2594

Таким образом, просматривается возможность поэтапного решения проблемы снижения эмиссии СО2 без существенного увеличения затрат на производство автомобилей, в результате намечена концепция развития транспортных средств на альтернативных топливах.

Ключевыми задачами реализации «концепции» являются:

1.Организация серийного производства автомобилей, работающих на природном газе с параллельным развитием сети автомобильных газонаполнительных станций.

2.Создание генераторов водородосодержащего синтез-газа, получаемого на борту автомобиля из природного газа, либо пропан - бутанового газа. Организация производства автомобилей с бортовыми генераторами синтезгаза, а также установки генераторов синтезгаза на автомобиле, находящегося в эксплуатации.

При этом природный газ рассматривается, на ближайшие годы, как топливо, позволяющее существенно снизить загрязнение атмосферы, как основной исходный продукт для получения наиболее дешевого водорода. Существующая инфраструктура снабжения природным газом рассматривается в качестве базы для развития водородной инфраструктуры. Решение задач «концепции» невозможно без организационной, законодательной и финансовой поддержки государственных структур, без участия ОАО «ГАЗПРОМ».

Предлагаемый в настоящем докладе подход к решению энергоэкологических проблем автомобилизации заключается в улучшении

процесса сгорания топлива в ДВС добавкой к традиционному топливу водородосодержащего синтез-газа, получаемого из части топлива непосредственно на борту автомобиля посредством воздушной конверсии с помощью в бортовых генераторов синтез-газа. Такой подход предполагается применить к автомобилям, находящимся в эксплуатации и вновь создаваемым автомобилям.

Разработка и создание бортовых генераторов получения синтез-газа и массовое внедрение их в практику, в первую очередь, установка на парк эксплуатируемых автомобилей, позволят получить ощутимый эффект в повышении топливной экономичности и улучшении экологических характеристик автомобилей в ближайшее время, а также адаптировать эксплуатацию генераторов синтез-газа в составе автомобиля в различных климатических условиях.

По мнению специалистов многих стран, в обозримом будущем

никакой замены традиционным ДВС в массовом автомобилестроении не предвидится, тем более, что у них имеются большие потенциальные возможности для повышения топливной экономичности и снижения токсичности выхлопных газов. По крайней мере, на ближайшие два

десятилетия ДВС остается основным типом силовой установки для

230

автомобилей, что вынуждает искать новые решения энерго-экологических проблем автомобильного транспорта.

Попытки серийного внедрения на автомобильный транспорт устройств конверсии углеводородного топлива предпринимались в 1980-е гг., но из-за отсутствия эффективных катализаторов и их носителей не удавалось создать малогабаритные генераторы синтез-газа с коротким временем запуска. К тому же, в то время не было особой актуальности использования таких устройств по экологическим критериям.

Прогресс последних лет позволил Институту катализа СО РАН создать новые катализаторы и новые подходы к разработке реакторов для проведения сильно экзотермических процессов, в том числе и для конверсии углеводородов в синтез-газ, используя которые РФЯЦВНИИЭФ совместно с ИК СО РАН разработали ряд малогабаритных конвертеров воздушной конверсии природного газа.

Синтез-газ представляет собой смесь окиси углерода и водорода. Существует различные способы для его получения, например, посредством паровой конверсии или парциального окисления (воздушная конверсия) природного газа на специальных катализаторах.

Общий вид катализатора для проведения воздушной конверсии приведен на рис. 3.

Рис. 3. Блочный катализатор на армированном сетчатом носителе для воздушной конверсии природного газа

Если в ДВС использовать топливную смесь, состоящую из традиционного топлива и добавок продуктов частичной конверсии ~5- 20% такого же топлива, т.е. синтез-газа, получаемого непосредственно на борту автомобиля в бортовом генераторе синтез-газа, то КПД двигателя повышается, а соответствующие ему стехиометрические значения α, при

231

которых обеспечивается устойчивая работа двигателя сдвигаются в области бедных смесей. Сегодня этот процесс можно осуществить только для природного газа, т.к. он имеет достаточную чистоту. Что касается других видов топлива, а именно пропан-батанового и бензинов, то здесь требуется вмешательство контролирующих государственных структур, т.к. раздаваемые на автозаправках упомянутые продукты резко отличаются от требований ГОСТ и слишком загрязнены.

Принципиальная схема бортового генератора приведена на рис. 4. Синтез-газ (СО+Н2) смешиваясь с основным топливом, обеспечивает повышенную реакционную способность топливной смеси, что способствует улучшению процесса сгорания топливной смеси в ДВС.

