Opportunities and directions of development of scientific school at “Automotive and tractor engines” Department of UMech (MAMI)



Cite item

Abstract

The results of basic research carried out at “Automotive and tractor engines” Department of UMech (MAMI) in the field of alternative energy transportation are provided. The potential of im- plementation the certain types of hydrogen and biological energy in national transport energy isevaluated. Opportunities of research development are mentioned.

Full Text

УДК 629.434-622 Перспективы и направления развития научной школы на кафедре «Автомобильные и тракторные двигатели» Университета машиностроения (МАМИ) д.т.н. проф. Фомин В.М., к.т.н. доц. Хрипач Н.А., к.т.н. доц. Апелинский Д.В. Университет машиностроения + 7(915)2114415, mixalichDM@mail.ru Аннотация. Анализируются результаты научно-поисковых работ, проводимых на кафедре АТД МГМУ (МАМИ) в области транспортной альтернативной энергетики. Обосновывается потенциальная возможность реального вхождения в бли- жайшие годы отдельных видов водородных и биологических энергоресурсов в структуру национальной транспортной энергетики. Рассматриваются перспекти- вы развития исследований. Ключевые слова: альтернативные энергоносители, синтезированный газ, аккумулирование водорода, биомасса, катализатор, метанол, конверсия. На протяжении двух последних десятилетий на кафедре «Автомобильные и тракторные двигатели» Университете машиностроения (МАМИ) в рамках целевой программы проводит- ся комплекс поисковых исследований в области альтернативной энергетики, по двум направлениям: водородная энергетика и биоэнергетика. Отдельные этапы программы реали- зовывались при финансовой поддержке РФФИ. Программа поисковых исследований по направлению - водородная энергетика Водороду среди альтернативных топлив для автомобильных двигателей в мировой ис- следовательской практике отводится особое место. Учитывая огромные ресурсы водорода в природе и возможность его получения из возобновляемых сырьевых источников, например, растительных, немаловажную роль играет то, что при использовании его в качестве топлива на транспортных средствах создаются возможности практической неисчерпаемости данного энергоносителя. Водород обладает чрезвычайно высокой массовой энергоемкостью (почти в 3 раза большей, чем у традиционных нефтяных топлив), уникальными кинетическими и эко- логическими характеристиками сгорания. Увеличение доли водородной энергетики в общем балансе отечественного транспорт- ного энергообеспечения способно существенно повлиять на структуру потребления энерге- тических источников на органической основе, а также на результирующие показатели по по- вышению энергетической и экологической безопасности на транспорте. Однако, массовое энергетическое использование водорода на российском транспорте в настоящее время сдер- живается рядом сложных, еще не решенных проблем: отсутствие инфраструктуры его произ- водства и распределения, высокая стоимость. Вопросы национального развития крупномас- штабного энергетического использования водорода на транспорте требуют дальнейшего системного анализа с учетом текущего состояния энергетической и технологической структуры в стране. Тем не менее, накопленный в исследовательской практике кафедры АТД научно- технический потенциал, основанный на успехах конкретных технических решений, убеди- тельно свидетельствует, что существует потенциальная возможность обеспечения уже в ближайшие годы реальное вхождение отдельных видов водородных энергоресурсов в транс- портный энергобаланс страны. Одним из таких решений является реализация концепции бортового аккумулирования (хранения) водорода в химически связанном состоянии в виде жидкого продукта, что существенно минимизирует затраты в сфере энергообеспечения и в инфраструктуре распределения водорода, радикально решает проблему эксплуатационной безопасности. Водород в виде компонента водородосодержащего газа в количестве, необхо- димом для работы двигателя, может производиться путем термохимического преобразования (конвертирования) жидкого носителя водорода в бортовом каталитическом конвертере. К таким потенциальным носителям водорода в первую очередь следует отнести низшие спирты (метанол, этанол). Спиртовые соединения могут быть подвержены термокаталитиче- скому преобразованию (каталитической конверсии) в водородосодержащий газ при относи- тельно невысокой температуре, что обуславливает возможность использования в качестве греющего теплоносителя «бесплатной» низко потенциальной тепловой энергии выпускных газов двигателя. На сегодняшний день по результатам серии работ, проведённых в рамках совместных программ в МАМИ, НАМИ и Институте катализа (РАН), детально отработана и отлажена технология выработки водородосодержащего газа из метанола [1, 2] непосредственно на борту транспортного средства. Из всех известных носителей водорода метанол имеет