CC BY
34ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ТРАНСПОРТ
Транспортные средства на водородном топливе
HYDROGEN ENERGY AND TRANSPORT
Hydrogen fuel vehicles
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ НА ДИЗЕЛЬНО-ВОДОРОДНЫХ
ТОПЛИВНЫХ КОМПОЗИЦИЯХ УДК 621.434
В. Ф. Каменев, В. М. Фомин, Н. А. Хрипач
Государственный научный центр РФ ФГУП «НАМИ» д.2, ул. Автомоторная, г. Москва, 125438, Россия Тел.: (095) 454-00-97; факс: (095) 456-70-97; e-mail: [email protected], [email protected]
* Российский университет Дружбы народов д. 6, ул. Миклухо-Маклая, г. Москва, 117198, Россия Тел., факс (095) - 434-02-12, e-mail: [email protected]
Сведения об авторе: доктор техн. наук, профессор, заведующий научно-исследовательским и экспериментально-конструкторским отделом двигателей с принудительным зажиганием и водородных энергоустановок ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»; профессор кафедры «Автомобильные и тракторные двигатели» 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: Московский автомеханический институт, инженер-механик (1967 г.).
Область научных интересов:
- рабочие процессы ДВС с искровым зажиганием;
- снижение выбросов вредных веществ автомобильными двигателями;
- методы испытаний автомобилей, двигателей и их компонентов по оценке их экологических и энергетических показателей, надежности и ресурса.
Автор оригинальных конструкций систем питания двигателей, каталитических нейтрализаторов. Он является научным руководителем 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 130 научных статей и докладов, в том числе на конгрессах FISITA и SAE,
3 монографии, имеет более 25 патентов России, США, Германии, Японии.
Каменев Владимир Федорович
Сведения об авторе: доктор техн. наук, профессор; профессор кафедры «Эксплуатация автотранспортных средств» Российского университета Дружбы народов, действительный член Академии проблем качества РФ, член Российской Ассоциации автомобильных инженеров, член SAE.
Образование: МВТУ им. Н. Э. Баумана, инженер-механик (1964 г.).
Область научных интересов:
- рабочие процессы ДВС с воспламенением от сжатия;
- совершенствование экологических показателей дизелей;
- средства и методы по применению водородных топлив в ДВС.
Автор оригинальных конструкций систем синтеза водорода из углеводородных соединений (термохимический, плазменный и термокаталитический виды синтеза).
Публикации: более 180 научных статей и докладов, в том числе на международных конференциях, 4 монографии, имеет более 15 патентов РФ.
Фомин Валерий Михайлович
Сведения об авторе: кандидат техн. наук, зам. заведующего научно-исследовательским и экспериментально-конструкторским отделом двигателей с принудительным зажиганием и водородных энергоустановок, заведующий научно-исследовательской и экспериментально-конструкторской лабораторией водородных энергоустановок ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»; старший преподаватель кафедры «Автомобильные и тракторные двигатели» МГТУ «МАМИ».
Образование: МГТУ «МАМИ», инженер по ДВС (2001 г.). Область научных интересов: экология автомобильных двигателей, разработка мероприятий по снижению вредных выбросов и созданию антитоксичных систем и устройств, проведение стендовых и сертификационных испытаний энергоустановок; ответственный исполнитель договоров с рядом предприятий и организаций, в том числе с ОАО «АвтоВАЗ», РКК «Энергия» и Институтом машиноведения им. А. А. Благонравова РАН и государственных контрактов с Министерством образования и науки РФ и Министерством промышленности и энергетики РФ. Основное направление деятельности — изучение вопросов безопасного получения, хранения и использования на борту автомобиля водородного топлива. Член авторского коллектива по разработке устройства по управлению газообменом в двигателе внутреннего сгорания, на которое в 2003 г. получен патент РФ. В своей работе широко применяет современные методы и методики исследований, использует новейшее отечественное и импортное оборудование и программное обеспечение.
Публикации: более 45 статей, монография; активный участник международных и российских научных конференциий и семинаров.
шш
Хрипач Николай Анатольевич
A problem of hydrogen fuel use in the diesel engines is discussied. The results of theoretical and practical testing have supported the reduction of emission and fuel economy by hydrogen fuel use.
Существующее на сегодняшний день научно-техническое и технологическое состояние отечественного двигателестроения по экологическим и топливно-экономическим показателям в условиях перехода страны в рыночные отношения и присоединение России к нормативам ЕЭК ООН по ограничению вредного воздействия компонентов продуктов сгорания дизелей на окружающую среду заставляет моторостроительные заводы коренным образом перестраивать свою техническую политику с учетом необходимости обязательной сертификации своей продукции, в первую очередь в отношении нормативных требований по экологии.
