УДК 542.93;542.973
ПРИМЕНЕНИЕ СИНТЕЗ-ГАЗА В КАЧЕСТВЕ ДОБАВКИ К ОСНОВНОМУ ТОПЛИВУ В ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
© 2011 г. В. А. Кириллов, Н. А. Кузин, В. В. Киреенков, Ю. И. Амосов, В. А. Бурцев**, В. К. Емельянов***, В. А. Собянин*, В. Н. Пармон
Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, г. Новосибирск vparmon@catalysis.ru * Новосибирский государственный университет sobyanin@catalysis.nsk.su
**Рыбинская государственная авиационная технологическая академия им. П.А. Соловьева, Ярославская область
v_burtsev@mail.ru ***Международный научно-технический центр, Москва Поступила в редакцию 18.10.2010 г.
Для решения задач создания энергоэффективных двигателей внутреннего сгорания с минимальной эмиссией СО, СО2, СН и N0^ предложен и экспериментально проверен в стендовых и дорожных условиях способ получения водородсодержащего газа на борту транспортного средства с его последующей добавкой к основному топливу, подаваемому в двигатель. Для реализации способа разработаны катализаторы конверсии углеводородных топлив в синтез-газ и конструкция компактного бортового генератора синтез-газа, размещаемого под капотом автомобиля, а также система управления бортовым генератором, адаптированная с системой управления двигателем транспортного средства. Экспериментально показано, что предлагаемое решение позволяет в условиях городского цикла снизить расход топлива в зависимости от режимов работы на 13—40% и значительно снизить выбросы СО, СО2 и N0^. Дана оценка перспектив применения разрабатываемой технологии для создания энергоэффективных экологически чистых двигателей.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время автомобильный транспорт стал основным источником загрязнения воздуха в крупных городах мира. Достигнутые даже лучшими производителями автомобилей уровни удельного расхода топлива и токсичности отработанных газов автомобилей остаются неудовлетворительными. Это приводит к постоянному ужесточению экологических норм на эмиссию вредных выбросов и, как следствие, к интенсивной работе по усовершенствованию искровых двигателей внутреннего сгорания и переводу автомобилей на газообразные виды топлив.
Традиционный способ снижения вредных выбросов сводится к установке в выхлопной системе транспортного средства "трехкомпонентных" дорогостоящих каталитических нейтрализаторов на основе платиноидов, которые обеспечивают дожигание угарного газа и остатков углеводородов и снижение концентраций оксидов азота в отработанных газах автомобиля до установленных норм [1]. Тем не менее использование таких нейтрализаторов не решает проблему снижения эмиссии СО2, увеличивает стоимость автомобилей и снижает эффективность двигателя. Иными словами, общепринятый
подход к снижению вредных выбросов направлен на борьбу со следствием принципиальных недостатков сжигания топлива в двигателях. Очевидно, что более научно обоснованным подходом к устранению этих недостатков явился бы переход на новые принципы сжигания углеводородных топлив. Такие подходы разрабатывались для искровых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с камерами (режимами) сгорания обедненных топлив как у нас в стране, так и за рубежом, однако по ряду причин до сих пор не используются в массовом автомобилестроении.
Известно, что в городских условиях эксплуатации ДВС автомобиля продолжительное время работает на малых и средних нагрузках, сопровождающихся при этом "пережогом" топлива и значительными выбросами вредных продуктов сгорания. Например, для автомобиля с номинальной мощностью 50—100 кВт средняя используемая мощность при городской езде составляет не более 10 кВт, а реальный коэффициент полезного действия двигателя не превышает 15% вместо 30% при номинальной мощности [2]. Таким образом, использование обедненной топливной смеси в городском цикле езды способно обеспечить значительную экономию углеводородного топлива и, как следствие, снижение
выбросов углекислого газа с одновременным улучшением экологических характеристик ДВС. При этом главной проблемой является обеспечение устойчивой работы двигателя без существенной потери мощности.
Принципиальным шагом к повышению эффективности ДВС с искровым зажиганием и наиболее целесообразным подходом к решению указанной проблемы могла бы стать добавка высоко реакци-онноспособного водорода к бедным топливным смесям при их сгорании в ДВС. Тем не менее, прямое применение баллонного водорода на массовых транспортных средствах помимо очевидных неудобств использования двух видов топлив на борту ограничено и отсутствием необходимой инфраструктуры для заправки транспорта водородом. Поэтому более практичным вариантом могло бы быть получение водородсодержащего газа из основного топлива непосредственно на борту автомобиля во время работы двигателя. Простейший вариант генерации водородсодержащего газа на борту — это получение "синтез-газа" (смеси водород—угарный газ) путем каталитический конверсии части основного топлива. Особенно целесообразен такой подход для России с ее огромной территорией и полным отсутствием водородных заправок. Применение бортового генератора водородсодержащего газа позволяет реализовать все преимущества применения водорода при сжигании обедненных топливных смесей и одновременно снижает взрывоопасность использования водорода.
