Фахівці різних країн проводять дослідження в галузі застосування нових видів палива та джерел енергії на автомобільних транспортах. Це пов'язано зі значним зростанням чисельності автотранспортних засобів та все більшим забрудненням довкілля навколишнього середовища.
До найбільш ефективним та перспективним видам моторного паливаслід віднести природний газ, водень, пропан-бутанову суміш, метанол та ін.
Перспективне автомобільне паливо - це будь-яке хімічне джерело енергії, використання якого в традиційних або автомобільних двигунах, що розробляються, дозволяє в якійсь мірі вирішити енергетичну проблему і зменшити шкідливий впливна довкілля. Виходячи з цього, формулюються п'ять основних умов перспективності нових джерел енергії:
наявність достатніх енергосировинних ресурсів;
можливість масового виробництва;
технологічна та енергетична сумісність з транспортними силовими установками;
прийнятні токсичні та економічні показники процесу використання енергії;
безпека та нешкідливість експлуатації.
Існує кілька різних класифікацій перспективного автомобільного палива. Великий практичний інтерес представляє енергетична класифікація, основою якої покладено калорійність традиційного рідкого вуглецевого палива.
У традиційного рідкого вуглеводневого паливанайвища енергощільність, тому автомобіль, що працює на ньому, має невеликі розміри та масу паливного бака та паливної апаратуриі не вимагає складної системи заправки та зберігання палива. Вуглеводневі гази і водень мають більш високу масову енергоємність, але через малу щільність у них значно гірші об'ємні енергетичні показники. Тому використання цих палив можливе лише в стислому або зрідженому стані, що у ряді випадків значно ускладнює конструкцію автомобіля.
Водневе паливо. Великі надії покладаються на водневе паливо як паливо майбутнього. Зумовлено це його високими енергетичними показниками, відсутністю більшості токсичних речовин у продуктах згоряння та практично необмеженою сировинною базою. Саме з воднем пов'язують перспективний розвиток енергетики.
По масової енергоємності водень перевищує вуглеводневі палива приблизно 3 разу; спирти - в 5-6 разів. Але через дуже малу щільність його енергощільність низька. Водень має ряд властивостей, що сильно ускладнюють його використання: зріджується при 24К; має високу дифузійну здатність; пред'являє підвищені вимоги до матеріалів, що контактують, вибухонебезпечний. Однак, незважаючи на це, вчені багатьох країн ведуть роботи зі створення автомобілів, що працюють на водневому паливі. Численні схеми можливого його застосування в автомобілі поділяються на дві групи: водень як основне паливо та як добавки до сучасних моторних палив. Основною труднощами при використанні водню в зрідженому стані є його низька температура. Зазвичай рідкий водень транспортується в кріогенних резервуарах із подвійними стінками, простір між якими заповнений ізоляцією. Для безпечної експлуатації рідкого водню необхідні повна герметизація паливної системи та забезпечення скидання надлишкового тиску.
Воднева технологія, воднева енергетика - про них говорять все наполегливіше з тієї причини, що цей хімічний елемент - основа єдиного відомого сьогодні палива, що не утворює при згорянні горезвісного газу і тому екологічно найменш шкідливого. До того ж запаси їх у природі практично невичерпні. Ось чому вже багато років робляться спроби використати водень для двигунів внутрішнього згоряння. У цьому напрямі ще у 30-ті роки працювали Московський автомеханічний інститут, МДТУ імені Баумана та низка інших інститутів.
Під час Великої Вітчизняної війни ідею водневого палива практично застосували для автомобілів у військах протиповітряної оборони на Ленінградському фронті.
У повоєнні роки академік Є. А. Чудаков та професор І. Л. Варшавський використовували водень для живлення одноциліндрового двигуна в Автомобільній лабораторії АН СРСР. Займалися цією проблемою академік В. В. Струмінський та інші дослідники. Однак експерименти тоді не набули широкого розмаху. Вони стали більш актуальними та відновилися пізніше. Тільки США до 1976г. на цю тему вели дослідження 15 експериментально-конструкторських груп, які створили 42 різновиди «водневих» двигунів. Аналогічні пошуки розгорнуто вченими ФРН та Японії.
Такий великий інтерес до водню як до палива пояснюється не лише його перевагами екологічного характеру, але й фізико-хімічними властивостями: теплота згоряння у нього втричі вища, ніж у нафтопродуктів, займистість суміші з повітрям має широкі межі, водень має високу швидкість поширення полум'я і низьку енергією займання - в 10-12 разів нижче, ніж бензин.
У нашій країні великі роботи з водню для автомобільних двигунів активно ведуть багато наукових центрів.
Метод отримання цього хімічного елемента із застосуванням так званих енергоакумулюючих речовин детально розроблений Інститутом проблем машинобудування АН України, який також проводить фундаментальні дослідженняпроцесів згоряння водневоповітряних та бензоводородоповітряних сумішей, що розробляє принципові схеми силової установкиавтомобіля за різних методів зберігання нового пального на борту.
Водень як моторне паливо має деякі особливості, зумовлені його властивостями. Широкі межі займистості дозволяють краще регулювати перебіг робочого процесу двигуна. В результаті вдається підвищити економічність при часткових навантаженнях - режимі, в якому автомобільний двигун живе досить довго. Теплотворність однорідної суміші водню з повітрям нижча, ніж у бензину. Тому потужність двигуна на водні більшою мірою, ніж при використанні бензину, залежить від способу сумішоутворення.
Дослідження детонаційної стійкості бензоводородоповітряних та водневоповітряних сумішей показали, що їх схильність до детонації значною мірою залежить від коефіцієнта надлишку повітря. І в цьому відношенні при використанні водню як паливо виявлено інші закономірності, ніж для бензину. Вивчення роботи двигунів на водневоповітряних та бензоводородоповітряних сумішах показало високу стабільність робочого процесу. Порівнюючи межі зміни оптимального кута випередження запалення при роботі на водні та бензині, можна помітити, що в першому випадку він суттєво залежить від коефіцієнта надлишку повітря. При збагаченні суміші найвигідніший кут випередження запалення значно зменшується. Тому під час роботи на водні двигуну потрібні інші регулювання цього параметра.
Нарешті, при згорянні водню гази, що відпрацювали, не містять таких шкідливих компонентів, як СО, вуглеводні, РЬО. Залишається тільки один токсичний компонент у вихлопі - NО (і то в менших кількостях, ніж при роботі на бензині). При використанні водню як добавка вміст шкідливих компонентів різко скорочується завдяки повноті згоряння. Крім того, зменшується необхідність використання шкідливих антидетонаційних свинцевих присадок до бензинів.
Експерименти показали, що двигуни внутрішнього згоряння можуть успішно працювати як на чистому водні, так і на суміші його з парами бензину. Цікаво, що вже 10-відсоткова добавка (від маси палива, що витрачається) водню може зробити істотний вплив, знижуючи токсичність відпрацьованих газів і покращуючи економічні показники. Вона набагато розширює межі займистості суміші, що створює умови для ефективного регулювання процесу згоряння. Фактично це означає можливість стійкої роботи на дуже бідних бензоводородовоздушных сумішах з більшим коефіцієнтом надлишку повітря, ніж забезпечується значна економія бензину. Враховуючи ту обставину, що двигун у міських умовах до 30% часу працює на холостому ходу чи режимах неповного навантаження, можна уявити, які економічні вигоди несе використання водню. А робота двигуна при високих коефіцієнтах надлишку повітря супроводжується майже повним згорянням суміші, і, отже, у газах, що відпрацювали, немає токсичних компонентів. В Інституті проблем машинобудування АН України вже розроблено автомобільні силові установки, що діють на водневому паливі. Для них водень одержують із води (із застосуванням енергоакумулюючих речовин, в основі яких лежать оксиди металів), а також з гідридів - речовин, здатних при охолодженні поглинати водень, а при нагріванні - віддавати його.
