Перспективные топлива для автомобилей

Меснянкин Виталий Александрович

Преподователь спец. Дисциплин. ГОУ СПО Кемеровский профессионально - технический техникум.

Кемеровская область город Кемерово.

Перспективные топлива для автомобилей.

Постепенное истощение запасов нефти и газа вызывает необходимость улучшения топливной экономичности автомобильных двигателей. Ухудшение экологической обстановки заставляет проводить поиск новых видов автомобильного топлива. Когда исчезнут нефть и газ, где человечество будет черпать энергию? Атомная энергия, развивающая высокими темпами, не универсальна. Она не может, например обеспечить энергией многие виды транспорта. Экономия топлива при эксплуатации автомобилей, снижение вредных выбросов в атмосферу - важнейшие задачи дальнейшего развития автомобильного транспорта. Одним из перспективных путей решения задач считается частичная или полная замена традиционного топлива топливом не нефтяного происхождения.

Наиболее интенсивно исследовательские и экпериментальные работы ведутся в направлении использования на автомобильном транспорте синтетических спиртов, метилтретичнобутилового эфира ( МТБЭ), газовых конденсатов, водорода, водородотопливных эмульсий, топливно-металлических суспензий, сжиженного биометана ( СБМ ). Сложились определённые требования к перспективным топливам: они должны обладать такими физико-химическими свойствами, которые не приводили бы к коренному изменению конструкции двигателя, топливной аппаратуры и условий хранения топлива на борту автомобиля.

Синтетические топлива.

Широкое развитие получают процессы синтеза жидкого искусственного топлива, которое по качеству приближается к топливам нефтяного происхождения из угля, природного газа, известняка, бытовых отбросов, отходного лесного хозяйства.

При получении синтетического жидкого топлива методом деструктивной гидрогенизации процесс проводят в две стадии: сначала уголь или смолу растирают с тяжелыми маслами до образования пасты, а затем гидрируют под давлением 25-70 МПа в присутствии железных катализаторов. Образовавшийся нефтеподобный продукт перегоняют в фракции с температурой кипения выше 325°С вновь подвергают гидрогенизации. В зависимости от условий провидения процесса конечными продуктами могут быть: бензин, бензин и дизельное топливо, бензин, дизельное топливо и мазут. Характерно, что в получаемых конечных продуктах нет серы.

Синтез жидкого топлива ведут на специальных катализаторах из смеси CO и H2, используемой в различных соотношениях, но не выше 1 : 2 . Практически выход топлива составляет 85 % от теоретического. Промышленный синтез метилового спирта ( метанола ) основан на том, что окись углерода в присутствии катализаторов ( оксиды цинка и хрома ) восстанавливается водородом до метилового спирта:

CO + 2H2 = CH3OH.

Для провидения процесса требуется высокая температура ( около 450°С ) и давление 20 МПа.

В качестве сырья для расширения производства метанола перспективны природный газ, нефтяные остатки и более всего уголь. Однако следует отметить, что для производства метанола необходимо большое количество угля - от 3 до 6 тонн на 1 тонну синтетического топлива, поэтому метанол пока ещё в 1,5 - 2 раза дороже бензина.

Как топливо для автомобильных двигателей, метанол обладает высокой детонационной стойкостью ( октановое число 100 единиц ), меньшей по сравнению с бензином теплотой сгорания, высокой скрытой теплотой испарения, низкой упругостью паров и температурой кипения, что приводит к ухудшению пусковых качеств двигателя, увеличению вместимости топливных баков, увеличению часового расхода топлива, применения специальных подогревателей впускной системы ( так как испаряемость резко ухудшается при температуре ниже + 10 °С ), или применять бензин для пуска холодного двигателя. Метанол обладает повышенной гигроскопичностью, что приводит к ухудшению его свойств как автомобильного топлива. Работа двигателя на метаноле позволяет ощутимо расширить пределы эффективного обеднения топливовоздушной смеси ( обеспечивается работа двигателя на бедных смесях, что существенно уменьшает содержание окислов азота ( в 1,5 - 2 раза) и углеводородов ( в 1,3- 1,7 раза ) в отработавших газах при том же уровне концентрации окиси углерода), что и при работе на бензине.

Метанол обладает повышенной коррозийностью к металлам; резина и некоторые пластмассы нестойки к метанолу; метанол является сильнодействующим пищевым ядом. Учитывая изложенное, метанол реально рассматривается не как 100% топливо для автомобильных двигателей, а как добавка к бензину или дизельному топливу, улучшая ряд их эксплуатационных свойств и увеличивая ресурсы топлив.

Аналогичными свойствами обладает этиловый спирт (этанол), хотя по ряду показателей он, как автомобильное топливо, превосходит метанол, не является пищевым ядом и может применяться в двигателях как в смеси с бензином, так и самостоятельно. В странах с развитым сельским хозяйством более перспективен этанол. В Бразилии, например, уже много лет используется смесь бензина с этанолом, а с 1995 года практически 80% автомобилей переведено на чистый этанол.

Газовые конденсаты.

Дополнительным источником сырья для получения автомобильного топлива могут служить жидкие углеводороды, конденсирующие при нормальных условиях из природных газов, находящихся в подземных пластах под давлением 4,9 ……9,8 МПа и температуре до 150°С. Запасы газового конденсата в России огромны. Физико - химические и эксплуатационные свойства газовых конденсатов близки к дизельному топливу. Целесообразно использовать газовый конденсат в качестве топлива для дизелей на местах их добычи без сложной переработки.