Соотношение СО:Н2 в синтез-газе зависит от применяемого способа получения этого продукта. При воздушной конверсии метана, это отношение близко 1:2, а выход водорода составляет не менее 32%. А для двигателя автомобиля даже 6~10 процентная добавка водорода позволяет обеспечить устойчивую работу на обедненных топливных смесях. Это объясняется инициирующим воздействием водорода, который образует центры сгорания. О перспективах создания подобных устройств говорил академик Я.Б.Зельдович в своей теории сгорания. Сейчас уже известно, что водородная добавка увеличивает эффективность работы двигателя и его экологических характеристик, а именно:

-расход топлива при движении автомобиля в условиях городского цикла сокращается на 20-25 процентов; -содержание окиси углерода и еще более опасных для окружающей среды окисей азота уменьшается до норм Евро-4;

-уменьшение расхода топлива на холостом ходу достигает 40 процентов.

При этом исходная структура топлива не оказывает решающего влияния на образование активных центров и, в первую очередь, атомарного водорода — наиболее легкой частицы со скоростью диффузии почти в 4 раза большей, чем у любого другого радикала. Наиболее важным фактором, определяющим скорость реакции, является отношение С/Н в исходном топливе. С уменьшением этого отношения расширяются концентрационные пределы сгорания. В этом плане обогащение топливно-воздушной смеси водородом можно рассматривать с определенными допущениями как метод снижения С/Н базового углеводородного топлива и, следовательно, как метод направленного воздействия на концентрационные пределы его сгорания. Влияние водорода

столь велико, что при относительно небольших его добавках представляется возможным реализовать такие степени обеднения, которые недоступнылюбому другомуспособу[1].

Устройство для получения синтез-газа представляет собой комплект, состоящий из катализаторного блока и блока управления бортовым

232

Блок управления осуществляет дозирование поступающей смеси, производит начальный запуск генератора и контролирует систему охлаждения. Разработчикам удалось создать генератор с оптимальными для применения в автомобиле массогабаритными и динамическими характеристиками. Реактор имеет массу 8 кг и объем 2,5 л, запуск осуществляется за 11 – 35 секунд, что соизмеримо со временем прогрева нейтрализатора. В настоящее время приоритет, по мнению разработчиков, отдается применению бортовых генераторов синтез-газа на городских автобусах либо микроавтобусах. Пример компоновки бортового генератора на автомобиле «Соболь» приведен на рис. 7.

Применение на легковых автомобилях генератора синтез-газа несколько ограничено необходимостью решения задачи для оптимальной компоновки оборудования в отсеке двигателя автомобиля. Кроме того,

существует общая проблема с внедрением подобных устройств, поскольку это новая, непривычная для потребителя продукция.

Проведенные на ОАО ЗМЗ испытания ДВС ЗМЗ-40522 (табл 1), работающего на обедненной смеси природного газа с добавками синтезгаза, получаемого из природного газа с помощью генератора синтеза-газа, подтвердили возможность существенного снижения токсичности выбросов выхлопных газов ДВС (по оксидам углерода - до 300-400 ppm, по оксидам азота - до 20-30 ppm) [3].

Как следует из предварительных экспериментов, применение синтезгаза в качестве добавки к используемому в ДВС углеводородному топливу обеспечивает значительное снижение концентрации СО и NOx в выхлопных газах двигателя. Этим достигается выполнение норм EURO-

IV без применения каталитических нейтрализаторов в выпускном тракте двигателя, а также существенная экономия топлива, особенно на малых и средних нагрузках.

В таблицах 2 и 3 приведены сравнительные данные по результатам дорожных испытаний автомобиля Соболь, проведенные в пробеге «Голубой коридор» по маршруту В.Новгород - Санкт-Петербург - В. Новгород - Тверь-Москва – Московская область. Общая протяженность маршрута из г. Рыбинска Ярославской области до места старта пробега и обратно составила 2235 км. Для участия в этом пробеге был использован микроавтобус «Соболь» , оборудованный газобаллонным оборудованием и бортовым генератором синтез газа производительностью 5-25 м3/час. Участие в этом пробеге позволило провести полномасштабные испытания автомобиля, провести замеры фактических показателей содержания вредных выбросов автомобиля непосредственно во время пробега и замеры фактического расхода топлива. Особенностью данного транспортного средства являлось то, что кроме природного газа он мог работать на смеси метана и синтез-газа, получаемого непосредственно на борту, а также на бензине. Это позволяло в сопоставимых условиях провести сравнительные измерения и оценить эффективность применения

234

добавок синтез газа. В таблице 6 приведены сравнительные данные по эмиссии различных топлив при проведении дорожных испытаний. Из таблицы следует, что применение добавок синтез газа к топливу снижает эмиссию по СО в 18 раз, по NОх примерно в 12 раз, по СО2 в 1.4 раза, но примерно на 1.50 раза увеличивает выбросы по СН. Последний результат требует проведения дополнительных исследований.

