CC BY
18Водород как химический реагент для совершенствования показателей работы автомобильного двигателя с НВБ
В.М. Фомин, профессор РУДН, д.т.н., А.С. Платунов, аспирант РУДН
Анализируются проблемные вопросы, связанные с перспективой разработки отечественных автомобильных бензиновых двигателей нового поколения с внутренним образованием смеси, которые стимулируют необходимость поиска средств и новых технических решений, приемлемых для российской автомобильной промышленности. В качестве альтернативного варианта предложен метод совершенствования показателей работы двигателя данного типа, основанный на использовании водорода в качестве химического реагента.
Ключевые слова: нейтрализатор накопительного типа, послойное образование смеси, химический реагент, водород, регенерация нейтрализатора, реактор конверсии метилового спирта, продукты конверсии.
Hydrogen as a chemical reagent for perfection of parameters of work of the automobile engine with direct injection of gasoline
V.M. Fomin, A.S. Platunov
The problem questions connected with prospect of development of domestic automobile petrol engines of new generation with internal formation of a mix which stimulate necessity of search of means and the new technical decisions comprehensible to the Russian motor industry are analyzed. As an alternative variant the method of perfection of parameters of work of the engine of the given type, based on use of hydrogen as a chemical reagent is offered.
Keywords: neutralizer of memory type, level-by-level formation of a mix, a chemical reagent, hydrogen, regeneration of neutralizer, a reactor of conversion of methyl spirit, products of conversion.
В
ысокии уровень топливно-эко-номических показателей бензи-
новых двигателеи с непосредственным впрыскиванием бензина (НВБ) стимулирует повсеместное стремление исследователей к их развитию и дальнейшему совершенствованию [1, 2]. В настоящее время на
международном рынке четко прослеживается постоянно растущий спрос на легковые автомобили с этими ДВС. Отметим, что практически все современные автомобили фирмы Volkswagen, импортируемые Россией, оснащены двигателями с НВБ.
В целях ликвидации сложившегося отставания в данной области отечественного двигателестроения и повышения конкурентоспособности некоторые российские научные центры и производители, несмотря на скудное финансирование, проводят работы по разработке ДВС с НВБ. Наряду с финансовыми проблемами перспективы производства и внедрения ДВС с НВБ на отечественном автомобильном транспорте связаны также с решением целого ряда серьезных технических и технологических проблем.
1. Работа двигателя с НВБ на режимах частичных нагрузок, характерных для условий городской езды (рис. 1), с послойной организацией заряда (а>>1) сопровождается выбросом в атмосферу оксидов азота вследствие потери восстановительной способности (нейтрализации N0^ традиционного бифункционального нейтрализатора.
2. Для снижения выбросов N0x серийных зарубежных ДВС с НВБ до уровня нормативных требований Евро-4 их изготовители вынуждены использовать дополнительную систему «вторичной» очистки накопительного типа, содержащую сор-бционный аппарат (нейтрализатор-N0^ и сложную схему управления. Нейтрализатор^0х с учетом его функционального назначения требует часто повторяющейся (примерно через каждые 60...70 с) регенерации, то есть удаления накопленных в нем соединений N0x и серы при рабочей температуре свыше 650 °С. Проблема усугубляется низким качеством отечественного бензина, в частности, повышенным содержанием в нем серы, что проявляется в снижении эффективности нейтрализатора^0х, активной сульфатизации каталитического блока, необходимости более частого проведения регенерации. Кроме того, при многократном повторении полной десульфатизации катализатора уже не достигается.
3. Проведение постоянно чередующейся высокотемпературной
Частота вращения вала двигателя —►
Рис. 1. Характерные эксплуатационные режимы работы автомобильного двигателя с НВБ: А - область работы на режимах с организованным гомогенным смесеобразованием при а = 1 (скоростная, загородная езда); В - область работы на режимах с организованным гомогенным смесеобразованием при а > 1 с регулируемой рециркуляцией ОГ (область переходных режимов); С - область работы на режимах с организованным расслоением гетерогенной смеси при а >> 1 с рециркуляцией ОГ (городская езда)
регенерации нейтрализатора сорб-ционного типа обусловливает необходимость резкого повышения температуры выпускных газов за счет кратковременного перевода двигателя на энергетически убыточный режим работы (угол зажигания -10° после ВМТ, а < 1), что негативно отражается на ресурсных и топлив-но-экономических характеристиках двигателя, а также на старении каталитического блока. Отечественный опыт показывает, что эксплуатация ДВС с НВБ в условиях российских дорог приводит к потере заявленной фирмой-изготовителем эффективности системы очистки по оксидам азота. Можно предположить, что в
этой ситуации проявляется пониженное качество российского бензина, но в любом случае для отечественных разработчиков перспективных ДВС с НВБ данная проблема потребует поиска адекватного решения.