Значительные успехи были достигнуты при разработке и создании ряда отечественных и зарубежных перспективных дизелей. Однако поиск принципиально новых технических решений, переоснащение и повышение технологического уровня предприятий сопряжены с большими капитальными затратами.
В то же время существует реальная альтернативная концепция развития и совершенствования рабочего цикла дизеля без существенного изменения его базовой конструкции на основе применения методов физико-химического воздействия на внутрицилиндровые процессы.
Результаты экспериментальных исследований последних лет показали, что применение этих методов позволяет рационализировать спо-
собы организации рабочего процесса дизеля, усовершенствуя его одновременно по экологическим и топливно-экономическим качествам.
Согласно современным положениям теории сгорания, процесс окисления углеводородов является совокупностью цепочно-тепловых реакций. При этом ряд последовательных и параллельных цепных реакций протекают с большими скоростями, чем «прямая» реакция непосредственно по стехиометрическому уравнению. Это объясняется малой энергией активации компонентов, образующихся в ходе многостадийной реакции.
Таким образом, эффективно воздействовать на химическую кинетику процессов окисления топлива можно изменением реакционной способности среды реагирования, т. е. целенаправленным увеличением в ней активных частиц. Повышение концентрации активных частиц в реагирующей углеводородно-воздушной среде в камере сгорания представляется возможным путем введения в ее объем продуктов с реакционно-активными компонентами.
До настоящего времени механизм промоти-рованного самовоспламенения и сгорания угле-водородно-воздушных смесей в поршневых двигателях на теоретическом уровне изучен недостаточно, а список публикации по этому вопросу весьма ограничен. Однако экспериментально установлено, что процессы активации молекул окисления углеводородов весьма чувствительны
Статья поступила в редакцию 07.07.2005. The article has entered in publishing office 07.07.2005.
к воздействию даже незначительных доз активных компонентов и есть основание полагать, что введение в топливно-воздушную смесь даже небольших доз реакционно-активных продуктов позволит значительно расширить пределы оптимального управления процессами рабочего цикла дизеля, определяющими его эколого-эконо-мические показатели.
Особое место среди активизирующих средств, используемых в двигателях, занимает водород. Высокая эффективность его воздействия на рабочие процессы двигателя связана, в первую очередь, с необычайно высокой скоростью сгорания этого газа. Обращает на себя внимание и другое важное свойство водорода — проявление промо-тирующего эффекта в актах превращений углеводородов. В высокотемпературной стадии рабочего цикла дизеля молекула водорода диссоциирует с образованием реакционно-активных радикалов атомарного водорода.
Применительно к дизелям рассматриваются возможности использования водорода как в качестве самостоятельного вида топлива, когда дизельное топливо используется только в качестве запального, так и в качестве присадки к основному топливу. При этом отмечается улучшение экономических и токсических характеристик дизеля при работе с относительно большими добавками водорода (до 5 масс. % по отношению к основному топливу), так и при малых (0,020,1 масс. %).
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-экономичес-кие качества. В результате воздействия активирующих компонентов условная (кажущаяся) энергия активации основной массы топливно-воздушной смеси, характеризующая ее реакционную способность, уменьшается, что связано с уменьшением участия в суммарном химическом процессе реакций самозарождения, требующих больших энергий активации.
Влияние водорода на процессы окисления азота и сажевыделения в дизеле проявляется на различных стадиях рабочего цикла. Например, его реакционная активность обуславливает возможность расширения пределов воспламеняемости смеси, способствуя тем самым эффективному выгоранию зон, как с богатым, так и с бедным составом топливно-воздушных смесей. Отсюда следует вывод, что для условий рабочего цикла дизеля, когда воспламенение носит многоочаговый характер, присутствие в смеси реак-
ционно-активных продуктов уменьшает термодинамическую неоднородность реагирующей среды в объеме камеры сгорания из-за увеличения зон (очагов) воспламенения. При этом снижается количество зон с локальным максимальным уровнем температуры, являющихся «поставщи- й ками» N0^.. ^
Активация водородом предпламенных реак- * ций и снижение длительности индукционного | периода способствует уменьшению доли топли- -
и
ва, участвующего в воспламенении, соответству- | ющему снижению количества выделившейся теп- ^ лоты в объемной (кинетической) стадии быстро- =
а
го сгорания, и как следствие снижению теплового # эффекта, максимальной температуры цикла и, § следовательно, скорости окисления азота. ©
Присутствие в зоне реагирования дополнительного количества водорода приводит к снижению выхода N0^ с отработавшими газами, поскольку экспериментально установлено, что при сгорании топливно-воздушной смеси помимо окислительных реакций имеет место восстановление азота: 2^ + 2Н2 ^ N2 + 2Н2О.
