RU2240437C1 - Method of operation of internal combustion engine - Google Patents
Method of operation of internal combustion engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2240437C1 RU2240437C1 RU2003115341/06A RU2003115341A RU2240437C1 RU 2240437 C1 RU2240437 C1 RU 2240437C1 RU 2003115341/06 A RU2003115341/06 A RU 2003115341/06A RU 2003115341 A RU2003115341 A RU 2003115341A RU 2240437 C1 RU2240437 C1 RU 2240437C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- engine
- hydrogen
- converted
- air
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels
Landscapes
- Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в производстве поршневых двигателей внутреннего сгорания.The invention relates to mechanical engineering and may find application in the production of reciprocating internal combustion engines.
Быстрый рост производства автомобилей в развитых странах и их концентрация в крупных городах вызвали значительное увеличение потребления топлива, а также привели к росту количества вредных выбросов в атмосферу. Создалось положение, когда автомобильный транспорт стал основным источником загрязнения воздуха в крупных городах мира. Достигнутый к настоящему времени в мире уровень удельного расхода топлива и токсичности отработанных газов автомобилей остается неудовлетворительным. Поэтому в настоящее время ведущими автомобилестроительными фирмами интенсивно проводятся работы по усовершенствованию двигателей внутреннего сгорания и в том числе переводу автомобилей на газообразные виды топлив. Традиционный способ снижения вредных выбросов сводится к установке дорогостоящих каталитических нейтрализаторов, которые уменьшают концентрации оксида углерода и оксидов азота в отработанных газах автомобиля. Использование дорогостоящих трехкомпонентных катализаторов на основе платиноидов увеличивает стоимость легковых автомобилей и примерно на 5% снижает мощность двигателя. Иными словами, традиционные способы снижения вредных выбросов направлены на борьбу со следствием принципиальных недостатков сжигания топлива в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Представляется более правильным устранить эти недостатки посредством перехода на новые принципы использования углеводородных топлив в двигателях внутреннего сгорания и создания двигателя нового поколения, приспособленного к работе в режимах обедненного сгорания топлива. В городских условиях эксплуатации автомобиля его двигатель, в основном, работает в режимах малых и средних нагрузок, что приводит к значительным выбросам вредных продуктов неполного сгорания. Например, для автомобиля с номинальной мощностью 50÷100 кВт средняя потребляемая мощность при городском цикле езды составляет не более 10 кВт при кпд менее 15% (вместо 30% при номинальной мощности). Таким образом, для экономии углеводородного топлива, снижения выбросов углекислого газа и улучшения экологических характеристик ДВС при городском цикле езды необходимо использовать обедненную топливную смесь.The rapid increase in automobile production in developed countries and their concentration in large cities caused a significant increase in fuel consumption, and also led to an increase in the amount of harmful emissions into the atmosphere. The situation was created when road transport became the main source of air pollution in large cities of the world. The level of specific fuel consumption and vehicle exhaust gas toxicity achieved to date in the world remains unsatisfactory. Therefore, currently leading automotive companies are actively working to improve internal combustion engines, including the conversion of cars to gaseous fuels. The traditional way to reduce harmful emissions is to install expensive catalytic converters that reduce the concentration of carbon monoxide and nitrogen oxides in the exhaust gases of the car. The use of expensive ternary platinum-based catalysts increases the cost of cars and reduces engine power by about 5%. In other words, traditional methods of reducing harmful emissions are aimed at combating the consequence of the fundamental shortcomings of fuel combustion in internal combustion engines (ICE). It seems more correct to eliminate these shortcomings by switching to new principles of using hydrocarbon fuels in internal combustion engines and creating a new generation engine adapted for operation in lean fuel combustion modes. In urban vehicle operating conditions, its engine mainly operates in low and medium load conditions, which leads to significant emissions of harmful products of incomplete combustion. For example, for a car with a rated power of 50 ÷ 100 kW, the average power consumption during an urban driving cycle is no more than 10 kW with an efficiency of less than 15% (instead of 30% at rated power). Thus, in order to save hydrocarbon fuel, reduce carbon dioxide emissions and improve the environmental performance of internal combustion engines in an urban driving cycle, it is necessary to use a lean fuel mixture.
Однако при этом не удается обеспечить устойчивую работу двигателя, поскольку искра свечи зажигания не воспламеняет смесь беднее определенного уровня. Применение водорода в виде добавок к бедным топливным смесям при их сгорании в ДВС представляется наиболее целесообразным решением этой проблемы. Использование баллонного водорода на транспорте даже в небольших количествах нежелательно по причинам высокой взрыво- и пожароопасности водорода и отсутствия развитой инфраструктуры снабжения транспорта водородом. Практическим вариантом решения этой проблемы может быть получение водородсодержащего синтез-газа из углеводородного топлива на борту автомобиля. В этом случае реализуются все преимущества применения водорода для воспламенения обедненных топливных смесей и исчезает необходимость в создании инфраструктуры снабжения транспорта водородом.However, it is not possible to ensure stable operation of the engine, since the spark of the spark plug does not ignite the mixture poorer than a certain level. The use of hydrogen in the form of additives to poor fuel mixtures during their combustion in ICE seems to be the most appropriate solution to this problem. The use of balloon hydrogen in transport, even in small quantities, is undesirable due to the high explosion and fire hazard of hydrogen and the lack of a developed infrastructure for supplying hydrogen to a transport. A practical solution to this problem may be to obtain hydrogen-containing synthesis gas from hydrocarbon fuel on board an automobile. In this case, all the advantages of using hydrogen to ignite lean fuel mixtures are realized and the need to create an infrastructure for supplying hydrogen to vehicles disappears.
В патентах США №5943859, F 01 N 3/02, 31.08.99 и №6079373, F 02 B 43/00, 18.11.98 предлагается вариант использования в ДВС синтез-газа, получаемого углекислотной конверсией природного газа. Для получения углекислого газа предполагается использовать выхлопные газы двигателя, из которых СО2 выделяется посредством жидкофазного поглощения диэтаноламином и последующей десорбцией газа в результате подогрева раствора. Как вариант предполагается также использовать мембранное разделение газов с выделением углекислого газа. Для осуществления углекислотной конверсии используется катализатор, содержащий в качестве активного компонента никель или платину.In US patent No. 5943859, F 01 N 3/02, 08/31/99 and No. 6079373, F 02 B 43/00, 11/18/98 proposed the option of using in the internal combustion engine synthesis gas obtained by carbon dioxide conversion of natural gas. To obtain carbon dioxide, it is proposed to use engine exhaust gases, from which CO 2 is released by liquid-phase absorption with diethanolamine and subsequent gas desorption as a result of heating the solution. Alternatively, it is also intended to use membrane gas separation with carbon dioxide evolution. For the implementation of carbon dioxide conversion, a catalyst containing nickel or platinum as an active component is used.
Реактор для проведения углекислотной конверсии в патенте США №5943859 выполнен в виде двух цилиндрических труб. Центральная труба заполнена насадкой для интенсификации теплопередачи с непроницаемой металлической стенкой, вокруг которой расположен цилиндрический слой катализатора. Подача смеси метана с углекислым газом и вывод продуктов реакции осуществляются через систему трубок, установленных внутри слоя катализатора.The carbon dioxide conversion reactor in US Pat. No. 5,943,859 is made in the form of two cylindrical tubes. The central tube is filled with a nozzle for intensifying heat transfer with an impermeable metal wall around which a cylindrical layer of catalyst is located. The mixture of methane with carbon dioxide and the withdrawal of reaction products are carried out through a system of tubes installed inside the catalyst bed.
В патенте США №6079373 для проведения углекислотной конверсии используют двухступенчатый реактор с неподвижным слоем катализатора.US Pat. No. 6,079,373 uses a two-stage fixed-bed reactor for carrying out carbon dioxide conversion.
