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

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

Supplementary files