книги / Метанол как топливо для транспортных двигателей
..pdfго
|
|
3 |
'3 |
Рис- 4.24 Экспериментальная лабораторная установка: |
- |
маностат; |
2 - бюретка; 3 - реометр; |
4 - реактор; 5, 6 - холодильники водяные; |
- |
гаоовне часы; В - термохолодильник; |
9 - сборник конденсата;' Ï0 - регулировочный кран; И -испаритель;pi - первая сту-
пень; ?2 ~~вторая ступень; Ж - термопары
Рис. |
4.3. Зависимость степени конверсии |
от температуры |
|||||||||||
|
|
для |
различных |
катализаторов |
(W |
1000 хС^) |
|
||||||
ную область |
примерно на 50 К, |
при |
этом удельный |
выход |
конвертиро |
||||||||
ванных газо-в составляет 3...4 |
нм'^/Сч •л), |
т.е. |
в |
1,5 - |
2 раза |
||||||||
больше» |
чем у CHM-I. Катализатор № 1 начинает |
работать |
при |
темпе |
|||||||||
ратурах, |
которые на 50...60 К ниже.необходимых для CHM-I, |
что яв |
|||||||||||
ляется важным его |
преимуществом. |
|
Недостаток |
же |
заключается |
в низ |
|||||||
кой механической |
прочности. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Экспериментальное исследование конверсии водных растворов |
|||||||||||||
метанола |
показало, |
что наибольший |
эф}>ект |
на |
показатели |
оказывает |
|||||||
добавка |
5...10 %воды по массе. |
При этом |
степень |
конверсии |
увели |
||||||||
чивается |
на 10 ...2 0 |
%%особенно |
в |
области |
низких |
температур, выход |
конвертированных газов возрастает в 1,3 - 1,5 раза, увеличивается
также выход водорода.
Обобщая результанты экспериментальных исследований прямой конверсии метанола, можно отметить, что дромотирование_катализа-_ торов является эффективным средством снижения температуры про цесса; конверсия умеренных водяных растворов метанола предпо чтительнее конверсии безводного метанола.
Теоретически установлено, что конверсия метанола^через ста дию образования диметилового эфира (ДйЭ) позволяет вести процесс при более низких температурах, чем при прямой конверсии. Причем
большего эффекта можно достичь при неполной дегидратации метанола
до ДМ3 в первой ступени реактора с последующей конверсией Д>1Э,
воды и оставшегося метанола во второй ступени [52].
При экспериментальном исследовании первая ступень заполнена
катализатором Н-эрионит (состав%по массе): Si С^//1вг 0ъ |
6 ,4; |
Рис. 4*4. Зависимость показателей конверсии от |
температуры |
|||||||
|
при последовательной работе реакторов |
( W |
= |
- |
||||
|
= 1000 Ч"1 ): — |
Л — |
- Тр< |
= 420К ;-- о- - - - |
||||
|
Тр, = 430 К; -- •- - - - - Тр< |
= 450 К; |
- |
---- |
|
|||
|
одиночный реактор с CHM-I |
|
|
|
|
|
||
\ia = |
0,03, К = 1 ,0, плотность 712 |
кг/м^, |
вторая - |
катализа |
||||
тором CHM-I. |
методикой исследований сначала |
оп |
||||||
В |
соответствии с принятой |
ределяли активность катализатора первой ступени с целью получения
зависимости |
с(,с / ( T |
, W |
) на трех |
уровнях.температур: 420... |
||||
...4Э0...450 К, охватывающих |
практически весь диапазон работы дан |
|||||||
ного катализатора Г52] и состава продуктов |
дегидратации. Затем ус |
|||||||
танавливали |
в первой ступени |
постоянные |
Тр, |
и |
W |
на каждом из |
||
уровней, подавали продукты дегидратации |
из |
первой |
ступени во |
вто |
||||
р у ю ^ которой постепенно |
повышали температуру |
от |
ее значения |
в йер- |
вой ступени до значениясоответствующего максимальной степени кон
версии. Результата эксперимента (рис. 4.4) показали, что двухсту пенчатая конверсия позволяет снизить температуру процесса на 40...
...60 К. При Трг |
500 К степень, превращения достигает 100 |
на |
Из |
|||||
рис. |
4.4 следует, |
ито |
полную дегидратацию метанола в Д4Э |
пер |
||||
вой |
ступени |
проводить |
нежелательно, |
так как при этом резко |
умень |
|||
шается |
выход |
водорода с продуктами |
конверсии. Оптимальной |
для |
||||
первой |
ступени является температура |
420. ..430 К. Скорбеть |
паров |
метанола на первом катализаторе следует принимать равной не более 1000 ч~*. При более высокой объемной скорости уменьшается время
контакта паров метанола с катализатором, что в конечном счете сни
жает степень конверсии.
Разработанный способ двухстадийноП конверсии метанола может быть использован при запуске и прогреве автомобиля’с системой кон версии, а также при работе автомобиля на малых нагрузках, когда температура отработавших газов недостаточна для осуществления пря мой конверсии.
