Альтернативные топлива для автомобилей

Завод нефтеп    Прогрессирующее увеличение объемов потребления нефтепродуктов и газа во всех отраслях экономики заставляет изыскивать альтернативные источники энергии для автомобилей. Один из перспективных путей решения этой задачи — частичная или полная замена традиционного топлива топливом не нефтяного происхождения.

  Наиболее интенсивно исследовательские и экспериментальные работы ведутся в направлении использования на автомобильном транспорте альтернативных источников энергии, к которым относятся:

  • синтетический спирт;
  • газовый конденсат;
  • водород;
  • электроэнергия.

     Сложились определенные требования к альтернативным топливам: они должны обладать такими физико-химическими свойствами, которые не приводили бы к необходимости коренного изменения конструкции двигателя, топливной аппаратуры и условий хранения топлива на борту автомобиля. При этом должно соблюдаться условие — экономия топлив нефтяного происхождения и снижение вредного воздействия отработавших газов автомобильных двигателей на окружающую среду и здоровье человека.

   К альтернативным топливам относят химическое топливо, для производства которого используются нетрадиционные виды сырья. Эффективность использования альтернативного топлива определяется совокупностью многих критериев, важнейшими из которых являются экономический, энергетический, экологический и ресурсный. Наибольшей экономической и энергетической эффективностью характеризуются топлива с не нефтяными добавками, газовые топлива и двухтопливные композиции.

    Физико-химические свойства и условия применения в транспортных средствах делят альтернативные топлива на три группы:

  1. на нефтяной основе с добавками спиртов, эфиров, растительных масел;

     2. синтетические жидкие, которые получают переработкой жидких, газообразных или твердых продуктов (тяжелых состаляющих нефти, природных битумов, угля, горючих сланцев, продуктов прямого синтеза водорода и оксидов углерода);

    3. спиртовые топлива — метанол, этанол и их смеси с высшими спиртами;

  4. газообразные топлива — природный сжатый и сжиженный газы, сжиженный нефтяной газ, аммиак, водород, генераторный и другие газы.

    При использовании топлив первой и второй групп незначительно изменяются, а зачастую остаются неизменными технико — эксплуатационные характеристики двигателей автомобилей.

    При использовании топлив третьей группы требуется модификация двигателей и создание специальных бортовых систем хранения топлив.

   Одним из перспективных альтернативных видов топлива третьей группы является метанол, который может быть практически использован в качестве добавки к бензину. В этом случае достигаются следующие положительные результаты:

  • при добавлении 3…5% метанола обеспечивается экономия бензина при неизменных мощности, динамических и экономических показателях, а также уровне токсичности двигателя;
  • можно применять бензин с несколько меньшим октановым числом;
  • отпадает необходимость в стабилизаторе (например, дорогостоящем изобутиловом спирте), так как при добавке метанола в бензин смесь сохраняет стабильность, а автотранспортные средства можно эксплуатировать в районах с умеренным климатом.

   Спирт-ректификат (96%-ный спирт) может применяться в смеси с бензином только в сочетании со стабилизаторами. Спирт-ректификат содержит 4 об. % воды, которая препятствует растворению в нем бензина. Без стабилизатора не расслаивающиеся смеси бензина с ректификатом получаются при температуре около 30°С. Следовательно, в климатических условиях России их нельзя применять даже в летнее время, потому что в вечерние и ночные часы температура воздуха опускается гораздо ниже 30 °С.

   Для сравнения различных видов топлива по количеству теплоты сгорания используются единицы условного топлива, выраженные в угольном (уг.) или нефтяном (нефт.) эквиваленте (экв.):

  • 1 т условного топлива в угольном эквиваленте (сокращенно ТУ т в уг. экв.) соответствует количеству теплоты сгорания 1 т антрацита, равной 27,91 • 103 МДж;

     • 1 т условного топлива в нефтяном эквиваленте (сокращенно ТУ т неф. экв.) соответствует теплоте сгорания 1 т углеводородного топлива, равной 41,87 • 103 МДж.

  Экономические затраты на производство всех видов альтернативных топлив, за исключением электрической энергии, выше, чем на производство бензина из нефти.

    Стоимость производства сжиженного природного газа и компримированного природного газа практически одинакова. Применение газовых видов альтернативных топлив снижает стоимость затрат на единицу пробега на 15… 30 %.

