Цель: Сформировать понятие об экологической характеристике видов топлива.
Задачи: Образовательная- сформировать понятия о видах топлива, создать условия для анализирования преимуществ и недостатков различных альтернативных видов автомобильных топлив ;
Развивающая- развивать умения самостоятельно решать поставленные задачи, познавательный интерес, умение обобщать, анализировать, сравнивать, формировать ключевые компетенции ;
Воспитательная- формирование мотивов, потребностей и привычек экологически целесообразного поведения и деятельности; воспитание активности, увлеченности, целеустремленности, настойчивости, наблюдательности, волевых качеств, интуиции, сообразительности, самостоятельности.
Оборудование, наглядные пособия: презентация
Тип занятия: урок изучения нового материала
Методы занятия: словесный, наглядный, практический.
Ожидаемый результат: знание экологической характеристики видов топлива.
Ход занятия:
1.Организационно- психологический настрой
2.Актуализация знаний и умений:
Разминка:
Взаимовыгодное сожительство организмов Симбиоз .
Наука, изучающая взаимосвязи живых организмов между собой и окружающей средой Экология.
Организм, часто являющийся первым звеном в цепи питания Растение.
Воздушная оболочка Земли Атмосфера.
Группа особей одного вида, длительно обитающая на определенной территории, относительно обособленно от представителей этого же вида Популяция.
Сообщество живых организмов Биоценоз.
Организм, нападающий, убивающий и поедающий свою жертву Хищник.
Листья сосны. Хвоя
Искусственное насаждение вдоль дорог. Лесополоса
Сосновый лес. (Бор)
Плод дуба. (Желудь)
«Плач» березы весной. (Сокодвижение)
Защитный экран Земли. (Озоновый слой)
Токсичный туман. (Смог)
Совокупность условий, в которых живет организм. (Среда обитания)
Дубовый лес. (Дубрава)
Ядовитый металл, содержащийся в выхлопных газах автомобильного транспорта. (Свинец)
Дополнительные вопросы:
Отличие агроценоза от биоценоза
Что такое экосистема?
Что изучает аутэкология?
Способна ли атмосфера к самоочищению? Каким образом?
Законодательная база охраны ОС в РК
Составить цепи питания:
Цапля, лягушка, комар (Комар – лягушка – цапля)
Рыба, водоросли, медведь (Водоросли – рыба – медведь)
Пшеница – мышь полевка – сова (пшеница – мышь полевка – сова)
Заяц- трава-лиса (Трава – заяц – лиса) слайд 1
7.Распределить: сова, куница , лягушка, паук, прыткая ящерица , лягушка, бабочка, зеленые плоды, цветковые, кора, бактерии, листья и семена, грибы. слайд 2
Продуценты-
Консументы-
Редуценты-
3.Формирование новых знаний и умений:
Вопросы:
Какие компоненты содержаться в автомобильных выхлопных газах?
(Смесь примерно 200 веществ. В них содержатся углеводороды–не сгоревшие или не полностью сгоревшие компоненты топлива)
На каком виде топлива работает подавляющее большинство современных автомобилей? ( автомобили с двигателями внутреннего сгорания, работающими на бензине или дизельном топливе, получаемых из нефти) .
3.В чем причина поиска замены традиционного топлива на альтернативные? ( резкое подорожание нефти в последнее время в сочетании с озабоченностью ростом вредных выбросов, которые производят автомобили, загрязняя атмосферу, привела к мысли правительства многих стран и автомобильные компании искать замену традиционному топливу)
4.Что такое цетановое число дизеля?
Цетановое число - характеристика воспламеняемости дизельного топлива, определяющая период задержки воспламенения смеси (промежуток времени от впрыска топлива в цилиндр до начала его горения).
5.Чем ниже содержание в топливе «вредных» ароматических углеводородов, тем цетановое число будет больше или меньше ( больше /выше ).
(цель, тема)
Человек успел за короткий срок сделать условия жизни на Земле невыносимыми. И только от него зависит, станет ли на Земле, лучше или хуже. Серьезную проблему представляет выброс в воздух загрязняющих веществ автотранспортом.
