Определяющее влияние транспорта на состояние окружающей среды требует особого внимания к применению новых экологически чистых видов топлива. К ним относится, прежде всего, сжиженный или сжатый газ.
В мировой практике в качестве моторного топлива наиболее широко используется сжатый природный газ, содержащий не менее 85 % метана.
В меньшей степени распространено применение попутного нефтяного газа; представляющего собой смесь, в основном - пропана и бутана. Эта смесь может находиться в жидком состоянии при обычных температурах под давлением до 1,6 МПа. Для замещения 1 л бензина требуется 1,3 л сжиженного нефтяного газа, а экономическая эффективность его по эквивалентным затратам на топливо в 1,7 раз ниже, чем у сжатого газа. Следует отметить, что природный газ, в отличие от нефтяного газа, не токсичен.
Анализ показывает, что применение газа сокращает выбросы: окислов углерода - в 3-4 раза; окислов азота - в 1,5-2 раза; углеводородов (не считая метана) - в 3-5 раз; частиц сажи и двуокиси серы (дымность) дизельных двигателей - в 4-6 раз.
При работе на природном газе с коэффициентом избытка воздуха а=1,1 выбросы ПАУ, образующихся в двигателе при сгорании топлива и смазочного масла (включая бенз(а)пирен), составляют 10 % от выбросов при работе на бензине. Двигатели, работающие на природном газе, уже сейчас удовлетворяют всем современным нормам по содержанию газообразных и твердых составляющих в выхлопных газах.
|
Токсичные компоненты выхлопных газов |
|||||
|
Вид топлива |
(без метана) |
Бензапирен |
|||
|
Бензин (двигатели с нейтрализат.) | |||||
|
Дизтопливо | |||||
|
Газ+дизтопливо | |||||
|
Пропан-бутан | |||||
|
природ, сжатый | |||||
Особо следует остановиться на выбросах углеводородов, которые претерпевают в атмосфере фотохимическое окисление под действием ультрафиолетового облучения (ускоряющееся в присутствии NO x). Продукты этих окислительных реакций образуют так называемый смог. В бензиновых двигателях основное количество углеводородных выбросов приходится на этан и этилен, а в газовых - на метан. Это связано с тем, что эта часть выбросов бензиновых двигателей образуется в результате крекинга паров бензина в несгорающей части смеси при высоких температурах, а в газовых двигателях несгорающий метан никаким преобразованиям не подвергается.
Легче всего под воздействием ультрафиолетового облучения окисляются непредельные углеводороды, такие, как этилен. Предельные углеводороды, включая метан, более стабильны, т.к. требуют для фотохимической реакции более жесткого (коротковолнового) излучения. В спектре солнечного излучения составляющая, инициирующая окисление метана, имеет столь малую интенсивность по сравнению с инициаторами окисления других углеводородов, что практически окисление метана не происходит. Поэтому в ограничительных стандартах автомобильных выбросов ряда стран углеводороды учитывают без метана, хотя пересчет ведется на метан.
Таким образом, несмотря на то, что сумма углеводородов в выхлопных газах двигателей, использующих газомоторное топливо, оказывается такой же, как и у бензиновых двигателей, а в газодизеле часто и выше, эффект загрязнения воздушного бассейна этими компонентами при газовом топливе в несколько раз меньше, чем при жидком.
Важно также иметь в виду, что при применении газового топлива увеличивается моторесуры двигателя - в 1,4- 1,8 раза; срок службы свечей зажигания - в 4 раза и моторного масла - в 1,5-1,8 раза; межремонтный пробег - в 1,5-2 раза. При этом снижаются уровень шума на 3-8 дБ и время заправки. Все это обеспечивает быструю окупаемость затрат на перевод транспорта на газомоторное топливо.
Внимание специалистов привлекают вопросы безопасности использования газомоторного топлива. В целом взрывоопасная смесь газовых топлив с воздухом образуется при концентрациях, в 1,9-4,5 раза. Однако определенную опасность представляют утечки газа через неплотность соединений. В этом отношении наиболее опасен сжиженный нефтяной газ, т.к. плотность его паров больше, чем воздуха, а для сжатого - меньше (соответственно, 3:1,5:0,5). Следовательно, утечки сжатого газа после выхода из неплотностей поднимаются вверх и улетучиваются, а сжиженного - образуют местные скопления и, подобно жидким нефтепродуктам, «разливаются», что при возгорании увеличивает очаг пожара.
