ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОПАНА С ДОБАВКАМИ ВОДОРОДА В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

PROSPECTS PROPANE-HYDROGEN MIXTURE AS A FUEL FOR IC ENGINES

Maksim Beresnev

p.h.d, assistant professor of Electrotechnics and Mechatronics department Southern Federal University,

Russia, Taganrog

Vladimir Kriva

student of Electrotechnics and Mechatronics department Southern Federal University,

Russia, Taganrog

АННОТАЦИЯ

В работе рассмотрены вопросы применения топлива из смеси сжиженного углеводородного газа и водорода для двигателей внутреннего сгорания. Предложено активизировать научные изыскания для смеси пропана и водорода. Проведенный анализ моторных свойств показал ожидаемую перспективность ее использования. Намечены последующие этапы работ по созданию метода управления ДВС и системе получения водорода на борту транспортного средства.

ABSTRACT

Paper is devoted to alternative fuel – a mixture of propane and hydrogen for the IC engines. Authors propose to actively research this topic. Provided analysis of motor properties revealed good prospects of the fuel. Next steps of work are stated: development of IC engine control method and system for onboard hydrogen generation.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания; пропан; водород.

Keywords: internal combustion engine; propane; hydrogen.

Введение

До недавнего времени высокие цены на нефть были одним из ключевых факторов при формировании интереса к альтернативным топливам для двигателей внутреннего сгорания. Однако в связи с падением цен и на нефтепродукты (не учитывая аномального роста цен на бензин в России, обусловленного желанием нефтеперерабатывающих компаний сохранить свою прибыль) сейчас актуальным является вопрос перспективности использования сложных альтернативных топлив, в частности бинарных (состоящих из нескольких компонентов). Интересным, но еще не распространенным вариантом бинарного топлива является смесь пропана и водорода, анализу которого посвящена данная статья.

Бинарное топливо из пропана и водорода

На первый взгляд смесь сжиженного углеводородного газа «пропана» и водорода – это интересная комбинация, которая могла улучшить некоторые параметры по сравнению с чистым пропаном. Выгоды здесь предполагаются как для потребителей, так и для государства. С одной стороны добавка водорода способна увеличить мощность за счет быстрого распространения фронта пламени водорода, а с другой стороны возможность расширения пределов горения позволит снизить затраты на топливо. Учитывая, что пропан является одним из самых популярных альтернативных топлив в ряде стран включая Россию, необходимость исследований данного вида топлива вполне очевидна.

Однако работ по использованию смеси пропана и водорода довольно мало. Отчасти это может объясняться гипертрофированным интересом к смеси метана и водорода, а пропан, как газ, получаемый при переработке нефти был отодвинут на задний план. Но в свете последних тенденций на рынке ситуация вскоре должна измениться.

В работе [1] были проведены натурные и вычислительные эксперименты (в программе AVL BOOST) на 4-цилиндровом ДВС объемом 1.4 л в режиме полной нагрузки на средних оборотах. В качестве добавки к пропану использовался водородосодержащий газ (ВСГ) состава 21 % H2, 24 % CO and 55 % N2. На двигателе со степенью сжатия 9 добавка ВСГ в 5, 10 и 20 л/мин не обеспечила увеличения мощности до бензинового эквивалента. При моделировании, когда СЖ двигателя была увеличена до 11, при добавке 5 % ВСГ была получена мощность немного превышающая бензиновую.

На сходном двигателе в статье [2] были проведены эксперименты при низких и средних нагрузках с коэффициентом избытка воздуха от 1 до 1,3. Не при каких условиях не была получена мощность, сравнимая с бензиновой. Приведенные результаты по эмиссии вредных веществ в ОГ вызывают сомнения, поскольку количество CO2 при работе на чистом газе больше, чем при работе на бензине, что не согласуется с мировой практикой.

В работе [3] проведено исследование одноцилиндрового ДВС со степенью сжатия 8, на полной нагрузке при 1400 об/мин, причем добавлялся именно водород, а не ВСГ. При стехиометрии, мощность с добавкой водорода падала тем больше, чем больше подавалось водорода. При обеднении смеси разница была нивелирована. При любом коэффициенте избытка воздуха было зафиксировано снижение расхода топлива.

