УДК 478.289
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ДВС НА КРЕКИНГ-ГАЗЕ
А.А. Баубек, М.В. Долгов, К.К. Каптагаева
ЕНУ им. Л.Н.Гумилёва, Астана, e-mail: [email protected] www.enu.kz
Одним из приоритетных направлений принятой Правительством Республики Казахстан концепции развития автомобильной отрасли Казахстана на период до 2020 года являются инновационная деятельность в области машиностроения, экологическая безопасность и меры по снижению отрицательного воздействия автомобилей на окружающую среду.
До недавнего времени топливная обеспеченность потребителей базировалась на горючих нефтяного происхождения, применение которых для ДВС из-за относительно высокой концентрации энергии в единице объема, простоты транспортировки, хранения и эксплуатации, доступности и дешевизны производства было наиболее целесообразным.
Однако динамика роста потребителей топлив требует расширения ресурсов моторных топлив и их реструктуризации, что обусловлено, с одной стороны ограниченностью топливных природных запасов, а с другой - постоянным увеличением затрат на добычу и переработку нефти.
В современных условиях расширение ресурсов моторных топлив достигается за счет применения газообразных топлив и других АМТ с достаточными ресурсами. Известно, что среди альтернативных моторных топлив особое место занимают газообразные – сжиженный нефтяной газ (СНГ) и сжатый природный газ (СПГ), а также в перспективе сжиженный природный газ (СжПГ). Перспективность их применения в качестве моторных топлив определяется прежде всего их экологичностью, достаточностью сырьевых ресурсов, меньшими затратами на производство, транспортировку и хранение, а также их уникальными моторными свойствами.
Не менее важными АМТ являются топливные смеси на основе метанола, этанола, водорода, а также биогаза и других источников не нефтяного происхождения.
Большинство ученых и практиков предпринимают срочные меры по снижению токсичности отработавших газов двигателя. И прежде всего — уменьшению количества содержащихся в них моно- и диоксидов углерода, а также оксидов азота и несгоревших углеводородов.
Мировой автомобильный парк в основном состоит из легковых автомобилей, работающих на бензине. Бензиновые двигатели внутреннего сгорания наносят ощутимый вред окружающей среде.
Наиболее реальной альтернативой бензину и дизельному топливу является сжиженный или сжатый газ. Запасы его в несколько раз превосходят запасы нефти, да и технология переработки проще, чем технология извлечения бензина из нефти. Кроме того, для перехода на газообразное топливо практически не требуется вносить конструктивные изменения в двигатели внутреннего сгорания. Что же касается выбросов вредных компонентов, то концентрации окислов углерода и азота в выхлопе ДВС, работающего на газе, значительно ниже, чем в выхлопе бензинового ДВС, даже снабженного самым современным трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором с замкнутым контуром. Наконец, газовое топливо практически не содержит соединений свинца и серы.
Газ великолепно смешивается с воздухом и равномерно распределяется по цилиндрам двигателя, что гарантирует его практически полное сгорание и высокую топливную экономичность.
Альтернативным топливом газа является крекинг-газ, получаемой из бензина непосредственно на автомобиле со всеми вышеуказанными преимуществами перед жидким топливом [1].
Перевод ДВС на сжиженный и природный газ сдерживается необходимостью создания нужного количества газозаправочных станций.
По физическому состоянию горючие газы делятся на две группы: сжатые и сжиженные. Если критическая температура углеводородов ниже обычных температур при эксплуатации автомобилей, то их применяют в сжатом виде, а если выше, то в сжиженном виде под давлением 1,5–2,0 МПа.
Требования к газообразным топливам:
- обеспечение хорошего смесеобразования;
- высокая калорийность горючей смеси;
- отсутствие коррозии и коррозионных износов;
- минимальное образование отложений во впускном и выпускном трактах;
- сохранение качества при хранении и транспортировании;
- низкая стоимость производства и транспортирования.
Промышленность выпускает СНГ для автомобилей двух марок:
- СПБТЗ – смесь пропана и бутана техническая зимняя;
- СПБТЛ – летняя.
В состав СНГ добавляют специальные вещества (одоранты), имеющие сильный запах, т.к. СНГ не имеет ни цвета не запаха, и обнаружить их утечку сложно. Для этой цели используют этилмеркаптан C2H4SH, имеющий резкий неприятный запах, который ощущается уже при концентрации 0,19 г. на 1000 м3 воздуха.
