Дозирование синтез-газа, добавляемого к бензину для улучшения показателей роторно-поршневого двигателя



В статье рассмотрен способ дозирования синтез-газа, добавляемого к бензину на впуске в роторно-поршневой двигатель с целью улучшения топливной экономичности и экологических характеристик. Предполагается, что синтез-газ получается конверсией части основного топлива — бензина, в каталитическом конвертере, который установлен в выпускной системе роторно-поршневого двигателя и использует для получения синтез-газа теплоту отходящих газов двигателя. Показана целесообразность поддержания в конвертере такого избыточного давления, при котором истечение синтез-газа во впускной трубопровод идет при критическом перепаде давлений. Это позволяет с помощью специального клапана управлять началом подачи добавки синтез-газа и ее величиной, изменяя интервал времени, в течении которого клапан открыт. Приведены результаты тарировки газового клапана. Показано, что требуемая продолжительность открытия газового клапана существенно меньше продолжительности такта впуска в роторно-поршневом двигателе.

Ключевые слова: роторно-поршневой двигатель, синтез-газ, дозирование подачи.

The article considers a method for dosing synthesis gas added to gasoline at the intake of a rotary piston engine in order to improve fuel efficiency and environmental performance. It is assumed that synthesis gas is obtained by converting part of the main fuel — gasoline, in a catalytic converter, which is installed in the exhaust system of a rotary piston engine and uses the heat of the exhaust gases of the engine to produce synthesis gas. The expediency of maintaining such excess pressure in the converter is shown, at which the outflow of synthesis gas into the inlet pipeline occurs at a critical pressure drop. This allows using a special valve to control the start of the supply of synthesis gas additive and its value, changing the time interval during which the valve is open. The results of gas valve calibration are given. It is shown that the required duration of the gas valve opening is significantly less than the duration of the intake stroke in a rotary piston engine.

Keywords: rotary piston engine, synthesis gas, feed dosing.

Исследования, проведенные как в России, так и за рубежом [4] свидетельствуют о том, что относительно небольшие добавки свободного водорода к основному углеводородному топливу двигателей внутреннего сгорания положительно влияют на их топливную экономичность и, особенно заметно, на экологические показатели. Для роторно-поршневых двигателей промотирующее влияние водорода на процесс сгорания топлива оказывается существенно важным, так как несколько больший по сравнению с поршневыми двигателями, расход топлива и повышенные выбросы несгоревших углеводородов с отработавшими газами являются в значительной степени следствием недостаточной скорости распространения пламени [3, 6, 8]. Как показывают опыты [9, 8, 11], добавки свободного водорода к углеводородному топливу в роторно-поршневых двигателях повышают полноту сгорания топливовоздушной смеси и уменьшают выбросы несгоревших углеводородов с отработавшими газами.

Практическое применение в роторно-поршневых двигателях рабочего процесса с добавками свободного водорода к основному углеводородному топливу сдерживается не только неизбежным усложнением системы топливоподачи и отсутствием инфраструктуры производства, транспортировки и распределения водорода как автомобильного топлива, но и известными принципиальными сложностями хранения этого газа на транспортных машинах. Исходя из особенностей эксплуатации автомобилей, не является приемлемым вариант с установкой на автомобиль устройства для получения водорода электролизом воды.

Известно [11], что свободный водород входит в состав синтез-газов, получаемых конверсией углеводородов. Синтез-газ может быть получен непосредственно на двигателе конверсией основного углеводородного топлива, на котором работает двигатель. При этом генерация синтез-газа может быть осуществлена с использованием теплоты отработавших газов двигателя. В этих случаях удается получить синтез-газ, теплота сгорания которого выше, чем исходного углеводородного топлива, и тем самым осуществить так называемую термохимическую рекуперацию теплоты, повышающую КПД двигателя.

В частности, термохимическую рекуперацию части теплоты отработавших газов можно осуществить, применяя технологию паровой конверсии углеводородного топлива на катализаторе.

