Современная жизнь невозможна без использования двигателей внутреннего сгорания. Человек использует такие двигатели в профессиональной деятельности и быту. К сожалению, они несут с собой не только благо. Выхлопы двигателей 700 млн. автомобилей, десятков тысяч судов, самолетов, тепловозов и всевозможных стационарных установок дают 40% глобального загрязнения атмосферы вредными веществами
В России в 1998 году выбросы загрязняющих веществ в атмосферу всеми транспортными средствами составили 13,2 млн. тонн, в том числе автомобильным транспортом более 11,8 млн. т. По оценке экологов, основная масса (80 процентов) вредных веществ выбрасывается автотранспортом на территории населенных пунктов. Более чем в 180 городах уровни загрязнения атмосферного воздуха (от всех источников) превышают предельно допустимые концентрации. В последние годы максимальные разовые концентрации превышали 10 ПДК в 66 городах. В 89 городах уровень загрязнения воздуха характеризуется как высокий и очень высокий.
Парк автомобилей Российской Федерации по состоянию на 1 января 1999 года составил 24,5 млн. единиц. В том числе 18,8 млн. легковых автомобилей, 4,4 млн. грузовиков, около 7000 тысяч специальных машин и более 620 тысяч автобусов.
В целом специалисты отмечают низкий уровень экологических характеристик автомобильного парка России. Подавляющая часть автомобилей сертифицирована на соответствие требованиям Правил ЕЭК ООН, действовавшим в Европе до 1992 года. Средний возраст автомобильного парка России превышает 10 лет. До 10 процентов автомобилей имеют возраст более 20 лет и вообще не проходили экологической сертификации. Массовое поступление на отечественный рынок легковых автомобилей, соответствующих требованиям Евро-1, и грузовых автомобилей, соответствующих требованиям Евро-2, можно ожидать не ранее 2002 года.
Использование каталитических нейтрализаторов имеет очень ограниченный характер и не может обеспечить быстрого повышения экологических характеристик автотранспортных средств. Основные причины этого заключаются в следующем: не разработана правовая база контроля; отсутствуют нормативные требования к таким автомобилям; нет современных приборов контроля, а главное - не решена проблема повсеместного гарантированного обеспечения автотранспорта неэтилированным бензином.
ЕС решил перевести 10% автотранспорта на биотопливо к 2020 году.Евросоюз поставил задачу к 2020 году перевести 10% своих автомобилей на биологическое топливо. Такое решение одобрили на встрече в Брюсселе министры энергетики 27 стран ЕС. «К 2020 году как минимум 10% автомобильного горючего, потребляемого в каждой стране Евросоюза, должно стать топливо биологического происхождения», - говорится в резолюции Совета ЕС по энергетике и транспорту. Речь идет о таких видах горючего как спирты и производимый из биомассы метан. В резолюции подчеркивается необходимость принять общеевропейские меры, чтобы повысить эффективность технологий производства этого топлива и улучшить его коммерческие возможности. В настоящее время, производимое в Европе биотопливо в среднем на 15-20 дороже традиционного.
Кроме этого, министры также призвали к 2020 году довести долю возобновляемых источников энергии в общеевропейском энергопотреблении до 20%, тогда как сегодня оно составляет 7%. Однако эта договоренность не носит обязательного характера. Против введения жесткой обязательной для всех стран ЕС нормы использования возобновляемых источников энергии высказались Великобритания, Франция и Финляндия. Между тем правительство Великобритании уже в 2005 году объявило о намерениях ввести новые правила, согласно которым с 2010 года продаваемые в стране бензин и дизельное топливо должны будут на 5% состоять из растений - биотоплива. В настоящее время биотопливо составляет 2% от общего объема продаваемого в Великобритании горючего. В бензин добавляется этанол, изготовленный из бразильского сахарного тростника, а в дизельное топливо добавляется рапсовое и переработанное растительное масла. Такая топливная смесь, включающая в себя 5% биотоплива, может использоваться во всех автомобилях, для этого им не требуется модификация. Некоторые модели автомобилей, в том числе Saab 9-5 и Ford Focus, приспособлены для использования топливной смеси, в которой содержится 80% биотоплива.
Биодизель - это топливо, полученное из растительного масла посредством его химического превращения так называемым процессом переэтерификации. В Европе оно изготавливается из подсолнечного и рапсового масла, в Соединенных Штатах - из соевого или из разновидности рапсового масла. Происходит химическая реакция масла с алкоголем, в основном с метиловым спиртом, для уменьшения вязкости и очищения масла. Этот химический процесс позволяет получить однородный, устойчивый и качественный продукт: EMVH (Метиловый сложный эфир растительных масел), свойства его близки к дизельным маслам. Преимущества биодизеля:
Главный претендент на звание, «топлива будущего» - водород , запасы которого практически не ограничены, в двигателе, а процесс сжигания в двигателе характеризуется высоким энергетическим и экологическим совершенством. Для получения водорода могут быть использованы различные термохимические, биохимические, или электрохимические способы с использованием экологически чистой энергии Солнца. В нашей стране и за рубежом уже созданы экспериментальные автомобили, использующие водород в жидком виде, или в составе твердого металлогидратов, в качестве основного топлива или в смеси с бензином.
Преимущества водорода как автомобильного топлива несомненны. Его теплотворная, способность в три раза выше, чем у бензина, а продукты сгорания содержат безобидный компонент - водяной пар. Более полувека назад профессор А. Орлин из Московского высшего технического училища впервые создал и запустил карбюраторный двигатель на водороде.
Сейчас производственная потребность водорода, необходимого для производства аммиака, метилового спирта и пластмасс, очень невелика.
Использование водорода в качестве топлива для двигателей потребует значительного увеличения его производства. Это одно из главных препятствий на пути широкого применения водорода в качестве двигательного топлива.
Исключением может стать только электрический автомобильный двигатель. Работы по его созданию ведут крупнейшие автомобилестроительные фирмы мира, прежде всего Япония
Источником тока в электромобилях пока являются свинцовые аккумуляторы. Без подзарядки такие автомобили обеспечивают пробег до 50-60 км (максимальная скорость 70 км/ч, грузоподъемностью 500 кг), что позволяет использовать их в качестве такси или для технологических перевозок мелких партий грузов внутри города, Серийное производство и использование электромобилей потребует созданию станций зарядки аккумуляторов, отвечающих всем необходимым технико-экономическим требованиям.
Специалисты полагают, что наиболее энергосберегающим и высокоэффективным источником энергии для электромобилей являются батареи топливных элементов. У таких элементов много достоинств, прежде всего высокий КПД, достигающий в реальных установках 60-70%; их не надо заряжать, как аккумуляторы, достаточно пополнять запасы реагентов. Наиболее перспективен водородно-воздушный электрохимический генератор (ЭХГ), в котором продуктом реакции при выработке электрической энергии является химически чистая вода. Главный недостаток ЭХГ на сегодняшний день - высокая стоимость.
Апельсиновые рощи Валенсии могут скоро стать поставщиком топлива для испанских машин. Новая технология позволит делать биотопливо из фруктовой кожуры. Автомобили, заправленные цитрусами, не будут загрязнять окружающую среду.