Одновременно с этим, участие в диффузионном сгорании топлива химически не связанного водорода противодействует процессу сажевыделе-ния. Свободный водород проявляет свое влияние на механизм сажевыделения во всех фазах образования и выгорания частиц углерода. На стадии образования сажистых частиц водород инги-бирует процесс образования химического радикала — зародыша С2Н. В заключительной фазе цикла водород интенсифицирует процессы выжигания сажистых частиц благодаря образованию воды, выступающей в данном случае в роли окислителя углерода по реакции «мокрой газификации». Снижение сажевыделения в процессах сгорания топлива способствует уменьшению тепловых потерь за цикл и соответствующему повышению топливной экономичности дизеля.
Из рассмотренного выше следует, что участие в рабочем цикле водорода способствует качественному улучшению экологических показателей дизеля, по крайней мере, по двум основным компонентам отработавших газов — оксиду <с
<1
азота и сажи, которые, как известно, в сово- £
купности определяют суммарную токсичность ^
1!
дизельного выхлопа. Естественно, что количе- ^ ственно степень этого улучшения может быть | оценена прямым экспериментом на дизеле. §
Приведенный анализ возможных механиз- £
с
мов влияния водородсодержащих присадок на внутрицилиндровые процессы дизеля, безуслов- х но, не является исчерпывающим и не исключа- § ет другие виды их воздействия на сложный ме- 0 ханизм рабочего цикла.
Однако следует подчеркнуть, что при всех преимуществах применение водорода в дизелях сопряжено с рядом существенных трудностей. Основная проблема использования в качестве моторного топлива водорода — отсутствие инф-
раструктуры его производства в необходимых количествах.
До настоящего времени промышленностью не освоен выпуск малогабаритных энергоемких 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 энергоплотности — криогенный — уступает по этому показателю нефтяным топливам в несколько раз, не говоря уже о системах хранения и транспортирования.
Необходимо также решение проблемы безопасного хранения водорода на борту автомобиля. Один из наиболее приемлемых вариантов — использование в качестве энергоносителя не самого водорода, а безопасного и удобного сырьевого продукта, из которого непосредственно на борту автомобиля можно было бы путем термохимического преобразования получать газообразные продукты с высоким содержанием водорода. В качестве сырьевого продукта для получения водородсодержащего топлива, в принципе, может быть использовано традиционное моторное топливо, поскольку содержание водорода в нем составляет около 15 масс. %.
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 применении.
Отмеченные сложности, связанные с организацией процесса конверсии традиционных моторных топлив, вызывают необходимость поиска других сырьевых источников для получения водородсодержащих газов.
Рис. 1. Исходный вариант реактора: Т1...Тв — зоны измерения температур
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 температуру диссоциации и тепловых эффектов в эндотермических реакциях разложения (затраты тепловой энергии на преодоление внутримолекулярных связей), соизмеримые с температурой и энергией отработавших газов на выпуске двигателя. Очевидно, что в этом случае появляется реальная возможность использования «бесплатной» тепловой энергии отработавших газов для организации конверсионного процесса без дополнительного источника тепла.
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.
Вопросы получения водородсодержащего газа (синтез-газа) из метанола на теоретическом и практическом уровнях изучены в химических областях науки и техники. В публикациях подобные исследования нашли свое отражение относительно недавно, в основном применительно к двигателям с искровым зажиганием.
Исследование эффективности процесса
синтеза водорода при термохимическом преобразовании спиртового топлива в реакторе
Для генерирования водородсодержащих газообразных продуктов был разработан опытный образец термокаталитического реактора конверсии метанола (рис. 1).
В ходе разработки реактора был предложен более совершенный вариант (патент РФ 2175396), который обусловливает возможность использования для организации конверсионного процесса не только тепловой, но и химической составляющей энергии отработавших газов (ОГ), не реализованной в рабочем цикле дизеля — химической энергии продуктов неполного сгорания топлива (рис. 2). Такой эффект достигается пропусканием отработавших газов через каталитическую среду для доокисления продуктов неполного сгорания топлива (СО, СН и др.).
