ВведениеПри использовании водорода в качестве топлива полностью отсутствуют вредные выбросы. Конечным продуктом при его горении является вода.В дизельных двигателях водород может использоваться в чистом виде, а также в составе присадок к воздушному потоку или топливу [1–5]. Включение присадок в процесс не требует существенных модификаций в конструкции серийно выпускаемых дизелей, уже эксплуатируемых в настоящее время.Присутствие водорода в топливной смеси приводит к снижению пиковых температур в области горения, где обычно происходит окисление атмосферного азота. Одновременно в этих же областях происходит обратный процесс: оксиды азота, сформировавшиеся в процессе сгорания, распадаются до молекулярного азота и водяного пара.Научно-исследовательские работы по использованию водорода в дизелях в основном были посвящены применению водорода в чистом виде либо в виде присадок к воздушному заряду. В области применения водородных газовых добавок к дизельному топливу ранее исследований не осуществлялось.Целью представленного научного исследования является получение водорода из дизельного топлива прямо на борту судна. Также в рамках исследования будет проведен анализ объема вредных веществ, выделяемых дизельным двигателем при работе с винтовой нагрузкой, когда в дизельное топливо добавляется газообразная водородсодержащая присадка. Экспериментальная установка для получения присадки водорода в дизельном топливеВ соответствии с требованиями Российского морского регистра судоходства использование топлива с температурой вспышки менее 61 °С запрещено. Исходя из этого, внедрение водорода в дизельное топливо должно происходить без повышения температуры и последующего хранения образовавшегося газа на судне. В связи с этим для преобразования дизельного топлива в газообразное состояние используется метод кавитации.Установлено, что при коллапсе парогазовых пузырьков, находящихся в жидкой среде, температура внутри них может подниматься до 1 500 °С, поскольку пузырьки могут резко сжиматься и расширяться под воздействием переменного локального давления, температура газа внутри пузырьков колеблется в широких пределах, а давление может превышать 15 МПа [6]. В таких условиях в дизельном топливе происходит деструкция молекул жидкого углеводорода и его преобразование в газ [7].В лаборатории судовых энергетических установок Сибирского государственного университета водного транспорта была спроектирована и построена уникальная экспериментальная установка для извлечения водорода из дизельного топлива дистиллятного типа с использованием кавитационного процесса. Процесс газификации внутри корпуса установки осуществлялся при атмосферном давлении и комнатной температуре.Установка разработана на основе известной и широко распространенной конструкции роторно-пульсационного аппарата (РПА) [8]. Для преодоления кавитационного барьера внутри корпуса РПА дополнительно установлены две центробежные ступени. Фотография опытной экспериментальной установки приведена на рис. 1.Состав газовой смеси был исследован с помощью хроматографического анализа (результаты которого представлены в табл. 1), возникшего в дизельном топливе вследствие кавитации. При выполнении расчетов, представленных в табл. 1, из расчетных данных был исключен азот, входящий в состав атмосферного воздуха. Во время забора проб газовой смеси удавалось не полностью вытеснить воздух, который находился внутри, т. к. для функционирования хроматографа требуется гелий. Анализ компонентного состава газовой смеси, отобранной из установки, был произведен в ак-кредитованной лаборатории физико-химических исследований органических соединений, содержащихся в горных породах, нефти и газах, в составе Сибирского НИИ геологии, геофизики и минерального сырья (АО «СНИИГГиМС»). Определение проводилось на хроматографическом оборудовании модели НР6890, прошедшем сертификацию, с использованием методики СТО ИГ 026.11.   Рис. 1. Лабораторная установка для производства газообразного компонента с водородом из дизельного топливаFig. 1. Laboratory plant for production of gaseous component with hydrogen from diesel fuelТаблица 1Table 1Химический состав газаChemical composition of the gasХимический элементи соединениеДизельное топливо (ГОСТ 305-2013). Концентрация, % об.Полный состав газаПересчет на исключение азотаHe0,0034640,013816143H0,0563520,224723124O24,4770397,60952837N69,343650CO20,3098121,235471533CH40,0011840,004723551C2H62,54Е-050,000101157C2H42,40Е-059,58192Е-05C3H81,00Е-054,00295Е-05C3H61,46Е-055,82754Е-05C4H100,0001433520,000571671C4H10 (Н-бутан)0,0010800140,004306867C4H800C5H124,14Е-050,000165271C5H12 (Изопентан)0,0098884810,03943326C5H100,0075085340,029942516C6H140,0456111970,181888304C6H14 (Н-гексан)0,0168995570,067392042C7H160,1136957360,453395775C7H16 (Н-гептан)0,0305738730,121922473C6H60,0031154430,012423764 Затем были определены температура вспышки, плотность и количество испарившихся из топлива газообразных фракций с течением времени. Результаты исследований представлены в табл. 1, 2 и на рис. 1.Таблица 2Table 2Температура вспышки стандартного и улучшенного дизельного топлива, °С (согласно ГОСТ 305-2013)Flash point of standard and improved diesel fuel, °C (according to ISS 305-2013)Дизельное топливо Через 10 минпосле воздействияЧерез 24 чпосле воздействияБез обработки65 65 После 5 мин обработки65 65 После 7,5 мин обработки64 66 После 10 мин обработки64 66 После 12,5 мин обработки64 66  Данные приводят температуру вспышки обычного дизельного топлива и дизельного топлива, подвергшегося модификации (в соответствии с ГОСТ 305-2013). Представлены значения, измеренные через 10 мин и через 24 ч после проведения обработки. В табл. 2 приведены результаты для необработанного топлива, а также топлива, обработанного в течение различного времени: 5; 7,5; 10 и 12,5 мин.