4. Нерешенными проблемами для этих двигателей по-прежнему остаются снижение жесткости работы (шум) и эмиссии твердых частиц до уровня перспективных стандартов на режимах работы с организацией расслоения гетерогенной топливно-воздушной смеси, что свойственно дизельному процессу.
5. Устойчивая работа двигателя с НВБ на режимах с послойной организацией заряда возможна
Рис. 2. Схема, поясняющая концепцию реализации предлагаемого метода на двигателе с НВБ
в ограниченной области (см. рис. 1) изменения режимных параметров. Это связано с тем, что с повышением нагрузки и частоты вращения коленчатого вала ДВС располагаемое время на смесеобразование сокращается, цикловая продолжительность этого процесса в условиях гетерогенного заряда увеличивается, и в предельном случае часть смеси может оказаться неподготовленной к сгоранию. Сгорание становится прерывистым, режим - неустойчивым [1, 2]. Опыт эксплуатации ДВС с НВБ показывает, что даже в условиях городской езды возникает необходимость кратковременного перевода работы ДВС с режима послойного на режим гомогенного смесеобразования (режимы ускорения автомобиля), что сопровождается потерей топливной экономичности. Понятно, что при расширении области устойчивой работы двигателя с послойным зарядом необходимость в частом переводе его на менее экономичную работу с гомогенным зарядом в условиях городской езды может быть снижена.
6. Современные зарубежные автомобили с двигателями с НВБ имеют относительно высокую стоимость, в том числе вследствие оснащения их дорогостоящими комбинированными системами нейтрализации. При отсутствии собственного производства систем очистки выпускных газов от NOx накопительного типа с учетом их высокой стоимости и низкой надежности применение подобных систем на отечественном автомобильном транспорте малоперспективно. Поэтому поиск собственного адекватного по эффективности технического решения, способного заменить существующую зарубежную систему очистки ОГ, для перспективных отечественных двигателей с НВБ является актуальной необходимостью с учетом производственных возможностей и технологического состояния российского двигателестроения.
С учетом рассмотренного выше предлагается концепция, направленная на поиск рентабельного
(энергетически выгодный) метода решения обозначенного комплекса проблемных вопросов. В общем виде она может быть сформулирована следующим образом. С целью снижения содержания в ОГ NOx до уровня, позволяющего исключить из общей структуры комбинированной системы очистки нейтрализатор^Ох, к рабочему телу ДВС с НВБ при его переходе на режимы эксплуатации с послойной организацией смесеобразования добавляется химически активный реагент (рис. 2). При таком структурном преобразовании системы очистки ОГ автоматически исключается необходимость в организации высокотемпературных циклов для регенерации нейтрализатора^Ох и энергетически убыточных режимов работы ДВС, и, как следствие, улучшаются топливно-экономические и ресурсные характеристики ДВС. Благодаря применению химического реагента дополнительно прогнозируются снижение шума и выбросов дисперсных (сажевых) частиц, а также расширение области эксплуатационных режимов двигателя с послойным зарядом.