В последние годы в связи с ростом плотности движения автомобилей в городах резко увеличилось загрязнение атмосферы продуктами сгорания двигателей. При горении углеводородного топлива происходит образование токсичных веществ, связанное с условиями горения, составом и состоянием смеси.
Подавляющее большинство автомобилей до сих пор - это автомобили с двигателями внутреннего сгорания, работающими на бензине или дизельном топливе, получаемых из нефти.
Сейчас за один день нефти сжигается столько, сколько природа с помощью солнечной энергии способна выработать за тысячу лет. По прогнозам ученых запасов нефти в мире осталось немного. Сложившаяся ситуация не является тайной. Научно-исследовательские организации многих стран мира ищут адекватную замену топливу, получаемому при переработке нефти. Задача достаточно сложна, и единого решения до сих пор нет, хотя автомобили, работающие на альтернативных видах топлива, производили и успешно эксплуатировали не только в нынешнем веке, но и в XX, и даже в XIX веке. Однако резкое подорожание нефти в последнее время в сочетании с озабоченностью ростом вредных выбросов, которые производят автомобили, загрязняя атмосферу (особенно остро эта проблема стоит в крупных городах) привела к мысли правительства многих стран и автомобильные компании искать замену традиционному топливу
Задание: Расшифруйте А-95.
Задача достаточно сложна, и единого решения до сих пор нет, хотя автомобили, работающие на альтернативных видах топлива, производили и успешно эксплуатировали не только в нынешнем веке, но и в XX, и даже в XIX веке. Первая в мире газовая самобеглая повозка «Гиппомобиль» была создана Жаном-Этьеном Ленуаром еще в 1862. В нашей стране в 1930-х годах выпускали газогенераторные автомобили, которые «топили»... березовыми чурками, торфом или углем. Дрова термически разлагались при относительно низкой температуре, превращаясь в газ, который сгорал в цилиндрах двигателя. Широко известная немецкая авиакомпания «Дейче Эрбас» разрабатывает первый в мире аэробус, летающий на жидком водороде.
Задание: Заполнить таблицу « Сравнительные показатели различных видов топлив »
вид
Достоинства
Недостатки
газообразное
Более полное сгорание благодаря более качественному образованию смеси в цилиндрах,
Низкая токсичность продуктов сгорания,
Низкая стоимость и транспортировки газа
Низкий уровень шумового загрязнения атмосферы,
Невозможность хищения топлива обслуживающим персоналом,
Низкая стоимость переоборудования автомобиля.
высокая токсичность самого топлива
высокая взрывоопасность баллонов с газом при ДТП,
Электроэнергия
Экологическая безопасность (отсутствие выхлопных газов)
Простота конструкции
– низкая стоимость заправки
– низкий уровень шумового загрязнения
– лёгкость в управлении, надёжность
– эксплуатация электромобиля обходится дешевле, чем традиционной
– малый запас хода
– длительное время зарядки,
– проблема утилизации аккумуляторов
– отсутствие заряжающих станций
– большинство электростанций – тепловые, сжигающие топливо для получение электроэнергии, вредные компоненты.
Биотопливо
– имеет неограниченные запасы сырья (возобновляемость ресурса)
– меньшее количество вредных веществ в отработавших газах
– высокие смазочные характеристики, что продлевает срок жизни двигателя
– высокое цетановое число
Высокая температура воспламенения
Низкая стоимость
– большая вязкость биодизеля, что вызывает необходимость подогревать топливо при низких температурах для обеспечения приемлемой текучести,
Малый срок хранения – около 3х месяцев.
Спирт
– нейтрален как источник парниковых газов
– низкая стоимость
– повышает риск увеличения эмиссии летучих органических веществ, это приводит к уменьшению концентрации озона и усилению солнечной радиации,
– низкая, по сравнению с базовыми моделями мощность
Водород
– сгорает полнее
– высокая удельная теплота сгорания,
– отсутствие токсичных выхлопов
– можно получать буквально из всего: из природного газа, океанской воды, биомассы, воздуха
– обладает намного более широким, по сравнению с бензином, диапазоном пропорций смешивания его с воздухом, при которых ещё возможен поджиг смеси
– несовершенные технологии хранения водорода
– высокая себестоимость водорода,
– сложный процесс получения водорода в промышленных масштабах, в процессе которого выделяется все тот же СО,
– высокая стоимость водородной силовой установки и сложность ее обслуживания,
– взрывоопасность водородно-воздушной смеси – отсутствие развитой структуры водородных заправочных станций.
Просмотр видео
Основная причина загрязнения воздуха заключается в неполном и неравномерном сгорании топлива. Всего 15% его расходуется на движение автомобиля, а 85% "летит на ветер". К тому же камера сгорания автомобильного двигателя-это своеобразный химический реактор, синтезирующий ядовитые вещества и выбрасывающий их в атмосферу. Даже не винный азот из атмосферы, попадая в камеру сгорания, превращается в ядовитые оксиды азота.
Основными токсичными веществами, загрязняющими атмосферу, в отработанных газах двигателей с воспламенением от искры являются: оксид углерода, оксиды азота и углеводороды. Особое место занимают канцерогенные вещества, основным представителем которых в отработанных газах является бенз(а)пирен.
Вследствие глобального загрязнения окружающей среды свинцом, он стал вездесущим компонентом любой растительной и животной пищи и кормов. Растительные продукты в целом содержат больше свинца, чем животные.
Причина летнего листопада - высокое содержание свинца в воздухе. Но, концентрируя свинец, деревья тем самым очищают воздух. В течение вегетативного периода одно дерево обезвреживает соединения свинца, содержащиеся в 130 л бензина. Наименее восприимчивым к свинцу является клен, а наиболее восприимчивы орешник и ель.
Сторона деревьев, обращенная к автомобильным магистралям, на 30 – 60% «металличнее». Хвоя ели и сосны обладает свойствами хорошего фильтра по отношению к свинцу. Она его накапливает и не обменивает с окружающей средой. Растительность суши вовлекает в биологический круговорот ежедневно 70 – 80 тыс. т. свинца
Чтобы автомобиль с полным основанием можно было назвать экологически чистым, должно быть экологически чистым топливо. И газ отвечает этому требованию. Применение газа заметно снижает по сравнению с бензином суммарную токсичность отработавших газов. Более чем втрое уменьшается количество токсичной окиси углерода СО (угарный газ), в 1,6 раза - содержание канцерогенных углеводородов СН, состоящих из частиц несгоревшего топлива. Концентрация окиси азота NO и двуокиси NO2 образующихся в процессе горения смеси кислорода и азота (безвредный азот, попадая в камеру сгорания из атмосферы, превращается в ядовитое соединение - оксиды азота), при работе двигателя на газе снижается в 1,2 раза. Соединения же свинца и различные ароматические полимеры,содержащиеся в бензине и также являющиеся опасными канцерогенами, в газовом топливе совершенно отсутствуют.Дымность выхлопа при работе на газовом топливе втрое ниже, чем при работе на бензине.
Исследования опровергли устоявшееся мнение, что использование газа вместо бензина - вынужденная мера. Газовое топливо сгорает полнее, поэтому концентрация окиси углерода в выхлопе газового двигателя в несколько раз меньше. Автомобиль на бензине выбрасывает в атмосферу сернистый газ, который образуется от сгорания сернистых компонентов топлива, и тетраэтилсвинец. В природном газе серы, как правило, нет, а поэтому в выхлопах газового двигателя нет ни сернистого газа, ни соединений свинца. В отработанных газах бензинового двигателя из-за неполного сгорания топлива содержится и окись углерода (СО) - токсичное для человека вещество. И газовые, и бензиновые автомобили выбрасывают в атмосферу одинаковое количество углеводородов.Для здоровья человека опасны не сами углеводороды, а продукты их окисления.
Двигатель, работающий на бензине, выбрасывает сравнительно легко окисляющиеся вещества - этил и этилен, а газовый двигатель - метан, который из всех предельных углеводородов наиболее устойчив к окислению. Поэтому углеводородный выброс газового автомобиля менее опасен. Газ как моторное топливо не только не уступает бензину, но и превосходит его по своим свойствам, которые на химическом уровне разрушают детали камеры сгорания, каталитический нейтрализатор и лямбда зонд.
Вопрос: Какими же свойствами должно обладать идеальное топливо?
4.Закрепление изученного материала
Вопросы
Вид топлива используется в автомобилях. Дешевое, экологически чистое, по многим свойствам превосходите бензин, его использование не требует изменения конструкции автомобиля.
Вещество, из которого с помощью определённой реакции может быть получена тепловая энергия.
Итальянский физик, химик и физиолог; открыл метан при исследовании болотного газа. Его именем названа единица измерения электрического напряжения.
Сжатый природный газ (без цвета и запаха) является основным компонентом природного газа. Взрывоопасный, часто называют «болотным». Имеет высокую детонационную стойкость - его октановое число более 100 ед. При сгорании он практически не оставляет вредных продуктов.
Природная маслянистая горючая жидкость, состоящая из сложной смеси углеводородов и некоторых др. органических соединений. Используется для получения из неё технически ценных продуктов, главным образом моторных топлив, растворителей, сырья для химической промышленности, её подвергают переработке.
Экологически чистое топливо, продуктом его сгорания является вода. Выделяет больше тепла, чем любой вид традиционного ископаемого топлива.
Спирт, может быть получен путем ферментации биомассы, содержащей крахмал, сахар либо целлюлозу. Используется как топливо, ДВС в чистом виде, в качестве растворителя и как наполнитель в спиртовых термометрах.
Масличная культура используется в качестве корма скоту, хорошее зеленое удобрение, великолепный медонос; масло этой культуры используется в кулинарии, в металлургии для закалки стали, как сырье для производства эластичных материалов и в производстве биотоплива.
Альтернативный источник энергии для автомобилей. Автомобили, работающие на этом источнике появились существенно раньше работающих на бензине, были широко распространены в конце 19 - начале 20 в. Они не шумящие и не дымящие, в отличие от бензиновых или паровых машин, пользовались популярностью у аристократии.
Органическое соединение, являющееся производным углеводородов и содержащее в молекуле одну или несколько OH (гидроксильных) групп. Образуется при брожении сахаристых веществ, при окислении предельных углеводородов. В последнее время его роль растет, как топлива в двигателях внутреннего сгорания.
Вид топлива подходит под критерий доступность и низкая токсичность. На автотранспорте в настоящее время не используется.
Важнейшее свойство дизельного топлива, оценивается цетановым числом. По её показателю можно судить о количественном составе вредных компонентов СО и СН в выработанных газах дизеля.
Высококачественное полноценное топливо для автомобильных двигателей. Охлажденный до -160 °С природный газ. Его основные компоненты - пропан и бутан.
Горючая смесь лёгких углеводородов, предназначена для применения в качестве топлива для карбюраторных и инжекторных двигателей, а также при производстве парафина, чистке тканей. Получают путем разгонки и отбора фракций нефти.
Ответы
1
а
2
л
3
ь
4
т
5
е
6
р
7
н
8
а
9
т
10
и
11
в
12
н
13
ы
14
е
5.Домашнее задание дополнительный материал, привести примеры различных автомобилей, работающих на экологических видах топлива.
6.Итог урока (рефлексия, выставление оценок)
Об экологической опасностиВсе углеводородные топлива, как известно, в большей или в меньшей степени являются экологически опасными. Наибольшей экологической опасностью обладают жидкие ракетные топлива, а наименьшей – угли. Экологическая опасность углеводородных топлив обусловлена выделением из них токсичных и ядовитых химических веществ, соединений и элементов, являющихся опасными загрязнителями окружающей среды.
Экологически опасные компоненты выделяются из топлива при хранении, транспортировке и перекачке. На этих этапах использования горючего, кроме газообразных углеводородов (например, этана и метана), топливные загрязнители могут быть представлены самим топливом, загрязненными углеводородами водами, топливным отстоем, угольной пылью и другими. Эти загрязнители попадают в окружающую среду в результате утечек, протечек, разливов, аварий и т. д.
В процессе непосредственного сжигания топлива формируются новые экологически опасные газообразные, жидкие и твердые загрязнители, представляющие собой производные химических элементов, соединений и веществ, содержащихся как в составе исходного топлива, так и в составе атмосферного воздуха, поступающего на горение. Химические элементы, соединения и вещества топлива и воздуха взаимодействуют между собой и, пройдя определенные термические превращения, выбрасываются в составе продуктов сгорания в окружающую среду.
Что такое экологическая чистота топлива
Для топлива как продукта общественного труда экологическая чистота является сложным комплексным свойством, проявляющимся при хранении, транспортировке, перекачке и непосредственно в процессе сжигания.
Под свойством топлива «экологическая чистота», по мнению авторов, следует понимать такое состояние горючего, при котором на всех этапах своего жизненного цикла оно не оказывает или оказывает минимальнодо пустимое негативное воздействие на окружающую среду и не создает угрозы жизни и существованию людей, фауне и флоре.
Сложным и комплексным данное свойство топлива является потому, что в одних условиях использования, например при хранении, транспортировке и перекачке, в окружающую среду поступают одни загрязнители, в то время как при сжигании топлива образуются и выбрасываются другие загрязнители. В связи с чем экологическую чистоту топлива следует условно рассматривать как две взаимосвязанные составляющие: до и во время сжигания, при этом последняя составляющая является более значимой.
Посмотрим ГОСТы и ТУ
В настоящее время в Российской Федерации действует большое количество ГОСТов и ТУ на углеводородные газы, нефтяное топливо и уголь. Следует напомнить, что ГОСТ – это государственный нормативный документ на продукцию, обязательный для исполнения всеми предприятиями страны. ГОСТы создавались для всех отраслевых промышленных предприятий, подтягивая их техническую базу и технологическое оборудование, а следовательно, и качество выпускаемой продукции, до одного уровня.
С 2000 года вместо новых государственных стандартов выпускаются технические условия. В отличие от ГОСТа, технические условия – это нормативный документ на продукцию для одного или нескольких предприятий, разработанный с учетом их технической базы и технологического оборудования. Поскольку база и оборудование даже на однопрофильных предприятиях различны, то и технические условия на одну и ту же продукцию, а следовательно, и ее качество, отличаются.
Анализ нормативных документов, определяющих качество углеводородного топлива, показывает, что ни один из них не содержит сведений о таком свойстве топлива, как «экологическая чистота», в связи с чем не нормируется и ее численное значение (т. е. показатель). Справедливости ради следует констатировать, что отдельные косвенные показатели, по которым можно судить об экологической чистоте используемого топлива, в этих нормативных документах все же присутствуют. Так, для углеводородных топлив указывается химический состав горючей части, и нормируются содержание в них вредных примесей и минеральных включений. В настоящее время для газового топлива нормируется содержание сероводорода (H 2 S) и азота (N 2); для жидких нефтяных топлив – серы (S 2), углерода (С), ванадия (V), кислот и щелочей, кроме того, для бензинов – марганца (Mn) и свинца (Pb), а для углей – вредные компоненты в минеральной части.
Очевидно, что существующие ГОСТы и ТУ необходимо корректировать с учетом реально сложившейся экологической обстановки, ухудшению которой способствует неуклонное повышение объемов потребления углеводородного топлива, а следовательно, и увеличение количества вредных выбросов.
При чем здесь октановое число?
Известно, что в Российской Федерации с января 2009 года должен вступить в силу Федеральный закон, который обяжет граждан, владеющих автомобилями с карбюраторными и инжекторными двигателями, использовать бензин с октановым числом не ниже 95 (АИ-95). Данный закон РФ широко пропагандируется в СМИ и у наших граждан формируют мнение, что бензин АИ-95 более экологически чистое автомобильное топливо, чем используемые сегодня бензины АИ-80 или АИ-92.