Полученный в описанных реакторах синтез-газ подается в двигатель с использованием турбонаддува. В установке предусматривается использование тепла выхлопных газов за счет использования паровой турбины. Вместе с применением синтез-газа паровая турбина приводит к повышению термической эффективности энергетической установки в 1,38 раза по сравнению с обычными вариантами ДВС за счет когенерации тепла. К сожалению, в патенте не приведены примеры, иллюстрирующие данные по повышению эффективности. Кроме того, предполагается, что двигатель работает полностью на полученном синтез-газе без добавок исходного неконвертируемого топлива, что вызывает сомнение в справедливости приведенных данных.The synthesis gas obtained in the described reactors is supplied to the engine using turbocharging. The installation provides for the use of heat from exhaust gases through the use of a steam turbine. Together with the use of synthesis gas, a steam turbine increases the thermal efficiency of a power plant by 1.38 times in comparison with conventional ICE options due to heat cogeneration. Unfortunately, the patent does not provide examples illustrating data on improving efficiency. In addition, it is assumed that the engine runs completely on the resulting synthesis gas without additives of the original non-convertible fuel, which raises doubts about the validity of the data.
В патенте США №3963000, F 02 B 43/08, 15.06.76 предлагается способ питания ДВС, базирующийся на получении синтез-газа посредством автотермической конверсии различных видов углеводородных топлив и также спиртов, альдегидов, кетонов в слое катализатора. Каталитический реактор представляет собой статическое непроточное устройство, обогреваемое выхлопными газами двигателя, в которое периодически по определенной циклограмме поршневым компрессором под давлением 20-30 атм из смесителя подается смесь, состоящая из углеводородного топлива, выхлопных газов двигателя и воздуха. При недостатке воды в выхлопных газах необходимое дополнительное количество воды может подаваться через форсунку в смеситель. В реакторе в зависимости от вида конвертируемого топлива при температурах 300-800°С происходит реакция автотермического риформинга с образованием синтез-газа, который затем подается в смеси с основным топливом в ДВС. Как вариант в качестве источника получения воды и кислорода для автотермической конверсии топлив предлагается использовать перекись водорода. Таким образом, в данном патенте предполагается, что катализатор всегда будет работать в нестационарном режиме и при воздействии периодических механических нагрузок, вызванных работой поршневого компрессора. Поскольку в статическом реакторе невозможно обеспечить равномерность распределения смеси реагентов по объему реакционного пространства, то такой режим работы катализатора приведет к коксованию и дезактивации. Кроме того, воздействие периодических механических нагрузок будет способствовать быстрому разрушению катализатора.In US patent No. 3963000, F 02 B 43/08, 06/15/76, a method for supplying internal combustion engines is proposed, which is based on the production of synthesis gas through autothermal conversion of various types of hydrocarbon fuels and also alcohols, aldehydes, ketones in the catalyst bed. The catalytic reactor is a static non-flow device heated by the exhaust gases of the engine, into which a mixture consisting of hydrocarbon fuel, engine exhaust and air is fed from the mixer periodically according to a certain sequence diagram by a reciprocating compressor. If there is a lack of water in the exhaust gases, the necessary additional amount of water can be supplied through the nozzle to the mixer. In the reactor, depending on the type of convertible fuel at temperatures of 300-800 ° C, an autothermal reforming reaction takes place with the formation of synthesis gas, which is then fed into the internal combustion engine mixed with the main fuel. Alternatively, it is proposed to use hydrogen peroxide as a source of water and oxygen for autothermal fuel conversion. Thus, in this patent it is assumed that the catalyst will always work in an unsteady mode and when exposed to periodic mechanical loads caused by the operation of a reciprocating compressor. Since it is impossible to ensure uniform distribution of the mixture of reagents in the volume of the reaction space in a static reactor, this mode of operation of the catalyst will lead to coking and deactivation. In addition, the effect of periodic mechanical loads will contribute to the rapid destruction of the catalyst.
В патенте США №4108114, F 02 B 43/08, 22.08.78 для получения синтез-газа предлагается использовать гомогенное парциальное окисление или гомогенную паровоздушную конверсию газообразных и жидких углеводородных топлив и спиртов. Реакция осуществляется при повышении температуры до 800-1000°С и давления в цилиндрическом риформере за счет адиабатического сжатия смеси (степень сжатия 14-20 раз). Полученные продукты реакции через систему клапанов удаляются из риформера и после смешения с воздухом и основным топливом подаются в рабочие цилиндры двигателя.In US patent No. 4108114, F 02 B 43/08, 08/22/78 for the synthesis gas is proposed to use a homogeneous partial oxidation or a homogeneous vapor-air conversion of gaseous and liquid hydrocarbon fuels and alcohols. The reaction is carried out with increasing temperature to 800-1000 ° C and pressure in a cylindrical reformer due to adiabatic compression of the mixture (compression ratio 14-20 times). The resulting reaction products through the valve system are removed from the reformer and after mixing with air and main fuel are fed into the working cylinders of the engine.
В патентах США №6508209, F 02 M 27/02, 21.01.03 и №6397790, F 02 B 43/08, 04.06.02 предлагается способ проведения процесса в ДВС, основанный на конверсии паровой (патент №6508209), или паровой и парциального окисления (патент №6397790) части газового топлива (природный газ, пропан-бутан) в синтез-газ. Реакция конверсии проводится в каталитическом реакторе, в который вместе с газовым топливом подается часть рециркулирующих выхлопных газов двигателя. Рекомендуемое соотношение топливо/выхлопные газы=0,2-0,35. Выхлопные газы двигателя состоят из CO2=5-6%, N2=74-79%, Н2O=6-12%, что достаточно для проведения паровой конверсии, и служат одновременно источником тепла для проведения эндотермической реакции. Газовая смесь после риформинга содержит примерно 12-13% Н2, 0,55% СО, 2-3% СН4 и 13% СО2. Она смешивается с воздухом в соотношении 0,4-0,67 и подается в ДВС. Температура, при которой осуществляется паровой риформинг, 450-800°С, катализатор - кольца Рашига диаметром 8 мм из окиси алюминия с никелем в качестве активного компонента. Концентрация оксидов азота в отходящих газах после ДВС находится на уровне 10 ppm. Снижение концентрации СО в выхлопных газах осуществляется посредством каталитического нейтрализатора, выполненного в виде отдельного реактора. Для проведения реакции паровой конверсии рекомендуется реактор с неподвижным слоем катализатора либо реактор с двумя коаксиальными цилиндрами, в которых катализатор находится в кольцевом слое между цилиндрами и обогревается выхлопными газами двигателя.In US patent No. 6508209, F 02 M 27/02, 01/21/03 and No. 6397790, F 02 B 43/08, 06/04/02 a method for carrying out the process in the internal combustion engine, based on the conversion of steam (patent No. 6508209), or steam and partial oxidation (patent No. 6397790) of a part of gas fuel (natural gas, propane-butane) to synthesis gas. The conversion reaction is carried out in a catalytic reactor, in which, along with gas fuel, a part of the recirculated exhaust gases of the engine is supplied. Recommended fuel / exhaust ratio = 0.2-0.35. Engine exhaust gases consist of CO 2 = 5-6%, N 2 = 74-79%, H 2 O = 6-12%, which is sufficient for steam conversion, and simultaneously serve as a heat source for carrying out the endothermic reaction. The gas mixture after reforming contains approximately 12-13% H 2 , 0.55% CO, 2-3% CH 4 and 13% CO 2 . It is mixed with air in a ratio of 0.4-0.67 and fed to the internal combustion engine. The temperature at which steam reforming is carried out is 450-800 ° C, the catalyst is Rashig rings with a diameter of 8 mm from aluminum oxide with nickel as the active component. The concentration of nitrogen oxides in the exhaust gases after the internal combustion engine is 10 ppm. The decrease in the concentration of CO in the exhaust gases is carried out by means of a catalytic converter, made in the form of a separate reactor. To carry out the steam conversion reaction, a reactor with a fixed catalyst bed or a reactor with two coaxial cylinders in which the catalyst is in the annular layer between the cylinders and is heated by the engine exhaust gases is recommended.