Зв'язувати водень гідридами необхідно на користь безпеки, оскільки при витоках з балонів він утворює, змішуючись з повітрям, вибухову суміш, яка легко запалюється (згадайте часті аваріїдирижаблів із ємностями, заповненими воднем). Але важливішим є той факт, що гідриди є раціональнішим методом зберігання водню на борту автомобіля за об'ємними показниками.
Загальна схема силової установки палива: водневе паливо, що отримується в результаті взаємодії енергоакумулюючих речовин з водою, подається системою живлення двигуна. Потужність двигуна регулюється компонентами, які подаються в реактор для звільнення зв'язаного водню.
Силова установка може бути виконана як з відкритого, так і закритого циклу. У першому випадку на борту автомобіля розміщуються лише ємності для енергоакумулюючих речовин та води, а продукти згоряння викидаються в атмосферу. При замкнутому циклі додатково вводяться теплообмінник і конденсатор, що дозволяють використовувати пари води з вихлопних газів. Вода, яка надходить у реактор з енергоакумулюючими речовинами, знову служить джерелом для отримання водню. Так при замкнутому циклі «носієм» палива служить вода, а енергією – енергоакумулюючі речовини. Водневе паливо при обох циклах може використовуватися в чистому вигляді або як добавки (5-10% по масі). У разі на машині зберігається система живлення бензином. «Вилучення» водню з води відбувається в реакторі, що містить енергоакумулюючі речовини. Найбільш простим є реактор постійної дії, в якому тиск підтримується регулюванням подачі компонентів зону реакції.
Процес отримання в ньому палива відбувається не миттєво, тобто він має якусь інерцію. Водень, що виділяється в реакторі, тому повинен надходити до мотора через редуктор-регулятор, що підтримує. оптимальний тискперед форсунками подачі.
За розробленими методиками для випробувань із застосуванням енергоакумулюючих речовин на основі оксидів металів, а також із використанням гідридів були апробовані серійні легкові автомобілі«Москвич» та «ВАЗ».
Перший експеримент (застосування енергоакумулюючих речовин - автомобіль "Москвич") - система живлення бензином залишена без зміни. На машині змонтовані два реактори 1, щоб забезпечити отримання водню з води, і редуктор 5, призначений для дозування подачі палива на різних режимах роботи двигуна.
Реактори періодичної дії мають постійне завантаження енергоакумулюючих речовин на основі кремнію або алюмінію з подачею води, що регулюється. Насоси високого тиску 4, які приводяться електродвигуном, подають воду з бака через підігрівач і фільтр до реактора, де її розпорошують форсунки. У водяній системі встановлені зворотні клапани, що запобігають проникненню туди водню при припиненні подачі води. Крім того, в ній передбачено кран 3, який перемикає подачу води з одного реактора на інший. Всі агрегати цієї експериментальної установки змонтовані на загальній рамі та розміщені в багажнику.
Установка із застосуванням енергоакумулюючих речовин для живлення двигуна воднем: 1 - реактори періодичної дії; 2 - бак для води; 3 - кран подачі води в реактор; 4 - блок насосів з електроприводом; 5 - редуктор у системі подачі водню
Водень від реакторів надходить до крана, встановленого на панелі приладів, Яким водій з'єднує працюючий реактор 1 з системою подачі водню. Остання складається з понижуючого редуктора, вологовідділювача, газового лічильниката редуктора регулювання подачі водню (керується спеціальною педаллю) Паливо вводиться у впускний трубопровід безпосередньо перед впускним клапаном.
Для роботи на водні, що отримується з гідридів, систему живлення бензином також збережено та додатково встановлено систему зберігання та подачі водню (автомобіль «ВАЗ»). Вона складається з гідридного бака 1, що нагрівається відпрацьованими газами, редуктора з всережимним вакуумним регулятором 9 витрати водню та змішувача 8, зробленого на базі серійного карбюратора. Швидкість виділення водню гідридом система регулює автоматично (блок 10 управління, реле тиску 2, заслінка з електромагнітним приводом 7 на випускній трубі), підтримує постійним, незалежно від режиму двигуна, тиск водню в системі. Гідридний бак під час заряджання охолоджується водою.
Установка із застосуванням гідридів: 1 - гідридний бак; 2 - реле тиску; 3 - вентиль заправки; 4 - вихлопний патрубок гідридного бака; 5 - глушник; 6 - бензиновий бак; 7 - електромагнітний привід заслінки; 8 - змішувач; 9 - регуп'ятор тиску та витрати водню; 10 - блок електронного управління
Застосування водню як додаткового палива для карбюраторних двигунів відкриває можливість нового підходу до організації робочого процесу. При мінімальній модифікації двигуна, що стосується в основному системи живлення, можна досягти значного підвищення його паливної економічності (експлуатаційна витрата бензину знижується на 35-40%) і зменшити токсичність газів, що відпрацювали.
Таблиця 13 Токсичність газів, що відпрацювали,
Водопаливні емульсії. Застосування води в процесі двигуна внутрішнього згоряння не є новинкою останніх років. Упорскування води використовувався для забезпечення роботи двигунів внутрішнього згоряння на низькооктанових паливах ще в 30-ті роки.
Зараз основна увага при використанні води як добавка до палива приділяється можливості підвищення економічності та зниження токсичності відпрацьованих газів автомобіля.
Водопаливні емульсії - це рідке паливо з дрібними краплями рівномірно розподіленої за обсягом палива води. Емульсія готується безпосередньо на автомобілі. Для запобігання розшарування емульсії в паливо додається емульгатор у кількості 0,2-0,5%. Вміст води у водопаливній емульсії може досягати 30-40%.
Застосування водопаливних емульсій можливе як у карбюраторному, так і дизельному двигуні. Але в карбюраторному двигунізастосування водопаливних емульсій у ряді випадків призводить до погіршення деяких показників (зокрема, паливної економічності), відмов при повному відкритті дросельної заслінки, перебоях при русі з низькою швидкістю. Найкращі результатидає використання водопаливних емульсій на дизельних двигунах. Подача до камери згоряння води забезпечує додаткове розпилення палива за рахунок дроблення перегрітими парами води. Питома витрата палива при цьому знижується на 4-10%.
Добавка води до палива дозволяє знизити вміст деяких токсичних речовин у газах, що відпрацювали за рахунок зменшення максимальних температур в камері згоряння, величина яких визначає кількість NОх. При застосуванні водопаливних емульсій кількість NOх може знизитися на 40-50%. Знижується також димність газів, що відпрацювали, так як сажа за наявності парів води взаємодіє з ними з утворенням вуглекислого газу і азоту. Виділення СО залишається майже незмінним проти роботою двигуна внутрішнього згоряння на паливі без добавки води, а виділення СпНш дещо збільшується. Цей вид палива поки не знайшов широкого застосування на автомобільному транспорті, оскільки ускладнюється конструкція автомобіля, виникає ряд проблем при експлуатації в зимовий період, недостатньо вивчено вплив води на умови роботи та довговічність двигуна внутрішнього згоряння.