Обоснование выбора
химического реагента
В рамках реализации данной концепции предполагается использование синтезированного продукта с повышенным содержанием водорода в качестве химического реагента, обладающего уникальными физико-химическими свойствами, благодаря которым к настоящему времени повсеместно наметилось одно из сформировавшихся направлений применения водорода, а именно - его использование в различных комбинациях с углеводородными топливами [3-7]. Метод основан на известной способности водородного компонента в составе смесевой композиции к окислению (сгорание) в условиях существенно обедненной смеси благодаря тому, что энергия, необходимая для начала реакции окисления водорода, примерно в 10 раз ниже той,
Физико-химические свойства бензина и водорода
Свойства Бензин н2
Молекулярная масса, кг/моль 117 2,015
Плотность, кг/м3 670 0,086
Низшая теплота сгорания, кДж/кг 44000 120085
Стехиометрическое соотношение воздух-топливо, кг/кг 14,95 34,2
Пределы воспламенения (объемная доля), % 1,2...6,0 4,0.75
Ламинарная скорость распространения пламени, м/с 0,37...0.43 1,9.2,7
Энергия воспламенения, мДж 0.25 0.02
Коэффициент диффузии, см2/с 0,08 0,63
Толщина зоны гашения, мм 2,0 0,6
которая необходима для углеводородов (таблица).
Обогащение топливовоздушной смеси водородом можно рассматривать как метод направленного химического воздействия на экологические и кинетические показатели процесса сгорания. Результаты выполненных работ [3-7] показали, что реакционное влияние водорода столь велико, что при относительно небольших его добавках к горючей смеси представляется возможным реализовать такие показатели рабочего цикла, которые недоступны любому другому реагенту.
Водород обладает высокой скоростью диффузии, что обусловливает его способность за очень короткий промежуток времени образовывать с другими компонентами однородную смесь в цилиндре ДВС.
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 на кинетику сгорания смеси во всем объеме камеры сгорания (КС), включая ее периферийные зоны с обедненной смесью. Ясно, что полнота сгорания при этом возрастает, эмиссия токсических веществ снижается.
Однако при всех преимуществах водорода его широкое применение на транспорте в настоящее время сдерживается рядом объективных, еще не решенных проблем. Важным
фактором, стимулирующим широкое использование водорода, является фактор рентабельности. Современные дорогие и энергоемкие промышленные способы получения водорода, его компримирования или сжижения и транспортировки обусловливают существенные эксплуатационные затраты (более 2000 руб./кВт), которые делают водород пока еще не конкурентоспособным среди других видов энергоносителей. Существенной проблемой является отсутствие инфраструктуры производства и распределения водорода в необходимых количествах для его массового использования на транспорте.
Выход из этой ситуации может быть найден, если аккумулирование водорода на борту автотранспортного средства (АТС) осуществлять в химически связанном состоянии в виде жидкого химического соединения. Более предпочтительными для применения в ДВС являются соединения, имеющие уровни температуры диссоциации и тепловых эффектов в эндотермических реакциях разложения (затраты тепловой энергии на преодоление внутримолекулярных связей), соизмеримые с температур-но-энергетическим потенциалом ОГ на выпуске двигателя. В этом случае обусловливается реальная возможность утилизации «бесплатной» тепловой энергии ОГ для организации генерирования водорода, исключающая необходимость в дополнительном источнике теплоты. С учетом этого энергетически выгодно использовать легкие гомологи предельных
углеводородов (алканы), низшие спирты, простые эфиры и др. Выбор сырьевого продукта для бортового генератора водорода является компромиссом, учитывающим доступность продукта и его массовое производство, температурные условия конверсии, содержание водорода, образующегося при конверсии, и стоимость.
Этиловый и особенно метиловый спирты являются весьма дешевыми и удобными носителями водорода и уже относительно давно применяются в транспортных двигателях в качестве основных или частичных заменителей традиционных топлив. При этом в перспективе, очевидно, не исключается возможность применения в качестве средства бортового аккумулирования (хранение) водорода и ряда других продуктов по мере расширения развития технологий их получения и снижения стоимости.
Целесообразность использования метанола в качестве такого средства обусловлена повышенным содержанием водорода (его молекулярная доля в соединении СН3ОН составляет 2/3). Массовый показатель среды аккумулирования водорода в виде жидкого метанола составляет порядка 8,5 кг/кг Н2, то есть в 8,5 кг метанола содержится 1 кг водорода. Массовое содержание водорода в единице объема жидкого метанола почти в 1,5 раза превышает плотность жидкого криогенного водорода [4]. Для условий эксплуатации АТС важно также и то, что хранение водорода в химически связанном состоянии в жидкой среде обусловливает высокую безопасность АТС при аварийных ситуациях.
