Улучшение процесса сгорания сжиженного углеводородного газа добавками водорода и водородсодержащего синтез-газа



В статье приведены результаты экспериментальных исследований влияния добавок водорода и синтез-газа в область свечи зажигания на динамику развития процесса сгорания сжиженного углеводородного газа.

Ключевые слова: сжиженный углеводородный газ, водород, синтез-газ, динамика процесса сгорания, начальный очаг сгорания

The article presents of the experimental studies results of the effect of additives hydrogen and syngas in the spark plug region on the combustion dynamics of liquefied petroleum gas.

Keywords: liquefied petroleum gas, hydrogen, syngas, combustion dynamics, initial combustion stage

Энергетическая и экологическая проблемы современной цивилизации тесно связаны с применением поршневых двигателей, являющихся одним из основных потребителей природных энергетических ресурсов и источником загрязнения окружающей среды.

Несмотря на законодательные ограничения на допустимые концентрации токсичных компонентов в продуктах сгорания поршневых двигателей суммарные выбросы таких вредных веществ как оксиды азота NO_x, оксид углерода СО, несгоревшие углеводороды СН возрастают, что обусловлено неуклонным ростом количеством транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания.

Сегодня количество автомобилей, ежедневно загрязняющих окружающую среду, достигает в мире приблизительно 1 млрд., а к 2050 г. их будет в 3 раза больше (прежде всего за счёт Китая, Индии и других развивающихся стран). Если учесть, что 97 % топлива для транспорта получаются из нефти, то становится очевидной необходимость сокращения объёмов его потребления в целях снижения выбросов токсичных несгоревших углеводородов, сажи [1].

Кроме того, очевидна необходимость снижения выбросов диоксида углерода СО₂, относящегося к группе парниковых газов. 25 % совокупного мирового выброса СО₂ попадает в атмосферу в результате сжигания транспортного топлива нефтяного происхождения. При этом, по сравнению с XVIII в., уровень выброса СО₂ сегодня увеличился почти вдвое. Человечество выпускает в атмосферу такое количество СО₂, что климатические условия могут подвергнуться непредсказуемым изменениям.

Одним из наиболее практичных вариантов повышения эффективности использования топлив является модификация их состава инициирующими горение добавками водорода, получаемого путем термокаталитической конверсии части исходного топлива в синтез-газ за счет теплоты и состава отходящих газов двигателя. При этом происходит дополнительное увеличение полной энтальпии топлива, поступающего в цилиндры двигателя, в связи с переходом части теплоты отходящих газов в энтальпию водородсодержащего синтез-газа и, из-за наличия водорода, обеспечиваются кинетически более благоприятные условия сжигания модифицированного топлива в двигателе.

Влияния водородсодержащих добавок ситез-газа к основному топливу на поршневых и роторно-поршневых двигателях в рамках стендовых испытаний показали положительные результаты [2,3,4], то возник вопрос о применении их на борту автомобиля. Для возможности получения синтез-газа непосредственно на автомобиле, необходимо определиться с каталитическим блоком реактора.

С целью определения возможности термохимической регенерации топлив в синтез-газ в условиях роторно-поршневого и поршневого двигателя был проведен эксперимент по определению температуры его отработавших газов.

Для роторно-поршневого двигателя(ВАЗ-311) замер температуры проводился в двух точках выпускного коллектора при помощи термопар типа «хромель-алюмель». Термопара 1 находилась в потоке отработавших газов на выходе из термического реактора — дожигателя, установленного на выходе из двигателя, термопара 2 — в выпускном коллекторе на удалении 30 см от первой.

Одновременно с измерением температуры проводились замеры концентрации продуктов неполного сгорания — оксида углерода CO и несгоревших углеводородов C_nH_m — в составе отработавших газов. Измерения проводились как на режиме холостого хода, так и на нагрузочных режимах. Результаты замеров представлены в таблице:

Столь значительные различия температур, измеренные термопарой 1 и 2, объясняется большими тепловыми потерями через стенки выпускного коллектора, которые могут быть значительно уменьшены применением тепловой изоляции.

Для замера температуры на поршневом двигателе (ВАЗ 11194) термопара устанавливалась на выходе из катализатора. Замеры проводились как и при использовании в качестве основного топлива бензин(АИ-92), так и пропан-бутан (летняя композиция).

