ГИБРИДНОЕ АВТОТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО
С ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ, РАБОТАЮЩЕЙ НА ВОДОРОДНОМ ТОПЛИВЕ
В. Ф. Каменев, Г. С. Корнилов, Н. А. Хрипач
Государственный научный центр Российской Федерации ФГУП «Центральный ордена Трудового Красного знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт» (НАМИ) д. 2, Автомоторная ул., Москва, Россия, 125438 Тел.: (095) 454-00-97; факс: (095) 456-70-97; e-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор, зав. научно-исследовательским и экспериментально-конструкторским отделом двигателей с принудительным зажиганием и водородных энергоустановок ГНЦ РФ - ФГУП «НАМИ»; профессор кафедры «Автотракторные двигатели» Московского государственного технического университета - Московского автомеханического института (МГТУ-МАМИ), действительный член Академии проблем качества РФ, член Российской Ассоциации автомобильных инженеров, эксперт России в КВТ ЕЭК ООН по проблемам экологической безопасности, член SAE.
Образование: в 1967 г. окончил Московский автомеханический институт по специальности «инженер-механик». Область научных интересов:
■ рабочие процессы ДВС с искровым зажиганием;
■ снижение выбросов вредных веществ автомобильными двигателями;
■ методы испытаний автомобилей, двигателей и их компонентов по оценке экологических и энергетических показателей, надежности и ресурса.
Автор оригинальных конструкций систем питания двигателей, каталитических нейтрализаторов. Научный руководитель ряда научно-технических проектов по:
■ использованию альтернативных топлив для автомобильных двигателей;
■ созданию водородного двигателя для АТС;
■ разработке комбинированных энергетических установок для гибридных транспортных средств. Публикации: более 115 научных статей и докладов, в том числе на конгрессах FISITA и SAE,
более 25 патентов России и других стран (США, Германия, Япония).
Сведения об авторе: зам. заведующего научно-исследовательским и экспериментально-конструкторским отделом двигателей с принудительным зажиганием и водородных энергоустановок, зав. научно-исследовательской и экспериментально-конструкторской лабораторией водородных двигателей ГНЦ РФ - ФГУП «НАМИ», ассистент кафедры «Автотракторные двигатели» МГТУ-МАМИ.
Образование: в 2001 г. окончил МГТУ-МАМИ по специальности «инженер по двигателям внутреннего сгорания». В 2004 г. защитил кандидатскую диссертацию по специальности «Тепловые двигатели», посвященную решению проблемы питания автомобильного двигателя внутреннего сгорания водородосодержащим топливом.
Область научных интересов: экология автомобильных двигателей, разработка мероприятий по снижению вредных выбросов и созданию антитоксичных систем и устройств, проведение стендовых и сертификационных испытаний двигателей; ответственный исполнитель хозяйственных договоров с рядом предприятий и организаций, в том числе с ОАО «АвтоВАЗ», РКК «Энергия» и Институтом машиноведения им. А. А. Благонравова РАН. Основное направление деятельности — изучение вопросов безопасного получения и хранения на борту автомобиля водородного топлива. Член авторского коллектива по разработке устройства по управлению газообменом в двигателе внутреннего сгорания, запатентованного в России в 2003 г.
Публикации: 17 научных статей; активный участник международных и российских научных конференций и семинаров.
Каменев Владимир Федорович
EüH
Хрипач Николай Анатольевич
Корнилов Геннадий Сергеевич
Сведения об авторе: кандидат техн. наук, старший науч. сотрудник, первый зам. ген. директора по научной работе ГНЦ РФ - ФГУП «НАМИ»; председатель Экспертного совета при Правительстве Москвы по техническим средствам снижения токсичности автотранспорта; член городской экологической комиссии; академический советник Инженерной Академии РФ; академик Академии проблем качества; засл. машиностроитель РФ (1999 г.); лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники (2002 г.) за создание и освоение производства экологически чистых дизелей на ОАО «Автодизель» (г. Ярославль).
Профессиональный опыт: работает в ФГУП «НАМИ» с 1991 г. на должностях заместителя ген. директора по научной работе, директора научно-технического центра «Экология автомобилей и двигателей», зам. ген. директора, первого зам. ген. директора.