Для дальнейшего совершенствования систем конверсии метанола необходима разработка катализаторов, эффективнее функционирующих при более высоких объемных скоростях и более низких температурах.
Целесообразно также |
создание реактора при повышенном(хотя бы до |
|
I МПа |
) давлении для |
возможности организации в двигателе внутрен |
него |
смесеобразования. |
|
|
4.3. |
Системы топливоподачи ДВС с |
|
|
конверсией метанола |
Принципиальная схема системы питания ДВС продуктами конвер сии метанола представлена на рис. 4.5 [991* В выпускном трубопро
воде двигателя I установлен каталитический реактор2 для конверсии метанола. В герметичном корпусе реактора размещены два пучка теп-
лообменных труб, один из которых образует испарительную камеру 3,
а другой, заполненный катализатором,-реакционную камеру 4. В меж трубном пространстве реактора имеется поперечная перегородка, служащая для увеличения скорости движения отработавших газов и усиления теплоотдачи. Жидкий метанол из топливного бака 5 через
фильтр 6 .топливным насосом 7 подается в реактор. |
Продукты конвер |
|
сии через |
охладитель газа 8 и редуктор давления 9 |
подводятся к |
впускному |
трубопроводу двигателя. Мощность двигателя регулируется |
Рис. 4.5. Система питания
ДВС продуктами конверсии
метанола
количественным способом с помощью установленных на одной оси воз душной заслонки 10 и газового золотника II. Повышенное давление
в топливной системе способствует уменьшению ее габаритов и упро щению управления ее работой. На переменных эксплуатационных режи
мах реактор конверсии метанола может запираться неиспользованными продуктами конверсии, вследствие чего весовой расход топлива че-„ рез реактор всегда.соответствует расходу через двигатель. Б слу
чае аварийного роста давления реактор сообщается с атмосферой через редукционный клапан 12 .
Эффективные и токсические показатели ДВС при работе на продук тах конверсии. Результаты стендовых испытаний системы конверсии
метанола на четырехтактном автомобильном двигателе с электрическим
зажиганием представлены на рис. 4.6к 4.7 [98] Конверсия метано
ла осуществлялась на окисном цинк-медном катализаторе при темпера
туре 570 К. Состав получаемого газа (% по объему): |
Нг |
- 63, |
||
СО - 24, С02 - 4, СЩ - I, |
(СНЦ,0 |
- 3, |
СНъОЦ - 5. |
|
Удельная теплота* сгорания газовой |
смеси на |
16%выше по |
сравнению |
с исходным метанолом. Использование полученного газа взамен бен
зина позволило |
увеличить степень сжатия двигателя £ |
с 8,5 до |
|||
16 единиц, йри |
этом эффективный КОД.двигателя |
|
возрос |
с |
|
27,5 до 31,3 %%а |
температура отработавших газов |
в |
выпускном |
кол |
|
лекторе упала |
на |
40 К (рис. 4,6). Другим фактором |
увеличения КОД |
двигателя явилось расширение пределов эффективного обеднения го
рючей смеси (рис. 4.7). Концентрации |
в отработавших газах продук |
||||||||
тов |
неполного |
сгорания |
( с у ш а СО |
и |
СИ |
) были |
меньшими, чем |
||
при |
работе |
на |
бензине |
(36 г/ч и 35 г/ч соответственно). Ввделение |
|||||
оксидов азота |
fJOx |
, зависящее |
в основном |
от коэффициента избыт |
|||||
ка |
воздуха, |
на |
пределе |
эффективногообеднения d |
= 1,9 состави |
||||
ло |
4 г/ч против 95 |
г/ч у бензинового |
варианта двигателя. |
U |
1,5 1,7 1,9 2 / 2,5* |
Рис, 4*6. Влияние степени сжатия на показатели карбюраторного
двигателя с |
конверсией метанола. |
Режим: |
а |
= |
||
= 1600 мин”*; |
= 40 |
Нм. |
Коэффициент |
избытка |
||
воздуха <L |
- |
1,7. Момент |
зажигания: — |
---о |
ВМТ; |
'-- •---- 5° после ВМТ
Рис. 4.7. Влияние состава смеси на показатели карбюраторного
двигателя с конверсией метанола. |
Режим: |
П. = |
|||||
- |
1600 |
мин”*; |
Мкр |
40 Нм. Расход топливаОт |
|||
= |
3,81 |
кг/ч; |
степень сжатия t |
- |
14,0. |
Момент за |
|
жигания: -- о --- ЬыТ; —■ |
•- - - -5° |
после |
ВМТ |
Рис. 4.8. Доля метанола,
диссоциированного за
счет теплоты.отработав
ших газов
При работе на продуктах конверсии эффективный К1Щ двигателя может возрастать на 70...100%по сравнению с бензиновым вариан
том [81; 02]. Больший эфрект наблюдается на частичных нагрузках. Отмечается, что на режимах высоких нагрузок возникает необходи мость использования жидкого топлива как вследствие низкой объем
ной плотности энергии газообразных продуктов конверсии, так и
вследствие появления обратных вспышек во впускном коллекторе дви гателя при обогащении заряда продуктами конверсии до о С 1^2. Причиной обратных вспышек является самовоспламенение молекулярно го водорода при контакте с остаточными газами в период перекрытия
клапанов (29 ] Вместе с тем на частичных режимах теплоты отрабо тавших газов зачастую недостаточно для полной газификации метано ла и питания двигателя исключительно продуктами конверсии (рис.
