Альтернативные виды топлива для двигателей внутреннего сгорания

«Альтернативные виды топлива для двигателей внутреннего  сгорания»

Содержание

Введение

Глава 1. Загрязнение воздуха  отработавшими газами автомобилей

Глава 2. Альтернативные виды топлива

2.1 Природный газ

2.2 Газовый конденсат

2.3 Диметилэфир

2.4 Шахтный метан

2.5 Этанол и  метанол

2.6 Синтетический  бензин

2.7 Электрическая  энергия

2.8 Топливные элементы

2.9 Биодизельное  топливо

2.10 Воздух

2.11 Биогаз

2.12 Отработанное  масло

2.13 Водород как  альтернативное топливо

2.14 Спирты

2.15 Дизель и  спирт

2.16 Проблемы и  перспективы использования метанола  в качестве топлива

2.17 Метанольные  топливные элементы

2.18 ДМЭ

2.19 Диметоксиметан (метилаль)

Заключение

Литература

Введение

Чем больше в мире производится автомобилей, тем значительнее интерес к альтернативным бензину  видам топлива, при сгорании которых  выделяется меньше вредных веществ. Во многих странах все более популярным становится биологическое топливо, изготавливаемое из растительного сырья - рапса, конопли, бананов, бобовых, цитрусовых. В шести государствах ЕС, а также в США, Канаде, Бразилии, Малайзии такое биологическое топливо производят в промышленных масштабах, но все же его доля в топливном балансе не превышает 0,3%.

Глава 1. Загрязнение  воздуха отработавшими газами автомобилей

Основная причина загрязнения  воздуха заключается в неполном и неравномерном сгорании топлива. Всего 15% его расходуется на движение автомобиля, а 85% «летит на ветер». К  тому же камеры сгорания автомобильного двигателя - это своеобразный химический реактор, синтезирующий ядовитые вещества и выбрасывающий их в атмосферу. Даже невинный азот из атмосферы, попадая  в камеру сгорания, превращается в  ядовитые окислы азота.

В отработавших газах двигателя  внутреннего сгорания (ДВС) содержится свыше 170 вредных компонентов, из них  около 160 - производные углеводородов, прямо обязанные своим появлением неполному сгоранию топлива в  двигателе. Наличие в отработавших газах вредных веществ обусловлено  в конечном итоге видом и условиями  сгорания топлива.

Отработавшие газы, продукты износа механических частей и покрышек автомобиля, а также дорожного  покрытия составляют около половины атмосферных выбросов антропогенного происхождения. Наиболее исследованными являются выбросы двигателя и  картера автомобиля. В состав этих выбросов, помимо азота, кислорода, углекислого  газа и воды, входят такие вредные  компоненты, как окись углерода, углеводороды, окислы азота и серы, твёрдые частицы.

Состав отработавших газов  зависит от рода применяемых топлива, присадок и масел, режимов работы двигателя, его технического состояния, условий движения автомобиля и др. Токсичность отработавших газов  карбюраторных двигателей обуславливается  главным образом содержанием  окиси углерода и окислов азота, а дизельных двигателей - окислов  азота и сажи.

К числу вредных компонентов  относятся и твёрдые выбросы, содержащие свинец и сажу, на поверхности  которой адсорбируются циклические  углеводороды (некоторые из них обладают канцерогенными свойствами). Закономерности распространения в окружающей среде  твёрдых выбросов отличаются от закономерностей, характерных для газообразных продуктов. Крупные фракции (диаметром более 1 мм), оседая поблизости от центра эмиссии  на поверхности почвы и растений, в конечном счете, накапливаются  в верхнем слое почвы. Мелкие фракции (диаметром менее 1 мм) образуют аэрозоли и распространяются с воздушными массами на большие расстояния.

В таблице основных загрязнителей  воздушной среды, составленной Организацией Объединённых Наций, окись углерода, помеченная силуэтом автомобиля, стоит  на втором месте.

Двигаясь со скоростью 80-90 км/ч в среднем, автомобиль превращает в углекислоту столько же кислорода, сколько 300-350 человек. Но дело не только в углекислоте. Годовой выхлоп одного автомобиля - это 800 кг окиси углерода, 40 кг окислов азота и более 200 кг различных углеводородов. В этом наборе весьма коварна окись углерода. Из-за высокой токсичности её допустимая концентрация в атмосферном воздухе  не должна превышать 1 мг/м3. Известны случаи трагической гибели людей, запускавших  двигатели автомобилей при закрытых воротах гаража. В одноместном  гараже смертельная концентрация окиси  углерода возникает уже через 2-3 минуты после включения стартера. В холодное время года, остановившись  для ночлега на обочине дороги, неопытные водители иногда включают двигатель для обогрева машины. Из-за проникновения окиси углерода в  кабину такой ночлег может оказаться  последним.