При формировании системы средств и технических решений, реализующих предлагаемую концепцию, были использованы хорошо зарекомендовавшие в исследовательской практике уже известные технологии изготовления бортовых генераторов водородосодержащего продукта. Эти технологии, разработанные в ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», МГТУ «МАМИ» и РУДН, были усовершенствованы
в последнее время с использованием результатов исследований, проведенных в рамках совместного сотрудничества в Институте катализа РАН и на Уральском химическом комбинате [3, 5, 6].
Анализ производительности бортовой системы генерирования водородосодержащих продуктов с учетом требований реализации предлагаемой концепции
Наибольшая глубина протекания химических реакций, обусловливающая максимальную степень конверсии фк метанола, может быть достигнута при определенном уровне энергетического состояния греющего теплоносителя (ОГ) и его температуры в реакционной камере реактора. Необходимость в интенсивном подводе тепловой энергии к реакционной зоне вызвана, прежде всего, проявлением высокого эндотермического эффекта реакции разложения метанола (4,2 МДж/кг). Тепловая энергия необходима также для организации и других вспомогательных этапов конверсионного процесса: на предварительное нагревание жидкого метанола до температуры кипения, его испарение, повышение температуры паров до уровня температуры диссоциации, а также на компенсацию неизбежных тепловых потерь в окружающую среду через стенки реактора. Анализ показывает [3, 5, 6], что общие затраты тепловой энергии на организацию полностью завершенного (фк ~ 100 %) процесса конверсии 1 кг метанола достигают 7 МДж.
По условию энергетического баланса располагаемая тепловая энергия греющего теплоносителя должна соответствовать энергии, затрачиваемой на организацию конверсионного процесса. Кроме того, современные катализаторы конверсии метанола обеспечивают условия полной конверсии (фк~ 100 %) при рабочих температурах порядка 300 °С, что определяет минимально возможный рабочий уровень температуры
выпускных газов двигателя, ниже которого реализация эффективного конверсионного процесса невозможна.
Поэтому оборудование автомобильного двигателя с НВБ системой генерирования водородосодержащих продуктов вызывает необходимость выявления условий эффективной ее работы в зависимости от режимов работы ДВС с организованным послойным распределением заряда. При этом ключевым вопросом реализации принятой концепции является обеспечение ДВС необходимым количеством водородосодержащего реагента для предельного уровня снижения N0 . Понятно, что макси-
х
мально возможный массовый расход метанола Gм, а, следовательно, и водородосодержащего продукта через реактор зависит от энергетических возможностей теплоносителя, то есть разности энтальпий ОГ на входе и выходе реактора. Ранее была получена зависимость [5], устанавливающая функциональную связь между максимально возможной производительностью реактора при условии завершенности конверсионного процесса Gм и режимными параметрами ДВС.
Было установлено, что производительность реактора возрастает с повышением нагрузочного и скоростного режимов ДВС вследствие увеличения расхода ОГ GОГ и их температуры ТОГ . Очевидно, отдельно взятому режиму при прочих равных условиях соответствуют определенные значения GОГ и ТОГ . Заметим, что в системе управления работой серийных ДВС с НВБ предусматривается штатная регистрация упомянутых выше параметров, а также моментов начала и завершения послойного смесеобразования, что облегчает организацию автоматического управления расходом водородосодержащих продуктов в системе питания ДВС. Ясно, что в этом случае нужно располагать конкретным алгоритмом управления расходом водородосодержащего продукта, который может быть функционально скоординирован с программой управления топливоподачей.
С учетом целевой задачи исследования производительность реактора конверсии по выходу водорода для конкретного режима работы ДВС должна совокупно удовлетворять:
• условию обеспечения необходимой добавки реагента к рабочему телу, обусловливающей максимально возможный уровень снижения эмиссии NOx на любом эксплуатационном режиме работы ДВС с послойной организацией смесеобразования (необходимое условие);
• условию энергетического баланса конверсионного процесса с учетом достаточности располагаемой тепловой энергии ОГ для компенсации энергетических затрат на организацию эндотермических реакций конверсии (достаточное условие).
