5. Альтернативные и перспективные

5. Альтернативные и перспективные

топлива для ДВС

Автомобилестроение оказывается самой консервативной отраслью промышленности с точки зрения замены нефтяного топлива другими источниками энергии. Это связано с работой тысяч предприятий, имеющих дорогостоящее оборудование, занятостью миллионов работников, международной кооперацией и т.п. Но все же заменители нефти с каждым годом находят все более широкое применение.

Бензин – при его применении в дизеле надо иметь в виду, что у бензина высокая температура самовоспламенения 350 – 450 ⁰С, у ДТ она 240 – 340 ⁰С и низкое ЦЧ. Цетановое число бензина можно определить по формуле:

ЦЧ = (120 – ОЧ)/2. (5.1)

Это связано с тем, что бензин быстро испаряется на начальной стадии такта сжатия, забирая на это большое количество теплоты. Температура же самовоспламенения бензина значительно выше, чем у ДТ, поэтому с целью снижения жесткости работы бензин необходимо впрыскивать в цилиндр позже, когда температура достаточно высока (уменьшать УОВ топлива).

В дизелях с пленочным смесеобразованием от этого недостатка удалось в значительной мере избавиться. В таком двигателе форсунка смещена к стенке камеры сгорания, топливные капли распространяются вдоль ее стенок, а в центральную часть попадает только 5 – 10% впрыскиваемого топлива. Такой двигатель может работать на топливах широкого фракционного состава (ТШФС). Смесь воспламеняется постепенно от середины к стенкам, более плавно, следовательно, снижается жесткость работы. При таком смесеобразовании требуется менее тонкое распыливание топлива, т.к. оно все равно образует на поверхности камеры сгорания пленку.

Не следует забывать, что бензин имеет меньшую вязкость (при 20 ⁰С вдвое меньше, чем у воды), поэтому его применение ведет к ускоренному износу топливной аппаратуры.

Необходимо учитывать, что если двигатель рассчитан на работу с ДТ, то переход на другой вид топлива приведет к падению мощности, увеличению расхода топлива, снижению ресурса двигателя.

Газовый конденсат – смесь различных газов (кроме метана), получаемых при добыче нефти, содержит большое количество тяжелых углеводородов. Вместе с газами иногда идет и жидкость – природный бензин.

Марки газоконденсатного ДТ – ГШЛ, ГШЗ, ГША.

Газовый бензин получается сжатием газового конденсата при температуре 50 - 60 ⁰С и давлении 14 – 16 МПа.

Газ − его основными недостатками при использовании в дизеле являются:

- малое ЦЧ (ОЧ газа 80 -105 ед.);

-низкая скорость горения и высокая температура самовоспламенения из-за чего пуск холодного двигателя и его работа на холостом ходу практически невозможны, поэтому необходимо подавать запальную дозу ДТ;

В газодизеле питание осуществляется готовой газовозлушной смесью, а для ее воспламенения в цилиндр впрыскивается запальная доза ДТ (10 – 15% от обычной). Но при этом существенно возрастает температура носика распылителя (с 200 до 350 ⁰С), что требует его дополнительного охлаждения или применение жаростойких сталей.

При использовании сжиженного газа, когда в цилиндр подается смесь пропана, бутана, и ДТ и инициирующих процесс горения присадок, не требуется сложной переделки топливной аппаратуры.

Из газа можно получать синтетическое топливо.

СН₄ + Н₂О ↔ 2СО + 3Н₂ − 209 кДЖ/моль;

СН₄ + СО₂ ↔ 2СО +2 Н₂ – 248 кДж/моль,

Синтетический газ идет на производство метанола

СО +2Н2 ↔ СН3 ОН + 90 кДж

СО₂ + 3Н₂ ↔ СН₃ОН + 49,5 кДж

Из метанола, с помощью синтеза получают углеводороды, в том числе бензин и ДТ.

Мобил – процесс.

СН₃ОН ↔ (СН₃)₂О → С₂Н₄ ↔ СН = С_nН_2n+2 + C₆Н₅R = 1725 кДж/кг,

где R – углеводородный радикал.

Для облегчения отвода теплоты процесс проводят в две стадии. На первой происходит дегидритизация метанола с образованием равновесной смеси метанола и деметилового эфира.

На второй стадии получают углеводородную смесь на 75% состоящую из бензиновых фракций с высоким ОЧ. В Мобил – процессе теоретически из 1 т метанола можно получить 390 кг бензина,25 кг сжиженного газа, 20,6 кг топливного газа и 566 кг воды.

Метод Фишера – Тропша (разработан в 1923 г.)

СО + Н₂ → С_m Н_2n+2 + H₂O + Q; (5.2)

СО + Н₂ ↔ С_m Н_2n+2 +CО₂ + Q. (5.3)

Процесс идет в присутствии катализаторов (никель, кобальт, железо, оксид тория, магний и др.).

При t = 170 – 200 ⁰C и P = 0.1 -1.0 МПа − кобальт;

при t = 200 – 235 ⁰С и Р = 3 – 4 МПа – железо.

Синтез-газ, а, следовательно, и метанол можно получать из любого топлива (уголь, торф, древесина и т.п.).

Главная проблема – переработка в топливные фракции образующихся углеводородов. В 1943 году по технологии получения синтез-газа из угля в мире работало 15 заводов и производилось 20 млн. тонн горючего. Но после окончания второй мировой войны и разведки новых запасов нефти горючее из нее оказалось дешевле, что вызвало сворачивание производство синтез-газа.

Спирты (метанол, этанол и т.п.) имеют следующие преимущества.

