Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Альтернативные виды топлива

МИНОБР НАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный педагогический университет»

Автомобильный институт

Кафедра автомобильного транспорта

Контрольная работа

По дисциплине: развитие и современное состояние мировой автомобилизации

на тему: «Альтернативные виды топлива»

Выполнил:

студент группы АЗС-11-1

Чечков С.В.

Проверил: ст.пр.Запойнов В.Д.

Нижний Новгород

2013 г.

Содержание

Введение		3
1.	Применение альтернативных топлив в автотранспорте	5
2.	Альтернативные виды топлива	7
2.1.	Топлива из биомассы	8
2.2.	Газовое топливо (природный газ)	11
2.3.	Спиртовые топлива	13
2.4.	Водородные топлива	15
Заключение		19
Список используемой литературы		20

Введение

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

Среди альтернативных видов топлива в первую очередь следует отметить спирты, в частности метанол и этанол, которые можно применять не только как добавку к бензину, но и в чистом виде. Их главные достоинства высокая детонационная стойкость и хороший КПД рабочего процесса, недостаток пониженная теплотворная способность, что уменьшает пробег между заправками и увеличивает расход топлива в 1,5-2 раза по сравнению с бензином. Кроме того, из-за плохой испаряемости метанола и этанола затруднён запуск двигателя.

Сделать двигатель «чистым» нетрудно. Надо лишь перевести его с бензина на сжатый воздух. Но эта идея не выдержала критики, когда речь заходит об автомобильных двигателях: далеко на таком «горючем» не уедешь. И американские специалисты предложили заменить сжатый воздух жидким азотом. Они даже разработали конструкцию автомобиля, в котором азот, расширяясь при испарении, будет толкать три поршня двигателя. А чтобы процесс испарения шёл активнее, азот предлагают впрыскивать в особую подогревательную камеру, где сжигается небольшое количество дизельного топлива. Такая схема при достаточной мощности обеспечит запас хода до 500 км.

В последнее время широкое распространение получила идея использования чистого водорода в качестве альтернативного топлива. Интерес к водородному топливу объясняется тем, что в отличие от других это самый распространённый в природе элемент.

Водород один из главных претендентов на звание топлива будущего. Для получения водорода могут быть применены различные термохимические, электрохимические и биохимические способы с использованием энергии Солнца, атомных и гидравлических электростанций и т.д.

Экологические преимущества водорода доказаны в ходе различных испытаний. Например, проведённые фирмой «Дженерал Моторс» сравнительные испытания 63-х экспериментальных автомобилей, работающих на всевозможных видах топлива, выявили, что у водородного «Фольксвагена» отработавшие газы менее вредные, чем всасываемый двигателем воздух.

Газообразный, даже сильно сжатый водород невыгоден, так как для его хранения нужны баллоны большой массы. Более реальный вариант использование жидкого водорода. Правда, в этом случае необходимо устанавливать дорогостоящие криогенные баки со специальной термоизоляцией.

1. Применение альтернативных топлив в автотранспорте

С момента появления самодвижущихся экипажей и по сей день стоит вопрос, как снизить содержание вредных веществ в выхлопных газах, которые отравляют окружающую среду, а сегодня еще и без того сложную экологическую обстановку во всем мире. Автомобили заполнили улицы наших городов, на которых стало уже трудно дышать. Вдыхаемая нами ядовитая смесь, вырабатываемая автомобилями, попадая в наш организм, приводит к негативным последствиям для самого человека и его потомства.

В плохой экологической обстановке кроется причина появления и развития различных болезней, таких как аллергия, бронхиальная астма и другие болезни, связанные с ослаблением иммунной системы, до недавнего времени считавшихся редкими. Уменьшить концентрацию ядовитых веществ в выхлопных газах автомобилей можно несколькими способами: модернизировать двигатель внутреннего сгорания (этот способ имеет свой предел, к которому мы почти подошли); поменять вид топлива на более экологически чистый (разработки в этом направлении ведутся); либо вообще отказаться от двигателя внутреннего сгорания, что на данной ступени развития техники почти невозможно. В последнее время необходимость смены вида топлива обострилась тем, что залежи нефти на нашей планете в ближайшем времени иссякнут.

