Specjaliści z różnych krajów prowadzą badania w zakresie wykorzystania nowych rodzajów paliw i źródeł energii w transporcie drogowym. Wynika to ze znacznego wzrostu liczby pojazdów i wzrastającego zanieczyszczenia środowiska.
do najbardziej wydajnych i obiecujący gatunek paliwo silnikowe obejmują gaz ziemny, wodór, mieszaninę propan-butan, metanol itp.
Obiecującym paliwem samochodowym jest dowolne chemiczne źródło energii, którego zastosowanie w tradycyjnych lub rozwijających się silnikach samochodowych pozwala w pewnym stopniu rozwiązać problem energetyczny i zmniejszyć szkodliwy efekt na środowisko. Na tej podstawie formułuje się pięć głównych warunków perspektyw nowych źródeł energii:
dostępność wystarczających zasobów energii;
możliwość masowej produkcji;
kompatybilność technologiczna i energetyczna z elektrowniami transportowymi;
akceptowalne toksyczne i ekonomiczne wskaźniki procesu wykorzystania energii;
bezpieczeństwo i pewność działania.
Istnieje kilka różnych klasyfikacji obiecujących paliw samochodowych. Bardzo interesująca z praktycznego punktu widzenia jest klasyfikacja energetyczna oparta na wartości opałowej tradycyjnego ciekłego paliwa węglowego.
Do tradycyjnego płynu paliwo węglowodorowe największą gęstość energii, dzięki czemu jadący na nim samochód ma niewielkie rozmiary i masę zbiornika paliwa oraz sprzęt paliwowy i nie wymaga złożonego systemu tankowania i przechowywania. Gazy węglowodorowe i wodór mają większą energochłonność masową, ale ze względu na małą gęstość mają znacznie gorsze wskaźniki energii objętościowej. Dlatego stosowanie tych paliw jest możliwe tylko w stanie sprężonym lub skroplonym, co w niektórych przypadkach znacznie komplikuje konstrukcję samochodu.
Paliwo wodorowe. Duże nadzieje pokłada się w paliwie wodorowym jako paliwie przyszłości. Wynika to z jego wysokiej wydajności energetycznej, braku większości toksycznych substancji w produktach spalania oraz praktycznie nieograniczonej bazy surowcowej. To właśnie z wodorem wiąże się obiecujący rozwój energetyki.
Pod względem energochłonności masowej wodór około 3-krotnie przewyższa paliwa węglowodorowe; alkohole - 5-6 razy. Ale ze względu na bardzo małą gęstość, jego gęstość energetyczna jest niska. Wodór ma szereg właściwości, które znacznie komplikują jego użycie: skrapla się w temperaturze 24 K; ma wysoką zdolność dyfuzyjną; stawia wysokie wymagania materiałom kontaktowym, wybuchowy. Jednak mimo to naukowcy w wielu krajach pracują nad stworzeniem pojazdów napędzanych paliwem wodorowym. Liczne schematy jego możliwego zastosowania w samochodzie dzielą się na dwie grupy: wodór jako paliwo główne oraz jako dodatek do nowoczesnych paliw silnikowych. Główną trudnością w stosowaniu wodoru w stanie skroplonym jest jego niska temperatura. Zwykle ciekły wodór jest transportowany w dwuściennych zbiornikach kriogenicznych, pomiędzy którymi przestrzeń jest wypełniona izolacją. Do bezpiecznej eksploatacji ciekłego wodoru niezbędne jest całkowite uszczelnienie układu zasilania paliwem oraz zapewnienie uwolnienia nadciśnienia.
Technologia wodorowa, energia wodorowa - mówi się o nich coraz uporczywiej, ponieważ ten pierwiastek chemiczny jest podstawą jedynego znanego dziś paliwa, które podczas spalania nie tworzy osławionego tlenku węgla, a więc jest najmniej szkodliwe dla środowiska. Ponadto jego rezerwy w przyrodzie są praktycznie niewyczerpane. Dlatego od wielu lat podejmowane są próby wykorzystania wodoru do silników spalinowych. Moskiewski Instytut Motoryzacyjny, Moskiewski Państwowy Uniwersytet Techniczny Baumana i wiele innych instytutów pracowało w tym kierunku już w latach trzydziestych XX wieku.
Podczas Wielkiej Wojny Ojczyźnianej idea paliwa wodorowego została praktycznie zastosowana w samochodach sił obrony powietrznej na froncie leningradzkim.
W latach powojennych akademik E. A. Czudakow i profesor I. L. Varshavsky używali wodoru do zasilania jednocylindrowego silnika w Laboratorium Samochodowym Akademii Nauk ZSRR. Problemem tym zajęli się akademik VV Struminsky i inni badacze. Jednak eksperymenty nie miały wtedy szerokiego zakresu. Stały się bardziej istotne i zostały wznowione później. Tylko w USA do 1976 r. Badania na ten temat przeprowadziło 15 eksperymentalnych grup projektowych, które stworzyły 42 odmiany silników „wodorowych”. Podobne poszukiwania rozpoczęli naukowcy z Niemiec i Japonii.
Tak duże zainteresowanie wodorem jako paliwem tłumaczy się nie tylko jego korzyściami dla środowiska, ale także właściwościami fizykochemicznymi: jego kaloryczność jest trzykrotnie wyższa niż produktów ropopochodnych, palność mieszaniny z powietrzem ma szerokie granice, wodór ma dużą prędkość rozprzestrzeniania się płomienia i niską energię zapłonu - 10-12 razy niższą niż benzyna.
W naszym kraju szeroko zakrojone prace nad wykorzystaniem wodoru do silników samochodowych są aktywnie prowadzone przez wiele ośrodków badawczych.
Metodę otrzymywania tego pierwiastka chemicznego za pomocą tzw. substancji akumulujących energię szczegółowo opracował Instytut Problemów Inżynierii Mechanicznej Akademii Nauk Ukrainy, który prowadzi również badania podstawowe rozwijają się procesy spalania mieszanin wodoru z powietrzem i benzyny z wodorem i powietrzem schematy obwodów elektrownia pojazdu z różnymi metodami przechowywania nowego paliwa na pokładzie.
Wodór jako paliwo silnikowe ma pewne cechy ze względu na swoje właściwości. Szerokie granice palności pozwalają na lepszą kontrolę osiągów silnika. W rezultacie możliwe jest zwiększenie wydajności przy częściowych obciążeniach - trybie, w którym silnik samochodowy „żyje” dość długo. Wartość opałowa jednorodnej mieszaniny wodoru i powietrza jest niższa niż benzyny. Dlatego moc silnika na wodorze, w większym stopniu niż na benzynie, zależy od sposobu tworzenia mieszanki.
Badania odporności na detonację mieszanek benzyna-wodór-powietrze i wodór-powietrze wykazały, że ich skłonność do detonacji w dużej mierze zależy od współczynnika nadmiaru powietrza. I pod tym względem przy stosowaniu wodoru jako paliwa ujawniono inne wzorce niż w przypadku benzyny. Badania pracy silników na mieszankach wodorowo-powietrznych i benzynowo-wodorowo-powietrznych wykazały dużą stabilność procesu roboczego. Porównując granice zmiany optymalnego kąta wyprzedzenia zapłonu przy zasilaniu wodorem i benzyną można zauważyć, że w pierwszym przypadku zależy on istotnie od współczynnika nadmiaru powietrza. Wzbogacenie mieszanki powoduje znaczne skrócenie najkorzystniejszego momentu zapłonu. Dlatego podczas pracy na wodorze silnik wymaga innych regulacji tego parametru.
Wreszcie podczas spalania wodoru spaliny nie zawierają tak szkodliwych składników jak CO, węglowodory i PbO. W spalinach pozostaje tylko jeden toksyczny składnik - NO (i to w mniejszych ilościach niż podczas jazdy na benzynie). Podczas stosowania wodoru jako dodatku zawartość szkodliwych składników jest znacznie zmniejszona ze względu na kompletność spalania. Ponadto zmniejsza się konieczność stosowania w benzynie szkodliwych dodatków przeciwstukowych ołowiu.
