Перспективные топлива для ДВС

Биотопливо

ГОСТ Р 52808-2007 «Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов и т.д.»

Этерификация – реакция образования сложных эфиров при взаимодействии кислот и спиртов.

Биодизель (метиловый эфир, ЦЧ ≈ 51 ед) - это экологически чистое топливо для дизельных двигателей, получаемое путем химической обработки растительного масла или животных жиров, которое может служить добавкой к дизельному топливу или полностью заменять его.

Биодизель может использоваться в различных целях. Его можно применять в качестве смазывающей добавки (1…2 %) к дизельному топливу с крайне низким содержанием серы.

Другой важной характеристикой дизельного топлива являются его смазочные свойства. Смазка топливных форсунок и некоторых типов топливных насосов обеспечивается самим топливом. Биодизель имеет лучшие смазочные свойства, чем современные ДТ с низким содержанием серы (500 весовых частей серы на 1 млн весовых ед. топлива - 500 ppm). Проблема улучшения смазочных свойств ДТ обострится, когда будет введено требование об уменьшении содержания серы в ДТ (до 15 ppm). Как показывают исследования, добавление 1…2 % (по объему) биодизеля в смесь с ДТ с низким содержанием серы улучшают смазочные свойства этого топлива.
В продуктах сгорания биодизеля отсутствуют сера или частицы ароматиков. Биодизель содержит до 10 % кислорода, что способствует активизации процесса сгорания при работе двигателя на богатых смесях.

Преимущества биодизеля:

- разлагается в природе;

- не содержит серы;

- высокая температура воспламенения ≥ 100⁰ С;

- хорошие смазывающие свойства.

Биодизель обладает определенными недостатками. Как упоминалось ранее, в холодных условиях двигатель работает на биодизеле заметно хуже, чем на ДТ. Температура начала процесса, при которой топливо становится мутным, называют точкой кристаллизации (помутнения). При еще более низкой температуре топливо теряет текучесть, становится гелем, который не может быть прокачан по трубопроводу. Оба названных температурных порога у биодизеля выше, чем у ДТ.

Кроме того:

- в холодное время необходимо подогревать топливо;

- срок хранения менее 3 месяцев;

- занятие с/х площадей.

Перспективные топлива для ДВС

1.Растительные масла (подсолнечное, рапсовое, соевое и др.) можно использовать в качестве ДТ, предварительно удалив из них воду. При этом мощность, крутящий момент и удельный расход топлива двигателя практически не изменяются по сравнению с работой на ДТ.

При применении растительного масла снижается содержание сажи и NO_x в ОГ. Но теплотворная способность масел на 7 – 10 % ниже, чем у ДТ, выше вязкость и содержание твердых примесей, выше температура помутнения.

Таблица 5.4. Сравнение показателей качества растительных масел и ДТ.

№	Показатели	Летнее ДТ	Соевое масло
	Температура помутнения, ^0С	-5
	Цетановое число	40 – 50	35 -40
	Температура выкипания 90%, ^0С	320 - 360
	Теплота сгорания, МДж/кг	45,8	39,4
	Вязкость при 40 ^0С, сСт	2 – 4
	Содержание, % -воды -серы -твердых частиц	0,05 0,1 -0,3 0,05	0,05 0,02 2,0

Созданы двигатели (Volvo LSP2000), работающие на обезвоженном растительном масле, хотя пока их применение экономически не оправдано.

В Англии во время резкого вздорожания ДТ в качестве его заменителя использовали смесь метанола с растительным маслом, При этом 1 л топлива обходился примерно в 0,5 евро.

2.Водород (Н₂). Использование Н₂ – скорее способ накопления и хранения энергии, конкурирующий с аккумуляторными батареями, маховиками и т.п. Экологичность его не должна вводить в заблуждение это тоже источник загрязнения окружающей среды, только перенесенный с автомобилей на электростанцию.

Н₂ не идеальное топливо для ДВС, т.к. в смеси с воздухом он имеет низкую способность к самовоспламенению, поэтому в классическом дизеле он не применим. Необходимо устанавливать систему зажигания. В бензиновом двигателе он наоборот имеет склонность к самовоспламенению от несгоревших частиц предыдущего заряда. Объемная теплота сгорания Н₂ (количество калорий на 1 м³) в 3 раза меньше, чем у природного газа. При его сгорании выделются также NO_x.

Сложности вызывает также хранение водорода. Нельзя использовать сжатый водород, т.к. из-за малого размера атома он способен проникать через мельчайшие неплотности в топливной аппаратуре. Жидкий водород имеет температуру – 252 ⁰С.

Для хранения Н₂ используют так называемые гидриды, где атомы Н₂ размещаются между атомами кристаллической решетки металла (лучшая основа титан). Гидридные накопители довольно сложны, т.к. они состоят не из цельного куска металла, напоминают губку с множеством каналов для скорейшего поглощения или выделения Н₂. Последнее происходит при нагреве гидридов, хотя бы выхлопными газами. Для автомобилей емкость их маловата, а вес велик, хотя этот способ хранения Н₂ гораздо безопаснее остальных.

Водород можно получать из метанола, разлагая его в специальном реакторе на синтез-газ (СО + Н₂).

Использование синтез-газа, имеющего высокое ОЧ, позволяет повысить мощность двигателя за счет повышения степени сжатия и давления наддува. Снижается также токсичность ОГ.

Опасность представляет вспышка «гремучего» газа в момент открытия впускного клапана. Эту проблему решают с помощью непосредственной подачи Н₂ в камеру сгорания, впрыска в рабочую смесь Н₂О, рециркуляции ОГ.

