Повышение эффективности использования энергии альтернативного топлива Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

(В

'"Oow**? I

Повышение эффективности использования энергии альтернативного топлива

В.М. Фомин,

профессор РУДН, д.т.н., Д.В. Шевченко,

аспирант РУДН

Изложен новый подход к проблеме повышения эффективности использования энергии альтернативных топлив в двигателях транспортных средств на основе термохимической регенерации теплоты отработавших газов.

Ключевые слова: метанол, дизель, альтернативное топливо, термохимическая регенерация, отработавшие газы, термохимическая установка, теплосиловая установка.

Increase of energy efficiency of alternative fuels

V.M. Fomin, D.V. Shevchenko

A new approach to improve the energy efficiency of alternative fuels in the engines of vehicles on the basis of thermochemical heat recovery of exhaust gases is developed.

Keywords: methanol, diesel, alternative fuels, thermo-chemical regeneration, the exhaust gases, thermochemi-cal plant, thermal power plant.

Согласно данным исследования внешнего теплового баланса двигателя внутреннего сгорания (ДВС) существенная часть химической энергии топлива не реализуется в виде работы и отводится, в том числе, с отработавшими газами (ОГ) в окружающее пространство. В двигателях с искровым зажиганием доля необратимых потерь теплоты, уносимой из двигателя с ОГ, составляет 30...55 %, что соответствует 12...23 МДж на 1 кг израсходованного топлива. В дизелях та же составляющая энергетических потерь в тепловом балансе достигает 40 % [1].

Известно, что преобразование химической энергии любого вида топлива в работу в ДВС осуществляется в два этапа: на первом она преобразуется в теплоту, которая на втором этапе реализуется в работу. Именно при этих преобразованиях и происходят основные потери энергии топлива, снижающие показатели эффективности работы двигателя [1].

Для повышения эффективности использования химической энергии топлива необходимо снизить ее потери

на обоих этапах преобразования. До настоящего времени в двигателестроении, как и в целом в энергомашиностроении, успешно применялся основанный на классических положениях термодинамики весьма эффективный способ уменьшения потерь работоспособности топлива на втором этапе преобразования энергии. Эффективность этого преобразования, которая оценивается термическим КПД цикла, зависит от соотношения средних температур подвода Т1 (верхняя температура) и отвода Т2 (нижняя температура) теплоты в цикле:

ТЬ=1-Г2/Г1, (1)

то есть, чем выше средняя температура подвода теплоты при рассматриваемом уровне средней температуры отвода теплоты, тем выше термический КПД цикла.

В современных двигателях температурный уровень рабочего тела таков, что его дальнейшее повышение обусловливает серьезную проблему обеспечения необходимой термической прочности. Поэтому повышение эффективности использования топлива в тепловом двигателе путем повышения средней верхней термодинамической температуры рабочего тела в цикле зависит от возможностей дальнейшего повышения жаростойкости и жаропрочности конструкционных материалов деталей камеры сгорания. Если учесть, что эти возможности для большинства традиционных материалов уже практически исчерпаны, становится очевидным, что сам способ становится малоперспективным.

В этих условиях целесообразна разработка способа снижения необратимых потерь на первом этапе преобразования химической энергии топлива в теплоту. Причем, реализация этого способа по возможности не должна быть сопряжена с повышением температурного уровня рабочего тела.

Исходя из основных положений химической термодинамики [2, 3], можно утверждать, что реализация такого способа априори возможна лишь при наличии альтернативных топлив, сжигание которых при одинаковой температуре сопровождалось бы различными уровнями необратимых потерь. Подобные топлива путем термохимических превращений можно преобразовать в новое (искусственное) топливо с более высоким энергетическим потенциалом. Перевод химической энергии такого искусственного топлива в теплоту сопровождается меньшими необратимыми потерями.

Впервые научно-методическое обоснование этого способа было разработано проф. В.Г. Носачем [2], а его практическая реализация осуществлена применительно к стационарным технологическим системам, использующим в качестве энергоносителя твердое топливо. Поскольку предложенный способ предполагает необходимость организации эндотермического процесса конверсии топлива, в основе которого лежит цикл его термохимического преобразования, он получил наименование термохимического способа регенерации теплоты. Способ разработан на базе фундаментальных положений термохимии и может быть применен для любого вида энергетической установки.