наибо- лее массовое, крупнотоннажное производство в России, и уже относительно давно использу- ется как заменитель нефтяных топлив в мировой практике. Целесообразность использования метанола обусловлена повышенным содержанием водорода (его молекулярная доля в соеди- нении СН3ОН составляет 2/3). Массовый показатель среды аккумулирования водорода в ви- де жидкого метанола составляет порядка 8,5 кг/кг Н2 (в 8,5 кг метанола содержится 1 кг во- дорода). Предварительно следует отметить один важный фактор, сопутствующий применению в ДВС системы конверсии метанола, - энергосберегающий эффект, который был выявлен в ходе реализации научно-исследовательской программы. В двигателях внутреннего сгорания доля потери энергии топлива с ОГ составляет 30…55%, что соответствует 12000...23000 кДж на каждый килограмм израсходованного топ- лива. Процесс предварительного термохимического преобразования метанола в реакторе, установленном в выпускной системе ДВС, обуславливает дополнительную возможность ча- стичной утилизации (регенерации) этой безвозвратно теряемой энергии. Сущность регенерации заключается в том, что процесс предварительного химического преобразования метанола сопровождается поглощением теплоты (на организацию эндотер- мических реакций конверсии), которая отбирается от выпускных газов двигателя в термохи- мическом реакторе, выполняющем в данном случае функции утилизационного устройства («термохимического насоса»). Регенерированная часть отходящей теплоты, преобразованная на более высоком энергетическом уровне в химическую энергию конвертированного топлива (водородосодержащий газ), идет на повышение эффективности рабочего цикла двигателя. Для сравнения: теплота сгорания метанола (исходного продукта) равна 19,6 МДж/кг; этот же показатель для водородосодержащих продуктов его конверсии соответствует 23,8 МДж/кг. В ходе совершенствования конструкции реакторов разработан оригинальный (патент РФ № 2249807) образец аппарата, который позволяет утилизировать нереализованную в ДВС химическую энергию топлива (продуктов неполного сгорания). Это достигалось за счет ор- ганизации экзотермического (с выделением теплоты) процесса каталитического доокисления ОГ в специальной секции реактора. В этом случае удается использовать не только тепловую (физическую) компоненту энергии ОГ, но и их химическую составляющую для повышения уровня регенерации рабочего цикла двигателя и эффективности конверсионного процесса. Данными математического моделирования, подтвержденными результатами экспери- ментальных исследований, установлено, что при применении опытной системы практически более 15% (теоретически в пределе до 21,4%) энергии ОГ может быть регенерировано, и воз- вращено в виде химической энергии конвертированных продуктов (водородосодержащего газа) в рабочее пространство двигателя для участия в более эффективной организации его рабочего цикла. Проявление данного энергосберегающего эффекта при использовании опытной систе- мы бортового синтеза водородосодержащего топлива существенно расширяет потенциаль- ные возможности применения этой системы на транспортных средствах. Ее реализация поз- воляет комплексно решать проблемы повышения топливной экономичности и снижения ток- сичных выбросов. Прогнозируемый высокий эколого-экономический эффект, реализуемый при использо- вании синтезированных водородосодержащих газов (синтез газов), послужил стимулом для проведения поисковых исследований с привлечением опытной апробации, осуществленных на кафедре АТД. С целью поиска наиболее эффективных технических решений изучались различные функциональные варианты возможного применения этих газов. Во всех исследо- ваниях, рассмотренных ниже, были использованы водородосодержащие продукты конверсии метанола (ПКМ), генерируемые в бортовом термокаталитическом реакторе с использовани- ем тепловой энергии, отводимой с ОГ двигателя. Примерный компонентный состав ПКМ: 65% (об.) Н2 и 35% (об.) СО [1, 2]. По результатам исследований выявлен уровень эффективности использования водоро- досодержащих ПКМ для ряда энергетических установок различного типа и назначения. Для дизелей транспортно-технологических машин. Согласно предложенному алгорит- му функционирования опытной энергетической установки в составе дизеля и системы тер- мохимического преобразования метанола, генерируемый водородосодержащий газ в каче- стве компонента смесевого топлива поступал в рабочее пространство дизеля через впускной трубопровод вместе с воздушным зарядом, где он воспламенялся и сгорал при впрыскивании в цилиндр «запальной» порции дизельного топлива. При этом на номинальном режиме было достигнуто следующее улучшение экологиче- ских и топливно-экономических показателей объекта исследования - тракторного дизеля ти- па 4Ч 10,5/12: снижение дымности ОГ на 45%, выбросов оксидов азота - на 16% при умень- шении удельного эффективного расхода топлива на 8,5%. Для ДВС с