Человечество слишком медленно, но все же подходит к пониманию того, что необходимо поставить материальное потребление на подобающее ему место среди других источников личного удостоверения, таких не материальных ценностей, как семья, дружба, общение с другими людьми, развитие собственной личности; что следует, наконец, жить в соответствии с возможностями Земли.
От решения именно этой задачи в первую очередь зависит, сохраним ли мы биосферу Земли.
Было бы хорошо, если бы люди привыкли ходить пешком и ездить на велосипедах. По моему мнению, общественный транспорт должен быть таким, чтобы людям хотелось пользоваться чаще им, а не собственными машинами. Ведь увеличение транспорта наносит огромнейший вред бесценному здоровью людей и окружающей среде. Хотелось бы измененить некоторые маршруты грузовых автомобилей, чтобы немного улучшить экологическую обстановку. Выхлопные газы автомобилей - это настоящее бедствие. Так давайте же беречь и охранять нашу планету, как самое дорогое, что у нас есть, - жизнь!
газ отработанный окружающий бензин
Специалисты разных стран ведут исследования в области применения новых видов топлива и источников энергии на автомобильных транспортах. Это связано со значительным ростом численности автотранспортных средств и все большим загрязнением окружающей среды окружающей среды.
К наиболее эффективным и перспективным видам моторного топлива следует отнести природный газ, водород, пропан-бутановую смесь, метанол и др.
Перспективное автомобильное топливо -- это любой химический источник энергии, использование которого в традиционных или разрабатываемых автомобильных двигателях позволяет в какой-то степени решить энергетическую проблему и уменьшить вредное воздействие на окружающую среду. Исходя из этого формулируются пять основных условий перспективности новых источников энергии:
наличие достаточных энергосырьевых ресурсов;
возможность массового производства;
технологическая и энергетическая совместимость с транспортными силовыми установками;
приемлемые токсичные и экономические показателипроцесса использования энергии;
безопасность и безвредность эксплуатации.
Существует несколько различных классификаций перспективных автомобильных топлив. Большой практический интерес представляет энергетическая классификация, в основу которой положена калорийность традиционного жидкого углеродного топлива.
У традиционного жидкого углеводородного топлива самая высокая энергоплотность, поэтому автомобиль, работающий на нем, имеет небольшие размеры и массу топливного бака и топливной аппаратуры и не требует сложной системы заправки и хранения топлива. Углеводородные газы и водород обладают более высокой массовой энергоемкостью, но из-за малой плотности у них значительно худшие объемные энергетические показатели. Поэтому использование этих топлив возможно только в сжатом или сжиженном состоянии, что в ряде случаев значительно усложняет конструкцию автомобиля.
Водородное топливо. Большие надежды возлагаются на водородное топливо как на топливо будущего. Обусловлено это его высокими энергетическими показателями, отсутствием большинства токсичных веществ в продуктах сгорания и практически неограниченной сырьевой базой. Именно с водородом связывают перспективное развитие энергетики.
По массовой энергоемкости водород превосходит углеводородные топлива примерно в 3 раза; спирты -- в 5--6 раз. Но из-за очень малой плотности его энергоплотность низка. Водород обладает рядом свойств, сильно затрудняющих его использование: сжижается при 24К; обладает высокой диффузионной способностью; предъявляет повышенные требования к контактирующим материалам, взрывоопасен. Однако несмотря на это, ученые многих стран ведут работы по созданию автомобилей, работающих на водородном топливе. Многочисленные схемы возможного его применения в автомобиле делятся на две группы: водород как основное топливо и как добавки к современным моторным топливам. Основной трудностью при использовании водорода в сжиженном состоянии является его низкая температура. Обычно жидкий водород транспортируется в криогенных резервуарах с двойными стенками, пространство между которыми заполнено изоляцией. Для безопасной эксплуатации жидкого водорода необходимы полная герметизация топливоподающей системы и обеспечение сброса избыточного давления.
Водородная технология, водородная энергетика -- о них говорят все настойчивее по той причине, что этот химический элемент -- основа единственного известного сегодня топлива, не образующего при сгорании пресловутого угарного газа и потому экологически наименее вредного. К тому же запасы его в природе практически неисчерпаемы. Вот почему уже много лет предпринимаются попытки использовать водород для двигателей внутреннего сгорания. В этом направлении еще в 30-е годы работали Московский автомеханический институт, МГТУ имени Баумана и ряд других институтов.
Во время Великой Отечественной войны идею водородного топлива практически применили для автомобилей в войсках противовоздушной обороны на Ленинградском фронте.
В послевоенные годы академик Е. А. Чудаков и профессор И. Л. Варшавский использовали водород для питания одноцилиндрового двигателя в Автомобильной лаборатории АН СССР. Занимались этой проблемой академик В. В. Струминский и другие исследователи. Однако эксперименты тогда не получили широкого размаха. Они стали более актуальными и возобновились позднее. Только в США к 1976г. по этой теме вели исследования 15 экспериментально-конструкторских групп, которые создали 42 разновидности «водородных» двигателей. Аналогичные поиски развернуты учеными ФРГ и Японии.
Столь большой интерес к водороду как к топливу объясняется не только его преимуществами экологического характера, но и физико-химическими свойствами: теплота сгорания у него втрое выше, чем у нефтепродуктов, воспламеняемость смеси с воздухом имеет широкие пределы, водород обладает высокой скоростью распространения пламени и низкой энергией воспламенения -- в 10--12 раз ниже, чем бензин.
В нашей стране обширные работы по использованию водорода для автомобильных двигателей активно ведут многие научные центры.
Метод получения этого химического элемента с применением так называемых энергоаккумулирующих веществ детально разработан Институтом проблем машиностроения АН Украины, который проводит также фундаментальные исследования процессов сгорания водородовоздушных и бензоводородовоздушных смесей, разрабатывает принципиальные схемы силовой установки автомобиля при различных методах хранения нового горючего на борту.
Водород как моторное топливо имеет некоторые особенности, обусловленные его свойствами. Широкие пределы воспламеняемости позволяют лучше регулировать протекание рабочего процесса двигателя. В результате удается повысить экономичность при частичных нагрузках -- режиме, в котором автомобильный двигатель «живет» довольно долго. Теплотворность однородной смеси водорода с воздухом ниже, чем у бензина. Поэтому мощность двигателя на водороде в большей степени, чем при использовании бензина, зависит от способа смесеобразования.
Исследования детонационной стойкости бензоводородовоздушных и водородовоздушных смесей показали, что их склонность к детонации в значительной степени зависит от коэффициента избытка воздуха. И в этом отношении при использовании водорода в качестве топлива выявлены иные закономерности, чем для бензина. Изучение работы двигателей на водородовоздушных и бензоводородовоздушных смесях показало высокую стабильность рабочего процесса. Сравнивая пределы изменения оптимального угла опережения зажигания при работе на водороде и бензине, можно заметить, что в первом случае он существенно зависит от коэффициента избытка воздуха. При обогащении смеси наивыгоднейший угол опережения зажигания значительно уменьшается. Поэтому при работе на водороде двигателю нужны иные регулировки этого параметра.