Количество добавляемого к основному топливу синтез-газа определяется исход из принятого значения доли водорода в смесевом топливе. Например, если, добавляя к бензину вместо водорода синтез-газ, получаемый паровой конверсией метанола и содержащий 11,5 % водорода и 88,5 % CO ₂ , необходимо обеспечить массовую долю водорода в смесевом топливе в 2,5 %, то аналогичная массовая доля синтез-газа должна составлять 17,5 % [12].

Необходимость изменять долю добавляемого водорода в зависимости от режима работы двигателя и, следовательно, дозировать подачу синтез-газа заставляет отказаться от установки на двигателе генератора синтез-газа, движение газа через который происходит под действием разрежения во впускном трубопроводе двигателя. При использовании такого генератора очень сложно регулировать количество подаваемого синтез-газа. Кроме того, в этом случае малые перепады давления, под которыми происходит истечение синтез-газа во впускной трубопровод, и, соответственно, малые расходы могут ограничивать максимально возможную величину добавки, так как продолжительность по времени такта впуска, в первую очередь на высоких частотах вращения, может оказаться недостаточной.

Учитывая изложенное выше, предпочтительнее использовать генератор синтез-газа, работающий при избыточном давлении. В частности, при избыточном давлении работает генератор синтез-газа в схеме с внутренней термохимической рекуперацией теплоты [3,6,8]. Избыточное давление создается за счет отработавших газов двигателя, поступающих на вход генератора. Дозирование подачи синтез-газа во впускной коллектор двигателя в этом случае можно осуществлять с помощью управляемого электромагнитного газового клапана, или газовой форсунки. Если избыточное давление, поддерживаемое перед таким клапаном, обеспечивает истечение газа через него с критической скоростью, то расход газа определяется величиной проходного сечения. Для синтез-газа указанного выше состава критическое отношение давлений при истечении равно 0,531. Давление во впускном трубопроводе роторно-поршневого двигателя не превышает атмосферного. Следовательно избыточное давление перед газовой форсункой в 1 бар гарантирует критический режим истечения синтез-газа.

На рис. 1 представлена полученная тарировкой зависимость массовой подачи синтез-газа через газовую форсунку модели Alex Rail 001 от продолжительности подаваемого на нее управляющего импульса. Форсунка предназначена для систем питания двигателей, работающих на пропан-бутане. Задержка полного открытия форсунки относительно момента поступления на ее обмотку управляющего импульса составляет 2,8 мс, а задержка закрытия — 1,9 мс. В экспериментальных целях эта форсунка была использована для исследования работы роторно-поршневого двигателя ВАЗ-311 с добавками водорода к основному топливу. Тарировка форсунки проведена для синтез-газа указанного выше состава, искусственно приготовленного смешением водорода и диоксида углерода. Масса синтез-газа, подаваемого за единичный впрыск, определялась по падению его давления в баллоне за сто последовательных впрысков. Давление перед форсункой поддерживалось неизменным, обеспечивающим критический режим истечения синтез-газа.

Рис. 1. Зависимость массы синтез-газа, подаваемого через газовую форсунку, от длительности управляющего импульса.

На основе результатов тарировки форсунки рассчитаны для диапазона частот вращения от 1000 до 6000 мин ^-1 эксцентрикового вала роторно-поршневого двигателя ВАЗ-311 необходимые длительности управляющего импульса, обеспечивающие подачу заданного количества синтез-газа. На рис. 2 представлены для двух значений массовой доли синтез-газа в смесевом топливе: 17,5 и 31 %. Этим значениям соответствуют массовые доли водорода 2,5 % и 5 %, соответственно. Расчет выполнен для осредненного нагрузочного режима работы автомобильного двигателя: среднее эффективное давление 0,2 МПа.