Согласно а.с. СССР №1329272, F 02 B 43/08, 1987, в ДВС предлагается использовать основное жидкое углеводородное топливо и дополнительное топливо для получения водородсодержащего газа. При осуществлении рабочего процесса основное топливо (бензин) смешивается с воздухом. Дополнительное топливо, аммиак, подается в каталитический реактор, обогреваемый выхлопными газами двигателя, где при температуре 350-600°С происходит разложение аммиака на водород и азот. Полученная смесь газов добавляется к основной смеси и, при работе ДВС с нагрузкой более 40% от максимальной подается в двигатель для ее сжигания. При этом количество подаваемого в реактор аммиака устанавливают в интервале 30-40% от весового расхода основного топлива, что обеспечивает содержание водорода в рабочей смеси в количестве от 5,29 до 7,05 мас.% от расхода основного топлива.According to A.S. USSR No. 1329272, F 02 B 43/08, 1987, it is proposed in the internal combustion engine to use the main liquid hydrocarbon fuel and additional fuel to produce a hydrogen-containing gas. During the work process, the main fuel (gasoline) is mixed with air. Additional fuel, ammonia, is fed to a catalytic reactor heated by the exhaust gases of the engine, where ammonia decomposes into hydrogen and nitrogen at a temperature of 350-600 ° C. The resulting gas mixture is added to the main mixture and, when the internal combustion engine is operated with a load of more than 40% of the maximum, is supplied to the engine for combustion. The amount of ammonia supplied to the reactor is set in the range of 30-40% of the weight consumption of the main fuel, which ensures the hydrogen content in the working mixture in an amount of 5.29 to 7.05 wt.% Of the main fuel consumption.
Согласно патенту РФ №2033554, F 02 M 25/02, 20.04.95, который выбран в качестве прототипа, в ДВС для осуществления рабочего процесса используют основное жидкое топливо (бензин) и дополнительное топливо в виде природного или нефтяного газа, а также продукты их конверсии в виде синтез-газа. Синтез-газ получают в отдельном блоке, расположенном между карбюратором и впускным коллектором в двигатель. Данный блок состоит из конверсионной камеры и каталитического реактора, содержащего теплообменную и внутреннюю каталитическую камеры, соединенных через смесительную камеру с конверсионной. Каталитическая камера оснащена патрубком подачи газообразного топлива в смеси с воздухом и патрубком подачи паров воды. При запуске холодного двигателя его вначале разогревают за счет пускового устройства карбюратора на жидком и газообразном топливе. При этом общий расход смеси газообразного топлива с воздухом устанавливают в интервале 8-12 мас.% от общего расхода топлива на холостом ходу. По мере прогрева двигателя выключают пусковое устройство карбюратора и двигатель переводят в режим холостого хода.According to the patent of the Russian Federation No. 2033554, F 02 M 25/02, 04/20/95, which is selected as a prototype, the main liquid fuel (gasoline) and additional fuel in the form of natural or petroleum gas, as well as their products, are used in the internal combustion engine for the implementation of the working process conversion in the form of synthesis gas. The synthesis gas is produced in a separate unit located between the carburetor and the intake manifold into the engine. This unit consists of a conversion chamber and a catalytic reactor containing a heat exchange and an internal catalytic chamber connected through a mixing chamber to the conversion. The catalytic chamber is equipped with a nozzle for supplying gaseous fuel mixed with air and a nozzle for supplying water vapor. When starting a cold engine, it is first heated by a carburetor starting device using liquid and gaseous fuels. In this case, the total flow rate of the mixture of gaseous fuel with air is set in the range of 8-12 wt.% Of the total fuel consumption at idle. As the engine warms up, the carburetor starting device is turned off and the engine is put into idle mode.
Для проведения реакции паровой конверсии реактор разогревается выхлопными газами ДВС до температуры 350-600°С. Затем в него подают смесь дополнительного топлива с парами воды и в каталитической камере происходит реакция с образованием синтез-газа. Полученная смесь в камере смешения смешивается с выхлопными газами ДВС в соотношении 4-6% и затем поступает в двигатель. При нагрузке ДВС до 30% от максимальной мощности к основному топливу добавляют дополнительное топливо и полученную смесь подают в двигатель. При нагрузках от 30 до 100% дополнительное топливо с парами воды подают в каталитический реактор. При этом количество дополнительного топлива, расходуемого на получение синтез-газа, составляет 15-20 мас.% от расхода основного топлива. Реакцию осуществляют при объемном соотношении газы/воздух 1,18:1 на холостом и 1:4 на всех остальных режимах. Объемное соотношение пар/газы находится в интервале 0,46:1 (холостой ход) и 0,48:1 (остальные режимы). Приготовленную описанным способом рабочую смесь, содержащую синтез-газ, подают на сжигание в двигатель. В составе синтез-газа, подаваемого в ДВС при нагрузках до 70% от максимальной, содержится до 4,2 об.% водорода и до 14,3 об.% остальных горючих компонентов. Благодаря наличию в рабочей смеси водорода и оксида углерода обеспечивается сжигание топлива в обедненной смеси. Это позволяет снизить токсичность выхлопных газов по оксидам азота NOx на 35-40%, а по непрореагировавшим углеводородам (СН) на 30-35%. На режиме холостого хода ДВС в каталитический реактор подают пары воды для регенерации катализатора.To carry out the steam conversion reaction, the reactor is heated by the exhaust gases of the internal combustion engine to a temperature of 350-600 ° C. Then a mixture of additional fuel with water vapor is fed into it and a reaction with the formation of synthesis gas occurs in the catalytic chamber. The resulting mixture in the mixing chamber is mixed with the exhaust gases of the internal combustion engine in a ratio of 4-6% and then enters the engine. When the engine load is up to 30% of the maximum power, additional fuel is added to the main fuel and the resulting mixture is fed to the engine. At loads from 30 to 100%, additional fuel with water vapor is fed into the catalytic reactor. At the same time, the amount of additional fuel spent on the production of synthesis gas is 15-20 wt.% Of the main fuel consumption. The reaction is carried out with a gas / air volume ratio of 1.18: 1 at idle and 1: 4 in all other modes. The volume ratio of steam / gases is in the range of 0.46: 1 (idle) and 0.48: 1 (other modes). Prepared by the described method, the working mixture containing synthesis gas is fed to the combustion engine. The composition of the synthesis gas supplied to the internal combustion engine at loads up to 70% of the maximum contains up to 4.2 vol.% Hydrogen and up to 14.3 vol.% Of the remaining combustible components. Due to the presence in the working mixture of hydrogen and carbon monoxide, fuel is burned in the lean mixture. This reduces the toxicity of exhaust gases by nitrogen oxides NO x by 35-40%, and by unreacted hydrocarbons (CH) by 30-35%. At idle of the internal combustion engine, water vapor is supplied to the catalytic reactor to regenerate the catalyst.
Проведенный анализ патентов позволяет сделать следующие выводы.The analysis of patents allows us to draw the following conclusions.
1. Применение синтез-газа, получаемого из различных видов жидких и газообразных углеводородных топлив на борту транспортного средства вместо использования баллонного водорода, является перспективным и известен ряд конструктивных решений по реализации данного способа.1. The use of synthesis gas obtained from various types of liquid and gaseous hydrocarbon fuels on board a vehicle instead of using balloon hydrogen is promising and a number of design solutions for implementing this method are known.
2. Наиболее распространенным способом получения синтез-газа является каталитическая паровая конверсия углеводородных топлив. Как правило, для ее реализации используют выхлопные газы ДВС, содержащие водяные пары и необходимый запас тепла для проведения данной эндотермической реакции.2. The most common method for producing synthesis gas is catalytic steam conversion of hydrocarbon fuels. As a rule, for its implementation, ICE exhaust gases containing water vapor and the necessary heat reserve for carrying out this endothermic reaction are used.
3. Добавление синтез-газа к основному топливу для питания ДВС в значительной степени снижает концентрацию оксидов азота и оксида углерода в выхлопных газах.3. The addition of synthesis gas to the main fuel for supplying ICE significantly reduces the concentration of nitrogen oxides and carbon monoxide in the exhaust gases.
Рассмотренные варианты получения синтез-газа на борту транспортного средства, в том числе и прототипа, имеют следующие очевидные недостатки.The considered options for producing synthesis gas on board a vehicle, including a prototype, have the following obvious disadvantages.
1. Для проведения реакции паровой конверсии углеводородных газов требуется поддержание с необходимой точностью определенного мольного соотношения между водой и конвертируемым газом и температурой смеси. Выполнить эти условия только за счет использования выхлопных газов двигателя представляется затруднительным.1. For carrying out the steam reforming reaction of hydrocarbon gases, it is necessary to maintain with the necessary accuracy a certain molar ratio between water and convertible gas and the temperature of the mixture. It is difficult to fulfill these conditions only through the use of engine exhaust.
