Альтернативные виды топлива для двигателей внутреннего сгорания

Транспортные  средства, использующие водород, выигрывают по сравнению с бензиновым транспортом. При этом водородные прототипы конкурентны  с действующими электромобилями. Энергетическая плотность самых примитивных  батарей составляет около 25 Вт ч / кг. Энергетическая плотность гидридов(например, TiFe ) составляет 500Вт ч / кг (при сжигании водорода до водяного пара). С учетом массы контейнера для хранения гидрида, к.п.д. сгорания водорода в 2 раза превышает энергетическую плотность батареи.

Водород может  найти применение в качестве автомобильного топлива в зависимости от многих экологических и экономических  факторов, в первую очередь от истощения  природных ресурсов. Это весьма актуально  и для Украины в плане диверсификации источников энергии и укрепления энергетической независимости страны. Поэтому усовершенствование автомобильных  гидридных систем (как наиболее перспективных), без сомнения, является важной научно-технической  задачей.

2.14 Спирты

Среди альтернативных видов топлива в первую очередь  следует отметить спирты, в частности  метанол и этанол, которые можно  применять не только как добавку  к бензину, но и в чистом виде. Их главные достоинства - высокая  детонационная стойкость и хороший  КПД рабочего процесса, недостаток - пониженная теплотворная способность, что уменьшает пробег между заправками и увеличивает расход топлива  в 1,5-2 раза по сравнению с бензином. Кроме того, из-за плохой испаряемости метанола и этанола затруднён  запуск двигателя.

Использование спиртов  в качестве автомобильного топлива  требует незначительной переделки  двигателя. Например, для работы на метаноле достаточно перерегулировать карбюратор, установить устройство для  стабилизации запуска двигателя  и заменить некоторые подверженные коррозии материалы более стойкими. Учитывая ядовитость чистого метанола, необходимо предусмотреть тщательную герметизацию топливоподающей системы  автомобиля.

Сделать двигатель  «чистым» нетрудно. Надо лишь перевести  его с бензина на сжатый воздух. Но эта идея не выдержала критики, когда речь заходит об автомобильных  двигателях: далеко на таком «горючем»  не уедешь. И американские специалисты  предложили заменить сжатый воздух жидким азотом. Они даже разработали конструкцию  автомобиля, в котором азот, расширяясь при испарении, будет толкать  три поршня двигателя. А чтобы  процесс испарения шёл активнее, азот предлагают впрыскивать в особую подогревательную камеру, где сжигается  небольшое количество дизельного топлива. Такая схема при достаточной  мощности обеспечит запас хода до 500 км. Существуют два способа применения спирта в качестве горючего для автомобильных  моторов - при частичной (до 20%) и при  полной замене бензина и дизельного топлива. Высокие антидетонационные  качества определяют преимущественное использование спирта в двигателях внутреннего сгорания с принудительным (искровым) зажиганием. Стандартный  двигатель не нужно переделывать для работы на бензо-спиртовой смеси.

На АО «АвтоВАЗ»  были проведены испытания бензина  АИ-95 с 10-процентным содержанием этанола  на токсичность, расход топлива и  обеспечение динамики автомобиля без  перерегулировки двигателя. Было установлено, что добавка к бензину 10% спирта приводит к обеднению топливовоздушной смеси и незначительно ухудшает ездовые качества машины практически  на всех режимах движения. При переходе на АИ-95Э с 10-процентным содержанием  этанола требуется перерегулировка  карбюратора.

Согласно результатам  стендовых испытаний «АвтоВАЗа», применение бензина АИ-95Э с 5-процентным содержанием спирта не приводит к  ухудшению эксплуатационных характеристик  автомобиля и не требует изменения  исходных регулировок двигателя.

А вот для работы на чистом спирте требуется увеличение вместимости топливного бака и степени  сжатия до 12-14 ед. (чтобы полностью  использовать детонационную стойкость  топлива) и перерегулировка карбюратора  или перепрограммирование ЭБУ инжекторного двигателя. Горючую смесь необходимо немного обогатить: для сгорания 1 кг спирта требуется 9 кг воздуха, а  для сгорания 1 кг бензина - 14,93 кг.

Низкое давление насыщенных паров и высокая теплота  испарения спирта делают практически  невозможным запуск бензиновых двигателей уже при температуре окружающей среды ниже +10°С. Для улучшения  пусковых качеств в спирт добавляют 4-6% изопентана (С5Н12) или 6-8% диметилового эфира (СН3-О-СН3 или С2Н6О), что обеспечивает нормальный пуск двигателя при температуре  от -25°С и выше. Для этой же цели спиртовые  моторы оборудуют специальными пусковыми  подогревателями. В случае неустойчивой работы двигателя при повышенных нагрузках (из-за плохого испарения  спирта) применяется дополнительный подогрев топливной смеси с помощью, например, отработавших газов.

