Экология "В поисках альтернативных видов топлива"
Одним из перспективных вариантов решения комплексной задачи одновременного снижения выбросов токсичных компонентов с отработавшими газами и повышения экономичности автомобильных двигателей представляется их перевод на питание альтернативными видами топлива. Новейшие разработки в указанном направлении были представлены участниками 7-ой Международной конференции «Двигатели для российских автомобилей», прошедшей в Москве во время августовского «Мотор Шоу-2005».
Актуальная проблема
Высокие темпы развития промышленности привели к резкому увеличению потребления топливно-энергетических ресурсов, особое место среди которых занимает нефть, играющая сегодня доминирующую роль в мировом энергетическом балансе. Более 90 % всех видов транспортных средств используют сегодня в качестве топлива продукты её переработки – бензин и дизельное топливо. Ежегодное потребление сырой нефти в мире составляет около 3,4 млрд т. Эксперты прогнозируют двукратное увеличение численности транспорта за последующие 20 лет и такое же увеличение потребления нефти. Если рост парка автомобилей будет идти такими темпами, то разведанных запасов нефти хватит примерно на 40 лет. Разработка труднодоступных месторождений увеличит себестоимость добычи, а следовательно, и стоимость сырой нефти. Поэтому поиск альтернативных видов топлива для силовых теплоэнергетических установок повсеместно рассматривается как одно из наиболее актуальных направлений, связанных с ресурсосбережением традиционных видов энергоносителей.
Другая, не менее важная проблема – проблема загрязнения окружающей среды из-за токсических выбросов транспортных средств. Поэтому выбор того или иного альтернативного энергоносителя обусловлен обязательным требованием к его экологическим качествам.
Как указал в своём выступлении заведующий отделом «Газовые двигатели» ФГУП НАМИ к. т. н. В. А. Лукшо, топлива для автотранспорта могут рассматриваться в качестве альтернативных при наличии нескольких условий. Первое из них – наличие и доступность сырьевых ресурсов. В будущем предпочтение будет отдаваться топливам, вырабатываемым из возобновляемых источников энергии. Кроме того, большое значение придаётся разработке и совершенствованию технологий и оборудования для производства топлива в коммерческих объёмах, что обеспечит максимально низкую его стоимость, в том числе и в процессе его транспортировки, хранения и распределения. Следует учитывать и тот факт, что с применением альтернативных топлив необходимо уделять внимание потребительским качествам автомобиля, в частности приемлемым мощностным и экономическим параметрам двигательных установок. И, наконец, топлива должны быть экологически безопасны как при производстве, транспортировке, хранении и заправке, так и при сгорании в двигателях.
С мотором на диметилэфире
По мнению В. А. Лукшо, из списка перспективных альтернативных топлив для ДВС особого внимания заслуживает диметиловый эфир (ДМЭ). Интерес к этому виду моторного топлива обусловлен тем, что в последние годы химической промышленностью разработаны новые технологии его получения из метана. В перспективе это синтетическое топливо сможет заменить традиционное дизельное топливо.
Результаты изучения различных аспектов применения ДМЭ для дизелей дают основания для оптимистических прогнозов. Ведь по сравнению с другими альтернативными топливами и даже дизельным он обладает рядом преимуществ. К основным из них относят пониженную склонность к сажеобразованию при горении и практически полное отсутствие дымности отработавших газов.
Итоги моторных испытаний дизелей, работающих на ДМЭ, показали возможность значительного уменьшения уровня выброса вредных веществ с отработавшими газами. Так, например, по окислам азота было отмечено снижение выброса в 3-4 раза при практически бездымной работе двигателя на всех режимах. Причём при эксплуатации на ДМЭ наблюдалось сохранение, а на некоторых режимах и повышение на 5 % эффективного КПД дизеля по сравнению с работой на дизтопливе.
Недостатки ДМЭ заключаются в пониженной теплоте сгорания единицы объёма топлива и меньшей его вязкости по сравнению с дизтопливом. Последнее предполагает доводку топливоподающей аппаратуры для обеспечения её противозадирных качеств и повышения долговечности.
