CC BY
30Перспективы отдельных видов альтернативных энергоресурсов в сфере освоения водородной энергетики на отечественном транспорте
В.М. Фомин, профессор МГМУ (МАМИ), д.т.н.
Анализируется накопленный научно-технический потенциал в отечественной исследовательской практике, основанный на успехах конкретных технических решений по применению отдельных видов водородных энергоресурсов в сфере транспортной энергетики. По результатам анализа делается вывод, что несмотря на существующие финансовые и технологические трудности отрасли есть потенциальная возможность реального вхождения в ближайшие годы подобных энергоресурсов в энерготехнологическую структуру российского транспорта.
__Ключевые слова:
водородные энергоресурсы, бортовое производство водорода, водородная энергетика, энергопотребление, экологическая и энергетическая безопасность.
величение доли водородной энергетики в общем балансе способно существенно повлиять на структуру потребления энергетических источников на органической основе, а также на результирующие показатели по повышению энергетической и экологической безопасности на транспорте. Однако применение водорода в качестве энергоносителя для автотранспортных средств (АТС) в настоящее время связано с решением ряда сложных проблем. Существенной национальной проблемой применения водорода является отсутствие инфраструктуры его производства и распределения в необходимых
количествах для массового использования на транспорте. Известные системы транспортирования и бортового хранения водорода неприемлемы для АТС вследствие малой энергоемкости или технической сложности и недостаточной эксплуатационной безопасности.
Одним из радикальных решений этих проблем является реализация бортового аккумулирования (хранение) водорода в химически связанном состоянии, что существенно минимизирует затраты в распределении водорода (АЗС) и решает проблему эксплуатационной безопасности. В свою очередь производство этого газа непосредственно на борту АТС обусловливает необходимость
Транспорт на водороде
I Х\\\\\\\\\\\\\\\\\\\
разработки эффективных методов, процессов и технических средств для его синтеза.
Основными характеристиками исходного сырьевого продукта, определяющими его пригодность для производства водорода на борту АТС, являются:
• содержание водорода в продукте;
• сложность и стоимость переработки продукта;
• наличие сырьевой базы, в том числе и возобновляемого сырья;
• стоимость продукта.
Среди перспективных носителей водорода в мировой исследовательской практике важное место отводится биомассе - неисчерпаемому, ежегодно возобновляемому растительному продукту. Следует отметить также, что использование биомассы обеспечивает уменьшение парникового эффекта в атмосфере, так как выбросы диоксида углерода СО2 с продуктами сгорания практически полностью компенсируются процессами фотосинтеза при выращивании биологического сырьевого продукта.
Экономически наиболее оправданно осуществлять перевод потребляющих нефтяное топливо энергетических установок на альтернативное топливо местного производства. Целесообразность этого обусловлена, прежде всего, тем, что практически все регионы России имеют в своем распоряжении разнообразные местные ресурсы биологического топлива, что позволяет отдаленным от традиционных мест добычи и переработки нефти регионам создать устойчивую топливно-энергетическую базу, практически не зависящую от привозного углеводородного топлива.
Приемлемость различных носителей водорода и способов их термохимического преобразования (конверсия) в во-дородосодержащий газ оценивается с учетом эффективности и возможности адаптации к условиям энергоустановки АТС по следующим параметрам:
• рабочая температура конверсионного процесса;
• содержание водорода в продуктах конверсии - синтез-газе;
• содержание в них диоксида углерода;
• суммарное содержание в продуктах конверсии инертных и горючих компонентов;
• энергетические затраты на нагрев реагентов и их термохимическое преобразование.
Наиболее важными из перечисленных параметров являются суммарные энергетические затраты на выработку водорода и его содержание в продуктах конверсии. Значимость последнего параметра обусловлена главным образом высокой эффективностью реакционного воздействия водорода на повышение кинетических и экологических показателей рабочего цикла двигателя.
Энергетические требования к условиям проведения реакций конверсии существенно упрощаются в случае использования в качестве сырьевого продукта легких углеводородов, имеющих наиболее простую структуру молекул. К таким углеводородным соединениям в первую очередь следует отнести низшие спирты (метанол, этанол), которые могут быть подвержены термокаталитическому преобразованию (каталитическая конверсия) в водородосодержащий газ при относительно невысокой температуре, что обусловливает возможность использования в качестве греющего теплоносителя тепловой энергии выпускных газов двигателя.