Краткая характеристика реактора конверсии:
■ объем реакционного пространства — 1,26 дм3;
■ коэффициент конверсии при объемных скоростях не более 3000 ч-1 — не менее 92 %;
Секция дожигания отработавших газов
Синтез-газ
Метанол
Отработавшие
Рис. 2. Модифицированный реактор
■ номинальная производительность по синтез-газу — 1,2 кг/ч, по водороду — 150 г/ч;
■ габаритные размеры реактора — 0340 х х 610 мм.
Исследование работы опытного образца термохимического реактора конверсии метанола включало в себя проверку его работоспособности, определение зоны устойчивой работы по выходу водородсодержащего продукта, производительности по основным (целевым) компонентам синтезированного газа и снятие рабочих характеристик, устанавливающих взаимосвязь состава получаемых в реакторе продуктов конверсии, степени конверсии метанола и температурного режима конверсионного процесса.
Система питания дизеля продуктами конверсии метанола
Для работы дизеля на дизельном топливе и продуктах конверсии метанола (ПКМ), разработан опытный образец системы питания (рис. 3).
Система работает следующим образом. Из бака 1 (легированная сталь) жидкий метанол подается топливным насосом 2 через фильтр 4, в реактор 11. Контроль и регулирование подачи газообразных продуктов конверсии метанола на впуск дизеля осуществляется по жидкой фазе. Для этого сразу за фильтром установлен регулятор расхода 5, работающий по принципу дроссельного устройства. Метанол вводится в термокаталитическую камеру реактора 11, через тепло-обменный модуль которой пропускается греющий теплоноситель (отработавшие газы двигателя).
Пройдя стадию термохимического преобразования, ПКМ через газовый клапан 8 подаются в смеситель 9. Смеситель формирует го-
Отработавшие газы <J=i
Воздух
могенную водородо-воздушную газовую смесь, которая поступает в цилиндры двигателя для организации рабочего цикла.
Испытательный стенд
На рис. 4 приведена схема испытательного стенда. Дизель 12 соединен посредством карданного вала с балансирной электрической машиной 13. Система впуска стенда включает воздушный ресивер 7, оборудованный газовым счетчиком 6 с воздушным фильтром 4. Воздушный ресивер 7 соединен с впускным коллектором дизеля 12. В выпускную систему стенда установлен реактор конверсии метанола 10, соединенный с выпускным коллектором дизеля и системой отвода отработавших газов испытательного стенда. В выпускном трубопроводе за реактором 10 смонтированы газоотборные узлы для подсоединения блока газоаналитической аппаратуры 8 (ГОСТ Р 41.49-2004). Система питания стенда дизельным топливом включает бак 1 и оборудо-
Рис. 3. Схема системы питания дизеля: 1 — бак для метанола; 2 — насос; 3 — блок управления; 4 — фильтр; 5 — регулировочный клапан; 6 — датчик частоты вращения коленчатого вала; 7 — датчик расхода дизельного топлива; 8 — датчик температуры отработавших газов; 9 — смеситель; 10 — газовый клапан; 11 — термокаталитический реактор конверсии метанола
Рис. 4. Схема испытательного стенда: 1 — бак для дизельного топлива; 2 — тахометр частоты вращения коленчатого вала; 3 — бак для метанола; 4 — воздушный фильтр; 5 — индикатор расхода воздуха; 6 — газовый счетчик; 7 — воздушных ресивер; 8 — блок газоаналитической аппаратуры; 9 — газовый клапан; 10 — реактор конверсии метанола; 11 — вентилятор системы охлаждения; 12 — дизель; 13 — балансирная электрическая машина; 14 — расходомер метанола; 15 — регулятор расхода метанола; 16 — фильтр; 17 — насос; 18 — расходомер дизельного топлива
вание, установленное на дизеле: топливный фильтр, топливный насос высокого давления и форсунки.
Одной из важнейших проблем нормального функционирования конверсионной системы является обеспечение ее необходимым количеством тепловой энергии и заданным уровнем рабочих температур в реакционном пространстве с целью достижения наибольшей глубины протекания процесса термохимического преобразования метанола и максимальной степени конверсии (фк).
При фк < 100 % в продуктах конверсии метанола на выходе их из реактора наряду с СО и Н2 содержатся пары не прореагировавшего метанола. В этом случае реакционные свойства парогазовой смеси, поступающей в двигатель, и характер их воздействия на процесс сгорания будут отличатся от показателей синтез-газа, что обусловливает необходимость дополнительного экспериментального уточнения.
Тепловые потери при проведении экспериментальных исследований были минимизированы применением высокоэффективной теплоизоляции стенок реактора на основе асбестового полотна и органической ваты.
