Повышение эффективности работы газогенераторных лесотранспортных машин

В технологии газификации биомассы достигнут значительный прогресс. Современные процессы газификации позволяют преобразовать от 80 до 90% энергии биомассы в энергию горючих газов. Однако широкомасштабное использование биомассы в силовых и энергетических целях зависит не столько от способности экономически и экологически конкурировать с традиционными видами топлива, сколько от ее эксплуатационных характеристик. Если вопросы надежности и долговечности работы агрегатов и отдельных деталей газогенераторного автомобиля были более или менее разрешены еще в прошлом веке, то вопрос динамики газогенераторного автомобиля в значительной мере непроработан до сих пор. Перевод бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на генераторный газ сопровождается падением мощности на 20-30%, а дизельных двигателей — приблизительно на 10-20%. Работа современного транспортного агрегата на такой пониженной мощности недопустима. Кроме того, некоторая нестабильность режима работы традиционных транспортных газогенераторных установок может провоцировать еще большее падение мощности. Существующие газогенераторные машины обладают более низкими динамическими свойствами по сравнению с машинами, работающими на жидком моторном топливе.
Просматриваются три направления повышения мощности в системе «ДВС-газогенератор».
1. Создание транспортного двигателя, специально сконструированного для работы на генераторном газе. Это решение с технической точки зрения является наиболее целесообразным и простым. Однако с практической точки зрения оно наименее приемлемо.
2. Адаптация транспортного бензинового или дизельного двигателя внутреннего сгорания для работы на генераторном газе. Причем подобная адаптация допускает лишь незначительную реконструкцию путем внесения ряда изменений в конструкцию двигателя. Это решение является наиболее экономически выгодным, но сложность заключается в том, что необходимо одновременно выполнить два противоречащих друг другу требования: возможно меньшее количество конструктивных изменений и минимальные потери мощности.
3. Создание универсального двигателя, одинаково хорошо работающего на жидком топливе (в том числе и биодизели), генераторном газе, а также на сжатых и сжиженных газах. Это решение, хотя и является наиболее дорогим, имеет следующее преимущество: позволяет при езде на малые расстояния или маневрировании машины, не разжигая генератора, использовать в качестве топлива бензин или биодизельное топливо, а при поездках на дальние расстояния переходить на газовое питание. Каждое из трех перечисленных решений проблемы имеет свои достоинства и недостатки, а также соответствующие перспективы развития. Наиболее перспективными являются второе и третье направления.
Среднее эффективное давление Pе, входящее в формулу мощности ДВС, зависит от ряда показателей:

Величина hu/αl0 есть теплотворная способность смеси — huсм.
Теплотворная способность газообразного топлива отнесенная к объему газовоздушной смеси определяется так:

В формуле (25.2) объем жидкого топлива по сравнению с объемом действительного количества воздуха весьма мал.
Как было показано ранее, на эффективную мощность двигателя в основном влияет среднее эффективное давление, которое можно увеличить повышением степени сжатия и коэффициента наполнения цилиндров ηv.
Мощность бензиновых двигателей, переведенных на питание генераторным газом, падает примерно на 20-25% за счет меньшего теплосодержания смеси. При переводе дизельных двигателей на газогенераторное питание теплотворная способность смеси меняется незначительно, так как коэффициент избытка воздуха у дизельных двигателей значительно выше, чем у карбюраторных и газовых. Доказано, что теплотворная способность смеси даже повышается (приблизительно на 10%) при конвертации дизелей в газогенераторные двигатели.
Падение коэффициента наполнения газом вследствие увеличения температуры рабочей смеси и повышения сопротивления на линии всасывания за счет сопротивления как в самом газогенераторе, так и в очистителях, охладителях, трубопроводах и других механизмах вызывает падение мощности двигателя примерно на 10%.
Снижение индикаторного коэффициента полезного действия ηi происходит как за счет уменьшения скорости горения (особенно при малом содержании водорода в генераторном газе), так и не оптимального для работы на генераторном газе соотношения фаз газораспределения бензинового двигателя. Это вызывает падение мощности еще приблизительно на 10%, но при переводе на генераторный газ дизельных двигателей эти потери не имеют места.
Следует отметить, что с переводом на газогенераторный газ двигателей лесотранспортных машин их масса увеличивается до 500-1000 кг, а следовательно, энергоемкость транспортного процесса возрастает.
За последние десятилетия достижения научно-технического прогресса позволяют создать полностью автоматизированную газогенераторную установку транспортного типа с высоким КПД преобразования твердой биомассы в генераторный газ. Создание и применение таких систем позволяет поднять КПД системы «ДВС-газогенератор» на несколько десятков процентов. Кроме того, использование такой системы уменьшит содержание смол в генераторном газе, а смолы — это наиболее энергоемкая составляющая биотоплива. Достигается это за счет более эффективной очистки и более полного крекинга в топливнике газогенератора. Применение таких газогенераторных установок наиболее целесообразно с системами автоматической подачи топлива, так как это создает замкнутый регулируемый цикл. Для транспортных агрегатов целесообразна автоматическая подача только гранулированного топлива.
Нет ни одной современной конструкции транспортного газогенератора, в которой бы не была предусмотрена регенерация тепла, рассеиваемого установкой. Раньше теплота, выделяемая генераторным газом, использовалась преимущественно для подогрева и подсушки топлива в генераторном бункере. Поскольку влажность массы строго регламентирована и не нуждается в сушке, это дает возможность использовать тепло, рассеиваемое установкой, для других нужд.
Содержание коррозионноагрессивных веществ в топливных гранулах сравнительно невелико. Это значит, что ресурс двигателя, работающего на генераторном газе, будет значительно выше по сравнению с карбюраторным или дизельным двигателем. При условии, конечно, качественной очистки генераторного газа от твердых угольных частиц.
Увеличение калорийности генераторного газа становится возможным благодаря достижениям в технологии разделения воздуха. Уже созданы компактные мембранные установки для разделения воздуха (рис. 25.4). Воздух, подаваемый из такой мембранной установки в зону горения газогенератора, обогащен кислородом. А это повышает калорийность генераторного газа.