Синтетичні спирти. Як паливо для двигуна внутрішнього згоряння автомобілів знайшли застосування метанол та етанол як у чистому вигляді, так і у складі багатокомпонентних сумішей.
Найбільшого поширення автомобілі, що працюють на спиртовому паливі, набули в Бразилії, яка ввозить 80-85% нафтопродуктів, розплачуючись за них валютою. Витрати на пальне зростають рік у рік і обчислюються мільярдами доларів. Тому країни з ентузіазмом зустріли оголошений президентом 1975г. проект "алкоголізації транспорту". Паливні баки бразильських автомобілівзаправляються сумішшю спирту та бензину в пропорції 1:4.
Згодом передбачається перевести весь автопарк на використання етилового спирту замість бензину. Спирт отримують із цукрової тростини (Бразилія - найбільший у світі виробник цієї культури). Можливе одержання до 80 т біомаси з 1 га на рік. Плантацій, що займають 2% території країни, буде достатньо, щоб забезпечити потребу в новому паливі.
За розрахунками фахівців 1л спирту обходиться на 30-35% дешевше бензину.
Мексика, друга за чисельністю населення країна Латинської Америки, готова наслідувати бразильський приклад. У США також проявляється інтерес до виробництва паливного спирту із деревних, сільськогосподарських та інших відходів.
З енергетичної точки зору перевага спиртових палив полягає в високому ККДробочого процесу та високої антидетонаційної стійкості палива, але теплота згоряння спиртів приблизно вдвічі нижча, ніж у бензинів. Низька енергоємність спиртів веде до збільшення питомої витрати палива.
Використання спиртів вимагає порівняно невеликої зміни конструкції автомобіля. Основні заходи зводяться до збільшення обсягу паливних баків та встановлення пристроїв, що забезпечують стабільний пуск двигуна за будь-якої погоди. Потрібна також заміна деяких металів та прокладних матеріалів, зокрема облицювання пластмасою метанольного бака. Це пов'язано з високою корозійною активністю спиртів і необхідністю більш ретельної герметизації паливної системи, оскільки метанол є нервово-судинною отрутою. Застосування бензометанольної суміші висуває низку інших специфічних вимог. Зокрема, посилюються вимоги до тиску насичених парів бензину, оскільки навіть з 5%-ю добавкою метанолу воно значно збільшується. Щоб уникнути розшарування суміші, при її зберіганні, транспортуванні та застосуванні необхідно дотримуватись певної температури і не допускати потрапляння до неї води. Деякі синтетичні матеріали, що використовуються в системах подачі палива та автомобільних системаххарчування, виявилися нестійкими до бензометанольної суміші. При переведенні автомобіля з бензину на бензометанольную суміш довелося змінити пропускну спроможністьжиклерів, при цьому дещо збільшилася загальна витрата палива. Водночас встановлено, що суміш із вмістом метанолу до 15 % не погіршує основних техніко-експлуатаційних показників. вантажних автомобілів. Високі антидетонаційні показники спиртів дозволяють підвищувати ступінь стиснення двигуна внутрішнього згоряння до 14-15 одиниць.
Використання спиртових палив знижує вміст токсичних речовин у газах, що пояснюється нижчою температурою горіння спиртового палива.
З початку 70-х років, коли різко загострилася енергоекологічна ситуація, практично всі промислово розвинені країни розгорнули широкий пошук альтернативних енергоносіїв, здатних замінити бензин та дизельне паливо. Серед альтернативних палив особливу увагуприділяється водню: його використання для двигунів внутрішнього згоряння дозволяє вирішити як сировинну, так і екологічну проблеми, причому зробити це без докорінної перебудови технічної бази сучасного двигунобудування. Зокрема, дослідження показали, що застосування водню в якості основного або додаткового палива для двигунів з примусовим займанням заряду підвищує їхню паливну економічність на 30-40% і різко знижує токсичність відпрацьованих газів, так як моторні властивості дозволяють двигунам працювати на бідних сумішах при якісному регулювання потужності. За кордоном роботи зі створення автомобільних водневих двигунів внутрішнього згоряння ведуться передовими розвиненими країнами вже давно і досить успішно. Зокрема, автомобільна компанія«Даймлер-Бенц» (Німеччина) виготовляла легкові автомобілі та мікроавтобуси на базі серійних моделей, Двигуни яких харчуються як бензином з добавкою водню, так і «чистим» воднем. З трьох прийнятних для автотранспортних засобів способів акумулювання водню - у стислому до 20 МПа, зрідженому при температурі 20К або хімічно пов'язаному в металогідридах стані - на експериментальних автомобілях фірми "Даймлер-Бенц" застосовувався останній.
Визначальний вплив транспорту на стан довкілля потребує особливої уваги застосування нових екологічно чистих видів палива. До них відноситься, перш за все, скраплений або стислий газ.
У світовій практиці як моторне паливо найбільш широко використовується стиснутий природний газ, що містить не менше 85% метану.
Найменшою мірою поширене застосування попутного нафтового газу; являє собою суміш, в основному - пропану та бутану. Ця суміш може бути в рідкому стані при звичайних температурах під тиском до 1,6 МПа. Для заміщення 1 л бензину потрібно 1,3 л зрідженого нафтового газу, а економічна ефективність його за еквівалентними витратами паливо в 1,7 разів нижча, ніж у стисненого газу. Слід зазначити, що природний газ, на відміну нафтового газу, не токсичний.
Аналіз показує, що застосування газу скорочує викиди: оксидів вуглецю – у 3-4 рази; оксидів азоту - в 1,5-2 рази; вуглеводнів (крім метану) - в 3-5 разів; частинок сажі та двоокису сірки (димність) дизельних двигунів – у 4-6 разів.
При роботі на природному газі з коефіцієнтом надлишку повітря а=1,1 викиди ПАВ, що утворюються в двигуні при згорянні палива та мастила (включаючи бенз(а)пірен), становлять 10 % від викидів при роботі на бензині. Двигуни, що працюють на природному газі, вже зараз задовольняють всі сучасні норми щодо вмісту газоподібних і твердих складових у вихлопних газах.
|
Токсичні компоненти вихлопних газів |
|||||
|
Вид палива |
(без метану) |
Бензапірен |
|||
|
Бензин (двигуни з нейтралізат.) | |||||
|
Дизпаливо | |||||
|
Газ+дизпаливо | |||||
|
Пропан-бутан | |||||
|
природ, стислий | |||||
Особливо слід зупинитися на викидах вуглеводнів, які зазнають в атмосфері фотохімічного окиснення під дією ультрафіолетового опромінення (що прискорюється у присутності NOx). Продукти цих окисних реакцій утворюють так званий смог. У бензинових двигунах основна кількість вуглеводневих викидів посідає етан і етилен, а газових - на метан. Це пов'язано з тим, що ця частина викидів бензинових двигунівутворюється в результаті крекінгу парів бензину в незгоряючій частині суміші при високих температурах, а в газових двигунах незгораючий метан ніяким перетворенням не піддається.