При разработке системы питания ДМЭ учитывался ряд специфических особенностей применения нового вида топлива. В частности, его следует впрыскивать в цилиндры в жидком виде, для чего требуется поддерживать в системе избыточное давление, превышающее давление насыщенных паров в самой нагретой зоне подкапотного пространства на величину не менее 0,5 МПа. Объёмная величина цикловой подачи ДМЭ должна быть увеличена не менее чем в 1,6 раза из-за меньшего его энергосодержания и меньшей плотности по сравнению с дизтопливом. Поскольку ДМЭ, в отличие от дизтоплива, обладает более низкой вязкостью и плохими смазочными свойствами, в топливо вводят специальные противозадирные присадки. Кроме того, ДМЭ отличается высокой коррозионной агрессивностью к некоторым материалам и покрытиям, что обусловливает их замену на другие, более стойкие к агрессивной среде.
В связи с обозначенными обстоятельствами перевод обычных дизелей на работу на ДМЭ предполагает модернизацию существующей топливоподающей аппаратуры, направленную на увеличение объёмной подачи топлива. Кроме того, следует принимать специальные меры, исключающие появление газообразной фазы в топливных магистралях и насосах. В частности, предусматривается введение элементов безопасности, а также замена топливных баков на баллоны низкого давления.
Принятая на сегодняшний день схема системы питания дизеля (рис. 1), переоборудованного для работы на ДМЭ, выглядит следующим образом. Указанное топливо хранится в баллоне, оснащённом наполнительной и контрольно-предохранительной арматурой, по конструкции аналогичной применяемой в автомобильных баллонах для сжиженного нефтяного газа. В баллон встраивают погружной электрический насос. Из указанного резервуара ДМЭ в жидкой фазе поступает на вход топливоподкачивающего насоса с электроприводом. По манометру, устанавливаемому между топливным насосом и ТНВД, контролируется давление жидкого ДМЭ. Оно должно быть выше давления насыщенных паров на величину, зависящую не только от расхода топлива в цилиндры дизеля, но и от расхода топлива, регулируемого перепускным клапаном и прокачиваемого через полости низкого давления ТНВД. Поэтому после того, как ДМЭ проходит через электромагнитный клапан в ТНВД, одна часть топлива через топливопроводы и форсунки подаётся в цилиндры двигателя. Другая же его часть прокачивается через полости низкого давления ТНВД, перепускной клапан и электромагнитный клапан в баллон.
С целью проведения эксплуатационных испытаний было переоборудовано 10 «Бычков», принадлежащих ГУП «Мосавтохолод». По их результатам удалось обнаружить несколько дефектов. Причём наиболее серьёзной оказалась проблема, связанная с возникновением на ряде рабочих режимов так называемых «провалов» в работе двигателя после его прогрева, наиболее часто проявляющихся при повышенных температурах окружающей среды. Изучение этого явления показало, что нестабильная работа двигателя при изменении его температурного режима была обусловлена появлением паровых пробок в нагнетательных трубопроводах между насосом и форсунками, когда остаточное давление в топливопроводе опускалось ниже давления насыщенных паров ДМЭ.
Работы по устранению этой и других проблем выполнялись в двух направлениях. Во-первых, требовалась доводка конструкции ТНВД. Кроме того, следовало усовершенствовать конструкции таких важных элементов линии низкого давления, как топливоподкачивающий насос, перепускной клапан и т. д.
Наиболее значимые конструктивные изменения, коснувшиеся ТНВД, свелись к следующим мероприятиям. В 2 раза пришлось уменьшить величину разгрузочного объёма нагнетательных клапанов в ТНВД путём уменьшения высоты разгрузочного пояска каждого клапана. Давление начала впрыска было понижено до 120 бар против первоначально установленных 180 бар. Для реализации увеличения объёмной подачи ДМЭ был увеличен ход рейки топливного насоса в рабочем диапазоне нагрузочных режимов. С целью отвода просачивающегося из надплунжерной полости ДМЭ в картер насоса на боковой поверхности каждого из плунжеров была введена кольцевая канавка, соединённая с дополнительно просверленным каналом во втулке плунжера. Эффективность проведённых мероприятий была подтверждена экспериментально в ходе дорожных испытаний автомобиля.