С 1971 по 1991 гг. работал на ярославских заводах ЯМЗ, ЯЗДА, ЯЗТА, прошел путь от инженера до главного конструктора завода и зам. ген. директора объединения «Дизельаппаратура».
Область научных интересов: вопросы экологии автомобилей и двигателей, поиск путей достижения отечественными автомобилями перспективных европейских норм токсичности. Непосредственный участник создания семейства отечественных нейтрализаторов отработавших газов (окислительных и трехкомпонентных) и других элементов снижения токсичности для бензиновых легковых автомобилей, производство которых в настоящее время освоено несколькими российскими предприятиями.
Большое внимание уделяет экологически чистым и альтернативным топливам. Под его руководством создано новое поколение унифицированной газобаллонной аппаратуры для питания легковых и грузовых искровых автомобилей сжиженным и сжатым газом, а также опытные образцы двигателей и автомобилей, работающих на метаноле, бензоводородных смесях, водороде и водородном топливе, получаемом путем конверсии метанола на борту автомобиля.
Публикации: более 30 научных работ (после 1998 г.); активный участник международных и республиканских симпозиумов, конференций, совещаний по вопросам обеспечения экологической безопасности и экономии невозобновляемых ресурсов.
World experience in a problem of hydrogen use on a vehicle, accumulated to the present time, shows, that hydrogen has the set of advantages in comparison with conventional petroleum motor fuels, among which the main ones are an opportunity of significant decrease of fuel consumption by automobile engines and ecological cleanness of hydrogen as motor fuel.
As it is known, methanol is an alternative fuel, using of which instead of gasoline permits to improve fuel economic and pollutant emission of internal combustion engine and simultaneously to decide a problem of preservation of petroleum resources. At the same time the use of methanol as energy carrier for receiving hydrogen fuel for automobile engines permits to realize advantages of a hydrogen engine, decides a problem of providing of automobile required power supply.
Использование автомобильного транспорта в жизнедеятельности человека стало неотъемлемой частью общественного развития. Однако моторизация общества выдвигает ряд серьезных социальных проблем, среди которых — экология и сохранение природных ресурсов. Автомобили — основные потребители энергии и один из главных источников загрязнения атмосферы. Наиболее энергоемким и экологически опасным компонентом автомобиля является его энергетическая установка. Главные направления совершенствования автомобильных энергоустановок в настоящее время определяются двумя важнейшими социально-экономическими проблемами:
■ рациональным использованием топлива нефтяного происхождения, в том числе заменой его альтернативными энергоносителями;
■ снижением вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду.
Постоянно ужесточающиеся международные требования по ограничению выброса вредных веществ автотранспортными средствами (АТС) и экономии энергоресурсов требуют от производителей разработки принципиально новых энергетических установок, работающих на новых, экологически чистых видах топлива ненефтяного происхождения. На рис. 1 приведена сравнительная оценка влияния различных видов топлива на экологические показатели автомобильного двигателя с принудительным воспламенением относительно традиционного топлива — бензина.
Из приведенных гистограмм видно, что одним из лучших решений может быть использование водорода или синтез-газа с большой концентрацией водорода как альтернативного топлива для энергетической установки АТС.
Очевидным преимуществом водорода является его неисчерпаемые ресурсы в природе и воз-
NOx, ppm
1500
1000
500
0
СО,
Рис. 1. Сравнительная оценка влияния альтернативных видов топлива на экологические показатели автомобильного двигателя с принудительным воспламенением: 1 — бензин; 2 — бензин + продукты его конверсии; 3 — бензин + Н2; 4 — сжиженный нефтяной газ; 5 —сжатый природный газ; 6 — метанол; 7 — метанол + Н2; 8 — синтез-газ (Н2 + СО); 9 — водород (Н2)
можность получения из возобновляемых сырьевых источников. Водород обладает чрезвычайно высокой энергоемкостью (почти в три раза больше, чем у традиционных нефтяных топ-лив) и уникальными кинетическими характеристиками. Кроме того, продукты сгорания водорода практически не содержат вредных компонентов на основе углерода (оксида и диоксида углерода, углеводородов и альдегидов).