Окислы азота токсичны для человека и, кроме того, обладают раздражающим действием. Особо опасной  составляющей отработавших газов являются канцерогенные углеводороды, обнаруживаемые, прежде всего, на перекрёстках у светофоров (до 6,4 мкг/100 м³, что в 3 раза больше, чем в середине квартала).

При использовании этилированного бензина автомобильный двигатель  выбрасывает соединения свинца. Свинец опасен тем, что способен накапливаться, как во внешней среде, так и  в организме человека.

Уровень загазованности магистралей  и примагистральных территорий зависит  от интенсивности движения автомобилей, ширины и рельефа улицы, скорости ветра, доли грузового транспорта и  автобусов в общем потоке и  других факторов. При интенсивности  движения 500 транспортных единиц в час  концентрация окиси углерода на открытой территории на расстоянии 30-40 м от автомагистрали снижается в 3 раза и достигает  нормы. Затруднено рассеивание выбросов автомобилей на тесных улицах. В  итоге практически все жители города испытывают на себе вредное  влияние загрязнённого воздуха.

На скорость распространения  загрязнения и концентрацию его  в отдельных зонах города значительно  влияют температурные инверсии. В  основном, они характерны для севера европейской части России, Сибири, Дальнего Востока и возникают, как  правило, при штилевой погоде (75% случаев) или при слабых ветрах (от 1 до 4 м/с). Инверсионный слой выполняет роль экрана, от которого на землю отражается факел  вредных веществ, в результате чего их приземные концентрации возрастают в несколько раз.

Из соединений металлов, входящих в состав твёрдых выбросов автомобилей, наиболее изученными являются соединения свинца. Это обусловлено  тем, что соединения свинца, поступая в организм человека и теплокровных животных с водой, воздухом и пищей, оказывают на него наиболее вредное  действие. До 50% дневного поступления  свинца в организм приходится на воздух, в котором значительную долю составляют отработавшие газы автомобилей.

Поступления углеводородов  в атмосферный воздух происходит не только при работе автомобилей, но и при разливе бензина. По данным американских исследователей в Лос-Анджелесе  за сутки испаряется в воздух около 350 тонн бензина. И повинен в этом не столько автомобиль, сколько сам  человек. Чуть-чуть пролили при заливке  бензина в цистерну, забыли плотно закрыть крышку при перевозке, плеснули на землю при заправке на автозаправочной  станции, и в воздух потянулись различные  углеводороды.

Каждый автомобилист знает: вылить из шланга весь бензин в бак  практически невозможно, какая-то часть  его из ствола «пистолета» обязательно  выплёскивается на землю. Немного. Но сколько  сегодня у нас автомобилей? И  с каждым годом их число будет  расти, а, значит, будут увеличиваться  и вредные испарения в атмосферу. Лишь 300 г бензина, пролитого при  заправке автомобиля, загрязняют 200 тысяч  кубических метров воздуха. Самый простой  путь решения проблемы - создать  заправочные автоматы новой конструкции, не позволяющие пролиться на землю  даже одной капле бензина.

Глава 2. Альтернативные виды топлива

До конца XX столетия двигатель  внутреннего сгорания остаётся основной движущей силой автомобиля. В связи  с этим единственный путь решения  энергетической проблемы автомобильного транспорта - это создание альтернативных видов топлива. Новое горючее  должно удовлетворить очень многим требованиям: иметь необходимые  сырьевые ресурсы, низкую стоимость, не ухудшать работу двигателя, как можно  меньше выбрасывать вредных веществ, по возможности сочетаться со сложившейся  системой снабжения топливом и др.

Нефть сегодня - основной и наиболее востребованный энергоресурс. Однако ее запасы катастрофически заканчиваются, и уже понятно, что наступает закат нефтяной эры. Чем заправляться будем?

Обеспеченность  энергоресурсами является обязательным условием развития экономики любой  страны. На круговой диаграмме приведено  примерное соотношение мирового потребления различных энергоресурсов.

Из диаграммы  видно, что именно нефть является в настоящее время основным и  наиболее востребованным энергоресурсом. Наиболее ярко выражена нефтяная зависимость транспортного комплекса.