Найлегше під впливом ультрафіолетового опромінення окислюються ненасичені вуглеводні, такі, як етилен. Граничні вуглеводні, включаючи метан, стабільніші, т.к. вимагають для фотохімічної реакції жорсткішого (короткохвильового) випромінювання. У спектрі сонячного випромінювання складова, що ініціює окиснення метану, має настільки малу інтенсивність порівняно з ініціаторами окиснення інших вуглеводнів, що практично окиснення метану не відбувається. Тому в обмежувальних стандартах автомобільних викидів низки країн вуглеводні враховують без метану, хоч перерахунок ведеться на метан.
Таким чином, незважаючи на те, що сума вуглеводнів у вихлопних газах двигунів, що використовують газомоторне паливо, виявляється такою самою, як і у бензинових двигунів, а в газодизелі часто і вище, ефект забруднення повітряного басейну цими компонентами при газовому паливі в кілька разів менше, ніж при рідкому.
Важливо також мати на увазі, що при застосуванні газового палива збільшується моторесура двигуна - в 1,4-1,8 рази; термін служби свічок запалювання - у 4 рази та моторного масла - у 1,5-1,8 раза; міжремонтний пробіг – у 1,5-2 рази. При цьому знижуються рівень шуму на 3-8 дБ та час заправки. Все це забезпечує швидку окупність витрат на переведення транспорту на газомоторне паливо.
Увагу фахівців привертають питання безпеки щодо використання газомоторного палива. У цілому нині вибухонебезпечна суміш газових палив із повітрям утворюється при концентраціях, в 1,9-4,5 разу. Однак певну небезпеку становлять витікання газу через нещільність з'єднань. У цьому плані найбільш небезпечний скраплений нафтовий газ, т.к. щільність його пар більше, ніж повітря, а для стисненого - менше (відповідно, 3:1,5:0,5). Отже, витікання стисненого газу після виходу з нещільностей піднімаються вгору і випаровуються, а зрідженого - утворюють місцеві скупчення і, подібно до рідких нафтопродуктів, «розливаються», що під час займання збільшує вогнище пожежі.
Крім скрапленого або стисненого газу багато фахівців пророкують велике майбутнє рідкому водню, як практично ідеальному, з екологічної точки зору, моторному паливу. Ще кілька десятиліть тому застосування рідкого водню як пальне здавалося досить віддаленим. До того ж трагічна загибель напередодні Другої світової війни, наповненого воднем дирижабля «ГінденбурТ», настільки підмочила суспільну репутацію «палива майбутнього», що надовго викреслило його з якихось серйозних проектів.
Швидкий розвиток космічної техніки знову змусив звернутися до водню, цього разу вже рідкого, як майже ідеального пального для дослідження та освоєння світового простору. Тим не менш, як і раніше, не зникли складні інженерні проблеми, пов'язані як з властивостями самого водню, так і його виробництвом. Як пальне для транспорту водень зручніше і безпечніше застосовувати в рідкому вигляді, де в перерахунку на один кілограм він перевищує калорійність гас в 8,7 раза і рідкий метан в 1,7 раза. У той же час густина рідкого водню менша, ніж у гасу майже на порядок, що вимагає значно більших баків. До того ж водень повинен зберігатися при атмосферному тиску за дуже низької температури - 253 градуси Цельсія. Звідси потреба відповідної теплоізоляції баків, що також тягне за собою додаткову вагу та об'єм. Висока температура горіння водню призводить до утворення значної кількості екологічно шкідливих оксидів азоту, якщо окислювачем є повітря. І, нарешті, горезвісна проблема безпеки. Вона, як і раніше, залишається серйозною, хоча і вважається тепер значно перебільшеною. Окремо слід сказати про виробництво водню. Майже єдиною сировиною для отримання водню служать сьогодні ті ж горючі копалини: нафта, газ і вугілля. Тому справжній перелом у світовій паливній базі на основі водню може бути досягнутий лише шляхом принципової зміни способу його виробництва, коли вихідною сировиною стане вода, а первинним джерелом енергії – Сонце чи сила падаючої води. Водень принципово перевершує всі викопні види пального, включаючи природний газ, у своїй оборотності, тобто практичної невичерпності. На відміну від горючих, що видобуваються з-під землі, які після згоряння губляться безповоротно, водень видобувається з води і згоряє знову у воду. Зрозуміло, щоб одержати водень з води, потрібно витратити енергію, причому значно більшу, ніж можна використати при його згорянні. Але це не має суттєвого значення, якщо так звані первинні джерела енергії будуть у свою чергу невичерпними та екологічно чистими.
Розробляється і другий проект, де як джерело первинної енергії використовується Сонце. Підраховано, що на широтах ± 30-40 градусів наше світило гріє приблизно в 2-3 рази сильніше, ніж у північних широтах. Це не лише вищим становищем Сонця на небі, а й трохи меншою товщиною атмосфери в тропічних регіонах Землі. Однак майже вся ця енергія швидко розсіюється та зникає. Отримання за допомогою її рідкого водню – найбільш природний спосіб акумуляції сонячної енергії з подальшою доставкою її до північних районів планети. І не випадково науково-дослідний центр, організований у Штутгарті, має характерну назву «Сонячний водень – джерело енергії майбутнього». Установки, що акумулюють сонячне світло, передбачається, згідно з вказаним проектом, розмістити в Сахарі. Сконцентроване у такий спосіб небесне тепло буде використано для приводу паротурбін, що виробляють електроенергію. Подальші ланки схеми ті ж, що і в канадському варіанті, з тією різницею, що рідкий водень доставляється до Європи через Середземне море. Принципова подібність обох проектів, як бачимо, у тому, що вони екологічно чисті на всіх стадіях, включаючи навіть перевезення зрідженого газу водою, оскільки танкери працюють знову-таки на водневому паливі. Вже зараз такі всесвітньо відомі німецькі фірми, як «Лінде» та «Мессергрісхейм», розташовані в районі Мюнхена, виробляють все необхідне обладнання для отримання, зрідження та транспортування рідкого водню, за винятком хіба що кріогенних насосів. Величезний досвід використання рідкого водню в ракетно-космічній техніці накопичений фірмою «МББ», розташованої в Мюнхені і що бере участь практично у всіх престижних програмах Західної Європи з освоєння космосу. Науково-дослідницьке обладнання фірми в галузі кріогеніки використовується також на американських космічних човниках. Широко відома німецька авіакомпанія "Дейче Ербас" розробляє перший у світі аеробус, що літає на рідкому водні. Крім екологічних міркувань застосування рідкого водню у звичайній та надзвуковій авіації переважно і з інших причин. Так, приблизно на 30% за інших рівних умов знижується злітна вага літака. Це дозволяє, у свою чергу, скоротити розбіг і зробити злітну криву крутішою. В результаті знижується шум - цей бич сучасних аеропортів, що найчастіше розташовані в густонаселених районах. Не виключена також можливість зниження лобового опору літака шляхом сильного охолодження носових частин, що зустрічають потік повітря.
Все викладене вище дозволяє зробити висновок, що перехід на водневе паливо, в першу чергу в авіації, а потім у наземному транспорті стане реальністю вже в перші роки нового століття. До цього часу буде подолано технічні проблеми, остаточно ліквідовано недовіру до водню як надто небезпечного виду пального та створено необхідну інфраструктуру.
