистый воздух» отработали свои первые сотни «чистых километров» на улицах большого города. Предстоит решить немало задач, связанных с размещением водорода на автомобиле. Исследования продолжаются. И. ВАРШАВСКИЙ, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РСФСР И. БЕРШОВА, кандидат технических наукРис. 2. Установка с применением гидридов: 1 — гидридный бак; 2 — реле давления; 3 — вентиль заправки; 4 — выхлопной патрубок гидридного бака; 5 — глушитель; 6 — бензиновый бак; 7 — электромагнитный привод заслонки; 8 — смеситель; 9 — регулятор давления и расхода водорода; 10 — блок электронного управления.15