Как следует из определения способа термохимической регенерации, в рабочем цикле энергоустановки предусматривается еще один процесс. Если в обычной энергоустановке химическая энергия топлива преобразуется в теплоту в одну стадию, то здесь - в две. На первой - исходное топливо

I ,.ifffflTmTTTr„- Д|Дн4Д1<

«Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (23) октябрь 2011 г.

подвергается конверсии, а уже на второй - конвертированное топливо сжигается на более высоком энергетическом уровне. Две стадии преобразования энергии, в процессе которых используется теплота, отводимая из цикла, позволяют повысить эффективность использования энергии исходного топлива. В общем случае эффективность термохимической регенерации зависит от типа энергоустановки, способа и условий организации в ней рабочего процесса, а также от вида исходного топлива (эндотермического эффекта системы реакций его конверсии).

Следует отметить, что продукты конверсии традиционного нефтяного топлива, полученные в термохимическом реакторе на основе механизма экзотермических реакций неполного окисления углеводородов, имеют по сравнению с исходным топливом более низкую теплоту сгорания [3], что исключает априори проявление эффекта регенерации.

Применительно к ДВС для обеспечения предварительного эндотермического этапа конверсии в качестве исходного конвертируемого продукта целесообразно использовать такие виды альтернативных топлив, которые имеют температуру конверсии ниже среднего температурного уровня ОГ. К таким топливам относится ряд легких гомологов предельных углеводородов (алканы), низшие спирты и простые эфиры. Выбор альтернативного топлива в качестве исходного продукта для конверсионного процесса является компромиссом, учитывающим его энергетическую ценность, температурные условия процесса, спектр образующихся при переработке газов и стоимость (таблица) [3].

К наиболее перспективному исходному продукту для организации конверсии в первую очередь следует отнести метиловый спирт (метанол), который в мировой практике уже относительно давно применяется в качестве заменителя традиционных моторных топлив. Важно то, что массовый показатель среды аккумулирования водорода, наиболее энергоемкого компонента конверсии, в виде жидкого метанола весьма высок: в 8,5 кг метанола содержится 1 кг водорода.

В настоящее время основным потребителем метанола является химическая промышленность. Он относится к возобновляемым природным ресурсам, то есть существует обширная сырьевая база для увеличения его производства и значительно более широкого использования в качестве энергоносителя.

Предварительная оценка повышения исходной химической энергии альтернативного топлива на примере метанола

Этот эффект достаточно просто может быть установлен на основе сравнения теплоты сгорания жидкого метанола и теплоты продуктов его конверсии. Теплота сгорания метанола Ни м = 19670 кДж/кг. Теплота сгорания газообразных продуктов конверсии метанола (ПКМ) Ни мк = 23870 кДж/кг [3, 4]. Таким образом, при сгорании в двигателе 1 кг ПКМ, полученных из такой же массы жидкого метанола, высвобождается дополнительная тепловая энергия, накопленная в процессе конверсии спиртового топлива, равная Н к - Н = 4200 кДж/кг.

1 1 1 и м и м ^

Следовательно, 21,4 % располагаемой энергии исходного топлива возвращается в рабочий цикл ДВС для совершения полезной работы.

Термохимическая сущность преобразования (повышение) энергии исходного топлива отражает основные положения термодинамики, в частности, закон Гесса и его следствия. Покажем это на основе анализа тепловых эффектов от сгорания метанола, осуществляемого по двум сценариям (маршрутам).

По первому сценарию метанол сжигают в кислороде: СН3ОН + 3/2 02 С02 + 2 Н20 + . (2)

Тепловой экзотермический эффект 01 известен и равен 629440 кДж [3]. В результате реакции (2) образуются 3 кмоль продуктов сгорания.