Eksperymenty wykazały, że silniki spalinowe mogą z powodzeniem pracować zarówno na czystym wodorze, jak i na jego mieszaninie z oparami benzyny. Ciekawe, że nawet 10% dodatek (w stosunku do masy spalanego paliwa) wodoru może mieć znaczący wpływ, zmniejszając toksyczność spalin i poprawiając wyniki ekonomiczne. Znacznie rozszerza granice palności mieszanki, co stwarza warunki do efektywnej kontroli procesu spalania. W praktyce oznacza to możliwość stabilnej pracy na bardzo ubogich mieszankach benzyna-wodór-powietrze przy dużym nadmiarze powietrza, co zapewnia znaczne oszczędności benzyny. Biorąc pod uwagę fakt, że silnik w warunkach miejskich pracuje nawet 30% czasu na biegu jałowym lub przy częściowym obciążeniu, można sobie wyobrazić, jakie korzyści ekonomiczne niesie ze sobą zastosowanie wodoru. A pracy silnika przy dużym nadmiarze powietrza towarzyszy prawie całkowite spalanie mieszanki, a co za tym idzie brak toksycznych składników w spalinach. Instytut Problemów Inżynierii Mechanicznej Akademii Nauk Ukrainy opracował już elektrownie samochodowe na paliwo wodorowe. Dla nich wodór pozyskuje się z wody (przy użyciu substancji akumulujących energię na bazie tlenków metali), a także z wodorków - substancji zdolnych do pochłaniania wodoru po schłodzeniu i oddawania go po podgrzaniu.
Ze względów bezpieczeństwa konieczne jest wiązanie wodoru z wodorkami, ponieważ wyciekając z butli tworzy on mieszając się z powietrzem mieszaninę wybuchową, która jest wysoce łatwopalna (pamiętaj częste wypadki sterowce ze zbiornikami wypełnionymi wodorem). Ale ważniejszy jest fakt, że wodorki są bardziej racjonalną metodą przechowywania wodoru na pokładzie samochodu pod względem wskaźników objętościowych.
Ogólny schemat elektrowni paliwowej: paliwo wodorowe, otrzymywane w wyniku oddziaływania substancji magazynujących energię z wodą, dostarczane jest przez układ napędowy do silnika. Moc silnika jest kontrolowana przez składniki podawane do reaktora w celu uwolnienia związanego wodoru.
Elektrownia może być wykonana zarówno w cyklu otwartym, jak i zamkniętym. W pierwszym przypadku na pokładzie pojazdu umieszczane są jedynie pojemniki na substancje magazynujące energię i wodę, a do atmosfery emitowane są produkty spalania. W obiegu zamkniętym dodatkowo wprowadza się wymiennik ciepła i skraplacz, co pozwala na wykorzystanie pary wodnej z spaliny. Woda wpływająca do reaktora z substancjami magazynującymi energię ponownie służy jako źródło do produkcji wodoru. Tak więc w cyklu zamkniętym woda służy jako „nośnik” paliwa, a substancje gromadzące energię służą jako energia. Paliwo wodorowe w obu cyklach może być stosowane w czystej postaci lub jako dodatki (5-10% wag.). W tym drugim przypadku układ zasilania benzyną pozostaje na maszynie. „Ekstrakcja” wodoru z wody odbywa się w reaktorze zawierającym substancje magazynujące energię. Najprostszy to reaktor permanentny, w którym ciśnienie utrzymywane jest poprzez regulację dopływu składników do strefy reakcji.
Proces uzyskiwania w nim paliwa nie zachodzi natychmiast, to znaczy ma pewną bezwładność. Wodór uwolniony w reaktorze musi zatem być dostarczany do silnika przez utrzymującą go przekładnię-regulator optymalne ciśnienie przed dyszami zasilającymi.
Zgodnie z opracowanymi metodami badań z wykorzystaniem substancji magazynujących energię na bazie tlenków metali, a także z wykorzystaniem wodorków, szereg samochody„Moskvich” i „VAZ”.
Pierwszy eksperyment (wykorzystanie substancji akumulujących energię - samochód Moskvich) - system zasilania benzyną pozostawiono bez zmian. Na maszynie zamontowane są dwa reaktory 1, które zapewniają wytwarzanie wodoru z wody oraz reduktor 5, przeznaczony do dozowania zasilania paliwem przy różnych trybach pracy silnika.
Reaktory okresowe mają stały ładunek substancji magazynujących energię na bazie krzemu lub aluminium z kontrolowanym dopływem wody. Lakierki wysokie ciśnienie 4, napędzane silnikiem elektrycznym, doprowadzają wodę ze zbiornika przez grzałkę i filtr do reaktora, gdzie jest ona rozpylana za pomocą dysz. Zawory zwrotne są instalowane w instalacji wodnej, aby zapobiec przenikaniu do niej wodoru w przypadku przerwy w dostawie wody. Dodatkowo posiada kurek 3, który przełącza dopływ wody z jednego reaktora do drugiego. Wszystkie jednostki tej eksperymentalnej konfiguracji są zamontowane na wspólnej ramie i umieszczone w bagażniku.
Instalacja z wykorzystaniem substancji akumulujących energię do zasilania silnika w wodór: 1 - reaktory okresowe; 2 -- zbiornik na wodę; 3 - zawór doprowadzający wodę do reaktora; 4 - blok pomp z napędem elektrycznym; 5 -- reduktor w układzie zasilania wodorem
Wodór z reaktorów dostarczany jest do zainstalowanego na nim zaworu panel, za pomocą którego kierowca łączy pracujący reaktor 1 z układem zasilania wodorem. Ten ostatni składa się z przekładni redukcyjnej, separatora wilgoci, licznik gazu oraz reduktor do regulacji dopływu wodoru (sterowany specjalnym pedałem). Paliwo jest wprowadzane do kolektora dolotowego, tuż przed zaworem dolotowym.
Do pracy na wodorze uzyskanym z wodorków zachowano również układ zasilania benzyną oraz zainstalowano dodatkowy układ magazynowania i zasilania wodorem (samochód VAZ). Składa się ze zbiornika wodorku 1 ogrzewanego spalinami, skrzyni biegów z trybem all-mode regulator podciśnienia Zużycie wodoru 9 i mieszalnik 8, wykonany na bazie seryjnego gaźnika. Układ automatycznie reguluje tempo wydzielania wodoru przez wodorki (jednostka sterująca 10, presostat 2, przepustnica z napędem elektromagnetycznym 7 na rurze wydechowej), utrzymuje stałe ciśnienie wodoru w układzie niezależnie od trybu pracy silnika. Podczas ładowania zbiornik wodorku jest chłodzony wodą.
Instalacja z wykorzystaniem wodorków: 1 - zbiornik na wodorki; 2 -- wyłącznik ciśnieniowy; 3 -- zawór napełniający; 4 - rura wydechowa zbiornika wodorku; 5 -- tłumik; 6 -- zbiornik paliwa; 7 -- elektromagnetyczny napęd przepustnicy; 8 - mikser; 9 - regulator ciśnienia i przepływu wodoru; 10 -- elektroniczna jednostka sterująca
Zastosowanie wodoru jako dodatkowego paliwa do silników gaźnikowych otwiera możliwość zasadniczo nowego podejścia do organizacji procesu pracy. Przy minimalnych modyfikacjach silnika, głównie związanych z układem zasilania, można uzyskać znaczny wzrost jego efektywności paliwowej (eksploatacyjne zużycie benzyny zmniejsza się o 35-40%) oraz zmniejszyć toksyczność spalin.
Tablica 13 Toksyczność spalin,
Emulsje wodno-paliwowe. Wykorzystanie wody w procesie pracy silnika spalinowego nie jest nowością ostatnich lat. Wtrysk wody był używany do napędzania silników spalinowych na paliwach niskooktanowych już w latach trzydziestych XX wieku.
Obecnie główny nacisk w zastosowaniu wody jako dodatku do paliw zwraca się na możliwość poprawy wydajności i zmniejszenia toksyczności spalin samochodowych.
Emulsje wodno-paliwowe to paliwa płynne z drobnymi kroplami wody równomiernie rozmieszczonymi w objętości paliwa. Emulsję przygotowuje się bezpośrednio na pojeździe. Aby zapobiec rozdzielaniu się emulsji, do paliwa dodaje się emulgator w ilości 0,2-0,5%. Zawartość wody w emulsji wodno-paliwowej może osiągnąć 30-40%.
Stosowanie emulsji wodno-paliwowych jest możliwe zarówno w silnikach gaźnikowych, jak i wysokoprężnych. Ale w silnik gaźnikowy stosowanie emulsji wodno-paliwowych w niektórych przypadkach prowadzi do pogorszenia niektórych wskaźników (w szczególności zużycia paliwa), awarii przy pełnym otwarciu przepustnicy oraz przerw podczas jazdy z małą prędkością. Najlepsze wyniki daje zastosowanie emulsji wodno-paliwowych w silnikach Diesla. Doprowadzenie wody do komory spalania zapewnia dodatkowe rozpylenie paliwa w wyniku zgniecenia przegrzaną parą wodną. Jednostkowe zużycie paliwa zmniejsza się o 4-10%.