В современной исследовательской практике использование в качестве носителя водорода биометанола, вырабатываемого из биомассы, считается наиболее целесообразным. Массовый показатель среды аккумулирования водорода в виде жидкого метанола весьма высок - в 8,5 кг метанола содержится 1 кг водорода. Из всех известных потенциальных носителей водорода метанол имеет наиболее массовое крупнотоннажное
производство и уже относительно давно используется как заменитель нефтяных топлив, а технологические приемы его конверсии на борту АТС детально отработаны, в том числе и в отечественной исследовательской практике [1, 2]. В составе метанола практически не присутствуют серосодержащие соединения, что позволяет использовать высокоэффективные катализаторы, способствующие существенному снижению уровня рабочей температуры конверсии. Благодаря этому возможна утилизация низкопотенциальной энергии выпускных газов двигателя, что отражается на повышении эффективности его работы [1].
Прогнозируемый высокий эколого-экономический эффект, получаемый при использовании синтезированных водородосодержащих газов (синтез-газы) в транспортной энергетике, послужил стимулом для проведения за последнее десятилетие поисковых исследований в Университете машиностроения (МАМИ). В рамках поиска изучались различные варианты возможного применения этих газов. Во всех исследованиях, рассмотренных ниже, были использованы водородосодер-жащие продукты конверсии метанола (ПКМ), генерируемые в бортовом термокаталитическом реакторе с использованием тепловой энергии, отводимой с ОГ двигателя. Примерный компонентный состав ПКМ: 65 % Н2 и 35 % СО [1, 2].
Водородосодержащие продукты конверсии метанола в двигателях с искровым зажиганием в качестве основного топлива
Для предварительной оценки целесообразности применения ПКМ в качестве топлива для АТС проведено исследование топливно-экономических показателей двигателя автомобиля ВАЗ-2112, работающего на этом виде топлива с организацией рабочего про-
цесса аналогичного традиционному газовому двигателю. Опытная апробация [2] проводилась на моторном стенде путем снятия стандартных характеристик ДВС в соответствии с ГОСТ 14846-81 - холостого хода, нагрузочной (при п=3000 мин1) и внешней скоростной характеристик. Были использованы два вида топлива: бензин и газообразные ПКМ, имеющие различные показатели по теплоте сгорания и агрегатному состоянию. Поэтому сравнение показателей эффективности работы двигателя и его топливной экономичности проводилось традиционно для подобного случая с использованием обобщенного энергетического показателя, то есть по уровню расхода тепловой энергии (в кДж), вводимой в ДВС с топливом, или по расчетному значению КПД.
В ходе опытной апробации установлено, что при работе двигателя на режиме холостого хода наблюдается существенное снижение расхода топлива (по энергетическому эквиваленту) в сравнении с бензиновым аналогом. При этом было отмечено, что уровень топливной экономичности двигателя на режиме холостого хода зависит от частоты вращения вала двигателя. При низких значениях частоты вращения (от 1000 до 2500 мин-1) снижение расхода топлива оказалось не столь существенным вследствие недостаточной температуры отработавших газов (ОГ) для эффективного протекания процесса конверсии метанола в реакторе. Наиболее ощутимое повышение этого показателя (на 15,5 %) наблюдалось в диапазоне частоты вращения коленчатого вала от 2800 до 3300 мин-1 при температуре выпускных газов на входе в реактор 350...450 °С. Это объясняется тем, что в рассматриваемом диапазоне скоростного режима ДВС располагаемая энергия теплоносителя (ОГ) полностью компенсировала затраты тепловой энергии на организацию эндотермического процесса конверсии в реакторе [1].
При работе двигателя на режимах
Транспорт на водороде
I Х\\\\\\\\\\\\\\\\\\\
нагрузочной характеристики (и=3000 мин1) отмечалось повышение его эффективного КПД по сравнению с работой на бензине в среднем на 24,4 %. Для режимов, соответствующих внешней скоростной характеристике двигателя, повышение КПД составило в среднем 21,6 %.