У всьому світі як джерело енергії повсюдно продовжує використовуватися викопне паливо, яке хоч і екологічно покращується з кожним роком, забруднення від вихлопів якого залишається однією з головних екологічних проблем. Це змушує вчених та інженерів задуматися про можливість використання альтернативного палива як інші джерела енергії.
Таких розробок багато, однак у серійне використання просувається не так багато видів екологічно чистого палива.
Тиск стисненого повітря
Пневмопривід було розроблено у Франції та Індії практично одночасно. Нині такі автомобілі вже виробляються серійно. Для руху використовується сила, що створюється стисненим повітрям. Такий транспортний засіб розвиває швидкість до 35 км/годину (з використанням мізерної кількості палива до 90 км/год). Витрата стиснутого повітряу бензиновому еквіваленті становить близько одного літра на 100 кілометрів.
Спиртовий двигун
Етанол або етиловий спирт - один із найпоширеніших видів альтернативного палива. У США та Бразилії близько 32 тисяч заправних станційреалізують етилове паливо. Понад 230 млн. транспортних засобів у всьому світі використовують саме його. Речовина, що отримується під час бродіння різних культур, забезпечує достатню кількість енергії, а продукти його горіння не зазнають жодної шкоди екології.
Біодизель або енергія рослинної олії
Конструкція дизельного двигунасама по собі ефективніша за бензиновий. А якщо його заправити його олією, то ще й екологічно чиста. Мова про спеціально перероблену олію. Отримати таке паливо можна навіть у домашніх умовах, використовуючи нескладні технологічні процеси. Така технологія має безліч плюсів: немає необхідності змінювати конструкцію двигунів на вже зібраних авто, для його виробництва використовуються відновлювані ресурси, а вихлоп абсолютно безпечний для навколишнього середовища.
Водневий двигун
На початку ХХІ століття було розроблено водневий двигун. Технологічно можна використовувати водневе паливо та звичайному двигунівнутрішнього згоряння, але тоді потужність падає на 60 – 82%. Якщо внести необхідні зміни в системі запалення, то, навпаки, потужність тільки збільшиться на 117%, у цьому випадку збільшення виходу оксиду азоту призводить до підгоряння поршнів і клапанів, а також вступ водню в реакцію з іншими матеріалами призводить швидкого зносудвигуна. Його вдосконалена версія в майбутньому зможе, можливо, використовувати як паливо навіть воду. Крім того, водень має сильну леткість, тому його важко зберегти в рідкому вигляді, паливному баку BMW Hydrogen ( автомобіль на зображенні) всього за тиждень невикористання випаровується півбака водневого палива.
Електродвигун
Є тип двигуна, який взагалі не виробляє вихлопу – електричний. Технологія починає свою історію ще у XIX столітті. Популярність електричному двигунусприяли трамваї та тролейбуси як міський транспорт, але в такому випадку транспорту необхідний був постійний електричний струм у вигляді проводів. Електромобіль так і не набрав свого часу популярності, хоч і з'явився раніше, ніж автомобіль із двигуном внутрішнього згоряння. Нині електромобілі випускаються серійно, у містах обладнуються електричні заправки для них та технологія набирає популярності.
Гібридний автомобіль
Особливо популярні гібридні автомобілі з одночасним використанням електродвигуна і двигуна внутрішнього згоряння, що дозволяє приводити в рух автомобіль, як від електричного заряду, так і від звичного палива. Гібридні автомобілі, звичайно, не позбавляють атмосферу повністю від шкідливих вихлопів, але зменшують кількість газів, що відпрацювали, при цьому дозволяють в рази економити паливо і зменшувати експлуатаційні характеристики.
Московський уряд вирішив покласти функції щодо поширення екологічних видів палива та джерел енергії на автомобільному транспорті міста, на певні автопідприємства. , якого не сильно відрізняється від бензину, менш практично, ніж альтернативні види палив.
Підприємства здійснювали роботу вже на експериментальних зразках автомобілів, які пристосовані до використання компримованого природного газу, тобто метану.
Половина всіх автомобілів підприємства, що є в автопарку, працюють на альтернативних видах пального.
До цього моменту в містах Росії така техніка ніколи не використовувалася, досвід який зараз активно набувається, дозволяє отримати ті необхідні знання, які створять умови для розширення та впровадження інновацій по всіх регіонах країни.
У 1960-ті роки майже всі високорозвинені країни мали енергетику, яка залежала від нафти. Західні країни, які вигравали за сет експорту дешевої нафти, барель їм обходився близько 5$. Що спричинило досить високі. Через 13 років, організацією арабських країн-експортерів нафти, було накладено ембарго на ввезення нафти до Сполучених штатів Америки, це сталося через те, що у війні Ізраїлю із Сирією та Єгиптом, Північна Америкапідтримала Ізраїль Після цього випадку, ті країни, які називали себе високорозвиненими, дійшли висновку, що економічні плани, що діє, вже не ефективні, потрібно терміново виробляти нові, з урахуванням вже зовсім інших видів палива. Найслабшим місцем виявилася транспортна галузь, яка використовувала вуглеводневі види палива.
Іншою причиною пошуку альтернативи нафти стало те, що її видобуток з кожним роком ставав дедалі дорожчим, а її запаси в надрах землі витрачалися дуже великими темпами, і могли взагалі зникнути приблизно через 50 років.
Найцікавіше те, що газовий двигунзовсім не новинка сучасності, оскільки він був винайдений ще в далекому XIX столітті, інженером з Франції, Ленуаром, працював він, звичайно ж, на газі. У наші дні, застосовуючи альтернативні види палива в автомобілях, найчастіше використовують газ.
Не варто плутати з побутовим газом, адже заправляючи автомобіль, на заправках використовують спеціальні компоненти пропан-бутану, це скраплений нафтовий газ. Його використання є дешевшим, і екологічно безпечним для навколишнього середовища, в порівнянні з бензином. Заправку машин роблять на спеціальних комплексах для заправки альтернативними видами палива.
Найкраще пальне для транспортних засобів.
Природний газ метан це те, що обходить за характеристиками і бензин, і нафтовий газ. Їм зазвичай заправляють машини ті, хто хоче за ті самі гроші проїхати вдвічі, більшу відстань.
Не провокує нагар, моторне маслоне піддається змінам. Поршням та циліндрам наноситься набагато менше шкоди, гарна продуктивна робота двигуна. Немає нагару, не розріджується моторне масло. Найменший знос поршнів і циліндрів, покращується ресурс двигуна. Масляний нагар, плюс сажа, окислюється олія, значно знижуючи мастильні властивості.
Дуже мало спеціалізованих пунктів, де без проблем можна заправитися. Є мережа заправок. Дуже багато місць, де можна заправитися.
Не вимагає будь-якої переробки, придатний для використання у первинному вигляді. Суміш, яка потребує певних пропорцій з урахуванням пір року. Потрібні комбінати з переробки нафти.
Здійснюється доставка газотранспортними шляхами. Привозять спеціальними тягачами. Як і пропан-бутан, доставляється на заправки в цистернах.