В табл. 1 приведено поле температур экспериментального реактора конверсии метанола.
Условия полной конверсии метанола оценивали экспериментально следующим образом. При установившихся режимных параметрах двигателя увеличивали расход метанола через реактор до появления следов конденсата в кварцевой смотровой трубке, после этого расход метанола уменьшали до исчезновения следов.
Затем расход метанола через реактор фиксировали и в течение некоторого промежутка времени поддерживали неизменным. Отсутствие конденсата в кварцевой смотровой трубке позволяло считать полученное значение расхода соответствующим условию полной диссоциации метанола, так как отсутствовали пары непрореагировав-шего спирта.
К наиболее важным характеристикам каталитического реактора конверсии метанола относится зависимость степени конверсии от температуры в реакционной камере. Подобные характеристики могут быть получены только на основе эксперимента (рис. 5). Из рисунка видно, что практически полная конверсия метанола (фк « ~ 100 %) достигается в опытном реакторе при 310 °С и выше.
При температуре 300 °С процесс диссоциации близок к своему завершению (фк = 92%), что позволяет вполне обоснованно говорить о процессе конверсии как идеальном для условий реальной эксплуатации реактора в составе системы питания двигателя.
При этом выбранная каталитическая среда способствует началу процесса разложения метанола уже при температуре 240-250 °С, что обус-
Таблица 1
Показатели эффективности процесса конверсии метанола для различных нагрузочных режимов работы двигателя
Режим Температура в точках Состав синтез-газа, % Расход метанола, кг/ч
работы двигателя замера, °С (см. рис. 1)
n, мин 1 Ne, кВт T* T* T* Н2 СО СО Остаток СН3ОН
2000 5,1 345 315 410 53,3 38,8 1,1 6,8 0,27
2000 18,7 365 310 555 62,8 35,7 0,3 1,2 0,68
2000 40,6 320 270 580 61,0 38,1 0,4 0,5 1,2
* Т2 — температура реагирующей среды в начальной зоне развития реакций конверсии; Т3 — температура реагирующей среды в завершающей зоне реагирования; Т4 — температура теплоносителя в центральной камере реактора
100
230
250
270
290
310
330
f, °C
a
н2
_ ^ -----i
^ А г
CO
- - "
250
270
290
310
330
f, °C
Рис. 6. Зависимость эффективности процесса конверсии метанола от температуры в реакционном пространстве реактора
но отметить, что минимально допустимый уровень температуры, выше которого реакцию разложения метанола можно считать завершенной, соответствует 300...310 °С. Эти результаты близки к данным, полученным с применением наиболее эффективных известных реакторов конверсии метанола.
Анализ экономических показателей дизеля при работе на водородно-дизельном топливе
На рис. 7 отражено влияние относительного содержания в рабочем теле продуктов конверсии метанола и свободного водорода, содержащегося в них на экономические показатели (удельный эффективный расход теплоты дэфф) ис-
qe, МДж/(кВтч) 13
Рис. 5. Зависимость степени конверсии метанола от температуры в рабочем пространстве реакционной камеры реактора
ловливает возможность частичной конверсии метанола с выходом водородного компонента на низких нагрузочных режимах работы двигателя с дефицитом по температуре.
Из рис. 6 следует, что при температуре в рабочем пространстве реактора 300 °С содержание водорода QH в конверсионной смеси достигает 62 %, а максимально возможное — 65 %. Характер изменения содержания монооксида углерода QCO с ростом температуры аналогичен, и при температуре свыше 300 °С содержание СО близко к равновесному (35 %).
В целом, анализируя результаты предварительного экспериментального исследования характеристик реактора конверсии метанола, мож-
70 60 50 40 30 20 10
ответственно, водорода
(»H.)
Рис. 7. Зависимость экономических показателей дизеля от относительного содержания ПКМ и Н2 в составе смесевого топлива
следуемого дизеля для режима близкого к номинальному (Ре = 0,55 МПа, п = 2000 мин-1). Повышение экономичности цикла и снижение qe происходит по мере роста относительного содержания продуктов конверсии метанола и, со-
в составе смесево-
го топлива 5ПКм = [^ПиМ(тМ^т )]1°° %. Снижение qe наблюдается с ростом содержания 5ПКМ до 10 %, после чего оно приостанавливается и далее по мере роста 5ПКМ фиксируется даже некоторое повышение qe.
Это объясняется тем, что в точке 5ПКМ = 10 % обнаруживается энергетический баланс, когда потребляемая реактором тепловая энергия и располагаемый энергетический потенциал теплоносителя (отработавших газов) равны.