2. В случае нарушения оптимального соотношения H2О/конвертируемый газ возможно коксование катализатора, что неизбежно сократит ресурс его работы.2. In case of violation of the optimal ratio of H 2 O / convertible gas, coking of the catalyst is possible, which will inevitably reduce its service life.
3. Режимы работы реактора получения синтез-газа очень сильно зависят от режимов работы двигателя, что приводит к наличию между ними положительной обратной связи, и для достижения устойчивой работы системы требуется разработка сложной системы управления.3. The operating modes of the synthesis gas production reactor very much depend on the operating modes of the engine, which leads to the presence of positive feedback between them, and the development of a complex control system is required to achieve stable operation of the system.
4. Реакторы работают, как правило, в нестационарных режимах при переменных составах реагирующей смеси на входе в реактор и при воздействии значительных механических нагрузок на катализатор, вызванных колебаниями давления в выхлопных газах при движении поршня.4. Reactors operate, as a rule, in unsteady conditions with variable compositions of the reacting mixture at the inlet to the reactor and when significant mechanical loads are applied to the catalyst caused by pressure fluctuations in the exhaust gases when the piston moves.
Отмеченные недостатки приводят к тому, что предлагаемые конструктивные решения оказываются сложными для их практического применения в ДВС при работе на бедных смесях. К тому же известные способы организации рабочего процесса ДВС на гомогенных обедненных смесях, к которым относятся рассмотренные решения, позволяют обеспечить устойчивую работу ДВС на составах смеси при коэффициенте избытка воздуха α на малых и средних нагрузках до α=1,4, снизить расход топлива на 7-10% и выбросы СО и NOx примерно на 40-50%.The noted shortcomings lead to the fact that the proposed structural solutions are difficult for their practical application in ICE when working on poor mixtures. In addition, the well-known methods of organizing the working process of internal combustion engines on homogeneous lean mixtures, which include the solutions considered, make it possible to ensure stable operation of internal combustion engines on mixture compositions with an air excess coefficient α at low and medium loads to α = 1.4, and reduce fuel consumption by 7 -10% and emissions of CO and NO x by about 40-50%.
Введение все более жестких экологических норм на токсичные выбросы двигателей предусматривает необходимость снижения выбросов СО, углеводородов СН, NOx на 95-98% по отношению к их эмиссии непосредственно из двигателя. Хотя принцип использования синтез-газа для снижения токсичных выбросов ДВС является перспективным, достичь экологических норм, требуемых стандартами ЕВРО-3 и в перспективе ЕВРО-4 с использованием рассмотренных конструктивных схем без использования каталитических нейтрализаторов, не представляется возможным, особенно при работе ДВС на бедных топливных смесях. Однако нейтрализаторы эффективны только при обезвреживании продуктов сгорания стехиометрических смесей, и их эффективность резко снижается при нейтрализации выхлопных газов ДВС, работающих на обедненных топливных смесях. Кроме того, существуют нормы по ограничению выбросов углекислого газа с транспортных средств. Эти ограничения предусматривают в течение ближайших 10-15 лет примерно двукратное снижение выбросов СO2 от транспортных средств по отношению к усредненному существующему уровню. Фактически это равноценно аналогичному уровню снижения расхода углеводородных топлив.The introduction of increasingly stringent environmental standards for toxic emissions of engines requires the need to reduce emissions of CO, hydrocarbons CH, NO x by 95-98% relative to their emissions directly from the engine. Although the principle of using synthesis gas to reduce the toxic emissions of ICEs is promising, it is not possible to achieve the environmental standards required by the EURO-3 standards and, in the future, EURO-4 using the considered design schemes without using catalytic converters, especially when using ICE on poor fuel mixtures. However, the neutralizers are effective only in the neutralization of the products of combustion of stoichiometric mixtures, and their efficiency decreases sharply when neutralizing the exhaust gases of ICEs operating on lean fuel mixtures. In addition, there are regulations to limit carbon dioxide emissions from vehicles. These restrictions provide for approximately two-fold reduction of CO 2 emissions from vehicles over the next 10-15 years in relation to the average existing level. In fact, this is equivalent to a similar level of reduction in the consumption of hydrocarbon fuels.
Таким образом, рассмотренные способы не обеспечивают достижения поставленной цели - одновременного снижения расхода топлива и токсичности выхлопных газов ДВС до необходимого уровня.Thus, the considered methods do not ensure the achievement of the goal - the simultaneous reduction of fuel consumption and exhaust gas toxicity of internal combustion engines to the required level.
Предлагаемое изобретение решает задачу уменьшения токсичности выхлопных газов при одновременном снижении расхода топлива за счет работы двигателя на обедненных газовых смесях.The present invention solves the problem of reducing toxicity of exhaust gases while reducing fuel consumption due to the engine running on lean gas mixtures.
Для его реализации предлагается следующее решение.The following solution is proposed for its implementation.
Способ работы двигателя внутреннего сгорания включает подачу в двигатель части газообразного и/или жидкого топлива в смеси с воздухом, подачу второй части топлива и воздуха в генератор для получения водородсодержащего конвертированного топлива, его смешение с исходным не конвертированным топливом, подачу полученной смеси в двигатель, управление составом смеси и соотношением количества топлива и конвертированного топлива, подаваемых в двигатель, при этом в генераторе осуществляют селективное окисление топлива в автотермическом режиме на структурированных катализаторах с получением конвертированного топлива, в котором суммарное содержание водорода и оксида углерода составляет не менее 30 об. %, запуск двигателя и его работу на холостом ходу осуществляют на конвертированном топливе без подачи исходного топлива непосредственно в двигатель, а на рабочих режимах в двигатель подают воздух, основное и конвертированное топливо в соотношениях, обеспечивающих содержание токсичных компонентов в выхлопных газах в интервале: оксид углерода не более 3000 ppm (в основном 200-2000 ppm, преимущественно 600-400 ppm), CH не более 400 ppm (в основном 40-100 ppm, преимущественно 60 ppm), оксиды азота не более 20 ppm (в основном 5-15 ppm, преимущественно 10 ppm).The method of operation of an internal combustion engine includes supplying to the engine a portion of gaseous and / or liquid fuel mixed with air, supplying a second portion of fuel and air to a generator to produce hydrogen-containing converted fuel, mixing it with the original non-converted fuel, feeding the resulting mixture to the engine, controlling the composition of the mixture and the ratio of the amount of fuel and converted fuel supplied to the engine, while the generator selectively oxidizes the fuel in an autothermal mode e by structured catalysts to obtain the converted fuel, wherein the total content of hydrogen and carbon monoxide is not less than 30 vol. %, the engine is started and idled running on converted fuel without supplying the original fuel directly to the engine, and in operating modes, air, main and converted fuel are supplied to the engine in ratios that ensure the content of toxic components in the exhaust gases in the range: carbon monoxide not more than 3000 ppm (mainly 200-2000 ppm, mainly 600-400 ppm), CH not more than 400 ppm (mainly 40-100 ppm, mainly 60 ppm), nitrogen oxides not more than 20 ppm (mainly 5-15 ppm , predominantly 10 ppm).
В качестве основного топлива, подаваемого непосредственно в двигатель, и топлива, подаваемого на конвертирование, используют одно и то же топливо или природный газ и/или смесь пропан-бутана, и/или бензин, и/или дизельное топливо, или их любую смесь. Конвертированное топливо содержит моноксид углерода в количестве не менее чем 25% от полученного количества водорода. Для обеднения рабочей смеси до коэффициента избытка воздуха α≥1,5 в двигатель подают конвертированное топливо с объемным содержанием водорода в количестве, обеспечивающем объемное содержание водорода по отношению к воздуху более 1,5%. Селективное каталитическое окисление осуществляют в автотермическом режиме при временах контакта в интервале 10-3-10-1 с. Генератор для получения водородсодержащего конвертированного топлива состоит из теплообменника, конвертора и пускового устройства.The same fuel or natural gas and / or propane-butane mixture and / or gasoline and / or diesel fuel or any mixture thereof are used as the main fuel supplied directly to the engine and the fuel supplied for conversion. Converted fuel contains carbon monoxide in an amount of not less than 25% of the obtained amount of hydrogen. To deplete the working mixture to an excess air coefficient α≥1.5, converted fuel with a volumetric hydrogen content in an amount providing a volumetric hydrogen content in relation to air of more than 1.5% is fed into the engine. Selective catalytic oxidation is carried out in autothermal mode at contact times in the range of 10 -3 -10 -1 s. A generator for producing hydrogen-containing converted fuel consists of a heat exchanger, a converter and a starting device.
