Перспективы использования газобаллонных автомобилей с бортовым генератором синтез-газа

Перспективы использования газобаллонных автомобилей с бортовым генератором синтез-газа

Н. Г. Певнев,

зав. кафедрой, профессор Сибирской автомобильно-дорожной академии (СибАДИ), д.т.н., В.А. Кириллов,

зав. лабораторией института катализа Сибирского отделения РАН, д.т.н., О.Ф. Бризицкий,

зам. главного конструктора РФЯЦ «ВНИИЭФ», В.А. Бурцев,

главный конструктор ООО «Газомотор-Р»

В статье показана динамика изменений требований к составу отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и предлагаются мероприятия по уменьшению вредных компонентов в их составе. В качестве ключевого вопроса улучшения экологических и экономических показателей ДВС рассматривается применение альтернативных топлив, в частности, природного газа метана и добавки синтез-газа (водородсодержащей смеси) к основному топливу. В подтверждение приводятся результаты пробеговых испытаний автомобиля «Газель» на различных топливах.

Ключевые слова: газобаллонные автомобили, альтернативные топлива, бортовой генератор синтез-газа, водородсодержащая смесь (синтез-газ), смеси газовых топлив, эксплуатационные показатели работы автомобиля.

Outlooks of usage gas-bottle of motor engines with the board oscillator of synthesizing-gas

N.G. Pevnev, V.A. Kirillov, O.F. Brizitskiy, V.A. Burtsev

The article deals with the analysis of dynamics of variation of the requirements to composition of exhaust gas of internal combustion engines and the measures on an abatement of poisonous reductants in their composition. As a key problem ofimproving the ecological and economical ations ofinternal combustion engines the ways of applying of alternate combustibles, in particular of natural gas of methane and component of synthesizing-gas (hydrogen inclusive of a mixture) to the main (basic) combustible are concerned. The results characteristics of trials of the automobile «Gazelle» the different fuels are given here.

Keywords: gas-bottle automobiles alternate combustibles, board oscillator of synthesizing-gas, hydrogen inclusive a mixture (synthesizing-gas), mixtures of gaseous fuels, operation indices of operation of the automobile.

ирективы Еврокомиссии предписывают для легковых автомобилей снизить к 2015 г. эмиссию СО2 до 90 г/км. Для исполнения этих

директив Еврокомиссия предлагает установить систему налогового регулирования выбросов СО2 путем снижения или увеличения налого-

вых выплат на каждый автомобиль (табл. 1).

Для легкового автомобиля среднего класса, например, ВАЗ-2110, имеющего эмиссию СО2 140 г/км, снижение выбросов СО2 до 90 г/км эквивалентно снижению расхода бензина на 28%, то есть до 3,7 л/100 км пробега (рис. 1). Если использовать традиционные топлива, то изменением конструкции автомобиля и ДВС добиться такого уменьшения выбросов весьма проблематично и крайне дорого.

Нормы на токсичные выбросы автомобилей ужесточаются каждые пять лет примерно в два раза. Невыполнение требований директив Ев-рокомиссии по выбросам СО2 ведет к снижению конкурентоспособности автомобилей и к потере рынка их сбыта, а невыполнение норм по токсичности - к запрету на продажу.

Вышеперечисленные факторы привели к интенсивным работам, направленным на снижение расхода топлива, переходу к использованию альтернативных и возобновляемых моторных топлив, в том числе водорода. В настоящее время в промыш-ленно развитых странах действуют государственные программы, стимулирующие работы по использованию альтернативных моторных топлив на автотранспорте.

Наиболее эффективным и дешевым способом снижения эмиссии СО2 является использование на автотранспорте альтернативных топлив с низким содержанием углерода (рис. 2).

При работе серийных двигателей ВАЗ на компримированном природном газе (КПГ) эмиссия СО2 снижается на 23-38%. При работе на КПГ в смеси с водородосодержащим синтез-газом, получаемым на борту автомобиля из основного топлива, можно обеспечить снижение эмиссии СО2 на 52%, а токсичности до уровня требований «Евро-5». Автомобиль на топливных элементах с бортовым процессором получения водорода может обеспечить снижение эмиссии СО2 на 56%.

Автомобили, работающие только на водороде, обеспечивают нулевую эмиссию СО2.