Проведена предварительная оценка с последующей экспериментальной корректировкой возможности удовлетворения этим условиям для всего диапазона изменения режимов работы двигателя с послойной организацией смесеобразования (см. рис. 1) применительно к объекту исследования - двигателю с НВБ типа BAG автомобиля Golf фирмы Volkswagen. Для этого ДВС в соответствии со штатной программой управления (Motronic MED 7.1.1. фирмы Bosch) установлен диапазон изменения характерных режимов работы с послойной организацией заряда в следующем интервале изменения среднего эффективного давления ре и частоты вращения n:
а) минимальный предельный режим: ре = 0,1 МПа при n = 1000 мин -1;
б) максимальный предельный режим: ре = 0,4 МПа при n = 3000 мин -1.
Выбор оптимальной величины добавки реагента к рабочему телу - один из ключевых вопросов для успешной реализации концепции предлагаемого метода. Следует иметь в виду, что речь идет о процессах сгорания существенно обедненных смесей (а = 2,3...2,5), и различное количество водородного реагента в их составе неоднозначно проявляется в кинетике протекания этого процесса. Если
GH2P
G»2 не об »
г/ч
45 35 25
15
у У г
/
у /
/ .....1
/
8
16
Ne, кВт
24
Рис. 3. Необходимый часовой расход водородного реагента GH нео6 (1)
Н2 необ '
по условию предельного снижения эмиссии N0x и потенциальная производительность реактора по водороду GH (2) для условий работы двигателя BAG VW в области эксплуатационных режимов с послойной организацией смесеобразования
добавка Н2 значительная и по энергетическому эквиваленту соизмерима с основным топливом, то данный энергоноситель выступает в роли самостоятельного (равноправного) компонента смесевого топлива. Однако в этом случае приходится учитывать, что повышается уровень температуры рабочего тела и максимального давления сгорания и, как следствие, увеличивается эмиссия N0^ Процесс сгорания приобретает другой характер, если менее значительная добавка Н2 оптимизирована и согласована по условию предельного снижения эмиссии N0^ В этом случае влияние Н2 как химического реагента проявляется главным образом в кинетическом механизме окисления азота и активации сгорания обедненных смесей.
Многочисленными исследованиями [3, 5, 6] установлено, что оптимальная добавка водорода (бН необ) к рабочему телу по условию максимально возможного снижения эмиссии N0
х
должна соответствовать (по энергетическому эквиваленту) 1,8 % от основного топлива (бензин). Эти данные были получены при испытаниях двигателей, работающих на обедненных однородных (нерасслоенных) смесях.
Применительно к системе горения расслоенной смеси в первом приближении были использованы эти известные данные в качестве исходных
(с последующим уточнением экспериментом). С учетом этих данных при известных штатных характеристиках топливоподачи был разработан алгоритм управления расходом водорода необ = ?(Ы) в системе питания исследуемого двигателя по условию максимального снижения эмиссии оксидов азота (рис. 3).
Для указанного выше предельно низкого режима работы исследуемого двигателя с послойной организацией заряда были замерены расход ОГ GО|. и средняя температура ОГ на входе в реактор ТОГ . По условию завершенности конверсионного процесса максимально возможный массовый расход метанола через систему конверсии при замеренных параметрах теплоносителя определялся, исходя из [3, 6]. Установлено, что потенциальная часовая производительность реактора по потребляемому метанолу
G = 0,205 кг/ч. С учетом компонентном '
го содержания водорода в продуктах конверсии метанола (массовая доля 12,5 %) производительность реактора по водороду бН = 0,025 кг/ч. Следовательно, для данного режима работы ДВС обнаруживается некоторое превышение расхода генерируемого в реакторе водорода по отношению к необходимому расходу по условию предельного снижения эмиссии N0х (см. рис. 3).
NO*, млн "1
450
300
150
/
/ * / V //
/ и и
¡1
Эксперимент
350 360 370 380 390 ф, °ЛКВ
Рис. 4. Текущая концентрация NOx в продуктах сгорания двигателя BAG VW (режим с послойным смесеобразованием Рв = 0,4 МПа, n = 3000 мин -1): ■ исходный расчетный вариант;----расчетный вариант с водородным реагентом
Для максимально предельного уровня эксплуатационных режимов ДВС, работающего на расслоенном заряде, энергетические показатели теплоносителя GОГ и ТОГ становятся выше, что позволяет осуществить эффективную конверсию метанола с его расходом через реактор Gм = 2,74 кг/ч, с выходом водорода
р= 0,34 кг/ч. Из рис. 3 видно, что потенциальная производительность реактора по водороду для данного режима ДВС существенно превышает необходимый расход бН необ по условию максимального снижения эмиссии N0 .