Наконец, при сгорании водорода отработавшие газы не содержат таких вредных компонентов, как СО, углеводороды, РЬО. Остается только один токсичный компонент в выхлопе -- NО (и то в меньших количествах, чем при работе на бензине). При использовании водорода в качестве добавки содержание вредных компонентов резко сокращается благодаря полноте сгорания. Кроме того, уменьшается необходимость использования вредных антидетонационных свинцовых присадок к бензинам.
Эксперименты показали, что двигатели внутреннего сгорания могут с успехом работать как на чистом водороде, так и на смеси его с парами бензина. Любопытно, что уже 10-процентная добавка (от массы расходуемого топлива) водорода может оказать существенное влияние, снижая токсичность отработавших газов и улучшая экономические показатели. Она намного расширяет пределы воспламеняемости смеси, что создает условия для эффективного регулирования процесса сгорания. Практически это означает возможность устойчивой работы на очень бедных бензоводородовоздушных смесях с большим коэффициентом избытка воздуха, чем обеспечивается значительная экономия бензина. Учитывая то обстоятельство, что двигатель в городских условиях до 30% времени работает на холостом ходу или режимах неполной нагрузки, можно представить себе, какие экономические выгоды несет использование водорода. А работа двигателя при высоких коэффициентах избытка воздуха сопровождается почти полным сгоранием смеси, и, следовательно, в отработавших газах нет токсичных компонентов. В Институте проблем машиностроения АН Украины уже разработаны автомобильные силовые установки, действующие на водородном топливе. Для них водород получают из воды (с применением энергоаккумулирующих веществ, в основе которых лежат окислы металлов), а также из гидридов -- веществ, способных при охлаждении поглощать водород, а при нагревании -- отдавать его.
Связывать водород гидридами необходимо в интересах безопасности, так как при утечках из баллонов он образует, смешиваясь с воздухом, взрывчатую смесь, которая легко воспламеняется (вспомните частые аварии дирижаблей с емкостями, заполненными водородом). Но важнее тот факт, что гидриды являются более рациональным методом хранения водорода на борту автомобиля по объемным показателям.
Общая схема силовой установки топлива: водородное топливо, получаемое в результате взаимодействия энергоаккумулирующих веществ с водой, подается системой питания в двигатель. Мощность двигателя регулируется компонентами, подаваемыми в реактор для освобождения связанного водорода.
Силовая установка может быть выполнена как по открытому, так и закрытому циклу. В первом случае на борту автомобиля размещаются только емкости для энергоаккумулирующих веществ и воды, а продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. При замкнутом цикле дополнительно вводятся теплообменник и конденсатор, позволяющие использовать пары воды из выхлопных газов. Поступающая в реактор с энергоаккумулирующими веществами вода снова служит источником для получения водорода. Так при замкнутом цикле «носителем» топлива служит вода, а энергией -- энергоаккумулирующие вещества. Водородное топливо при обоих циклах может использоваться в чистом виде или в качестве добавок (5--10% по массе). В последнем случае на машине сохраняется система питания бензином. «Извлечение» водорода из воды происходит в реакторе, содержащем энергоаккумулирующие вещества. Наиболее простым является реактор постоянного действия, в котором давление поддерживается регулировкой подачи компонентов в зону реакции.
Процесс получения в нем топлива происходит не мгновенно, т. е. он обладает некой инерцией. Выделяющийся в реакторе водород поэтому должен поступать к мотору через редуктор-регулятор, поддерживающий оптимальное давление перед форсунками подачи.
По разработанным методикам для испытаний с применением энергоаккумулирующих веществ на основе оксидов металлов, а также с использованием гидридов были апробированы серийные легковые автомобили «Москвич» и «ВАЗ».
Первый эксперимент (применение энергоаккумулирующих веществ -- автомобиль «Москвич») -- система питания бензином оставлена без изменения. На машине смонтированы два реактора 1, обеспечивающие получение водорода из воды, и редуктор 5, предназначенный для дозирования подачи топлива на разных режимах работы двигателя.
Реакторы периодического действия имеют постоянную загрузку энергоаккумулирующих веществ на основе кремния или алюминия с регулируемой подачей воды. Насосы высокого давления 4, приводимые электродвигателем, подают воду из бака через подогреватель и фильтр к реактору, где ее распыляют форсунки. В водяной системе установлены обратные клапаны, предотвращающие проникновение туда водорода при прекращении подачи воды. Кроме того, в ней предусмотрен кран 3, который переключает подачу воды с одного реактора на другой. Все агрегаты этой экспериментальной установки смонтированы на общей раме и помещены в багажнике.
Установка с применением энергоаккумулирующих веществ для питания двигателя водородом: 1 -- реакторы периодического действия; 2 -- бак для воды; 3 -- кран подачи воды в реактор; 4 -- блок насосов с электроприводом; 5 -- редуктор в системе подачи водорода
Водород от реакторов поступает к крану, установленному на приборной панели, которым водитель соединяет работающий реактор 1 с системой подачи водорода. Последняя состоит из понижающего редуктора, влагоотделителя, газового счетчика и редуктора регулирования подачи водорода (управляется специальной педалью). Топливо вводится во впускной трубопровод, непосредственно перед впускным клапаном.
Для работы на водороде, получаемом из гидридов, система питания бензином также сохранена и дополнительно установлена система хранения и подачи водорода (автомобиль «ВАЗ»). Она состоит из гидридного бака 1, нагреваемого отработавшими газами, редуктора со всережимным вакуумным регулятором 9 расхода водорода и смесителя 8, сделанного на базе серийного карбюратора. Скорость выделения водорода гидридом система регулирует автоматически (блок управления 10, реле давления 2, заслонка с электромагнитным приводом 7 на выпускной трубе), поддерживает постоянным, независимо от режима двигателя, давление водорода в системе. Гидридный бак при зарядке охлаждается водой.
Установка с применением гидридов: 1 -- гидридный бак; 2 -- реле давления; 3 -- вентиль заправки; 4 -- выхлопной патрубок гидридного бака; 5 -- глушитель; 6 -- бензиновый бак; 7 -- электромагнитный привод заслонки; 8 -- смеситель; 9 -- регупятор давления и расхода водорода; 10 -- блок электронного управления
Применение водорода в качестве дополнительного топлива для карбюраторных двигателей открывает возможность принципиально нового подхода к организации рабочего процесса. При минимальной модификации двигателя, касающейся в основном системы питания, можно достичь значительного повышения его топливной экономичности (эксплуатационный расход бензина снижается на 35--40%) и уменьшить токсичность отработавших газов.
Таблица 13 Токсичность отработавших газов,
Водотопливные эмульсии. Применение воды в рабочем процессе двигателя внутреннего сгорания не является новинкой последних лет. Впрыск воды использовался для обеспечения работы двигателей внутреннего сгорания на низкооктановых топливах еще в 30-е годы.