Таким образом, просматривается возможность поэтапного решения

Таблица 1

Рекомендации Еврокомиссии по налоговому регулированию выбросов СО2 автомобилями

Выбросы СО2 Изменение налоговых выплат

Менее 120 г/км Снижение от 500 до 700 евро

От 120 до 140 г/км Снижение от 250 до 350 евро

От 140 до 180 г/км 0

Более 180 г/км Увеличение от 400 до 3200 евро

Рис. 1. Требования Евросоюза

проблемы снижения эмиссии СО2 без существенного увеличения затрат на производство автомобилей, что позволяет наметить концепцию развития автотранспортных средств на альтернативных моторных топливах.

Ключевыми задачами реализации данной концепции являются:

1. Организация серийного производства автомобилей, работающих на КПГ с параллельным развитием сети

по ограничению эмиссии СО2

автомобильных газонаполнительных станций.

2. Создание генераторов водоро-досодержащего синтез-газа, получаемого на борту автомобиля из КПГ, либо из сжиженного углеводородного газа (СУГ). Организация производства автомобилей с бортовыми генераторами синтез-газа, а также установка генераторов синтез-газа на автомобили, находящиеся в эксплуатации.

Рис. 2. Эмиссия СО2 при работе на различных видах моторного топливах и ее снижение в процентах в сравнении с бензином

ГШ

к^еощи»*

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

Предлагаемый в настоящей статье подход к решению энерго-экологи-ческих проблем автомобилизации заключается в улучшении процесса сгорания топлива в ДВС путем добавки к традиционному топливу водородосо-держащего синтез-газа, получаемого из части топлива непосредственно на борту автомобиля посредством воздушной конверсии с помощью бортовых генераторов синтез-газа. Такой подход предполагается применить к автомобилям, находящимся в эксплуатации, и к серийно выпускаемым автомобилям.

Разработка и создание бортовых генераторов получения синтез-газа и массовое внедрение их в практику (в первую очередь, это установка их на автомобили, находящиеся в эксплуатации) 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 отработавших газов. По крайней мере, на ближайшие два десятилетия ДВС остается основным типом силовой установки для автомобилей, что вынуждает искать сегодня новые решения энерго-экологических проблем автомобильного транспорта.

Попытки серийного внедрения на автомобильном транспорте устройств конверсии углеводородного топлива предпринимались еще 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 экзотермических процессов, в том числе и для конверсии углеводородов в синтез-газ, используя которые РФЯЦ ВНИИЭФ совместно с ИК СО РАН разработал ряд малогабаритных конвертеров воздушной конверсии природного газа.

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 а, 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 здесь уже требуется вмешательство контролирующих государственных структур, так как реализуемые на автозаправках упомянутые продукты резко отличаются от требований ГОСТ и слишком загрязнены.

Принципиальная схема бортового генератора приведена на рис. 3. Синтез-газ (СО+Н2), смешиваясь с

Рис. 3. Блок-схема бортового генератора: ДГ1 - дозатор воздуха; Р1 - датчик расхода воздуха; Н1 - нагнетатель воздуха; СМ1 - смеситель природный газ/воздух; ДГ - дозатор газа с электроприводом; ДТ1, ДТ2 - датчики температуры

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.

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 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%.

При этом исходная структура моторного 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

ы

^"еоцши»*

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 недоступны любому другому способу [1].

Устройство для получения синтез-газа представляет собой комплект, состоящий из катализаторного блока и блока управления бортовым генератором [2]. Катализаторный блок производит конверсию углеводородного топлива для получения синтез-газа (рис. 4).

Блок управления (рис. 3) проводит дозирование поступающей смеси, производит начальный запуск генератора и контролирует систему охлаждения. Разработчикам удалось создать генератор с оптимальными для применения в автомобиле массогабаритны-ми 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 [3].

Как следует из предварительных экспериментов, применение синтез-газа 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 значительная экономия моторного топлива, особенно на малых и средних нагрузках.

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 [3]. Для участия в этом автопробеге был использован микроавтобус «Соболь», оснащенный газобаллонным оборудованием и бортовым генератором синтез-газа производительностью 5-25 м3/ч. Участие в этом автопробеге позволило провести полномасштабные испытания автомобиля, выполнить замеры фактических показателей содержания вредных выбросов автомобиля непосредственно во время пробега и замеры фактического расхода топлива. Особенностью данного транспортного средства являлось то, что он мог работать не только на природном газе, но и 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 добавок синтез-газа.