Следует отметить, что повышение эффективного КПД исследуемого двигателя при его работе на водородосо-держащих ПКМ обусловлено совокупным влиянием двух факторов: эффектом термохимической регенерации (утилизация) теплоты ОГ [1] и улучшением кинетических показателей сгорания за счет реакционного влияния на этот процесс водорода [2].
Для выделения доли участия в повышении эффективности цикла каждого из названных факторов было проведено дополнительное испытание двигателя. При этом для питания двигателя из автономных баллонов в цилиндры подавался синтез-газ, компонентный состав которого соответствовал составу ПКМ. Так как в этом случае термохимический реактор не использовался, то эффект регенерации тепловой энергии ОГ отсутствовал.
По итогам сравнительного анализа результатов испытаний ДВС, работающего с реактором и без него, был выявлен уровень энергосберегающего эффекта, обусловленного утилизацией теплоты ОГ.
На режимах холостого хода повышение топливной экономичности за счет эффекта термохимической регенерации ОГ составило в среднем 4,3 %, а максимально - 5,3 % при частоте вращения коленчатого вала 3300 мин-1. Повышение эффективности работы двигателя за счет термохимической регенерацией теплоты ОГ при работе по нагрузочной характеристике с п=3000 мин1 составило по среднеинтегральному показателю 4,7 %. Понятно, что дополнительное повышение эффективности рабочего цикла ДВС до указанных выше значений
было обусловлено улучшением кинетических характеристик сгорания за счет участия в нем водорода в качестве активирующего средства.
При последующем увеличении нагрузки доля эффекта регенерации снижается с 5,3 до 4,1 %, что связано с чрезмерно высоким температурно-энергетическим потенциалом ОГ, который становится выше того уровня, который необходим для компенсации эндотермического процесса конверсии метанола, поступающего в систему питания двигателя. Это избыточное количество тепловой энергии теплоносителя (ОГ), превышающее энергетические потребности конверсионного процесса, уже не может быть регенерировано в рабочий цикл двигателя [1]. По этой причине для режимов работы двигателя по внешней скоростной характеристике повышение энергосберегающего эффекта не превысило по среднему показателю 4,2 %.
Сравнительная оценка экологических качеств ДВС проводилась путем снятия токсических характеристик двигателя, работающего на двух видах топлива: бензине и ПКМ. Регистрация концентраций СО, СН, в ОГ осуществлялась при отсутствии в системе выпуска штатного каталитического нейтрализатора.
При работе двигателя на ПКМ наблюдалось снижение вредных выбросов во всем поле нагрузочной характеристики двигателя. Наиболее ощутимо оно было на низких и средних нагрузках, характерных для условий эксплуатации автомобиля в городе.
Результаты стендовых испытаний нашли свое подтверждение в последующей серии «ездовых» исследований автомобиля ВАЗ-2112, оснащенного штатной и опытной системами питания, на стенде с беговыми барабанами.
На предварительном этапе испытаний определяли топливную экономичность автомобиля в соответствии с ГОСТ 20306-85. Установлено, что для
автомобиля с двигателем, работающим на ПКМ, путевой расход топлива (по энергетическому эквиваленту) оказался меньше на 15,1 %, чем для автомобиля с бензиновым двигателем. В то же время у ДВС с питанием синтез-газом (компонентный состав аналогичен ПКМ) топливная экономичность возросла всего лишь на 4,8 %, что связано в данном случае с отсутствием эффекта термохимической регенерации теплоты ОГ и обусловлено улучшением кинетических характеристик сгорания используемого водородосодержашего топлива.
На последующем этапе проведено исследование экологических качеств этого автомобиля по процедуре Правил 83 ЕЭК ООН. Результатами сравнительных испытаний установлено, что питание двигателя автомобиля от бортовой системы синтеза водородосодержащим топливом позволяет снизить выбросы СО на 88 %, СН - на 71 %, N0, -на 60 % по сравнению с серийно оборудованным автомобилем, работающим на бензине.