Розвіданих покладів має вистачити людству приблизно на 200 років. Так як газ, видобувають з нафти, його вистачить приблизно на 50 років. Виготовляється з нафти, запаси не більше ніж на 50 років.
Досить дешевий, і потребує малих вкладень. Має середню ціну. Нестабільна собівартість у тому плані, що з кожним роком тільки зростає.
Дороге обладнання, дуже мало спеціалістів. Російської Федерації, з монтажу та видобутку, а також ремонту установок. Чи не дешева вартість обладнання. Немає потреби у додатковому обладнанні.
Відсутня можливість розкрадання метану на заправках чи з баків автомобілів. Не можна вкрасти із заправок. Легко можна перепродати.
Майже не змінює своїх властивостей при зниженні температури. Властивості падають при зниженні температури Зменшення властивостей, якщо температура падає.
Має найвищий 4 клас безпеки. Не дуже безпечний, тому що має лише 2-й клас безпеки. Стабільна безпека, 3 клас.
Напрошується висновок, що метан має всього три недоліки, якщо рівняти з іншими вилами палива. Проблеми з фахівцями легко вирішити, а дорожнеча обладнання, що згодом все одно окупається, за сет тієї ж економії. Метан – це паливо, яке має найкращі показники серед інших видів палив.
Сьогодні метаном можна заправляти практично всі автомобілі, але в 90-ті роки вважалося, що він призначений для вантажних автомобілів та автобусів. Він містився у спеціальні сталеві балони, які витримували тиск у 200 атмосфер. Але вага балона в 100 кілограм відлякував автолюбителів, тому мало хто переводив свого «звіра» на це паливо. Зараз так само просто, як і будь-яке інше паливо.
Сьогодні балони зі сталі замінили менш міцними композитними сплавами, надійність стала жертвою легкості, тобто меншої ваги балона. Балони, як і сталеві витримують тиск, та високі температури. Вибухонебезпечність завищена, метан здатний спалахне тільки тоді, коли температура досягає 600 градусів, тоді коли бензин при 250, не кажучи про його пари яким достатньо і 170 градусів.
Застосування у Європейських країнах
Широке застосування зростає величезними кроками. Зараз газоболонних машин налічується 10 мільйонів. Росія є лідером у постачанні газового палива, на західному ринку.
Сучасні заводи обов'язково займаються розробкою та випуском однієї чи двох моделей газобалонних. автомобілів Audi, Honda, Toyota та інші. Усі вони починають налагоджувати виробництво автомобілів.
Енергетичні переваги були оцінені різними країнами, з різними економічними ситуаціями. Авто, здатні використовувати газове паливо, можна зустріти від США до Азії. У Росії заводських газоболонних автомобілів дуже мало, найчастіше можна зустріти переобладнані під газ бензинові аналоги.
Автомобілі з таким альтернативним видом палива як газ добре виробляють у таких країнах як Німеччина та Чехія. Це через те, що в першій налагоджена відмінна заправна інфраструктура, в другій планують замінити на більш економні аналоги 10% палива. Країною, де вже зараз широко використовуються автомобілі на газовому паливі, є Італія. Понад 779 тис. ГБА, колеса просторами цієї країни.
Автомобільний транспорт як джерело забруднення довкілля. Причини утворення токсичних компонентів у відпрацьованих газах ДВЗ
У Останніми рокамиу зв'язку із зростанням щільності руху автомобілів у містах різко збільшилося забруднення атмосфери продуктами згоряння двигунів. Випускні гази двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) складаються в основному з нешкідливих продуктів згоряння палива – вуглекислого газу та пари води. Однак у відносно невеликій кількості в них містяться речовини, що мають токсичну та канцерогенну дію. Це окис вуглецю, вуглеводні різного хімічного складу, оксиди азоту, що утворюються в основному при високих температуріта тиску.
При горінні вуглеводневого палива відбувається утворення токсичних речовин, пов'язане з умовами горіння, складом та станом суміші. У двигунах з примусовим займанням концентрація окису вуглецю досягає великих значень через нестачу кисню для повного окислення палива при їх роботі на багатою паливом суміші.
При русі автомобілів в місті і на дорогах зі змінним ухилом і швидко мінливими швидкостями з включеною передачею і відкритою дросельною заслінкою двигунам доводиться близько 1/3 дорожнього часу працювати в режимі примусового холостого ходу. На примусовому холостому ходу двигун не віддає, а навпаки, поглинає енергію, накопичену автомобілем. При цьому нераціонально витрачається паливо, посилене всмоктування якого призводить до найбільшого викиду токсичних газів СО та СН в атмосферу.
Автомобільні вихлопні гази – суміш приблизно 200 речовин. Вони містяться вуглеводні-не згорілі або повністю згорілі компоненти палива, частка яких різко зростає, якщо двигун працює малих оборотах чи момент збільшення швидкості на старті, тобто. під час заторів та біля червоного сигналу світлофора. Саме в цей момент, коли натискають на акселератор, виділяється найбільше частинок, що не згоріли: приблизно в 10 разів більше, ніж при роботі двигуна в нормальному режимі. До незгорілих газів відносять і звичайний окис вуглецю, що утворюється в тій чи іншій кількості всюди, де щось спалюють. У вихлопних газах двигуна, що працює на нормальному бензині та при нормальному режимі, міститься в середньому 2,7% оксиду вуглецю. За зниження швидкості ця частка збільшується до 3,9%, але в малому ходу-до 6,9%.
Основними експлуатаційними чинниками, які впливають рівень шкідливих викидів двигунів, є чинники, що характеризують стан деталей цилиндропоршневой групи (ЦПГ). Підвищений зносдеталей ЦПГ та відхилення від їх правильної геометричної форми є причиною збільшення концентрації токсичних компонентів у відпрацьованих газах (ОГ) та картерних газах (КГ).
Базовою деталлю ЦПГ, від якої залежить працездатність та екологічність двигуна, є циліндр, тому що герметичність камери згоряння залежить від ущільнюючої здатності кільця в поєднанні з циліндром. Від технічного стануциліндрів і поршневих кілець головним чином залежить інтенсивність зростання зазорів між кільцями та канавками поршнів. Таким чином, контроль та регулювання зазору між кільцем і циліндром в процесі експлуатації є суттєвим резервом зниження кількості шкідливих домішок в ОГ і КГ за допомогою поліпшення умов згоряння палива та зниження кількості олії, що залишилася в надпоршневому просторі.
Токсичними викидами ДВЗ є відпрацьовані та картерні гази. З ними надходить у повітря близько 40% токсичних домішок від загального викиду. Вміст вуглеводнів у відпрацьованих газах залежить від технічного стану та регулювань двигуна і на холостому ході коливається від 100 до 5000% і більше. При загальній невеликій кількості картерних газів дорівнює 2-10% відпрацьованих газів загальному забрудненніатмосфери, частка картерних газів становить близько 10% у мало зношених двигуніві зростає до 40% при експлуатації двигуна зі зношеною циліндропоршневою групою, т.к. концентрація вуглеводнів у картерних газах у 15-10 разів вища, ніж у відпрацьованих двигунах. Кількість КГ, а також їх хімічний складзалежить від стану деталей ЦПГ, здійснюють ущільнення камери згоряння. Від величини зазорів між деталями ЦПГ, що труться, залежить проникнення газів з циліндра в картер і назад. При цьому збільшується частка вуглеводнів з канцерогенними властивостями через підвищений чад олії та збільшеної витрати картерних газів через замкнуту систему вентиляції картера.