Dodatek wody do paliwa umożliwia zmniejszenie zawartości niektórych substancji toksycznych w spalinach poprzez obniżenie maksymalnych temperatur w komorze spalania, od których wartości zależy ilość NOx. W przypadku stosowania emulsji wodno-paliwowych ilość NOx można zmniejszyć o 40-50%. Zmniejsza się również nieprzezroczystość spalin, ponieważ sadza w obecności pary wodnej oddziałuje z nimi, tworząc dwutlenek węgla i azot. Emisja CO pozostaje praktycznie niezmieniona w porównaniu z pracą silnika spalinowego na paliwie bez dodatku wody, a emisja SpNsh nieznacznie wzrasta. Ten rodzaj paliwa nie znalazł jeszcze szerokiego zastosowania w transport drogowy, ponieważ konstrukcja samochodu staje się bardziej skomplikowana, podczas eksploatacji pojawia się szereg problemów okres zimowy, wpływ wody na warunki pracy i trwałość silnika spalinowego nie został wystarczająco zbadany.
alkohole syntetyczne. Jako paliwo do silników spalinowych samochodów, metanol i etanol znalazły zastosowanie zarówno w postaci czystej, jak i jako składnik mieszanek wieloskładnikowych.
Najbardziej rozpowszechnione samochody napędzane alkoholem są w Brazylii, która importuje 80-85% produktów ropopochodnych, płacąc za nie w obcej walucie. Koszty paliwa rosną z roku na rok i sięgają miliardów dolarów. Dlatego kraj ogłosił z entuzjazmem prezydent ogłosił w 1975 roku. projekt alkoholizacji transportu. zbiorniki paliwa samochody brazylijskie zatankować mieszanką alkoholu i benzyny w stosunku 1: 4.
Z czasem planowane jest przestawienie całej floty na stosowanie alkoholu etylowego zamiast benzyny. Alkohol pozyskiwany jest z trzciny cukrowej (Brazylia jest największym na świecie producentem tej rośliny). Z 1 hektara można pozyskać do 80 ton biomasy rocznie. Plantacje, zajmujące 2% powierzchni kraju, wystarczą na zaspokojenie zapotrzebowania na nowe paliwo.
Według ekspertów 1 litr alkoholu kosztuje 30-35% taniej niż benzyna.
Meksyk, drugi najbardziej zaludniony kraj Ameryki Łacińskiej, ma zamiar pójść za przykładem Brazylii. W USA jest również zainteresowanie produkcją spirytusu opałowego z odpadów drzewnych, rolniczych i innych.
Z energetycznego punktu widzenia zaletą paliw alkoholowych jest wysoka wydajność procesu roboczego i wysokiej odporności przeciwstukowej paliwa, ale kaloryczność alkoholi jest o połowę niższa niż benzyn. Niska wartość energetyczna alkoholi prowadzi do wzrostu jednostkowego zużycia paliwa.
Stosowanie alkoholi wymaga stosunkowo niewielkiej zmiany w konstrukcji samochodu. Główne środki to zwiększenie pojemności zbiorników paliwa i zainstalowanie urządzeń zapewniających stabilny rozruch silnika przy każdej pogodzie. Wymaga to również wymiany niektórych metali i materiałów uszczelek, w szczególności plastikowej okładziny zbiornika metanolu. Wynika to z dużej korozyjności alkoholi i konieczności dokładniejszego uszczelnienia układu zasilania paliwem, gdyż metanol jest trucizną nerwowo-naczyniową. Zastosowanie mieszaniny benzometanolu wiąże się z szeregiem innych szczególnych wymagań. W szczególności zaostrza się wymagania dotyczące nasyconej prężności par benzyny, ponieważ nawet przy 5% dodatku metanolu znacznie wzrasta. Aby uniknąć rozdzielenia mieszaniny, podczas jej przechowywania, transportu i użytkowania należy przestrzegać określonej temperatury i zapobiegać przedostawaniu się do niej wody. Niektóre materiały syntetyczne stosowane w układach paliwowych i w systemy samochodowe odżywianie, okazały się niestabilne dla mieszaniny benzometanolu. Podczas przesiadki z benzyny na mieszankę benzometanolu musiałem zmienić wydajność odrzutowców, jednocześnie nieznacznie zwiększając ogólne zużycie paliwa. Jednocześnie stwierdzono, że mieszanka o zawartości metanolu do 15% nie pogarsza głównych wskaźników technicznych i eksploatacyjnych samochody ciężarowe. Wysokie działanie przeciwstukowe alkoholi umożliwia zwiększenie stopnia sprężania silnika spalinowego do 14-15 jednostek.
Stosowanie paliw alkoholowych zmniejsza zawartość substancji toksycznych w spalinach, co tłumaczy się niższą temperaturą spalania paliwa alkoholowego.
Od początku lat 70., kiedy sytuacja energetyczna i środowiskowa gwałtownie się pogorszyła, prawie wszystkie kraje uprzemysłowione rozpoczęły szeroko zakrojone poszukiwania alternatywnych źródeł energii, które mogą zastąpić benzynę i olej napędowy. Wśród paliw alternatywnych Specjalna uwaga zwraca się uwagę na wodór: jego zastosowanie w silnikach spalinowych umożliwia rozwiązanie zarówno problemów surowcowych, jak i środowiskowych, i to bez radykalnej przebudowy bazy technicznej nowoczesnej budowy silników. W szczególności badania wykazały, że zastosowanie wodoru jako głównego lub dodatkowego paliwa w silnikach z wymuszonym zapłonem ładunku zwiększa ich efektywność paliwową o 30–40% i znacznie zmniejsza toksyczność spalin, ponieważ właściwości silnika pozwalają silnikom na działają na ubogich mieszankach z wysokiej jakości regulacją mocy. Za granicą prace nad stworzeniem samochodowych „wodorowych” silników spalinowych są prowadzone przez zaawansowane kraje rozwinięte od dawna i całkiem pomyślnie. W szczególności, firma samochodowa Daimler-Benz (Niemcy) produkował samochody i minibusy na bazie modele produkcyjne, których silniki zasilane są zarówno benzyną z dodatkiem wodoru, jak i „czystym” wodorem. Spośród trzech metod magazynowania wodoru akceptowalnego dla pojazdów mechanicznych - sprężonego do 20 MPa, skroplonego w temperaturze 20 K lub związanego chemicznie w wodorkach metali - ostatni zastosowano w eksperymentalnych samochodach firmy Daimler-Benz.
Decydujący wpływ transportu na stan środowiska wymaga zwrócenia szczególnej uwagi na stosowanie nowych, przyjaznych dla środowiska paliw. Należą do nich przede wszystkim gaz skroplony lub sprężony.
W praktyce światowej jako paliwo silnikowe najczęściej stosuje się sprężony gaz ziemny zawierający co najmniej 85% metanu.
Stosowanie powiązanego gazu ziemnego jest mniej powszechne; który jest mieszaniną głównie propanu i butanu. Ta mieszanina może być w stanie ciekłym w zwykłych temperaturach pod ciśnieniem do 1,6 MPa. Do zastąpienia 1 litra benzyny potrzeba 1,3 litra gazu płynnego, a jego ekonomiczność w przeliczeniu na ekwiwalent kosztów paliwa jest 1,7 razy mniejsza niż gazu sprężonego. Należy zauważyć, że gaz ziemny, w przeciwieństwie do gazu ziemnego, nie jest toksyczny.
Z przeprowadzonej analizy wynika, że zastosowanie gazu zmniejsza emisję: tlenków węgla – 3-4 krotnie; tlenki azotu - 1,5-2 razy; węglowodory (bez metanu) - 3-5 razy; cząsteczki sadzy i dwutlenek siarki (zadymienie) silników Diesla - 4-6 razy.
Podczas pracy na gazie ziemnym o współczynniku nadmiaru powietrza a=1,1 emisja WWA ze spalania paliwa i oleju smarowego (w tym benzo(a)pirenu) w silniku wynosi 10% emisji z pracy na benzynie. Silniki na gaz ziemny spełniają już wszystkie współczesne normy dotyczące zawartości składników gazowych i stałych w spalinach.
|
Toksyczne składniki układu wydechowego |
|||||
|
Rodzaj paliwa |
(bez metanu) |
Benzopiren |
|||
|
Benzyna (silniki z neutralizacją) | |||||
|
Olej napędowy | |||||
|
Benzyna + olej napędowy | |||||
|
propan butan | |||||
|
Natura, skompresowany | |||||
Na szczególną uwagę zasługują emisje węglowodorów, które ulegają fotochemicznemu utlenianiu w atmosferze pod wpływem promieniowania ultrafioletowego (przyspieszonego w obecności NOx). Produkty tych reakcji utleniających tworzą tzw. smog. W silnikach benzynowych główną emisją węglowodorów jest etan i etylen, aw silnikach gazowych - metan. Wynika to z faktu, że ta część emisji silniki benzynowe Powstaje w wyniku krakingu oparów benzyny w niepalnej części mieszanki w wysokich temperaturach, a niepalny metan nie podlega jakimkolwiek przemianom w silnikach gazowych.