По второму двухступенчатому сценарию разлагается сначала спирт

СН3ОН СО + 2Н2 - ф ■ (3)

При этом образуются 1 кмоль СО и 2 кмоль Н2 с эндотермическим тепловым эффектом 02. Затем сжигают в кислороде 3 кмоль, полученных в результате реакции (3) продуктов: СО + 1/2 02 С02 + 282610 кДж ; (4)

2Н2 + 02-> 2 Н20 + 481480 кДж. (5)

Тепловые эффекты для реакций (4) и (5) приведены согласно данным [4]. Суммарный тепловой эффект = 282610 + 481480 = 764090 кДж/кмоль. В элементарной реакции окисления водорода принимают участие две его молекулы, что приводит к удвоению суммарного теплового эффекта.

Согласно первому и второму сценариям окисления метанола начальное и конечное состояния системы (количество и состав) одинаковы: начальное - 1 кмоль СН3ОН, конечное - 1 кмоль СО2 и 2 кмоль Н20. Тогда в полном соответствии с законом Гесса суммарные тепловые эффекты различных маршрутов окисления метанола должны совпадать:

Характеристики исходного продукта для организации процесса термохимической регенерации теплоты ОГ ДВС

Исходный Стоимость, Энтальпия Температура Мольная доля компонента в смеси, %

продукт долл. США/кг сгорания, кДж/г конверсии, К Н2 СО

Метан 0,05...0,1 -50,1 1000 76 17,3

Пропан 0,4...0,8 -46,5 700 74 7,2

Бутан - -45,7 700 74 9,3

Октан 0,6.0,8 -44,7 >1000 70,8 20,4

Метанол 0,15.0,25 -19,7 570 74,4 4,3

Этанол 0,2.0,3 -26,8 600 73,2 4,3

Диметилэфир - -28,8 533 74,4 4,2

(В

'"ВВДИ^

629440 = - 02 + 764090 кДж/кмоль. Отсюда: 02 = 134 650 кДж/ кмоль. Теплота 02 соответствует тепловому эффекту (следствие 2 из закона Гесса) реакции (3) диссоциации метанола.

Проведенный анализ показал, что тепловой эффект от сжигания конвертированной смеси СО и Н2 превышает эффект от сжигания того же количества неконвертированного метанола (исходное топливо) на 02 = 134 650 кДж/кмоль (то есть на 21,4 %), что соответствует затраченной при разложении спирта энергии. При организации эндотермической конверсии в условиях двигателя эта энергия «заимствуется» на основе утилизации тепловой энергии выпускных газов.

Предельно допустимый уровень повышения энергии альтернативного топлива

Из изложенного выше следует, что применение систем предварительного химического преобразования альтернативного топлива позволяет повысить эффективность его использования в ДВС за счет регенерации отходящей теплоты. Например, для двигателей с принудительным (искровым) воспламенением термодинамический цикл (цикл Отто) с регенерацией отходящей теплоты может быть представлен Т-5-диаграммой (рис. 1).

На диаграмме теплота, регенерируемая в цикл, выражена как часть отходящей теплоты 02, то есть степень регенерации равна

<2Р

(6)

м> = -

Т -Т

(7)

где 0р = М2 ц Су (Тв - Тк) - коли чество те плоты, регенерируемой в цикл; 02 = М2 ц Су(Тв- Та) - теплота, отведенная из цикла; М2 и цСу - количество рабочего тела и его средняя мольная теплоемкость при постоянном объеме соответственно.

Нетрудно видеть, что

Т -Т

Как следует из выражения (7), степень регенерации и/ зависит от температуры конверсионного процесса Тк и возрастает с ее уменьшением. Современные катализаторы позволяют реализовать конверсию альтернативных топлив при определенных рабочих температурах, например, для метанола не ниже 280...300 °С [4], определяя тем самым минимально возможный температурный предел ОГ ДВС, при котором осуществима организация этого процесса. Очевидно, что указанные требования по температурному уровню выпускных газов двигателя могут быть обеспечены лишь в определенном диапазоне изменения режимов его работы. Поэтому на сегодняшний день можно говорить лишь о возможности частичной регенерации теплоты ОГ ДВС па основе рассматриваемого способа. Решение проблемы более полной утилизации теплоты ОГ поршневых двигателей связано с перспективой разработки высокоэффективных катализаторов, способных инициировать процессы деструкции (разложение) альтернативных энергоносителей при пониженных температурах теплоносителя.