На водородном топливе
В докладе, представленном профессорами МГТУ «МАМИ» С. В. Бахмутовым и А. Р. Макаровым, а также специалистами ФГУП «НАМИ» проф. В. М. Фоминым и к. т. н. Н. А. Хрипачом, обсуждается проблема применения водорода в качестве частичного или полного заменителя традиционного моторного топлива для двигателей АТС.
Возможными вариантами решения этой задачи представляется использование водорода или водородного газа. Учитывая огромные ресурсы водорода в природе и возможности его получения из возобновляемых сырьевых источников, немаловажную роль играет то обстоятельство, что при использовании его в качестве топлива для автотранспорта создаются предпосылки практической неисчерпаемости названного энергоносителя. Ведь аккумулирующая солнечную энергию биомасса в перспективе может служить неограниченной сырьевой базой для получения экологически чистого моторного топлива.
Следует отметить и то, что при использовании топлив из растительной массы в энергоустановках поддерживается баланс СО2 в атмосфере, поскольку его выбросы с продуктами сгорания компенсируются в процессах фотосинтеза при выращивании биологического сырьевого продукта. А это дополнительно способствует решению одной из важнейших экологических проблем – проблемы парникового эффекта.
Водород обладает чрезвычайно высокой энергоёмкостью, почти в 3 раза большей, чем у традиционных нефтяных топлив, уникальными кинетическими характеристиками сгорания. Однако при всех своих преимуществах применение чистого водорода в качестве топлива для двигателей пока связано с рядом трудностей. Основная проблема заключается в нынешнем отсутствии инфраструктуры его производства в необходимых количествах. Помимо этого, требуют решения вопросы рационального выбора экономически оправданных и безопасных средств хранения водорода на борту автомобиля. Заметим, что на сегодняшний день разработаны и испытаны 3 основных способа его хранения: в виде сжатого газа в баллонах высокого давления, в сжиженном виде в криогенных резервуарах и в связанном состоянии в металлогидридных аккумуляторах.
Наиболее простым и не требующим разработки новой технологии представляется способ хранения водорода в баллонах при высоком давлении. Серийно выпускаемые металлические резервуары рассчитаны на давление от 10 до 40 МПа и аккумулируют порядка 0,7-1,3 % водорода от их массы. Массово-габаритные показатели такой системы хранения могут быть улучшены за счёт использования более лёгких баллонов из композитных материалов и повышения давления в них до 70-100 МПа. Хотя такой способ хранения водорода на борту автомобиля наиболее быстро реализуем, практическое его применение на автотранспортных энергетических установках пока неприемлемо из-за малой эффективности их использования вследствие значительных объёма и массы, низкой энергоёмкости, большой пожаро- и взрывоопасности.
Одним из наиболее безопасных способов хранения водорода, особенно для машин коммунального хозяйства, используемых только в городе, считается его хранение в связанном состоянии в металлогидридных аккумуляторах. Массовое содержание водорода в них может достигать 1-10 % в зависимости от типа гидрида. Такие аккумуляторы обладают большими габаритами и массой, а их технологический ресурс достигает 15 тыс. циклов зарядки-разрядки.
Значительно лучшими массовыми показателями обладает криогенная система хранения водорода в сжиженном состоянии при глубоком охлаждении. Однако большой объём системы (200-250 л) предполагает значительные изменения конструкции кузова автомобиля и уменьшает его полезный объём. При применении баллонов с многослойной изоляцией (с толщиной стенок до10 мм) удельная масса водорода при давлении 0,5 МПа составляет 100-150 г/л, что соответствует 0,4-0,7 % от массы баллона. Значительной проблемой остаётся текучесть баллонов. Ведь даже для резервуаров с многослойной изоляцией и с тепловым экраном потери водорода составляют до 0,8-1 % в сутки. Трудности практического применения криогенной системы на транспортном средстве обусловлены также её высокой стоимостью, сложностью обращения с жидким водородом и его большими потерями в процессе хранения.