Węglowodory nienasycone, takie jak etylen, najłatwiej ulegają utlenieniu pod wpływem promieniowania ultrafioletowego. Ograniczone węglowodory, w tym metan, są bardziej stabilne, ponieważ wymagają twardszego (krótkofalowego) promieniowania do reakcji fotochemicznej. W widmie promieniowania słonecznego składnik inicjujący utlenianie metanu ma tak niskie natężenie w porównaniu z inicjatorami utleniania innych węglowodorów, że praktycznie nie zachodzi utlenianie metanu. Dlatego też w restrykcyjnych normach dotyczących emisji spalin samochodowych w wielu krajach węglowodory są uwzględniane bez metanu, chociaż przeliczenie odbywa się dla metanu.
Tak więc, mimo że ilość węglowodorów w spalinach silników zasilanych gazem ziemnym jest taka sama jak w silnikach benzynowych, a w gazowych silnikach Diesla często jest większa, efekt zanieczyszczenia powietrza tymi składnikami paliwem gazowym jest kilka razy mniej niż w przypadku cieczy.
Należy również pamiętać, że stosowanie paliwa gazowego zwiększa zasoby silnikowe silnika - o 1,4-1,8 razy; żywotność świec zapłonowych - 4 razy i oleju silnikowego - 1,5-1,8 razy; przebieg remontu - 1,5-2 razy. Zmniejsza to poziom hałasu o 3-8 dB i czas tankowania. Wszystko to zapewnia szybki zwrot kosztów przestawienia pojazdów na gazowe paliwo silnikowe.
Uwagę specjalistów przyciągają kwestie bezpieczeństwa stosowania paliwa do silników gazowych. Na ogół wybuchowa mieszanina paliw gazowych z powietrzem powstaje w stężeniach 1,9-4,5 razy. Pewne niebezpieczeństwo stwarzają jednak wycieki gazu przez nieszczelne połączenia. Pod tym względem skroplony gaz ropopochodny jest najbardziej niebezpieczny, ponieważ. gęstość jego pary jest większa niż gęstość powietrza, a dla sprężonego powietrza jest mniejsza (odpowiednio 3: 1,5: 0,5). W konsekwencji, po pozostawieniu nieszczelności, wycieki sprężonego gazu unoszą się i znikają, podczas gdy ulatniający się gaz skroplony tworzy lokalne spiętrzenia i podobnie jak płynne produkty ropopochodne „rozlewa się”, co po zapaleniu wzmaga pożar.
Oprócz skroplonego lub sprężonego gazu, wielu ekspertów przewiduje wielką przyszłość dla ciekłego wodoru, jako niemal idealnego z ekologicznego punktu widzenia paliwa silnikowego. Kilka dekad temu wykorzystanie ciekłego wodoru jako paliwa wydawało się dość odległe. Ponadto tragiczna śmierć w przededniu II wojny światowej napędzanego wodorem sterowca „Hindenburt” tak nadszarpnęła opinię publiczną „paliwa przyszłości”, że na długi czas została wykluczona z jakichkolwiek poważnych projektów.
Szybki rozwój technologii kosmicznej ponownie zmusił nas do zwrócenia się ku wodorowi, tym razem już płynnemu, jako niemal idealnemu paliwu do eksploracji i rozwoju kosmosu na świecie. Jednak złożone problemy inżynierskie związane zarówno z właściwościami samego wodoru, jak i jego produkcją nie zniknęły. Jako paliwo transportowe wygodniejsze i bezpieczniejsze jest stosowanie wodoru w postaci płynnej, gdzie w przeliczeniu na jeden kilogram przewyższa kalorycznie naftę 8,7-krotnie, a ciekły metan 1,7-krotnie. Jednocześnie gęstość ciekłego wodoru jest mniejsza niż gęstość nafty o prawie rząd wielkości, co wymaga znacznie większych zbiorników. Ponadto wodór musi być przechowywany pod ciśnieniem atmosferycznym w bardzo niskiej temperaturze - 253 stopni Celsjusza. Stąd konieczność odpowiedniej izolacji termicznej zbiorników, co wiąże się również z dodatkowym ciężarem i objętością. Wysoka temperatura spalania wodoru prowadzi do powstawania znacznych ilości szkodliwych dla środowiska tlenków azotu, jeśli czynnikiem utleniającym jest powietrze. I na koniec notoryczny problem z bezpieczeństwem. Nadal pozostaje poważny, choć obecnie uważa się, że jest mocno przesadzony. Osobno należy powiedzieć o produkcji wodoru. Prawie jedynymi surowcami do produkcji wodoru są dziś te same paliwa kopalne: ropa naftowa, gaz i węgiel. Dlatego prawdziwy przełom w globalnej bazie paliwowej opartej na wodorze można osiągnąć jedynie poprzez fundamentalną zmianę sposobu jego wytwarzania, kiedy to woda stanie się surowcem, a Słońce lub siła spadającej wody stanie się podstawowym źródłem energii. Wodór jest zasadniczo lepszy od wszystkich paliw kopalnych, w tym gazu ziemnego, pod względem odwracalności, czyli praktycznej niewyczerpywalności. W przeciwieństwie do paliw wydobywanych z ziemi, które po spaleniu są bezpowrotnie tracone, wodór jest wydobywany z wody i spalany z powrotem do wody. Oczywiście, aby otrzymać wodór z wody, trzeba wydatkować energię, i to znacznie więcej, niż można zużyć później w jego spalaniu. Ale to nie ma znaczenia, jeśli tak zwane pierwotne źródła energii są z kolei niewyczerpalne i przyjazne dla środowiska.
Opracowywany jest również drugi projekt, w którym Słońce jest wykorzystywane jako źródło energii pierwotnej. Szacuje się, że na szerokościach geograficznych ± 30-40 stopni nasza oprawa nagrzewa się około 2-3 razy mocniej niż na bardziej północnych szerokościach geograficznych. Wynika to nie tylko z wyższej pozycji Słońca na niebie, ale także z nieco rzadszej atmosfery w tropikalnych rejonach Ziemi. Jednak prawie cała ta energia szybko się rozprasza i znika. Pozyskiwanie ciekłego wodoru za jego pomocą jest najbardziej naturalnym sposobem gromadzenia energii słonecznej z jej późniejszym dostarczaniem do północnych regionów planety. I nie przypadkiem ośrodek badawczy zorganizowany w Stuttgarcie nosi charakterystyczną nazwę „Słoneczny wodór – źródło energii przyszłości”. Zgodnie z przedstawionym projektem instalacje akumulujące światło słoneczne mają być zlokalizowane na Saharze. Skoncentrowane w ten sposób niebiańskie ciepło będzie wykorzystywane do napędzania turbin parowych wytwarzających energię elektryczną. Dalsze powiązania schematu są takie same, jak w wersji kanadyjskiej, z tą różnicą, że płynny wodór do Europy jest dostarczany przez Morze Śródziemne. Zasadnicze podobieństwo obu projektów, jak widzimy, polega na tym, że są one przyjazne dla środowiska na wszystkich etapach, w tym nawet w transporcie skroplonego gazu drogą wodną, ponieważ tankowce znów napędzane są paliwem wodorowym. Już teraz takie znane na całym świecie niemieckie firmy, jak Linde i Messergrisheim, zlokalizowane w okolicach Monachium, produkują wszystkie niezbędne urządzenia do produkcji, skraplania i transportu ciekłego wodoru, z wyjątkiem pomp kriogenicznych. Ogromne doświadczenie w wykorzystaniu ciekłego wodoru w technice rakietowej i kosmicznej zgromadziła zlokalizowana w Monachium firma MBB, uczestnicząca w niemal wszystkich prestiżowych zachodnioeuropejskich programach eksploracji kosmosu. Aparatura badawcza firmy z zakresu kriogeniki wykorzystywana jest także na amerykańskich promach kosmicznych. Znana niemiecka linia lotnicza Deutsche Airbus opracowuje pierwszy na świecie airbus latający na ciekły wodór. Oprócz względów środowiskowych stosowanie ciekłego wodoru w lotnictwie konwencjonalnym i naddźwiękowym jest preferowane z innych powodów. W ten sposób masa startowa samolotu jest zmniejszona o około 30%, przy zachowaniu wszystkich innych parametrów. To z kolei pozwala na krótszy rozbieg i bardziej stromą krzywą startu. Dzięki temu ograniczany jest hałas – to plaga nowoczesnych lotnisk, często zlokalizowanych w gęsto zaludnionych obszarach. Nie wyklucza się również możliwości zmniejszenia oporów czołowych samolotu poprzez silne chłodzenie jego przednich części, które stykają się z przepływem powietrza.