х
По результатам предварительного анализа можно сделать вывод, что при работе ДВС во всей области эксплуатационных режимов с расслоением заряда потенциальная производительность реактора по водороду с гарантированным запасом обеспечивает необходимый расход реагента по условию предельно возможного снижения содержания N0х в ОГ. Избыточная потенциальная производительность реактора позволяет осуществлять в автоматическом режиме оптимальную инструментальную корректировку алгоритма управления расходом метанола (реагент) в реальных условиях эксплуатации.
Апробация предложенной концепции
Очевидно, что целесообразность практической реализации концепции предлагаемого метода, как альтернативного варианта взамен существующей сорбционной системы очистки ОГ ДВС с НВБ, может быть оправданной при условии, если его эффективность по снижению эмиссии NOx равнозначна эффективности заменяемой системы. Для обоснования этого условия проведено тестовое испытание в автомобильном Центре Auto Hansa (московский филиал фирмы Volkswagen).
На рис. 4. представлены результаты эксперимента и расчета образования NOx для двигателя типа BAG фирмы Volkswagen, работающего на режиме с организованным расслоением заряда. Расчеты текущей (по углу поворота коленчатого вала двигателя ф) концентрации NOx в КС проводились по методике, разработанной с учетом особенностей сгорания для системы с послойным распределением смеси.
При сгорании неактивированной (без реагента) расслоенной смеси результирующее содержание NOx в продуктах сгорания соответствует 710 млн -1. В присутствии водородного реагента окисление азота в КС
замедляется, и концентрация NOx в продуктах сгорания снижается на 35 % по сравнению с исходным вариантом (см. рис. 4). Здесь же приведены данные по экспериментально замеренной концентрации NOx в выпускных газах на выходе из ДВС, которые практически адекватно подтвердили эффективность воздействия водородного реагента на снижение эмиссии NO .
x
По результатам стендовых испытаний двигателя установлено также, что для минимально предельного режима выбросы NOx оказались незначительными в пределах точности измерения газоаналитической системы. При испытаниях на режиме холостого хода показания системы измерения NOx визуально не регистрировались, то есть оказались близки к нулевой отметке.
В ходе экспериментального исследования было выявлено, что применение водородного реагента обусловливает возможность расширения диапазона мощности для штатных эксплуатационных режимов с послойной организацией заряда более чем на 30 % при сохранении цикловой стабильности сгорания (идентичность воспроизведения чередующихся циклов на мониторе электронной системы индицирования).
Благодаря повышению реакционной способности смеси отмеченное улучшение экологических качеств исследуемого ДВС на режимах с послойной организацией заряда одновременно сопровождалось повышением показателей его топливной экономичности. По результатам испытаний ДВС BAG VW установлено, что применение добавки водородного реагента к рабочей смеси позволяет снизить удельный эффективный расход топлива в среднем на 3,3 %.
Снижение расхода топлива связано, как было зарегистрировано данными индицирования рабочего цикла, с особенностями тепловыделения (его длительность уменьшается), снижением тепловых потерь, повышением полноты сгорания существенно
обедненной смеси (особенно, на проблемной заключительной стадии сгорания расслоенного заряда) за счет повышения реакционной способности смеси.
Заметим, что дополнительное улучшение топливно-экономических показателей ДВС в условиях эксплуатации может быть получено благодаря тому, что из состава его системы выпуска устранен нейтрализатор накопительного типа, газодинамическое сопротивление которого в 2,5 раза выше по сравнению с малогабаритным реактором конверсии метанола. Как следствие - снижение газодинамического сопротивления выпускного тракта, уменьшение насосных потерь.