Кроме сжиженного или сжатого газа многие специалисты предрекают большое будущее жидкому водороду, как практически идеальному, с экологической точки зрения, моторному топливу. Еще несколько десятилетий назад применение жидкого водорода в качестве горючего казалось достаточно отдаленным. К тому же трагическая гибель в канун второй мировой войны наполненного водородом дирижабля «ГинденбурТ» настолько подмочила общественную репутацию «топлива будущего», что надолго вычеркнуло его из каких-либо серьезных проектов.
Быстрое развитие космической техники вновь заставило обратиться к водороду, на этот раз уже жидкому, как почти идеальному горючему для исследования и освоения мирового пространства. Тем не менее, по-прежнему не исчезли сложные инженерные проблемы, связанные как со свойствами самого водорода, так и его производством. Как горючее для транспорта водород удобнее и безопаснее применять в жидком виде, где в пересчете на один килограмм он превосходит по калорийности керосин в 8,7 раза и жидкий метан в 1,7 раза. В то же время плотность жидкого водорода меньше, чем у керосина почти на порядок, что требует значительно больших баков. К тому же водород должен храниться при атмосферном давлении при очень низкой температуре - 253 градуса Цельсия. Отсюда необходимость соответствующей теплоизоляции баков, что также тянет за собой дополнительный вес и объем. Высокая температура горения водорода приводит к образованию значительного количества экологически вредных окислов азота, если окислителем является воздух. И, наконец, пресловутая проблема безопасности. Она по-прежнему остается серьезной, хотя и считается теперь значительно преувеличенной. Отдельно следует сказать о производстве водорода. Почти единственным сырьем для получения водорода служат на сегодня те же горючие ископаемые: нефть, газ и уголь. Поэтому истинный перелом в мировой топливной базе на основе водорода может быть достигнут лишь путем принципиального изменения способа его производства, когда исходным сырьем станет вода, а первичным источником энергии - Солнце или сила падающей воды. Водород принципиально превосходит все ископаемые виды горючего, включая и природный газ, в своей обратимости, то есть практической неисчерпаемости. В отличие от горючих, добываемых из-под земли, которые после сгорания теряются безвозвратно, водород добывается из воды и сгорает опять в воду. Разумеется, чтобы получить водород из воды, нужно затратить энергию, причем значительно большую, чем можно использовать затем при его сгорании. Но это не имеет существенного значения, если так называемые первичные источники энергии будут в свою очередь неисчерпаемыми и экологически чистыми.
Разрабатывается и второй проект, где в качестве источника первичной энергии используется Солнце. Подсчитано, что на широтах ± 30-40 градусов наше светило греет примерно в 2-3 раза сильнее, чем в более северных широтах. Это объясняется не только более высоким положением Солнца на небе, но и несколько меньшей толщиной атмосферы в тропических регионах Земли. Однако почти вся эта энергия быстро рассеивается и пропадает. Получение с помощью ее жидкого водорода - наиболее естественный способ аккумуляции солнечной энергии с последующей доставкой ее в северные районы планеты. И не случайно научно-исследовательский центр, организованный в Штутгарте, имеет характерное название «Солнечный водород - источник энергии будущего». Установки, аккумулирующие солнечный свет, предполагается, согласно указанному проекту, разместить в Сахаре. Сконцентрированное таким образом небесное тепло будет использовано для привода паротурбин, вырабатывающих электроэнергию. Дальнейшие звенья схемы те же, что и в канадском варианте, с той лишь разницей, что жидкий водород доставляется в Европу через Средиземное море. Принципиальное сходство обоих проектов, как видим, в том, что они экологически чисты на всех стадиях, включая даже перевозку сжиженного газа по воде, поскольку танкеры работают опять-таки на водородном топливе. Уже сейчас такие всемирно известные немецкие фирмы, как «Линде» и «Мессергрисхейм», расположенные в районе Мюнхена, производят все необходимое оборудование для получения, сжижения и транспортировки жидкого водорода, за исключением разве что криогенных насосов. Громадный опыт по использованию жидкого водорода в ракетно-космической технике накоплен фирмой «МББ», расположенной в Мюнхене и принимающей участие практически во всех престижных программах Западной Европы по освоению космоса. Научно-исследовательское оборудование фирмы в области криогеники используется также на американских космических челноках. Широко известная немецкая авиакомпания «Дейче Эрбас» разрабатывает первый в мире аэробус, летающий на жидком водороде. Помимо экологических соображений применение жидкого водорода в обычной и сверхзвуковой авиации предпочтительно и по другим причинам. Так, примерно на 30 % при прочих равных условиях снижается взлетный вес самолета. Это позволяет, в свою очередь, сократить разбег и сделать взлетную кривую более крутой. В результате снижается шум - этот бич современных аэропортов, расположенных зачастую в густонаселенных районах. Не исключена также возможность снижения лобового сопротивления самолета путем сильного охлаждения его носовых частей, встречающих поток воздуха.
