CC BY
134
© В.М. Фомин, М.М. Бендик, М.И. Сидоров, 2006
УДК 621.436-61
В.М. Фомин, М.М. Бендик, М.И. Сидоров
ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДА В КАЧЕСТВЕ КОМПОНЕНТА СМЕСЕВОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
И Ш риведены результаты исследо-
А. Л. вания топливно-экономических и экологических показателей дизеля, работающего на смеси дизельного топлива и водородосодержащих продуктов (синтез - газа), полученных в термохимическом реакторе конверсии метанола.
Применительно к дизелям в настоящее время рассматриваются возможности использования водорода как в качестве самостоятельного вида топлива, так и в качестве присадки к основному топливу. При этом отмечается улучшение экономических и токсических характеристик дизеля как при работе с относительно большими добавками водорода (до 5 % по массе по отношению к основному топливу), так и при малых добавках (0,02— 0,1 %).
Эффективность активирования топливно-воздушной смеси водородом или газовыми смесями, содержащими водород, зависит от относительного содержания водорода в составе рабочего тела, газодинамического состояния реагирующей среды, которые в совокупности определяют временную (кинетическую) и пространственную протяженность активированной зоны камеры сгорания, а также суммарный эффект активации по выходным показателям двигателя, определяющим его эколого-экономи-
ческие качества. В результате воздейст-
вия активирующих компонентов условная (кажущаяся) энергия активации основной массы топливно-воз-душной смеси, характеризующая ее реакционную способность, уменьшается, что связано с уменьшением участия в суммарном химическом процессе реакций самозарождения, требующих больших энергий активации.
Однако следует подчеркнуть, что при всех преимуществах применение водорода в дизелях в настоящее время сопряжено с рядом существенных трудностей. Основной проблемой использования в качестве моторного топлива водорода является отсутствие инфраструктуры его производства в необходимых количествах для его массового использования на автотранспорте, транспортировки и заправки автомобилей.
До настоящего времени промышленностью не освоен выпуск малогабаритных, с большой энергоемкостью, средств хранения водорода на борту автомобиля. Известны способы хранения водорода в виде сжатого газа в баллонах высокого давления, в сжиженном состоянии в криогенных резервуарах и в связанном состоянии в металлогидрид-ных аккумуляторах. Даже наилучший из них по показателям энергоемкости -криогенный - уступает по этому показателю традиционным топливам в несколько раз, не говоря уже о том, что в техническом отношении он неизмеримо
сложнее систем хранения и транспортирования этих топлив. Для успешного применения водорода на автотранспорте необходимо также решение проблемы его безопасного хранения на борту автомобиля.
Одним из наиболее приемлемых вариантов решения данной проблемы является способ, в котором в качестве энергоносителя на автомобиле используется не сам водород, а какой-либо безопасный и удобный при хранении сырьевой продукт, из которого непосредственно на борту автомобиля можно было бы путем его термохимического преобразования получать газообразные продукты с высоким содержанием водорода.
В качестве сырьевого продукта для получения водородосодержащего топлива, в принципе, может быть использовано любое традиционное моторное топливо, поскольку массовое содержание водорода в нем составляет около 15 %.
Однако на пути развития подобных систем получения водорода возникает ряд серьезных проблем, сдерживающих на данный момент их внедрение в промышленность. Высокий температурный уровень диссоциации (конверсии) этого вида жидких углеводородов обуславливает необходимость дополнительных затрат тепловой энергии на организацию конверсионного процесса; присутствие серы в моторном топливе исключает возможность использования катализаторов, а большое относительное содержание инертных компонентов в составе целевых продуктов конверсии создают дополнительные сложности при их сгорании в ДВС.