Анализ возможности повышения эффективности энергопреобразования топлива

Для иллюстрации возможности повышения эффективности использования химической энергии топлива

Рис. 1. Г^-диаграмма цикла Отто с термохимической регенерацией теплоты ОГ

сопоставим возможности его энергопреобразования в двух энергетически подобных установках. Первая работает по обычной схеме, вторая - с использованием термохимической регенерации. Необходимый тепловой режим конверсии топлива обеспечивается за счет подвода теплоты от теплоотводящих ветвей цикла, то есть с использованием теплоты ОГ.

Первая установка работает следующим образом. Исходное топливо при параметрах окружающей среды поступает в теплосиловую установку (ТСУ), где сгорает с выделением теплоты = Ни (при анализе масса топлива принята равной единице). Эта теплота передается рабочему телу ТСУ. Для упрощения анализа будем считать, что передача теплоты происходит обратимо при средней верхней температуре Т1. Продукты сгорания после совершения цикла отводятся в атмосферу.

Если у рабочего тела средняя нижняя температура, при которой осуществляется отвод теплоты, равна Т2, то производимая им работа может быть определена как

£=а-е2=я„

-я,.

'2

//

1-

(9)

При этом эффективность использования химической энергии топлива равна

л =

ь =1 Т2 Яим Т, ■

(10)

Зависимость (10) определяет КПД теплосиловой установки, который равен отношению количества энергии, преобразованной в работу, ко всей энергии, поступившей в ТСУ. Отметим, что КПД рассматриваемой идеализированной установки совпадает с термическим КПД цикла. Это свидетельствует о том, что в ТСУ без термохимической регенерации эффективность использования энергии топлива целиком зависит от преобразования теплоты в работу и не может превысить эффективность преобразования последней.

Вторая ТСУ работает с термохимической регенерацией теплоты ОГ. В отличие от первой ТСУ топливо в ее рабочее

пространство поступает не сразу, а предварительно проходит стадию термохимической переработки в специальном аппарате - термохимическом реакторе (ТХР). В нем под действием теплоты, поступающей из теплоотводящих ветвей цикла ТСУ при средней нижней температуре Т2, совершается термохимическое преобразование исходного топлива в конвертированное, которое и подается на сжигание в ТСУ. Если принять, что теплообмен в этой ТСУ осуществляется обратимо (как и при анализе первого варианта), то рабочее тело ТСУ с ТХР должно получить теплоту при средней верхней температуре 7,, равной теплоте сгорания конвертированного (искусственного) топлива: 0,ТХР = Ни мк.

Следовательно, в этом случае воспринятая рабочим телом теплота превышает теплоту сгорания исходного топлива Ни на величину А Ни мк, которая была поглощена при термохимическом преобразовании исходного топлива в ТХР и соответственно равна

ни мк = ни м + Д Ни мк. (11)

Будем считать, что ТСУ с ТХР преобразует воспринимаемую рабочим телом теплоту с той же эффективностью, что и ТСУ без ТХР, то есть термический КПД обеих установок одинаков. Тогда работа, которую может произвести ТСУ с ТХР, будет равна

¿гхр = (Ниы + ДЯ*М)

г Т\

т,

(12)

Эффективность использования энергии топлива в ТСУ с ТХР определится выражением

Я.

■=(Яим+ая,:м)

/ 7 л Г,

1

Я.

=Н„

г т\ х-Ь.

т

м

я.

/ г л Тг

1

Я,.

(13)

=ЛТ+-

ля*

я.

дяк

а. «М \

л„„

Из выражения (13) следует, что эффективность преобразования химической энергии топлива в цикле, содержащем узел термохимической регенерации теплоты ОГ, по сравнению с ее преобразованием в обычной ТСУ может быть увеличена в (1+ ДН к /Н ) раз.