Для получения конвертированного топлива необходимого состава исходное топливо в смеси с воздухом в соотношении α=0,25-0,45 подают в конвертор.To obtain converted fuel of the required composition, the initial fuel in a mixture with air in the ratio α = 0.25-0.45 is fed to the converter.
В качестве конвертора топлива можно использовать каталитический реактор радиального типа, содержащий перфорированную заглушенную с одной стороны газораспределительную трубу со слоем катализатора, имеющую диаметр отверстий для подачи газа меньше критического, и оснащенный устройством для предварительного подогрева реактора при его запуске.As a fuel converter, you can use a radial-type catalytic reactor containing a perforated gas distribution pipe plugged on one side with a catalyst layer having a diameter of gas supply openings less than critical, and equipped with a device for preheating the reactor when it is started.
Катализатор представляет собой армированный пористый материал, содержащий в качестве активных компонентов Rh, Ni, Pd, Co, Ru или их любую комбинацию, и выполнен в виде плоских газопроницаемых и гофрированных армированных лент, навитых и спеченных с газораспределительной трубкой, с зазорами между витками с образованием газовоздушных каталитически активных каналов между лентами.The catalyst is a reinforced porous material containing Rh, Ni, Pd, Co, Ru or any combination thereof as active components, and is made in the form of flat gas-permeable and corrugated reinforced tapes, wound and sintered with a gas distribution tube, with gaps between the turns to form gas-air catalytically active channels between the tapes.
В качестве конвертора топлива можно использовать каталитический реактор с блочным катализатором селективного окисления топлива на металлическом, керамическом или металлокерамическом носителе, который представляет собой прямоканальный блок (в том числе, микроканальный), блочный материал со сложной конфигурацией каналов и пеноматериал.As a fuel converter, you can use a catalytic reactor with a block catalyst for selective oxidation of fuel on a metal, ceramic or cermet carrier, which is a direct channel block (including microchannel), block material with a complex configuration of channels and foam.
В качестве активного компонента катализатора можно использовать комбинацию оксида алюминия, кремния, переходных и редкоземельных элементов 4-6 периодов (в основном четвертого и пятого периодов, преимущественно Со, Ni, Mn, Ti, Zr; La, Ce, Y, Sm, Pr, Gd) с металлами платиновой группы (в основном Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, преимущественно Pt, Rh, Ru).As the active component of the catalyst, you can use a combination of aluminum oxide, silicon, transition and rare earth elements of 4-6 periods (mainly the fourth and fifth periods, mainly Co, Ni, Mn, Ti, Zr; La, Ce, Y, Sm, Pr, Gd) with platinum group metals (mainly Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, mainly Pt, Rh, Ru).
В режиме холодного пуска ДВС в разогретый за счет пускового устройства до температуры начала реакции конвертор подают часть топлива и воздух в соотношении 0,24-0,45 от стехиометрического, осуществляют реакцию селективного окисления топлива, подают продукты реакции в теплообменник для подогрева ДВС и охлаждения полученных продуктов, а затем в двигатель для его запуска. В качестве пускового устройства используют встроенный в конвертор электрический либо пламенный нагреватель, работающий на воздухе и исходном топливе. Запуск ДВС осуществляют посредством подачи конвертированного топлива, запасенного ранее в отдельном ресивере. Разогрев конвертора при запуске осуществляют путем пропускания электрического тока непосредственно через электропроводящие элементы катализатора.In the cold start mode of the internal combustion engine, the converter is supplied with fuel and air at a ratio of 0.24-0.45 of the stoichiometric temperature, heated up by the starting device to the temperature of the start of the reaction, the reaction of selective oxidation of the fuel is carried out, the reaction products are fed to a heat exchanger for heating the internal combustion engine products, and then into the engine to start it. As a starting device, an electric or flame heater built in the converter, working on air and initial fuel, is used. The start of the internal combustion engine is carried out by supplying converted fuel, previously stored in a separate receiver. The converter is heated at startup by passing electric current directly through the electrically conductive elements of the catalyst.
Система охлаждения ДВС объединена с теплообменником генератора для получения водородсодержащего конвертированного топлива, за счет чего осуществляют предварительный подогрев ДВС при его запуске при отрицательных температурах.The ICE cooling system is combined with a heat exchanger of the generator to produce hydrogen-containing converted fuel, due to which the ICE is preheated when it is started at low temperatures.
Таким образом, отличительными признаками предлагаемого изобретения от прототипа являются следующие.Thus, the hallmarks of the invention from the prototype are the following.
1. Использование экзотермической реакции селективного окисления углеводородных топлив для получения водородсодержащего газа вместо реакции паровой конверсии с использованием водяных паров и тепла выхлопных газов.1. The use of an exothermic reaction for the selective oxidation of hydrocarbon fuels to produce a hydrogen-containing gas instead of a steam reforming reaction using water vapor and exhaust heat.
2. Использование конвертируемого топлива без смешения с неконвертируемым топливом на режимах запуска и холостого хода двигателя.2. The use of convertible fuel without mixing with non-convertible fuel in the start and idle modes of the engine.
3. Использование одного вида топлива для получения синтез-газа и в качестве основного, подаваемого в двигатель.3. The use of one type of fuel to produce synthesis gas and as the main supplied to the engine.
4. Отсутствие постоянного подогрева топлива и воздуха, поступающих в конвертор.4. Lack of constant heating of fuel and air entering the converter.
5. Независимость режимов работы конвертора от режимов работы двигателя.5. Independence of converter operating modes from engine operating modes.
6. Упрощение конструкции узла генерации конвертированного топлива и системы управления режимами работы ДВС.6. Simplification of the design of the converted fuel generation unit and the control system of the internal combustion engine operation modes.
7. Расширение диапазонов устойчивой работы двигателя на обедненных топливных смесях.7. Extension of the range of stable engine operation on lean fuel mixtures.
В качестве примера на чертеже приведен один из вариантов реализации предлагаемого способа при использовании газообразного топлива, например природного газа. В режиме холодного пуска ДВС газ из баллона 1 через редуктор РД, клапан 2, теплообменник ТО1 и дозатор 5 подают в устройство предварительного подогрева 4 конвертора получения водородсодержащего конвертированного топлива (ВКТ) 3. Туда же с помощью воздушного компрессора ВК через датчик 10, ТО1, дозатор 6 подают воздух в качестве окислителя. Смесь воздуха и топлива подают в соотношении, превышающем стехиометрическое на 15-20%. Подготовленную смесь воспламеняют свечой пускового устройства 4. Продуктами горения (ПГ) разогревают каталитический блок конвертора водородсодержащего конвертированного топлива, удаляя продукты горения через клапан 7 и систему выпуска отработанных газов 14 в атмосферу. При достижении температуры запуска при закрытом клапане 7 через дозаторы 5 и 6 в конвертор 3 подают метановоздушную смесь. Через клапан 8, датчик 12 полученную конвертированную смесь подают в систему впуска для запуска ДВС. Необходимость в описанной процедуре запуска отпадает, если в качестве пускового подогревателя используют электрический нагрев, либо если в режиме холодного пуска в ДВС подают водородсодержащее конвертированное топливо, заранее накопленное в дополнительной емкости ресивере (не показан), что, как и электроподогрев, дополнительно улучшает условия пуска, прогрева ДВС и, следовательно, показатели по токсичности ОГ.As an example, the drawing shows one embodiment of the proposed method when using gaseous fuels, such as natural gas. In the cold start mode of the internal combustion engine, the gas from the cylinder 1 through the RD gearbox, valve 2, the TO1 heat exchanger and dispenser 5 are fed to the preheater 4 of the hydrogen-containing converted fuel (VKT) converter 3. There, using the VK air compressor through sensor 10, TO1, dispenser 6 serves air as an oxidizing agent. The mixture of air and fuel is supplied in a ratio exceeding the stoichiometric by 15-20%. The prepared mixture is ignited by the spark plug of the starting device 4. The catalytic converter block of the hydrogen-containing converted fuel is heated by the combustion products (GH), removing the combustion products through valve 7 and the exhaust system 14 to the atmosphere. When the start temperature is reached with the valve 7 closed, methane-air mixture is fed through the dispensers 5 and 6 to the converter 3. Through valve 8, sensor 12, the resulting converted mixture is fed into the intake system to start the internal combustion engine. The need for the described start-up procedure disappears if electric heating is used as the starting preheater, or if hydrogen-containing converted fuel, previously stored in the receiver’s additional capacity (not shown), is supplied to the internal combustion engine in the cold start mode, which, like electric heating, further improves the starting conditions , internal combustion engine and, therefore, indicators of exhaust gas toxicity.