Таким образом, чтобы избежать полного разграбления недр Земли, всемирного топливного краха и хоть немножко улучшить экологическую обстановку во всем мире, необходимо искать альтернативу бензину и другим видам топлива, основу которых составляет нефть. Хотя попытки замены бензина на другой вид топлива и имели место в истории, но они были связаны не со скорым началом всемирного топливного краха и уж тем более не экологической обстановкой на планете. В наше время же появились виды топлива, такие как электроэнергия, водород и спирт, у которых есть неплохие шансы заменить нефтепродукты.

Конечно же, и у электроэнергии, и у водорода, и у спирта есть не только преимущества, но и недостатки по сравнению с нефтепродуктами. Недостатки этих видов топлива можно условно разделить на две группы: экономическую и экологическую. Наиболее оптимальной альтернативой на сегодня является спирт.

Однако, применение спирта как топлива может натолкнуться на некоторые проблемы, но если учесть эти нюансы, возможно разработать программу плавного перехода на спирт.

Возможно, это единственный выход из пока еще не начавшегося всемирного топливного краха и способ заметно улучшить экологическую ситуацию в мире.

2. Альтернативные виды топлива

С точки зрения эксплуатации лучше и удобней бензинового топлива нет. Однако ограниченность запасов топлива нефтяного происхождения (а это, пожалуй, главное) сделало актуальным поиск замены его альтернативными видами.

Мировой опыт свидетельствует, что важную роль в уменьшении объема выбросов может сыграть частичная замена жидких моторных топлив альтернативными видами. Кроме этого, по прогнозам специалистов к 2010 г. в мире заметно будет ощущаться недостаток топлива нефтяного происхождения из-за сокращения его добычи.

При рассмотрении возможностей применения того или иного топлива в двигателе внутреннего сгорания (ДВС) необходимо учитывать его стоимость, доступность, безопасность использования, воздействие продуктов его сгорания на окружающую среду.

Любое альтернативное топливо имеет свои преимущества и недостатки, которые определяются в зависимости от таких факторов:

• производственные издержки;

• доступность для потребителя;

• воздействие на окружающую среду;

• необходимость приспособления двигателя к процессу питания новыми топливами;

• безопасность использования;

• одобрение потребителем.

Современный подход предполагает учет «полного жизненного цикла» альтернативных топлив, включающего экономические затраты и экологические издержки при его добыче, переработке и применении в энергетической установке.

Перевод транспорта на альтернативные виды топлива снижает его негативное воздействие на окружающую среду. По уменьшению вредных выбросов альтернативные топлива располагаются следующим образом: природный газ, сжиженный нефтяной газ, смешанный бензин, диметиловый эфир, биодизельное топливо. Однако необходимо отметить, что перевод автотранспорта на тот или иной вид альтернативного топлива является проблемой не столько экологической, сколько в большей степени и экономической.

В этом отношении альтернативные виды топлива значительно более привлекательны, так как позволяют нам сразу войти в параметры новых требований мирового уровня с точки зрения экологии.

На технологию и технико-экономические показатели производства альтернативных моторных топлив большое влияние оказывают агрегатное состояние и физико-химические свойства исходного сырья. Использование твердых видов сырья — угля, сланцев, битумосодержащих пород, биомассы — требует, помимо особенностей добычи, включения дополнительных стадий его подготовки к переработке, отсутствующих в схемах производства моторных топлив из нефтяного сырья. К таким стадиям относятся сушка, измельчение и фракционирование, разделение углеводородной и минеральной составляющих, отделение и утилизация шламов и ряд других.

Большинство альтернативных видов сырья отличается от нефти и ее фракций более низким содержанием водорода (повышенным отношением С:Н в их составе), а также высоким содержанием кислорода, азота и серы. Это определяет и более низкую удельную теплоту сгорания такого сырья, поэтому превращение его в жидкие и газообразные топлива сводится, как правило, к удалению минеральной составляющей и нежелательных гетероатомов, насыщению водородом в требуемых количествах.