До досягнення граничного зношування двигуна викиди збільшуються в середньому на 50%. На прикладі прискорених випробувань, проведених у НАМІ, встановлено, що знос двигуна збільшує викиди ОГ вуглеводнів у 10 разів. Основна маса двигунів з підвищеною димністюОГ посідає двигуни, що пройшли капітальний ремонт.
Ступінь розущільнення камери згоряння залежить від зношування деталей ЦПГ, відхилення їх макрогеометри від правильної геометричної форми. При збільшенні нещільностей камери згоряння відбувається зростання СО та СН та зниження СО2 внаслідок погіршення умов згоряння палива. Крім зниження якості організації робочого процесу, зазори між кільцем і циліндром, а також зазори між кільцем і канавкою поршня призводять до збільшення кількості масла, що потрапив у надпоршневий простір, до збільшення відхилення від заданої динаміки тепловиділення в процесі згоряння, а отже - до збільшення загальної маси токсичних викидів. Олія становить 30-40% твердих часток ОГ.
Базовою деталлю ЦПГ є циліндр, від якого залежить економічна та екологічна доцільність експлуатації двигуна. Зношування гільз циліндрів має виражену форму овалу, велика вісь якого розташована в площині гойдання шатуна. Причиною утворення овальності циліндрів головним чином є збільшене навантаження поршнів на гільзи саме в площині хитання шатунів. На овальність циліндрів впливає також недосконалість технології збирання блоку циліндрів. Зміна макрогеометрії циліндрів (овальності та конусності) після складання двигуна також призводить до погіршення прилягання поршневих кілець до дзеркала циліндра. Відомо, що при встановленні гільз у блоки різних марокДВЗ, овальність у циліндрах збільшується в 2-3 рази.
Дуже важливо відзначити, що характер спотворення макрогеометрії гільз циліндрів після складання та в процесі експлуатації однаковий для більшості конструкцій блоків циліндрів з “ мокрими гільзами”. Велика вісь овалу циліндра, що утворюється при складанні, в зоні зупинки верхнього компресійного кільця у верхній мертвій точці поршня має таку ж спрямованість, як і велика вісь овалу, що утворюється при експлуатації. Такий характер деформації циліндрів пояснюється більшою деформацією блоку у місцях між розточуванням під гільзи.
Зниження овальності циліндрів сприяє зниженню інтенсивності зношування кілець і канавок поршнів, що в цілому сприяє поліпшенню роботи поршневих кілець та покращенню ущільнення камери згоряння. Відомо, що заміна маслознімних кілецьпісля вироблення граничного ресурсу певною мірою відновлює середній рівеньтоксичність двигуна. Безперечно, якщо при заміні кілець провести регулювання овальності циліндрів до рівня граничної величини на виготовлення нових гільз, то ефект буде набагато значнішим.
Розробка нових способів змішування та розчинення та математичного опису впливу відповідних присадок та добавок у нафтовому паливі дозволить значно скоротити час на розробку нових складів альтернативних палив та передбачення їх фізико-хімічних властивостей, що дозволить довести робочий процес двигуна при використанні нових альтернативних палив.
Аналіз вітчизняної та зарубіжної літератури показав, що розвиток переходу на нові види палива проходитиме три основні етапи. На першому етапі буде використовуватися стандартне нафтове паливо, спирти, добавки водню та водневмісних палив, газове паливо та різні їх поєднання, що дозволить вирішити проблему часткової економії. нафтового палива. Другий етап базуватиметься на виробництві синтетичних палив, подібних до нафтових, вироблених з вугілля, горючих сланців тощо. На цьому етапі вирішаться проблеми довгострокового постачання існуючого парку двигунів новими видами палива. На заключному, третьому етапі буде характерним перехід до нових видів енергоносіїв та енергосилових установок (робота двигунів на водні, використання атомної енергії).
Переведення ДВС на водень і водневмісне паливо являє собою складний соціально-економічний процес, для здійснення якого буде потрібна велика перебудова ряду галузей промисловості, тому на першому етапі найбільш прийнятним варіантом є робота дизелів з добавками водневмісних палив. Вкрай обмежені відомості в літературі про особливості горіння вуглеводневого палива з добавками водню та аміаку в дизелях не дозволяють однозначно відповісти на питання про вплив водневмісних палив на показники робочого процесу дизеля.
Також дуже слабко досліджено питання про застосування в дизелях синтетичного рідкого палива (СЖТ), що виробляється з вугілля. Різні літературні дані не дозволяють дати однозначну оцінку впливу СЖТ на робочий процес, у зв'язку з тим, що його фізико-хімічні властивості дуже залежать від вихідної сировини та технології переробки.
Найбільш ймовірним джерелом моторного палива можуть бути спирти, проте слід врахувати їх вкрай погані моторні властивості у разі використання в дизелях. Застосовувані способи використання спиртових палив вимагають додаткового ускладнення конструкції (установка карбюраторів, свічок запалювання або другої паливної системи) або подорожчання палива (використання добавок, що підвищують цетанове число). Найбільш оптимальним у цій ситуації може бути спосіб використання розчинів етанолу або метанолу з дизельним паливом у дизелях.
Дослідження впливу різних типів альтернативних палив проводилося для декількох типів швидкохідних дизелів з різними способами сумішоутворення, тому було необхідно отримати якомога повнішу інформацію про протікання процесів паливоподачі, згоряння, сажоутворення, токсичності і т.д. Тому було розроблено та впроваджено автоматизована система реєстрації та обробки інформації на базі ПК. Для цього комплексу було розроблено пакет прикладних програм, що включає програму збору інформації з різних датчиків під час випробувань, програми обробки отриманих даних щодо аналізу індикаторної діаграми, результатів оптичного індикування, паливоподачі та обчислення параметрів режиму.
Для одночасної подачі циклової порції дизельного палива та газу в циліндр автором розроблена спеціальна двопаливна форсунка, яка доповнювалася окремою магістраллю, що складається зі штуцера підведення газу та каналів у корпусі форсунки та розпилювача. У каналі корпусу форсунки виконано Зворотній клапан, що притискається до сідла пружиною. У канал розпилювача запресована циліндрична вставка з гвинтовою нарізкою на поверхні, яка утворює змішувально-акумулюючу камеру, що з'єднується з під'їгольною порожниною форсунки розпилювача.
На базі розробленої форсунки було виготовлено Паливна системадизеля, що дозволяє подавати різні види газоподібних добавок до палива.
Найбільш ефективно проводити розгляд особливостей робочого процесу при використанні альтернативних палив, маючи інформацію про просторовий розподіл полів концентрації сажі та температури. На сьогоднішній день існує переважно двовимірне уявлення температурно-концентраційної неоднорідності в циліндрі дизеля. В результаті було поставлено завдання експериментального дослідження просторового розподілу полів температури та концентрацій сажі. У роботі використовувалося оригінальне експериментальне обладнання визначення масової концентрації сажі, засноване на оптичному індикуванні циліндрів, і програмно реалізовані методики визначення температурних полів.