искровым зажиганием автотранспортных средств. Реализация опытной системы при использовании в качестве основного топлива ПКМ обеспечивает в условиях ез- дового цикла ГОСТ 20306-85 автомобилю ВАЗ-2112 повышение топливной экономичности на 15,1% по сравнению с бензиновым аналогом. Данное повышение экономичности сово- купно обусловлено более высокими кинетическими показателями сгорания водородосодер- жащего топлива (совершенствованием рабочего процесса) и эффектом термохимической ре- генерации энергии ОГ. Анализ результатов исследования показал, что доля повышения эко- номичности за счёт эффекта термохимической регенерации энергии ОГ составляет 4,8%. Результаты математического моделирования показывают, что более значительные пре- имущества двигателя, работающего на водородосодержащем синтезированном топливе, по сравнению с бензиновым аналогом могут быть получены при работе на частичных нагруз- ках, так как широкие пределы воспламеняемости топливно-воздушных смесей, содержащих водород, позволяют применить качественное регулирование мощности. При этом двигатель обеспечивает стабильную работу на существенно обедненных смесях (α = 1,5…2,0) с высо- ким КПД. Результатами испытаний этого же автомобиля по методике ездового цикла Правил № 83 ЕЭК ООН установлено следующее улучшение его экологических качеств: выбросы СО снизились на 95 %, СН - на 98 %, NOх - на 68 %. Общеизвестный опыт исследовательской практики показывает, что при работе двигателя на «чистом» водороде в качестве основного топлива с коэффициентом избытка воздуха α = 1 эмиссия NOx весьма значительна, и существенно превышает уровень эмиссии бензиново- го аналога. Чрезмерный рост выбросов оксидов азота и тепловой напряженности водородно- го двигателя при его работе на стехиометрическом составе смеси вынуждает прибегнуть к повышению величины коэффициента избытка вохдуха α до двух единиц, что автоматически связано с потерей мощности ДВС примерно в 2 раза. Подобное решение, очевидно, не при- емлемо для практики. В нашем же случае при использовании в качестве основного моторного топлива не во- дорода, а ПКМ с массовым содержанием водорода 12,5% подобной проблемы не существует, так же как и проблемы «обратных вспышек» водорода во впускном тракте двигателя. Результаты проведенных исследований убедительно свидетельствуют, что концепция создания энергетической установки автомобиля в составе поршневого двигателя и бортовой системы синтеза водородосодержащего топлива представляется, априори, весьма перспек- тивной на ближайший период развития российского тракторо- и автомобилестроения. Важным стимулом дальнейшего развития подобных энергетических установок является то, что они обладают возможностями совокупного совершенствования своих характеристик по комплексу показателей. Их реализация на транспортных средствах, в частности, позволя- ет утилизировать отходящую тепловую энергию, совершенствовать процессы сгорания в двигателе, улучшать экологические качества ТС, обеспечивая при этом возможность замены традиционного нефтяного топлива альтернативным энергоносителем из возобновляемых, в том числе, биологических источников. Альянс системы синтеза водородного газа и ГСУ. Бортовая система синтеза водородо- содержащего топлива может быть успешно использована на автомобилях с гибридной сило- вой установкой (ГСУ), дополняя и совершенствуя ее положительные эксплуатационные ка- чества. Опытный образец традиционной ГСУ уже разработан на кафедре «Автомобили и тракторы» МГМУ (МАМИ). С учётом уже накопленного опыта двух кафедр, на ближайшее будущее представляется возможным разработка макетного образца высокоэффективной ГСУ, оснащённой реактором конверсии метанола, в рамках совместного научно- технического сотрудничества кафедр. В варианте совместного использования на АТС системы синтеза водородосодержащего топлива и ГСУ с буферным накопителем энергии обеспечиваются благоприятные (стабиль- ные) условия для организации максимально эффективной работы реактора, которая в мень- шей степени в данном случае будет зависеть от характера изменения режима движения транспортного средства. Подобные условия предопределяются возможностью реализации квазистационарного режима работы ДВС в составе ГСУ, когда мощность двигателя плавно изменяется в узком диапазоне. При этом характеристики системы синтеза водорода и буфер- ного накопителя энергии могут быть рационально скоординированы (совмещены) по про- грамме штатного электронного блока управления с учетом текущих энергетических потреб- ностей автомобиля. Совокупность положительных свойств ГСУ и бортовой системы синтеза водородосо- держащего топлива обуславливает потенциальную возможность создания энергетической установки для отечественного автомобиля с высоким уровнем усовершенствования по эко- номическим и экологическим показателям. Программа поисковых исследований по направлению - биоэнергетика Ограниченность природных