В таблице 4 приведены данные по эффективности применения синтез газа в качестве добавок к топливу при проведенных дорожных испытаниях. Из таблицы следует, что в случае использования смеси природного газа с добавками синтез газа время разгона увеличивается примерно на 14-30% в зависимости от типа передачи. Затраты на 100 км пробега в ценах на топливо на момент пробега (июнь 2009 года) при переходе с бензина на природный газ снижаются в 3.28 раза, а при использовании КПГ с добавками синтез газа в 3.83 раза. При переходе с КПГ на природный газ с добавками синтез газа снижение затрат наблюдается в 1.17 раза и увеличение пробега микроавтобуса на 62 километра. Отметим, что полученные результаты по эффективности могут быть значительно выше в случае оптимизации двигателя и генератора по нагрузочным характеристикам.

Полученные результаты экспериментов указывают на возможность

нового подхода к экономии топлива и решения проблемы уменьшения вредных выбросов путем экологически чистого сжигания топлива в самом автомобильном двигателе.

Рис. 5. Общий вид каталитического риформера ГСГ для автомобиля

235

Рис. 6. Система управления бортовым генератором

Необходимо отметить, что разработка бортового устройства получения синтезгаза для условий эксплуатации, в отличие от стендового варианта, потребует определенных усилий не только по созданию каталитического блока, но и всех остальных устройств и подсистем, которые должны быть компактными и дешевыми. Аналогичные задачи в автомобилестроении решались при внедрении каталитических нейтрализаторов в системе выпуска отработавших газов и системы впрыска топлива, что привело в свое время к значительному улучшению экологических характеристик двигателей автомобилей.

Применение генератора синтеза газа на борту автомобиля необходимо рассматривать также в плане выполнения современных нормативных требований не только по токсичным выбросам, но и по выбросам СО2, которые должны составлять 90-120 г/км. Расчеты, выполненные ОАО «АвтоВАЗ», показали, что достичь таких показателей на ДВС можно либо добавлением в основное топливо водорода, либо, при работе ДВС на природном газе с использованием генератора синтезгаза, работающего на природном газе. С учетом того, что инфраструктура водородных заправочных станций отсутствует, а ее внедрение требует колоссальных финансовых затрат, разработка и внедрение генераторов синтеза газа на

борту автомобиля, работающего на природном газе, является единственной реальной возможностью резкого повышения топливной экономичности и улучшения экологических характеристик автомобильного транспорта.

236

Рис. 7. Реализация установки генератора синтез-газа в моторном отсеке автомобиля «Соболь»

Таблица 2 Результаты испытаний двигателя ЗМЗ-40522 с генератором синтез-газа

Стоимость автомобильного генератора синтез-газа, по оценкам разработчиков при серийном производстве не будет превышать 30-50 тыс. руб. С учетом того, что это устройство не только улучшает экологические

237

показатели автомобиля, но и повышает его экономичность, затраты на приобретение такого генератора должны окупаться за 1,5-2 года эксплуатации.

Таблица 3

Сравнительные данные по эмиссии при дорожных испытаниях.

х

КПГ – компримированный природный газа, содержащийся в газовых баллонах

В докладе приводятся результаты разработок по генератору синтезгаза при работе на природном газе.

Природный газ это экологически чистое топливо для ДВС, как правило с превалирующим, более 90%, содержания метана и незначительных добавок этилена, этана и пропана.

Но в настоящее время в стране работает значительное количество газобаллонных автомобилей на пропан-бутановом газе с хорошо развитой инфраструктурой, обеспечивающей бесперебойную эксплуатацию этих автомобилей. Все эти автомобили, или большее их количество, как правило, работают в крупных городах (Москва, Екатеринбург, Тюмень, Омск, Новосибирск и др.) и могли бы работать с использованием бортового синтез-газа, но нужно поднять технологическую дисциплину раздачи на АГЗС чистого топлива, отвечающего требованиям ГОСТ.

238

Таблица 4 Показатели эффективности применения синтез газа в ДВС при дорожных испытаниях

В законе об альтернативных топливах, в качестве альтернативы моторным, следующим за природным газом, назван сжиженный пропанбутановый газ.

Учитывая эти обстоятельства, необходимо провести комплекс работ по исследованию возможности работы генераторов синтезгаза на пропанбутановом газе. Эту работу, т.е. проведение стендовых и эксплуатационных испытаний, при наличии генераторов синтезгаза, могли бы выполнить специалисты факультета АТ СибАДИ, по согласованной с разработчиками программе исследований. Специалисты СибАДИ имеют достаточный опыт работы с газобаллонными автомобилями (разработка, изготовление, проведение сертификационных испытаний и организация всего технологического комплекса для эксплуатации этих автомобилей) [4]. Необходимо провести проверку работы генератора синтез-газа в

239