Отмеченные сложности, связанные с организацией процесса конверсии традиционных моторных топлив, вызывают необходимость поиска других сырьевых источников для получения водородосо-
держащих газов. К ним могут быть отнесены, в частности, углеводородные соединения, имеющие более простую по сравнению с моторными топливами молекулярную структуру и пониженную температуру диссоциации. При этом более предпочтительными для применения в двигателях являются соединения, имеющие уровни температуры диссоциации и тепловых эффектов в эндотермических реакциях разложения (затраты тепловой энергии на преодоление внутримолекулярных связей), соизмеримые с температурой и располагаемой энергией отработавших газов на выпуске двигателя. Очевидно, что в этом случае обуславливается реальная возможность использования «бесплатной» тепловой энергии отработавших газов для организации конверсионного процесса, исключающая необходимость в дополнительном источнике теплоты.
Подобными свойствами обладают спирты и ряд эфиров. Этиловый и особенно метиловый спирты уже относительно давно применяются в автомобильных двигателях в качестве частичных заменителей традиционных топлив.
Для генерирования водородосодержащих газообразных продуктов был разработан опытный образец термокаталитического реактора конверсии метанола. В ходе проведения разработки реактора был предложен более совершенный вариант (патент РФ 2175396) конструкции (рис. 1), который обуславливает возможность использования для организации конверсионного процесса не только тепловой, но и химической составляющей энергии отработавших газов, не реализованной в рабочем цикле дизеля (химическая энергия продуктов неполного сгорания топлива). Такой эффект достигается путём пропускания отработавших газов через каталитическую среду с целью доокисления продуктов не-
Синтез-газ
-4«
Метанол
О
О Г.
Рис. 1. Модифицированный реактор конверсии метанола с секцией дожигания продуктов неполного сгорания отработавших газов двигателя
полного сгорания топлива (СО, СН и
др.).
Исследование работы опытного образца термохимического реактора конверсии метанола включало в себя проверку его работоспособности и снятие рабочих характеристик, устанавливающих взаимосвязь состава получаемых в реакторе продуктов конверсии и температурным режимом конверсионного процесса.
Для работы дизеля на дизельном топливе и продуктах конверсии метанола разработана опытная система питания, которая работала следующим образом. Из бака, выполненного из антикоррозионного материала (легированная сталь), жидкий метанол, предварительно очищенный от примесей в фильтре, подавался топливным насосом в реактор. Контроль и регулирование подачи газообразных продуктов конверсии метанола на впуск дизеля осуществляется по жидкой фазе. Для этого сразу за топливным насосом установлен регулятор расхода. Пройдя стадию термохимического преобразования, продукты конверсии метанола через газовый клапан поступали в смеси-
тель, установленный во впускном коллекторе ДВС.
К наиболее важным характеристикам каталитического реактора конверсии метанола относится зависимость степени конверсии от температурного режима в реакционной камере. Подобные характеристики были получены на основе эксперимента. Установлено, что при температуре в рабочем пространстве реактора 300 °С содержание водорода в конверсионной смеси достигает значения (62 %), близкое к максимально возможной величине (65 %). При этом выбранная каталитическая среда способствует началу процесса разложения метанола уже при температурах порядка 240-250 °С, что обуславливает возможность частичной конверсии метанола с выходом водородного компонента на низких нагрузочных режимах работы двигателя с дефицитом по температуре.
Характер изменения содержания в продуктах конверсии монооксида углерода СО с ростом температуры аналогичен водороду, и при температуре свыше 300 °С концентрация этого компонента становится близкой к равновесной (35 %).
Экспериментальные исследования на дизеле типа 4-10,5/12 показали, что повышение экономичности цикла и снижение удельного расхода теплоты qе происходит по мере роста относительного содержания продуктов кон-версии метанола 5пкм в составе смесевого топлива. Снижение qе наблюдается до 5пкм = 10 %, после чего оно приостанавливается и далее по мере роста содержания в рабочем теле продуктов конверсии метанола фиксируется даже некоторое повышение удельного расхода теплоты. Это объясняется тем, что в рассматриваемой режимной точке (8пкм = 10 %) обнаруживается энергетический баланс, когда потребляемая реактором тепловая энергия и располагаемый энергетический потенциал теплоносителя (отработавших газов) идентичны.