источников органического топлива и возрастающая про- блема экологической безопасности на транспорте являются началом наблюдаемого во всем мире нового периода в области развития транспортной энергетике, наиболее характерными чертами которого является многократно возрастающая роль биоэнергетики, основными пре- имуществами которой являются ее неисчерпаемость и экологическая чистота, что принципи- ально отличает ее от традиционной энергетики. При этом развитие биоэнергетики повсе- местно считается наиболее перспективным путём решения проблем энергообеспечения, как в сфере постоянно растущего энергопотребления в целом, так и в направлении перспективного развития транспортной энергетики. Энергетический потенциал ежегодно произрастающей биомассы в два раза превышает суммарную энергию годового потребления всех видов угле- водородного сырья. Современные технологии производства биотоплив позволяют потенци- ально удовлетворить все энергетические потребности, используя лишь 2% площади поверх- ности планеты. Основной причиной, сдерживающей широкое применение биотоплив в транспортных двигателях, являются несоответствие их физико-химических свойств требованиям эффек- тивной организации рабочего процесса. В этих условиях становится очевидной необходи- мость в принятии специальных мер, которые позволили бы в наибольшей степени прибли- зить моторные свойства биологических топлив к стандартным свойствам моторного топлива. В качестве одной из таких мер является использования двухкомпонентных топливных композиций в виде смеси органического и биологического топлив. При варьировании ком- понентным составом такого топлива возможно достижение наиболее приемлемых его физи- ко-химических свойств. При проведении исследований на кафедре АТД, учитывая сложный характер влияния доли биологического компонента в составе смесевом топливе на экологи- ческие и эффективные показатели двигателя, задача выбора состава смесевого топлива ста- вилась как оптимизационная. Исследование по поиску оптимального компонентного состава смесевого топлива проводилось на основе математического моделирования. По результатам анализа установлено, что при использовании биологических добавок к углеводородному топливу обнаруживается ещё одна проблема, связанная с повышением эмиссии оксидов азота (NОх). В качестве меры, которая позволила бы в наибольшей степени решить эту проблему, было предложено использование водородосодержащих ПКМ в каче- стве анти токсичной активирующей присадки. С учётом предложенных мер предполагалось, что удачно скоординированное воздей- ствие на процессы рабочего цикла двигателя одновременно двух физико-химических факто- ров, один из которых привнесен оптимизацией компонентного состава смесевого топлива, а другой - применением химического реагента, предопределяет возможность совокупного (комплексного) подхода к решению проблемы эффективного использования биотоплив в двигателях. Эффективность и характер воздействия подобного комплексного подхода на процессы окисления (сгорания) бинарных биоуглеводородных топлив до настоящего времени остают- ся еще малоисследованными, что обусловило необходимость в разработке новой концепции для его реализации. Разработанная на кафедре АТД концепция комплексного подхода в своей основе бази- руется на трех основных положениях, которые в общем виде могут быть сформулированы следующим образом. Учитывая, что проблема создания высокоэффективного рабочего цикла дизеля при пере- воде его на питание биологическим топливом сопряжена с необходимостью реализации целого ряда технических решений, требует внесения серьезных изменений базовой кон- струкции ДВС и его топливной аппаратуры, предлагается частичная замена дизельного топлива на биологический компонент. При применении бинарного топлива (при сохране- нии базовой комплектации двигателя) частично решаются задачи, связанные с отличием физико-химических свойств биологического топлива от традиционного нефтяного. Учитывая сложный (в ряде случаев неоднозначный) характер влияния доли биологиче- ского компонента в составе бинарного топливе на экологические и топливно- экономические показатели двигателя, выбор рационального компонентного состава сме- севого топлива осуществляется на основе обобщенного критерия оптимальности, кото- рый позволяет интегрально оценить оптимальную величину этой доли. При этом прогно- зируется достижение предельно возможного улучшения указанных показателей двигате- ля. Одной из ключевых сопутствующих проблем, возникающей при использовании биологи- ческих добавок к углеводородному топливу, является проблема повышения эмиссии оксидов азота, без успешного решения которой разработка конкурентоспособного двигате- ля остается проблематичной. С целью снижения эмиссии с ОГ токсичных веществ, в первую очередь, оксидов азота, в состав свежего заряда двигателя вводится строго дози- рованная порция химически активного реагента (водородосодержащего газа). Благодаря применению реагента дополнительно прогнозируется также повышение эффективности использования энергии смесевого топлива. Опытная апробация предложенной концепции проводилась на тракторном дизеле типа 4Ч 10,5/12 с использованием смеси дизельного топлива и метилового эфира рапсового масла (МЭРМ). Логика испытаний строилась в русле стандартного регламента 8-режимноого ис- пытательного цикла Правил ЕЭК ООН № 96 для тракторных дизелей. Установлено [3], что средне интегральные за испытательный цикл удельные массовые выбросы нормируемых компонентов ОГ (СО, СН и дисперсных частиц) при работе дизеля на бинарном топливе с оптимизированным компонентным составом (60%ДТ+40%МЭРМ) были снижены. Однако при этом выбросы оксидов азота, как и ожидалось, возрастали по отноше- нию к исходному варианту (работа на дизельном топливе). При работе дизеля на том же топливе с присадкой водородосодержащего реагента к ра- бочему телу средне интегральные за цикл удельные массовые выбросы по сравнению с ис- ходным вариантом уменьшились. Регистрировалось снижение выбросов для монооксида уг- лерода на 11,2%, для углеводородов на 32,8%, для дисперсных частиц на 48%. При этом вы- бросы NОх оказались ниже уровня выбросов этого компонента ОГ не только для дизеля, ра- ботающего на смесевом биоуглеводородном топливе, но и для его исходного варианта (на 11,9%). Средне интегральный за цикл удельный эффективный расход топлива увеличился на 1,3% вследствие более низкой теплоты сгорания биоуглеводородного топлива по сравнению с углеводородным (дизельным) топливом. Однако эффективность использования энергии биоуглеводородного смесевого топлива возросла, о чем свидетельствует повышение резуль- тирующего за испытательный цикл эффективного КПД на 3,3%. С учетом данных проведенного исследования можно утверждать, что стратегия подоб- ного комплексного подхода не только решает известные проблемные вопросы биодизеля, но и позволяет его преобразовывать в конкурентоспособную энергетическую установку с более высокими эколого-экономическими показателями по сравнению с дизелями, работающими с традиционными способами организации рабочего процесса (на дизельном топливе). В заключение следует заметить, что проблема использования биологических продуктов в качестве основного топлива на отечественном транспорте на данном этапе обуславливает необходимость решения ряда серьезных задач. С учетом существенного отличия физико- химических свойств данного вида топлива от традиционных топлив необходимо проведение большого объема исследовательских работ, связанных с поиском рациональной организации процессов смесеобразования и сгорания с последующей разработкой двигателей на основе принципиально новых способов организации рабочего процесса. К проблеме широкого внедрения биологических источников энергии на транспорте следует дополнительно отнести необходимость существенных финансовых затрат, связанных с переоборудованием суще- ствующей технологической базы, ориентированной на выпуск новых видов двигателей, адаптированных к работе на данном топливе. Поэтому широкомасштабное использование биологических продуктов в качестве ос- новного моторного топлива в транспортно-технологическом комплексе России на ближай- ший период достаточно проблематично. Более предпочтительным представляется использо- вание биологических топлив в виде топливных композиций с принятием соответствующих мер, в частности предложенных на кафедре АТД, для достижения наиболее приемлемых фи- зико-химических свойств, отвечающим требованиям эффективной организации рабочего процесса двигателя. В настоящее время на кафедре АТД в рамках программы поисковых исследований по направлению - биоэнергетика проводятся работы, в том числе, и контрактные, связанные с применением биологических топлив в бензиновых двигателях с искровым зажиганием. Предварительные результаты исследований подготавливаются к опубликованию в последу- ющих сборниках «Известия МГТУ «МАМИ»».
×

About the authors

V. M Fomin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: mixalichDM@mail.ru
Dr.Eng., Prof.; + 7 915 211-44-15

N. A Khripach

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Ph.D.

D. V Apelinskiy

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Ph.D.

References

  1. Фомин В.М., Апелинский Д.В., Каменев В.Ф. Генерирование водородосодержащего газа на борту транспортного средства // Известия МГТУ «МАМИ». - 2013. № 1 (15). - Т.1. - С. 204-212.
  2. Фомин В.М. Эффективное применение водородных энергоресурсов в структуре энергообеспечения АПК// Тракторы и сельхозмашины. - 2014. №6. - С. 3-7.
  3. Фомин В.М., Рами Атраш. Совершенствование показателей работы тракторного дизеля на смесевом биодизельном топливе// Тракторы и сельхозмашины. - 2013. № 5. - С. 5-10.

Copyright (c) 2015 Fomin V.M., Khripach N.A., Apelinskiy D.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies