Сравнительная экономическая характеристика автомобильных двигателей, работающих на различных видах топлива

Содержание 

1. Нефтяной бензин

    Основные виды топлива для автомобилей - продукты переработки нефти - бензины и дизельные топлива. Они представляют собой смеси углеводородов и присадок, предназначенных для улучшения их эксплуатационных свойств.

    Бензины в силу своих физико-химических свойств применяются в двигателях с принудительным зажиганием (от искры). Более тяжелые дизельные топлива вследствие лучшей самовоспламеняемости применяются в двигателях с воспламенением от сжатия, т.е. дизелях.

    К автомобильным бензинам предъявляются следующие требования:

• бесперебойная подача бензина в систему питания двигателя;
• образование топливовоздушной смеси требуемого состава;
• нормальное (без детонации) и полное сгорание смеси в двигателях;
• обеспечение быстрого и надежного пуска двигателя при различных температурах окружающего воздуха;
• отсутствие коррозии и коррозионных износов;
• минимальное образование отложений во впускном и выпускном трактах, камере сгорания;
• сохранение качества при хранении и транспортировке.

    Повысить  качество автомобильных бензинов можно  за счет следующих мероприятий:

• отказа от применения в составе бензинов соединений свинца;
• снижения содержания в бензине серы до 0,05%, а в перспективе до 0,003%;
• снижения содержания в бензине ароматических углеводородов до 45%, а в перспективе до 35%;
• нормирования концентрации фактических смол в бензинах на месте применения на уровне не более 5 мг на 100 см³;
• деления бензинов по фракционному составу и давлению насыщенных паров на 8 классов с учетом сезона эксплуатации автомобилей и температуры окружающей среды, характерной для конкретной климатической зоны. Наличие классов позволяет выпускать бензин со свойствами, оптимальными для реальных температур окружающего воздуха, что обеспечивает работу двигателей без образования паровых пробок при температурах воздуха до +60°С, а также гарантирует высокую испаряемость бензинов и легкий пуск двигателя при температурах ниже -35°С;
• введения моющих присадок, не допускающих загрязнения и осмоления деталей топливной аппаратуры.

    Дизельные двигатели в силу особенностей рабочего процесса на 25...30% экономичнее бензиновых двигателей, что и предопределило их широкое применение. В настоящие время они устанавливается на большинство грузовых автомобилей и автобусов, а также на часть легковых.

    Эксплуатационные  требования к дизельным топливам (ДТ):

• бесперебойная подача топлива в систему питания двигателя;
• обеспечение хорошего смесеобразования;
• отсутствие коррозии и коррозионных износов;
• минимальное образование отложений в выпускном тракте, камере сгорания, на игле и распылителе форсунки;
• сохранение качества при хранении и транспортировке.

2. Синтетический бензин.

    Сырье для производства синтетического бензина  – уголь, природный газ, отходы деревообрабатывающей промышленности, сельского хозяйства  и даже бытовой мусор. Но наиболее перспективным считается синтезирование бензина из природного газа. Из 1 куб. м газа получают 120-180 г синтетического бензина. За рубежом производство синтетических моторных топлив из природного газа уже освоено в промышленном масштабе. Так, в Новой Зеландии из предварительно полученного метанола ежегодно синтезируется 570 тыс. т моторных топлив. Однако пока синтетические топлива из природного газа в 1,8-3,7 раза (в зависимости от технологии получения) дороже нефтяных. В то же время разработки по получению синтетического бензина из угля достаточно активно ведутся в настоящее время в Англии.[8]

    Плюсы:

• возможно получение требуемых характеристик топлива;
• в синтетическом дизтопливе отсутствует сера;
• выбросы вредных веществ ниже, чем при использовании нефтяного горючего;
• запасы сырья практически неограничены.

    Минусы:

• высокие затраты энергии для производства.

3. Метанол

    Метанол, более известный как метиловый (или древесный) спирт, как моторное топливо имеет высокую детонационную  стойкость (октановое число по моторному  методу 91-94, по исследовательскому 120-130) и высокую теплоту горения, что делает его особенно подходящим для двигателей с высокой степенью сжатия, работающих по циклу Отто. Эти обстоятельства обеспечивают его применение на гоночных автомобилях и мотоциклах. Метанол широко используется и как сырье, из которого автомобили на топливных элементах черпают водород. Метанол может смешиваться с бензином и служить основой для эфирной добавки - метилтретбутилового эфира, который в настоящее время замещает в США большее количество бензина и сырой нефти, чем все другие альтернативные топлива вместе взятые.

    Плюсы метанола как топлива:

• запасы сырья практически неограниченны;
• может использоваться как сырье для производства синтетического бензина.

    Минусы  метанола как топлива:

• вызывает коррозию деталей.[6]

4. Этанол

    Этанол – обыкновенный питьевой спирт. Как его получают? Просто: полученную из древесины целлюлозу подвергают гидролизу («осахариванию»); образовавшуюся техническую глюкозу в присутствии дрожжей заставляют бродить, и на выходе имеем этиловый спирт – тот самый С2Н5ОН. В качестве автомобильного топлива этанол по некоторым параметрам превосходит бензин. В нем меньше примесей, а октановое число по исследовательскому методу достигает 125 единиц. Поэтому этанол иногда используют как высокооктановую добавку – например, «92-й» бензин с 10 % этанола становится «девяносто пятым» (схожее горючее, Е-10, используется в Таиланде). Однако теплотворная способность этанола существенно ниже бензина (21,2 кДж / л против 31,9 кДж / л) – отсюда и более высокий расход топлива. Кроме того, этанол очень гигроскопичен – при контакте с водой он нарушает характеристики смеси. Поскольку алкоголь получается в результате ферментации сахара в процессе брожения зерновых крахмало- и сахаросодержащих культур, то топливо на его основе особо популярно в теплых странах. Так, Бразилия, через два года после нефтяного кризиса в 1973 г. с помощью СССР запустила программу PROALCOOL, направленную на перевод двигателей с бензина на спирт. Сегодня в стране уже 7 млн авто заправляются этанолом и еще 9 млн – его смесью с бензином (газохолом). Второй мировой лидер по изготовлению этанола для нужд автотранспорта – США. Там С2Н5ОН производят на 60 сахарных заводах. Общий выход продукции – 2 млрд галлонов в год (около 8 млрд л), этанол-бензиновая смесь составляет 10 % топливного рынка США. В настоящее время в мире ежегодно производится 330 млн галлонов спирта (1 галлон – 3,785411784 л). 13 % его используется для пищевых целей, 21 – для промышленных (химическая, косметическая и фармацевтическая промышленности), а остальные 66 % – в качестве горючего для двигателей. 60 % спирта вырабатывается из сахарсодержащего сырья, 33 % – из крахмалсодержащего и 7 % приходится на долю синтетического спирта.

    Сегодня стоимость этанола в среднем гораздо выше себестоимости бензина. Но наука не стоит на месте: уже разработана мeтодика воспроизводства этилового спирта, умeньшающая стоимость топлива за счет дeшeвых и высокоэффeктивных фeрмeнтов, прeобразующих цeллюлозу растeний в этиловый спирт. Здесь мы плавно переходим к биоэтанолу: применяя более сложную технологию, этанол можно производить не только из злаков. Путем биохимического превращения растительной целлюлозы в сбраживаемый сахар получают биоэтанолы второго поколения. Именно этим путем идет сегодня большинство исследователей.

    Первый ДВС, работающий на спирте и скипидаре, разработал еще Сэмюель Морей в 1826 г. В 1860 г. Николаус Отто использовал этиловый спирт как топливо для своего двигателя с четырехтактным циклом, так как он не облагался налогом и был доступен для спиртовых ламп во всей Европе. Генри Форд вообще называл этанол «топливом будущего»: легендарный Ford-Т был первым доступным транспортным средством с гибкой системой подачи топлива – двигатель мог работать на этаноле, бензине или на этих двух видах топлива в любом их сочетании.

    Плюсы этанола как топлива: 

• запасы сырья разнообразны и почти неограниченны;
• ниже токсичность выхлопных газов;
• высокое октановое число.

    Однако не все так просто с этим топливом. Ученые из Стэнфордского университета провели исследования и выяснили, что замена бензина спиртом может повлечь за собой серьезные негативные последствия. Результаты компьютерной модели, симулирующую ситуацию перехода автомобилей на этанол, оказались шокирующими. Несмотря на то, что массовое использование спирта позволяет уменьшить выбросы в атмосферу двух опасных канцерогенов – бензола и бутадиена, это приведет к существенному увеличению выбросов формальдегида и ацетальдегида. Таким образом, бензиновые моторы, которые считают одними из виновников распространения онкологических заболеваний, оказываются менее опасными, чем спиртовые!

    Минусы этанола как топлива:

• нужно вносить конструктивные изменения в систему питания;
• мощность двигателя снижается, а расход горючего увеличивается;
• из-за гигроскопичности спирта могут ухудшаться пусковые свойства двигателя;
• этанол вызывает коррозию деталей двигателя.[5]

5. Сжиженный нефтяной газ

    Сжиженный нефтяной газ (СНГ) обладает всеми качествами полноценного топлива для двигателей внутреннего сгорания. Во всем мире газ признан как дешевое, экологически чистое топливо, по многим свойствам превосходящее бензин. Немаловажно, что использование СНГ не требует изменения конструкции автомобиля, оставляя возможность использования, как бензина, так и горючего газа в качестве топлива. Основные преимущества нефтяного газа перед бензином заключаются в следующем:

• Экономия.
• Антидетонационная стойкость. Октановое число нефтяного газа - 103-105, что практически исключает детонацию деталей двигателя. Это достоинство газа может быть особенно актуально для двигателей с высокой степенью сжатия, потребляющих высокооктановый (и дорогой) бензин.
• Отсутствие катализаторов разрушения металлов. Газ не содержит вредных примесей (свинец, сера), которые на химическом уровне разрушают детали камеры сгорания, каталитический нейтрализатор и лямбда зонд
• Диффузия. Газ легко смешивается с воздухом и равномерней наполняет цилиндры однородной смесью, поэтому двигатель работает ровнее и тише. Газовая смесь сгорает почти полностью, поэтому не образуется нагар на поршнях, клапанах и свечах зажигания.
• Стабильность агрегатного состояния. Газ поступает в двигатель в паровой фазе, поэтому он не смывает масляную пленку со стенок цилиндров и не разбавляет масло в картере.
• Скорость сгорания смеси. Газ сгорает немного медленнее, чем бензин, что снижает нагрузки на поршневую группу и коленчатый вал, двигатель работает "мягче".
• Экологичность. Содержание вредных веществ в выхлопе снижается в несколько раз.

  В сумме все эти факторы дают тройную (и более) экономию средств на топливе, продлевают срок службы двигателя на 30-50%, масла и свечей - в два раза, и как следствие значительно снижают не только эксплуатационные, но и ремонтные затраты. К тому же газ не более опасен, чем бензин, и практически безвреден для окружающей среды. Для автохозяйств использование пропан-бутана в качестве топлива исключает воровство бензина, а потому выгодней в тройне (ведь ЗИЛы и ГАЗоны расходуют 30-40л бензина на 100 км.). Целесообразно оборудовать автомобиль газобаллонной аппаратурой при значительном пробеге (более 20 тыс. км в год); при большом потреблении топлива (более 10-15 л/100 км); при использовании высокооктанового бензина (АИ 95-98). В настоящее время в западноевропейских странах эксплуатируется более 2-х млн. ед. газобаллонных автомобилей на СНГ, в том числе в Италии - около 310 тыс., в Нидерландах - около 380 тыс., в Германии - более 75 тыс. В настоящее время в Германии, действует 650 станций по заправке ГСН. В 2003 году их количество должно превысить 1 тыс. единиц.

  Потребление СНГ как топливо на автомобильном транспорте в 2000 году в Европе составило более 4,5 млн. т.

  Широкое применение как автомобильное топливо  СНГ нашел в настоящее время также в США, Канаде, Японии, Южной Корее.

  В США в настоящее время эксплуатируется  более 500 тыс. грузовых автомобилей на СНГ и имеется более 10 тыс. газозаправочных станций (общее количество АЗС - 160 тыс.).

  В Японии в настоящее время эксплуатируется 700 тыс. газобаллонных автомобилей на СНГ - в основном автомобили - такси и небольшие фургоны. Только в г. Токио на СНГ эксплуатируется 200 тыс. таксомоторов.

  В Южной Корее сейчас эксплуатируется  более 80 тыс. газобаллонных автомобилей на СНГ, что обусловлено политикой правительства, стремящегося использовать СНГ как стандартное топливо для всех пассажирских транспортных средств.

  Расширяется использование СНГ на автомобильном транспорте в Китайской народной республике.[2] 
 

6. Компримированный  природный газ

    Компримированный природный газ — сжатый природный газ, используемый в качестве моторного топлива вместо бензина, дизельного топлива и пропана. Он дешевле традиционного топлива, а вызываемый продуктами его сгорания парниковый эффект меньше по сравнению с обычными видами топлива, поэтому он безопаснее для окружающей среды. Компримированный природный газ производят путем сжатия (компримирования) природного газа в компрессорных установках. Хранение и транспортировка компримированного природного газа происходит в специальных накопителях газа под давлением 200—220 бар. Также используется добавление к компримированному природному газу биогаза, что позволяет снизить выбросы углерода в атмосферу.

    Сжатый природный газ как топливо имеет целый ряд преимуществ:

• Метан (основной компонент природного газа) легче воздуха и в случае аварийного разлива он быстро испаряется, в отличие от более тяжёлого пропана, накапливающегося в естественных и искусственных углублениях и создающего опасность взрыва.
• Не токсичен в малых концентрациях;
• Не вызывает коррозии металлов.
• Компримированный природный газ дешевле, чем любое нефтяное топливо, в том числе и дизельное.
• Низкая температура кипения гарантирует полное испарение природного газа при самых низких температурах окружающего воздуха.
• Природный газ сгорает практически полностью и не оставляет копоти, ухудшающей экологию и снижающей КПД. Отводимые дымовые газы не имеют примесей серы и не разрушают металл дымовой трубы.

    Страны  Ближнего Востока выступают пионерами  перехода на компримированный природный  газ (КПГ) по той очевидной причине, что, продавая нефть и бензин США  и Европе и обеспечивая их население  дешевым КПГ из крупных локальных запасов газа, они смогут больше заработать.[3]

    В Европе сегодня 30% транспорта переведено на компримированный газ, в Северной Америке — более 50% транспорта, а если взять, к примеру, Аргентину, то там уже 70-80% машин «бегают» на компримированном газе.[4] 

7. Сжиженный природный газ

    Сжи́женный приро́дный газ — природный газ, искусственно сжиженный, путём охлаждения до −160 °C, для облегчения хранения и транспортировки. Для хозяйственного применения преобразуется в газообразное состояние на специальных регазификационных терминалах.

    Газ в качестве топлива для двигателей стали применять раньше, чем бензин: с газового горючего, собственно, и началась вся история нынешнего автомобилестроения. Прототипом современного двигателя внутреннего сгорания была построенная в 1860 году машина Этьена Ленуара - агрегат мощностью 1,5 л.с, работавший на светильном газе. Тем же топливом питались и первые автомобили. Например, хорошо известный «Бенц-Виктория» 1893 года с 3-сильным двигателем рабочим объемом 2900 см3, где в цилиндрах сгорал каменноугольный газ, подаваемый из баллона через специальный вентиль.

    Снизить расходы на топливо в 2-3 раза - это, конечно, хорошо, но на этом плюсы перехода на газовое топливо не заканчиваются. При использовании правильно установленного газобаллонного оборудования и работе на газовом топливе автомобиль получает ряд очевидных преимуществ.

• Газ обладает всеми качествами полноценного топлива для двигателей внутреннего сгорания. Его использование не требует изменения конструкции автомобиля, оставляя возможность использовать как бензин, так и газ. Переключение с одного топлива на другое осуществляется на ходу прямо из салона. Следует отметить, что газобаллонное оборудование фактически дублируется бензиновой системой питания, повышая безотказность автомобиля и уменьшая практически до нуля риск остаться без движения при поломке в системе питания.
• Газ - это высококачественное топливо с октановым числом около 105, поэтому ни в одном режиме работы двигателя не возникает детонация. Следовательно, снижается нагрузка на детали цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма.
• Газовое топливо продлевает работоспособность двигателя. Происходит более полное сгорание газовоздушной смеси, благодаря чему улучшаются условия смазки трущейся пары цилиндр - поршневые кольца, так как газовое топливо не смывает масло с их стенок и не растворяет его, снижая расход масла на 10-15%. Кроме того, двигатель работает ровнее и тише: газ легко смешивается с воздухом и равномерней наполняет цилиндры однородной смесью. В сумме все эти факторы продлевают срок службы двигателя на 30-40%, масла и свечей -в два раза и, как следствие, значительно снижают затраты не только на эксплуатацию, но и на ремонт.
• Газ практически безвреден для окружающей среды. Применение газового топлива заметно снижает суммарную токсичность отработавших газов.
• Относительно низкая стоимость топлива и, как следствие, быстрая окупаемость оборудования.
• Суммарный пробег на одной заправке при установке ГБО возрастает вдвое (обычно на автомобиль устанавливается газовое оборудование с емкостью не меньше, чем емкость бензинового бака). Это преимущество газобаллонного оборудования особенно полезно тем, кто совершает поездки на дальние расстояния и не уверен в качестве «провинциального» бензина.
• Не стоит забывать и о противоугонных возможностях газового оборудования, устанавливаемого на инжекторные автомобили: отсоединив легкосъемный коммутатор, можно надежно заблокировать подачу обоих видов топлива при несанкционировованном пуске двигателя.
• Минимальная амортизация. При правильной эксплуатации установленного газового оборудования межремонтный период до замены резинотехнических изделий составит не менее 5 лет. Более того, многие детали установленного ГБО могут быть переустановлены на другой автомобиль, продолжая служить еще долгое время.