Дальнейшее повышение расхода метанола через реактор вызывает несоответствие уровней располагаемого температурно-энергетического потенциала отработавших газов и энергетических затрат на организацию конверсионного процесса. Эти затраты начинают превышать располагаемые энергетические возможности теплоносителя и поэтому процесс конверсии реализуется не полностью. При неполной конверсии метанола в продуктах его термохимического преобразования будут содержаться пары метанола, которые, в отличие от водорода, уже не способствуют активации процесса сгорания.
При фиксированном значении 8пкм была снята нагрузочная характеристика дизеля, отображенная на рис. 2. При значениях среднего эффективного давления ре, не превышающих 0,2 МПа, показатели дизеля при его совместной работе с реактором практически не отличаются от штатных показателей (работа на дизельном топливе). При дальнейшем повыше-
нии нагрузки и соответствующем росте температуры ОГ (свыше 280 0С) наблюдается постепенное улучшение экономических показателей двигателя благодаря тому, что реактор конверсии метанола постепенно начинает выходить на расчетный температурный режим.
При температуре ОГ свыше 300 0С эффективность конверсионного процесса достигает своего наивысшего уровня, что обуславливает более заметное изменение показателей рабочего процесса двигателя. При этом на режиме, соответствующему ре = 0,55 МПа, удельный расход теплоты снижается на 8,5 % по сравнению с традиционным дизельным циклом.
Здесь следует отметить, что улучшение топливно-экономических характеристик исследуемого дизеля, работающего совместно с системой предварительного термохимического преобразования спиртового топлива, обусловлено совокупным влиянием двух факторов: эффектом термохимической регенерации теплоты ОГ и улучшением кинетических показателей процесса сгорания (совершенствованием рабочего процесса). В данной публикации проблема термохимической регенерации теплоты ОГ подробно не рассматривается. В общем же виде, сущность этого явления заключается в следующем.
Эндотермический процесс предварительного химического преобразования исходного спиртового топлива сопровождается поглощением теплоты, отбираемой от выпускных газов двигателя, в термохимическом реакторе, выполняющего в данном случае функции утилизационного устройства («термохимического насоса»). Регенерированная часть отходящей теплоты, преобразованная в химическую энергию конвертированного топлива, составляет для метанола примерно 21 % (теплота сгорания жидкого
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
550
450
350
при работе на дизельном топливе;
при работе на водородно-дизельном топливе.
0,6 Ре, МПа
Рис. 2. Нагрузочная характеристика дизеля
метанола составляет 19,67 МДж/кг, а этот же показатель для продуктов его конверсии - 23,87 МДж/кг). Такой способ утилизации отводимой из рабочего цикла двигателя тепловой энергии назван методом термохимической регенерации, так как в его основу положен принцип термохимического преобразования энергии исходного топлива на более высокий энергетический уровень за счет использования энергии ОГ.
В ходе проведения данного исследования для выделения доли участия в повышении экономичности двигателя 4-10,5/12 каждого из названных факторов были использованы результаты проведенного ранее исследования. Указанное исследование проводилось на дизеле, оснащенном реактором конверсии метанола с автономным электрическим подогревателем, то есть без использова-
ния тепловой энергии ОГ. Путем экстраполяции этих результатов применительно к условиям работы исследуемого двигателя 4-10,5/12 можно предположить, что повышение топливной экономичности данного дизеля за счет эффекта термохимической регенерации соответствует 4,5 %. Следовательно, эффект по снижению расхода удельной эффективной теплоты за счет совершенствования рабочего процесса составляет порядка 4 %.
Экологические показатели, характеризующие качественное изменение рабочего процесса дизеля при его работе на смесевом топливе, в состав которого входит водород, представлены на графиках рис. 3. Откуда видно, что снижение содержания сажи и оксидов азота в отработавших газах наблюдается во всем диапазоне изменения нагрузочных
со, %
при работе на дизельном топливе Ре, МПа
_ . _ . _ при работе на водородно-дизельном топливе.