Можно получать электроэнергию непосредственно при реакции Н₂ и О₂. Водород похож на металл и его атом легко теряет свой единственный электрон. Существуют водородные топливные элементы (рис!!!), где Н₂ проходит через ионообменную мембрану, которая пропускает только протоны (Н⁺), а не молекулы Н₂. Электроны остаются на отрицательном электроде (он же платиновый катализатор). Пройдя через мембрану, Н₂ вновь получает свой электрон в момент реакции с О₂ на положительном (тоже платиновом электроде). Электроны вынуждены идти «кружным путем» через нагрузку, производя при этом полезную работу. «Тойота» представила модель автомобиля FCEV на Токийском автосалоне в 1997 г. США снабжали такими элементами корабли летавшими на Луну. Масса елемента, который снабжал корабль электроэнергией в течение 12 суток, составляла 250 кг, причем элемент вырабатывал в качестве «отходов» чистую воду.

Прямое получение электроэнергии таким способом обеспечивает более высокий к.п.д., т.к. водород не сжигается сначала для получения тепла, а затем превращения этого тепла в полезную работу. Но пока эти элементы сравнительно тяжелы и очень дороги.

В простейшем топливном элементе, где используются чистый водород и чистый кислород, на аноде происходит разложение водорода и его ионизация (рис. 3). Из молекулы водорода образуются два иона водорода и два электрона. На катоде водород соединяется с кислородом и возникает вода. Фактически в этом и состоит главный экологический выигрыш: в атмосферу выбрасывается водяной пар вместо огромного количества углекислого газа, образующегося при работе традиционных тепловых электростанций.

Для производства электрической энергии может использоваться не только чистый водород, но и другое водородосодержащее сырье, например, природный газ, аммиак, метанол или бензин. В качестве источника кислорода, также необходимого для реакции, используется обычный воздух.

Напряжение, возникающее на отдельном ТЭ, не превышает 1,1 вольта. Для получения необходимой величины напряжения ТЭ соединяются последовательно в батареи, а для получения необходимой мощности батареи ТЭ соединяются параллельно. Такие батареи ТЭ вместе с элементами газораспределения и терморегулирования монтируются в единый конструктивный блок, называемый электрохимическим генератором (ЭХГ).

При использовании чистого водорода в качестве топлива продуктами реакции помимо электрической энергии являются тепло и вода (или водяной пар), т. е. в атмосферу не выбрасываются газы, вызывающие загрязнение воздушной среды или вызывающие парниковый эффект. Если в качестве топлива используется водородосодержащее сырье, например, природный газ, побочным продуктом реакции будут и другие газы, например, оксиды углерода и азота, однако его количество значительно ниже, чем при сжигании такого же количества природного газа.

Рис. 5.2. Принцип действия топливного элемента - превращения химической энергии водорода-в электроэнергию.

3.Аммиак (NH₃). Для успешного использования чистого NH₃, который сжижается при давлении 1 МПа и температуре 25 ⁰С, необходимо повышать энергию искры (например, свеча с большим искровым промежутком и мощной катушкой зажигания). В дизелях необходимо доводить степень сжатия до 35 – 40 МПа и повышать температуру во впускном коллекторе и системе охлаждения до 150 ⁰С. Можно использовать запальную дозу ДТ с высоким ЦЧ или добавлять к NH₃ активирующие присадки.

4.Гидразин (N₂H₄). Основное преимущество гидразина в том, что при температуре 300 С без доступа воздуха он взрывается, т.е. можно создать сравнительно простую систему запуска двигателя без стартера и снизить массу ДВС. Карбюраторный двигатель можно перевести на него хоть сегодня, если бы не высокая химическая активность, вызывающая коррозию цветных металлов и их сплавов (нужны керамические ДВС). Еще один недостаток N₂H₄ – при температуре 1,7 ⁰С он замерзает, но в смеси с 10% NH₃ и 25% Н₂О, температура замерзания снижается до -57 ⁰С.

5.Растительное сырье и водоросли. Фирма «Лид Кэмиклз» из Англии занималась опытами по получению бензина и ДТ из отходов с/х производства. Растения измельчали, смешивали дистиллированной водой, нагревали до 98 ⁰С при избыточном давлении и пропускали сильный электрический ток. Органические субстанции превращались углеводороды, пригодные для получения топлива.

Английская компания «CGM Partners» изобрела способ получения ДТ из водорослей. Углеводороды составляют от 20 до 70% сухой массы водорослей. Хлорелла высушивается и перемалывается в тонкий порошок, который в смеси с воздухом подается в камеру сгорания. Запуск производится на обычном топливе. При этом удельный расход топлива составил 300г/кВт*ч, часовой расход топлива – 56 кг при мощности 150 кВт частоте вращения 1500 об/мин.

ОГ, в которых много СО₂ и NO_х подаются в биореактор и служат удобрением для водорослей.

6.Старые автопокрышки. Способ получения ДТ разработан финской фирмой «Вяртсила». Сначала шины измельчают, затем крошку замораживают с помощью жидкого воздуха (-170 ⁰С), при этом резина отстает от корда и отсеивается в виде комочков. Их смешивают с отработанным смазочным маслом ипропускают при температуре в 400 ⁰С через насадки с катализаторами (никель и молибден). В результате длинные цепочки молекул полимера каучука превращаются в жидкость типа ДТ.

7. Нитрометан (CH₃NO₂) – бесцветная жидкость с теплотой сгорания 11,3 МДж/кг (бензин 44 МДж/кг).

Содержание кислорода в нитрометане позволяет ему гореть с меньшим количеством атмосферного воздуха (1,7 кг воздуха на 1 кг нитрометана). При сжигании топлива мощность возрастает ≈ в 2,5 раза. Скорость горения 0,5 м/с, температура пламени 2400⁰ С.

Применяется, в основном для высокооборотных калильных двигателей и драгстеров.

Дата добавления: 2015-08-09