Все изложенное выше позволяет сделать вывод, что переход на водородное топливо, в первую очередь в авиации, а затем и в наземном транспорте станет реальностью уже в первые годы нового века. К этому времени будут преодолены технические проблемы, окончательно ликвидировано недоверие к водороду как чересчур опасному виду горючего и создана необходимая инфраструктура.
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.
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:
- Получение изомеризата с октановым числом от 85 до 92 пунктов (ИОЧ);
- Утяжеление сырья и изомеризата;
- Высокая надежность эксплуатации, устойчивость к действию микропримесей и регенерируемость катализатора;
- Оптимизация капитальных и эксплуатационных затрат.
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 :
- снижение содержания сернистых соединений в бензиновых компонентах до уровня, при котором возможно производство товарных бензинов с содержанием серы не более 50 (10) ppm;
- деароматизация компонентов и ограничение содержания олефиновых и ароматических углеводородов (в первую очередь бензола) до норм Евро-3 и Евро-4;
- применение в составе автобензинов оксигенатов (спиртов и эфиров), моющих и многофункциональных присадок.
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 «
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.
Давление сжатого воздуха
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.
Спиртовой двигатель
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.
Биодизель или энергия растительного масла
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.
Водородный двигатель
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.
Электродвигатель
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.
Гибридный автомобиль
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.
Принципиально новым направлением в части снижения воздействия транспорта на окружающую среду является переход на экологически чистые виды топлива. В настоящее время существует несколько распространенных видов альтернативного, экологически более чистого топлива - сжиженный нефтяной газ, природный газ, биодизельное топливо, водород и др.
Применение сжиженного нефтяного газа требует не кардинального изменения конструкции автомобиля, а только его приспособления к установке газового оборудования, оставляя возможность использования как бензина, так и газа в качестве топлива. Сжиженный нефтяной газ - это экологически более безопасный вид топлива. При его использовании количество основных вредных веществ в выбросах снижается в 2 и более раза, износ основных деталей цилиндро- поршневой группы уменьшается в 1,5-2 раза, срок службы моторного масла становится выше, затраты на топливо сокращаются в 2 раза. Экологичность и экономичность работы двигателя на сжиженном газе зависит от оборудования, устанавливаемого на автомобиль. Наибольшей эффективностью обладают инжекторные системы впрыска газа .
Природный газ в качестве топлива для транспортных средств подразделяется на компримированный, т.е. сжатый (КПГ), и сжиженный (СПГ). Компримированный природный газ в качестве основного компонента содержит метан и в небольшом количестве примеси других газов. Особенностью метана является то, что при нормальной температуре и даже высоком давлении он не переходит в сжиженное состояние. Чтобы иметь достаточный энергетический запас, сжатый газ хранится в высокопрочных металлических баллонах под давлением 200 МПа. Баллоны имеют большую массу. Калорийность природного газа ниже калорийности бензина на 10-15%, поэтому при работе на КПГ мощность бензинового двигателя снижается на 18-20%. Рынок газовых автомобилей в эксплуатации расширяется медленно, а экологические показатели эксплуатируемых газовых систем не обеспечивают выполнения требований современных норм по токсичности.
Сжиженный природный газ с точки зрения техникоэкономической эффективности значительно выгоднее, чем КПГ. В сжиженном состоянии природный газ находится при температуре -160°С; для сохранения его в этом состоянии требуются криогенные емкости. Сжижение природного газа обеспечивает снижение его объема примерно в 600 раз. Это позволяет получить преимущества по сравнению с использованием сжатого природного газа: уменьшить массу газового оборудования на транспортном средстве в 3-4 раза, а объем - в 1,5-3. Переход на использование СПГ в нашей стране тормозится отсутствием инфраструктуры, обеспечивающей его получение. По мнению отечественных специалистов, применение СПГ является наиболее перспективным направлением использования природного газа в качестве моторного топлива.
Применение газа на транспортном подвижном составе позволяет существенно снизить токсичность: но СО в 3-4, NO v - в 1,2-2,0, C v H /y в 1,2-1,4 раза. При работе дизеля по газодизельному циклу дымность в режиме свободного ускорения уменьшается в 2-4 раза, шумность снижается на 8-10 дБ А, двигатель работает мягче и без специфического запаха.