Wszystko to pozwala stwierdzić, że przejście na paliwo wodorowe, przede wszystkim w lotnictwie, a następnie w transporcie lądowym, stanie się rzeczywistością już w pierwszych latach nowego stulecia. Do tego czasu problemy techniczne zostaną przezwyciężone, ostatecznie wyeliminowana zostanie nieufność do wodoru jako zbyt niebezpiecznego paliwa i stworzona zostanie niezbędna infrastruktura.
Na całym świecie paliwa kopalne są nadal wszędzie wykorzystywane jako źródło energii, co, choć z roku na rok poprawia stan środowiska, to zanieczyszczenie pochodzące ze spalin pozostaje jednym z głównych problemów środowiskowych. To skłania naukowców i inżynierów do zastanowienia się nad możliwością wykorzystania paliw alternatywnych jako innych źródeł energii.
Istnieje wiele takich rozwiązań, ale niewiele rodzajów paliw przyjaznych dla środowiska trafia do seryjnego użytku.
ciśnienie sprężonego powietrza
Siłownik pneumatyczny został opracowany niemal jednocześnie we Francji i Indiach. Teraz takie samochody są już produkowane masowo. Do ruchu wykorzystywana jest siła generowana przez sprężone powietrze. Taki pojazd rozwija prędkość do 35 km/h (zużywając skromną ilość paliwa do 90 km/h). Konsumpcja skompresowane powietrze w ekwiwalencie benzyny wynosi około jednego litra na 100 kilometrów.
silnik alkoholowy
Etanol lub alkohol etylowy to jedno z najpopularniejszych paliw alternatywnych. W USA i Brazylii ok. 32 tys stacje benzynowe sprzedam paliwo etylowe. Korzysta z niego ponad 230 milionów pojazdów na całym świecie. Substancja uzyskiwana podczas fermentacji różnych upraw zapewnia wystarczającą ilość energii, a produkty jej spalania nie powodują żadnych szkód w środowisku.
Energia z biodiesla lub oleju roślinnego
Projekt silnik wysokoprężny sam w sobie jest wydajniejszy niż benzyna. A jeśli napełnisz go olejem roślinnym, to jest również przyjazny dla środowiska. Mówimy o specjalnie przetworzonym oleju. Takie paliwo można uzyskać nawet w domu, stosując proste procesy technologiczne. Technologia ta ma wiele zalet: nie ma potrzeby zmiany konstrukcji silników w już zmontowanych samochodach, do jej produkcji wykorzystywane są surowce odnawialne, a spaliny są całkowicie bezpieczne dla środowiska.
Silnik wodorowy
Na początku XXI wieku opracowano silnik wodorowy. Technologicznie możliwe jest stosowanie paliwa wodorowego konwencjonalny silnik spalanie wewnętrzne, ale wtedy moc spada o 60 - 82%. Jeśli dokonasz niezbędnych zmian w układzie zapłonowym, to wręcz przeciwnie, moc wzrośnie tylko o 117%, w tym przypadku wzrost produkcji tlenków azotu prowadzi do spalania tłoków i zaworów, a wejście prowadzi do reakcji wodoru z innymi materiałami szybkie zużycie silnik. Jego ulepszona wersja w przyszłości mogłaby nawet wykorzystywać wodę jako paliwo. Ponadto wodór jest bardzo lotny, dlatego trudno go przechowywać w postaci płynnej, np zbiornik paliwa BMW wodór ( samochód na zdjęciu) w zaledwie tydzień nieużywania odparowuje połowa zbiornika paliwa wodorowego.
silnik elektryczny
Istnieje rodzaj silnika, który w ogóle nie wytwarza spalin - elektryczny. Technologia zaczyna swoją historię w XIX wieku. Popularność silnik elektryczny tramwaje i trolejbusy służyły jako transport miejski, ale w tym przypadku transport wymagał stałego prądu elektrycznego w postaci przewodów. Samochód elektryczny nigdy nie zyskał wówczas popularności, choć pojawił się wcześniej niż samochód z silnikiem spalinowym. Teraz samochody elektryczne są produkowane masowo, w miastach wyposażane są elektryczne stacje benzynowe do nich, a technologia ta zyskuje na popularności.
samochód hybrydowy
Szczególną popularnością cieszą się samochody hybrydowe z jednoczesnym wykorzystaniem silnika elektrycznego i spalinowego, co pozwala na napędzanie samochodu zarówno na prąd, jak i na konwencjonalne paliwo. samochody hybrydowe Oczywiście nie pozbawiają atmosfery całkowicie szkodliwych emisji, ale zmniejszają ilość spalin, pozwalając jednocześnie na znaczną oszczędność paliwa i obniżenie osiągów.
Rząd Moskwy postanowił powierzyć dystrybucję ekologicznych paliw i źródeł energii w transporcie samochodowym miasta niektórym przedsiębiorstwom motoryzacyjnym. , który niewiele różni się od benzyny, jest mniej praktyczny niż paliwa alternatywne.
Przedsiębiorstwa prowadziły prace nad eksperymentalnymi już modelami samochodów przystosowanych do zasilania sprężonym gazem ziemnym, czyli metanem.
Połowa wszystkich pojazdów we flocie firmy jest napędzana paliwami alternatywnymi.
Do tej pory taki sprzęt nigdy nie był używany w rosyjskich miastach, aktywnie zdobywane doświadczenie pozwala teraz zdobyć niezbędną wiedzę, która stworzy warunki do ekspansji i wdrażania innowacji we wszystkich regionach kraju.
W latach sześćdziesiątych prawie wszystkie kraje wysoko rozwinięte miały sektor energetyczny zależny od ropy. Kraje zachodnie wygrały za zestaw eksportu taniej ropy, baryłka kosztowała ich około 5 dolarów. Co zaowocowało dość wysokimi . 13 lat później organizacja arabskich krajów eksportujących ropę nałożyła embargo na import ropy do Stanów Zjednoczonych Ameryki, było to spowodowane faktem, że w wojnie między Izraelem a Syrią i Egiptem, Ameryka północna wspierał Izrael. Po tym incydencie kraje, które nazywały się wysoko rozwiniętymi, doszły do wniosku, że dotychczasowe plany gospodarcze są już nieskuteczne, należy pilnie opracować nowe, uwzględniające zupełnie inne rodzaje paliw. Najsłabszym punktem była branża transportowa, która wykorzystywała paliwa węglowodorowe.
Innym powodem poszukiwania alternatywy dla ropy naftowej był fakt, że jej produkcja z roku na rok stawała się coraz droższa, a jej rezerwy w trzewiach ziemi zużywały się w bardzo szybkim tempie i mogły całkowicie zniknąć za około 50 lat.
Najciekawsze jest to silnik gazowy wcale nie nowość naszych czasów, ponieważ został wynaleziony w bardzo odległym XIX wieku przez inżyniera z Francji, Lenoira, pracował oczywiście nad gazem. Obecnie przy stosowaniu paliw alternatywnych w samochodach najczęściej stosuje się gaz.
Nie myl go z gazem domowym, ponieważ podczas tankowania samochodu stacje benzynowe używają specjalnych składników propanu-butanu, jest to gaz płynny. Jego stosowanie jest tańsze i przyjazne dla środowiska w porównaniu z benzyną. Samochody są tankowane w specjalnych kompleksach do tankowania alternatywnych rodzajów paliwa.
Najlepsze paliwo do pojazdów.
Gaz ziemny, metan, jest tym, co pod względem wydajności przewyższa zarówno benzynę, jak i gaz ziemny. Zwykle są wypełnione samochodami przez tych, którzy chcą podróżować dwa razy więcej za te same pieniądze, większą odległość.
Nie powoduje powstawania sadzy, olej silnikowy nie podlega zmianom. Znacznie mniej uszkodzeń tłoków i cylindrów, dobre osiągi silnika. Brak sadzy, olej silnikowy nie skrapla się. Mniejsze zużycie tłoków i cylindrów, poprawia żywotność silnika. Sadza olejowa plus sadza utlenia olej, znacznie zmniejszając właściwości smarne.
Niewiele jest wyspecjalizowanych punktów, w których można bez problemu zatankować. Istnieje sieć stacji benzynowych. Wiele miejsc do wypełnienia.
Nie wymaga żadnej obróbki, nadaje się do użytku w pierwotnej postaci. Mieszanka, która wymaga odpowiednich proporcji uwzględniających pory roku. Wymagane są rafinerie ropy naftowej.
Dostawa realizowana jest trasami transportu gazu. Transportowane są specjalnymi ciągnikami. Podobnie jak propan-butan dostarczany jest na stacje benzynowe w cysternach.