2.15 Дизель и спирт

Адаптировать  дизельный мотор для сжигания в его цилиндрах спирта гораздо  сложнее. Венским техническим университетом  были проведены экспериментальные  исследования на 4-цилиндровом тракторном дизеле фирмы Steyr.

Ввиду того, что  цетановое число этанола низкое, двигатель был дополнительно  оснащен электронной системой зажигания, а головку цилиндров модернизировали  для размещения свечей зажигания. Кроме  того, была изменена геометрическая форма  камеры сгорания в днище поршня, установлены новые топливный  насос высокого давления, форсунки и топливоподкачивающий насос повышенной производительности. Исследования показали, что дизель работает на этаноле практически  бездымно. По сравнению с работой  на дизельном топливе выброс NOx снижается, что является результатом уменьшения температуры вследствие повышенной теплоты испарения этанола. Выброс СО такой же, как у бензинового  ДВС, выброс СН относительно высок, однако может быть радикально снижен при  применении простейшего окислительного нейтрализатора. При переходе на дизельное  горючее дымность и расход топлива  у переоборудованного дизеля значительно  выше, чем первоначально. Объемный расход у этанола почти в 2 раза больше, чем у дизельного топлива, что  является следствием его более низкой теплоты сгорания, а удельный приведенный  расход лишь немногим выше.

Модернизировать двигатель могут не только автопроизводители, но и специализированные фирмы. Например, в США бензиновые двигатели и  дизели для работы на альтернативном топливе переоборудует фирма Jasper Engines and Transmissions. Переделываются моторы от 8-цилиндровых V-образных до рядных 6- и 4-цилиндровых. После переоборудования двигатели могут работать на метаноле, этаноле, сжатом и сжиженном природном  газах.

Этанол (С2Н5ОН) - винный, или питьевой спирт, являющийся важнейшим представителем одноатомных спиртов. Эта бесцветная жидкость, которая смешивается в любых соотношениях с водой, спиртами, эфирами, глицерином, бензином и другими органическими растворителями, горит бесцветным пламенем. Этанол, обладая высоким октановым числом и энергетической ценностью, является отличным моторным топливом. Для получения бензина АИ-95 требуется добавить в бензин АИ-92 около 10% этанола.

2.16 Проблемы и перспективы использования метанола в качестве топлива

Теплота сгорания метанола в 2,24 раза меньше, чем у  бензина. Метанол имеет более  высокую скрытую теплоту испарения, низкую упругость паров, низкую температуру  кипения, повышенную гигроскопичность и повышенную склонность к образованию  с некоторыми составляющими бензина  азеотропных смесей, а также повышенную склонность к калильному сжиганию.

Помимо этого, метанол обладает повышенной коррозийной  агрессивностью к металлам и некоторым  пластмассам. Пары метанола токсичнее  паров бензина и вызывают сильные  отравления при попадании в организм человека, слепоту и даже летальный  исход.

В качестве положительных  свойств метанола можно указать  его высокую детонационную стойкость  и более высокие скорости сгорания топливовоздушных смесей. При этом низкая теплота сгорания не снижает  мощностных показателей двигателя, так как их определяющим фактором является не теплота сгорания топлива, а теплота сгорания единицы массы  топливообразующей смеси, которая  у метаноловоздушных смесей на 3-5% выше, чем у бензинов. Стоит сказать, что при этом и метанола требуется  в 2,3 раза больше.

Высокая скрытая  теплота испарения метанола (в 3,66 раза выше, чем у бензина) оказывает  качественное влияние на процесс  смесеобразования. В первую очередь, этот факт является причиной худших пусковых качеств холодного двигателя  при низких температурах. С другой стороны, это свойство метанола ведет  к уменьшению теплонапряженности деталей  двигателя и увеличению весового наполнения цилиндров свежим зарядом, что способствует увеличению мощности двигателя.

Кроме всего прочего, при использовании метанола существенно  ниже загрязнение атмосферы, ниже нагарообразование  на рабочих поверхностях камеры сгорания и меньшее закоксование деталей  цилиндропоршневой группы.

Кроме того, для  использования метанола в качестве топлива необходимо, чтобы цены на него были приемлемы. Сейчас на внутреннем и мировом рынке наблюдаются  крайне высокие цены на метанол. Это  не способствует широкому его применению в этой области.

2.17 Метанольные топливные элементы

В последние годы топливные элементы получили широкое  развитие во всем мире. На сегодняшний  день существует огромное количество систем, базирующихся на различных  технологиях. Одной из самых распространенных технологий является DMFC (Direct methanol fuel cell) - технология, основанная на прямом окислении  метанола.

Помимо этой технологии широко применяются PEMFC (Proton exchange membrane fuel cell) технология и SOFC (Solid oxide fuel cell). Однако нас интересует больше технология DMFC.