Особо следует отметить тот факт, что согласно результатам проведенных ранее исследований [3] двигателя, работающего на водороде, содержание N0^ в ОГ оказывалось всегда значительно выше по сравнению с выбросами при работе на бензине. Чрезмерный рост выбросов оксидов азота и тепловой напряженности деталей камеры сгорания (КС) водородного двигателя при его работе на стехиометрическом составе смеси (а=1) вынуждает прибегнуть к повышению коэффициента избытка воздуха до а=2, что связано с потерей мощности ДВС примерно в два раза [3]. Подобное решение, очевидно, неприемлемо для практики.
Заметим, что при переводе ДВС на питание синтезированными продуктами конверсии метанола, в которых водород находится в составе газовой смеси, одновременно снимаются все перечисленные проблемы.
Применение синтезированного водородосодержащего газа для повышения стартовой эффективности двигателя и системы нейтрализации
Переход отечественного законодательства на новые экологические стандарты обусловливает существенное повышение требований, связанных с процедурой проведения сертификационных испытаний в условиях низких температур. Это предопределяет необходимость разработки эффективных средств и методов, обеспечивающих необходимую степень очистки ОГ, особенно от СО и СН за период первой холодной фазы испытательного цикла. Выбросы названных компонентов в этой фазе существенно возрастают при холодном пуске автомобильного двигателя и в ряде случаев могут достигать 60.80 % суммарного количества за весь цикл испытания. Основными причинами повышенного выброса СО и СН в этих условиях являются неэффективная работа непрогретого нейтрализатора и повышенная концентрация этих компонентов в ОГ из-за низкого качества процесса образования смеси и пониженной полноты ее сгорания в условиях холодного ДВС.
По результатам предварительного теоретического исследования предложен вариант решения обсуждаемой проблемы [4] на основе метода комплексного использования содержащегося в ПКМ водорода. Общеизвестно, что водород обладает необычайно высоким воздействием на кинетику сгорания любых видов топлива. Например, известна способность углеводородного топлива в присутствии водорода к окислению (сгорание) при существенном обеднении топливно-воздушной смеси. Кроме того, водород имеет уникальную способность экзотермически окисляться на поверхности платинового
Транспорт на водороде
I Х\\\\\\\\\\\\\\\\\\\
катализатора даже при комнатной температуре благодаря тому, что энергия, необходимая для начала реакции окисления водорода, примерно в 10 раз ниже той, которая необходима для углеводородов. Водород, обладает высокой скоростью диффузии, из-за которой он за очень короткий промежуток времени образует с другими компонентами горючую смесь как в цилиндре ДВС, так и при его введении в газовую среду проточного тракта системы нейтрализации. При горении водорода толщина зоны гашения (пристеночный слой, в котором не идут окислительные процессы) примерно в 5 раз меньше, чем у углеводородных топлив. Это свойство водорода предопределяет его высокую эффективность воздействия как химического реагента в порах еще не-прогретого каталитического блока.
Перечисленные свойства водорода и легли в основу разработки предлагаемого метода [4], реализация которого включает в себя две взаимосвязанные стадии.
Первая стадия связана с использованием водородосодержащих газов в качестве реакционной добавки к базовому топливу для организации устойчивого рабочего процесса двигателя после его холодного пуска на обедненных смесях. При использовании этой добавки и обеднении рабочей смеси эмиссия токсических веществ непрогретого двигателя существенно уменьшается. Кроме того, в условиях режима горения бедной топливно-воздушной смеси (коэффициент избытка воздуха а>1) на выпуске двигателя обеспечивается концентрация в ОГ избыточного (остаточный) кислорода, что принципиально важно для реализации второй стадии.
Вторая стадия предусматривает использование водорода в качестве химического реагента для ускорения прогрева нейтрализатора. Продукты конверсии, содержащие свободный водород, вводятся в газовую среду проточного тракта нейтрализатора. Смесь
водорода и остаточного кислорода, экзотермически окисляясь (без проявления видимого пламени) на поверхности катализатора, выделяет большое количество теплоты (низшая теплота сгорания Н2 равна 120000 кДж/кг), которая охватывает практически весь объем сотовой структуры каталитического блока, способствуя его равномерному ускоренному прогреванию.
Кроме того, взаимодействие водорода с кислородом позволяет извлечь (химически связать) свободный кислород из компонентного состава ОГ, что создает необходимые условия для эффективной реализации восстановительных реакций на бифункциональном катализаторе для нейтрализации оксидов азота. Оставшийся в ОГ водород как химически активный реагент способствует ускоренному выходу катализатора на режим эффективного функционирования даже при относительно низких температурах в течение периода его прогревания.