Как видим, перевод двигателей на питание водородом связан с необходимостью создания развитой инфраструктуры для его производства в массовых масштабах, развитой сети заправочных станций, а также трудностями его транспортировки к местам заправки. Кроме того, вопрос применения водорода упирается в проблему энерговооружённости ТС, т. е. необходимости обеспечения требуемого запаса хода. Пока же даже наилучший по условию энергоплотности способ хранения водорода – криогенный – уступает по этому показателю нефтяным топливам в несколько раз. Для успешного применения водорода на автотранспорте следует также решить проблему безопасности при эксплуатации и в аварийных ситуациях.
Одним из альтернативных решений данной проблемы может стать использование безопасных жидких водородосодержащих продуктов (носителей водорода) для получения энергетического газа с высоким содержанием водорода непосредственно на борту автомобиля путём их предварительного химического преобразования (конвертирования).
Интересно, что в качестве жидкого сырья для получения водородосодержащего топлива в принципе можно использовать любое углеводородное соединение, в том числе и традиционное нефтяное топливо. Ведь массовое содержание водорода в последнем составляет около 15 %. Поэтому в настоящее время в исследованиях рациональных способов получения водородосодержащего энергетического газа наметились 2 направления. Одно из них связано с конверсией моторного (базового) топлива, а другое – с использованием альтернативных носителей водорода.
Анализ и обобщение результатов исследований показали, что перспектива массового использования систем конверсии традиционного моторного топлива на автотранспорте представляется весьма проблематичной. Ведь высокий уровень термической диссоциации этих топлив обусловливает необходимость существенных дополнительных затрат тепловой энергии на осуществление конверсии. К тому же присутствие серы в моторном топливе, качество которого оставляет желать лучшего, затрудняет использование высокоэффективных катализаторов. Дополнительные сложности при сжигании продуктов конверсии создаёт значительное содержание в их составе инертных компонентов (СО2 и N2).
Отмеченные сложности вызывают необходимость поиска других сырьевых источников для получения водородосодержащих газов. В первую очередь к ним могут быть отнесены углеводородные соединения, имеющие более простую по сравнению с моторными топливами молекулярную структуру и пониженную температуру диссоциации. Подобными свойствами обладают простейшие спирты и ряд эфиров. Этиловый и особенно метиловый спирты уже применяются в автомобильных двигателях в качестве частичных заменителей традиционных топлив. В настоящее же время проводятся работы по изучению возможности их использования в качестве основного топлива.
Сейчас уже накоплен определённый исследовательский опыт по разработке автомобильных систем для синтеза водородного газа из метанола. В МГТУ «МАМИ» в рамках совместных работ с НАМИ также ведутся работы в этом направлении (проф. В.М. Фомин, к. т. н. Н. А Хрипач и др.).
Принцип функционирования системы конверсии метанола для питания двигателя водородной смесью помогает понять следующая схема (рис. 3). Жидкий метанол из бака (8) подаётся насосом (7) в испарительный накопитель (6). Испарённый метанол поступает в перегреватель (3), где достигает температуры, необходимой для начала процесса конверсии. Далее перегретые пары метанола направляются в каталитическую камеру реактора (4) для термохимического преобразования в синтез-газ. Последний из реактора проходит через межтрубное пространство испарителя (6) и отдаёт при этом тепло на испарение метанола. Обратный клапан (5), расположенный между реактором (4) и испарителем (6), исключает попадание продуктов конверсии метанола назад в реактор при неработающем двигателе. Газовый редуктор (9) регулирует давление продуктов конверсии метанола, поступающих в двигатель (1). Электромагнитный клапан (10) перекрывает подачу продуктов конверсии метанола в двигатель при его остановке.
Для поддержания теплового режима эндотермической реакции конверсии метанола используется теплота отработавших газов двигателя. Из последнего они поступают в перегреватель (3) и реактор (4), после чего через глушитель (2) отводятся в атмосферу.
Заметим, что одна из важнейших проблем эффективной работы системы конверсии метанола заключается в её обеспечении необходимым количеством тепловой энергии, а значит, и заданным уровнем рабочих температур в каталитической камере реактора. Современные наиболее эффективные катализаторы конверсии метанола обеспечивают условия полной конверсии при рабочих температурах не ниже 280-300 0С, что определяет минимально возможную температуру отработавших газов двигателя, ниже которой реализация конверсионного процесса невозможна.
