Будущие технологии АГНКС

По мнению многих (в том числе зарубежных) специалистов  в обозримом будущем замены традиционным ДВС в массовом автомобилестроении не прогнозируется. На ближайшие два десятилетия ДВС останется основным типом силовой установки для автомобильного транспорта. Основным способом экономии топлива и снижения вредных выбросов в атмосферу автомобилями с двигателями внутреннего сгорания на сегодня несомненно является перевод таких автомобилей с заправки бензином на природный газ. Этому должна способствовать развитая сеть коммерческих АГНКС и наличие у частников собственных недорогих бытовых метановых компрессоров для заправки КПГ в домашних условиях (или на предприятии). Об этом мы уже много писали на страницах нашего сайта и эта технология достаточно изучена и прекрасно работает на практике и в каком-то смысле достигла некого предела в своем развитии.

Но что-же нас ожидает в недалеком будущем? Какие инновации позволят еще больше улучшить показатели экономичности, увеличению пробега автомобилей на сжатом метане и улучшить экологию?

Одним из направлений

является использование так называемого сжиженного природного газа (СПГ). Плюсы его очевидны: в сжиженном виде объем газа в баллоне автомобиля больше, чем в газообразном, а значит и пробег будет больше. В России уже работает несколько подобных заправок.

Вторым направлением

является небольшая доработка уже имеющихся метановых машин (и новых метановых автомобилей). Идея заключается в том, что под капотом такой машины установливается генератор водородосодержащего синтез-газа, получаемого на борту автомобиля из КПГ.

Синтез-газ представляет собой смесь окиси углерода и водорода. Существуют различные способы его получения, например, посредством паровой конверсии или парциального окисления (воздушная конверсия) природного газа на специальных катализаторах. Если в ДВС использовать топливную смесь, состоящую из традиционного топлива и добавок продуктов частичной конверсии ~5-20% такого же топлива, то есть синтез-газа, получаемого непосредственно на борту автомобиля в бортовом генераторе синтез-газа, то КПД двигателя повышается, а соответствующие ему стехиометрические значения  α, при которых обеспечивается устойчивая работа двигателя, сдвигаются в область бедных смесей. Сегодня этот процесс можно осуществить только для природного газа, так как он имеет достаточную чистоту. Что касается других видов моторного топлива, а именно пропан-бутана и бензинов, то упомянутые продукты на российских заправках резко отличаются от требований ГОСТ и слишком загрязнены...

Принципиальная схема

 бортового генератора приведена на рисунке ниже

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 к 1:2, а выход водорода составляет не менее 32%. Для двигателя автомобиля даже 6-10%-ная добавка водорода позволяет обеспечивать устойчивую работу ДВС на обедненных топливных смесях.  Это объясняется инициирующим воздействием водорода, который образует центры сгорания.

Опыты показали [2], что водородная добавка увеличивает эффективность работы двигателя и его экологических характеристик, а именно:
- расход топлива при движении автомобиля в условиях городского цикла сокращается на 16-18%;
- содержание окиси углерода и еще более опасных для окружающей среды окисей азота уменьшается на 30-40%;
- уменьшение расхода топлива на холостом ходу достигает 40%.

Каталитическое  парциальное  окисление  в  последние  годы  является  объектом  интенсивных  исследований [1].  При  времени  контакта  порядка  миллисекунд углеводороды могут быть окислены с образованием  водорода  и  окиси  углерода  как  главных продуктов.  Реакция является экзотермической. Это означает, что для быстрого  старта  конкретного  устройства  реакция может быть инициирована простым процессом горения. Как  только система начинает работать, количество  вводимого  внешнего  тепла  резко  снижается.

Устройство для получения синтез газа представляет собой комплект, состоящий из катализаторного блока и блока управления бортовым генератором. Катализаторный блок производит конверсию углеводородного топлива для получения синтез-газа. Блок управления проводит дозирование поступающей смеси, производит начальный запуск генератора и контролирует
систему охлаждения.

