Раздел: инженерные науки Применение новых видов топлива

Раздел: инженерные науки
Применение новых видов топлива
Зинин Владимир Анатольевич, студент, Ухта
Научный руководитель – Тимохова Оксана Михайловна, старший преподаватель, кандидат технических наук, Ухта
Основным источником загрязнения атмосферы в России являются транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания. Согласно данным Минздрава РФ на долю автотранспорта в ряде регионов России приходится 70-87%
от общего объёма выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.
Одним из путей экологизации автомобильного транспорта является перевод его на альтернативные виды топлива. Использование не нефтяного сырья
не только расширяет ресурсы топлив, но часто позволяет улучшить их экологические характеристики. Сегодня проблема экологичности топлива приобрела
самостоятельное значение в связи с ужесточением экологических требований,
предъявляемых как к самим топливам, так и к продуктам их сгорания.
Содержание вредных веществ приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Содержание вредных веществ в отработавших газах, г/км
Стандарт
«Евро-2»
«Евро-3»
«Евро-4»
«Евро-5»
Год введения
1996
2000
2005
2010
Бензиновые двигатели
Дизельные двигатели
CO
CxHx
NOx
CO
CxHx+NOx
2,2
2,3
1
1
0,5 (суммарно)
0,2
0,15
0,1
0,08
0,075
0,06
1
0,64
0,5
0,5
0,9
0,56
0,3
0,25
Твердые
частицы
0,1
0,05
0,025
0,005
Основные экологические требования к топливам следующие:
—отказ от соединений свинца при производстве бензинов;
—строгое ограничение содержания бензола в автомобильных бензинах;
—ограничение содержания ароматических углеводородов;
—ограничение содержания серы в бензинах и дизельных топливах;
—постепенное ограничение эмиссии продуктов неполного сгорания: монооксида углерода, углеводородов, твердых частиц и оксидов азота.
Сжатый
природный газ
Сжиженный
газ
Водород
Эфиры
растительных
масел
Октановое
число
Цетановое
число
Содержание
серы, %
Теплота
-сгорания
низшая,
МДж/кг
-парообразо
вания, кДж/кг
Теплоемкость
кДж/(кг·град)
Стехиометрическое количество воздуха,
требующееся
для
полного
сгорания топлива, кг/кг
Максимальная
температура
пламени при
α=1 ºС
ПДКрз, мг/м3
Диметиловый
эфир
Плотность,
кг/м3
Вязкость,
мм2/с
Температура,
ºС
-застывания
-кипения
-вспышки
-самовоспла
менения
740760
820-850
795
2,091
150
550
70
875-900
0,5-0,7
3,5-6,0
0,55
-
-
-
-
3,5-5,0
<-60
35-200
<0
350400
<-10
180-360
< 40
230-300
-98
65
8
464
-138
-25
-41
350
80-98
-
104115
-
100-110
90-110
30-40
20-25
-
40-45
3-5
>55
-
18-22
45-90
50-55
<0,1
<0,2
0,0
0,0
0,0
<0,003
0,0
<0,1
41-44
42-43
20
25
49-50
45-46
118
37-38
200
210
1100
470
-
-
48
-
2,0-2,1
1,9
2,5
-
2,2
1,65
14,2
-
14-15
14,014,5
6,5
8,9
17,017,5
15
34,8
13,514,5
2060
2100
1910
-
2020
2030
2180
2000
100
100
5
-
300
300
-
-
Автомобильный
бензин
Дизельное топливо
(летнее)
Показатель
Метанол
Таблица 2.
Физико-химические и эксплуатационные характеристики традиционных
и
альтернативных топлив
-182
-187
-259
0
-162
-42
-253
>200
>100
650-700 550-600 500-510 300-350
Какой вклад в решение этих проблем может внести применение альтернативных топлив, дадим их физико-химическую и эксплуатационную характеристику. Характеристики приведены в таблице 2.
Таким образом, при использовании спиртов и газообразного топлива
снижаются выбросы СО и оксидов азота, а водород устраняет опасность образования СО и углеводородов, но увеличивается эмиссия NOX.
Что касается расхода топлива, то при использовании спиртов он возрастает примерно вдвое, а при использовании газообразного топлива и водорода
снижается. Мощностные параметры двигателя, напротив, в случае спиртов несколько возрастают, а на газообразном топливе и водороде уменьшаются.
Газообразное топливо [2] единственный вид альтернативного топлива,
для которого решены технические и экологические проблемы использования.
Сжатый природный газ, преимущественно метан, может использоваться как топливо после сравнительно несложной переделки автомобиля.
Вследствие более низкого содержания углерода, чем в нефтяных топливах, при сгорании природного газа образуется меньше СО2 по сравнению с
бензинами в 1,22 раза. Отлагается меньше нагара. Топливовоздушная смесь не
содержит жидкой фазы, следовательно, равномернее распределяется по цилиндрам и не смывает с их поверхности смазку. Благодаря этому моторесурс
двигателя увеличивается на 30—40%, а срок службы масла в 2—3 раза.