Опытная апробация предложенного метода проводилась на моторном стенде, а также на стенде с беговыми барабанами. В качестве объекта исследования на моторном стенде был использован двигатель автомобиля ВАЗ-2112. В структуре электронного управления топливоподачей двигателя исходные программы были откорректированы с учетом его работы на бензине и с использованием ПКМ. Для холодного пуска ДВС программа функционировала согласно алгоритму штатного режима питания топливными форсунками, обеспечивающими подачу бензина в течение периода пуска двигателя и его работы до момента прогрева реактора. С этого момента в двигатель одновременно с бензином вводились водородосодер-жащие ПКМ, а в системе питания бензином производилась автоматическая корректировка на обедненный состав смеси. Расход ПКМ, поступающих в двигатель, контролировался запорным клапаном и регулировался форсункой
с электромагнитным управлением. Необходимое количество ПКМ, поступающих в нейтрализатор, отслеживалось электромагнитным клапаном. Параметры работы реактора по расходным характеристикам были функционально согласованы с энергетическими параметрами теплоносителя (ОГ двигателя) [1, 4].
Спустя 8 с после выхода ДВС на режим холостого хода и прогрева реактора во впускной тракт двигателя через электромагнитную форсунку вводились ПКМ, а топливно-воздушная смесь обеднялась, и ее состав поддерживался на уровне а=1,25.
В начальный период после пуска двигателя прослеживалось характерное для всех ДВС, работающих на бензине, интенсивное возрастание содержания в ОГ несгоревших СН и СО. С момента поступления в цилиндры во-дородосодержащей добавки происходило столь же быстрое снижение концентрации этих продуктов. Регистрировалось снижение массовых выбросов с ОГ СН и СО до 75 и 55 % соответственно.
На последующем этапе исследования проведена оценка реакционного влияния водородного активатора на динамику разогревания каталитического блока нейтрализатора. Установлено, что время нагревания блока до выхода его на эффективный режим работы снижается в 5,6 раза.
Заключительный этап опытной апробации эффективности метода проведен на автомобиле ВАЗ-2112 с тем же двигателем на стенде с беговыми барабанами по методике испытательного цикла NEDC (New European Driving Cycle) правил 83 ЕЭК ООН. Автомобиль с серийной системой нейтрализации (Евро-3) оснащался бортовой системой синтеза водородосодер-жащего газа. Этот газ подавался одновременно в ДВС и нейтрализатор в течение 20 с на начальной стадии испытаний. Последующая работа уже прогретого двигателя в условиях эффективно
функционирующего нейтрализатора осуществлялась в штатном режиме на бензине с отключенной системой синтеза. Установлено, что за период первой холодной фазы (195 с) испытательного цикла выбросы автомобилем СН снижаются на 45 %, СО - на 40 % по сравнению с его серийным аналогом. При этом только 0,2 МДж химической энергии водорода использовалось при испытании. За весь испытательный цикл NEDC выбросы СН и СО составили 0,08 и 0,85 г/км соответственно, а выбросы NОx - 0,076 г/км. По сравнению с серийным аналогом выбросы этих компонентов снижены на 33, 36 и 12 % соответственно. Полученные показатели соответствуют (даже с некоторым запасом) нормативным требования Правил 83-05 ЕЭК ООН.
По результатам опытной апробации можно заключить, что реализация предложенного метода обусловливает ряд преимуществ при переходе российского транспортного комплекса на перспективные экологические нормы. В этом случае могут быть использованы существующие системы нейтрализации, что исключает необходимость капиталовложений в создание дорогих систем нового поколения. Благодаря высокой эффективности предложенного метода при его внедрении создаются предпосылки для экономии драгметаллов платиновой группы и снижения себестоимости нейтрализаторов.