' и м и м 1

Покажем это на примере гипотетической теплосиловой установки с ТХР, работающей, например, на метаноле. Тепловой эндотермический эффект реакции конверсии метанола (количество теплоты, утилизированной от ОГ), как было показано выше, равен 4200 кДж/кг. Условно принимая среднюю верхнюю температуру цикла Т1 = 2000 К, а среднюю нижнюю - Т2 = 1000 К, имеем термический КПД идеальной ТСУ без ТХР Пт = 50 % (9). Для установки с термохимической регенерацией отходящей теплоты согласно (13) он будет превышать КПД первой установки в (1 + 4200/19670) = 1,21 раза, то есть окажется равным г|т = 60,5 %.

Из приведенного анализа следует, что необратимые внешние потери преобразования химической энергии топлива в теплоту в случае использования способа термохимической регенерации теплоты ОГ всегда меньше соответствующих

потерь при непосредственном сжи гании топлива без его предварительной термохимической переработки. Причем уменьшение необратимых потерь адекватно энергии, которую необходимо затратить на компенсацию суммарного теплового эндотермического эффекта реакций конверсии исходного топлива.

Реализация термохимического способа утилизации отходящей теплоты для условий рабочего цикла ДВС с искровым зажиганием возможна, если в качестве исходного топлива использовать углеводородные соединения с относительно низкой температурой реакций конверсии (спирты, эфиры и др.), газообразные продукты конверсии которых могут быть применены как основное топливо для питания двигателя. В этом случае по способу организации рабочего процесса подобный двигатель практически аналогичен газовому двигателю.

При этом не исключается принципиальная возможность реализации этого способа в составе систем питания дизелей, использующих в качестве запального дизельное топливо, а для организации конверсионного процесса - альтернативное топливо с низкой температурой преобразования. В данном случае расход последнего через реактор конверсии может оптимально варьироваться в соответствии с температурными и энергетическими возможностями теплоносителя (выпускные газы) для каждого конкретного режима работы двигателя по условию обеспечения полного завершения процесса конверсии.

Теоретические основы подобных систем питания поршневых двигателей в современной исследовательской практике остаются малоизученными. Однако они представляют определенный интерес, в первую очередь, с точки зрения оценки потенциальных возможностей применения ТХР в составе систем питания двигателей и повышения эффективности использования энергии альтернативных видов топлива.

Основным показателем для оценки эффективности рабочего цикла поршневого двигателя служит термический КПД термодинамического (идеальный) цикла [1]. Проанализируем влияние процесса термохимической регенерации на эффективность использования энергии топлива в термодинамическом цикле со смешанным подводом теплоты (теоретический цикл двигателя с воспламенением от сжатия - дизеля). В данном цикле принимают, что одна часть теплоты подводится при постоянном объеме, а другая - при постоянном давлении.

Рассматриваемый цикл состоит, таким образом, из адиабатных процессов сжатия ас и расширения гЬ, изохорного сг и изобарного гг процессов подвода теплоты к рабочему телу и изохорного процесса Ьа отвода теплоты от рабочего тела к теплоприемнику (рис. 2).

Если теплота, регенерируемая с помощью ТХР, соответствует Ор , то теплота, подведенная к рабочему телу такого цикла от теплоотдатчика (за счет сжигания топлива), составит

= Су (7У - Тс) + Ср (Тг-Тг) - <Эр.

Теплота, отведенная из цикла с термохимической регенерацией, соответственно будет равна

¡22 = Су(Ть - Та) - <2р .

т

Научные разработки и исследования

Выразим теплоту, регенерируемую в цикл, как часть отходящей теплоты 02:

О^уу 02 = Ъ> Су(Ть-Та), где и = 0р / 02 - степень термохимической регенерации отводимой из цикла теплоты. Выражение для расчета показателя эффективности использования энергии топлива г|ТКР для термодинамического цикла со смешанным подводом теплоты с термохимической регенерацией будет иметь следующий вид

ТХР=1_Й=1^ Су(1--и>)(т„-та)

а Су(Тг'-Тс)+Ср(Тг-Т')-м>Су{Ть-тау

Введем следующие обозначения относительных температур:

^ = е*-1. = Хг*-1 ■ ^ = А,ре*-1 ■ ^ = Хрк

> ут » ут • 9 ут • >

= 1-

(У-1)

Для термодинамического цикла ДВС с принудительным воспламенением (цикл Отто, р = 1) с термохимической регенерацией выражение показателя эффективности использования энергии топлива приобретает вид

ТХР _ л (1->у) ^ ... ■

где X = р'/ Ре - степень изохорного повышения давления; Р = V / V' - степень изобарного расширения; е = V/ V - степень сжатия; к = Ср/ Су - показатель адиабаты; Ср и Су - изобарная и изохорная теплоемкости рабочего тела; р. , V. и Т. - давление, объем и температура рабочего тела для соответствующих точек цикла (см. рис. 2).