2.1. Топлива из биомассы

Использование биомасс в энергетических целях — комплексный процесс, включающий выращивание и сбор биологических веществ, различные методы их подготовки и переработки в жидкие, газообразные и твердые топлива. Биомасса является возобновляемым ресурсом, а переработка сельскохозяйственных, лесных и бытовых отходов способствует охране окружающей среды от загрязнений.

Растительная биомасса представляет собой сложную смесь различных соединений. Растительная биомасса характеризуется высоким содержанием кислорода, достигающим 40%, пренебрежимо малым содержанием такого нежелательного элемента, как сера.

К недостаткам биомассы как сырья для получения моторных топлив относятся рассредоточенность ее запасов и необходимость поддержания зоологического равновесия. Сырая биомасса отличается высокой влажностью (З0—90%). Энергоплотность сырой биомассы колеблется в пределах 1 —15 ГДж/м³, и даже после сушки ее теплота сгорания остается относительно низкой—16—24 ГДж/т.

Во многих странах изучается возможность использования растительных масел в качестве топлива для дизельных двигателей. Особенностью растительных масел по сравнению с товарными дизельными топливами являются более высокая вязкость и плотность, высокое содержание (8—9%) кислорода и обусловленное этим некоторое снижение теплоты сгорания топлива:

Масло	Подсолнечное	Рапсовое	Льняное
Плотность, кг/м³	925	922	932
Вязкость (37,8 °С), мм²/с	35	37	29
Теплота сгорания, МДж/л	36,4	36,9	37

По результатам последних исследований альтернативного дизельного топлива можно использовать топлива с добавками масел растительного происхождения. В последние годы для применения добавок к топливу дизельных двигателей наибольшее внимание уделяют рапсовому маслу, которое имеет наиболее похожие свойства с дизельным топливом.

Значительно повышается производство и использование двухкомпонентных моторных топлив в странах европейского союза и несомненно в нашей стране. Например, в 2004 году в Великобритании были созданы условия для изготовления моторного топлива на основе рапсового масла (192 млн. л на год), так называемый «биодизель» (во время химической реакции рафинированное масло смешивается с метанолом в присутствии катализатора). Анализ ситуации, которая складывается на рынке нефтепродуктов, показывает, что до 2010 года 5,73 % всего топлива, потребляемого ЕС, будет приходиться на альтернативное топливо. При этом общее потребление транспортом дизельного топлива в станах ЕС еще в1998 году составил более 126,6 млн. т., а потребность, только, в биодизельном топливе составило более 2,53 млн.т. При работе дизельных двигателей на растительных маслах к. п. д. несколько выше, чем при работе на товарном дизельном топливе, однако мощность снижается на 5—20% в зависимости от вида масла. Из-за пониженной теплоты сгорания топливная экономичность двигателя несколько ухудшается и, кроме того, наблюдается повышенное количество углеродистых отложений при длительной работе. Эксплуатационные свойства растительных масел могут быть улучшены путем их очистки или введения специальных присадок.

На основании экспериментов установлено, что предка мерные дизели при работе на растительных маслах имеют лучшие характеристики и менее склонны к выходу из строя, чем дизели с неразделенной камерой сгорания. Так, в исследованиях тракторного дизеля «Steur WD 408/43» на смеси рапсового масла и дизельного топлива в равном соотношении после 287 ч эксплуатации наблюдалось залегание колец, засмоление выпускного канала и значительные отложения на выпускных клапанах, хотя распылители форсунок и элементы топливного насоса высокого давления оставались без изменения. При испытаниях смеси подсолнечного масла с дизельным топливом в соотношении 2 : 8 на предкамерных дизелях типа «Deutz F3L 912» после 400 ч эксплуатации обнаружено закоксовывание сопловых каналов распылителей форсунок. В то же время предкамерные дизели фирмы «Deutz» удовлетворительно работали на очищенном подсолнечном масле на протяжении около 2000 тыс. ч в условиях рядовой эксплуатации.