Разработкой метанольных  топливных элементов сейчас занимаются несколько десятков компаний, среди  которых Methanex, Statoil, Duracell, Hitachi, Toshiba, Samsung и др. Таким образом, разрабатываются  метанольные топливные элементы как для портативной техники, так и для двигателей автомобилей. И там, и там достигнуты серьезные  успехи.

Такие элементы уже  находят применение в портативных  компьютерах, сотовых телефонах  и даже автомобильных двигателях. Широкое применение в последних  сталкивается с рядом проблем.

С одной стороны, единственным продуктом реакции  метанола с воздухом является вода. Самый положительный с точки  зрения экологии факт. С другой стороны, возникает вопрос, где взять такое  количество метанола. К примеру, при 10%-ном внедрении метанола на Калифорнийском рынке для обеспечении потребности  необходима непрерывная работа 4-х  крупных заводов мощностью 2,5 тыс. тонн в сутки . Таким образом, сколь  ни было то значимого применения метанола для транспорта ждать придется еще  долго. При всем при этом цена метанола не способствует его широте его использования.

2.18 ДМЭ

ДМЭ уже на раз  проходил испытания в качестве моторного  топлива, подтверждая тем самым, целесообразность такого его использования. Применение ДМЭ в качестве моторного  топлива позволяет резко снизить  уровень шума, исключить выбросы  сажи и снизить выбросы окислов  азота.

Однако значительное различие в свойствах ДМЭ и  дизельного топлива вызывает ряд  специфических проблем. Например, с  учетом более низкой плотности и  теплотворной способности для сохранения мощности дизеля необходимы в 1,7-1,9 раза большие объемные цикловые подачи. При проектировании топливного насоса высокого давления приходится учитывать, что в силу значительно большей  сжимаемости ДМЭ необходимо увеличивать  запас по объемной производительности на номинальном режиме в 2,4-2,7 раза и  т.д. Технологии производства ДМЭ освоены  уже давно. В СНГ их разработчиком  является НИИ «Химтехнология».

2.19 Диметоксиметан (метилаль)

Вполне вероятно, это вещество станет перспективным  топливом, получаемым на базе метанола. Это бесцветная прозрачная жидкость с высоким содержанием кислорода (42%). Уже не раз проводились испытания  этого продукта, которые показали хорошие результаты в отношении  технических характеристик двигателей и низкой эмиссии дыма. Диметоксиметан улучшает смазывающую способность  дизельного топлива и полностью  смешивается с этим топливом при  всех температурах.

Он изготавливается  путем метоксилирования формальдегида  метанолом. Являясь превосходным окислителем  дизельного топлива, его использование  может стать одним из вариантов  уменьшения образования дыма от сжигания дизельного топлива.

Заключение

Часто фантасты рисуют картины, на которых изображают мчащиеся по эстакадам поезда, похожие на ракеты, движущиеся по автострадам  и улицам городов потоки ультрамодных автомобилей, «летящие» по морям  и рекам суда на подводных крыльях  и на воздушной подушке, исчерченное  следами сверхзвуковых самолётов  небо. Но хочется верить, что картина  будет совсем иной. Грядущее поколение  людей вернут Земле её первозданную красоту и чистоту. Улицы городов  окажутся всецело во власти пешеходов, исчезнут клубы отработавших газов  автомобилей. Коренным образом удастся  усовершенствовать все виды транспорта, которые в полной мере сумеют удовлетворить  постоянно возрастающие потребности  в перевозках грузов и пассажиров, не угрожая при этом окружающей среде.

Литература

1. Горелик Д.О., Конопелько Л.А. Мониторинг загрязнения атмосферы и источников выбросов. Аэроаналитические измерения. - М.:Издательство стандаартов, 1992.

2. Примак А.В., Кафаров В.В., Системный анализ контроля и управления качества воздуха и воды.- Киев.: Наука, 1991.

3. Израэль Ю.А. Концепция мониторинга состояния биосферы. - Л.: Гидрометеоиздат,1987.

4. Герасимов И.П. Научные основы мониторинга окружающей среды. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987.

5. Вавилин В.А. Моделирование - метод исследования при решении задач регионального мониторинга. - Л.: Гидрометеоиздат, 1977.

6. Аксёнов И.Я., Аксёнов В.И. Транспорт и охрана окружающей среды. - М.: Транспорт, 1986.

7. Голубев И.Р., Новиков Ю.В. Окружающая среда и транспорт. - М.: Транспорт, 1987.

8. Иванов В.Н., Сторчевус В.К., Доброхотов В.С.  Экология и автомобилизация. - Киев: Будiвельник, 1983.

9. Хомяк Я.В., Скорченко  В.Ф. Автомобильные дороги и  окружающая среда. - Киев: Вища школа, 1983.

10. Якубовский  Ю. Автомобильный транспорт и  защита окружающей среды. - М.: Транспорт, 1979.