Розрахункові дослідження розчинності газу (водню, аміаку та ін.) ґрунтувалися на наступних припущеннях: по-перше -процес розчинення йде в змішувально-акумулюючій камері та розпилювачі форсунки; по-друге - розчинення протікає відповідно до моделі оновлення поверхні, тобто. поверхня контакту палива з газом оновлюється із частотою, рівної частотіколивання тиску палива у нагнітальному трубопроводі високого тиску.
Одним із шляхів подолання труднощів приготування сумішей дизельного палива з альтернативними є застосування третього компонента – спільного розчинника дизельного палива та спирту. Спільний розчинник повинен мати властивості дизельного палива та спирту, тобто. його молекула повинна мати як полярні властивості, так і аліфатичну складову для утворення зв'язків із вуглеводнями.
Спроби використання водню як паливо двигунів внутрішнього згоряння відомі досить давно. Так, наприклад, у двадцяті роки досліджували варіант використання водню як добавки до основного палива для двигунів внутрішнього згоряння дирижаблів, що давало можливість збільшити дальність їхнього польоту.
Використання водню як паливо для ДВС є комплексною проблемою, яка включає широке коло питань:
Можливість переведення на водень сучасних двигунів;
Вивчення робочого процесу двигунів під час роботи на водні;
Визначення оптимальних способіврегулювання робочого процесу що забезпечують мінімальну токсичність та максимальну паливну економічність;
Розробку системи паливоподачі, що забезпечує організацію ефективного робочого процесу в циліндрах ДВС;
Розробку ефективних засобів зберігання водню на борту транспорту;
Забезпечення екологічної ефективності застосування водню для ДВЗ;
Забезпечує можливість заправлення та акумулювання водню для двигунів.
Вирішення цих питань має варіантний рівень, однак, загальний стандосліджень з цієї проблеми можна розглядати як реальну базу для практичного застосування водню. Підтвердженням цьому є практичні випробування, дослідження варіантних двигунів, що працюють на водні. Так, наприклад, фірма "Mazda" робить ставку на водневий роторно-поршневий двигун.
Дослідження в цій галузі відрізняються широким спектром варіантів використання водню для двигунів зовнішнього та внутрішнього сумішоутворення, при використанні водню як присадку, частково заміщаючи паливо воднем, і роботи двигуна тільки на водні.
Великий перелік досліджень визначає необхідність їх систематизації та критичного аналізу. Використання водню відоме у двигунах, що працюють на традиційних паливах нафтового походження, а також у поєднанні з альтернативними паливами. Так, наприклад, зі спиртами (етиловий, метиловий) або природним газом. Можливе використання водню у поєднанні з синтетичними паливами, мазутами та іншими паливами.
Дослідження цієї галузі відомі як для бензинових двигунів, так і для дизелів, а також інших типів двигунів. Деякі автори робіт цієї тематики вважають, що водень є неминучістю і потрібно краще підготуватися до зустрічі з цією неминучістю.
Відмінною особливістюводню є його високі енергетичні показники, унікальні кінетичні характеристики, екологічна чистота та практично необмежена сировинна база. По масової енергоємності водень перевершує традиційні вуглеводневі палива в 2,5-3 рази, спирти - в 5-6 разів, аміак - в 7 разів.
Якісне впливом геть робочий процес ДВС водню визначається, передусім, його властивостями. Він має більш високу дифузійну здатність, більшою швидкістюзгоряння, широкими межами займання. Енергія займання водню значно менше, ніж у вуглеводневих палив. Реальний робочий цикл визначає вищу ступінь досконалості робочого процесу ДВЗ, кращі показники економічності та токсичності.
Щоб пристосувати існуючі конструкції поршневих ДВЗ, бензинових і дизелів до роботи на водні, як основному паливі, необхідні певні зміни, в першу чергу - конструкції паливної системи. Відомо, що застосування зовнішнього сумішоутворення призводить до зменшення наповнення двигуна свіжим окислювачем, а значить і зниження потужності до 40%, через низьку щільність і високу леткість водню. При використанні внутрішнього сумішоутворення картина змінюється, енергоємність заряду водневого дизеля може зростати до 12%, або може бути забезпечена на рівні, що відповідає роботі дизеля на традиційному вуглеводневому дизельне паливо. Особливості організації робочого процесу водневого двигунавизначаються властивостями воднево- повітряної суміші, А саме: межами займання, температурою та енергією займання, швидкістю поширення фронту полум'я, відстанню гасіння полум'я.
Практично у всіх відомих дослідженнях робочого процесу водневого двигуна наголошується на важкоконтрольному займанні воднево-повітряної суміші. Вплив на передчасне займання шляхом подачі води у впускний трубопровід або шляхом упорскування холодного водню досліджено і дають позитивні результати.
Залишкові гази та гарячі точки камери згоряння інтенсифікують передчасне займання воднево-повітряної суміші. Ця обставина вимагає додаткових заходів щодо запобігання неконтрольованому займанню. У той же час низька енергія займання в широких межах коефіцієнта надлишку повітря дозволяє використовувати існуючі системизапалювання під час переведення двигунів на водень.
Самозаймання воднево-повітряної суміші в циліндрі двигуна при ступені стиснення, що відповідає дизелям, не відбувається. Для самозаймання цієї суміші необхідно забезпечити температуру кінця стиснення щонайменше 1023К. Можливо, займання повітряної суміші від запальної порції вуглеводневого палива, за рахунок збільшення температури кінця стиснення застосуванням наддуву або підігрівом на впускі повітряного заряду.
Водень як паливо для дизелів характеризується великою швидкістюпоширення фронту полум'я. Ця швидкість може перевищувати 200 м/с і викликати хвилю тиску, що переміщається в камері згоряння зі швидкістю понад 600 м/с. Висока швидкістьзгоряння воднево-повітряних сумішей, з одного боку, має позитивно впливати на підвищення ефективності робочого процесу, з іншого боку, цим визначаються високі значення максимального тиску і температури циклу, більш висока жорсткість робочого процесу водневого двигуна. Підвищення максимального тиску циклу тягне за собою зниження моторесурсу двигуна, а підвищення максимальної температури призводить до інтенсивного утворення оксидів азоту. Можливе зниження максимального тиску за рахунок дефорсування двигуна або спалювання водню в міру його подачі в циліндр такті робочого ходу. Зниження емісії оксидів азоту до незначного рівня можливе шляхом збіднення робочої сумішіабо шляхом використання води, що подається у впускний трубопровід. Так, при а>1,8 емісія оксидів азоту практично відсутня. При подачі води за масою у 8 разів більше, ніж водню, емісія оксидів азоту знижується у 8…10 разів.
CNG дозволено безпосередньо у міських кварталах житлової та громадської забудови. Більше того, у багатьох країнах дозволено заправляти транспортні засоби природним газом у підземних гаражах. 1.6. Виробництво газового обладнання для автомобілів. У наші дні славу найкращого у світі виробника газової автоапаратури перехопила Італія. І зараз на світовому ринку найбільшим попитом користується...
Модель, що одержала позначення «H2R», розвиває швидкість понад 300 км/год. Перспективним представляється новий напрямок у двигунобудуванні на водневому паливі, заснований на застосуванні двигуна Стірлінга. Цей двигун остаточно XX в. широко не застосовувався на автотранспорті через складнішу порівняно з двигуном внутрішнього згоряння конструкції, більшої матеріаломісткості та вартості. ...