Целесообразность использования растительных масел в качестве моторных топлив признается преимущественно в Австралии и ряде стран Тихоокеанского бассейна, сельское хозяйство которых специализировалось на производстве арахисового и кокосового масел. Такая возможность подтверждена приведенными в Австралии в 1979—1980 гг. полевыми испытаниями тракторов и грузовых автомобилей с дизельными двигателями на арахисовом масле. Выполненный в ФРГ системный технико-экономический анализ основных направлений использования биомассы показал, что для этой страны наибольший интерес представляет рапсовое масло. Для условий Бразилии фирмой «Caterpilller» рекомендуются смеси растительных масел (из соевых бобов, подсолнечника или земляных орехов) с дизельным топливом в соотношении 1 : 9.

Кроме рапсового топлива, в качестве добавки к дизельному топливу теоретически возможно и использование различных масел растительного происхождения: подсолнечного, соевого, пальмового, льняного и др.

При использовании указанных масел в качестве добавки в дизельное топливо наилучшим считается рапсовое масло, так, как с увеличением его концентрации в топливе происходит незначительный прирост выбросов сажи. Льняное и пальмовое масла содействуют увеличению выбросов сажи максимум на 0,8 %.

Газовое топливо (природный газ)

Газовое моторное топливо уже получило распространение на автомобильном и морском транспорте, а также на стационарных двигателях внутреннего сгорания. Использование сжиженных нефтяных газов (пропана, бутана и их смесей) и природного газа в двигателях внутреннего сгорания не требует глубокой химической переработки сырья, а связано с физическими методами их подготовки к применению.

Газовые топлива обладают такими достоинствами, как высокие октановые числа, меньшие, чем у бензина и дизельного топлива, выброс вредных веществ с отработавшими газами, более высокий моторесурс двигателя др. Для их применения легко могут быть приспособлены обычные бензиновые и дизельные двигатели. В то же время в обычных условиях эти топлива находятся в газообразном состоянии, т. е. для заправки транспортных средств требуется компримирование или сжижение этих топлив.

Природный газ состоит в основном из метана и небольшой примеси других газообразных компонентов.

Сжижение природного газа по сравнению с сжатием позволяет уменьшить массу системы хранения в 3—4 и объем в 1,5— З раза. Однако из-за низкой температуры кипения метана (основного компонента природного газа) топливо необходимо хранить в криогенных емкостях с высокоэффективной тепловой изоляцией. Обычно это емкость с двойными стенками, пространство между которыми вакуумируется, а в ряде случаев заполняется теплоизоляционным материалом. Эксплуатация автомобиля па сжиженном газе связана с потерями газа на испарение при заправке и хранении (до нескольких процентов в сутки) и, кроме того, технически достаточно сложна.

Перевод двигателя на газовое топливо ведет к снижению индикаторного к.п.д. и уменьшению максимальных цикловых давлений, т. е. потерям мощности и снижению экономичности.

Указанные недостатки могут быть устранены двумя путями. Простейший способ — использование высокой детонационной стойкости газового топлива, октановое число которого на 20— ЗО ед. выше, чем у товарных бензинов. Этот путь связан с повышением степени сжатия двигателя, что исключает возможность его работы на бензине, т. е. исключается универсальность (двухтопливность) питания газового автомобиля. Второй путь — использование принципиально отличной системы подачи газового топлива: впрыск газа непосредственно в цилиндры двигателя или применение турбонаддува. Такие системы позволяют создать универсальный бензино - газовый двигатель с высокими мощностными характеристиками и топливноэкономическими показателями.

При использовании природного газа в качестве моторного топлива отмечены его плохие пусковые свойства. Предельное значение температуры холодного пуска двигателя (без дополнительных средств подогрева) на природном газе на 3—8 °С выше, чем на пропан-бутане. Трудность пуска объясняется высокой температурой воспламенения метана и тем, что в процессе воспламенения (после нескольких вспышек) на свечах осаждается вода, шунтирующая искровой промежуток.