Необходимо отметить, что показатель октанового числа автомобильного бензина является лишь количественной характеристикой устойчивости к детонации (самопроизвольному взрыву) топлив, применяемых в двигателях внутреннего сгорания. Октановое число нормируется для легких углеводородных топлив, имеющих температуру кипения от +300 °С до +230 0 °С, каковыми и являются бензины. Похожим показателем для средних углеводородных (дизельных и моторных) топлив, имеющих температуру кипения от +2500 °С до +360 0 °С, является цетановое число, отражающее способность данного вида горючего к самовоспламенению.
Октановое и цетановое числа светлых топлив характеризуют только способ распространения пламени (взрывной или равномерно непрерывный) при протекании цепной реакции горения, а не механизм или качество протекания этого процесса. В связи с чем показатели октанового числа бензинов и цетанового числа дизельных топлив не могут применяться для объективной оценки экологической чистоты указанных видов углеводородных горючих.
Возможно, эта оплошность допущена разработчиками данного Федерального закона по причине отсутствия консультантов – специалистов по топливоподготовке и топливоиспользованию.
Как оценивать экологическую чистоту
Содержание отдельных примесей и минеральных включений углеводородного топлива, отраженное их численными значениями в действующих нормативных документах, не может полностью характеризовать экологическую чистоту топлива. Однако для предварительной оценки экологической чистоты топлива можно использовать численные значения показателей химических элементов, содержащихся в горючей части топлива. Если топливо имеет большее содержание водорода (Н 2) или в составе его горючей части присутствует связанный кислород (О 2), например как у биологического топлива, то это горючее является более экологически чистым. Объективная же оценка экологической чистоты того или иного вида топлива может быть проведена только по результатам качественного и количественного анализов дымовых (выхлопных) газов в процессе его сжигания, а также анализа зольной части горючего после его сжигания. По своей значимости первостепенными являются, безусловно, результаты анализов дымовых, выхлопных и прочих газов, образующихся при сгорании топлива, поскольку именно они оказывают наибольшее негативное воздействие на окружающую природную среду и поражают значительные территории.
Очевидно, что для объективной оценки такого важного свойства топлива, как экологическая чистота, необходимо еще разработать критерий, то есть правило, по которому этот показатель изменяется. По мнению авторов, данный критерий должен представлять собой аддитивную свертку наиболее экологически опасных компонентов, например CO, CO 2 , H 2 S, NO x , N 2 , S 2 , S x O y , C x H y , сажа и т. д., количественное ранжирование которых в продуктах сгорания того или иного топлива может отражаться численным значением коэффициента значимости, соответствующего доле каждого компонента в составе дымовых газов. Представленный критерий является объективным, поскольку через качество протекания цепной реакции горения количественно отражает механизм формирования вредных выбросов. Численное значение показателя экологической чистоты топлива должно находиться в пределах от 0 до 1,0, при этом топливо является экологически чистым при показателе, близком к 0, а экологически опасным, соответственно, к 1,0.
Что за рубежом
В странах Западной Европы, Северной Америки и Японии экологические проблемы, связанные, в том числе, и с использованием углеводородных топлив, начали решать с начала 60‑х годов прошлого столетия. На начальном этапе улучшение экологической обстановки пытались добиться исключительно реализацией административных мер. А, именно, введением и ужесточением природоохранного законодательства, введением и повышением штрафов за загрязнение природной среды, ограничением количества и регламентацией времени работы источников загрязнения, в том числе и автотранспорта, запрещением использования тех или иных продуктов и т. д. и т. п. Однако попытка решения экологических проблем исключительно административными мерами потерпела неудачу.
И только через 30 лет, в середине 1990‑х годов представленные выше комплексные мероприятия, в том числе модернизация технологической базы нефтеперерабатывающих заводов и совершенствование автомобильных двигателей и их топливных систем, были реализованы, после чего на топливный рынок экономически развитых стран поступил в качестве товарного топлива высокооктановый бензин. Несмотря на позитивные тенденции качественного улучшения природной среды в развитых странах мира, проблема загрязнения, в том числе и продуктами сгорания углеводородного топлива, на сегодняшний день полностью не устранена и требует своего дальнейшего решения.