4.8) [73; 79; 81; 92 ] • Таким образом, двигатель с системой кон
версии метанола и внешним смесеобразованием должен иметь дополни тельную систему питания жидким топливом. Рис. 4.9 иллюстрирует
полученную авторами зависимость параметров автомобильного двига теля от количества присадки продуктов конверсии к бензовоздушной смеси на режимах малых нагрузок. В стендовых условиях воспроизво
дились режимные параметры, имеющие место при движении автомобиля
со скоростью 30 и 50 |
км/ч. |
Удельная |
теплота сгорания продуктов |
||
конверсии составляла |
23900 |
кДж/кг, что почти |
в 2 раза меньше, чем |
||
у бензина, поэтому теплота сгорания |
смесевого |
топлива снижалась |
|||
по мере увеличения доли продуктов конверсии. При этом |
эффективный |
||||
КПД двигателя и предел эфрективного |
обеднения |
горючей |
смесисС«р, |
непрерывно росли, а оптимальный по крутящему моменту угол опере
жения зажигания уменьшался. Такое изменение регулировочных пара метров свидетельствует об ускорении процесса и повышении его энергетической эфТ»ективности. Характер изменения общего расхода
127
Рис. 4,9. Влияние
присадки модель
ного газа на
смешанного топлива показывает, что наибольший относительный эффект дает замена 30...40 %по массе бензина продуктами конверсии, когда
суммарный массовый расход топлива снижается, несмотря на уменьше ние, как уже указывалось, его теплоты сгорания.
Использование продуктов конверсии на дизельном двигателе не
так эффективно, как в двигателях с электрическим зажиганием [751Некоторые результаты испытаний четырехтактного автомобильного ди
зеля со степенью сжатия |
б |
= i8,5 и неразделенной камерой сго |
|||
рания |
отражены на рис, |
4 Л0 . |
Дизель был оснащен двухтопливной си |
||
стемой |
питания. Дизельное топливо впрыскивалось обычным способом, |
||||
а продукты конверсии метанола, содержащие |
водород и оксид угле |
||||
рода в стехиометрическом для |
этой реакции |
соотношении, |
подавались |
||
во впускной трубопровод. Энергетическая эффективность |
рабочего |
Рис. |
10. Показатели работы дизеля при добавке |
на опуск |
||||
|
продуктов |
конверсии метанола. |
Релим: |
гъ |
||
|
= 2000 мин~^; |
опережение впрыска дизельного |
||||
|
топлива - 10° до ВМТ; |
fm |
- массовая доля |
|||
|
продуктов |
конверсии в |
топливе. Обозначения: |
|||
|
— О- - - |
- |
р |
0,36' МПа;--- Д — |
— |
|
|
р = |
0,24 |
МПа |
|
|
|
процесса дизеля от присадки продуктов |
конверсии практически не |
|||||
изменилась. |
Увеличение доли продуктов |
конверсии в топливе приво |
дило к росту концентраций продуктов неполного сгорания, который можно объяснить неудовлетворительным смесеобразованием с дизель
ным топливом в камере сгорания и гашением пламениСО и паров непрореагировавшего метанола в обедненной смеси. Отмечалось не значительное уменьшение вццелений сажи и оксидов азота.
Анализ тепловых схем установок конверсии метанола., Низкая температура отработавших газов, характерная для автомобильного
двигателя и условиях городской эксплуатации |
(рис. 4;11) |
[40] # |
обусловливает небольшой температурный напор |
в реакторе. |
Сущест- |
Рис. 4Л1 - Температура отработавших газов в выпускном трубопроводе автомобиля при испытаниях по ездовому циклу ОСТ 37.Ô01.054-74 (рабочий объем двигателя V h а 2,45 л): I - темпе ратура в плоскости разъема головка двига теля - выпускной коллектор; 2 - темлератут ра на расстоянии I м от двигателя
венная потеря тепла из отработавших газов в выпускном трубопрово
де вследствие теплопередачи, приводящая к снижению их температуры примерно на 100 К на расстоянии I м, требует размещения реактора рядом с двигателем в моторном отделении автомобиля, что налагает ограничения на его габариты. Отсюда следует основная проблема при создании автомобильных реакторов - проблема подвода необходимого
количества теплоты в условиях весьма жестких ограничений по тем пературному напору и габаритам. Другая характерная проблема -
обеспечение изотермичности каталитического слоя в пределах20...
...30°, которая необходима для обеспечения приемлемой производи тельности катализатора и для предупреждения локальных перегревов, ведущих к эауглероживанию катализатора или его термическому раз
рушению* Структура потребления тепла реактором конверсии метанола
показана на рис. 4.12. Среди трех основных технологических пото-