1.большее ОЧ (примерно 120 ед.), что объясняется скрытой температурой испарения (температура самовоспламенения спирта 470 ⁰С, бензина 250 ⁰С), что позволяет повысить степень сжатия. Форд «Корсель» бразильского производства при использовании бензина имеет мощность двигателя 47 кВт, на спирто-бензиновой смеси – 50 кВт.

2.меньшую токсичность ОГ.

3.пределы воспламенения у спиртов шире, чем у бензина, следовательно, работа двигателя на спиртах более устойчива..

4.спирт по сравнению с бензином более однообразное топливо и кипит при температуре 70 – 80 ⁰С, тогда как температура кипения бензина зависит от его фракционного состава (40 – 200 ⁰С);

5.спирты можно получать из возобновляемого сырья (древесина, тростник и т.п.).

Недостатками спиртов при применении в качестве моторного топлива являются.

1.двигатель плохо работает на малых оборотах ();

2.при низких температурах воздуха в карбюраторе замерзает водяной конденсат, т.к. спирт при испарении поглощает большое количество теплоты, поэтому температура спиртовоздушной смеси должна быть больше 25 ⁰С (для бензиновоздушной более –30 ⁰С), т.к. скрытая теплота испарения для спирта 267 кКал (для бензина 80 кКал). При 50 ⁰С скорость испарения бензина и спирта уравниваются. Скорость горения смеси становится практически одинаковой.

3.При использовании чистого спирта повышается износ ЦПГ (попадание неиспарившегося топлива в цилиндр приводит к образованию спирто-масляной эмульсии и ухудшает смазку, кроме того спирт взаимодействует с присадками и снижает эффективность их действия).

4,Спирты и продукты их сгорания из-за большей химической активности отрицательно воздействуют на цветные металлы. Наибольший износ возникает при использовании метанола (на этаноле он меньше, но возрастает при снижении температуры). Коррозионная активность спиртов может быть компенсирована добавлением к топливу до 1% воды, которая способствует образованию на поверхностях деталей защитной пленки оксидов.

5. Метанол ядовит, и при работе двигателя на этом топливе необходимо тщательно герметизировать топливоподающую систему (из-за его высокой летучести) и оборудовать двигатель закрытой системой вентиляции картера, т.к. не все топливо может сгореть и вредно влиять на окружающих.

6.Использование спиртов в дизелях затруднено из-за низких ЦЧ и плохой смазывающей способности. Возможно их использование при подаче спирта в испаренном виде и запальной дозы ДТ с большим ЦЧ, а также введение в топливо активирующих присадок (изопропилнитрат – С₃Н₇ОNО₃). При его добавке ЦЧ изменяется следующим образом (таблица 5.1).

Таблица 5.1 Содержание присадки к спиртовому топливу.

Содержание присадки, %
Метанол
Этанол

Для увеличения смазывающей способности в спиртовое топливо вводят 1% касторового масла.

7.У спиртов меньшая объемная теплота сгорания по сравнению с бензином и ДТ. Поэтому при одинаковом объеме топливного бака спиртом придется заправляться примерно в два раза чаще.

8.Спирт применяется как моторное топливо, только в смеси с бензином, т.к. не имеет пусковых фракций (температура начала кипения около 80 ⁰С) и не обладает достаточной испаряемостью из-за большой скрытой температуры парообразования.

Получение стойких смесей спирта и бензина в основном зависит от двух факторов: крепости спирта (наличия в нем воды) и температуры смеси, чем они больше, тем стабильнее смесь (таблица 5.2.).

Таблица 5.2.Температура расслаивания спирто-бензиновой смеси.

Крепость спирта, % об.	Состав смеси, % спирта и бензина
50 + 50	30 + 70	10 + 90
96 (94^0)	-17,5 ^0С	-5 ^0С	-
97 (95^0)	-33 ^0С	-20 ^0С	-4 ^0С
98 (98^0)	-50 ^0С	-38 ^0С	-27 ^0С

Абсолютный (100%) спирт применяется для наземной техники в соотношении от 20 до 50% в смеси с бензином.

Растворению бензина в спирте мешает содержащаяся в нем вода (до 4%). Необходимо отметить, что спирт растворяет в себе бензин, а следовательно, со снижением количества спирта в смеси снижается ее стабильность, но с другой стороны при увеличении количества спирта в смеси ухудшается ее испаряемость и снижаются эксплуатационные качества.

Не расслаивающиеся смеси бензина и спирта получаются при температуре более 30 ⁰С (Бразилия, США), а в нашей стране даже летом, температура гораздо меньше.

В качестве стабилизатора применяется бензол (С₆Н₆), но он имеет высокую температуру замерзания (5,4 ⁰С), поэтому при составлении тройных смесей бензин+ректификат+бензол необходимо подбирать состав так, чтобы и спирт не расслаивался и бензол не выпадал в осадок.

Таблица 5.3. Состав тройных смесей.

№	Сорт смеси	Состав смеси, % массы	Температура расслаивания, ^0С
Спирт 96^0	Бензол	Бензин
	Летнее
	Зимнее				-33
	Абсолютный спирт (100^0) + бензин				-40

При составлении смеси в емкость сначала наливают компонент с меньшим удельным весом, а затем с большим (спирт – бензол – бензин).

9. Спирты являются ценным сырьем для химической промышленности, поэтому использование их в качестве моторного топлива в нашей стране пока не находит широкого применения.

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 (рис!!!) 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.

Рисунок 5.1. Схема реактора.

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.

Рисунок 5.2. Схема водородного топливного элемента.

1,2 – отрицательный и положительный электроды; 3 – ионообменная мембрана; 4,5 – емкости с Н₂ и О₂.

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.

Дата добавления: 2015-08-29