Важным достоинством газовых топлив в сравнении с нефтяными являются лучшие экологические характеристики и прежде всего уменьшение выбросов вредных веществ с отработавшими газами двигателя.

Спиртовые топлива

Среди различных спиртов и их смесей наибольшее распространение в качестве моторного топлива получили метанол и этанол. Их основными недостатками является пониженная теплота сгорания, высокая теплота испарения и низкое давление насыщенных паров, но в целом по моторным свойствам этанол лучше метанола.

Высокие антидетонационные качества определяют преимущественное использование спиртов в двигателях внутреннего сгорания с принудительным (искровым) зажиганием. При этом основные мероприятия по переводу автомобилей на работу па чистых спиртах сводятся к увеличению вместимости топливного бака (в случае необходимости сохранения беззаправочного пробега), увеличению степени сжатия двигателя до ε = 12—14 с целью полного использования детонационной стойкости топлива и перерегулировки карбюратора па более высокие его расходы (в соответствии со стехиометрическим коэффициентом) и большую степень обеднения смеси. Низкое давление насыщенных паров и высокая теплота испарения спиртов делают практически невозможным запуск карбюраторных двигателей уже при температурах ниже +10 °С. Для улучшения пусковых качеств в спирты добавляют 4—6% изопентана или 6—8% диметилового эфира, что обеспечивает нормальный пуск двигателя при температуре окружающего воздуха от —20 до —25 °С. Для этой же цели спиртовые двигатели оборудуются специальными пусковыми подогревателями. При неустойчивой работе двигателя па повышенных нагрузках из-за плохого испарения спиртов требуется дополнительный подогрев топливной смеси с помощью, например, отработавших газов.

С энергетической точки зрения преимущества спиртов заключаются главным образом в высоком к. п. д. рабочего процесса и высокой детонационной стойкости. Величина к. п. д. спиртового двигателя выше бензинового во всем диапазоне рабочих смесей, благодаря чему удельной расход энергии па единицу мощности снижается. Эти факторы, а также высокий коэффициент наполнения позволяют существенно повысить мощность спиртового двигателя. Например, при работе на метаноле повышение степени сжатия полноразмерного восьмицилиндрового двигателя «Мегсеders Веnz» с 8,9 до 11,0 привело к увеличению его максимальной! мощности на 15%. Одновременно несколько возрастает среднее эффективное давление, пропорциональное крутящему моменту, что являются существенным преимуществом для автомобильного двигателя.

Низкая энергоемкость спиртов ведет к увеличению удельного расхода топлива, в частности для метанола примерно вдвое.

При использовании спиртовых топлив снижается содержание контролируемых вредных компонентов отработавших газов автомобиля. Благодаря низким температурам горения спиртов на единицу расходуемой энергии топлива выделяется значительно меньше, чем у бензина оксидов азота. Одновременно вследствие улучшения полноты сгорания спиртовых смесей выбросы СО и СН также уменьшаются. Выбросы канцерогенных ароматических углеводородов также па порядок ниже, чем при работе двигателя на бензине.

Наряду с положительной экологической эффективностью использования спиртовых топлив следует отметить и такие негативные явления, как повышенные выбросы альдегидов и испарения углеводородных соединений. Содержание альдегидов растет с увеличением концентрации спиртов в топливной смеси. Для метанола характерны выбросы формальдегида, в то время как при сгорании этанола образуется преимущественно ацетальдегид. Минимальные выбросы альдегидов соответствуют стехиометрическому составу топливной смеси и возрастают при ее обеднении или обогащении. В среднем выбросы альдегидов при работе на спиртах примерно в 2—4 раза выше, чем при работе двигателя па бензине. Их снижения добиваются при добавке к спиртам воды (до 5%) и присадок к топливу до 0,8% анилина, подогреве воздуха па входе в двигатель.