Организация термохимического преобразования метанола в реакторе, установленном в выпускной системе двигателя, обусловливает возможность утилизации (регенерации) энергии отработавших газов. Сущность этого способа заключается в следующем. Эндотермический процесс предварительного химического преобразования исходного топлива сопровождается поглощением теплоты, отбираемой от выпускных газов двигателя, в термохимическом реакторе, выполняющем в данном случае функции утилизационного устройства. Регенерированная часть отходящей теплоты, преобразованная в химическую энергию конвертированного топлива, используется для повышения эффективности работы двигателя. Такой способ утилизации отводимой из рабочего цикла двигателя тепловой энергии был назван методом термохимической регенерации. Ведь в его основу положен принцип термохимического преобразования энергии исходного топлива на более высокий энергетический уровень за счёт использования энергии отработавших газов.
Предварительная оценка эффекта термохимической регенерации энергии отработавших газов мотора может быть установлена на основе сравнения величин удельной теплоты сгорания исходного (жидкого) топлива и газообразных продуктов его диссоциации. Так, удельная теплота сгорания метанола Нм=19670 кДж/кг, а синтезированной газовой смеси (синтез-газа) Нс=23870 кДж/кг. Поэтому при сгорании в двигателе 1 кг продуктов конверсии, полученных из такой же массы жидкого метанола, высвобождается дополнительная тепловая энергия, равная разности удельных теплот сгорания Нм-Нс=23870-19670=4200 кДж/кг, или 21,4 % от энергии исходного топлива. Данными экспериментальных исследований, проведённых Н. А. Хрипачом, было установлено, что практически более 15 % энергии отработавших газов может быть регенерировано и возвращено с конвертированными продуктами в двигатель для повторного участия в организации его рабочего цикла.
По мнению авторов доклада, широкие возможности по улучшению экономических и экологических показателей двигателей при работе на водородосодержащем топливе, получаемом из метанола на борту автомобиля, компенсируют дополнительные затраты на оборудование машины системой для получения и подачи синтез-газа в двигатель. Перспективность данного вида топлива для автотранспорта обусловлена также возможностью синтезирования энергетического газа с большим содержанием водорода из метанола, для получения которого имеются возобновляемые биологические ресурсы.
Весьма интересным оказался доклад, подготовленный сотрудниками НАМИ профессорами В. Ф. Каменевым, В. М. Фоминым и к. т. н. Н. А. Хрипачом. Работа оказалась также посвящённой изучению возможности комплексного решения эколого-экономических задач двигателестроения. Но в отличие от предыдущего исследования, основанного на принципе конверсии метанола, здесь всё базируется на термохимическом преобразовании (конверсии) дизельного топлива в водородосодержащий газ. Помимо этого, газ содержит и другие активные центры окисления, что позволяет улучшить процессы смесеобразования и сгорания, тем самым уменьшив расход топлива. К тому же, благодаря значительной концентрации в продуктах конверсии дизельного топлива оксида углерода, возможно восстановление оксидов азота.
Заслуживают внимания два основных способа конвертирования дизельного топлива в водородосодержащий газ – внутрицилиндровый и внешний. Первый из них основан на принципе многостадийного процесса топливоподачи в цилиндр, где в момент начала впрыска первой дозы топлива содержится большое количество горячих остаточных газов. За счёт их теплоты дизтопливо и преобразуется в водородосодержащий газ. Внешнее же конвертирование может быть осуществлено в специальном блоке, входящем в состав системы питания, где для преобразования используется энергия плазмы.
Результаты теоретических и практических исследований дизеля с предложенным способом совершенствования его эколого-экономических характеристик позволили снизить содержание в отработавших газах всех нормируемых показателей, в частности, сажи на 45 %, а NOх – на 15 %. При этом расход топлива уменьшается на 10 %.
Прошедшая конференция показала, что российские учёные всерьёз озабочены проблемой поиска альтернативных источников энергии автотранспортных средств. Конечно, в этом направлении ещё остаётся ряд нерешённых проблем, однако проведённые работы доказывают приоритетность реализации подобной концепции.
Юрий ПОЛЯКОВ