Газовые конденсаты токсичны и взрывоопасны. Они оказывают вредное воздействие на центральную нервную систему, раздражают кожные покровы, слизистую оболочку глаз и верхних дыхательных путей. Взрывоопасные смеси образуются при содержании паров газового конденсата в воздухе по объёму 1,4% ( нижний придел ) и 8% ( верхний придел). Температура вспышки паров топлива минус 5°С , а самовоспламенения 250….370°С. Опасность представляет искрообразование в процессе работы с топливом. При работе дизеля на газовом конденсате его мощность падает, примерно на 7%, из-за его меньшей плотности.

Водород.

Особое место среди различных альтернативных видов топлива для автомобильного транспорта занимает водород. Отличие водорода как моторного топлива от бензина по своим физико-химическим свойствам видно. Наиболее характерные особенности водорода:

- водород самый лёгкий элемент, даже в жидком состоянии он примерно в 14 раз легче воды;

- в единице массы водорода содержится в 3 раза больше тепловой энергии, чем все известные ископаемые топлива. Однако, чтобы его разместить, необходимы довольно большие объёмы;

- водород обладает способностью моментально смешиваться с другими газами и , в частности, с воздухом атмосферы. Смесь водород- воздух воспламеняется при содержании водорода от 4…..74%;

- водород горит в газообразном состоянии при температуре свыше 500°С с образованием паров дистиллированной воды ( в жидком и твёрдом состоянии он не горит ). Для сжигания 1 кг. Водорода необходимо в 2 раза больше воздуха, чем для сжигания бензина;

- отработавшие газы при работе на водороде не содержат окиси углерода, углеводородов, окислов свинца, а окислы азота присутствуют в меньших количествах, чем при работе двигателя на бензине.

Объёмная энергоёмкость водорода низка из-за малой плотности. Скорость сгорания горючей смеси, содержащей водород, в 6 раз превышает скорость сгорания бензино-воздушной смеси, что приводит к большим тепловым и механическим нагрузкам на детали двигателя. Наиболее благоприятное соотношение водорода и воздуха 1 : 10. Водород отличается малым нижним пределом воспламеняемости смеси ( соотношение водорода и воздуха 1 : 25) и очень малой энергией воспламенения ( в 12….14 раз меньше, чем у бензина). Эти свойства водорода вызывают нарушение нормального протекания рабочего процесса в двигателях с искровым зажиганием

- вспрышка во впускном трубопроводе, преждевременное воспламенение горючей смеси в цилиндрах, жесткое сгорание, детонацию. Поэтому использование чистого водорода, в качестве моторного топлива на автомобильном двигателе требует значительного усложнения конструкции системы питания и двигателя в целом.

Использование водорода в качестве добавки к бензовоздушной смеси ( бинарная система питания) не требует таких изменений. Если водород добавлять на режиме холостого хода, малых нагрузках, то обеспечиваются оптимальные мощностные и динамические показатели автомобиля, это характерно для городского режима эксплуатации автомобиля. Такой метод подачи водорода обеспечивает экономию бензина до 40 % и значительно снижает токсичность отработавших газов. Следует иметь в виду, что по стоймости водородное топливо не выше других синтетических топлив.

Моторные топлива из местного сырья.

Одним из новых направлений являются исследования, связанные с производством сжиженного ( криогенного ) биометана из биогаза с замещением им традиционных моторных масел.

Сжиженный биометан ( СБМ ) во многом соответствует сжиженному природному газу ( СПГ ) и, прежде всего, по процентному содержанию метана, количество которого в нём колеблется от 95 до 98% от общего объёма. Он как и СПГ, является криогенной жидкостью с температурой кипения минус 162°С. СБМ как моторное топливо имеет высокую теплоту сгорания 50….55 МДж/ кг и октановое число 110, что превышает аналогичные характеристики бензина, которые, соответственно равны 43 МДж/кг и 95.

Однако принципиальным различием между СМБ и СПГ является сырьевые источники из которых они могут быть получены. Так СПГ получают путём сжижения природного газа, который добывается в земной коре и транспортируется по магистральным трубопроводам. В то время как сырьевым источником для производства СБМ является биогаз. Биогаз- это смесь метана и углекислого газа- продукт метаннового брожения органических веществ растительного и животного происхождения, осуществляемого специфическим природным биоценозом анаэробных бактерий различных физеологических групп. Биогаз может быть получен или естественным путём, например, аэрационный газ городской канализации, или за счёт сбраживания в специальных емкастях ( метантенках ) отходов жизнедеятельности домашних животных и птиц, отходов пищевой промышленности. Поэтому сжиженный биометан, в отличии от бензина, дизельного топлива, природного газа, водорода и пропан-бутановой смеси ( попутный нефтяной газ ) является одним из немногих видов моторных топлив, которое может быть произведено из местного сырья в каждом городе, селе или фермерском хозяйстве.

Биогаз городской канализации - это продукт брожения сточных вод городской канализации, представляющий собой разновидность биогаза, имеющего в своём составе 60…70% метана ( CH4 ), 30…35% диоксида углерода ( CO2 ) и 2…4% водорода ( H2 ). Как показывает практика, выход канализационных газов со станции переработки, питаемой канализационной сетью, обслуживающий населённый пункт с численностью жителей 100 тыс. человек, достигает в сутки более 2500м3, что эквивалентно 2000 литров бензина.

Очистка биогаза от двуокиси углерода ( CO2 ) может производиться различными способами: промывка газа через жидкие поглотители ( например, воду ), вымораживание, адсорбция при низких температурах, адсорбция с - использованием композитных абсорбентов.

Сжиженный биометан соответствует требованиям ГОСТ 27.577-87 на моторное топливо. Необходимо также отметить, что газобаллонное оборудование автомобиля, работающего на сжиженном биометане, полностью соответствует оборудованию автомобиля, работающего на сжиженном природном газе.