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 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 г.) при

Рис. 4. Принципиальная схема работы генератора синтез-газа

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 синтез-газа наблюдается снижение затрат в 1,17 раза и увеличение пробега микроавтобуса на 62 км. 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.

С учетом того, что в настоящее время инфраструктура водородных заправочных станций отсутствует, а ее внедрение требует колоссальных финансовых затрат, разработка и внедрение генераторов синтеза-газа на борту автомобиля является единственной реальной возможностью резкого повышения топливной экономичности и улучшения экологических характеристик автомобильного транспорта.

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.

В данной статье приводятся результаты разработок по генератору синтез-газа при работе на КПГ. Природный газ - это экологически чистое топливо для ДВС, как правило, с содержанием метана, составляющего более 90%, и незначительных добавок этилена, этана и пропана.

В настоящее время в стране работают около 800 тыс. газобаллонных автомобилей на СУГ с хорошо развитой инфраструктурой, обеспечивающей бесперебойную эксплуатацию этих автомобилей [4]. Большинство таких автомобилей работает в крупных городах России - Москве, Екатеринбур-

Таблица 2

Сравнительные данные по эмиссии различных топлив при дорожных испытаниях

Наименование Вид моторного топлива

Бензин КПГ* КПГ+синтез-газ

Контрольный пробег, км 0 0 0

СО, % 0,35 0,3 0,016

СН, ррм 147 193 292

1\Юх, ррм 174 191 16

СО2,% 13,2 11,1 7,5

Контрольный пробег, км 550 550 550

СО, % 0,29 0,31 0,035

СН, ррм 210 216 310

\Ох, ррм 210 235 17

СО2,% 13,1 11,8 8,1

Контрольный пробег, км 1800 1800 1800

СО, % 0,3 0,33 0,02

СН, ррм 195 222 340

1\Юх, ррм 205 195 14

СО2,% 12,9 10,9 7,95

Примечание. КПГ*- компримированный природный газ, содержащийся в газовых баллонах.

Таблица 3

Показатели эффективности применения синтез-газа в ДВС при дорожных испытаниях

Наименование Вид моторного топлива

Бензин КПГ КПГ+синтез-газ

Контрольный пробег, км 2235 2235 2235

Номинальная мощность (на моторном стенде), л. с. 123 103 103

Максимальная скорость, км/ч 120 120 120

Время разгона, с 0-100 км/ч (1-5-я передачи) 60-100 км/ч (3-я передача) 60-100 км/ч (4-я передача) 80-120 км/ч (5-я передача) 32 12 17 42 34 14 21 42 42 16 27 55

Единица измерения топлива л м3 м3

Вместимость заправочных емкостей 50 39 39

Стоимость топлива, руб. 24 8 8

Расход на 100 км пробега (движение в колонне с V=75 км/ч) 11,5 10,5 8-9

Затраты на 100 км пробега, руб. 276 84 72

Пробег на одной полной заправке одним топливом, км 434 371 433

ге, Тюмени, Омске, Новосибирске и др. Они могли бы работать с использованием бортового генератора синтез-газа, но нужно поднять технологическую дисциплину реализации на АГЗС чистого топлива, отвечающего требованиям ГОСТ.

В законе об альтернативных топ-ливах в качестве альтернативы моторным топливам следующим за КПГ назван СУГ.

С учетом этих обстоятельств необходимо провести проверку работы генератора синтез-газа в условиях

эксплуатации с использованием СУГ, отличного от КПГ. Это будет способствовать расширению области применения уникального процесса добавки водорода к основному моторному топливу.

Этому вопросу будут посвящены дальнейшие наши исследования.

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.

3. Для развития и внедрения технологии ДВС+ГСГ в повседневную экс-

плуатацию необходимы совместные усилия разработчиков ГСГ и предприятий, занятых эксплуатацией газобаллонных автомобилей.

Литература

1. Бризицкий О.Ф. Разработка компактных устройств для получения синтез-газа из углеводородного топлива на борту автомобиля в целях повышения топливной экономичности и экологических характеристик автомобилей. -Бризицкий О.Ф., Терентьев В.Я., Христолюбов А.П., Золотарский И.А., Кириллов В.А., Собянин В.А., Садыков В.А., Мирзоев Г.К., Сорокин А.И. - Альтернативная техника и экология. - 2004, № 11.