Наряду с очевидными преимуществами, газовое топливо имеет недостатки: у газобаллонных грузовиков по сравнению с бензиновыми снаряженная масса повышается на 400- 600 кг, соответственно, снижается грузоподъемность, а запас хода сокращается почти вдвое. Кроме того, слабо развита сеть газонаполнительных и заправочных станций.
Работы по использованию газового топлива проводятся на многих видах транспорта, но наибольшее применение оно нашло на автомобильном транспорте.
Биодизельное топливо - это альтернативный вид топлива, получаемый из растительных масел. Сырьем для производства биодизельного топлива могут быть различные растительные масла (рапсовое, соевое, арахисовое, пальмовое, отработанные подсолнечное и оливковое масла, а также животные жиры).
Биодизельное топливо может использоваться в обычных ДВС как самостоятельно, так и в смеси с дизельным топливом, без внесения изменений в конструкцию двигателя. Обладая примерно одинаковым с минеральным дизельным топливом энергетическим потенциалом, биодизельное топливо имеет ряд существенных преимуществ - не токсично, практически не содержит серы и канцерогенного бензола, разлагается в естественных условиях, обеспечивает значительное снижение вредных выбросов в атмосферу при сжигании.
Однако при всех положительных моментах биотоплива необходимо отметить, что культивирование растений, которые служат компонентами биодизеля, может крайне негативно сказаться на окружающей природной среде. В частности, территория Европы не позволяет обеспечивать многолетний севооборот при увеличении темпов потребления биодизельного топлива. В итоге может случиться, что решение задачи снижения загрязнения атмосферы отработавшими газами транспортных средств усугубит другие проблемы - деградации почв, производства продовольствия, вымирания различных видов животных.
Абсолютно экологичным видом альтернативного топлива для автомобилей считается водород, при сгорании которого не образуется никаких вредных веществ, только вода. Учитывая, что выбросы вредных веществ с отработавшими газами автотранспорта в мегаполисе могут составлять более 90%, использование водорода в качестве топлива позволит устранить эту экологическую проблему.
Многие автомобильные компании мира пытаются перейти на водородное топливо в своих конструкциях. Однако, несмотря на экологические и энергетические преимущества применения водорода, его использование в качестве автомобильного топлива в настоящее время носит экспериментальный характер из-за проблем, связанных с хранением и экономической целесообразностью применения.
Утилизация, или нейтрализация, вредных выбросов. Снижение количества вредных выбросов от транспортных средств в настоящее время достигается за счет оборудования двигателей системами нейтрализации и очистки выпускных газов. Известны жидкостные, термические, каталитические, комбинированные нейтрализаторы и сажеуловители.
Принцип действия жидкостных нейтрализаторов основан на растворении или химическом взаимодействии токсичных компонентов отработавших газов при пропускании их через жидкость определенного состава - воду, водный раствор сульфита натрия, водный раствор двууглекислой соды. Пропускание отработавших газов дизелей через воду приводит к уменьшению запаха, альдегиды поглощаются с эффективностью 0,5, а эффективность очистки от сажи достигает 0,6-0,8, при этом несколько уменьшается содержание бензапирена.
К недостаткам жидкостных нейтрализаторов относятся большая масса и габариты, необходимость частой смены рабочего раствора, неэффективность очистки СО, малая эффективность по отношению к NO r
Термический нейтрализатор (дожигатель) представляет собой камеру сгорания, которая размещается в выпускном тракте двигателя для дожигания продуктов неполного сгорания топлива. При этом отмечается снижение выбросов углеводородов в отработавших газах примерно в два, а монооксида углерода - в 2-3 раза. К недостаткам термических нейтрализаторов в экологическом отношении следует отнести повышенное содержание NO в отработавших газах.
В каталитических окислительных нейтрализаторах с катализаторами из благородных металлов - платины, платины и палладия, платины и родия - достигается достаточно высокая скорость окисления СО и С х Н у. Основным недостатком этого вида катализатора является интенсивное истирание дорогостоящей поверхности сажей с адсорбированными на ней абразивными частицами нерастворенных солей металлов, что приводит к снижению эффективности и ресурса эксплуатации устройства.
Для комплексной защиты окружающей среды от выбросов сажи и золы, снижения токсичности отработавших газов и шума автомобиля используются фильтры-нейтрализа- торы-глушители, в качестве рабочих элементов которых используются изделия из литого пористого алюминиевого сплава.
- См.: Гапонов В. Л., Бадалян Л. X., Курдюков В. Н., Куренкова Т. Н.Современные методы снижения вредных выбросов с отработавшимигазами автотранспорта.