   При добыче нефти образуется попутный газ. В настоящее время в России на нефтяных промыслах сжигается, по самым минимальным оценкам, более 20 млрд м3 попутного газа в год. Проблема использования попутного газа — одна из самых старых и трудно решаемых проблем. По некоторым оценкам, из-за пренебрежительного отношения к попутному газу экономика России ежегодно теряет не менее 7 млрд долл. США, в то время как Россия является мировым лидером по добыче газа.

   Реально из 60 млрд м3 добытого в год попутного газа перерабатывается не более 15 млрд м3, остальной попутный газ сжигается в факелах, рассеивается в атмосфере, а его потери списывают на технологические потери.

   Сжиженные нефтяные газы. При нормальных условиях нефтяные газы находятся в газообразном состоянии, а при относительно небольшом повышении давления без снижения температуры переходят в жидкое состояние.

    На автомобильном транспорте применяются сжиженные попутные газы:

  • пропан автомобильный (ПА) в зимний период при температуре -20…-30 «С;
  • пропан-бутан автомобильный (ПБА) при температуре не ниже -20 «С.

    Сжиженные нефтяные газы могут применяться как в двигателях с искровым зажиганием, так и в дизелях.

  По сравнению с бензином сжиженные газы повышают экономичность двигателя на 10… 20 % и до 50 % снижают стоимость топлива. Для автомобиля, расходующего на 100 км пробега 15 л высокооктанового бензина, достаточно 13 л сжиженного газа.

  Перевод дизеля на газовое топливо связан с трудностями, обусловленными низким цетановым числом и недостаточной смазывающей способностью газов.

  Различают два способа перевода дизеля на газовое топливо:

          переоборудование дизеля в двигатель с искровым зажиганием (установка бензиновых систем питания, зажигания и др.);

.      использование газодизельного цикла с двойной системой питания — на газовой смеси и дизельном топливе: газовая смесь подается на начальной стадии, а в конце такта сжатия подается запальная порция дизельного топлива.

  Введение 40… 50 % дизельного топлива в состав бутанпропановой смеси обеспечивает требуемые воспламеняемость топлива и смазывание топливной аппаратуры.

   У газовых двигателей мощность ниже, чем у бензиновых. При езде по городу этот разрыв практически неощутим. Исследованиями доказано, что при переходе на газ на 40% увеличивается моторесурс двигателя на 50 % повышается срок службы масла, а главное — снижается количество токсичных составляющих в отработавших газах.

    Сжатые углеводородные газы. Применение в экономике сжатого — компримированного — природного газа в качестве топлива для двигателей является важным направлением научно — технического прогресса в развитии энергетической базы транспорта: сохраняются запасы нефти; на 50… 70 % увеличивается срок службы двигателя и значительно увеличивается срок смены моторного масла; на 30 75% уменьшается количество токсических компонентов в отработавших газах; увеличивается коэффициент полезного действия газовых двигателей (38… 40 % по сравнению с 30… 35 % для бензиновых двигателей).

     Недостатки эксплуатации автомобильного транспорта на сжатом природном газе следующие:

 -на 14…20 % снижается полезная нагрузка автомобилей вследствие использования для хранения газа тяжелых металлических баллонов;

 — трудность установки оптимальной степени сжатия двигателя из — за необходимости сохранения быстрого перехода на автомобильный бензин, что приводит к снижению мощности двигателя;

 -усложняется конструкция топливной системы автомобиля, что увеличивает стоимость обслуживания и ремонта;

 -повышаются требования к взрыво — и пожаробезопасности.

    Водород. Благодаря практически неограниченным ресурсам и отсутствию в продуктах сгорания вредных веществ водород считается топливом будущего. Основной проблемой применения водорода является его повышенная взрывоопасность, низкая плотность и низкая температура кипения. Кроме того, стоимость производства водорода в 3-5 раз выше стоимости производства нефтяных топлив.

  В нашей стране и за рубежом созданы опытные модели автомобилей, работающих на водороде. Практический интерес представляет применение водорода в качестве добавки к бензину. В этом случае экономия топлива для автомобиля повышается на 20…40 %, выбросы оксида углерода уменьшаются на 30…40 %, а наиболее токсичных оксидов азота — в 1,5 — 2 раза.