Использование спиртов в дизелях затрудняется из-за низких цетановых чисел, высокой температуры самовоспламенения и плохих смазывающих свойств, ведущих к повышенному износу топливной аппаратуры. Работа дизелей па спиртовых топливах возможна при использовании смеси спиртов и дизельного топлива с повышенным цетановым числом, введений в топливо активирующих присадок, подаче спиртов в испаренном виде, впрыске запального дизельного топлива, переоборудовании дизеля в двигатель с искровым воспламенением. Из перечисленных вариантов наиболее приемлемой для эксплуатации является добавка к спиртам различных присадок.

Водородные топлива

Интерес к водороду как моторному топливу обусловлен его высокими энергетическими показателями, отсутствием вредных веществ в продуктах сгорания и, главное, — практически неограниченной сырьевой базой. Водород характеризуется наиболее высокими энергомассовыми показателями среди химических топлив.

Водородно-воздушные смеси характеризуются высокой скоростью сгорания в двигателе, причем при стехиометрическом соотношении периоды индукции очень малы и сгорание протекает практически при постоянном объеме, что ведет к резкому повышению давления.

Состав отработавших газов водородного двигателя существенно отличается от состава газов бензинового двигателя внутреннего сгорания в основном за счет отсутствия углерода в топливе. Тем не менее в отработавших газах водородного двигателя присутствует незначительное количество СО и СН, наличие которых обусловлено выгоранием углеводородных смазок, попадающих в камеру сгорания.

Высокая реакционная способность водорода приводит к проскокам пламени во впускной трубопровод, преждевременному воспламенению и жесткому сгоранию топливных смесей. Этих недостатков можно избежать, если модифицировать топливоподающую систему двигателя.

Основной проблемой использования водорода в качестве моторного топлива является его хранение. Известны следующие варианты хранения водорода на автомобиле: в газообразном состоянии (в сжатом виде), в криогенном (сжиженном) состоянии, с использованием промежуточного носителя (жидкого или твердого). Наилучшие показатели системы хранения чистого водорода обеспечиваются при его сжижении, т. е. в криогенной схеме.

Применение газообразного водорода отличается простотой, однако не получило распространения из-за низкого энергозапаса, вызванного небольшой плотностью топлива, и большой массы топливного контейнера. Использование водорода в сжиженном состоянии более эффективно, однако имеет свои сложности, особенно при его хранении и транспорте. Температура кипения водорода равна —252,8 °С, поэтому при транспорте и хранении жидкого водорода первостепенное значение имеет тепловая изоляция.

Опытные образцы водородных дизелей созданы в лаборатории института Мусаши (Япония). Для организации рабочего процесса дизеля водород непосредственно впрыскивается в камеру сгорания в конце такта сжатия под давлением 8 МПа с помощью специальной форсунки с гидравлическим приводом от штатного топливного насоса высокого давления.

В связи с техническими проблемами и высокой стоимостью перевода автомобиля на чистый водород в последние годы работы в этой области развиваются главным образом в направлении создания двигателя с комбинированным бензино-водородным питанием, а также создания водородно-метанолыюго двигателя, работающего на водородсодержащих продуктах термокаталитической конверсии метанола.

В течение ряда лет неоднократно изучалась и в отдельных случаях находила практическое воплощение идея использования продуктов предварительной газификации топлива в тепловых двигателях. Так, в 20—30-е годы широко использовали на автомобилях продукты газификации твердого топлива — древесные чурки, древесный и каменный уголь, торфяные и соломенные брикеты и др.

При всех недостатках газогенераторных автомобилей (сложность эксплуатации, небольшие мощность двигателя и грузоподъемность) они обладали одним бесспорным преимуществом — возможностью работы на доступном и дешевом твердом топливе. В настоящее время в связи с изменением цены на нефтяные, топлива во многих странах вновь возрождается интерес к газогенераторным автомобилям. В качестве основных сырьевых горючих материалов для них предлагаются различные органические отходы сельского хозяйства и лесной промышленности.

Преимущество всех процессов газификации то же, что и в известных случаях применения газовых топлив: улучшение смесеобразования и сгорания топлива, повышение энергетической экономичности двигателя, снижение содержания в отработавших газах вредных выбросов оксида углерода и суммарных углеводородов.

Альтернативные виды топлива 📙 Контрольная → 🆔 3083