2. Бурцев Н.В. Применение методов адаптивного управления при разработке микропроцессорной системы управления многотопливным ДВС с использованием синтез-газа. - Бурцев Н.В., Бризицкий О.Ф., Кириллов В.А., Комаров В.Н., Собянин А.А. - Вестник НГУ, сер. Информационные технологии. 2009, т. 7, в. 2. - С. 62-73.

3. Бризицкий О.Ф. Использование генератора синтез-газа в ДВС автомобиля. Бризицкий О.Ф., Терентьев В.Я., Кириллов В.А., Савицкий А.И., Бурцев В.А. - Транспорт на альтернативном топливе. - 2008, № 6.

4. Певнев Н.Г. Применение комбинированной системы впрыска топлива для повышения эффективности эксплуатации газобаллонных автомобилей. -Певнев Н.Г., Левашов М.Г. - Автотранспортное предприятие, 2007, № 5. - С. 41-45.

Завод «Сеспель» запустил в производство новый газовоз и газозаправщик

Завод «Сеспель» по техническому заданию компании «Русбизнесав-то» разработал и запустил в серийное производство линейку полуприцепов-цистерн с индексом 96488 для транспортировки и заправки сжиженных углеводородных газов (СУГ).

Завод «Сеспель» продолжает усиливать экспансию своей продукции на российский рынок и радовать отечественных потребителей очередными новинками. Теперь продукция этого предприятия пополнилась цистернами для перевозки и заправки СУГ. Новые полуприцепы-цистерны «Сеспель 96488» имеют несущую конструкцию и могут транспортироваться седельными тягачами российского или иностранного производства.

Высокое качество изготовления новых моделей обеспечивается 100%-ной автоматизацией сварки сосудов, как это принято у ведущих иностранных производителей, при этом стоимость новой модели сопоставима с отечественными моделями.

Полуприцепы комплектуются осями BPW на пневмо-рессорной или рессор-но-балансирной подвеске (для тяжелых

условий эксплуатации), также существует бюджетный вариант - модели с осями КамАЗ на рессорно-балансирной подвеске. Тормозная система новинок - фирмы «МаЬсо» (Германия).

Завод «Сеспель» получил сертификаты Ростехнадзора на производство сосудов, работающих под высоким давлением. По итогам проверочных расчетов ООО «НИИхиммаш» все представленные модели полуприцепов-автоцистерн удовлетворяют условиям прочности. Также завод получил положительные результаты ООО «НИИхиммаш» на всю имеющуюся линейку полуприцепов-цистерн. Таким образом, сегодня предприятие стало единственным заводом в России, имеющим сертификаты Ростехнадзора на перевозку всего спектра жидкостей: сжиженных газов, светлых, темных нефтепродуктов и химических продуктов.

Техника завода «Сеспель» стала открытием последних двух лет, в течение которых завод произвел качественный скачок в технологиях, производстве и обучении специалистов, благодаря чему опережает ныне существующие российские и даже многие европейские производства минимум на 10 лет.

Завод «Сеспель» оснащен уникальным оборудованием европейского производства, обеспечивающим соответствие всем международным стандартам качества, а также отвечающим самым жестким требованиям охраны окружающей среды. Завод оснащен уникальной гаммой технологического оборудования. Основа производства продукции завода - передовые технологии и лучшие инженерные решения.

Ассортимент продукции, выпускаемый на заводе «Сеспель», представлен следующими позициями: алюминиевые и стальные автоцистерны для перевозки нефтепродуктов, цементовозы, муковозы, водовозы, контейнеры и многие другие виды техники.

Фирмы, составившие основу компании «Русбизнесавто», были образованы в 1993 г. Сегодня эта компания является ведущим оператором на рынке продаж грузовой автотехники, автобусов и спецтехники, одним из лидеров по организации снабжения предприятий запасными частями, а также обладает сетью современных станций технического обслуживания и ремонта грузовой автотехники. Компания «Русбизнесавто» является официальным дилером большинства отечественных и многих иностранных производителей грузовой, автобусной, специальной техники и заводов по производству автозапчастей.

http://www.mashportal.ru/company_news-17010.aspx

«Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (15) май 2010 г. Ä ИИ ОВШ ЩШШИВк вФ1