В ходе проведенных ранее исследований ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» совместно с Институтом проблем машиностроения НАН Украины были созданы различные варианты опытных образцов автомобилей, работающих на водородном топливе. Из-за ограниченного запаса водорода на борту автомобиля испытывались варианты с комбинированным питанием водородом и бензином, а также исследовалась возможность
40
20
/ ч i " ч \
// ч \
* / / \ ■ ъ %
/ t
* ✓
- N. *
\
X \ \ \
ч
----- - 4 - ^
J' ft
/ \
/ \
СН, ppm
2000
1000
0,20
0.16
0,12
Рис. 2. Карбюратор для питания двигателя бензово-дородной смесью
0,5 1 1,5 2 2,5 3 -бензин, бензин + водород,---водород
Рис. 3. Токсические регулировочные характеристики двигателя 4 ■ 7,9/8,0 при использовании водорода и водородных смесей (п = 2700 мин1, Ые = 6,2 кВт)
работы автомобиля на чистом водороде. Результаты испытаний подтвердили экологические преимущества водорода. Даже при смешанном питании двигателя водородом и бензином выбросы оксида углерода снижаются в 10 раз, не-сгоревших углеводородов — в 2-3 раза, оксидов азота — в 2 раза. Топливная экономичность при работе автомобиля на бензоводородном топливе в среднем на 17 % выше по сравнению с работой на бензине. На рис. 2 показан вариант разработанного в процессе исследований двухтопливного карбюратора. На рис. 3 приведены регулировочные токсические характеристики опытного образца двигателя при питании его водородом и бензовоздушными смесями.
Работающий на водороде двигатель с искровым зажиганием имеет возможность качественного регулирования топливовоздушной смеси в очень широких пределах (вплоть до значений коэффициента избытка воздуха 3 и более), что, с одной стороны, открывает перспективы существенного улучшения экономичности двигателя, а с другой — позволяет резко снизить выбросы оксидов азота с отработавшими газами (см. рис. 3).
При работе на водороде такое обеднение смеси не вызывает сколько-нибудь серьезных проблем устойчивой работы двигателя вследствие увеличения цикловой нестабильности рабочего процесса, в то время как доля рабочих режимов с час-
тичной нагрузкой двигателя в условиях городской эксплуатации автомобиля весьма велика. Поэтому интегральные выбросы оксидов азота при работе транспортного средства на водородном топливе в городском цикле в 4-5 раз меньше, чем у двигателя, работающего на углеводородном топливе (см. рис. 2). Отработавшие газы практически не содержат оксида углерода и углеводородов. Таким образом, использование водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей по сравнению с углеводородным топливом имеет преимущества в плане экологической чистоты отработавших газов и значительного повышения экономичности двигателя.
Содержание оксидов азота при работе двигателя на водороде при нагрузках менее 65 % в области переобедненных составов топливовоз-душной смеси (коэффициент избытка воздуха 1,7-2,0 ед.) снижается на 80-90%, поэтому применение водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей позволяет отказаться от использования дорогостоящих систем нейтрализации отработавших газов. Значительно снижается и выброс диоксида углерода — основной причины возникновения парникового эффекта, что недостижимо при использовании других видов моторного топлива.
Водород по сравнению с углеводородными топливами имеет преимущества и в плане значительного повышения экономичности двигателя. При работе по внешней скоростной характеристике прирост эффективного КПД составляет 10-13 %, а при работе на режимах с частичной нагрузкой достигает 30 %.
Однако ряд физико-химических свойств водорода, определяющих его моторные качества, ставит серьезные проблемы, без решения которых невозможно осуществить перевод традиционного двигателя на питание водородом. Это уменьшение эффективной мощности при подаче газообразного водорода вследствие крайне низкой плотности, в результате чего его объемные энергетические характеристики значительно ниже, чем у традиционных топлив; возникновение явления обратных вспышек на режимах нагрузок, близких к максимальным; взрывоопас-ность в случае утечек; охрупчивание металла вследствие диффузии водорода в его поверхность.