Если подставить значения относительных температур в выражение г|ТХР, то получим зависимость для определения показателя эффективности использования энергии топлива для цикла с термохимической регенерацией

™ =1__(1-нО(Хр*-1)

е*"1 [(1 -1)+кк(р -1)]- у» (Ар* -1)'

Для сравнения заметим, что термический КПД г|т термодинамического цикла со смешанным подводом теплоты (теоретический цикл дизеля), который характеризует эффективность преобразования теплоты в работу, определяется зависимостью [1]

е* 1 [(^ -1)+Л А,(р -1)]'

н>

Термический КПД пт [1] для этого цикла

Из полученных выражений видно, что эффективность использования энергии топлива в циклах ДВС может быть повышена с помощью термохимической регенерации при постоянных параметрах самого цикла (без повышения начальных параметров рабочего тела), то есть в том числе и без увеличения тепловой напряженности двигателя. Из этих же выражений следует, что величина г|ТХР существенно зависит от степени термохимической регенерации отходящей теплоты. В связи с этим целесообразно рассмотреть условия, при которых степень термохимической регенерации отводимой из цикла теплоты достигает максимума.

Условия для достижения максимально возможной степени регенерации

Условия достижения максимально возможной степени регенерации выполняются, если состав продуктов конверсии соответствует условиям термодинамического равновесия (полное завершение конверсионного процесса). Эти условия реализуются, когда эндотермический эффект реакции конверсии соответствует подводу эквивалентного количества теплоты в реакционное пространство от внешнего источника - греющего теплоносителя, в роли которого в данном случае выступают ОГ двигателя.

В реальных условиях конверсионного процесса в выпускной системе ДВС теплоноситель (ОГ) должен располагать потенциально более высоким уровнем энергии, которая используется не только для компенсации эндотермического

эффекта реакции конверсии, но и для организации ее «вспомогательных» этапов. Она необходима также для предварительного нагрева исходного топлива до температуры кипения, его испарения, повышения температуры паров до температуры диссоциации, компенсации тепловых потерь в окружающую среду через стенки реактора и подводящего трубопровода.

Например, общие затраты тепловой энергии на полностью завершенную конверсию 1 кг метанола достигают 7 МДж [5-8]. При этом на компенсацию эндотермического эффекта реакции конверсии спирта расходуется 60 % общих энергетических затрат. Значительная их часть (около 25 %) расходуется на энергоемкий процесс парообразования (теплота испарения метанола 1,1 МДж/кг). Из этого следует, что максимально возможная степень регенерации достигается при условии, когда тепловая энергия греющего теплоносителя (ОГ) соответствует общим затратам энергии, необходимой для конверсионного процесса.

Следует отметить еще один интересный научно-практический аспект применения метода термохимической регенерации. При соответствующей организации термохимического преобразования исходного топлива появляется уникальная возможность регенерации не только тепловой, но и химической составляющей энергии потока выпускных газов, которой располагают продукты неполного сгорания топлива (СО, СН и др.). Такая возможность может быть реализована путем экзотермического доокисления этих продуктов на катализаторе в дополнительной секции дожигания реактора.

Расчетная величина мощности дополнительного теплового эффекта в этом случае может быть определена как

<2доп=Сог2(Я„т,.), где СОГ - массовый расход ОГ через реактор; Ни. и т. - теплота сгорания /-го компонента неполного сгорания топлива и его относительное массовое содержание в ОГ.

Теплота, выделяющаяся при экзотермическом окислении этих продуктов, используется для повышения активности конверсионного процесса и увеличения количества конвертируемого метанола, что в целом способствует росту эффекта термохимической регенерации.