Обзор работ с одной стороны подтверждает предполагаемые преимущества смеси пропана с водородом, а с другой стороны выявляет множество «белых пятен» которые еще необходимо исследовать. Сначала нужно рассмотреть моторные свойства нового бинарного топлива с учетом из изменения в зависимости от состава. Затем разработать метод управления ДВС при работе на таком топливе. Метод должен обеспечивать преимущества как для владельцев транспортных средств, так и для экологии нашей планеты. Чрезвычайно важно решить вопрос хранения водорода на борту транспортного средства, особенно остро стоящий в виду минимального количества или полного отсутствия водородных заправок.

Моторные свойства бинарного топлива из пропана и водорода

Очевидно, что моторные свойства бинарного топлива зависят, во-первых, от моторных свойств каждого из топлив-компонентов, и, во-вторых, от доли компонентов в бинарном топливе. Основные свойства пропана и водорода приведены в таблице 1. Для равнения добавлены и свойства бензина.

Таблица 1.

Моторные свойства топлив-компонентов в сравнении с бензином

Исходя из данных в табл. 1. можно сделать вывод о том, что одной из лимитирующих фаз горения жидкого топлива является период смешивания и диффузии компонентов в зоне реакции. При использовании газообразного топлива, такого как C3H8, стехиометрическое отношение незначительно изменяется по сравнению с парой «бензин-воздух» и полученная гомогенная область ТВС имеет возможность провести более полную реакцию.

Принимая во внимание меньшее количество воздуха, необходимое для полного сгорания водорода и его высокую химическую активность можно предположить, что первыми вступать в химическую реакцию и служить первичными центрами образования цепей будут молекулы водорода.

Даже незначительное добавление водорода приводит к значительному увеличению центров химических реакций, равномерно распределенных по объему камеры сгорания Каждый из получившихся радикалов послужит для участия в цепных реакциях по уравнению: OH+H2=H2 О+H, с образованием новой активной частицы, атома водорода. Таким образом, наряду с существующими активными центрами и цепными реакциями в бинарном топливе могут образовываться дополнительные, служащие для изменения рабочих характеристик. Учитывая турбулентность горения и меньшую температуру, необходимую для воспламенения такого бинарного топлива по сравнению с пропаном, можно предположить уменьшение времени горения ТВС и более полное сгорание топлива, и следовательно увеличение мощности, снижение эмиссии HC, CO2. Недостатком будет увеличение температуры реакции, которое приведет к увеличению NOx при стехиометрических смесях.

Необходимо отметить, уже на данном этапе ясно, что использовать все преимущества смеси пропана с водородом невозможно без разработки метода управления, позволяющего адаптироваться к внешним возмущениям изменением управляющих воздействий: состава топлива, угла опережения зажигания, уровня рециркуляции ОГ и т. п.

Заключение

Возможности добавки водорода как к традиционным, так и к альтернативным топливам активно исследуются в настоящее время. Актуальным является исследование бинарного топлива из пропана и водорода. Анализ моторных свойств показал, что данный вариант может улучшить как эффективные, так и экологические показатели транспортных средств. Однако, для достижения ожидаемых эффектов необходима разработка соответствующих методов и алгоритмов управления ДВС на таком топливе, которые позволят в полной мере использовать его преимущества и обойти недостатки.

Благодарности

Работа поддержана Министерством образования и науки РФ, НИР по государственному заданию ВУЗам и научным организациям в сфере научной деятельности (№ 114041540005).

Список литературы:

1. Niculae G., and R. Chiriac. On the Possibility to Recover the Decrease of the Spark Ignition Engines Output at Liquified Petroleum Gas Fueling. // UPB Scientific Bulletin, Series D: Mechanical Engineering. – 2013. – Т. 75. – № 3. – С. 97–110.
2. Niculae G., Chiriac R., Apostolescu N. Effects of HRG Gas Addition on Performance and Emissions of a SI Engine Fuelled with Liquefied Petroleum Gas // REVISTA DE CHIMIE. – 2013. – Т. 64. – № 6. – С. 574–579.
3. Choi G.H., Chung Y.J., Han S.B. Performance and emissions characteristics of a hydrogen enriched LPG internal combustion engine at 1400 rpm // International Journal of Hydrogen Energy. – 2005. – Т. 30. – № 1. – С. 77–82.