Серьезной проблемой является отсутствие экономически оправданных безопасных средств хранения водорода на борту автомобиля для обеспечения его приемлемой энерговооруженности. На сегодняшний день в ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» разработаны и испытаны три способа хранения водорода: в виде сжатого газа в баллонах высокого давления, в сжиженном состоянии в криогенных резервуарах и в связанном состоянии в металлогидридных аккумуляторах. Даже наилучший из них — криогенный — уступает в несколько раз по энергоплотности нефтяным топ-ливам, не говоря уже о том, что в техническом
отношении он неизмеримо сложнее систем хранения и транспортировки жидких нефтяных топ-лив. Поэтому применение водорода в автомобиле сразу упирается в проблему энерговооруженности (или, проще говоря, запаса хода) автомобиля. Существующие системы хранения водорода неприемлемы для автотранспорта либо из-за малой емкости, либо из-за технической сложности и недостаточной безопасности в эксплуатации и аварийных ситуациях.
Перевод автомобильных двигателей на питание водородом связан с созданием развитой инфраструктуры: производство водорода в промышленных масштабах—транспортировка к местам заправки— создание сети заправочных станций. Такая инфраструктура, по мнению западных экспертов, будет создана только через 20-30 лет.
Рассмотренные технические проблемы, связанные с созданием мобильного, экономически оправданного в производстве, безопасного и надежного в эксплуатации водородного двигателя, обусловлены большими затратами, а без их решения невозможно внедрение водорода в качестве топлива для автотранспорта.
Перечисленные проблемы привели ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» к развитию работ по созданию двигателей на смесях водорода с оксидом или диоксидом углерода, получаемым непосредственно на борту автомобиля путем каталитического разложения метанола с утилизацией тепла, отводимого с охлаждающей жидкостью и отработавшими газами. Принципиальная схема такого двигателя приведена на рис. 4, а на рис. 5 — его первый опытный образец. Двигатель был установлен на автомобиле АЗЛК-2141 «Москвич» и испытан на беговых барабанах в городском цикле Правил 83.04В ЕЭК ООН и дорожных условиях. При холодном пуске и прогреве двигателя до достижения реактором рабочей температуры, а также на режимах полной мощности применялась дополнительная система питания двигателя метанолом. В качестве системы питания использовалась газобаллонная аппаратура для подачи синтез-газа и карбюраторная система для резервного питания жидким метанолом.
Каталитическая конверсия метанола позволяет за счет утилизации до 30 % необратимых тепловых потерь получить из него до 95 % водородной смеси с суммарной теплотворной способностью 23840 МДж/кг. При нагрузках выше 70-80 % номинала и в периоды разгона автомобиля, когда производительность каталитического реактора недостаточна вследствие эндотермического характера реакции разложения метанола и необходимости подвода в зону реакции большего тепла, чем может обеспечить отвод от отработавших газов, резервная система подает дополнительное количество чистого метанола.
Истощение топливных ресурсов нефтяного происхождения и возможность получения водо-
Рис. 4. Принципиальная схема первого варианта двигателя с питанием метанолом и синтез-газом: 1 — воздушный фильтр; 2 — электромагнитный клапан; 3 — воздушный клапан; 4 — электроподогреватель смеси; 5 — карбюратор; 6 — регулировочный клапан; 7 — электромагнитный клапан; 8 — топливный насос; 9 — вентиль метанольный; 10 — вентиль синтез-газа; 11 — редуктор; 12 — патрубок; 13 — регулятор давления топлива; 14 — топливный бак; 15 — электронасос; 16 — предохранительный клапан; 17 — ресивер; 18-19-27 — малый круг циркуляции охлаждающей жидкости; 19 — испаритель; 18-2021-28 — большой круг циркуляции охлаждающей жидкости; 21а — радиатор для охлаждения синтез-газа; 22 — расширительный бачок; 23 — теплообменник; 24 — вентилятор; 25 — насос системы охлаждения двигателя; 26 — клапан-термостат; 29 — глушитель; 30, 31 — заслонки системы впуска; 32 — редуктор; 33, 33а — каталитические нагревательные секции реактора; 34 — перегреватель метанола; 35 — трубопроводы системы выпуска; 36 — двигатель
рода из метанола, богатым источником для получения которого является переработка угля низкого качества, невостребованного промышленностью для других целей, делают метанол достаточно перспективным топливом для автомобильного транспорта. Это позволяет спрогнозировать расширение работ по созданию нового поколения двигателей, приспособленных для работы на водородных смесях как продуктах каталитического разложения метанола.