    Теперь несколько минусов применения газобаллонного оборудования:

• увеличение металлоемкости автомобиля на 30-40 кг. Баллон не может принять любую форму (как, например, бензобак) и занимает дополнительное пространство;
• затруднения с пуском холодного двигателя (рекомендуется заводить двигатель на бензине, а на газ переходить после его прогрева);
• потеря разгонной динамики и снижение максимальной скорости в среднем на 5-8%;
• потеря мощности на 10-15% (зависит от степени сжатия, от рабочего объема двигателя и от алгоритма зажигания). Чем выше степень сжатия, тем меньше потеря мощности. Например, у мотора, потребляющего 95-й бензин, при корректной регулировке теряется всего 2% мощности;
• недостаточное количество автомобильных газонаполнительных компрессорных станций;
• увеличение высоты центра тяжести, а также появление необходимости не только проходить ТО, но и ездить на опрессовку ГБО раз в два года;
• появляется необходимость обслуживать (в той или иной степени) еще одну систему питания;
• при использовании газа в качестве топлива не только падает мощность двигателя, но и увеличивается расход газа - он оказывается на 15-30% больше, чем бензина.

     Заключение

    Основными критериями для оценки эффективности применения различных видов топлива в двигателях служат: уровень вредных выбросов, затраты на топливо, инфраструктура применения топлива и стоимость двигателя. Эти критерии выбраны как наиболее важные по следующим соображениям. В настоящее время постоянно ужесточаются нормы на допустимые вредные выбросы автомобилем, что вынуждает конструкторов искать новые решения для удовлетворения этих норм. Одним из путей существенного улучшения экологических характеристик двигателей является применение "экологически чистых" альтернативных топлив (метанола, природного газа и др.), так как эти топлива позволяют не только снизить выбросы токсичных компонентов с отработавшими газами, но и уменьшить потребление нефтяных топлив.

    Второй критерий оценки - затраты на топливо и инфраструктуру - дает возможность оценить издержки на производство, доставку, распределение топлива и эксплуатацию транспортного средства. При работе на альтернативном топливе может существенно изменяться расход горючего на единицу работы, выполняемой автомобилем. Кроме того, цена альтернативного топлива также отличается от цены применяемого сейчас нефтяного топлива.

    Третий критерий - стоимость двигателя - характеризует затраты на конвертацию двигателя для работы на альтернативном топливе. В зависимости от вида применяемого топлива могут требоваться различные изменения в конструкции двигателя и его систем от достаточно простых (перерегулировка топливной аппаратуры) до существенного изменения конструкции двигателя (установка газовой аппаратуры). Таким образом, сложность модернизации двигателя будет существенно сказываться на его стоимости.

    До настоящего времени не существует единой концепции перехода на производство и использование альтернативных моторных топлив. Поэтому первым шагом в решении этой проблемы является рассмотрение всех видов возможных альтернативных моторных топлив и анализ перспективности их использования. В таблице 1 представлена оценка относительной эффективности использования различных альтернативных видов топлива на автотранспорте. За единицу приняты показатели нефтяного бензина.[7] 

    Таблица 1

    Оценка относительной эффективности использования различных альтернативных видов топлива на автотранспорте.

    * В затратах энергии учтены добыча, транспорт и переработка первичного энергоносителя в моторное топливо.

    ** Стоимость единицы пробега определена применительно к 6-местному автомобилю с конвертированным на газовое топливо двигателем.

    Исходя  из таблицы, можно сделать вывод, что наиболее выгодно использовать газовое топливо. Но следует учесть при переоборудовании автомобиля его пробег, большое потребление топлива, использование высокооктанового бензина, так как в настоящее время переоборудование стоит около 250 тыс тенге и количество газозаправочных станций (в нашем городе их около 5). Что же касается альтернативных видов топлив, то в нашей стране данное направление абсолютно не развито. Но практика зарубежных стран показывает выгодность использования альтернативных топлив, в первую очередь с точки зрения экологичности автомобильных двигателей.

     Список использованных источников 

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/%C1%E5%ED%E7%E8%ED
2. http://www.stroyplan.ru/docs.php?showitem=47662
3. http://www.spgt.ru/article/764
4. http://www.mosavtogaz.ru/pressa5.html
5. http://www.topcar-t.ru/ju/go/uchene-svet/zakat_neftyanoj_eryi_chast_2.html
6. http://www.7samuraev.ru/useful/fuel/1.php
7. http://www.vide0.ws/index1121.html
8. http://www.map.asmap.ru/4%2868%29_06/toplivo.htm