Приоритетный вариант реактора (патент РФ 2175396) [9], на основе которого была осуществлена практическая реализация подобного эффекта, представлен на рис. 3.

Оценка эффективности предлагаемого способа повышения энергии альтернативного топлива в реальных условиях двигателя

Оценка эффективности данного способа в условиях рабочего цикла дизеля типа 4Ч 10,5/12 была проведена в лабораторных условиях на моторном стенде. Термокаталитический реактор конверсии метанола устанавливался в выпускной системе дизеля в непосредственной близости от выпускного коллектора. Конвертированное топливо (газовая водо-родосодержащая смесь) из реактора подавалось в рабочее пространство дизеля через впускной трубопровод вместе с воздушным зарядом, где оно воспламенялось запальной порцией дизельного топлива.

Исследованиями установлено [6], что на нагрузочных режимах, когда температура ОГ на входе в реактор превышает 300 °С, производительность реактора, в том числе и по целевому компоненту Н2, достигает своего наивысшего уровня, заметно повышая эффективность рабочего цикла. Так, на номинальном режиме работы регистрировалось повышение топливной экономичности дизеля на 8,5 % по сравнению с его работой без ТХР.

Улучшение экономических характеристик исследуемого дизеля с ТХР, работающего на смесевом водородосо-держащем топливе, обусловлено влиянием двух факторов: эффектом частичной утилизации теплоты ОГ и улучшением кинетических показателей сгорания в присутствии Н2 (совершенствование рабочего процесса) [5, 6]. Для выявления доли участия каждого фактора в повышении экономичности двигателя проведено его испытание с использованием реактора конверсии метанола с автономным электрическим подогревателем, то есть без использования (регенерация) тепловой энергии ОГ. Установлено, что энергосбережение для данного дизеля за счет эффекта ТХР составляло 4,5 %, а за счет совершенствования рабочего процесса - около 4 %.

Снижение расхода топлива сопровождалось улучшением экологических качеств дизеля, работающего совместно с

ТХР. В частности, на номинальном режиме содержание сажи в ОГ снижалось на 45 %, оксидов азота - на 16 %.

Для оценки энергосберегающего эффекта в условиях рабочего цикла ДВС с искровым зажиганием были проведены испытания на моторном стенде двигателя автомобиля АЗЛК-2141, оснащенного ТХР. В качестве основного топлива использовались ПКМ. Установлено, что экономичность ДВС на режиме холостого хода зависит от его скоростного режима. При низких частотах вращения коленчатого вала (от 1000 до 2500 мин-1), характеризующихся пониженным температур-но-энергетическим уровнем ОГ, показатели рабочего цикла практически соответствовали базовому варианту ДВС. Наиболее ощутимое повышение экономичности (на 15,5 % по сравнению с работой на бензине) наблюдалось в диапазоне частоты вращения вала 2800...3300 мин-1 при температуре ОГ 350.450 °С. Это объясняется тем, что в данном диапазоне частоты вращения потребляемая реактором тепловая энергия и располагаемая энергия теплоносителя (ОГ) оказываются практически сопоставимыми.

На всех нагрузочных режимах ДВС с ТХР экономические показатели его рабочего цикла оказались выше (в среднем на 14 %), чем при работе на бензине (без ТХР).

Для выявления факторов улучшения топливной экономичности исследуемого двигателя было проведено дополнительное экспериментальное исследование. На первой стадии испытаний с использованием газобаллонной системы питания в цилиндры двигателя подавали синтез-газ, имеющий компонентный состав (объемные доли), аналогичный составу продуктов конверсии метанола: 65 % Н2 и 35 % СО. Очевидно, что в данном случае эффект утилизации тепловой энергии ОГ не проявлялся.

На второй стадии испытаний двигатель работал совместно с ТХР. Утилизированная энергия ОГ, преобразованная в новый вид топлива (ПКМ) с более высокими энергетическими показателями, использовалась для совершения дополнительной полезной работы. То есть ДВС работал по схеме регенеративного цикла.

