Повышение энергоэффективности поршневого двигателя, работающего на синтез-газе, путем доводки рабочего цикла

АКТУАЛЬНОСТЬ исследования обусловлена тем, что улучшение эффективных, экономических и экологических показателей поршневых двигателей (ДВС), работающих на альтернативных газообразных топливах, остается важной задачей для развития машиностроения и энергетики. Поэтому создание математических моделей рабочего цикла ДВС, работающих на разных газах, и повышение их энергоэффективности является актуальным для науки, техники и технологий. ЦЕЛЬ исследования состояла в повышении КПД и энергоэффективности электрогенератора на базе ДВС путем оптимизации параметров его рабочего цикла после замены базового топлива (пропан-бутана) на синтез-газ на основе численного моделирования. МЕТОДЫ. Объектом исследования был электрогенератор мощностью 1 кВт на базе одноцилиндрового ДВС с внешним смесеобразованием. В статье описываются основные подходы к созданию математической модели рабочего цикла двигателя, физико-химические свойства базового топлива (пропан-бутан) и нового лабораторного синтез-газа. Результаты моделирования верифицируются посредством экспериментальных исследований. Отличия между моделированием и опытами для ключевых параметров (мощность, КПД, расход воздуха и топлива) не превышали 4,0 %. КПД ДВС был выбран в качестве ключевого критерия оптимизации рабочего цикла. РЕЗУЛЬТАТЫ. Получены данные об эксплуатационных показателях ДВС, работающего на пропан-бутане и синтез-газе, для разных показателей рабочего цикла (степень сжатия, коэффициент избытка воздуха, угол опережения зажигания, сопротивление системы газообмена) на основе математического моделирования. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Показано, что замена топлива с пропан-бутана на синтез-газ вызывает снижение КПД двигателя до 33 % (КПД двигателя составлял 0,179 и 0,119 для ДВС, работающих на пропан-бутане и синтез-газе, соответственно, при мощности электрогенератора равной 0,59 кВт). После оптимизации КПД двигателя на синтез-газе стало выше на 6,1 % по сравнению с ДВС, работающем на пропан-бутане, а падение мощности не превышало 8 %. Таким образом, оптимизация параметров рабочего цикла способствует достижению значений КПД и энергоэффективности двигателя на синтез-газе, сравнимых с эффективностью ДВС, функционирующих на традиционных видах топлива.

1. Longwic R. Diesel Engine Operations with Alternative Fuels. USA: CRC Press. 2024. 86 р.

2. de Oliveira Gonçalves F., Savioli Lopes M., Savioli Lopes E., Maciel Filho R. Techno economic and environmental analysis of decarbonization pathways for road freight transportation in Brazil // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2025. Vol. 222. Article number 115991.

3. Gonca G., Genc I. Effects of ternary mixtures of propane-butane-hydrogen and different liquid fuels on the performance specifications of a spark ignition engine // Energy Sources Part A Recovery Utilization and Environmental Effects. 2022. Vol. 44(4). Р. 8890-8907.

4. Plotnikov L.V., Ulman N.V. Computational and analytical evaluation of the efficiency of using hydrogen as a fuel in an internal combustion engine // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 723. Article number 052018.

5. Zhou X., Li T., Wang N., Wang X., Wu Z., Li Z., Guo X., Chen R., Huang S., Yi P., Li S. Scaled model experiments for ammonia engines under the high-pressure direct-injection mode // Applied Thermal Engineering. 2025. Vol. 277. Article number 127170.

6. Rao X., Yuan C., Guo Z., Xu Y., Sheng C. Methanol as an alternative fuel for marine engines: A comprehensive review of current state, opportunities, and challenges // Renewable Energy. 2025. Vol. 252. Article number 123562.

7. Enomoto H. Gas component effect on energy loss of reciprocated engine operated by bio-syngas from wood gasifier // Biomass Conversion and Biorefinery. 2025. Vol. 15(7). Р. 11027-11043.

8. Abebe F.F., Nallamothu R.B., Ancha V.R., Teklehaimanot H., Tefera N.T. Optimized biodiesel production from Maesa lanceolata seeds and its emission analysis: A sustainable non edible feedstock for renewable energy // Biomass and Bioenergy. 2025. Vol. 200. Article number 108045.