При достижении температуры в слое катализатора примерно 600°С посредством дозаторов 5 и 6 устанавливают соотношение между топливом и воздухом 0,4-0,45 от стехиометрического, и в генераторе осуществляется реакция парциального окисления с получением водородсодержащего конвертированного топлива. Полученное водородсодержащее конвертированное топливо охлаждается в теплообменнике ТО1 и через клапан 8 при закрытом клапане 7 поступает через датчик расхода 12 в систему впуска топлива 11 в ДВС.When the temperature in the catalyst bed reaches about 600 ° C, the ratio between the fuel and the air 0.4-0.45 of the stoichiometric value is established by means of dispensers 5 and 6, and the partial oxidation reaction is carried out in the generator to produce a hydrogen-containing converted fuel. The obtained hydrogen-containing converted fuel is cooled in a heat exchanger TO1 and through valve 8 with a closed valve 7 enters through a flow sensor 12 into the fuel intake system 11 in the internal combustion engine.
В двигателе осуществляется процесс сжигания газовоздушной смеси с добавками водородсодержащего конвертированного топлива и ДВС переводится или в режим холостого хода или, при необходимости, в режим работы с нагрузкой. В дальнейшем устанавливают оптимальное соотношение между воздухом и газовым топливом, подаваемыми в генератор получения водородсодержащего конвертированного топлива 3 и регулируемого с помощью дозаторов 5, 6. С помощью датчика 12, дозатора 13 и устройства 11 устанавливают оптимальное соотношение между расходами водородсодержащего конвертированного топлива, основного газового топлива и воздуха. Для этого с помощью органа управления двигателем (например, дроссельной заслонки) устанавливают необходимый режим работы двигателя, измеряют расход воздуха через двигатель, устанавливают исходя из нагрузочного, скоростного и температурного режима работы двигателя, а также из заданного уровня эмиссии СО, СH, NOx и удельного расхода топлива, подачу топлива через дозатор 13. Для этого оптимальные параметры регулирования для каждого режима работы и каждого известного типа ДВС известными способами определяют предварительно при проведении соответствующих испытаний, соответствующую информацию вводят в блок управления двигателем (не показан), посредством которого управляют клапанами и дозаторами.In the engine, the gas-air mixture is burned with the addition of hydrogen-containing converted fuel and the internal combustion engine is either switched to idle mode or, if necessary, to the load operation mode. Subsequently, the optimal ratio between air and gas fuel is supplied to the generator for producing hydrogen-containing converted fuel 3 and regulated by means of dispensers 5, 6. Using the sensor 12, dispenser 13 and device 11, the optimal ratio between the consumption of hydrogen-containing converted fuel and main gas fuel is established and air. To do this, using the engine control (for example, a throttle valve), the necessary engine operation mode is established, the air flow through the engine is measured, and it is established based on the load, speed and temperature conditions of the engine operation, as well as from the given emission level of CO, CH, NO x and specific fuel consumption, fuel supply through the dispenser 13. For this, the optimal control parameters for each operating mode and each known type of ICE by known methods are determined previously during appropriate tests, the relevant information is entered into the engine control unit (not shown), through which control valves and dispensers.
С целью дополнительной оптимизации процесса сгорания в ДВС, посредством блока управления ДВС известными способами управляют моментом начала воспламенения топлива в двигателе. По мере перехода в работе двигателя на режимы, не требующие ограничений по выбросам СО, СН или NOx, изменяют соотношение воздух-топливо-водородсодержащее конвертированное топливо, подаваемых в двигатель исходя из условий получения максимального кпд ДВС или максимальной мощности.In order to further optimize the combustion process in the internal combustion engine, by means of the internal combustion engine control unit, the ignition start time of the fuel in the engine is controlled by known methods. As the engine switches to modes that do not require restrictions on CO, CH, or NOx emissions, the air-fuel-hydrogen-containing converted fuel ratio supplied to the engine is changed based on the conditions for obtaining the maximum engine efficiency or maximum power.
В случае использования жидкого топлива, баллон 1 заменяют на емкость с жидким топливом, клапан 2, дозаторы 5, 13 заменяют на соответствующие устройства для работы с жидкостями, пусковое устройство 4 оборудуют испарителем жидкости.In the case of using liquid fuel, the cylinder 1 is replaced by a container with liquid fuel, valve 2, dispensers 5, 13 are replaced by appropriate devices for working with liquids, the starting device 4 is equipped with a liquid evaporator.
Рассмотренный пример не показывает всех возможных вариантов реализации рассмотренного способа и не ограничивает его. Предлагаемый в настоящем изобретении способ позволяет повысить эффективность ДВС, работающих на легком топливе, в частности на бензине, сжиженном газе, природном газе и снизить эмиссию нормируемых токсичных компонентов в выхлопных газах.The considered example does not show all possible options for implementing the considered method and does not limit it. Proposed in the present invention, the method improves the efficiency of ICEs operating on light fuel, in particular gasoline, liquefied gas, natural gas and to reduce the emission of normalized toxic components in exhaust gases.
Рассмотрим несколько экспериментов, иллюстрирующих перспективность предлагаемого изобретения.Consider several experiments illustrating the prospects of the invention.
Пример 1. Цель эксперимента - определение состава выхлопных газов ДВС автомобиля "Волга" (двигатель ЗМЗ-406) на режиме, соответствующем движению автомобиля при работе двигателя на природном газе без добавок конвертированного топлива. Расход природного газа 5,4 кг в час. Измеренный газоанализатором Quitox 900 KM состав сухих выхлопных газов: СO=3115 ppm, NOх=191 ррm, углеводороды (СН)=61 ррm, O2=13,7%; СO2=8,6%.Example 1. The purpose of the experiment is to determine the composition of the exhaust gases of the internal combustion engine of the Volga car (ZMZ-406 engine) in the mode corresponding to the movement of the car when the engine is running on natural gas without additives of converted fuel. The consumption of natural gas is 5.4 kg per hour. The composition of the dry exhaust gases measured by the Quitox 900 KM gas analyzer is as follows: СО = 3115 ppm, NO х = 191 ppm, hydrocarbons (СН) = 61 ppm, O 2 = 13.7%; CO 2 = 8.6%.
Пример 2. Цель эксперимента - определение состава выхлопных газов ДВС автомобиля "Волга" (двигатель ЗМЗ-406) на режиме, соответствующем движению автомобиля при работе двигателя на природном газе с добавками конвертированного топлива. Общий расход природного газа 5,4 кг в час, из него на конвертор получения водородсодержащего конвертированного топлива подают природный газ 0,72 кг в час и воздух 4,57 кг в час. Конвертор получения конвертированного топлива представляет собой радиальный реактор объемом около 4 литров. Измеренный состав сухого конвертированного топлива после конвертора: Н2=30,0%, СO=15,1%, СН4=0%, остальное азот. Измеренный газоанализатором Quitox 900 KM состав сухих выхлопных газов двигателя: СO=422 ppm, NOx=17 ppm, СН=40 ppm, O2=14,8%; CО2=6,2%. Таким образом, добавка 5,29 кг в час конвертированного топлива к 4,68 кг в час природного газа, подаваемого на ДВС, приводит к снижению концентрации оксида углерода в 7,38 раза и оксидов азота в 11,24 раза.Example 2. The purpose of the experiment is to determine the composition of the exhaust gases of the internal combustion engine of the Volga car (ZMZ-406 engine) in the mode corresponding to the movement of the car when the engine is running on natural gas with additives of converted fuel. The total consumption of natural gas is 5.4 kg per hour, from which 0.72 kg per hour of natural gas and 4.57 kg of air per hour are supplied to a hydrogen-containing converted fuel converter. The converted fuel converter is a radial reactor with a volume of about 4 liters. The measured composition of the dry converted fuel after the converter: H 2 = 30.0%, CO = 15.1%, CH 4 = 0%, the rest is nitrogen. The composition of the dry exhaust gases of the engine measured by the Quitox 900 KM gas analyzer: СО = 422 ppm, NO x = 17 ppm, СН = 40 ppm, O 2 = 14.8%; CO 2 = 6.2%. Thus, the addition of 5.29 kg per hour of converted fuel to 4.68 kg per hour of natural gas supplied to the internal combustion engine leads to a decrease in the concentration of carbon monoxide by 7.38 times and nitrogen oxides by 11.24 times.