Сейчас основное внимание при использовании воды в качестве добавки к топливу уделяется возможности повышения экономичности и снижения токсичности отработавших газов автомобиля.
Водотопливные эмульсии -- это жидкое топливо с мельчайшими каплями равномерно распределенной по объему топлива воды. Эмульсия приготовляется непосредственно на автомобиле. Для предотвращения расслоения эмульсии в топливо добавляется эмульгатор в количестве 0,2--0,5%. Содержание воды в водотопливной эмульсии может достигать 30--40%.
Применение водотопливных эмульсий возможно как в карбюраторном, так и дизельном двигателе. Но в карбюраторном двигателе применение водотопливных эмульсий в ряде случаев приводит к ухудшению некоторых показателей (в частности, топливной экономичности), отказам при полном открытии дроссельной заслонки, перебоям при движении с низкой скоростью. Наилучшие результаты дает использование водотопливных эмульсий на дизельных двигателях. Подача в камеру сгорания воды обеспечивает дополнительное распыление топлива за счет дробления перегретыми парами воды. Удельный расход топлива при этом снижается на 4--10%.
Добавка воды к топливу позволяет снизить содержание некоторых токсичных веществ в отработавших газах за счет уменьшения максимальных температур в камере сгорания, величина которых определяет количество NОх. При применении водотопливных эмульсий количество NOх может снизиться на 40-- 50%. Снижается также дымность отработавших газов, так как сажа при наличии паров воды взаимодействует с ними с образованием углекислого газа и азота. Выделение СО остается практически неизменным по сравнению с работой двигателя внутреннего сгорания на топливе без добавки воды, а выделение СпНш несколько увеличивается. Этот вид топлива пока не нашел широкого применения на автомобильном транспорте, поскольку усложняется конструкция автомобиля, возникает ряд проблем при эксплуатации в зимний период, недостаточно изучено влияние воды на условия работы и долговечность двигателя внутреннего сгорания.
Синтетические спирты. В качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания автомобилей нашли применение метанол и этанол как в чистом виде, так и в составе многокомпонентных смесей.
Наибольшее распространение автомобили, работающие на спиртовом топливе, получили в Бразилии, которая ввозит 80--85% нефтепродуктов, расплачиваясь за них валютой. Расходы на горючее растут из года в год и исчисляются миллиардами долларов. Поэтому в стране с энтузиазмом был встречен объявленный президентом в 1975г. проект «алкоголизации транспорта». Топливные баки бразильских автомобилей заправляются смесью спирта и бензина в пропорции 1:4.
Со временем предполагается перевести весь автопарк на использование этилового спирта вместо бензина. Спирт получают из сахарного тростника (Бразилия -- крупнейший в мире производитель этой культуры). Возможно получение до 80 т биомассы с 1га в год. Плантаций, занимающих 2% территории страны, будет достаточно, чтобы обеспечить потребность в новом горючем.
По расчетам специалистов 1л спирта обходится на 30-- 35 % дешевле бензина.
Мексика, вторая по численности населения страна Латинской Америки, готова последовать бразильскому примеру. В США также проявляется интерес к производству топливного спирта из древесных, сельскохозяйственных и иных отходов.
С энергетической точки зрения преимущество спиртовых топлив заключается в высоком КПД рабочего процесса и высокой антидетонационной стойкости топлива, но теплота сгорания спиртов примерно вдвое ниже, чем у бензинов. Низкая энергоемкость спиртов ведет к увеличению удельного расхода топлива.
Использование спиртов требует сравнительно небольшого изменения конструкции автомобиля. Основные мероприятия сводятся к увеличению объема топливных баков и установке устройств, обеспечивающих стабильный пуск двигателя в любую погоду. Требуется также замена некоторых металлов и прокладочных материалов, в частности облицовка пластмассой метанольного бака. Это связано с высокой коррозийной активностью спиртов и необходимостью более тщательной герметизации топливоподающей системы, поскольку метанол является нервно-сосудистым ядом. Применение бензометанольной смеси выдвигает ряд других специфических требований. В частности, ужесточаются требования к давлению насыщенных паров бензина, поскольку даже с 5 %-ной добавкой метанола оно значительно увеличивается. Чтобы избежать расслоения смеси, при ее хранении, транспортировке и применении необходимо соблюдать определенную температуру и не допускать попадания в нее воды. Некоторые синтетические материалы, используемые в системах подачи топлива и в автомобильных системах питания, оказались нестойкими к бензометанольной смеси. При переводе автомобиля с бензина на бензометанольную смесь пришлось изменить пропускную способность жиклеров, при этом несколько увеличился общий расход топлива. Вместе с тем установлено, что смесь с содержанием метанола до 15 % не ухудшает основных технико-эксплуатационных показателей грузовых автомобилей. Высокие антидетонационные показатели спиртов позволяют повышать степень сжатия двигателя внутреннего сгорания до 14--15 единиц.
Использование спиртовых топлив снижает содержание токсичных веществ в отработавших газах, что объясняется более низкой температурой горения спиртового топлива.
С начала 70-х годов, когда резко обострилась энергоэкологическая ситуация, практически все промышленно развитые страны развернули широкий поиск альтернативных энергоносителей, способных заменить бензин и дизельное топливо. Среди альтернативных топлив особое внимание уделяется водороду: его использование для двигателей внутреннего сгорания позволяет решить как сырьевую, так и экологическую проблемы, причем сделать это без коренной перестройки технической базы современного двигателестроения. В частности, исследования показали, что применение водорода в качестве основного или дополнительного топлива для двигателей с принудительным воспламенением заряда повышает их топливную экономичность на 30--40% и резко снижает токсичность отработавших газов, так как моторные свойства позволяют двигателям работать на бедных смесях при качественном регулировании мощности. За рубежом работы по созданию автомобильных «водородных» двигателей внутреннего сгорания ведутся передовыми развитыми странами уже давно и довольно успешно. В частности, автомобильная компания «Даймлер--Бенц» (Германия) изготавливала легковые автомобили и микроавтобусы на базе серийных моделей, двигатели которых питаются как бензином с добавкой водорода, так и «чистым» водородом. Из трех приемлемых для автотранспортных средств способов аккумулирования водорода -- в сжатом до 20 МПа, сжиженном при температуре 20К или химически связанном в металлогидридах состоянии -- на экспериментальных автомобилях фирмы «Даймлер--Бенц» применялся последний.
Во всем мире в качестве источника энергии повсеместно продолжает использоваться ископаемое топливо, которое хоть и экологически улучшается с каждым годом, загрязнение от выхлопов которого, остается одной из главных экологических проблем. Это заставляет ученых и инженеров задуматься о возможности использования альтернативного топлива в качестве других источников энергии.
Таких разработок много, однако в серийное использование продвигаются не так много видов экологически чистого топлива.
Пневмопривод был разработан во Франции и Индии практически одновременно. Ныне такие автомобили уже производятся серийно. Для движения используется сила, создаваемая сжатым воздухом. Такое транспортное средство развивает скорость до 35 км/час (с использованием мизерного количества топлива до 90 км/ч). Расход сжатого воздуха в бензиновом эквиваленте составляет порядка одного литра на 100 километров.