Сравнительная оценка выбросов токсичных веществ при использовании
различных видов топлива приведена в таблице 3.
Таблица 3.
Сравнительная оценка выбросов токсичных веществ, г/км
Вещество
Бензин
Оксид угле2,5–10
рода
Оксиды озота
1,0–1,8
Неметановые
1,0–2,0
углеводороды
Сажа ( дымность по
–
Хартриджу,%)
ПАУ
0,003–0,03
Бензиновый двигатель
Бензин с системой
Сжатый приснижения токсичродный газ
ности отработавших газов
Дизельный двигатель
Дизельное
топливо
Двухтопливная
система
1,0–2,5
0,5–1,5
0,2–1,6
0,2–1,0
0,25–0,45
0,5–0,9
0,5–1,8
0,5–1,8
0,1–0,1
0,1–0,2
0,1–0,2
0,1–0,2
–
–
4–40
2–15
0,0015–0,02
0,003–0,009
–
–
Недостатки, проявляющиеся при эксплуатации автомобилей на сжатом
природном газе: устанавливаемые массивные газовые баллоны увеличивают
массу ; запас хода при одной заправке составляет до 300 км; на 7—8% увеличивается трудоемкость обслуживания автомобиля; снижение до 20% мощности.
Сжиженный нефтяной газ на 90—95% представляет собой смесь пропана
и бутана с примесью более тяжелых углеводородов. По обеспечиваемым мощностным и экологическим характеристикам двигателей сжиженный нефтяной
газ близок к сжатому природному газу. Основной недостаток этого вида топлива: процесс испарения несколько ухудшает его пусковые свойства.
Спирты. Благодаря более низкой температуре отработавших газов, интенсивному теплоотводу из цилиндров и более полному сгоранию, эффективный КПД двигателя, работающего на спиртах, выше, чем при работе на
нефтяном топливе.
Из спиртов преимущественное применение как топливо получили метанол и этанол. Они обладают почти вдвое более низкой теплотворной способностью по сравнению с нефтяными топливами, что означает удвоенный расход. Кроме того, спирты гигроскопичны, имеют плохие смазывающие свойства. Введение спиртов в бензины позволяет повысить их октановые числа. Цетановые числа спиртов, напротив, очень низкие.
Простые эфиры лучше растворяются в топливах, менее гигроскопичны
и менее коррозионно агрессивны. Эфиры традиционно добавляют в автомобильные бензины. В последние годы обозначился интерес к диметиловому и
диэтиловому эфирам как к компонентам дизельного топлива. В большой степени это объясняется их высокими цетановыми числами.
Для операции впрыскивания диметилового эфира требуется специальная система топливоподачи, поскольку данный эфир обладает плохими смазывающими свойствами. Как показали испытания, при работе двигателей на
диметиловом эфире практически полностью отсутствует сажеобразование. Биодизельное топливо (метиловый эфир) отличается хорошей воспламеняемостью, высоким цетановым числом. Если для дизтоплива цетановое число
50-52, то цетановое число биодизеля уже 56-58. Это позволяет использовать его
в дизельных двигателях без стимулирующих воспламенение веществ.
Биотопливо имеет и ряд других полезных свойств: растительное происхождение, биологическая безвредность, меньше выбросов СО2, малое содержание серы, хорошие смазочные характеристики, увеличение срока службы двигателя, высокая температура воспламенения.
Водородное топливо является наиболее перспективной альтернативой
углеводородным видам топлива.
В настоящее время 48% водорода производится из природного газа, 30%
из нефти, 18% из угля, 4% посредством электролиза. Однако поскольку электричество намного дороже, то такой процесс является неэкономичным для
крупномасштабного производства.
Основополагающим условием перехода на водородную экономику является замена двигателей внутреннего сгорания и турбин электрических станций
на топливные элементы (ТЭ). Топливные элементы могут работать как на чистом водороде, так и на углеводородном топливе.
Металл. Ученые из штата Теннесси утверждают, что металл должен
стать новым, революционным видом автомобильного топлива. Они считают,
что из порошкового железа или алюминия при определенных условиях высвобождается огромное количество энергии. Для этого нужно лишь сделать частицы размером примерно в нанометр и добавить воспламеняющий элемент. Металлическое "нано-топливо" не дает выброса углекислого газа и оксидов азота.
Горение происходит с большим избытком воздуха, вследствие чего в
продуктах сгорания содержится значительно меньше токсичных веществ.
Применение альтернативных топлив, за исключением углеводородных
газов, уже использующихся на практике, — пока еще далекая перспектива. Не
стоит забывать, что темпы внедрения экологических технологий на транспорте
во многом обуславливаются политикой государства и являются показателем
высокой технической и экологической культуры нации.