Дальнейшее повышение расхода метанола через реактор вызывает несоответствие темпера-турно-энергетического потенциала отработавших газов и энергетических затрат на конверсионный процесс. 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. Содержание этих паров непрореагировавшего спирта определяется как 100 - фк. В рассматриваемом случае процесс термохимической регенерации, достигнув определенного уровня, приостанавливается, а пары непрореагированного метанола, содержащиеся в ПКМ, не способствуют активации процессов рабочего цикла дизеля. Известно, что скорость и температура сгорания метаноло-воз-душных смесей заметно ниже, чем при сгорании дизельного топлива.
При фиксированном значении 8ПКМ была снята нагрузочная характеристика дизеля (рис. 8).
При Ре не более 0,2 МПа показатели дизеля при его совместной работе с реактором практически не отличаются от показателей работы на
<
КПД
0,3
с 0,28
0,26
пс 0,24
с 0,22
Pe, МПа
qe, МДж/(кВтч) 25
0,5 Pe, МПа
Рис. 8. Нагрузочная характеристика дизеля (а — коэффициент избытка воздуха):--при работе на
дизельном топливе;----при работе на водородно-
дизельном топливе
дизельном топливе). При дальнейшем повышении нагрузки и соответствующем росте температуры отработавших газов (ОГ) (свыше 280 °С) наблюдается постепенное улучшение экономических показателей двигателя благодаря тому, что реактор конверсии метанола постепенно начинает выходить на расчетный температурный режим.
При температуре отработавших газов свыше 300 °С эффективность конверсионного процесса фк « 100 %, что обусловливает 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.
Следует отметить, что улучшение топлив-но-экономических характеристик исследуемого дизеля, работающего совместно с системой предварительного термохимического преобразования спиртового топлива, обусловлено совокупным влиянием двух факторов: эффектом термохимической регенерации теплоты отработавших газов и улучшением кинетических показателей процесса сгорания (совершенствованием рабочего процесса). В данном разделе проблема термохимической регенерации теплоты отработавших газов подробно не рассматривается.
В общем 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 метанола 19,67 МДж/кг, а 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 энергии отработавших газов.
В ходе данного исследования для выделения доли участия в повышении экономичности двигателя 44 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, т. е. без использования тепловой энергии отработавших газов. Путем экстраполяции этих результатов применительно к условиям работы исследуемого двигателя 44 10,5/12 можно предположить, что топливная экономичность данного дизеля благодаря термохимической регенерации повышается на 4,5%. Следовательно, расход удельной эффективной теплоты из-за совершенствования рабочего процесса понижается на 4 %, что соответствует данным теоретического прогнозирования.
При работе дизеля на смесевом топливе коэффициент избытка воздуха а для сходственных нагрузочных режимов практически не изменяется вследствие того, что для конверсионных газов, содержащих в основном Н2 и СО, стехиомет-рическое соотношение равно 6,45 кг/кг, т. е. более чем в 2 раза меньше, чем для дизельного топлива. Тем самым компенсируется снижение содержания в заряде воздуха, замещенного продуктами конверсии метанола.
Анализ экологических показателей дизеля при работе на водородно-дизельном топливе
Выше был приведен анализ и обоснование механизмов действия водородсодержащих продуктов конверсии метанола на процессы рабочего цикла дизеля, определяющие его экологические качества. Экспериментальные исследования, описанные ниже, в полной мере подтвердили результаты этого анализа.
Экологические показатели, характеризующие качественное изменение рабочего процесса дизеля при его работе на смесевом топливе, в состав которого входит водород, представлены на рис. 9 и 10.
Öncv г/м3
ßcc- 0/0
4,0
3,5
3,0
Qco 0/
0,3
0,2
gc, ед. Бош
3,5
2,5
0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05
/
• / у
• -
^___
0,1
Qnc~ , г/м
0,2
0,3
0,4
МПа
Qc, ед. Бош
Рис. 9. Изменение содержания в отработавших газах токсических компонентов в зависимости от содержания ПКМ и водорода в смесевом топливе (Ре = 0,55 МПа, п = 2000 мин -1)
Из рис. 9 следует, что по мере повышения относительного содержания продуктов конверсии (водорода) в смесевом топливе содержание в отработавших газах основных токсических компонентов — оксидов азота QN0x и сажи QC — уменьшается. При этом содержание монооксида углерода QCО несколько возрастает, что объясняется тем, что ПКМ содержат этот газовый компонент, который при неполном сгорании в камере сгорания двигателя присутствует в составе отработавших газов на выходе дизеля.