С учетом того, что в обоих случаях топливо имело один и тот же компонентный состав, его показатели сгорания, а значит и характер воздействия на кинетические параметры рабочего цикла были идентичными. Следовательно наблюдаемое в опыте повышение экономичности ДВС однозначно соответствовало эффекту термохимической регенерации

энергии ОГ. Это повышение на режимах внешней скоростной характеристики составило в среднем 4,3 %, а максимально

- 5,3 % при частоте вращения коленчатого вала 3000 мин-1.

Далее было проведено исследование уровня энергосбережения на автомобиле АЗЛК-2141 с ДВС, работающим совместно с ТХР, в условиях ездового цикла. Испытания проводились согласно регламенту, установленному Государственным ездовым циклом ГОСТ 20306-85, при котором топливная экономичность транспортного средства оценивается расходом топлива на 100 км пробега. При испытаниях зарегистрировано улучшение топливной экономичности модернизированного автомобиля на 15,1 % по сравнению с его бензиновым аналогом. Для выявления эффекта регенерации проведены сравнительные испытания этого же автомобиля с ДВС на синтез-газе из автономных баллонов без проявления регенеративного эффекта. По данным испытания установлено, что повышение экономичности за счет эффекта регенерации составило 4,8 %.

Применение рассмотренного способа утилизации энергии выпускных газов в транспортных двигателях представляется априори весьма перспективным. Благодаря технической простоте его реализация не требует переоборудования существующего производства ДВС и финансовых вложений. В качестве базового двигателя может быть использована любая серийная модель ДВС (в том числе и двигатель, находящийся в эксплуатации), освоенная отечественным двига-телестроением. Основной элемент конверсионной системы

- каталитический реактор - представляет собой простейшую конструкцию теплообменного аппарата, массовые и габаритные характеристики которого (в объеме обычного глушителя) обеспечивают удобство его установки в выпускной системе двигателя.

Важным стимулом дальнейшего развития подобных систем является то, что они обусловливают возможность совокупного совершенствования характеристик транспортного средства по комплексу показателей. Их реализация на транспортных средствах позволяет, в частности, утилизировать отходящую тепловую энергию, совершенствовать процессы сгорания, улучшать экологические качества АТС [5, 7], обеспечивая при этом возможность замены традиционного нефтяного топлива альтернативным энергоносителем из возобновляемых, в том числе биологических источников, способствуя таким образом решению проблемы ресурсосбережения.

Литература

1. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей // Под ред. А.С. Орлина и М.Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1983. - 372 с.

2. Носач В.Г. Методы повышения эффективности использования топлива в технологических процессах // Теплофизика и теплотехника. - 1977. - № 37. - С. 44-47.

3. Вишняков А.В., Яковлева Н.В., Чащин В.А., Фатеев В.Н. Возможности и ограничения методов получения и очистки водорода для топливных элементов. Термодинамические и кинетические аспекты получения водорода в бортовых системах // Химическая технология. - 2002. - № 1. - С. 3-9.

4. Стеженский А.И. Паровая конверсия метанола. Наукова думка, 1972. - 283 с.

5. Фомин В.М., Каменев В.Ф., Хрипач Н.А. Повышение эффективности работы ДВС применением термохимической регенерации теплоты отработавших газов // Проблемы энергоаккумулирования и экологии в машиностроении. Сб.научн.тр. - М.: Изд. ИНМАШ РАН, 2003. - С. 156-170.

6. Фомин В.М., Бендик М.М., Сидоров М.И. Метод регенерирования энергии ОГ дизеля, работающего совместно с системой конверсии метанола / Материалы международн. симпозиума. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005. - С. 140-142.

7. Фомин В.М., Каменев В.Ф., Хрипач Н.А. Совершенствование рабочего цикла ДВС с принудительным зажиганием и термохимической регенерацией отводимой теплоты / Материалы международн. симпозиума. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана.- 2005.- С.142-144.

8. Fomin V.M. and 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. - № 5. - P. 834-840.

9. Фомин В.М., Каменев В.Ф., Корнилов Г.С. Способ работы двигателя // Патент РФ №2249807, опубл.: 10.04.2005. - Бюл. № 10.

ЙЯНВР ИШП .¡¿¿^^¡в, 01 ^к^С «Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (23) октябрь 2011 г.