Эксплуатационные свойства автомобилей с газовыми двигателями, работающими на СНГ, в сравнении с автомобилями, работающими на бензине, оцениваются следующим образом:
•пусковые качества до -5 0С равноценны; при более низких температурах запуск холодного двигателя затруднен;
•показатели динамичности автомобиля ухудшается на 5…8%;
•повышается мощность и улучшается топливная экономичность двигателей, так как детонационная стойкость СНГ выше (04 выше 100 единиц), чем у бензина, и можно форсировать двигатель по степени сжатия;
•снижается токсичность отработавших газов: по окиси углерода – в 3…4 раза, по окислам азота – в 1,2…2,0 раза, по углеводородам – в 1,2…1,4 раза;
- периодичность смены масла увеличивается в 2,0…2,5 раза;
- межремонтный ресурс двигателя увеличивается в 1,4…2,0 раза;
- трудоемкость ТО и ТР возрастает на 3…5%, но эти затраты перекрываются экономией от увеличения межремонтного ресурса двигателей [2].
В настоящее время выпускаются газобаллонные автомобили двух типов: со специальными двигателями, предназначенными для работы на СНГ и имеющими резервную систему питания для кратковременной работы на бензине; с универсальными двигателями, допускающими работу как на СНГ, так и на бензине (у автомобилей этой группы мощность снижается примерно на 10%).
Производство топлив, отвечающих современным требованиям, невозможно без применения таких процессов, как каталитический крекинг, термический крекинг, каталитический риформинг, гидроочистка, алкилирование и изомеризация, а в некоторых случаях - гидрокрекинг.
Газ каталитического крекинга наполовину состоит из непредельных углеводородов, в основном, пропилена и бутенов. Также присутствуют значительные количества изобутана. Реализация мероприятий по улучшению ЭЭП ДВС на СНГ и СПГ производилась с учетом таких свойств, как сгорание в двигателе со значительно меньшим
образованием вредных веществ (ВВ) в ОГ, увеличение срока службы межремонтного пробега двигателя и смены смазочного масла, а также их более высокое октановое число.
Вместе с тем следует подчеркнуть, что в настоящее время работы по применению АМТ (СНГ, СПГ, СжПГ, метанол, этанол, водород, биогаз, спиртовые топливные смеси) в качестве моторных топлив широко ведутся во многих странах мира (США, Россия, Япония, Италия, Голландия, Австралия и др.). Причем эти исследования всегда сопровождаются поиском эффективных способов улучшения ЭЭП ДВС, работающих на них. В связи с этим комплексное и системное решение вопросов, связанных с улучшением ЭЭП, позволит выявить рациональные пути расширения применения АМТ в качестве моторного топлива [3].
Групповой химический состав значительно зависит от давления при протекании крекинга (таблица 1).
Таблица 1 - Влияние давления при термическом крекинге на состав получаемого газа
Давление Состав газа, %
водород парафиновые углеводороды
этилен пропилен бутилен дивинил
Высокое 3 82 2 8 5 -
Низкое 9 46 20 15 8,5 1,5
Как видно из таблицы 1, повышение давления способствует протеканию реакций полимеризации, в результате чего содержание в газе непредельных углеводородов, особенно легких олефинов, снижается. С учѐтом анализа приведѐнных выше данных был смоделирован термореактор для получения крекинг-газа непосредственно на автомобиле (рисунок 1).
Рисунок 1 - Термореактор на выпускном коллекторе
Снижение выбросов оксида углерода на установках каталитического крекинга достигается дожигом отходящих газов, осуществлением полного дожига непосредственно в регенераторе на базе применения промотирующих добавок к основному катализатору (благородный металл на оксиде алюминия). Концентрация СО в отходящих газах снижается при этом от 10 до 0,1%.
Использование крекинг-газа в системе питания автомобиля позволит соответствовать по содержанию вредных веществ в выхлопных газах экологическому стандарту Евро-4. На экспериментальной автомобиле установлена система считывания всех процессов (рис. 2).
Рисунок 2 - Бортовой компьютер определения параметров автомобиля
Разработанные научно-технические положения функционировании ДВС на автотранспорте на крекинг-газе открывают возможность кардинального решения вопросов рационального использования топлива нефтяного происхождения и сокращения вредных выбросов в окружающую среду.
Изучив и проанализировав исследования в области проектирования, моделирования и разработки новейших систем питания ДВС, а также химического состава разложения различных видов топлива мы пришли к выводу, который основывается на разработке инновационной системы питания ДВС. Результатом исследований стала разработка комплекса устройств для получения высокооктанового крекинг-газа из низкооктанового бензина непосредственно на автомобиле.
Литература
1. «Environmental problems of the engine internal combustion» Baubek A.A., Dolgov M.V., Научно-практическая конференция, 23-27 апреля 2012 года, Берлин, Германия.
2 . Леффлер У.Л. Переработка нефти: - М.: Олимп-Бизнес, 2005.-224с.
3 . Смедович Е.В. Технология переработки нефти и газа: - М.: Химия, 1980.