Пример 3. Цель эксперимента - определение состава выхлопных газов ДВС автомобиля "Волга" (двигатель ЗМЗ-406) на режиме, соответствующем движению автомобиля при работе двигателя на природном газе с добавками конвертированного топлива. Общий расход природного газа 5,2 кг в час, из него на конвертор подают природный газ 1,16 кг в час и воздух 7,34 кг в час. Конвертор топлива представляет собой радиальный реактор объемом около 4 л. Измеренный состав сухого конвертированного газа после конвертора: Н2=30,2%, СO=14,5%, СН4=0%, остальное азот. Измеренный газоанализатором Quitox 900 KM состав сухих выхлопных газов двигателя: СO=378 ppm, NOx=14 ppm, CH=32 ppm, O2=14,7%; СO2=8,4%. Таким образом, добавка 8,5 кг в час конвертированного топлива к 4,04 кг в час природного газа, подаваемого в ДВС, приводит к снижению концентрации оксида углерода в 8,2 раза и оксидов азота в 13,65 раза.Example 3. The purpose of the experiment is to determine the composition of the exhaust gases of the internal combustion engine of the Volga car (ZMZ-406 engine) in the mode corresponding to the movement of the car when the engine is running on natural gas with additives of converted fuel. The total consumption of natural gas is 5.2 kg per hour, from which 1.16 kg per hour and natural gas 7.34 kg per hour are fed to the converter. The fuel converter is a radial reactor with a volume of about 4 liters. The measured composition of the dry converted gas after the converter: H 2 = 30.2%, CO = 14.5%, CH 4 = 0%, the rest is nitrogen. The composition of the dry exhaust gases of the engine measured by the Quitox 900 KM gas analyzer: СО = 378 ppm, NO x = 14 ppm, CH = 32 ppm, O 2 = 14.7%; CO 2 = 8.4%. Thus, the addition of 8.5 kg per hour of converted fuel to 4.04 kg per hour of natural gas supplied to the internal combustion engine leads to a decrease in the concentration of carbon monoxide by 8.2 times and nitrogen oxides by 13.65 times.
Пример 4. Цель эксперимента - сравнительные испытания двигателя автомобиля ВАЗ-2111 при работе на холостом ходу без добавок и с добавками конвертированного топлива. В экспериментах используют бензин марки АИ-92 по ГОСТ 2084-77. Измерение состава выхлопных газов осуществляют газоанализатором марки АВТОТЕСТ 002. В экспериментах без подачи конвертированного топлива двигатель испытывают в стандартном режиме при числе оборотов 850 мин-1 и угле опережения 16°. В экспериментах с подачей конвертированного топлива для получения последнего используют конвертор, описанный в примерах 1-3. Условия и результаты таких экспериментов приведены в табл. 1, и в табл. 2 приведены результаты экспериментов при работе ДВС только на конвертированном топливе.Example 4. The purpose of the experiment is a comparative test of the engine of a VAZ-2111 car when idling without additives and with additives of converted fuel. In experiments, AI-92 grade gasoline is used according to GOST 2084-77. The measurement of the composition of the exhaust gases is carried out by a gas analyzer of the AUTOTEST 002 brand. In experiments without supplying converted fuel, the engine is tested in standard mode at a speed of 850 min -1 and a lead angle of 16 °. In experiments with the supply of converted fuel to obtain the latter using the Converter described in examples 1-3. The conditions and results of such experiments are given in table. 1, and in table. 2 shows the results of experiments with the operation of ICE only on converted fuel.
Из приведенных в табл. 1 экспериментальных данных следует, что добавки конвертируемого топлива (ВКТ) практически не влияют на концентрацию СО в выхлопных газах, но они снижают концентрацию оксидов азота с 50-70 ppm до 0-10 ppm (что находится на пределе чувствительности газоанализатора) и концентрацию CH с 200 до 90 ppm. При работе двигателя на конвертированном топливе (табл. 2) в выхлопных газах наличие оксидов азота и непревращенных углеводородов (CH) обнаружено не было, а минимальная концентрация СО в сравнении с режимами с использованием бензин+конвертированное топливо (табл. 1) увеличилась с 0,2 до 0,37%.From the above table. 1 of the experimental data, it follows that the additives of convertible fuel (CGT) practically do not affect the concentration of CO in the exhaust gases, but they reduce the concentration of nitrogen oxides from 50-70 ppm to 0-10 ppm (which is at the sensitivity limit of the gas analyzer) and the concentration of CH with 200 to 90 ppm. When the engine was running on converted fuel (Table 2), no nitrogen oxides and unconverted hydrocarbons (CH) were detected in the exhaust gases, and the minimum concentration of CO compared to the modes using gasoline + converted fuel (Table 1) increased from 0, 2 to 0.37%.
Оценку эффективности двигателя проводят по подведенной в ДВС суммарной энергии топлива, которая рассчитывается по формулеEvaluation of engine efficiency is carried out according to the total fuel energy summed up in the internal combustion engine, which is calculated by the formula
EСУМ=ЕБЕНЗ+ЕН2+EСО+EСН4=GБЕНзНБЕНЗ+СН2НН2+GСОHСО+GСH4HСH4.E SUM = E BENZ + E H2 + E CO + E CH4 = G BENZ H BENZ + C H2 N H2 + G CO H CO + G CH4 H CH4 .
В этой формуле Gi соответствует расходам компонентов топлива, подаваемым в ДВС (приведены в таблице), Hi -минимальная теплота сгорания соответствующего компонента. Сравнение эффективности применения водородсодержащего конвертированного топлива проводят по сравнению расхода энергии для чистого бензина, бензина с добавками водородсодержащего конвертированного топлива и одного водородсодержащего конвертированного топлива. В результате было получено, что при минимальном расходе водородсодержащего конвертированного топлива 2760 л/ч (табл. 2) возможно получить устойчивый режим работы двигателя с затратами топлива, на 42% меньшими, чем при работе на одном бензине. При этом режиме СH и NOx в выхлопных газах отсутствуют, а концентрация СО=0,48%.In this formula, G i corresponds to the consumption of fuel components supplied to the internal combustion engine (shown in the table), H i is the minimum heat of combustion of the corresponding component. A comparison of the efficiency of using hydrogen-containing converted fuel is carried out by comparing the energy consumption for pure gasoline, gasoline with the addition of hydrogen-containing converted fuel and one hydrogen-containing converted fuel. As a result, it was obtained that with a minimum consumption of hydrogen-containing converted fuel of 2760 l / h (Table 2), it is possible to obtain a stable engine operating mode with fuel costs that are 42% less than when working on gasoline alone. In this mode, CH and NO x are absent in the exhaust gases, and the concentration of CO = 0.48%.
Пример 5. Цель эксперимента - сравнительные испытания двигателя автомобиля ВАЗ-2111 при работе на разбавленных смесях без добавок и с добавками конвертированного топлива. Эксперименты проведены при числе оборотов 2185 мин-1 и РЕ=0,2 МПа. Остальные условия соответствуют примеру 4. Условия и результаты экспериментов приведены в табл. 3.Example 5. The purpose of the experiment is a comparative test of the engine of a VAZ-2111 automobile when working on diluted mixtures without additives and with additives of converted fuel. The experiments were carried out at a speed of 2185 min -1 and PE = 0.2 MPa. The remaining conditions correspond to example 4. Conditions and experimental results are given in table. 3.