Применение
водородосодержащих газов в бензиновых двигателях с внутренним смесеобразованием
Высокий уровень топливно-экономических показателей автомобильных двигателей с непосредственным впрыскиванием бензина (НВБ) стимулирует повсеместное стремление исследователей к их развитию
Транспорт на водороде
I Х\\\\\\\\\\\\\\\\\\\
и дальнейшему совершенствованию. В целях ликвидации сложившегося отставания в данной области отечественного двигателестроения и повышения конкурентоспособности многие российские научные центры и производители, несмотря на скудное финансирование, проводят работы по перспективной разработке ДВС с НВБ. Наряду с финансовыми проблемами производство и внедрение ДВС с НВБ в сферу отечественного транспорта связаны также с решением целого ряда серьезных технических и технологических задач.
Общеизвестно, что на режимах частичных нагрузок, характерных для условий городской езды, автомобильный двигатель с НВБ переводится на работу с послойной организацией смесеобразования, что обусловливает возможность его устойчивой работы на существенно обедненных горючих смесях (а>>1). При этом достигается значительное повышение топливной экономичности (одна из отличительных особенностей этого типа ДВС). Но глубокое обеднение смеси сопровождается выбросом в атмосферу оксидов азота вследствие потери восстановительной способности (очистки ОГ от N0,) традиционного бифункционального нейтрализатора. Для снижения выбросов N0, до уровня нормативных требований зарубежные производители ДВС с НВБ вынуждены использовать дополнительную систему вторичной очистки накопительного типа, содержащую сорбционный аппарат (нейтрализатор N0,) и сложную схему для управления его работой. Этот нейтрализатор требует часто повторяющейся (примерно через каждые 60.70 с) регенерации, то есть удаления накопленных в нем соединений N0, и серы при рабочей температуре свыше 650 °С. Для условий России проблема усугубляется низким качеством отечественного бензина, в частности, повышенным содержанием в нем серы, что проявляется в снижении
эффективности нейтрализатора N0,, активной сульфатизации каталитического блока, что в свою очередь требует его дезактивации.
Проведение постоянно чередующегося высокотемпературного процесса регенерации нейтрализатора сорбци-онного типа обусловливает необходимость резкого повышения температуры ОГ за счет кратковременного перевода двигателя на энергетически убыточный режим работы (угол зажигания ~10° после ВМТ, а<1), что негативно отражается на ресурсных характеристиках двигателя, а также на процессе «старения» (потеря эффективности) каталитического блока.
Нейтрализаторы накопительного типа значительно дороже традиционных трехкомпонентных и требуют более частой замены. При отсутствии необходимых материалов и собственного производства нейтрализаторов с учетом их высокой стоимости и низкой надежности применение подобных систем на отечественном автомобильном транспорте представляется малоперспективным.
Рассмотренные проблемные вопросы, связанные с разработкой перспективных отечественных двигателей с НВБ, стимулируют необходимость поиска средств и новых технических решений, приемлемых для современных российских технологий. В рамках поисковых исследований разработан метод [2, 5], основанный на использование ПКМ, вводимых в горючую смесь в качестве химического реагента в период работы ДВС на послойном смесеобразовании. Участие ПКМ в процессе горения углеводородного топлива (бензин) способствует замедлению (ингибирова-ние) скоростей реакций окисления азота [2], минимизирует выход N0, с ОГ, что позволяет отказаться от дорогого и ненадежного сорбционного нейтрализатора N0, при сохранении исходных экологических качеств ДВС с НВБ. Апробация способа по методике
New European Driving Cycle Правил 83-05 ЕЭК ООН применительно к автомобилю, оснащенному экспериментальным двигателем с НВБ, показала, что этот автомобиль удовлетворяет нормативным требованиям Правил при отсутствии нейтрализатора NOx [5].
Реализация успешного поиска экономически оправданных и эффективных решений (в том числе как альтернативы) на основе предложенного метода позволит при минимальных финансовых затратах более оперативно решать актуальную проблему отечественного двигателестроения - создание российского автомобильного бензинового двигателя нового поколения с внутренним смесеобразованием.
Применение
водородосодержащих газов в транспортных дизелях
С целью совершенствования эколого-экономических характеристик АТС с дизельным приводом предложен метод [6], иллюстрирующий еще одну возможность реального применения синтезированных водородосодержащих газов в среде транспортного энергопотребления.
