CC BY
45Ж ПРАКТИКА
Водородный впрыск
Валерий Терентьев: «Происходит резкое уменьшение вредных выхлопов и рост эффективности в режиме городской езды»
Российские ученые предложили способ кардинального повышения качества работающего на природном газе автотранспорта. Улучшение экономических, экологических и динамических характеристик традиционного двигателя внутреннего сгорания достигается за счет дополнительного впрыска водородсодержащего синтез-газа, который готовится в компактном катализаторе непосредственно на борту автомобиля. Наш журнал уже писал о презентации опытного автомобиля, который работает на смеси метана и водорода, во время автопробега газобаллонных автомобилей по маршруту Санкт-Петербург — Москва 17-19 сентября 2008 года. Об особенностях работы нового двигателя рассказывает Валерий Терентьев — сотрудник Российского федерального ядерного центра — Всероссийского НИИ экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ), город Саров Нижегородской области.
— Как возникла идея использования инициирующей примеси синтез-газа, производимого на борту автомобиля?
— Наша разработка — это наиболее практичный в сегодняшних условиях шаг к водородной энергетике, которая обещает кардинально изменить экологические свойства транспорта. Это своего рода компромисс, который позволяет использовать водород в качестве улучшающей добавки к обычному углеводородному топливу. Доля водорода в топливной смеси не превышает 5-10%, однако позволяет значительно повысить экологические и экономические свойства двигателя, особенно в условиях городского цикла.
Как известно, современный транспорт потребляет более 60% добываемого углеводородного топлива. При этом более 80% транспортных средств сосредоточено в городах и мегаполисах, которые в наибольшей степени страдают от вредных выбросов и неэкономичного транспорта. КПД современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) составляет 30-40% на номинальном режиме и 10-15% в режимах городского цикла. Отсюда и вытекает основная задачи модернизации транспорта, которую мы попытались решить: создать двигатель, который в режиме городского цикла обеспечивает минимальные вредные выбросы при относительно небольших затратах на модернизацию парка. В качестве базового топлива
выбран природный газ. Это доступное и дешевое топливо с высоким соотношением водород/угле-род, со стабильными характеристиками на заправочных станциях и легко поддающееся переработке в водородосодержащий газ.
— Значит, вы фактически отказались от традиционного для водородной энергетики пути — применения топливных элементов?
— Именно так. На наш взгляд, потенциал модернизации испытан-
ных временем двигателей внутреннего сгорания еще далеко не исчерпан. Все их совершенствования последних десятилетий касались в основном систем дозирования и выхлопа, и мало уделялось внимания процессу рабочего цикла двигателя в комплексе. Между тем двигатель стал столь ди намичным, что все процессы — дозирование, распыл, поджиг, сжигание топлива — могут происходить в сотые доли секунды, и традиционный бензин уже не поспевает за этими процессами. Зато
водород, обладая почти в восемь раз большей скоростью сгорания, чем бензин, является хорошим, но дорогим заменителем бензина.
Как известно, инициирующие действия центров сгорания подробно описаны в теории сгорания, разработанной академиком Я.Б. Зельдовичем. Воспользовавшись этими результатами, мы убедились, что сегодня нет необходимости в полной замене традиционного топлива более горючим водородом. Достаточно ввести в него 16% водорода, и процессы сгорания такой смеси существенно улучшаются. Это объясняется инициирующим воздействием водорода, который образует центры сгорания. При этом увеличивается эффективность двигателя и улучшаются его экологические характеристики.
— Л кто именно участвовал в разработке и почему вы пока отказались от модернизации бензинового двигателя?
— Участников немало. Прежде всего, это Институт катализа РАН,
наш РФЯЦ-ВНИИЭФ. Эксперименты проводились на АвтоВАЗе, НАМИ и ЗМЗ (г. Заволжье).
Для генерирования синтез-газа нами совместно с Институтом катализа был предложен способ каталитического частичного риформинга топлива с использова-ием доступных катализаторов как наиболее простой и дешевый. Первоначально мы рассматривали в качестве основного топлива бензин. Но его состав существенно различается, что приводит к резкому усложне-
Наша разработка — это наиболее практичный в сегодняшних условиях шаг к водородной энергетике, которая обещает кардинально изменить экологические свойства транспорта
62 ГАЗОХИМИЯ НОЯБРЬ-ДЕКАБРЬ 2008
■ НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.GAZOHIMIYA.RU
ИНТЕРВЬЮ Я
нию схемы генератора синтез-газа, к тому же выход водорода из бензина не самый лучший.
Гораздо более приемлемые результаты мы получили при использовании в качестве основного топлива природного газа, который сам по себе является хорошим моторным топливом. При этом выход водорода из него высокий и генератор получается сравнительно простым.
В качестве базового двигателя был выбран газопоршневой ДВС, имеющий наиболее отработанную технологию и материалы, низкую стоимость, высокую динамику, а также позволяющий при необходимости сравнительно быстро наладить серийное производство. Двигатели Ванкеля, Стирлинга не рассматривались из-за их недостаточной динамики и отсутствия подходящих для нас отечественных разработок.
Топливные элементы не рассматривались не только из-за отсутствия отработанной технологии, но прежде всего из-за ограничения сырьевой базы, чрезвычайно высокой стоимости и небольшого пробега на одной заправке.