Этанол или этиловый спирт - один из наиболее распространенных видов альтернативного топлива. В США и Бразилии порядка 32 тысяч заправочных станций реализуют этиловое топливо. Более 230 млн. транспортных средств во всем мире используют именно его. Вещество, получаемое во время брожения различных культур, обеспечивает достаточное количество энергии, а продукты его горения не несут никакого вреда экологии.
Конструкция дизельного двигателя сама по себе эффективнее бензинового. А если его заправить его растительным маслом, то еще и экологически чистая. Речь о специально переработанном масле. Получить такое топливо можно даже в домашних условиях, используя несложные технологические процессы. У такой технологии множество плюсов: нет необходимости менять конструкцию двигателей на уже собранных авто, для его производства используются восстанавливаемые ресурсы, а выхлоп совершенно безопасен для окружающей среды.
В начале XXI века был разработан водородный двигатель. Технологически можно использовать водородное топливо и в обычном двигателе внутреннего сгорания, но тогда мощность падает на 60 - 82%. Если внести необходимые изменения в системе зажигания, то напротив, мощность только увеличится на 117%, в этом случае увеличение выхода окислы азота приводит к подгоранию поршней и клапанов, а также вступление водорода в реакцию с другими материалами приводит быстрому износу двигателя. Его усовершенствованная версия в будущем сможет, возможно, использовать в качестве топлива даже воду. Кроме того, водород обладает сильной летучестью, поэтому его трудно сохранить в жидком виде, в топливном баке BMW Hydrogen (автомобиль на изображении ) всего за неделю неиспользования испаряется полбака водородного топлива.
Есть тип двигателя, который вообще не производит выхлопа - электрический. Технология начинает свою историю еще в XIX веке. Популярность электрическому двигателю способствовали трамваи и троллейбусы в качестве городского транспорта, но в таком случае транспорту необходим был постоянный электрический ток в виде проводов. Электромобиль так и не набрал в свое время популярности, хоть и появился раньше, чем автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Ныне электромобили выпускаются серийно, в городах оборудуются электрические заправки для них и технология набирает популярность.
Особенно, популярны гибридные автомобили с одновременным использованием электродвигателя и двигателя внутреннего сгорания, позволяющим приводить в движение автомобиль, как и от электрического заряда, так и от привычного топлива. Гибридные автомобили, конечно, не избавляют атмосферу полностью от вредных выхлопов, но уменьшают количество отработавших газов, при этом позволяют в разы экономить топливо и уменьшать эксплуатационные характеристики.
справочная информация
Производство экологически чистого бензина, соответствующего всё более жестким стандартам, обуславливает необходимость больших инвестиций в модернизацию действующих установок изомеризации и строительство новых объектов по производству автокомпонентов.
Актуальность установок изомеризации бензинов. Экологически чистый бензин. Экологическое топливо.
Среди всех процессов производства автокомпонентов в последние годы наибольшую популярность получил процесс изомеризации легких бензиновых фракций. Это обусловлено рядом факторов и показателей (таблица 1
).
В странах с технически развитой нефтепереработкой процесс изомеризации всегда имел большое значение. Но с введением жестких экологических стандартов по содержанию в автобензинах бензола и ароматических углеводородов требования к технологии изомеризации существенно повысились и сводятся к следующему:
Таблица 1. Факторы инвестиционной привлекательности процесса изомеризации бензинов
В России и странах бывшего СССР применение в нефтепереработке изомеризации бензинов началось значительно позже. По состоянию на конец 2013 года, действуют десять установок изомеризации легких бензиновых фракций “Изомалк-2”.На графике ниже показана динамика пуска установок изомеризации бензинов в России.
Может ли автомобильное топливо быть экологически чистым?
Этот вопрос становится все более актуальным в современном обществе.
Автомобильный транспорт наносит невосполнимый ущерб окружающей среде. В России из 35 млн. тонн вредных выбросов различных транспортных средств 89% приходится на автомобили, 8% - на железные дороги, 2% - на авиатранспорт и 1% - на водный транспорт.
Доля выбросов автотранспортом в общем объеме загрязнения атмосферного воздуха в среднем по стране сегодня составляет 43%, а в Москве - в два раза больше. Экологически неблагополучные районы занимают около 15 процентов территории страны, на которой проживают около 70% населения. Уровень концентрации оксидов азота, углерода и других вредных веществ на улицах крупных российских городов в 10-18 раз превышает предельно допустимые концентрации.
Основная масса выбросов вредных веществ в атмосферу происходит с отработанными газами двигателей внутреннего сгорания. Так, только один легковой автомобиль поглощает ежегодно из атмосферы в среднем больше 4 тонн кислорода, выбрасывая с выхлопными газами примерно 800 кг оксидов углерода, около 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных углеводородов. Отходящие газы двигателей содержат сложную смесь, их более двухсот компонентов, среди которых много канцерогенов, например, оксиды свинца, тетраэтилсвинец и т.д.
Для решения экологических проблем практически во всех развитых странах мира были приняты меры по регулированию выбросов в атмосферу вредных компонентов отработанных газов автомобилей, а экологичность транспорта на стадии проектирования стоит в одном ряду с его потребительскими качествами и безопасностью. Так в настоящее время в США и странах ЕС введены нормы «Евро-4», которые значительно ужесточили требования к предельно допустимым концентрациям вредных веществ в выхлопных газах автомобилей за последние 10 лет.
Бензины, удовлетворяющие стандартам Евро-4 и Евро-5, характеризуются не только высокими экологическими параметрами, но и улучшенными потребительскими свойствами, к числу которых относятся: детонация, мощность двигателя, интенсивность износа двигателя, образование нагара, коррозионное воздействие на двигатель и т.д.
Введение стандарта ЕВРО-4 на пути к созданию экологически чистого топлива полностью доказало свою эффективность для защиты окружающей среды (рис. 1 ). По данным Еврокомиссии, за период с 1995 по 2010 год среднее содержание СО, окиси азота (NOx) и соединений свинца в выхлопе эксплуатируемых на территории стран ЕС автомобилей сократилось более чем в 4 раза, а содержание гидрокарбонатов и летучих органических веществ (VOC), сернистого газа и бензола - более чем в 5 раз (рис. 2 ).
Россия в решении проблемы экологически чистого топлива значительно отстает, что наглядно демонстрируют данные Таблицы 1а .
Рисунок 1. Выбросы основных токсичных компонентов автотранспортных средств
Рисунок 2. Динамика изменения количества выбросов с течением времени
Таблица 1а. Соотношение выбросов загрязняющих веществ автотранспортом в России и Европе
Требования к экологической чистоте автомобильного топлива в России регулируются специальным техническим регламентом «О требованиях к автомобильному и авиационному бензинам, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту», который был утвержден постановлением Правительства России № 11 от 27 февраля 2008 года.
Регламент устанавливает обязательные требования к экологической безопасности топлива, соответствующие требованиям директив Европейского парламента и Совета 2003/17/ES и 98/70ES (так называемые стандарты Евро-2, 3, 4, 5). Технический регламент устанавливает минимально допустимые химические и физические параметры автомобильного бензина и дизельного топлива (см. таблицу 2 ), а также сроки прекращения производства топлива того или иного экологического класса.