Рис. 2. Зависимость длительности впрыска синтез-газа и длительности такта впуска от частоты вращения эксцентрикового вала РПД

На этом же графике показано, как изменяется в заданном диапазоне частот вращения эксцентрикового вала длительность такта впуска. Как видно, в диапазоне частот вращения от 1000 до 3800 мин ^-1 при массовой доле синтез-газа в смесевом топливе 17,5 % и любом положении дроссельной заслонки, необходимая на частичных нагрузках длительность импульса впрыскивания заметно меньше продолжительности такта впуска, а при массовой доле синтез-газа в смесевом топливе 31 % и том же диапазоне частот вращения необходимая длительность импульса впрыскивания меньше длительности такта впуска только на нагрузочных режимах, на которых степень открытия дроссельной заслонки не превышает 50 %.

Проведенное исследование позволяет сделать вывод о том, что применение генератора синтез-газа, работающего под повышенным давлением, и дозирующего устройства в виде электромагнитной газовой форсунки позволяет в диапазоне частот вращения эксцентрикового вала роторно-поршневого двигателя ВАЗ-311 от 1000 до 3500 мин ^-1 подавать синтез-газ в количестве до 30 % от общей массы подаваемого в двигатель топлива и в некоторых пределах изменять момент открытия газовой форсунки относительно начала такта впуска. За счет последнего можно влиять на равномерность распределения водорода по объему камеры сгорания. Концентрируя водород в той части камеры сгорания, которая примыкает к задней по направлению вращения вершине ротора, можно, как свидетельствуют ранее проведенные опыты [11], добиться дополнительного снижения расхода топлива и выбросов токсичных компонентов с отработавшими газами.

Литература:

1. Броладзе К. Э. Многотопливные РПД «WANKEL» AG. // Междунар. науч. журн. «Воздушный транспорт». 2013. № 1(8). С. 16–36.
2. Salanki, P.A. and Wallace, J.S., “Evaluation of the Hydrogen-Fueled Rotary Engine for Hybrid Vehicle Applications,” 1996, doi:10.4271/960232.
3. Ohkubo, M., Tashima, S., Shimizu, R., Fuse, S., and Ebino, H., “Developed Technologies of the New Rotary Engine (RENESIS),” ISBN 0768013194, 2014, doi:10.4271/2004–01–1790.
4. Amrouche F, Erickson P, Park J, Varnhagen S. An experimental investigation of hydro-gen-enriched gasoline in a Wankel rotary engine. International journal of hydrogen ener-gy. 2014; 39 — p. 8525–8534.
5. Пат. 2546933 РФ. МПК F02B53/10. Способ работы роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания / Е. А. Федянов. Захаров, Ю. В. Левин, Е. М. Гольденберг; ВолгГТУ. 2015.
6. Fedyanov E. A. et al. Modeling of flame propagation in the gasoline fuelled Wankel rotary engine with hydrogen additives // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing. 2017. T. 177, № 1. С. 012076.
7. Федянов Е. А. и др. Теоретическое исследование процесса сгорания в роторно-поршневых двигателях Ванкеля с добавками водорода // Двигателестроение. 2014. № 4. С. 16–18.
8. Добавка водорода на такте впуска в роторно-поршневой двигатель Ванкеля / Федянов Е. А., Захаров Е. А., Лютин К. И., Левин Ю. В. Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства. — 2015.
9. Дульгер М. В. Улучшение экономических и токсических показателей роторно — поршневых двигателей путем оптимизации их конструктивных параметров: Дисс. к.т.н. 05.04.02. Волгоград, 1984, 149 с.
10. 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.
11. Левин, Ю. В. Улучшение топливной экономичности и экологичности роторно-поршневого двигателя за счет добавок свободного водорода к основному топливу. — 2016. — 128 с.
12. Сравнение условий дозирования водорода и синтез-газа, подаваемых на впуске роторно-поршневого двигателя для улучшения его показателей / Дудников. Р.Д., Левин Ю. В., Федянов Е. А. Энерго и — ресурсосбережение: промышленность и транспорт. — 2021. — № 1(34), С 27–30.