В настоящее время  мировой автопарк составляет порядка 900 млн ед. и приблизительно на 30% состоит из грузовых автомобилей, а  на 70% - из легковых и автобусов. Каждый год в мире производится 40-45 млн  автомобилей, причем порядка 25 млн заменяют выводимые из эксплуатации транспортные средства, а 20 млн составляют ежегодный  прирост мирового автопарка. Подсчитано, что в среднем один автомобиль потребляет 2,2 т бензина (дизтоплива) в год. Таким образом, весь мировой автопарк потребляет порядка 2-х млрд т топлива, на изготовление которого в зависимости от глубины переработки требуется от 6 до 8 млрд т нефти.

С другой стороны, доказанные мировые запасы нефти  составляют около 140 млрд т: 78% приходятся на страны ОПЕК, 6% - на страны СНГ, включая  Россию, 3% - США , 1% - Норвегию. Согласно исследованиям, проведенным компанией  “British Petroleum”, мировых запасов нефти  хватит менее чем на 40 лет, причем прогнозы по полной выборке российской нефти колеблются в пределах 15-25 лет. Безусловно, фактическое потребление  “черного золота” будет зависеть от темпов роста мировой экономики  и, прежде всего, экономик США, Китая, Японии и Европы, внедрения энергосберегающих  технологий и технологий, повышающих глубину переработки нефти и т.д.

Уже сейчас абсолютно  ясно, что XXI век станет закатом нефтяной эры. Снижение темпов нефтедобычи в  ряде стран, включая Россию, и снижение ее рентабельности наблюдается уже  сегодня. Все это является первопричиной  увеличения стоимости нефтепродуктов и, как следствие, накладывает определенные ограничения на развитие экономик отдельных  стран и мировой экономики  в целом. Данное обстоятельство, с  учетом того, что 80% механической энергии, которую использует в своей деятельности человек, вырабатывается двигателями  внутреннего сгорания, заставляет уже  сегодня серьезно задуматься об альтернативном источнике энергии, не нефтяного происхождения.

В последнее время  большое количество зарубежных научно-исследовательских  центров моторостроительных фирм проводят исследования, направленные на экономию топлива и замену традиционных жидких углеводородных топлив новыми видами.

Альтернативные  виды топлива можно классифицировать следующим образом:

- по составу:  углеводородно-кислотные (спирты), эфиры,  эстеры, водородные топлива с  добавками;

- по агрегатному  состоянию: жидкие, газообразные, твердые;

- по объемам  использования: целиком, в качестве  добавок;

- по источникам  сырья: из угля, торфа, сланцев,  биомассы, горючего газа, электроэнергии  и др.

Рассмотрим каждый из наиболее распространенных видов  альтернативного топлива более  подробно.

2.1 Природный газ

Природный газ  в большинстве стран является наиболее распространенным видом альтернативного  моторного топлива. Природный газ  в качестве моторного топлива  может применяться как в виде компримированного, сжатого до давления 200 атмосфер, газа, так и в виде сжиженного, охлажденного до -160°С газа. В настоящее время наиболее перспективным  является применение сжиженного газа (пропан-бутан). В Европе это топливо  называется LPG (Liquefied petroleum gas - сжиженный  бензиновый газ). В то время как  сжатый газ (метан) находится в баках  под давлением 200 бар, что само по себе представляет повышенную опасность, LPG сжиживается при давлении 6-8 бар. В Европе сегодня насчитывается  около 2,8 млн машин, работающих на LPG.

2.2 Газовый конденсат

Использование газовых  конденсатов в качестве моторного  топлива сведено к минимуму из-за следующих недостатков: вредное  воздействие на центральную нервную  систему, недопустимое искрообразование в процессе работы с топливом, снижение мощности двигателя (на 20%), повышение  удельного расхода топлива.

2.3 Диметилэфир

Диметилэфир является производной метанола, который получается в процессе синтетического преобразования газа в жидкое состояние. Существуют разработки по переоборудованию дизельных  двигателей под диметилэфир. При  этом существенно улучшаются экологические  характеристики двигателя.

На сегодняшний  день в мире потребление диметилэфира составляет около 150 тыс. т в год.

В последние годы разрабатываются технологические  процессы получения диметилэфира из синтетического горючего газа, производимого  из угля.

В отличие от сжиженного природного газа, диметилэфир менее  конкурентоспособен, в основном по причине того, что теплотворная способность  на тонну диметилэфира на 45% ниже теплотворности на тонну сжиженного природного газа. Также для производства диметилэфира требуется не только более высокий  уровень предварительных капиталовложений, но и больший объем сырьевого  газа для производства продукта с  эквивалентной теплотворной способностью.

В будущем диметилэфир  можно рассматривать только в  качестве продукта, имеющего ограниченные возможности, так как производство сжиженного природного газа характеризуется  более значительной экономией за счет масштабов производства, более  низким уровнем капитальных затрат и более высокой эффективностью процесса производства.