Согласно табл. 2 температура вспышки зависит от времени обработки дизельного топлива, находящегося внутри корпуса экспериментальной установки. Через 7,5 мин после начала процесса обработки температура вспышки уменьшилась на 1 °С. Через 24 ч хранения топлива с газовой присадкой в открытой емкости вспышки повысилась на 2 °С. Данный эффект обусловлен тем, что летучая газовая присадка, содержащаяся в дизельном топливе, испаряется в окружающую среду.В табл. 3 представлены итоги замеров плотности дизельного топлива, подвергнутого обработке посредством кавитационного процесса.Таблица 3Table 3Изменение плотности дизельного топлива (базового и с добавлением газовой присадки), кг/м3Change in the density of diesel fuel (base and with the addition of a gas additive), kg/m3Дизельное топливоЧерез 10 минпосле воздействияЧерез 1 чпосле воздействияБез обработки848 848 После 5 мин обработки 846 846 После 7,5 мин обработки 829 847 После 10 мин обработки 834 847 После 12 мин обработки 840 848  Результаты анализа данных, представленных в табл. 3, демонстрируют, что пиковое значение концентрации газовой фракции, присутствующей в модифицированном топливе, достигается на 7,5-й мин с момента старта процесса. После этого времени наблюдается активное удаление газов из объема реактора, что приводит к постепенному увеличению плотности модифицированного топлива.Таким образом, для разработанного нами прототипа реактора оптимальная продолжительность обработки топлива, позволяющая получить наи-больший выход водородсодержащей добавки, составляет 7,5 мин. На рис. 2 приведен график, отражающий динамику испарения пробы полученного на установке топлива, содержащего газовую присадку в течение 96 ч. Дизельное топливо обрабатывалось в установке в течение 7,5 мин.Согласно рис. 2 в результате испарения со временем происходит потеря веса топлива с газовой присадкой, содержащейся в обработанном дизельном топливе газа. Важно подчеркнуть, что наиболее активное испарение наблюдается в первые 24 ч. Впоследствии данный процесс продолжался неук-лонно в течение двухнедельного периода. После полного высвобождения водородсодержащего газа в окружающую среду исчезает мутная непрозрачность и горючее приобретает прозрачность, идентичную исходному дизельному топливу.   Рис. 2. Динамика уменьшения веса образца топлива с газовой присадкой в количестве 200 г с течением времениFig. 2. Dynamics of weight reduction of a fuel sample with a gas additive in the amount of 200 grams over time Результаты испытаний дизеля на топливе с газовой присадкой, содержащей водород Для проведения сравнительного анализа использовался дизельный двигатель модели Ч10,5/12 (Д 21), оснащенный электрическим нагрузочным стендом (рис. 3).   Рис. 3. Фотография испытательного стендаFig. 3. Photograph of the test stand Горючее с добавлением газообразного водорода производилось на специальном стенде непосредственно перед его использованием в двигателе внутреннего сгорания.Концентрация нормируемых газообразных химических соединений и токсичности отработавших газов определялась прибором – газоанализатором «ГИАМ-29-М-4» (СПО «Аналитприбор»). При помощи него проводились измерения концентрации оксидов азота, монооксида углерода, суммарных углеводородов, диоксида серы и кислорода. Его паспортные значения соответствуют требованиям ГОСТ Р 31967-2012 «Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения».На рис. 4 представлены итоги испытания дизельного двигателя, работающего как на стандартном топливе, так и на топливе с водородной добавкой (использованы следующие обозначения: NOx – уровень концентрации оксидов азота, ppm; N – показатель дымности выхлопных газов, измеренный по шкале Hartrige, %; СО – уровень концентрации оксида углерода, ppm; СН – уровень концентрации суммарных углеводородов, ppm).   ○ – стандартное дизельное топливо     ● – модифицированное дизельное топливо с газовой присадкой  Рис. 4. Выбросы двигателя Ч10,5/12 при работе по винтовой характеристикеFig. 4. Engine emissions CH10.5/12 when operating according to the screw characteristic Согласно рис. 4 использование водорода в качестве присадки к дизельному топливу сокращает выбросы при работе дизеля по винтовой характеристике. Эксперименты проводились с дизельным топливом, соответствующим стандарту ГОСТ 305-2013. Варьировались параметры ультразвукового воздействия: частота в диапазоне от 20 до 40 кГц и мощность от 100 до 300 Вт. Продолжительность каждого эксперимента составляла от 30 до 60 мин. Контролировались температура топлива в реакторе, давление, а также состав выделяемого газа. ЗаключениеРезультаты экспериментов свидетельствуют о том, что процесс кавитации эффективно генерирует водород из дизельного топлива. С увеличением мощности ультразвукового воздействия наблюдается рост концентрации водорода в газовой смеси. Также повышение частоты приводит к более интенсивному газообразованию. Однако превышение определенного порога мощности и частоты может привести к перегреву топлива и образованию побочных продуктов.Оптимальные параметры для получения максимального выхода водорода были определены экспериментально: частота – 30 кГц; мощность – 250 Вт. При этих условиях содержание водорода в газовой смеси достигало 15–20 %. Дальнейшие исследования направлены на оптимизацию конструкции кавитационного реактора и разработку системы отделения водорода от других газообразных компонентов для повышения чистоты получаемого продукта.В дизельных энергетических установках, применяемых на водном транспорте, целесообразно использовать топливные смеси с добавлением водорода в роли газообразной присадки.