Следует заметить, что на повышенных нагрузочных режимах работы ДВС с гомогенным смесеобразованием (см. рис. 1) вследствие отсутствия нейтрализатора накопительного типа и выключения из работы реактора конверсии метанола уровень газодинамических потерь (противодавление) в системе выпуска еще более снизится. Поэтому следует ожидать более заметного снижения путевого расхода топлива во всем диапазоне изменения ездовых режимов автомобиля.
На завершающем этапе тестирования предлагаемого метода проведены испытаниях по ездовому циклу (New European Driving Cycle) автомобиля Golf VW с двигателем BAG с использованием водородного реагента.
Установлено, что в диапазоне режимов с послойным смесеобразованием по экологическим качествам этот автомобиль не уступает исходному (серийному) прототипу, полностью удовлетворяя нормам Евро-4 (рис. 5).
При проведении испытаний в соответствии с предложенной концепцией была использована система нейтрализации с упрощенной структурой (со штатным бифункциональным нейтрализатором, без нейтрали-затора^Ох), а система рециркуляции ОГ работала в штатном режиме.
Заключение
Таким образом, по результатам экспериментальной проверки концепции предложенного метода установлено, что работа двигателя с НВБ и использованием водородного реагента характеризуется стабильной работой в более широком диапазоне эксплуатационных режимов с расслоением заряда, чем при работе в штатном варианте. Установлено, что наблюдается практически полное отсутствие пропусков воспламенения и рывков при переходе с гомогенного режима работы на послойное (гетерогенное) смесеобразование.
Предлагаемая «водородная» концепция улучшения показателей работы ДВС с НВБ является, на наш взгляд, экономически (по стоимости системы нейтрализации) и энергетически (по затратам энергоносителя) наиболее выгодной, а, следовательно,
Рис. 5. Совокупные выбросы NOx за период ездового цикла New European Driving Cycle Правил 83-05 ЕЭК ООН (Евро-4) автомобилем Golf VW с двигателем BAG: • - • - • - с использованием водородного реагента и без накопительного нейтрализатора-NO^; -серийной комплектации
перспективной с учетом этих свойств. Улучшение экологических качеств ДВС с НВБ достигается с использованием небольшой химической энергии водорода по отношению к энергии всего израсходованного базового топлива (менее 2 %). Достаточно компактный и дешевый реактор конверсии метанола, включаемый в работу только на режимах ДВС с послойной организацией заряда, может обеспечить необходимое количество водо-родосодержащего газа для эффективной реализации предлагаемого метода. Примененный способ бортового аккумулирования водорода в химически связанном состоянии в жидкой среде обеспечивает высокую эксплуатационную безопасность АТС по сравнению, например, со способом баллонного хранения водорода.
Концепция реакционно-химического воздействия водородного реагента на процессы горения углеводородного топлива в составе существенно обедненных смесей является наиболее приоритетной, потому что только водород среди других известных химических реагентов обладает столь высокой эффективностью, позволяющей осуществить оптимальное управление кинетическими показателями рабочего цикла. Вследствие повышения реакционной способности обедненной гетерогенной смеси снижаются максимальное давление сгорания, скорость изменения тепловыделения и давления в КС (по данным индицирования рабочего цикла) и, как следствие, уменьшаются нагрузки на детали КШМ, уровень шума.
В рамках реализации предлагаемого метода можно спрогнозировать снижение совокупного расхода топлива автомобильного ДВС с НВБ в условиях городской езды по целому ряду факторов:
1. Вследствие отказа от сорбцион-ного нейтрализатора^Ох исключены энергетически затратные режимы работы двигателя (угол зажигания ~ 10° после ВМТ, а < 1), необходимые для его периодической регенерации.
2. Созданы условия для уменьшения количества переводов ДВС на менее экономичный режим гомогенного смесеобразования (а = 1) за счет расширения области эксплуатационных режимов его работы на расслоенных смесях.
3. Совершенствование кинетических показателей цикла и повышение полноты сгорания существенно обедненной смеси во всем (включая пристеночные и защемленные зоны) объеме КС.
4. Снижение уровня газодинамических потерь в системе выпуска и, как следствие, снижение путевого расхода топлива во всем диапазоне изменения ездовых режимов автомобиля.
По предварительной оценке прогнозируемое снижение совокупного расхода топлива автомобильного ДВС с НВБ в условиях городской езды составит не менее 5...7 %.