Таблица 2. Минимально допустимые химические и физические параметры автомобильного бензина и дизельного топлива
Грядущее вступление в силу требований технического регламента, соответствующих спецификациям Евро-4 и 5, объективно стало серьезным стимулом для увеличения объемов инвестиций в модернизацию основных технологических процессов российских НПЗ.
Переход нефтеперерабатывающей промышленности России к производству экологически чистого автомобильного топлива требует кардинальных изменений в технологиях производства с большими финансовыми затратами.
С целью обеспечения коренного улучшения качества автомобильных бензинов требуется решение следующих задач :
На данный момент соблюдение европейских стандартов моторного топлива, представленного на российском рынке, обеспечивается за счет применения производителями специальной добавки антидетонатора - метилтретбутилового эфира (МТБЭ). Эта добавка также широко применяется в странах ЕС и оказывает положительное влияние на двигатель: содержащийся в МТБЭ кислород обеспечивает полноту сгорания и тем самым снижает выбросы СО и СН. Однако повышенное содержание МТБЭ ведет к падению мощности, росту выбросов окислов азота, а также ускоряет процесс коррозии, поэтому согласно европейским нормам доля МТБЭ не должна превышать 15%. Кроме того, МТБЭ является дорогостоящим компонентом и его применение отрицательно сказывается на ценовых характеристиках бензина, произведенного по европейским стандартам - удорожание по сравнению с обычным высокооктановым бензином составляет 10%.
Одним из наиболее актуальных путей достижения качества топлива в соответствии с европейскими стандартами качества Евро-4, Евро-5 является строительство установок изомеризации. Применение технологий изомеризации при изготовлении бензинов позволяет сократить объем потребления МТБЭ, что в свою очередь приводит к сокращению себестоимости и, соответственно, цены бензина для конечных потребителей.
Целевым продуктом установки изомеризации является изомеризат, в котором отсутствует бензол и другие ароматические углеводороды, отсутствуют олефины, отсутствует сера, азот, тяжелые металлы, а октановое число составляет от 83 до 92 п. по исследовательскому методу в зависимости от технологических схем процесса.
Таким образом, изомеризация легких бензиновых фракций в настоящее время является одним из самых востребованных процессов, обеспечивающих производство экологически чистых автобензинов. Накоплен большой промышленный опыт по использованию различных технологий и технологических схем. Но совершенствование катализаторов и технологий продолжается постоянно.
В XXI столетии все большую популярность приобретает технология изомеризации на базе сульфатированных оксидных катализаторов.
Информация данного раздела приведена исключительно в справочных целях и собрана из различных литературных источников. Информацию о продукции и услугах ООО "НПП Нефтехим" Вы найдете в разделах «
Автомобильный транспорт как источник загрязнения окружающей среды. Причины образования токсичных компонентов в отработанных газах ДВС
В последние годы в связи с ростом плотности движения автомобилей в городах резко увеличилось загрязнение атмосферы продуктами сгорания двигателей. Выпускные газы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) состоят в основном из безвредных продуктов сгорания топлива – углекислого газа и паров воды. Однако в относительно небольшом количестве в них содержатся вещества, обладающие токсическим и канцерогенным действием. Это окись углерода, углеводороды различного химического состава, окислы азота, образующиеся в основном при высоких температуре и давлении.
При горении углеводородного топлива происходит образование токсичных веществ, связанное с условиями горения, составом и состоянием смеси. В двигателях с принудительным воспламенением концентрация окиси углерода достигает больших значений из-за недостатка кислорода для полного окисления топлива при их работе на богатой топливом смеси.
При движении автомобилей в городе и на дорогах с переменным уклоном и часто меняющимися скоростями с включенной передачей и открытой дроссельной заслонкой двигателям приходится около 1/3 путевого времени работать в режиме принудительного холостого хода. На принудительном холостом ходу двигатель не отдает а, напротив, поглощает энергию, накопленную автомобилем. При этом нерационально расходуется топливо, усиленное всасывание которого приводит к наибольшему выбросу токсичных газов СО и СН в атмосферу.
Автомобильные выхлопные газы - смесь примерно 200 веществ. В них содержатся углеводороды-не сгоревшие или не полностью сгоревшие компоненты топлива, доля которых резко возрастает, если двигатель работает на малых оборотах или в момент увеличения скорости на старте, т.е. во время заторов и у красного сигнала светофора. Именно в этот момент, когда нажимают на акселератор, выделяется больше всего несгоревших частиц: примерно в 10 раз больше, чем при работе двигателя в нормальном режиме. К несгоревшим газам относят и обычную окись углерода, образующуюся в том или ином количестве повсюду, где что-то сжигают. В выхлопных газах двигателя, работающего на нормальном бензине и при нормальном режиме, содержится в среднем 2,7% оксида углерода. При снижении скорости эта доля увеличивается до 3,9%, а на малом ходу-до 6,9%.
Основными эксплуатационными факторами, влияющими на уровень вредных выбросов двигателей, являются факторы, характеризующие состояние деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Повышенный износ деталей ЦПГ и отклонения от их правильной геометрической формы являются причиной увеличения концентрации токсичных компонентов в отработавших газах (ОГ) и картерных газах (КГ).
Базовой деталью ЦПГ, от которой зависит работоспособность и экологичность двигателя, является цилиндр, т. к. герметичность камеры сгорания зависит от уплотняющей способности кольца в сопряжении с цилиндром. От технического состояния цилиндров и поршневых колец главным образом зависит интенсивность роста зазоров между кольцами и канавками поршней. Таким образом, контроль и регулировка зазора между кольцом и цилиндром в процессе эксплуатации являются существенным резервом снижения количества вредных примесей в ОГ и КГ посредством улучшения условий сгорания топлива и снижения количества масла, оставшегося в надпоршневом пространстве.
Токсичными выбросами ДВС являются отработавшие и картерные газы. С ними поступает в атмосферу около 40% токсичных примесей от общего выброса. Содержание углеводородов в отработавших газах зависит от технического состояния и регулировок двигателя и на холостом ходу колеблется от 100 до 5000% и более. При общем небольшом количестве картерных газов равном 2-10% отработавших газов в общем загрязнении атмосферы, доля картерных газов составляет около 10% у мало изношенных двигателей и вырастает до 40% при эксплуатации двигателя с изношенной цилиндропоршневой группой, т.к. концентрация углеводородов в картерных газах в 15-10 раз выше, чем в отработавших двигателя. Количество КГ, а так же их химический состав зависят от состояния деталей ЦПГ, осуществляющих уплотнение камеры сгорания. От величины зазоров между трущимися деталями ЦПГ зависит проникновение газов из цилиндра в картер и обратно. При этом увеличивается доля углеводородов с канцерогенными свойствами из-за повышенного угара масла и увеличенного расхода картерных газов через замкнутую систему вентиляции картера.