Таким образом, технические и экономические ограничения определили основные цели и этапы нашей работы — создание дешевого,
компактного, динамичного реактора парциального окисления, на его базе — генератора синтез-газа с микропроцессорной системой управления, а также его сопряжение с ДВС.
— Каковы ваши выводы относительно перспективности работ, связанных с инициирующими добавками водорода?
— Наш анализ работ по повышению характеристик ДВС показал, что переход на инжекторную систему впрыска и применение многокомпонентных нейтрализаторов уже исчерпали свой потенциал, и необходимо разрабатывать новые технологии улучшения рабочего процесса ДВС. Стало очевидным, что ограничивающим фактором в рабочем процессе ДВС является неполное сгорание топлива, и вместо
того чтобы сжигать остатки топлива в нейтрализаторе, необходимо все топливо сжигать в камере сгорания.
Углеводородные топлива в современных ДВС не сгорают полностью. Наибольшую эффективность в этом смысле имеют дизельные ДВС, работающие на бедной смеси, однако отечественные искровые ДВС, в том числе газопоршневые, не работают на бедной смеси. Небольшая добавка водорода в 5-10%, который обладает высокой скоростью сгорания, позволяют, с одной стороны, избавиться от вредных выбросов, а с другой стороны, работая на бедных смесях, обеспечивать эффективность, сравнимую с лучшими дизельными образцами.
Наиболее простой и экономичный способ получения водорода — каталитическая конверсия природного газа. Из-за отсутствия водородных заправочных станций, а также для устранения таких недостатков водорода, как малая плотность и взрыво- и пожароопастность, конверсию целесообразно проводить на борту автомобиля путем парциального окисления или воздушной конверсии, не требующей специального окислителя. Парциальное окисление топлива является наиболее простым и дешевым способом
НОЯБРЬ-ДЕКАБРЬ 2008 ГАЗОХИМИЯ 63
Ж ПРАКТИКА
получения водородсодержащего синтез-газа на борту транспортного средства, не требующим дополнительных энергозатрат (по сравнению с конверсией в присутствии плазмы). Как показали эксперименты, добавки синтез-газа (смесь Н2 и СО) имеют такой же эффект, что и добавки чистого водорода, который дороже синтез-газа в 3-5 раз. Таким
образом, резкое улучшение качества сгорания за счет введения инициирующих добавок синтез-газа ведет к экономии топлива, возможности работы на обедненных составах и уменьшению вредных выбросов.
—Л какие основные элементы входят в ваш генератор синтез-газа?
— В блок конверсии топлива входят каталитический реактор, система запуска, рекуператор, система охлаждения. В систему подачи и дозирования рабочих компонентов
входят нагнетатель воздуха, датчик и регулятор расхода воздуха, газовые форсунки, смесители, датчики температуры. Система автоматического регулирования рабочих параметров действует на базе автомобильного контроллера. Катализатор для получения синтез-газа путем паровой конверсии углеводородов содержит оксид никеля и оксид маг-
ния, нанесенные на жаростойкий металлопористый носитель.
Блок конверсии для ДВС мощностью в 100 кВт весит около 9 кг. Ориентировочная стоимость при серийном производстве более 30 тысяч штук/год составляет всего 18 тыс. руб. По этой разработке получен патент на изобретение.
— Насколько близки ваши разработки к широкому практическому использованию?
Разработанные нами генераторы синтез-газа прошли демонстрацион-
ные стендовые испытания на АвтоВАЗе, НАМИ и ЗМЗ. Практически везде наблюдается не только резкое уменьшение вредных выхлопов, но и значительное (до 24%) увеличение эффективности в режиме городской езды. По оценкам специалистов АвтоВАЗа, это позволяет выполнить нормы по токсичности Евро-4 без применения каталитических нейтрализаторов и добиться общей эффективности на уровне топливных элементов.
Нам удалось добиться весьма высоких массогабаритных и динамических характеристик генератора синтез-газа для легкового автомобиля. Реактор имеет объем около 2,5 л, а запуск осуществляется всего за 35 секунд, что соизмеримо со временем прогрева нейтрализатора.
Первым шагом для широкого внедрения разработки может стать ее применение на городских автобусах. При этом генератор синтез-газа, установленный на автобусе, будет иметь практически такую же стоимость, что и для легкового автомобиля. Начать широкое использование нашей технологии можно было бы в городах с высокими требованиями по экологии, в частности на общественном транспорте и грузовиках в городе Сочи. ГХ
Начать широкое использование нашей технологии можно было бы в городах с высокими требованиями по экологии, в частности на общественном транспорте и грузовиках в городе Сочи
170 лет в машиностроении! '
Более 15 лет вместе с нефтегазовым комплексом СНГ!
Производство и поставка насосного (включая многофазные насосы] и технологического оборудования мирового класса для добычи, подготовки, транспорта и глубокой переработки нефти и газа. Технический сервис сложного турбинного, насосного и компрессорного оборудования; технологии поверхностной обработки и продления срока службы для деталей с интенсивным механическим и коррозионным износом.
SULZER
Представительство в Москве:
11Э0Э4 Россия, г. Москва, ул, Остоженка, 6, стр. 3. этаж 3 Тел.:+7 [495] 363 24 60 Факс: +7 [495] 363 24 59 E-mail: [email protected] www.sulzer.com
64 ГАЗОХИМИЯ НОЯБРЬ-ДЕКАБРЬ 2008