Разработчикам (РФЯЦ «ВНИИЭФ») удалось создать генератор с оптимальными для применения в автомобиле массогабаритными и динамическими характеристиками. Реактор имеет массу 8 кг и объем 2,5 л, запуск производится за 11-35 с, что соизмеримо со временем прогрева нейтрализатора. В настоящее время приоритет, по мнению разработчиков, отдается применению бортовых генераторов синтез-газа на городских автобусах, микроавтобусах, малотоннажном коммунальном транспорте. Как следует из предварительных экспериментов, применение синтезгаза в качестве добавки к используемому в ДВС углеводородному топливу обеспечивает значительное снижение концентрации СО и NOx  в отработавших газах двигателя. Этим достигается выполнение требований «Евро-4» при значительном удешевлении каталитических нейтрализаторов в выпускном тракте двигателя, а также pначительная экономия моторного топлива, особенно на малых и средних нагрузках.

Что-же мы имеем на практике?

В табл. 2, 3 приведены сравнительные данные по результатам дорожных испытаний автомобиля «Соболь», проведенных в ходе автопробега «Голубой коридор» по маршруту В.Новгород – Санкт-Петербург – В. Новгород – Тверь – Москва – Московская область. Общая протяженность маршрута из г. Рыбинск Ярославской области до В.Новгорода и обратно составила 2235 км. Для участия в этом автопробеге был использован микроавтобус «Соболь», оснащенный газобаллонным оборудованием и бортовым генератором синтез-газа производительностью 5-25 м3 /ч. Особенностью данного транспортного средства являлось то, что он мог работать не только на природном газе, но и на смеси метана и синтезгаза, получаемого непосредственно на борту, а также на бензине. Это позволяло в сопоставимых условиях провести сравнительные измерения и оценить эффективность применения добавок синтез-газа [2].

Сравнительные данные по эмиссии различных топлив при дорожных испытаниях (двигатель – ЗМЗ-40522.10),

контрольный пробег составил 1800 км.

В табл. 2 приведены сравнительные данные по эмиссии различных топлив при проведении дорожных испытаний. Из табл. 2 следует, что применение добавок синтез-газа к топливу снижает эмиссию СО в 18 раз, NОх примерно в 12 раз, СО2  в 1,4 раза, но примерно в 1,5 раза увеличивает выбросы СН. Последний результат требует проведения дополнительных исследований. Из табл. 2, 3 следует, что
в случае использования смеси КПГ с добавками синтезгаза 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 г.) при переходе с бензина на КПГ 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 cинтез-газа наблюдается снижение затрат в 1,17 раза и увеличение пробега микроавтобуса на 62 км.

Показатели эффективности применения синтез-газа в ДВС при дорожных испытаниях (двигатель – ЗМЗ-40522.10)

Отметим, что полученные результаты по эффективности могут быть значительно выше в случае оптимизации двигателя и генератора синтез-газа по нагрузочным характеристикам. Полученные результаты экспериментов указывают на возможность нового подхода к экономии топлива и решению проблемы уменьшения вредных выбросов путем экологически чистого сжигания топлива в самом автомобильном двигателе.

Стоимость автомобильного генератора синтез-газа по оценкам разработчиков при серийном производстве не будет превышать 25-30 тыс. руб. С учетом того, что это устройство не только улучшает экологические показатели автомобиля, но и повышает его экономичность, затраты на приобретение такого генератора должны окупаться за 1,5-2 года эксплуатации.

Выводы:

1. Проведенные исследования показали, что воздушная конверсия природного газа является наиболее простым и дешевым способом получения водородсодержащего синтез-газа на борту транспортного средства.
2. Исследования показали, что добавки 6-10% синтез-газа к основному топливу имеют такой же эффект, что и добавки чистого водорода, который дороже синтез-газа в 8-10 раз.

по материалам:

1) Генератор синтез-газа для двигателей внутреннего сгорания Э.А.Шаравин, Е.Ю.Аристова/ Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» №8 (88) 2010 г
2) Перспективы использования газобаллонных автомобилей с бортовым генератором синтез-газа Н.Г. Певнев, В.А. Кириллов, О.Ф. Бризицкий, В.А. Бурцев/ «Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (15) май 2010 г.