К достижению предельного износа двигателя выбросы увеличиваются в среднем на 50%. На примере ускоренных испытаний, проведенных в НАМИ, установлено что износ двигателя увеличивает выбросы ОГ углеводородов в 10 раз. Основная масса двигателей с повышенной дымностью ОГ приходится на двигатели, прошедшие капитальный ремонт.
Степень разуплотнения камеры сгорания зависит от износа деталей ЦПГ, отклонения их макрогеометри от правильной геометрической формы. При увеличении неплотностей камеры сгорания происходит возрастание СО и СН и снижение СО2 в результате ухудшения условий сгорания топлива. Кроме снижения качества организации рабочего процесса, зазоры между кольцом и цилиндром, а также зазоры между кольцом и канавкой поршня приводят к увеличению количества масла, попавшего в надпоршневое пространство, к увеличению отклонения от заданной динамики тепловыделения в процессе сгорания, а, следовательно, - к увеличению общей массы токсических выбросов. Масло составляет 30-40% твёрдых частиц ОГ.
Базовой деталью ЦПГ является цилиндр, от которого зависит экономическая и экологическая целесообразность эксплуатации двигателя. Износ гильз цилиндров имеет выраженную форму овала, большая ось которого расположена в плоскости качания шатуна. Причиной образования овальности цилиндров главным образом является увеличенная нагрузка поршней на гильзы именно в плоскости качания шатунов. На овальность цилиндров влияет также несовершенство технологии сборки блока цилиндров. Изменение макрогеометрии цилиндров (овальности и конусности) после сборки двигателя также приводит к ухудшению прилегания поршневых колец к зеркалу цилиндра. Известно, что при установке гильз в блоки различных марок ДВС, овальность в цилиндрах увеличивается в 2-3 раза.
Очень важно отметить, что характер искажения макрогеометрии гильз цилиндров после сборки и в процессе эксплуатации одинаков для большинства конструкций блоков цилиндров с “мокрыми гильзами”. Большая ось овала цилиндра, образующегося при сборке, в зоне остановки верхнего компрессионного кольца в верхней мёртвой точке поршня имеет такую же направленность, как и большая ось овала, образующегося при эксплуатации. Такой характер деформации цилиндров объясняется большей деформацией блока в местах между расточками под гильзы.
Снижение овальности цилиндров способствует снижению интенсивности износа колец и канавок поршней, что в целом способствует улучшению работы поршневых колец и улучшению уплотнения камеры сгорания. Известно, что замена маслосъёмных колец после выработки предельного ресурса в некоторой степени восстанавливает средний уровень токсичности двигателя. Бесспорно, если при замене колец произвести регулировку овальности цилиндров до уровня предельной величины на изготовление новых гильз, то эффект будет намного значительнее.
Разработка новых способов смешения и растворения и математического описания воздействия соответствующих присадок и добавок в нефтяном топливе позволит значительно сократить время на разработку новых составов альтернативных топлив и предсказания их физико-химических свойств, что позволит довести рабочий процесс двигателя при использовании новых альтернативных топлив.
Анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что развитие перехода на новые виды топлива будет проходить три основных этапа. На первом этапе будет использоваться стандартное нефтяное топливо, спирты, добавки водорода и водородсодержащих топлив, газовое топливо и различные их сочетания, что позволит решить проблему частичной экономии нефтяного топлива. Второй этап будет базироваться на производстве синтетических топлив, подобных нефтяным, производимых из угля, горючих сланцев и т.д. На этом этапе решатся проблемы долгосрочного снабжения существующего парка двигателей новыми видами топлива. На заключительном, третьем этапе будет характерен переход к новым видам энергоносителей и энергосиловых установок (работа двигателей на водороде, использование атомной энергии).
Перевод ДВС на водород и водородсодержащее топливо представляет собой сложный социально-экономический процесс, для осуществления которого потребуется крупная перестройка ряда отраслей промышленности, поэтому на первом этапе наиболее приемлемым вариантом является работа дизелей с добавками водородсодержащих топлив. Крайне ограниченные сведения в литературе об особенностях горения углеводородного топлива с добавками водорода и аммиака в дизелях не позволяют однозначно ответить на вопрос о влиянии водородсодержащих топлив на показатели рабочего процесса дизеля.
Также крайне слабо исследован вопрос о применении в дизелях синтетического жидкого топлива (СЖТ), вырабатываемого из угля. Различные литературные данные не позволяют дать однозначную оценку влияния СЖТ на рабочий процесс, в связи с тем, что его физико-химические свойства очень сильно зависят от исходного сырья и технологии переработки.
Наиболее вероятным источником моторного топлива могут служить спирты, однако следует учесть их крайне плохие моторные свойства в случае использования их в дизелях. Применяемые способы использования спиртовых топлив требуют дополнительного усложнения конструкции (установка карбюраторов, свечей зажигания или второй топливной системы), либо удорожания топлива (использование добавок, повышающих цетановое число). Наиболее оптимальным в этой ситуации может служить способ использования растворов этанола или метанола с дизельным топливом в дизелях.
Исследование влияния различных типов альтернативных топлив проводилось для нескольких типов быстроходных дизелей с различными способами смесеобразования, поэтому было необходимо получить как можно более полную информацию о протекании процессов топливоподачи, сгорания, сажеобразования, токсичности и т.д. Поэтому была разработана и внедрена автоматизированная система регистрации и обработки информации на базе ПК. Для этого комплекса был разработан пакет прикладных программ, включающий программу сбора информации с различных датчиков во время испытаний, программы обработки полученных данных по анализу индикаторной диаграммы, результатов оптического индицирования, топливоподачи и обсчета параметров режима.
Для одновременной подачи цикловой порции дизельного топлива и газа в цилиндр автором разработана специальная двухтопливная форсунка, которая дополнялась отдельной магистралью, состоящей из штуцера подвода газа и каналов в корпусе форсунки и распылителя. В канале корпуса форсунки выполнен обратный клапан, прижимаемый к седлу пружиной. В канал распылителя запрессована цилиндрическая вставка с винтовой нарезкой на поверхности, которая образует смесительно-аккумулирующую камеру, соединяющуюся с подъигольной полостью распылителя форсунки.
На базе разработанной форсунки была изготовлена топливная система дизеля, позволяющая подавать различные виды газообразных добавок к топливу.
Наиболее эффективно проводить рассмотрение особенностей рабочего процесса при использовании альтернативных топлив, обладая информацией о пространственном распределении полей концентрации сажи и температуры. На сегодняшний день существует в основном двухмерное представление температурно-концентрационной неоднородности в цилиндре дизеля. В результате была поставлена задача экспериментального исследования пространственного распределения полей температуры и концентраций сажи. В работе использовалось оригинальное экспериментальное оборудование для определения массовой концентрации сажи, основанное на оптическом индицировании цилиндров, и программно реализованные методики определения температурных полей.
Расчетные исследования растворимости газа (водорода, аммиака и др.) основывались на следующих предположениях: во-первых -процесс растворения идет в смесительно-аккумулирующей камере и распылителе форсунки; во-вторых - растворение протекает в соответствии с моделью обновления поверхности, т.е. поверхность контакта топлива с газом обновляется с частотой, равной частоте колебания давления топлива в нагнетательном трубопроводе высокого давления.
