Альтернативное топливо

Наибольшее распространение получили топливные смеси газохол. В настоящее время это топливо широко применяют в Бразилии, где с 1975 г. осуществляется правительственная программа использования возобновляемых источников растительного сырья для производства этанола и его употребления в качестве автомобильного топлива.

При умеренных концентрациях воды (до 10%) ее влияние на важнейшие показатели  качества топлива незначительно. Однако при концентрации воды свыше 20% значительно повышается теплота испарения, изменяется фракционный состав, в частности повышаются температуры начала-кипения и 50%-го отгона, снижается давление насыщенных паров и скорость испарения с поверхности. В целом это ведет к ухудшению пусковых свойств и показателей работы двигателя, особенно в период прогрева и при работе на переходных режимах.

В отличие от карбюраторных двигателей при изучении работы дизелей на водно-топливных эмульсиях отмечается повышение индикаторного к. п. д. в основном за счет лучшего смесеобразования и сгорания. При этом значительно изменяется характер индикаторных диаграмм. Обобщение результатов испытаний дизелей показало, что при использовании эмульсий с концентрацией воды 10—20% удельные расходы топлива снижаются на 2—4%.

Водородные топлива

Интерес к водороду как моторному топливу обусловлен его высокими энергетическими показателями, отсутствием вредных веществ в продуктах сгорания и, главное, — практически неограниченной сырьевой базой. Водород характеризуется наиболее высокими энергомассовыми показателями среди химических топлив.

Водородно-воздушные смеси характеризуются высокой скоростью сгорания в двигателе, причем при стехиометрическом соотношении периоды индукции очень малы и сгорание протекает практически при постоянном объеме, что ведет к резкому повышению давления.

Состав отработавших газов водородного двигателя существенно отличается от состава газов бензинового двигателя внутреннего сгорания в основном за счет отсутствия углерода в топливе. Тем не менее в отработавших газах водородного двигателя присутствует незначительное количество СО и [СН], наличие которых обусловлено выгоранием углеводородных смазок, попадающих в камеру сгорания.

Высокая реакционная способность водорода приводит к проскокам пламени во впускной трубопровод, преждевременному воспламенению и жесткому сгоранию топливных смесей. Этих недостатков можно избежать, если модифицировать топливоподающую систему двигателя.

Основной проблемой использования водорода в качестве моторного топлива является его хранение. Известны следующие варианты хранения водорода на автомобиле: в газообразном состоянии (в сжатом виде), в криогенном (сжиженном) состоянии, с использованием промежуточного носителя (жидкого или твердого). Наилучшие показатели системы хранения чистого водорода обеспечиваются при его сжижении, т. е. в криогенной схеме.

Применение газообразного водорода отличается простотой, однако не получило распространения из-за низкого энергозапаса, вызванного небольшой плотностью топлива, и большой массы топливного контейнера. Использование водорода в сжиженном состоянии более эффективно, однако имеет свои сложности, особенно при его хранении и транспорте. Температура кипения водорода равна —252,8 °С, поэтому при транспорте и хранении жидкого водорода первостепенное значение имеет тепловая изоляция.

Опытные образцы водородных дизелей созданы в лаборатории института Мусаши (Япония). Для организации рабочего  процесса дизеля водород непосредственно впрыскивается в камеру сгорания в конце такта сжатия под давлением 8 МПа с помощью специальной форсунки с гидравлическим приводом от штатного топливного насоса высокого давления.

В связи с техническими проблемами и высокой стоимостью перевода автомобиля на чистый водород в последние годы работы в этой области развиваются главным образом в направлении создания двигателя с комбинированным бензино-водородным питанием, а также создания водородно-метанолыюго двигателя, работающего на водородсодержащих продуктах термокаталитической конверсии метанола.

В течение ряда лет неоднократно изучалась и в отдельных случаях находила практическое воплощение идея использования продуктов предварительной газификации топлива в тепловых двигателях. Так, в 20—30-е годы широко использовали на автомобилях продукты газификации твердого топлива — древесные чурки, древесный и каменный уголь, торфяные и соломенные брикеты и др.

При всех недостатках газогенераторных автомобилей (сложность эксплуатации, небольшие мощность двигателя и грузоподъемность) они обладали одним бесспорным преимуществом — возможностью работы на доступном и дешевом твердом топливе. В настоящее время в связи с изменением цены на нефтяные, топлива во многих странах вновь возрождается интерес к газогенераторным автомобилям. В качестве основных сырьевых горючих материалов для них предлагаются различные органические отходы сельского хозяйства и лесной промышленности.