С учетом современного технико-экономического состояния отечественного автотранспортного комплекса и уровня технологической базы заводов-изготовителей данный метод обусловливает дополнительный ряд преимуществ. За счет использования высокоэффективного химического реагента при сохранении экологических качеств ДВС с НВБ удается отказаться от дорогостоящей накопительной системы очистки ОГ от N0
х
и снизить себестоимость системы нейтрализации по предварительной оценке на 40 %. Надежность и долговечность предлагаемой системы с упрощенной структурой становятся выше, чем у существующей комплексной системы очистки зарубежного производства. Отпадает необходимость существенного переоснащения отечественной технологической базы для производства сложных и дорогих компонентов комплексных систем нейтрализации ОГ, аналогичных зарубежным вариантам.
Благодаря исключению необходимости проведения высокотемпературных циклов регенерации ней-трализатора^0х снижается тепловая нагрузка и, как можно с уверенностью
предположить, предотвращается возможность термоусталостного разрушения наиболее теплонапряженных деталей КС двигателя, вследствие чего повышаются ресурсные характеристики ДВС.
Важным стимулом дальнейшего развития «водородной» концепции повышения эффективности ДВС транспортных средств является и то, что методологически схожие версии получают свое развитие и за рубежом. Например, в мировой исследовательской практике известен ряд работ (Justin Fulton и др.), посвященных проблеме использования баллонного водорода для совершенствования показателей работы автомобильных двигателей [7]. Очевидно, что подобный вариант подхода к решению обсуждаемой проблемы с бортовым баллонным аккумулированием водорода менее рентабелен и сопряжен с появлением сложных проблем эксплуатационной безопасности. Несмотря на отмеченные недостатки достигнутая совокупная экологическая эффективность (в рамках всего ездового цикла) от реализации указанных зарубежных вариантов «водородной» стратегии высока. Этот факт еще раз подтверждает наши предположения о перспективности обсуждаемого метода совершенствования показателей автомобильных ДВС с НВБ с помощью водородного реагента вне зависимости от того, с помощью каких технологических средств он получен.
В заключение следует подчеркнуть, что рассмотренные вопросы, связанные с разработкой перспективных отечественных двигателей с НВБ, стимулируют необходимость поиска средств и новых технических решений, приемлемых для отечественного двигателестроения. При этом следует отметить неприемлемость прямого копирования зарубежных решений в отечественной практике не только из-за высоких финансовых затрат для их реализации, но и с учетом отсутствия технологии и необходимых материалов для их производства, качества российского бензина и др.
Реализация успешного поиска экономически оправданных и эффективных решений обсужденных в данной статье вопросов, в том числе как альтернативы - на основе предлагаемого метода, позволит при минимальных финансовых затратах более оперативно решить актуальную проблему отечественного двигателестроения - создание российского автомобильного бензинового двигателя нового поколения с внутренним смесеобразованием.
Литература
1. Winterkorn M., Spiegel L., Bohne P., Sohlke G. Der Lupo FS1 von Volkswagen - so sparsam ist sportlich // ATZ.- N10.
- 2000. - Teil 1. - Р. 832-841.
2. Ando А., Noma К., lida К., Nakaya-ma О., Yamauchi T. Mitsubishi GDI Engine Strategies to meet European Requirements // Proceedi ngs AVL «Engine and Environment». - Graz. - 1997. - V. II. - P. 55-70.
3. Каменев В.Ф., Фомин В.М., Хри-пач Н.А. Теоретические и экспериментальные исследования работы двигателя на водородно-топливных композициях // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). - 2005. -№ 7. - С. 32-42.
4. Малышенко С.П., Назарова О.В. Аккумулирование водорода // Атомно-водородная энергетика и технология: сб. статей. / М.: Энергоатомиздат. - 1988.
- Вып. 8. - С. 155-205.
5. 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.
- No 5. - P. 834-840.
6. Фомин В.М. Системы химического воздействия на параметры рабочего цикла двигателя // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2004.
- № . - С. 34-38.
7. Justin Fulton. Hydrogen for cold starting and catalyst heating in a methanol vehicle // SAE Technical Paper Series. - 1995.
- No. 951956. - P. 2-12.