Одним из путей преодоления трудностей приготовления смесей дизельного топлива с альтернативными является применение третьего компонента - совместного растворителя дизельного топлива и спирта. Совместный растворитель должен иметь свойства дизельного топлива и спирта, т.е. его молекула должна иметь как полярные свойства, так и алифатическую составляющую для образования связей с углеводородами.
Попытки использования водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания известны достаточно давно. Так, например, в двадцатые годы исследовали вариант использования водорода как добавки к основному топливу для двигателей внутреннего сгорания дирижаблей, что давало возможность увеличить дальность их полета.
Использование водорода в качестве топлива для ДВС представляет собой комплексную проблему, которая включает обширный круг вопросов:
Возможность перевода на водород современных двигателей;
Изучение рабочего процесса двигателей при работе на водороде;
Определение оптимальных способов регулирования рабочего процесса обеспечивающих минимальную токсичность и максимальную топливную экономичность;
Разработку системы топливоподачи обеспечивающую организацию эффективного рабочего процесса в цилиндрах ДВС;
Разработку эффективных способов хранения водорода на борту транспорта;
Обеспечение экологической эффективности применения водорода для ДВС;
Обеспечение возможности заправки и аккумулирования водорода для двигателей.
Решение этих вопросов имеет вариантный уровень, однако, общее состояние исследований по этой проблеме можно рассматривать, как реальную базу для практического применения водорода. Подтверждением этому являются практические испытания, исследования вариантных двигателей работающих на водороде. Так, например, фирма "Mazda" делает ставку на водородный роторно-поршневой двигатель.
Исследования в этой области отличаются широким спектром вариантов использования водорода для двигателей внешнего и внутреннего смесеобразования, при использовании водорода в качестве присадки, частично замещая топливо водородом, и работе двигателя только на водороде.
Обширный перечень исследований определяет необходимость их систематизации и критического анализа. Использование водорода известно в двигателях, работающих на традиционных топливах нефтяного происхождения, а также в сочетании с альтернативными топливами. Так, например, со спиртами (этиловый, метиловый) или с природным газом. Возможно использование водорода в сочетании с синтетическими топливами, мазутами и другими топливами.
Исследования этой области известны как для бензиновых двигателей, так и для дизелей, а также для других типов двигателей. Некоторые авторы работ этой тематики считают, что водород является неизбежностью и необходимо лучше подготовиться к встрече с этой неизбежностью.
Отличительной особенностью водорода является его высокие энергетические показатели, уникальные кинетические характеристики, экологическая чистота и практически неограниченная сырьевая база. По массовой энергоемкости водород превосходит традиционные углеводородные топлива в 2,5-3 раза, спирты - в 5-6 раз, аммиак - в 7 раз.
Качественное влияние на рабочий процесс ДВС водорода определяется, прежде всего, его свойствами. Он обладает более высокой диффузионной способностью, большей скоростью сгорания, широкими пределами воспламенения. Энергия воспламенения водорода на порядок меньше, чем у углеводородных топлив. Реальный рабочий цикл определяет более высокую степень совершенства рабочего процесса ДВС, лучшие показатели экономичности и токсичности.
Чтобы приспособить существующие конструкции поршневых ДВС, бензиновых и дизелей к работе на водороде, как основном топливе, необходимы определенные изменения, в первую очередь - конструкции топливоподающей системы. Известно, что применение внешнего смесеобразования приводит к уменьшению наполнения двигателя свежим окислителем, а значит и снижению мощности до 40%, из-за низкой плотности и высокой летучести водорода. При использовании внутреннего смесеобразования картина меняется, энергоемкость заряда водородного дизеля может возрастать до 12%, или может быть обеспечена на уровне, соответствующем работе дизеля на традиционном углеводородном дизельном топливе. Особенности организации рабочего процесса водородного двигателя определяются свойствами водородно-воздушной смеси, а именно: пределами воспламенения, температурой и энергией воспламенения, скоростью распространения фронта пламени, расстоянием гашения пламени.
Практически во всех известных исследованиях рабочего процесса водородного двигателя отмечается трудноконтролируемое воспламенение водородно-воздушной смеси. Воздействие на преждевременное воспламенение путем подачи воды во впускной трубопровод или путем впрыска «холодного» водорода исследованы и дают положительные результаты.
Остаточные газы и горячие точки камеры сгорания интенсифицируют преждевременное воспламенение водородно-воздушной смеси. Это обстоятельство требует дополнительных мероприятий по предупреждению неконтролируемого воспламенения. В то же время, низкая энергия воспламенения в широких пределах коэффициента избытка воздуха позволяет использовать существующие системы зажигания при переводе двигателей на водород.
Самовоспламенение водородно-воздушной смеси в цилиндре двигателя при степени сжатия, соответствующей дизелям, не происходит. Для самовоспламенения этой смеси необходимо обеспечить температуру конца сжатия не менее 1023К. Возможно, воспламенение воздушной смеси от запальной порции углеводородного топлива, за счет увеличения температуры конца сжатия применением наддува или подогревом на впуске воздушного заряда.
Водород в качестве топлива для дизелей характеризуется большой скоростью распространения фронта пламени. Эта скорость может превышать 200 м/с и вызывать возникновение волны давления, перемещающейся в камере сгорания со скоростью свыше 600 м/с. Высокая скорость сгорания водородно-воздушных смесей, с одной стороны, должна оказывать положительное влияние на повышение эффективности рабочего процесса, с другой стороны, этим предопределяются высокие значения максимального давления и температуры цикла, более высокая жесткость рабочего процесса водородного двигателя. Повышение максимального давления цикла влечет снижение моторесурса двигателя, а повышение максимальной температуры приводит к интенсивному образованию окислов азота. Возможно снижение максимального давления за счет дефорсирования двигателя или сжигания водорода по мере его подачи в цилиндр на такте рабочего хода. Снижение эмисси окислов азота до незначительного уровня возможно путем обеднения рабочей смеси или путем использования воды, подаваемой во впускной трубопровод. Так, при а>1,8 эмиссия окислов азота практически отсутствует. При подаче воды по массе в 8 раз больше, чем водорода, эмиссия окислов азота снижается в 8… 10 раз.
CNG разрешено непосредственно в городских кварталах жилой и общественной застройки. Более того, во многих странах разрешена заправка транспортных средств природным газом в подземных гаражах. 1.6. Производство газового оборудования для автомобилей. В наши дни славу лучшего в мире производителя газовой автоаппаратуры перехватила Италия. И сейчас на мировом рынке наибольшим спросом пользуется...
Модель, получившая обозначение «H2R», развивает скорость свыше 300 км/ч. Перспективным представляется новое направление в двигателестроении на водородном топливе, основанное на применении двигателя Стирлинга. Этот двигатель до конца XX в. широко не применялся на автотранспорте из-за более сложной по сравнению с двигателем внутреннего сгорания конструкции, большей материалоемкости и стоимости. ...