Преимущество всех процессов газификации то же, что и в известных случаях применения газовых топлив: улучшение смесеобразования и сгорания топлива, повышение энергетической экономичности двигателя, снижение содержания в отработавших газах вредных выбросов оксида углерода и суммарных углеводородов.

Достоинством методов газификации топлива в высокооктановый газ является возможность использования в современных двигателях с повышенной степенью сжатия низкооктановых бензинов, что позволяет расширить их ресурсы в производстве и снизить потери нефтяных фракций. Одновременно, в случае полной или достаточно глубокой газификации исходного сырья степень сжатия двигателя может быть дополнительно повышена на 2—4 ед., что, в свою очередь, приведет к улучшению его энергетической эффективности.

По сравнению с системами хранения водородного топлива (криогенной, гидридной и газобаллонной) при использовании метанольного газификатора масса топливной системы снижается в 7—10 раз. Кроме того, отмечается более высокий эффективный к. п. д. двигателя на частичных нагрузках. Например, при стендовых испытаниях двигателя с рабочим объемом 2,4 л и ε = 8,2 на модельном синтез-газе, соответствующем по составу продуктам конверсии метанола, обеспечивалась устойчивая работа при α = 2,4. При этом эффективный к. п. д. по сравнению с бензиновым вариантом возрос на 21%, а выбросы токсичных компонентов  с отработавшими  газами практически отсутствовали [2].

Самым перспективным видом топлива является водород. Водород считается самым распространенным элементом нашей страны, самое калорийное горючее. Теплопроводная способность атомарного водорода в восемь раз выше калорийности бензина и дизельного топлива. само главное качество водорода состоит в том, что при его сжигании образуется вода и исключается его вредное влияние на окружающую среду. Водород хранится под давление 250 атм. при заправке водорода 60 и кислорода 30л автомобиль без «заправки» мог двигаться 200 км со скоростью около 80 км/ч. Двигатель работает бесшумно.

На вновь создаваемом АНТЭЛ-3, который изготовлен в 2004 году, водород будет получаться из бензина, которым можно заправляться на обычных АЗС. Не будет водородных баллонов. Топливные процедуры можно бензин в водород и углекислый газ. На топливном баке в 45 л можно проехать почти 1000км.

КПД автомобилей с топливными элементами примерно в два раза выше, чем при сгорании топлива в двигателях внутреннего сгорания.

Главной проблемой на пути широкого внедрения топливных элементов является получение сравнительно дешевого водорода, ведь оно в два с половиной раза дороже бензина [4].

Аммиак как вид топлива. В связи с перспективностью водорода как моторного топлива практический интерес представляет его конверсия в высококипящие топлива, использование которых было бы более приемлемым для автомобильного транспорта. Одним из таких топлив является аммиак, производство которого хороша освоено, он относительно недорог и имеет удовлетворительные термодинамические свойства. В нормальных условиях аммиак находится в газообразном состоянии и представляет собой бесцветный газ с резким и характерным запахом. При температурах окружающей среды аммиак снижается уже при давлении 0,6—0,7 МПа. Сжиженный аммиак характеризуется умеренными энергетическими показателями (см. табл. 4.1). Массовая энергоемкость аммиака по отношению к бензину, метанолу и водороду, ниже в 2,5, 1,1 и 6,5 раза соответственно, в то время как по энергоплотности он превосходит большинство разработанных систем хранения водорода на автомобиле.

Вследствие неудовлетворительных эксплуатационных свойств аммиака для организации работы двигателя необходимо существенно повысить энергетический уровень воспламенения. Поэтому в двигателях с искровым воспламенением устойчивое сгорание аммиака обеспечивается лишь при наличии высокотемпературной свечи с широким искровым промежутком и мощной катушкой зажигания. В двигателях с воспламенением от сжатия это достигается увеличением степени сжатия до 35 при одновременном повышении температуры во впускном коллекторе и системе охлаждения двигателя да 150°С. Однако, как показали исследования, при работе одноцилиндровой установки СРК на аммиаке в указанных условиях максимальное давление цикла достигает 15,8 МПа, а рабочий процесс характеризуется повышенной жесткостью.