Zbadane złoża powinny wystarczyć ludzkości na około 200 lat. Ponieważ gaz jest wydobywany z ropy naftowej, wystarczy na około 50 lat. Produkowany z ropy naftowej, zapas nie dłuższy niż 50 lat.
Dość tanie i wymaga niewielkiej inwestycji. To ma Średnia cena. Koszt niestabilny, w tym sensie, że co roku rośnie.
Drogi sprzęt, bardzo mało specjalistów. Federacja Rosyjska, montażem i produkcją oraz naprawą instalacji. Nie tani sprzęt. Nie ma potrzeby stosowania dodatkowego wyposażenia.
Nie ma możliwości kradzieży metanu na stacjach benzynowych lub ze zbiorników samochodowych. Nie możesz kraść na stacjach benzynowych. Łatwy do odsprzedaży.
Prawie nie zmienia swoich właściwości wraz ze spadkiem temperatury. Właściwości spadają wraz ze spadkiem temperatury Niewielkie zmiany właściwości spadają wraz ze spadkiem temperatury.
Posiada najwyższą 4 klasę bezpieczeństwa. Niezbyt bezpieczne, ponieważ ma tylko 2 klasę bezpieczeństwa. Zabezpieczenie stabilne, 3 klasa.
Wniosek nasuwa się sam, metan ma tylko trzy wady w porównaniu z innymi rodzajami paliw. Problemy ze specjalistami są łatwe do rozwiązania, a wysoki koszt sprzętu i tak z czasem się zwraca, za zestaw tych samych oszczędności. Metan jest paliwem, które ma najlepsze osiągi spośród innych paliw.
Dziś prawie wszystkie samochody można napełniać metanem, ale w latach 90. wierzono, że jest on przeznaczony do samochodów ciężarowych i autobusów. Umieszczono go w specjalnych stalowych butlach, które wytrzymywały ciśnienie 200 atmosfer. Ale ciężar cylindra o wadze 100 kilogramów odstraszył kierowców, więc niewiele osób przeniosło swoją „bestię” na to paliwo. Teraz jest to tak proste, jak każde inne paliwo.
Dziś stalowe butle zostały zastąpione mniej wytrzymałymi stopami kompozytowymi, niezawodność padła ofiarą lekkości, czyli mniejszej wagi butli. Cylindry, podobnie jak stal, wytrzymują ciśnienie i wysokie temperatury. Wybuchowość jest przeceniana, metan może zapalić się dopiero przy temperaturze 600 stopni, podczas gdy benzyna ma 250, nie mówiąc już o jego oparach, które wystarczają na 170 stopni.
Zastosowanie w krajach europejskich
Powszechne użycie rośnie skokowo. Obecnie jest 10 milionów automatów LPG. Rosja jest liderem w dostawach paliwa gazowego na rynku zachodnim.
Nowoczesne fabryki są koniecznie zaangażowane w rozwój i produkcję jednego lub dwóch modeli butli gazowych. samochody Audi, Honda, Toyota i inne. Wszyscy zaczynają zakładać produkcję samochodów.
Oceniono korzyści energetyczne różne kraje, o różnych warunkach ekonomicznych. Auto zdolne do używania paliwo gazowe, można znaleźć od USA po Azję. W Rosji jest bardzo mało fabrycznych samochodów napełnianych gazem, najczęściej można znaleźć odpowiedniki benzyny przerobione na gaz.
Samochody z takim alternatywnym paliwem jak gaz są dobrze produkowane w takich krajach jak Niemcy czy Czechy. Wynika to z faktu, że pierwszy ma doskonałą infrastrukturę do tankowania, drugi ma zostać zastąpiony bardziej ekonomicznymi odpowiednikami 10% paliwa. Włochy to kraj, w którym pojazdy zasilane LPG są już szeroko rozpowszechnione. Ponad 779 tysięcy GBA, podróżujących po bezkresach tego kraju.
Transport drogowy jako źródło zanieczyszczeń środowiska. Przyczyny powstawania toksycznych składników w spalinach silników spalinowych
W ostatnie lata W związku ze wzrostem natężenia ruchu w miastach gwałtownie wzrosło zanieczyszczenie atmosfery produktami spalania silników. Gazy spalinowe silników spalinowych (ICE) składają się głównie z nieszkodliwych produktów spalania paliw - dwutlenku węgla i pary wodnej. Jednak w stosunkowo niewielkich ilościach zawierają substancje o działaniu toksycznym i rakotwórczym. Są to tlenek węgla, węglowodory o różnym składzie chemicznym, tlenki azotu, które powstają głównie podczas wysokie temperatury i ciśnienie.
Podczas spalania paliw węglowodorowych dochodzi do powstawania substancji toksycznych, związanych z warunkami spalania, składem i stanem mieszaniny. W silnikach o zapłonie iskrowym stężenie tlenku węgla osiąga wysokie wartości z powodu braku tlenu do całkowitego utlenienia paliwa podczas pracy na bogatej w paliwo mieszance.
Podczas jazdy w mieście i na drogach o zmiennym nachyleniu i często zmieniających się prędkościach przy włączonym biegu i otwartej przepustnicy, silniki muszą przepracować około 1/3 czasu jazdy na wymuszonym biegu jałowym. Na wymuszonym biegu jałowym silnik nie poddaje się, a wręcz przeciwnie, pochłania energię zgromadzoną przez samochód. Jednocześnie nieracjonalnie zużywane jest paliwo, którego zwiększona absorpcja prowadzi do największej emisji toksycznych gazów CO i CH do atmosfery.
Spaliny samochodowe są mieszaniną około 200 substancji. Zawierają węglowodory - niespalone lub niecałkowicie spalone składniki paliwa, których udział gwałtownie wzrasta w przypadku pracy silnika na niskich obrotach lub w momencie zwiększania obrotów na starcie, tj. w korkach i na czerwonych światłach. To właśnie w tym momencie po naciśnięciu pedału gazu uwalnia się najwięcej niespalonych cząstek: około 10 razy więcej niż podczas normalnej pracy silnika. Niespalone gazy obejmują również zwykły tlenek węgla, który powstaje w takiej czy innej ilości wszędzie tam, gdzie coś się pali. Gazy spalinowe silnika pracującego na normalnej benzynie i podczas normalnej pracy zawierają średnio 2,7% tlenku węgla. Wraz ze spadkiem prędkości udział ten wzrasta do 3,9%, a przy niskiej prędkości do 6,9%.
Głównymi czynnikami eksploatacyjnymi wpływającymi na poziom szkodliwych emisji silnika są czynniki charakteryzujące stan części zespołu cylinder-tłok (CPG). Zwiększone zużycie części CPG i odchylenia od ich prawidłowego kształtu geometrycznego powodują wzrost stężenia toksycznych składników w spalinach (EG) i gazach ze skrzyni korbowej (CG).
Podstawową częścią CPG, od której zależą osiągi i ekologiczność silnika, jest cylinder, ponieważ szczelność komory spalania zależy od szczelności pierścienia w połączeniu z cylindrem. Z stan techniczny cylindrów i pierścieni tłokowych zależy głównie od intensywności narastania szczelin między pierścieniami i rowków tłokowych. Tym samym monitorowanie i regulacja szczeliny między pierścieniem a cylindrem podczas pracy stanowi znaczną rezerwę na zmniejszenie ilości szkodliwych zanieczyszczeń w spalinach i spalinach poprzez poprawę warunków spalania paliwa oraz zmniejszenie ilości oleju pozostającego w -miejsce na tłok.
Toksyczne emisje z silników spalinowych to gazy wydechowe i gazy ze skrzyni korbowej. Wraz z nimi do atmosfery dostaje się około 40% toksycznych zanieczyszczeń z całkowitej emisji. Zawartość węglowodorów w spalinach zależy od stanu technicznego i regulacji silnika i na biegu jałowym waha się od 100 do 5000% lub więcej. Przy całkowitej niewielkiej ilości gazów ze skrzyni korbowej równej 2-10% gazów spalinowych ogólne zanieczyszczenie atmosfery, udział gazów ze skrzyni korbowej wynosi około 10% dla nielicznych zużyte silniki i wzrasta do 40% podczas pracy silnika ze zużyciem grupa cylinder-tłok, ponieważ stężenie węglowodorów w gazach ze skrzyni korbowej jest 15-10 razy wyższe niż w zużytym silniku. Liczba CG, a także ich skład chemiczny zależą od stanu części CPG uszczelniających komorę spalania. Przenikanie gazów z cylindra do skrzyni korbowej iz powrotem zależy od wielkości szczelin między ocierającymi się częściami CPG. Jednocześnie wzrasta udział węglowodorów o właściwościach rakotwórczych ze względu na zwiększone straty oleju i zwiększony przepływ gazów ze skrzyni korbowej przez zamknięty układ wentylacji skrzyni korbowej.