Из приведенной таблицы следует, что при работе ДВС с нагрузкой РЕ=0,2 МПа в сравнении с использованием бензина без добавок конвертированного топлива (ВКТ) подача водородсодержащего конвертированного топлива приводит к снижению концентрации СО с 0,24 до 0,17%, СН с 350 до 90 ppm, NOx с 50-70 ppm до 10 ppm.From the above table it follows that when an internal combustion engine with a load of PE = 0.2 MPa is used in comparison with the use of gasoline without additives of converted fuel (CGT), the supply of hydrogen-containing converted fuel leads to a decrease in the concentration of CO from 0.24 to 0.17%, CH 350 to 90 ppm, NO x from 50-70 ppm to 10 ppm.
Сравнение эффективности применения предлагаемого способа проводят аналогично примеру 4 по сравнению расхода энергии для чистого бензина и бензина с добавками водородсодержащего конвертированного топлива. Результатом явилось то, что при добавке водородсодержащего конвертированного топлива в количестве 4800 л/ч к бензину получают устойчивый режим работы двигателя с затратами топлива, на 24% меньшими, чем при работе на одном бензине.Comparison of the effectiveness of the proposed method is carried out analogously to example 4 in comparison of energy consumption for pure gasoline and gasoline with the addition of hydrogen-containing converted fuel. The result was that with the addition of 4,800 l / h of hydrogen-containing converted fuel to gasoline, a stable engine operation with fuel costs of 24% less than when working with gasoline alone is obtained.
Таким образом, приведенные примеры наглядно показывают перспективность предлагаемого в изобретении технического решения для работы ДВС на обедненных топливных смесях, обеспечивающего снижение на 20-40% расхода топлива при значительном одновременном снижении эмиссии нормируемых токсичных компонентов в выхлопных газах.Thus, the above examples clearly show the promise of the technical solution proposed in the invention for the operation of ICE on lean fuel mixtures, which provides a 20-40% reduction in fuel consumption with a significant simultaneous decrease in the emission of normalized toxic components in exhaust gases.
Claims (18)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003115341/06A RU2240437C1 (en) | 2003-05-23 | 2003-05-23 | Method of operation of internal combustion engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003115341/06A RU2240437C1 (en) | 2003-05-23 | 2003-05-23 | Method of operation of internal combustion engine |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2240437C1 true RU2240437C1 (en) | 2004-11-20 |
| RU2003115341A RU2003115341A (en) | 2004-11-20 |
Family
ID=34310898
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003115341/06A RU2240437C1 (en) | 2003-05-23 | 2003-05-23 | Method of operation of internal combustion engine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2240437C1 (en) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2451800C2 (en) * | 2006-06-13 | 2012-05-27 | МОНСАНТО ТЕКНОЛОДЖИ ЭлЭлСи | Method of generating mechanical or electric power from spirit-containing fuel |
| RU2488013C2 (en) * | 2010-06-17 | 2013-07-20 | Производственный кооператив "Научно-производственная фирма "ЭКИП" | Method of operating internal combustion engine |
| RU2549745C2 (en) * | 2013-04-04 | 2015-04-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Operation of two-stroke ice running on hydrogen and with application of exhaust power in pulsating pipe |
| RU2549744C2 (en) * | 2013-04-04 | 2015-04-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Operation of four-stroke ice running of hydrogen with pre-cooling of fuel mix by air cryogenic component |
| RU2598478C2 (en) * | 2014-05-14 | 2016-09-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение "Санкт-Петербургская электротехническая компания" | Ship power plant running of liquefied natural gas |
| RU2623350C1 (en) * | 2016-01-27 | 2017-06-23 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации | Piston machine |
| RU2650245C1 (en) * | 2017-08-01 | 2018-04-11 | Андрей Владиславович Курочкин | Internal combustion engine |
| RU179096U1 (en) * | 2017-01-09 | 2018-04-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) | POWER SYSTEM OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE OF HYDROGEN-CONTAINING FUEL |
| RU2657401C1 (en) * | 2017-03-28 | 2018-06-13 | Евгений Куртович Гауэр | Heat engine |
| RU2670633C2 (en) * | 2013-05-16 | 2018-10-24 | Ман Трак Унд Бас Аг | Method for operating a diesel engine |
-
2003
- 2003-05-23 RU RU2003115341/06A patent/RU2240437C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2451800C2 (en) * | 2006-06-13 | 2012-05-27 | МОНСАНТО ТЕКНОЛОДЖИ ЭлЭлСи | Method of generating mechanical or electric power from spirit-containing fuel |
| RU2488013C2 (en) * | 2010-06-17 | 2013-07-20 | Производственный кооператив "Научно-производственная фирма "ЭКИП" | Method of operating internal combustion engine |
| RU2549745C2 (en) * | 2013-04-04 | 2015-04-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Operation of two-stroke ice running on hydrogen and with application of exhaust power in pulsating pipe |
| RU2549744C2 (en) * | 2013-04-04 | 2015-04-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Operation of four-stroke ice running of hydrogen with pre-cooling of fuel mix by air cryogenic component |
| RU2670633C2 (en) * | 2013-05-16 | 2018-10-24 | Ман Трак Унд Бас Аг | Method for operating a diesel engine |
| RU2670633C9 (en) * | 2013-05-16 | 2018-12-04 | Ман Трак Унд Бас Аг | Method for operating a diesel engine |
| RU2598478C2 (en) * | 2014-05-14 | 2016-09-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение "Санкт-Петербургская электротехническая компания" | Ship power plant running of liquefied natural gas |
| RU2623350C1 (en) * | 2016-01-27 | 2017-06-23 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации | Piston machine |
| RU179096U1 (en) * | 2017-01-09 | 2018-04-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) | POWER SYSTEM OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE OF HYDROGEN-CONTAINING FUEL |
| RU2657401C1 (en) * | 2017-03-28 | 2018-06-13 | Евгений Куртович Гауэр | Heat engine |
| RU2650245C1 (en) * | 2017-08-01 | 2018-04-11 | Андрей Владиславович Курочкин | Internal combustion engine |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6508209B1 (en) | Reformed natural gas for powering an internal combustion engine | |
| US6405720B1 (en) | Natural gas powered engine | |
| US6397790B1 (en) | Octane enhanced natural gas for internal combustion engine | |
| US4567857A (en) | Combustion engine system | |
| US6655130B1 (en) | System and controls for near zero cold start tailpipe emissions in internal combustion engines | |
| US8061120B2 (en) | Catalytic EGR oxidizer for IC engines and gas turbines | |
| Pettersson et al. | State of the art of multi-fuel reformers for fuel cell vehicles: problem identification and research needs | |
| US3717129A (en) | Method and apparatus for reducing engine exhaust pollutants | |
| US9440851B2 (en) | Flex-fuel hydrogen generator for IC engines and gas turbines | |
| EP1409859B1 (en) | Fuel supply system of an internal combustion engine | |
| US4244328A (en) | Procedure for the operation of combustion engine | |
| US4109461A (en) | Method for operating internal combustion engine | |
| US7089888B2 (en) | Device for production of hydrogen from effluents of internal combustion engines | |
| US20060042565A1 (en) | Integrated fuel injection system for on-board fuel reformer | |
| RU2240437C1 (en) | Method of operation of internal combustion engine | |
| US10865709B2 (en) | Flex-fuel hydrogen reformer for IC engines and gas turbines | |
| US10876472B1 (en) | Spark-ignited internal combustion engine modified for multi-fuel operation | |
| EP1269006B1 (en) | Gas powered engine having improved emissions | |
| RU2488013C2 (en) | Method of operating internal combustion engine | |
| CN101457715A (en) | Mobile hydrogen making engine fuel system and device thereof | |
| RU2003115341A (en) | METHOD FOR WORKING THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE | |
| Pettersson et al. | Onboard hydrogen generation by methanol decomposition for the cold start of neat methanol engines | |
| US20050198900A1 (en) | Method and apparatus for fuel/air preparation for a hydrocarbon reformer | |
| JP2004251196A (en) | Apparatus for producing reformed gas, method for producing reformed gas employing this apparatus and exhaust emission control system | |
| JPS61171870A (en) | Internal-combustion engine utilized reforming natural gas |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130524 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20150710 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170524 |