Большинство цветных металлов (медь, бронза, латунь и другие сплавы) подвергаются значительной коррозии при воздействии аммиака. Относительно стойки сталь, чугун, алюминий, никель и титан. Углеродистая сталь практически не корродирует при контакте со сжиженным аммиаком, поэтому из нее изготавливают трубопроводы и резервуары для перекачивания и хранения аммиака. Длительные испытания на двигателе СРК показали, что при работе на аммиаке повышенный износ наблюдается лишь у деталей, изготовленных из цветных металлов, особенно из меди и ее сплавов. Из прокладочных материалов стойкими к аммиаку являются фторопласты и некоторые сорта резины. Большинство нефтяных и синтетических масел практически не изменяют свои свойства при работе двигателя на аммиаке. При этом отмечены лишь незначительные колебания вязкости и некоторое снижение эффективности антиокислительных присадок.

Опасность аммиака в значительной степени снижается резким специфическим запахом, благодаря которому он обнаруживается уже при концентрациях паров 0,05 мг/м3. Поэтому токсикологическое воздействие аммиачного топлива можно свести к минимуму при герметизации топливной системы автомобиля и соблюдении соответствующих мероприятий техники безопасности.

Изучается возможность использования в качестве моторного топлива ацетилена. В нормальных условиях ацетилен — бесцветный газ, который при температурах 15—20°С может храниться в жидком состоянии под давлением 40-50 МПа. Однако, использование жидкого ацетилена под таким давлением практически исключено в связи с возможностью его взрыва при давлениях выше 0,27 МПа [2].

Применение в дизелях диметилэфера (ДМЭ).

По литературным источникам производство ДМЭ (СН3ОСН3) отличается большой простотой. Прямой процесс его получения заключается в следующем:

Отмечается, что такой процесс обходится даже дешевле, чем процесс получения метанола. Это существенно расширяет базу для получения ДМЭ, причем сырьевая база может быть возобновляемой. Считается возможным создание мегазаводов с производительностью в 4 раза большей, чем самые большие из существующих заводов по производству метанола. Такой завод может переработать 8 млн м3 природного газа в день и производить 4900 т ДМЭ в день в дизельном эквиваленте по содержанию теплоты. Пример - завод, построенный в Венесуэле, рассчитанный на производство 42000 баррелей ДМЭ в день. Себестоимость ДМЭ ниже, чем дизельного топлива [1].

Вода как топливо и как примесь к топливу

Как примесь. С целью экономии бензина и более рационального использования низкооктанових бензинов в последнее время активно ведутся работы относительно использования воды как примеси к топливу.

Механизм действия воды на рабочий процесс в двигателях внутреннего сгорания изученное не полностью, но считается, что при придании волы увеличивается октановое число топлива, благодаря чему возрастает мощность и улучшается экономичность работы машины. По мнению специалистов, это действие предопределяется в основном тремя факторами:

* охлаждением заряда рабочей смеси;

* охлаждением деталей камеры сгорания;

* действием водной нары как инертной среды, которая регулирует процесс сгорания смеси.

Некоторые специалисты считают, что вода выступает не только в роли катализатора, а и берет непосредственно участие в процессе горения смеси.

Вода может подаваться непосредственным впрыскиванием в цилиндры или впускную систему двигателя, а также в виде водобензиновой эмульсии (ВБЭ), приготовленной раньше. Использования ВБЭ связан с решением ряда практических задач:

* созданием ВБЭ, что обеспечивают нужную стабильность;

* разработкой эффективных пар, которые снижают поверхностное натяжение воды:

* созданием рациональной системы получения и использования ВБЕ в хозяйствах.

Практика показала, что через повышенную вязкость ВБЭ в ее состав можно вводить не более чем 10 % воды. Иначе нужно увеличивать проходной перерез жиклеров карбюратора. Вторым недостатком есть то, что известные пар не дают возможности образовывать стабильную ВБЭ, в особенности на основе этиленовых бензинов.

Несмотря на пересчитанные недостатки, практика показывает, что при работе двигателя на ВБЭ с вместимостью 10…30 % воды удельный вес топлива снижается на 12...22 % при полных нагрузках и на 7…10 % при средних.

Кроме того, приблизительно в 2...6 раз уменьшается содержимое оксида углерода в выпускных газах двигателя.