   Внедрение водородного топлива связано, прежде всего, с необходимостью разработки безопасных, имеющих низкую стоимость и надежных бортовых аккумуляторов водорода на основе гидридов металлов. Одним из перспективных вариантов использования водорода является его «тихое» сжигание в топливных ячейках.

   Принцип работы топливного элемента (ячейки) подобен принципу работы аккумуляторной батареи. К аноду подается водород (Н2), а к катоду — кислород (02). Роль электролита выполняет РЕМ-мембрана, которая обеспечивает обмен протонами; РЕМ-мембрана — это полимер с тонким слоем платины. Подача водорода происходит под давлением 0,15…0,2 МПа. Водород поступает в пористый катализатор, который его разделяет на молекулы, протоны и электроны. Электроны приводят в движение электродвигатель, а протоны проходят через РЕМ-мембрану. В пористом катализаторе соединяются электроны с протонами и кислородом, в результате химической реакции на выходе образуется вода (Н20).

    Аммиак. Преимуществом аммиака, который рассматривается в качестве альтернативы водороду, является более высокая энергоемкость и безопасность применения по сравнению с водородом. В то же время вследствие высокой температуры воспламенения и низкой скорости сгорания аммиачно-воздушных смесей требуются специальные меры по обеспечению устойчивой работы двигателя внутреннего сгорания на аммиачном топливе. Аммиак имеет высокую антидетонационную стойкость. Однако из-за плохой воспламеняемости для его зажигания необходима высокотемпературная свеча с широким искровым промежутком. Воспламенение и способность к горению улучшаются при применении запального топлива. В дизеле при степени сжатия 16,5 смесь аммиака с воздухом сжимается, на такте сжатия производится впрыск дизельного топлива в количестве, равном 27…40% от расхода аммиака, коэффициент полезного действия при этом возрастает на 10…35%.

    Синтетические топлива из углей. В процессе сжижения углей под давлением 10 МПа при температуре 425…430°С получается бензиновая фракция, которая после риформинга может быть использована как высокооктановый компонент при приготовлении неэтилированных бензинов. Дизельная фракция получаемого топлива отвечает основным требованиям ГОСТ Р 51105-97 на нефтяные топлива. Стоимость производства данного топлива выше нефтяного в 3…4 раза.

  Синтетическое смесевое топливо на основе спиртов и углеводородов. Из отходящих газов металлургических производств получают синтетическое смесевое топливо на основе спиртов и углеводородов, которое используют в качестве синтетического бензина.

  Газожидкостное топливо. Применение газожидкостного топлива на двигателях автотранспортной техники предполагает раздельное хранение компонентов на борту автомобиля и их совместную подачу в двигатель В качестве компонентов газожидкостного топлива используют низкооктановый бензин с октановым числом 56 единиц, стандартный бензин А-76, сжатый природный газ и сжиженный нефтяной газ.

    Газожидкостное топливо используется в двух вариантах.

  Первый вариант предполагает использование высоких антидетонационных свойств газа. При этом в качестве основного компонента применяется бензин, а в качестве антидетонационной присадки – сжатый природный или сжиженный нефтяной газ.

   Во втором варианте используется газ более низкой себестоимости, чем бензин. При этом газ применяется как основной компонент, а бензин — как энергетическая добавка на режимах, требующих максимальной мощности двигателя.

   В газожидкостных топливах благодаря применению газа достигается решение двух основных задач: замещение дорогостоящего бензина более дешевым газом, применение газа как антидетонационной добавки к низкооктановому бензину.

   При решении первой задачи газ подается на всех режимах работы двигателя, а бензин применяется как высокоэнергетический компонент на режимах средних и максимальных нагрузок двигателя в количестве, обеспечивающих требуемую мощность двигателя. Для этого используют двухструйную подачу газового топлива и автоматическое отключение газа подачи газа при остановках двигателя. Двигатель в режиме холостого хода и малых нагрузок работает только на газе, на средних нагрузках он работает на смеси бензина и газа, а в режиме максимальных нагрузок — практически только на бензине. Среднее замещение бензина газом в городском цикле движения может достигать 50 % при сохранении мощности двигателя. Антидетонационные свойства газа при этом используются не в полной мере, и пусковые качества двигателя ухудшаются.

             Светослав Баженов       http://blogavto.info.


Яндекс.Метрика




Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить комментарий


Thanks: Ffman
Яндекс.Метрика