Технические науки/5. Энергетика

К.т.н. Береснев А.Л., к.т.н. Береснев М.А.

Южный федеральный университет, Россия

Перспективы использования смесевого топлива из пропан-бутана и водорода для двигателей внутреннего сгорания

В современном мире, постоянное ужесточение требований к экологической безопасности и экономичности автомобилей является основным движущим фактором для развития двигателей внутреннего сгорания. Работы идут по многим направлениям, в том числе и в сфере поиска оптимального топлива для двигателя. По многим вариантам уже накоплен значительный опыт и для улучшения полученных результатов исследователи идут дальше, изучая свойства смесевых топлив, состоящих из нескольких компонентов, например метана и водорода или бензина и дизельного топлива.

В данной работе рассматриваются смесевые топлива на основе сжиженного углеводородного газа (СУГ), а именно пропан-бутана. Этот газ обделен вниманием научно-исследовательских институтов, хотя он может стать отличной ступенькой для перехода автолюбителей на альтернативные топлива. В России СУГ в два раза дешевле бензина и намного экологичней, а недорогие системы подачи этого топлива могут устанавливаться как на новые, так и на уже выпущенные автомобили. Из минусов можно отметить некоторое снижение мощности и, в определенных случаях, надежности двигателя. Устранение этих недостатков несомненно увеличит популярность этого альтернативного топлива и благотворно повлияет на экологическую обстановку в стране.

Смесевые топлива на основе СУГ

В попытке устранить недостатки сжиженного-углеводородного газа в Южном федеральном университете проведены подробные исследования смеси пропан-бутана и бензина. Получены уникальные результаты, которые можно рассмотреть с двух различных ракурсов. При сравнении с бензиновым двигателем были улучшены эффективных характеристики, снижены затраты на топливо и выбросы вредных веществ. По сравнению с газовым двигателем стоимость топлива и экологичность ухудшились, но значительно увеличилась эффективность [1].

После исследований стало ясно, что данная смесь не позволит получить автомобиль со сверхнизким выбросом вредных веществ (ULEV) и высокой мощностью одновременно. Но полученные наработки позволяют сделать прогноз о том, что заданные характеристики могут быть достигнуты смесью СУГ и водорода.

Водород является возобновляемым источником энергии, что обуславливает высокий интерес к нему со стороны автопромышленности. К сожалению, множество особенностей не позволяют создать водородное транспортное средство, которое заменит бензиновое. Однако в этом направлении ведутся интенсивные работы по всему миру, в том числе и по смесям различных топлив с водородом. Известны результаты по использованию смеси водорода с бензином, дизелем, природным газом [2,3,4]. К сожалению, отсутствуют работы по смеси водорода с пропан-бутаном.

Работа двигателя на смеси СУГ и водорода

Характеристики ДВС, работающего на смесевом топливе из СУГ и водорода можно спрогнозировать, основываясь на результатах работ по смесям бензина и водорода, а так же природного газа и водорода.

Добавка водорода при стехиометрической смеси, как правило, не приводит к значительному увеличению эффективности [4, 5]. И это увеличение с одной стороны тем меньше, чем больше доля водорода (вследствие его низкой плотности) и для природного газа меньше чем для бензина [5]. Пропан-бутан с одной стороны менее плотен, чем бензин, но с другой стороны скорость распространения фронта пламени у него больше чем у природного газа. Поэтом для СУГ можно ожидать промежуточных между бензином и природным газом значений порядка 3-5%.

Однако добавка водорода позволяет значительно увеличить предел обеднения топливно-воздушной смеси. И в этих условиях термический КПД двигателя намного выше (на 40% [2]) по сравнению со стехиометрической смесью как при использовании смеси бензина и водорода, так и при использовании смеси природного газа и водорода. Смесь СУГ с водородом предположительно также покажет хорошую эффективность при работе на бедных смесях.

Выбросы вредных веществ при добавке водорода значительно зависят он нагрузки на ДВС. Основным «проблемным» моментом для водорода является NOx. При низких нагрузках, выбросы NOx от смесевого топлива практически нулевые, однако они резко возрастают с увеличением нагрузки [6]. Вместе с тем есть результаты, что при использовании смеси 30% водорода и 70% природного газа было показано [7], что при стационарном положении дросселя выбросы NOx ниже, чем при работе на чистом природном газе. Предположительно, в одинаковых условиях, смесевое топливо из СУГ и водорода будет менее экологично, чем смесевое топливо на основе природного газа, за счет чуть большего количества вредных веществ, образующихся при горении СУГ. Количество HC также может быть уменьшено практически до нуля, CO и CO2 останутся практически неизменны.

Заключение

Таким образом при добавке водорода к СУГ могут быть улучшены как эффективные, так и экологические показатели ДВС, но конкретные значения этих изменений будут зависеть от соотношения/воздух-топливо, нагрузки на двигатель, долей водорода и СУГ в смесевом топливе, а также стратегии управления впрыском и зажиганием. Использование метода определения УОЗ, основанного на достижении максимума давления в цилиндре в целевом диапазоне обеспечит близкий к оптимальному КПД [1].

 

Литература:

1.                  Береснев М.А. Метод определения угла опережения зажигания для управления работой ДВС на бинарном топливе : дисс. … канд. техн. наук / М.А. Береснев; ВолГТУ. – Волгоград, 2013. – 143 с.

2.                  Suzuki T., Sakurai Y. Effect of Hydrogen Rich Gas and Gasoline Mixed Combustion on Spark Ignition Engine / Teruo Suzuki and Yoshihito Sakurai. - SAE Paper 2006-01-3379, 2006.

3.                  Tsolakis A., Megaritis A., Golunski E. Reaction Profiles during Exhaust-Assisted Reforming of Diesel Engine Fuels / A. Tsolakis, A.. Megaritis, S. E. Golunski. - Energy & Fuels, 2005. - Vol.19. - No.3. – С. 744-752.

4.                  Allenby S., Chang W-C., Megaritis A. и др. Hydrogen Enrichment: A way to Maintain Combustion Stability in a Natural Gas Fuelled Engine with Exhaust Gas Recirculation, the Potencial of Fuel Reforming / S. Allenby, W-C. Chang, A. Megaritis, M. L. Wyszynski. -  Proc Inst Mech Eng Part D, 2001. - Vol. 215. - NO.D3. - С. 405-418

5.                  Мищенко А.И. Применение водорода для автомобильных двигателей / А.И. Мищенко. – Киев : Наук. думка, 1984. – 143 с.

6.                  Atsushi S., Takao I., Shuichi K. Improvement of Thermal Efficiency Using Fuel Reforming in SI Engine / Atsushi Shimada, Takao Ishikawa, Shuichi Kajitani. - SAE Paper 2010-01-0584, 2010.

7.                  Hoekstra R., Blarigan P., Mulligan N., NOx Emissions and Efficiency of Hydrogen, Natural Gas, and Hydrogen/Natural Gas Blended Fuels / Robert L. Hoekstra, Peter Van Blarigan, Neal Mulligan. - SAE Paper 961103, 1997.