Идея использования водорода в виде добавок к топливным смесям не является новой. Так, еще в 80-х гг. прошлого века в СССР был проведен обширный цикл исследований по водородным ДВС [3]. По результатам этих исследований был сделан вывод о перспективности перевода автомобильных двигателей на применение водорода в комбинации с традиционными видами моторных топлив. Одновременно были выявлены проблемы хранения водорода, безопасности его использования и сложности смешения водорода с основным топливом. Нерешенность этих проблем отодвинула реальные перспективы применения водорода в качестве компонентов топлива для ДВС.
В США в 1973—1975 годы были осуществлены испытания автомобиля "Шевроле" с двигателем рабочим объемом 5.75 л, оснащенным дополнительно генератором синтез-газа [4]. Они показали возможность снижения расхода бензина на 26% при движении в условиях "Федерального ездового цикла СУ8-3". Однако данная разработка не смогла найти массового применения в связи с низким ресурсом использованных катализаторов получения синтез-газа, длительностью запуска бортового генератора и высокими концентрациями N0^, образующимися при сгорании топлива с большими количествами добавленного водорода.
В последующие годы с различной степенью периодичности [5, 6] проводились исследования по различным вариантам применения водорода в качестве добавок к основному топливу для ДВС. Результаты этих исследований показали, что добавки водорода, например, к природному газу в количествах, не превышающих 20 об. %, обеспечивают снижение эмиссии СО, СН и N0^ в выхлопных газах искровых ДВС, но одновременно снижают термическую эффективность двигателя в связи с меньшей энергетической объемной плотностью водорода. Увеличение добавок водорода приводит к увеличению образования оксидов азота и возникновению критических явлений типа обратных вспышек водородсодержащего топлива, для подавления которых необходимо использовать рецикл по отходящим газам. Стало также очевидным, что использование в искровых ДВС обедненных топливных смесей переменного состава требует оптимизации процессов сжигания, что само по себе является достаточно сложной задачей, требующей разработки новых технических решений. По-видимому, данные проблемы стали одной из основных причин, что, несмотря на очевидную перспективность, казалось бы, такого простого решения, оно так не вышло из стадии лабораторных и стендовых испытаний.
Таким образом, успех применения водородсо-держащего газа в качестве добавки к основному топливу к перспективным ДВС непосредственно связан с решением целого комплекса принципиальных научно-технических задач. К ним, в первую очередь, относятся:
разработка новых типов блочных структурированных катализаторов конверсии углеводородных топлив в синтез-газ;
разработка компактных бортовых генераторов синтез-газа, размещаемых под капотом автомобиля и обеспечивающих минимальное время запуска генератора;
разработка системы управления бортовым генератором синтез-газа, адаптированной с системой управления двигателем транспортного средства;
решение технических вопросов, связанных с конкретной реализацией задач оптимального управления бортовым генератором синтез-газа и двигателем внутреннего сгорания;
осуществление полного комплекса необходимых лабораторных, стендовых и дорожных испытаний;
оценка перспектив применения разрабатываемой технологии для создания энергоэффективных экологически чистых двигателей внутреннего сгорания.
Настоящая статья посвящена анализу современного состояния в решении указанных задач на основе опыта отечественных разработчиков.
РАЗРАБОТКА БЛОЧНЫХ СТРУКТУРИРОВАННЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ КОНВЕРСИИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ В СИНТЕЗ-ГАЗ
Разнообразие углеводородсодержащих топлив, применяемых в современных транспортных средствах и специфика эксплуатации катализаторов в составе бортовых генераторов синтез-газа, требуют наиболее простых, с точки зрения их реализации, способов конверсии топлив в синтез-газ и создания достаточно универсальных катализаторов конверсии этих топлив. Так, при использовании в качестве топлива природного газа наиболее перспективным вариантом конверсии является парциальное окисление газа на никельсодержащих катализаторах СН4 + 1/202 ^ 2Н2 + СО. В случае использования жидких углеводородных топлив, таких как бензин, дизельное и биодизельное топлива, а также биоэтанола и биотоплива, получаемого из пиролизного масла и смесевых топлив на их основе наиболее перспективным вариантом является автотермическая конверсия (автотермический риформинг):
топливо + 02 + вода ^ хН2 + уСО.
При этом для осуществления автотермической конверсии желательно также использовать рецикл (возврат) части выхлопных газов двигателя, что позволяет решить проблему подачи водяного пара в бортовой генератор для проведения конверсии. Возможность коксования катализаторо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.