Процесс разделения воздуха основан на том, что молекулы азота способны поглощаться микропорами твердого гранулированного адсорбента. Это происходит последовательно в адсорберах А и В. Воздух проходит через один из периодически переключающихся электромагнитных клапанов в адсорбер А. Азот поглощается адсорбентом, а кислород через обратный клапан поступает в ресивер. В это же время в адсорбере В происходит понижение давления и выброс накопленного азота. Через время полуцикла адсорберы обмениваются своими функциями. Адсорбер В задерживает азот и продуцирует кислород, а адсорбер А освобождается от накопленного азота.
Применение таких установок позволило бы избежать падения мощности двигателя, работающего на генераторном газе, за счет значительного повышения калорийности газа уменьшением содержания балластного азота в смеси. Высвобождаемый азот можно, в свою очередь, рационально использовать для теплоизоляции рабочей зоны газогенератора.
XXI столетие предвещает автомобильным газогенераторам широкое распространение. Хотя сам процесс газификации твердого топлива не нов, только сейчас изобретены и разработаны технологии, которые существенно повышают не только скорость протекания процесса газификации, но и качество газификации самого топлива. Сейчас КПД обычной газогенераторной установки достигает 85%, что обеспечивает перевод автомобиля на генераторный газ с незначительной потерей мощности. Таким образом, современные автомобильные газогенераторные установки по своим техническим параметрам приближаются к лучшим образцам традиционных бензиновых систем. В недалеком будущем абсолютно реально будут использовать в качестве автомобильного топлива бурый угль, торф, отходы производства лесной и деревообрабатывающей промышленности, отходы пластмассы и, наконец, просто бытовой мусор.
К преимуществам современных газогенераторных технологий можно отнести практически полное сгорание топлива, высокую производительность и относительно низкую стоимость генераторного газа. Кроме того, высока экологическая безопасность газогенераторных автомобилей. Автомобиль на бензине выбрасывает в атмосферу сернистый газ, образующийся от сгорания сернистых компонентов топлива, а также тетраэтилсвинец. В генераторном газе сера, как правило, не содержится и поэтому в выхлопе газового двигателя нет ни сернистого газа, ни соединений свинца. В отработанных газах бензинового двигателя из-за неполного сгорания топлива еще содержится и окись углерода (CO) — высокотоксичное для человека вещество. Как газовые, так и бензиновые автомобили выбрасывают в атмосферу одинаковое количество углеводородов. Для здоровья человека опасны не сами эти вещества, а продукты их окисления. Двигатель, работающий на бензине, выделяет сравнительно легко окисляющиеся вещества, такие как этил и этилен. Газовый двигатель производит метан, который из всех предельных углеводородов наиболее устойчив к окислению. Поэтому углеводородный выброс газового автомобиля наименее опасен. Уже считается, что генераторный газ как моторное топливо не только не уступает бензину, но и превосходит его по своим свойствам.
Наряду с преимуществами, современные транспортные газогенераторы имеют ряд нерешенных технических и технологических проблем. Так, например, подготовка системы для пуска в среднем занимает от 10 мин и более; требуется частая подача новой порции топлива, что ограничивает время, на которое двигатель может быть оставлен без присмотра. Работа по обслуживанию газогенераторной установки — очистка топливника от пепла и сажи, фильтров от конденсатов — довольно трудоемкая и грязная. Пока еще не созданы универсальные транспортные газогенераторные установки, которые могли бы работать на разных типах топливной биомассы или на ее смесях. Нет методики проектирования транспортных газогенераторных систем, базирующейся на современных представлениях о процессах пиролиза и горения биомассы.