Однако в процессе испытаний двигателя на моторном стенде и в составе автомобиля был выявлен ряд принципиальных недостатков: низкая производительность реактора конверсии метанола, возможность появления обратных вспышек на больших нагрузках работы
двигателя, плохие пусковые качества при холодном пуске двигателя и нерешенность вопросов пожароопасности для газовой аппаратуры питания.
Для преодоления некоторых из выявленных недостатков были разработаны два варианта схем, предусматривающих непосредственный впрыск топлива и синтез-газа в цилиндры двигателя. Первый вариант разработан совместно с профессором Харьковского политехнического университета В. А. Дьяченко и реализован на опытном образце двигателя МеМЗ-245 с непосредственным впрыском метанола и синтез-газа в цилиндры (рис. 6). При этом использовалась аппаратура впрыска топлива при высоких давлениях, разработанная НПО ФЭД.
Рис. 5. Опытный образец водородного двигателя на базе серийного ВАЗ-2106 (4 ■ 7,9/8,0), в котором реализован принцип разложения метанола
При разработке схем двигателей были поставлены задачи обеспечения:
■ высокой устойчивости к разрушениям материала деталей, поверхности которых контактируют со смесью метанола и воды, продуктами конверсии метанола, парами воды при высоких давлениях (до 3 МПа) и температурах (до 500 °С);
■ высокой надежности работы клапанов, дросселя регулирования и распределителя подачи водородного синтез-газа по цилиндрам двигателя;
■ минимально возможной тепловой инерционности испарителя метанола, перегревателя паров метанола и каталитического реактора конверсии метанола;
■ минимально возможного объема накопителя-аккумулятора водородного синтез-газа при условии обеспечения требуемых экологических характеристик двигателя как при испытаниях по ездовым циклам, так и для конкретных условий эксплуатации;
■ минимально возможных габаритов узлов и агрегатов системы, обеспечивающих их установку в моторном отсеке автомобиля.
В качестве прототипа подкачивающего насоса высокого давления принята нагнетательная секция топливного насоса высокого давления, а прототипом распределителя подачи синтез-газа к цилиндрам стал распределитель подачи сжатого воздуха в цилиндры систем воздушного запуска дизелей. Большие трудности представляет разработка эффективного и надежного реактора конверсии метанола, подбора низкотемпературных катализаторов. Разработка остальных элементов системы подачи водородного синтез-газа (перепускных клапанов, испарителя, перегревателя, дросселя) не представляла принципиальных затруднений.
На этом этапе использовались более простые и надежные системы управления подачей
Рис. 6. Принципиальная схема системы питания экспериментального двигателя МеМЗ-245 метанолом и синтез-газом
жидкого метанола и водородного синтез-газа на базе пневматического регулятора состава смеси по разрежению за воздушной заслонкой, разработанной НПО ФЭД. Регулятор состава смеси использовался в системах управления двигателей с механической системой распределенного впрыскивания бензина к впускным клапанам. Система непосредственного впрыска такого синтез-газа в цилиндры двигателя позволяет обеспечить качественное регулирование топливовоздушной смеси при работе двигателя на режимах частичных нагрузок и более высокую безопасность.
Для устойчивого пуска двигателя была опробована система пленочного испарения метанола, разработанная профессором Ю. Б. Свиридовым.
Однако на этом этапе не были окончательно проработаны вопросы автоматического электронного регулирования подачи метанола и синтез-газа в зависимости от режима работы двигателя и устранения обратных вспышек заряда смеси. Конструкция реактора конверсии не обеспечивала необходимой производительности на режимах разгона и больших скоростях движения автомобиля, поэтому в ФГУП «НАМИ» на базе двигателя ЗМЗ-406 разрабатывается новая схема системы питания метанолом и синтез-газом (рис. 7).