Следует отметить, что при использовании модифицированного варианта реактора, конструктивно совмещенного с каталитическим дожигателем продуктов неполного сгорания, присутствие в выпускных газах дизеля монооксида углерода практически не обнаруживалось.
Из рис. 10 видно, что снижение содержания сажи и оксидов азота в отработавших газах наблюдается во всем диапазоне изменения нагрузочных режимов дизеля.
На режиме, близком к номинальному (Ре = = 0,55 МПа), присутствие в смесевом топливе водородосодержащих ПКМ способствует снижению содержания сажи в отработавших газах с 3,2 до 1,8 ед. Бош, т. е. на 45 %, при уменьшении содержания оксидов азота на 16 %.
Пониженное содержание сажи при водород-но-дизельном топливе предопределяет возможность его форсирования по пределу дымления.
х):
0,5 Pe, МПа
МПа
Рис. 10. Экологические показатели дизеля при его работе на традиционном и водородно-дизельном сме-севом топливе по нагрузочной характеристике (п = 2000
— при работе на дизельном топливе;
----при работе на водородно-дизельном топливе:
8пкм = 10%, §н2 = 1,25%
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 ниже 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 содержания N0^ и С.
Из теоретического анализа, подтвержденного данным экспериментом, следует, что для конкретно взятого дизеля эффективность конверсионного процесса (в том числе, расхода 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, с газотурбинным наддувом) и для двигателей с близкими к номинальному режимами работы применение исследуемого способа питания двигателя дает 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 отработавших газов дизеля. Чем выше этот потенциал, тем больше метанола можно преобразовать в водородсодержащий конвертированный продукт и тем выше эффективность его воздействия на внутрицилиндровые процессы, определяющие экологические и топливно-экономические качества двигателя.
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 дожиганием продуктов неполного сгорания. Эта дополнительная энергия, которая не была использована в цилиндре вследствие неполноты сгорания, характерной для любого дизеля, способствует повышению эффективности процесса конверсии метанола для более широкого диапазона рабочих режимов дизеля.
Применение рассмотренного способа организации рабочего процесса энергетической установки транспортного средства представляется весьма перспективным. Благодаря технологической простоте его реализация не требует серьезных технических разработок и финансовых вложений. Основной элемент конверсионной системы — реактор —представляет собой простейшую конструкцию теплообменного аппарата. Массовые и габаритные характеристики реактора, близкие к обычному глушителю, обеспечивают удобство его установки в выпускной системе двигателя.
Кроме того, по своему влиянию на показатели работы двигателя данный способ обладает свойствами многофункциональности. Направленный изначально на совершенствование процесса сгорания, он дает возможность одновременно
улучшить экологические свойства двигателя и частично заменить традиционныех нефтяные топлива альтернативными энергоносителями из возобновляемых сырьевых.
Анализ эколого-экономических показателей дизеля при работе на водородно-дизельном топливе в условиях эксплуатации
Очевидный интерес представляют сведения о свойствах исследуемой энергетической установки в условиях реальной эксплуатации на транспортном средстве. Эксплуатационные условия характеризуются чередующимися сменами нагрузочных и скоростных режимов. Для моделирования условий эксплуатации дизеля, работающего в составе транспортного средства, выбран 13-ступенчатый цикл по ГОСТ 41.19-2004, как наиболее адекватно отражающий характер и особенности эксплуатации.
В качестве базового объекта исследования принят дизель типа Д-144 колесного трактора, работающего большую часть периода эксплуатации в режиме транспортного средства (в сельском хозяйстве, на строительстве, в качестве внутрицехового транспорта и т. д.).
Расчет рабочего цикла осуществлен с использованием математической модели и программного обеспечения. Для каждого режима 13-ступен-чатого цикла был проведен расчет удельных выбросов оксидов азота при работе дизеля на дизельном топливе, ПКМ и диметиловом эфире (ДМЭ). ДМЭ считается весьма перспективным альтернативным энергоносителем для применения в дизелях. При расчете рабочего цикла дизеля, работающего на ДМЭ, для выбора исходных параметров были использованы опытные данные НИКТИД (Владимирский научно-исследовательский конструкторско-технологический институт тракторных и комбайновых двигателей).
Для расчета экологических качеств использовали результаты аппроксимации экспериментальных данных по выбросам СО, СН и РТ и расчетные данные по выбросам SO2 и С02 (табл. 2).