Osiągając granicę zużycia silnika, emisja wzrasta średnio o 50%. Na przykładzie przyspieszonych testów przeprowadzonych w NAMI stwierdzono, że zużycie silnika zwiększa emisję węglowodorów 10-krotnie. Większość silników zwiększona nieprzezroczystość EG spada na silniki, które przeszły wyremontować.
Stopień dekompresji komory spalania zależy od zużycia części CPG, odchylenia ich makrogeometrii od prawidłowego kształtu geometrycznego. Wraz ze wzrostem nieszczelności komory spalania następuje wzrost CO i CH oraz spadek CO2 w wyniku pogorszenia warunków spalania paliwa. Oprócz obniżenia jakości organizacji procesu pracy, szczeliny między pierścieniem a cylindrem, a także między pierścieniem a rowkiem tłoka, prowadzą do zwiększenia ilości oleju, który przedostał się do -przestrzeń tłoka, do zwiększenia odchylenia od zadanej dynamiki wydzielania ciepła podczas procesu spalania, a w konsekwencji do wzrostu całkowitej masy emisji toksycznych. Olej stanowi 30-40% cząstek stałych w spalinach.
Podstawową częścią CPG jest cylinder, od którego zależy ekonomiczna i środowiskowa wykonalność eksploatacji silnika. Zużycie tulei cylindrowych ma wyraźny owalny kształt, którego główna oś znajduje się w płaszczyźnie obrotu korbowodu. Przyczyną powstawania owalności cylindrów jest głównie zwiększone obciążenie tłoków na tulejach w płaszczyźnie wychylenia korbowodów. Niedoskonałość technologii montażu bloku cylindrów wpływa również na owalność cylindrów. Zmiana makrogeometrii cylindrów (owalność i zbieżność) po złożeniu silnika prowadzi również do pogorszenia dopasowania pierścieni tłokowych do zwierciadła cylindra. Wiadomo, że przy montażu tulei w blokach różne marki ICE, owalność w cylindrach wzrasta 2-3 razy.
Bardzo ważne jest, aby zauważyć, że charakter odkształcenia makrogeometrii tulei cylindrowych po montażu i podczas pracy jest taki sam dla większości konstrukcji bloków cylindrów z „ mokre skorupy". Główna oś owalu powstałego podczas montażu, w strefie oporowej górnego pierścienia dociskowego w górnym martwym punkcie tłoka, ma ten sam kierunek, co główna oś owalu powstałego podczas pracy. Taki charakter odkształcenia cylindrów tłumaczy się większym odkształceniem bloku w miejscach między otworami na tuleje.
Zmniejszenie owalności cylindrów pomaga zmniejszyć tempo zużycia pierścieni tłokowych i rowków, co generalnie poprawia pracę pierścieni tłokowych i poprawia uszczelnienie komory spalania. Wiadomo, że wymiana pierścienie zgarniające olej po rozwinięciu się zasobu krańcowego w pewnym stopniu się odbudowuje średni poziom toksyczność silnika. Niewątpliwie, jeśli przy wymianie pierścieni owalność cylindrów zostanie dostosowana do poziomu wartości granicznej dla produkcji nowych tulei, efekt będzie znacznie większy.
Opracowanie nowych metod mieszania i rozpuszczania oraz matematycznego opisu działania odpowiednich dodatków i dodatków w paliwach ropopochodnych znacznie skróci czas opracowywania nowych składów paliw alternatywnych i przewidywania ich właściwości fizykochemicznych, co sprawi, że możliwe usprawnienie pracy silnika przy stosowaniu nowych paliw alternatywnych.
Analiza literatury krajowej i zagranicznej wykazała, że rozwój przejścia na nowe rodzaje paliw będzie przebiegał przez trzy główne etapy. W pierwszym etapie stosowane będą standardowe paliwa ropopochodne, alkohole, dodatki wodoru i paliwa zawierające wodór, paliwa gazowe oraz różne ich kombinacje, co rozwiąże problem częściowych oszczędności paliwo ropopochodne. Drugi etap będzie oparty na produkcji paliw syntetycznych, podobnych do ropy naftowej, produkowanych z węgla, łupków bitumicznych itp. Na tym etapie rozwiązane zostaną problemy długoterminowego zasilania istniejącej floty silników nowymi rodzajami paliw. Ostatni, trzeci etap charakteryzować się będzie przejściem na nowe rodzaje nośników energii i elektrowni (silniki napędzane wodorem, wykorzystanie energii jądrowej).
Konwersja silników spalinowych na wodór i paliwo zawierające wodór jest złożonym procesem społeczno-gospodarczym, który będzie wymagał poważnej restrukturyzacji wielu gałęzi przemysłu, dlatego na pierwszym etapie najbardziej akceptowalną opcją jest eksploatacja silników Diesla z dodatkiem paliw zawierających wodór. Skrajnie ograniczone informacje literaturowe dotyczące charakterystyki spalania paliw węglowodorowych z dodatkiem wodoru i amoniaku w silnikach ZS nie pozwalają na jednoznaczną odpowiedź na pytanie o wpływ paliw zawierających wodór na osiągi silnika ZS.
Wyjątkowo słabo zbadane zostało również zagadnienie stosowania syntetycznego paliwa ciekłego (GTL) wytwarzanego z węgla w silnikach o zapłonie samoczynnym. Różne dane literaturowe nie pozwalają na jednoznaczną ocenę wpływu GTL na proces obróbki, ze względu na fakt, że jego właściwości fizykochemiczne są bardzo zależne od surowca i technologii przetwarzania.
Alkohole są najbardziej prawdopodobnym źródłem paliwa silnikowego, jednak przy stosowaniu ich w silnikach Diesla należy liczyć się z ich wyjątkowo słabymi właściwościami motorycznymi. Stosowane metody wykorzystania paliw alkoholowych wymagają dodatkowego skomplikowania konstrukcji (montaż gaźników, świec zapłonowych lub drugiego układu paliwowego) lub wzrostu kosztu paliwa (stosowanie dodatków podwyższających liczbę cetanową). Najbardziej optymalny w tej sytuacji może być sposób stosowania roztworów etanolu lub metanolu z olejem napędowym w silnikach o zapłonie samoczynnym.
Badania wpływu różnych rodzajów paliw alternatywnych przeprowadzono dla kilku typów szybkoobrotowych silników ZS przy różnych sposobach mieszania, dlatego konieczne było uzyskanie jak najpełniejszej informacji o przebiegu podawania paliwa, spalania, powstawania sadzy , toksyczność itp. W związku z tym opracowano i wdrożono zautomatyzowany system rejestracji i przetwarzania informacji oparty na komputerze PC. Dla tego kompleksu opracowano pakiet oprogramowania aplikacyjnego, w tym program do zbierania informacji z różnych czujników podczas testów, programy do przetwarzania uzyskanych danych do analizy wykresu indykatorowego, wyników wskazań optycznych, podawania paliwa i obliczania parametrów trybu .
W celu jednoczesnego podawania cyklicznej porcji oleju napędowego i gazu do cylindra autor opracował specjalną dyszę dwupaliwową, którą uzupełniono osobnym przewodem składającym się z króćca zasilania gazem oraz kanałów w dyszy i korpusie rozpylacza. W kanale korpusu dyszy jest wykonany zawór zwrotny dociskany do siedziska sprężyną. Cylindryczny wkład z gwintem na powierzchni wciskany jest w kanał rozpylacza, który tworzy komorę mieszająco-akumulacyjną połączoną z wnęką podigłową dyszy rozpylacza.
Na podstawie opracowanego wtryskiwacza, a system paliwowy silnik wysokoprężny, który umożliwia dostarczanie do paliwa różnego rodzaju dodatków gazowych.
Najbardziej efektywne jest uwzględnienie cech procesu roboczego przy stosowaniu paliw alternatywnych, mając informacje o przestrzennym rozkładzie pól koncentracji sadzy i temperatury. Do tej pory istnieje głównie dwuwymiarowa reprezentacja niejednorodności temperatury i stężenia w cylindrze oleju napędowego. W rezultacie postawiono problem eksperymentalnego badania przestrzennego rozkładu pól temperatury i stężeń sadzy. W pracy wykorzystano oryginalną aparaturę doświadczalną do wyznaczania masowego stężenia sadzy, opartą na optycznym wskazaniu cylindrów oraz zaimplementowane programowo metody wyznaczania pól temperatury.