Система питания предусматривает электронную систему управления подачей в двигатель метанола и водородного синтез-газа, обеспечивающую высокую приемистость двигателя, точность начала и размеренность цикловой подачи метанола и водородного синтез-газа в зависи-
мости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки. Для этого разрабатываются газовые и электромагнитные форсунки высокого давления (2-10 МПа).
Компьютерная система управления будет снабжена оптимальными для конкретных условий эксплуатации программами управления цикловыми подачами метанола и водородного синтез-газа и их перераспределением в зависимости от нагрузки и скоростного режима двигателя. За основу приняты элементы электронных систем управления рабочими процессами бензиновых двигателей с впрыскиванием топлива.
Система питания предусматривает регулирование на выходе из реактора содержания оксида и диоксида углерода в составе синтез-газа, что исключает явления взрывного горения водорода и вибраций двигателя, уменьшает водородную хрупкость металлов. Для этого при входе в реактор в метанол добавляется вода, количество которой определяет содержание в синтез-газе диоксида азота, препятствующего появлению обратных вспышек рабочего заряда смеси. Смешение водородной смеси с воздухом непосредственно в замкнутом пространстве цилиндров двигателя снижает пожароопасность двигателя.
Основным элементом этой системы является реактор конверсии метанола в синтез-газ. В ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» разработано несколько вариантов реакторов конверсии метанола (например, рис. 8).
Наиболее эффективные современные катализаторы конверсии метанола обеспечивают условия полной или совершенной конверсии
Рис. 7. Принципиальная схема водородного двигателя третьего поколения
(фк ~ 100 %) при рабочих температурах не ниже 280-300 °С, что определяет минимально возможную температуру отработавших газов двигателя, ниже которой реализация конверсионного процесса невозможна.
Для обеспечения эффективной работы кон-¡5 версионной системы на режимах ДВС, характе-* ризующихся энергетическим и температурным | дефицитом теплоносителя (ОГ), необходимо пред-
и
- усмотреть подвод тепловой энергии от дополни-
и с
и а
ь
и
с а
с с:
6
раты на оборудование автомобиля системой для получения и подачи синтез-газа в двигатель.
Отдельным и наиболее перспективным направлением работ по внедрению водородного топлива для питания энергоустановок АТС, ведущихся в ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», является разработка системы получения этого топлива путем термохимического преобразования метанола на борту с целью питания топливных элементов типа водород - воздух. Принципиальная
тельного источника. На рис. 9 представлены разработанные в ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» способы восполнения дефицита теплоты (энергии) штатного теплоносителя (ОГ).
Широкие возможности по улучшению экономических и экологических показателей ДВС при работе на водородосодержащем топливе, получаемом из метанола на борту автомобиля, без сомнения, компенсируют дополнительные зат-
схема такой системы, разработанной совместно с РКК «Энергия», представлена на рис. 10. Реализация данной системы на автомобиле позволит обеспечить выполнение транспортным средством перспективных экологических требований. Однако высокая стоимость электрохимического генератора (до $3000 США за 1 кВт энергии) отодвигает массовое производство таких автомобилей на неопределенный срок.
■ Дополнительный разогрев ОГ за счет дожигания содержащихся в них энергоемких продуктов неполного сгорания (СО, СН) с применением окислительной каталитической среды
Дополнительный подогрев каталитического реактора конверсии метанола
■ Сжигание дозированной порции продуктов конверсии метанола в межтрубном пространстве теплообменного устройства реактора с использованием соответствующего катализатора их глубокого окисления
■ Подогревание реакционного пространства с помощью электронагревательного устройства
Рис. 9. Способы восполнения дефицита теплоты (энергии) штатного теплоносителя (ОГ)
Рис. 10. Принципиальная схема системы получения водорода путем термохимической диссоциации метанола на борту АТС для питания им топливных элементов типа водород - воздух
Ужесточение экологических требований и нарастание энергетического кризиса вынудят производителей автомобилей в ближайшее время перейти на использование в качестве источника энергии для их продукции альтернативных топ-лив, наиболее перспективным из которых является водород.
Описанное в статье состояние проблемы применения этого топлива и намеченные пути решения возникающих трудностей вкупе с непрекращающейся работой специалистов отрасли, в том числе и ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», надеемся, помогут, приблизить наступление такого момента.