Согласно предложенному методу дизель работал совместно с бортовой системой синтеза водородосодержащего газа. Этот газ в качестве компонента смесево-го топлива поступал в рабочее пространство дизеля через впускной трубопровод вместе с воздушным зарядом, где он воспламенялся и сгорал при впрыскивании в цилиндр запальной порции дизельного топлива (аналог газодизельного цикла).
Опытная апробация данного способа организации рабочего процесса осуществлена применительно к условиям работы дизеля типа 4Ч 10,5/12. Было достигнуто следующее улучшение эколого-экономических показателей исследуемого дизеля: снижение дымности ОГ на 45 %, выбросов оксидов азота на 16 % при повышении эффективного КПД на 8,5 % [6].
Применение
водородосодержащего газа в дизелях, работающих на биодизельном бинарном топливе
Одним из решений проблем повышения экологической и топливно-энергетической безопасности в сфере эксплуатации мобильной дизельной техники является использование биологических добавок к базовому углеводородному топливу. Однако для окончательного решения проблемы в целом потребуется разработка дополнительных мер, в частности, для снижения эмиссии оксидов азота, что является типичной проблемой, связанной с применением в дизелях практически любого вида биологического топлива. Для ее решения разработан метод [7], который реализуется с использованием синтезированного водородосодержащего газа (ПКМ).
Метод базируется на двух основных положениях, которые в общем виде могут быть сформулированы следующим образом.
1. Добавка биологического компонента к базовому топливу является эффективным средством улучшения экологических качеств дизеля по целому ряду нормируемых токсических компонентов: СО, СН и дисперсные частицы. Достижение максимального улучшения этих качеств возможно при условии оптимального добавления биологического компонента к базовому топливу с учетом конкретного способа организации рабочего процесса дизеля.
2. Одной из сопутствующих проблемных задач, возникающих при использовании биологических добавок к дизельному топливу, является повышение эмиссии оксидов азота, а в ряде случаев и снижение эффективности рабочего цикла дизеля. Понятно, что без успешного решения этих задач целесообразность применения подобных добавок представляется проблематичной.
Транспорт на водороде
I Х\\\\\\\\\\\\\\\\\\\
С целью снижения эмиссии с О Г оксидов азота в состав рабочего тела дизеля дополнительно вводится строго дозированная порция водородосодержащих ПКМ в качестве химического реагента [2]. Благодаря его применению прогнозируется также повышение эффективности использования энергии смесевого биоуглеводородного топлива.
Таким образом, концепция предлагаемого метода отображает скоординированное и совокупное воздействие на процессы рабочего цикла дизеля одновременно двух факторов, один из которых привнесен оптимизированной биологической добавкой к базовому топливу, а другой - применением водородосо-держащего газа в качестве строго дозированной присадки к рабочему телу. В данном случае этот газ выполняет функции активирующего средства, которое повышает уровень экологических качеств дизеля, обеспечивая при этом возможность решения типичных проблем.
Для опытной апробации предложенного метода проведены испытания на моторном стенде с дизелем типа 4Ч 10,5/12. Программа испытаний строилась в русле стандартного регламента восьмирежим-ного испытательного цикла Правил ЕЭК ООН № 96 для дизелей транспортных средств категории «Т». В качестве биологического продукта использовался метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ).
Установлено, что среднеинтеграль-ные за испытательный цикл удельные выбросы нормируемых компонентов (СО, СН) и углеродных (сажевые) частиц в ОГ для исследуемого дизеля при его переводе на работу на смесевом топливе с оптимизированным компонентным составом (60 % дизельного топлива + 40 % МЭРМ) были снижены. Однако при этом выбросы оксидов азота, как и ожидалось, возрастали по отношению к исходному варианту (работа на дизельном топливе). Отмечалось также и снижение (хотя и незначительное) эффективного КПД двигателя.
При работе дизеля на том же смесе-вом топливе с присадкой водородосодер-жащего газа к рабочему телу среднеин-тегральные за цикл удельные массовые выбросы оксида углерода уменьшились на 11,2 %, углеводородов на 32,8 %, сажи на 48 %. При этом выбросы NОx оказались ниже уровня выбросов этого компонента ОГ не только для дизеля, работающего на смесевом биоуглеводородном топливе, но и для его исходного варианта (на 11,9 %). Среднеинтегральный за цикл удельный эффективный расход топлива увеличился на 1,3 % вследствие более низкой теплоты сгорания смесевого топлива по сравнению с углеводородным (дизельное) топливом. Однако эффективность использования энергии этого топлива возросла, о чем свидетельствует повышение результирующего за испытательный цикл эффективного КПД на 3,5 %.