Obliczeniowe badania rozpuszczalności gazów (wodoru, amoniaku itp.) oparto na następujących założeniach: po pierwsze, proces rozpuszczania odbywa się w komorze mieszająco-akumulacyjnej i rozpylaczu dyszowym; po drugie rozpuszczanie przebiega zgodnie z modelem odnowy powierzchni, tj. powierzchnia styku paliwo-gaz jest aktualizowana z określoną częstotliwością równa częstotliwości wahania ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym wysokiego ciśnienia.
Jednym ze sposobów przezwyciężenia trudności związanych z przygotowywaniem mieszanek oleju napędowego z alternatywnymi jest zastosowanie trzeciego składnika - łącznego rozpuszczalnika oleju napędowego i alkoholu. Współrozpuszczalnik musi mieć właściwości oleju napędowego i alkoholu, tj. jego cząsteczka musi mieć zarówno właściwości polarne, jak i składnik alifatyczny, aby tworzyć wiązania z węglowodorami.
Próby wykorzystania wodoru jako paliwa do silników spalinowych znane są od dawna. Na przykład w latach dwudziestych XX wieku badano możliwość wykorzystania wodoru jako dodatku do głównego paliwa do silników spalinowych sterowców, co umożliwiło zwiększenie ich zasięgu lotu.
Wykorzystanie wodoru jako paliwa do silników spalinowych jest złożonym problemem obejmującym szeroki zakres zagadnień:
Możliwość konwersji nowoczesnych silników na wodór;
Badanie procesu pracy silników podczas pracy na wodorze;
Definicja najlepsze sposoby regulacja przebiegu pracy zapewniająca minimalną toksyczność i maksymalną oszczędność paliwa;
Opracowanie układu zasilania paliwem zapewniającego organizację efektywnego przepływu pracy w cylindrach silnika spalinowego;
Opracowanie efektywnych metod magazynowania wodoru w pojazdach;
Zapewnienie efektywności środowiskowej wykorzystania wodoru do silników spalinowych;
Zapewnienie możliwości zasilania i gromadzenia wodoru do silników.
Rozwiązanie tych problemów ma jednak poziom wariantowy, stan ogólny badania nad tym problemem można uznać za realną podstawę do praktycznego zastosowania wodoru. Potwierdzają to testy praktyczne, badania wariantów silników zasilanych wodorem. Na przykład firma „Mazda” polega na wodorze silnik z tłokiem obrotowym.
Badania w tym zakresie wyróżnia szeroki wachlarz możliwości wykorzystania wodoru do silników z gaźnikiem zewnętrznym i wewnętrznym, stosowanie wodoru jako dodatku, częściowe zastępowanie paliwa wodorem oraz eksploatacja silnika wyłącznie na wodorze.
Obszerny wykaz opracowań determinuje potrzebę ich usystematyzowania i krytycznej analizy. Znane jest zastosowanie wodoru w silnikach zasilanych tradycyjnymi paliwami ropopochodnymi, jak również w połączeniu z paliwami alternatywnymi. Czyli np. alkoholami (etylowymi, metylowymi) czy gazem ziemnym. Możliwe jest stosowanie wodoru w połączeniu z paliwami syntetycznymi, olejami opałowymi i innymi paliwami.
Badania w tym zakresie znane są zarówno dla silników benzynowych i diesla, jak i dla innych typów silników. Niektórzy autorzy prac na ten temat uważają, że wodór jest nieuchronnością i konieczne jest lepsze przygotowanie się do sprostania tej nieuchronności.
Osobliwość wodór to jego wysoka wydajność energetyczna, unikalne właściwości kinetyczne, przyjazność dla środowiska i praktycznie nieograniczona baza surowcowa. Pod względem masowej energochłonności wodór przewyższa tradycyjne paliwa węglowodorowe 2,5-3 razy, alkohole 5-6 razy, amoniak 7 razy.
O jakościowym wpływie na proces pracy silnika spalinowego wodoru decydują przede wszystkim jego właściwości. Ma wyższą zdolność dyfuzyjną, więcej prędkości spalanie, szerokie granice palności. Energia zapłonu wodoru jest o rząd wielkości mniejsza niż paliw węglowodorowych. Rzeczywisty cykl pracy określa wyższy stopień doskonałości procesu pracy ICE, najlepsze wskaźniki wydajności i toksyczności.
Aby pomieścić istniejące projekty tłokowe silniki spalinowe, silników benzynowych i wysokoprężnych do pracy na wodorze jako głównym paliwie, konieczne są pewne zmiany, przede wszystkim konstrukcja układu zasilania paliwem. Wiadomo, że zastosowanie zewnętrznego formowania mieszanki prowadzi do zmniejszenia napełnienia silnika świeżym utleniaczem, a co za tym idzie spadku mocy nawet o 40%, ze względu na małą gęstość i dużą lotność wodoru. Przy stosowaniu wewnętrznego tworzenia mieszanki obraz się zmienia, energochłonność ładunku wodorowego silnika Diesla może wzrosnąć nawet o 12% lub może być zapewniona na poziomie odpowiadającym pracy silnika Diesla na tradycyjnym paliwie węglowodorowym. olej napędowy. Cechy organizacji przepływu pracy silnik wodorowy określone przez właściwości wodoru mieszanka powietrza, a mianowicie: granice zapłonu, temperatura i energia zapłonu, prędkość propagacji czoła płomienia, odległość gaszenia płomienia.
W prawie wszystkich znanych badaniach procesu pracy silnika wodorowego stwierdza się trudny do opanowania zapłon mieszanki wodorowo-powietrznej. Z pozytywnymi wynikami zbadano wpływ na przedwczesny zapłon poprzez wprowadzenie wody do rurociągu wlotowego lub wstrzyknięcie „zimnego” wodoru.
Gazy resztkowe i gorące punkty w komorze spalania intensyfikują przedwczesny zapłon mieszanki wodorowo-powietrznej. Ta okoliczność wymaga dodatkowych środków zapobiegających niekontrolowanemu zapłonowi. Jednocześnie niska energia zapłonu w szerokim zakresie współczynnika nadmiaru powietrza umożliwia jego stosowanie istniejące systemy zapłonu podczas konwersji silników na wodór.
Samozapłon mieszanki wodorowo-powietrznej w cylindrze silnika przy stopniu sprężania odpowiadającym silnikom wysokoprężnym nie występuje. Do samozapłonu tej mieszanki konieczne jest zapewnienie temperatury końca sprężania co najmniej 1023K. Możliwe jest, że zapłon mieszanki powietrza następuje od pilotowej porcji paliwa węglowodorowego, na skutek wzrostu temperatury końca sprężania przez zastosowanie sprężania lub ogrzewania na wlocie ładunku powietrza.
Wodór jako olej napędowy charakteryzuje się wysoka prędkość propagacja frontu płomienia. Prędkość ta może przekraczać 200 m/s i powodować przemieszczanie się fali ciśnienia w komorze spalania z prędkością przekraczającą 600 m/s. Wysoka prędkość spalanie mieszanek wodorowo-powietrznych z jednej strony powinno pozytywnie wpływać na zwiększenie wydajności procesu roboczego, z drugiej strony warunkuje to wysokie wartości maksymalnego ciśnienia i temperatury cyklu, większą sztywność proces pracy silnika wodorowego. Wzrost maksymalnego ciśnienia cyklu prowadzi do skrócenia żywotności silnika, a wzrost maksymalnej temperatury prowadzi do intensywnego tworzenia się tlenków azotu. Możliwe jest zmniejszenie maksymalnego ciśnienia poprzez odkształcenie silnika lub spalenie wodoru, który jest dostarczany do cylindra podczas suwu pracy. Ograniczenie emisji tlenków azotu do znikomego poziomu jest możliwe dzięki zubożeniu mieszanka robocza lub za pomocą wody dostarczanej do rurociągu wlotowego. Tak więc przy a > 1,8 emisja tlenków azotu jest praktycznie nieobecna. Kiedy woda jest dostarczana masowo 8 razy więcej niż wodór, emisja tlenków azotu zmniejsza się 8 ... 10 razy.
CNG jest dozwolone bezpośrednio w blokach miejskich budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej. Ponadto w wielu krajach dozwolone jest tankowanie pojazdów gazem ziemnym w garażach podziemnych. 1.6. Produkcja urządzeń gazowych do samochodów. Obecnie Włochy przechwyciły chwałę najlepszego na świecie producenta wyposażenia samochodowego na gaz. A teraz na rynku światowym największym popytem jest ...
Model, który otrzymał oznaczenie „H2R”, rozwija prędkość ponad 300 km/h. Obiecujący wydaje się nowy kierunek w budowie silników na paliwo wodorowe, oparty na wykorzystaniu silnika Stirlinga. Ten silnik do końca XX wieku. nie jest szeroko stosowany w pojazdach silnikowych ze względu na bardziej złożoną konstrukcję w porównaniu z silnikiem spalinowym, większe zużycie materiałów i koszt. ...