Одновременно с измерением температуры проводились замеры концентрации продуктов неполного сгорания, удельный и массовый расход топлива, соотношение воздух/топливо (λ), результаты представлены в таблице:

Полученные данные позволят подобрать необходимый каталитический блок, для создания каталитического реактора генератора синтез-газа, получающий водородсодержащие газовые смеси, используемые в качестве инициирующих добавок к топливу для ДВС за счёт теплоты отработавших газов [5].

Индицирование ДВС осуществлялось по всем четырем цилиндрам с помощью пьезоэлектрических датчиков фирмы «Kistler» (тип 6118В), встроенных в свечи зажигания. Данные от датчиков передавались в специализированный усилитель сигнала, а от него через аналогово-цифровой преобразователь на рабочий компьютер. Впоследствии, обработка полученных данных производилась с применением программного пакета (L–Graph и Power Graph). Данный пакет позволил очистить итоговый сигнал от внешних шумов и помех.

СУГ подавался в двигатель уже готовой смесью с синтез-газом с заранее рассчитанной пропорцией с 3 % содержанием синтез-газа по объёму.

Полученные результаты показали, что добавки водородсодержащего синтез-газа по сравнению с работой ДВС на бензине и СУГ уменьшают показания выбросов СH после достижения определённой точки, которая соответствует значению — 2000 об/мин при нагрузке 2,3 Н. Показатели СО менее стабильны и необходимы дополнительные замеры содержания данного компонента в ОГ.

В дальнейшем планируется провести замеры СО и СН для 5 % и 7 % синтез-газа по объёму. Однако, уже сейчас можно наблюдать положительные сдвиги и целесообразность проведения дальнейших исследований, безусловно, необходима.

Использование добавок синтез-газа приводит к снижению токсичности отработавших газов. Так, минимальное содержание углеводородов зафиксировано на режимах холостого хода при малых нагрузках и находятся в диапазоне значений СН = 36–83 млн^-1, в то время как без добавок синтез — газа СН = 151–230 млн^-1_.

Получение относительно небольших количеств синтез-газа для подачи в область свечи зажигание возможно непосредственно на борту автомобиля. Для этого предлагается использовать термохимическую регенерацию теплоты отработавших газов. Была практически доказана реализация ТХР на борту автомобиля: на экспериментальной установке с двигателем ВАЗ-11194, были произведены замеры температур ОГ на различных режимах. Так, температура отработавших газов ДВС, использующего в качестве основного топлива бензин и пропан-бутан, на режимах холостого хода, малых и средних нагрузок находятся в диапазоне 330–730 ⁰С. При использовании соответствующих катализаторов, эта температура является достаточной для протекания процесса преобразования основного топлива в синтез-газ в бортовом генераторе синтез-газа.

Литература:

1. Кавтарадзе Р. З. Теплофизические процессы в дизелях, конвертированных на природный газ и водород / Р. З. Кавтарадзе. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. — 238, [2] c.: ил. ISBN 978–5-7038–3482–4.
2. Экспериментальные исследования процесса сгорания пропан-бутановоздушных смесей с добавками водорода / Федянов Е. А., Захаров Е. А., Левин Ю. В., Гаврилов Д. С. // Вестник Саратовского гос. техн. ун-та. — 2013. — № 2, вып. 2. — C. 111–116.
3. Влияние добавок синтез-газа на скорость распространения пламени при горении пропан-бутановой смеси / Федянов Е. А., Захаров Е. А., Левин Ю. В., Кузьмин В. Н., Гаврилов Д. С. // Известия ВолгГТУ. Серия «Процессы преобразования энергии и энергетические установки». Вып. 5: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. — Волгоград, 2013. — № 12 (115). — C. 17–19.
4. Форсирование развития начального очага горения в ДВС с искровым зажиганием / Злотин Г. Н., Гибадуллин В. З., Федянов Е. А., Шумский С. Н., Захаров Е. А., Свитачев А. Ю. // Наука — производству. — 2000. — № 1. — C. 24–26.
5. Исследование процессов формирования и воспламенения топливовоздушной смеси при локальной подаче синтез-газа в область электродов свечи зажигания / Е. А. Федянов, Е. А. Захаров, В. З. Гибадуллин, Д. С. Гаврилов, В. А. Алимов // Известия ВолгГТУ. Серия «Процессы преобразования энергии и энергетические установки». Вып. 6: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. — Волгоград, 2014. — № 18 (145). — C. 56–59.