С учетом данных опытной апробации можно заключить, что использование биоуглеводородных смесевых топлив способствует совершенствованию экологических качеств транспортных дизелей, а также энергообеспечению транспорта альтернативными видами топлива из возобновляемых сырьевых источников. Несмотря на указанные преимущества при использовании подобных смесевых топлив возникают сопутствующие проблемы, сдерживающие их широкое применение на транспорте. Предложенный метод обусловливает возможность решения этих задач и потенциальную перспективу реального внедрения этого вида топлива в сферу транспортного энергопотребления.
По приведенным в статье результатам исследований можно заключить, что накопленный опыт по изучению функциональных свойств и применению в качестве основного или частичного заменителя углеводородных топлив синтезируемых в бортовых системах водородосодержащих газов обусловливает возможность их перспективного использования в энергоустановках
транспортных средств. Увеличение их доли в сфере транспортного энергобаланса способно существенно повлиять на снижение потребления энергетических источников на органической основе и создать предпосылки для комплексного подхода к решению актуальных проблем современного автотранспорта по повышению экологической и энергетической безопасности.
Концепция создания для АТС энергетической установки в составе традиционного поршневого двигателя и системы синтеза водородного газа представляется на ближайший период достаточно перспективной для российских автотранспортных технологий. Ее практическая реализация не требует изменений базовой конструкции двигателя, серьезных технических и финансовых затрат. Важным стимулом дальнейшего развития подобной концепции является то, что она в своей основе способствует совокупному совершенствованию двигателей АТС по комплексу показателей. Организация бортового синтеза водорода, в частности, позволяет
утилизировать отходящую тепловую энергию и за счет этого повысить КПД, улучшить экологические качества ДВС, обеспечивая при этом частичную или полную замену традиционного нефтяного топлива альтернативным энергоносителем из возобновляемых, в том числе, биологических источников.
Несмотря на финансовые и технологические трудности отрасли накопленный научно-технический потенциал в отечественной исследовательской практике, основанный на успехах конкретных технических решений, в том числе и обсужденных в данной статье, убедительно свидетельствует о том, что существует потенциальная возможность обеспечения в ближайшие годы реального вхождения отдельных видов водородных энергоресурсов в энерготехнологическую структуру российского транспорта. Практическое внедрение в стране водородных технологий на транспорте позволит приблизить сроки более широкого освоения отечественной водородной энергетики.
Литература
1. Fomin V.M., Makunin A.V. Thermo chemical recovery of heat contained in exhaust gases of internal combustion engines (a general approach to the problem of recovery of heat contained in exhaust gases) // Theoretical foundations of chemical engineering. - 2009. - Vol.43. - No5. - P. 834-840.
2. Фомин В.М., Платунов А.С. Водород как химический реагент для совершенствования показателей работы автомобильного двигателя с НВБ // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 4 (22). - С. 30-37.
3. Галышев Ю.В. Анализ перспективы создания водородных двигателей // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE. - 2005. - № 2 (22). - С. 19-23.
4. Фомин В.М., Каменев В.Ф., Хрипач Н.А. Стратегия стартового прогрева автомобильной системы нейтрализации на основе использования водородного реагента // Труды НАМИ. - 2009. - Вып. № 242. - С. 105-132.
5. Фомин В.М., Платунов А.С. Метод совершенствования показателей работы бензинового двигателя с внутренним смесеобразованием // Известия МГТУ «МАМИ». -2011. - № 2 (12). - С. 84-95.
6. Фомин В.М., Каменев В.Ф., Хрипач Н.А. Теоретические и экспериментальные исследования работы двигателя на водородно-дизельных топливных композициях // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE. - 2005. - № 7. - С. 32-42.
7. Фомин В.М., Атраш Рами. Улучшение показателей работы дизеля на бинарном биоуглеводородном топливе // Транспорт на альтернативном топливе. - 2012. - № 5 (29). - С. 53-56.