9. Сафин А.Р., Ившин И.В., Грачева Е.И., Петров Т.И. Разработка математической модели автономного источника электроснабжения с свободно-поршневым двигателем на базе синхронной электрической машины возвратно-поступательного действия с постоянными магнитами // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2020. Т. 22. № 1. С. 38-48.

10. Christopher Selvam D., Devarajan Y., Nagappan B., Arora A., Madhan Kumar G., Pradhan D. Sustainable fuel solutions: a comprehensive review of syngas in internal combustion engines // Chemical Papers. 2025. Vol. 79(7). Р. 4019-4027.

11. Morrone B., Bracciano P., Cirillo D., La Villetta M., Caputo C. Exergy and economic analysis of a micro-cogeneration system coupled with a biomass gasifier // Renewable Energy. 2025. Vol. 244. Article number 122574.

12. Kandasamy V.K., Munimathan A., Rajendran S., Dhairiyasamy R. Syngas production from aqueous phase reforming of glycerol–water mixture for compression ignition engine // Energy and Environment. 2024. Vol. 35(7). Р. 3803-3832.

13. Zhou Y., Ma X., Chen Z., Gong H., Chen L., Yu H. Study on the feasibility of converting the recovered volatile organic compounds to syngas via catalytic steam reforming for gas-fueled power generation // Energy. 2023. Vol. 263. Article number 125761.

14. Farkhondeh S.A., Abbaspour-Fard M.H., Zareei J. Investigation of the effects of syngas-biogas blends on RCCI engine with direct diesel injection: a computational study of performance, knock, and emissions // Energy Conversion and Management. 2025. Vol. 26. Article number 101021.

15. Dhairiyasamy R., Dixit S., Varshney D., Gabiriel D. Renewable syngas and biodiesel dual fuel applications for enhanced engine performance and emission control // Industrial Crops and Products. 2025. Vol. 225. Article number 120509.

16. Kantaroğlu E. CFD-Based Analysis of Performance and Emissions in an i-DSI Engine Using Various E-Fuels and Syngas // Flow Turbulence and Combustion. 2025. DOI: 10.1007/s10494-025-00660-9

17. Wei L., Li X., Yang W., Dai Y., Wang C.-H. Optimization of operation strategies of a syngas-fueled engine in a distributed gasifier-generator system driven by horticulture waste // Energy Conversion and Management. 2020. Vol. 208. Article number 112580.

18. Das S., Tamang S.K. Multi-objective optimization of a dual fuel CI engine powered with syngas and pilot diesel using TLBO algorithm: A metaheuristic approach // IOP Conference Series Earth and Environmental Science. 2024. Vol. 1372(1). Article number 012097.

19. Jamsran N., Park H., Lee J., Oh S., Kim C., Lee Y., Kang K. Syngas composition for improving thermal efficiency in boosted homogeneous charge compression ignition engines // Fuel. 2022. Vol. 321. Article number 124130.

20. Enomoto H. Gas component effect on energy loss of reciprocated engine operated by bio-syngas from wood gasifier // Biomass Conversion and Biorefinery. 2025. Vol. 15(7). Р. 11027-11043.

21. Ran Z., Hariharan D., Lawler B., Mamalis S. Experimental study of lean spark ignition combustion using gasoline, ethanol, natural gas, and syngas // Fuel. 2019. Vol. 235. Р. 530-537.

22. Oleksandr M., Arkadii P., Wei K. Analysis of Syngas Combustion Process in Piston Engines // Problems of the Regional Energetics. 2024. Vol. 4. Р. 118-126.

23. Plotnikov L.V. Preparation and Analysis of Experimental Findings on the Thermal and Mechanical Characteristics of Pulsating Gas Flows in the Intake System of a Piston Engine for Modelling and Machine Learning // Mathematics. 2023. Vol. 11(8). Article number 1967.

24. Hafis M., Balaji K., Tamilarasan N., Senthilkumar D., Sakthivel R. A review on alternative fuels: Spray characteristics, engine performance and emissions effect // Sustainable Futures. 2025. Vol. 9. Article number 100456.

25. Enomoto H. Gas component effect on energy loss of reciprocated engine operated by bio-syngas from wood gasifier // Biomass Conversion and Biorefinery. 2025. Vol. 15(7). Р. 11027-11043.