Расчеты для гипотетического дизеля, работающего на гомогенной смеси водородсодержа-
Таблица 2
Результаты расчета экологических показателей дизеля Д-144 по 13-ступенчатому испытательному циклу
Топливо Количество выбросов, г/(кВтч)
NOx CO* CH* РТ* SO2** CO2***
Дизельное топливо (ДТ) 8,88 3,06 0,96 0,48 1,12 897,4
10 % ПКМ + 90 % ДТ 7,22 4,41 1,02 0,57 1,01 891,9
ДМЭ 3,17 0,61 0,29 0,05 0,17 799,7
Гомогенная смесь синтез-газа и возЗаха 0,31 0,52 0,2 0,05 0,17 752,7
* аппроксимации опытных данных; ** содержание серы в ДТ принято 0,2 %; *** по углеродному балансу.
щих продуктов конверсии метанола (синтез-газа) и воздуха проведены с учетом все возрастающего в современной исследовательской практике интереса к данному перспективному способу организации рабочего процесса двигателя.
Расчет показал, что удельный выброс N0^ уменьшается для гомогенной водородно-воздуш-ной смеси в 28,7 раз, для ДМЭ — в 2,8 раза, смеси 10 % ПКМ + 90 % ДТ — в 1,23 раза по сравнению с дизельным топливом. Необходимо отметить, что в 13-ступенчатом цикле наибольший вклад в выброс N0^ оказывают режимы максимального момента и номинальной мощности.
По результатам предварительных исследований можно сделать вывод, что применение водо-родсодержащих газовых ПКМ на дизелях в каче-
стве добавок к основному заряду делает возможным решить актуальную проблему — совершенствование их эколого-экономических качеств.
По мере совершенствования конверсионных систем двигателестроительная отрасль получает альтернативную возможность радикального решения топливно-энергетической проблемы на основе полной замены традиционных топлив продуктами переработки сырья растительного происхождения, в том числе и метанола.
Аккумулирующая солнечную энергию биомасса является практически не ограниченной сырьевой базой для получения экологически чистого моторного топлива. Это обстоятельство должно стимулировать дальнейшее развитие исследований по поиску рационального решения этой проблемы.
НОВОСТИ НАУКИ И ТЕХНИКИ /¿^
СОЗДАН ПЕРВЫЙ В МИРЕ ДИЗЕЛЬ-ВОДОРОДНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Профессор Виши Кэрри (Vishy Karri) и его коллеги из «водородной» лаборатории HART Университета Тасмании построили первый в мире двигатель внутреннего сгорания, потребляющий водород и дизельное топливо одновременно.
По словам Кэрри, никто еще не пробовал организовывать смешивание и одновременное сгорание дизельного топлива и водорода прямо в цилиндре дизельного двигателя. Между тем, работа на такой смеси повышает мощность мотора на 20 % и сокращает выхлоп вредных веществ. Авторы новации предполагают, что такая измененная система «гибридного» питания пригодится, в первую очередь, не автомобилям, а стационарным дизель-генераторам, которые обеспечивают многие удаленные районы энергией.
Аппаратуру для смешанного питания водород-дизтопливо можно было бы специально выпускать и монтировать на уже существующие двигатели, тем самым заметно повышая их экологич-ность без существенных затрат.
Источник: membrana.ru
BMW GROUP ПРОДВИГАЕТ ТЕХНОЛОГИЮ ЗАПРАВКИ АВТОМОБИЛЕЙ ЖИДКИМ ВОДОРОДОМ
Водород как энергоноситель будущего способен заменить такие виды топлива, как солярка, бензин или природный газ. Поэтому BMW с 1979 г. работает над автомобилями с водородными двигателями внутреннего сгорания.
При разработке автомобиля недопустимо замыкаться в рамках предприятия, так как необходимо думать о создании мировых стандартов водородной инфраструктуры. Так, сотрудничество между BMW AG, GM и «Honda» направлено на разработку стандартизированной муфты для станций, на которых автомобили будут заправляться жидким водородом. Доктор Франк Охманн, руководитель проекта BMW «CleanEnergy», говорит: «Водород как топливо будущего сможет, получить повсеместное распространение, только если мы создадим удобную и стандартизированную заправочную технику».
Сотрудничая с водородной заправочной станцией в мюнхенском аэропорту, концерн BMW Group с 1999 г. накопил богатый опыт в области заправки водородных автомобилей. Другой проект — «CleanEnergy Partnership» — с заправочной станцией в Берлине является еще одной вехой на пути к созданию водородной инфраструктуры в Германии.
Источник: AutoNet