Рис. 3. Экологические показатели дизеля при его работе на традиционном и водороднодизельном смесевом топливе по нагрузочной характеристике (п = 2000 мин '1)
режимов дизеля. На режиме, близком к номинальному (ре = 0,55 МПа), присутствие в смесевом топливе водородосодержащих продуктов конверсии метанола способствует снижению содержания сажи в ОГ с 3,2 до 1,8 ед. Бош, то есть на 45 %, при уменьшении концентрации в ОГ оксидов азота на 16 %.
Изменение (повышение) концентрации СО в ОГ, замеренное перед реактором, оказалось незначительное. Следует отметить, что при использовании модифицированного варианта реактора, конструктивно совмещенного с каталитическим дожигателем продуктов неполного сгорания ОГ, присутствие в выпускных газах дизеля СО практически не обнаруживалось.
Здесь можно отметить, что пониженное содержание сажи в ОГ дизеля, работающего на смесевом водородно-
дизельном топливе, предопределяет возможность его форсирования по пределу дымления.
Проведенные дополнительные опыты по изучению влияния на экологические показатели дизеля добавленных к заряду продуктов неполной конверсии метанола показали следующее. Эффективность воздействия на внутрицилинд-ровые процессы парогазовых продуктов конверсии с содержанием паров спирта ~ 75 % заметно снизилась по сравнению с эффективностью продуктов полной конверсии, хотя характер воздействия сохранился.
Тем не менее, присутствие продуктов неполной конверсии метанола в качестве компонента смесевого топлива также (хотя и в меньшей степени) способствует снижению N0* и сажи.
Из результатов проведенного исследования, явствует, что для конкретно взятого дизеля эффективность конверсионного процесса (в том числе, расход метанола) будет возрастать с ростом нагрузочного и скоростного режимов его работы вследствие повышения температуры отработавших газов и их расхода через реактор, обуславливающих уровень температурно-энергетического потенциала теплоносителя.
Очевидно также, что для дизелей с форсированными рабочими процессами (например, за счет применения газотурбинного наддува) и двигателей, для которых наиболее характерными в условиях эксплуатации являются режимы работы, близкие к номинальному, применение исследуемого способа питания двигателя обуславливает наиболее ощутимую экономию топлива и более высокие экологические качества.
Эколого-экономические показатели дизеля возрастают с повышением количества конвертированного метанола, которое зависит от располагаемого температурно-энергетического потенциала ОГ дизеля. Чем выше этот потенциал, тем больше метанола можно преобразовать в водородосодержащий конвертированный продукт, и тем выше эффективность его воздействия на внутрицилинд-ровые процессы, определяющие экологические и топливно-экономические качества двигателя.
При этом, в нашем случае модифицированный вариант реактора, используемый в составе системы питания дизеля, позволяет утилизировать не только тепловую энергию выпускных газов, но и их химическую энергию, за счет до-
жигания продукты неполного сгорания. Дополнительно полученная в реакторе тепловая энергия от дожигания этих продуктов (которая не была реализована в цилиндре при сгорании топлива вследствие известной т.н. неполноты сгорания, характерной для любого дизеля) способствует повышению эффективности процесса конверсии метанола для более широкого диапазона рабочих режимов работы дизеля.
В целом, по результатам предварительных исследований можно сделать вывод о том, что применение водородосодержащих газовых продуктов конверсии метанола на дизелях в качестве добавок к основному заряду обуславливает возможность решения актуальной проблемы - совершенствование их экологоэкономических качеств. Реализация подобного достаточно эффективного способа улучшения показателей работы двигателя, не связанного с необходимостью изменения его базовой конструкции, благодаря своей простоте и минимальных экономических затрат на реализацию, представляется весьма перспективной на автомобильном транспорте на ближайшее время.
Учитывая то, что запасы нефтяного топлива конечны, в дальнейшем по мере совершенствования конверсионных систем двигателестроительная отрасль получает альтернативную возможность радикального решения топливноэнергетической проблемы на основе полной замены традиционных топлив продуктами переработки сырья растительного происхождения, в том числе, и метанола.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------
Фомин В.М., Бендик М.М., Сидоров М.И. - Российский университет дружбы народов.