Вместо выводов
По мнению авторов, более экологически чистые продукты общественного труда должны быть дешевле своих менее экологически чистых аналогов. Это полностью относится и ко всем видам углеводородного горючего. Государство обязано взять на себя часть расходов, связанных с повышением экологической чистоты топлива, поскольку использование экологически опасных топлив приносит огромный ущерб флоре, фауне и здоровью граждан через нарушение качества их естественной среды обитания. В противном случае государство вынуждено будет нести дополнительные расходы на природоохранные мероприятия и здравоохранение, значительно превышающие прибыль от продаж экологически чистых топлив.
Автомобильный транспорт как источник загрязнения окружающей среды. Причины образования токсичных компонентов в отработанных газах ДВС
В последние годы в связи с ростом плотности движения автомобилей в городах резко увеличилось загрязнение атмосферы продуктами сгорания двигателей. Выпускные газы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) состоят в основном из безвредных продуктов сгорания топлива – углекислого газа и паров воды. Однако в относительно небольшом количестве в них содержатся вещества, обладающие токсическим и канцерогенным действием. Это окись углерода, углеводороды различного химического состава, окислы азота, образующиеся в основном при высоких температуре и давлении.
При горении углеводородного топлива происходит образование токсичных веществ, связанное с условиями горения, составом и состоянием смеси. В двигателях с принудительным воспламенением концентрация окиси углерода достигает больших значений из-за недостатка кислорода для полного окисления топлива при их работе на богатой топливом смеси.
При движении автомобилей в городе и на дорогах с переменным уклоном и часто меняющимися скоростями с включенной передачей и открытой дроссельной заслонкой двигателям приходится около 1/3 путевого времени работать в режиме принудительного холостого хода. На принудительном холостом ходу двигатель не отдает а, напротив, поглощает энергию, накопленную автомобилем. При этом нерационально расходуется топливо, усиленное всасывание которого приводит к наибольшему выбросу токсичных газов СО и СН в атмосферу.
Автомобильные выхлопные газы - смесь примерно 200 веществ. В них содержатся углеводороды-не сгоревшие или не полностью сгоревшие компоненты топлива, доля которых резко возрастает, если двигатель работает на малых оборотах или в момент увеличения скорости на старте, т.е. во время заторов и у красного сигнала светофора. Именно в этот момент, когда нажимают на акселератор, выделяется больше всего несгоревших частиц: примерно в 10 раз больше, чем при работе двигателя в нормальном режиме. К несгоревшим газам относят и обычную окись углерода, образующуюся в том или ином количестве повсюду, где что-то сжигают. В выхлопных газах двигателя, работающего на нормальном бензине и при нормальном режиме, содержится в среднем 2,7% оксида углерода. При снижении скорости эта доля увеличивается до 3,9%, а на малом ходу-до 6,9%.
Основными эксплуатационными факторами, влияющими на уровень вредных выбросов двигателей, являются факторы, характеризующие состояние деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Повышенный износ деталей ЦПГ и отклонения от их правильной геометрической формы являются причиной увеличения концентрации токсичных компонентов в отработавших газах (ОГ) и картерных газах (КГ).
Базовой деталью ЦПГ, от которой зависит работоспособность и экологичность двигателя, является цилиндр, т. к. герметичность камеры сгорания зависит от уплотняющей способности кольца в сопряжении с цилиндром. От технического состояния цилиндров и поршневых колец главным образом зависит интенсивность роста зазоров между кольцами и канавками поршней. Таким образом, контроль и регулировка зазора между кольцом и цилиндром в процессе эксплуатации являются существенным резервом снижения количества вредных примесей в ОГ и КГ посредством улучшения условий сгорания топлива и снижения количества масла, оставшегося в надпоршневом пространстве.
Токсичными выбросами ДВС являются отработавшие и картерные газы. С ними поступает в атмосферу около 40% токсичных примесей от общего выброса. Содержание углеводородов в отработавших газах зависит от технического состояния и регулировок двигателя и на холостом ходу колеблется от 100 до 5000% и более. При общем небольшом количестве картерных газов равном 2-10% отработавших газов в общем загрязнении атмосферы, доля картерных газов составляет около 10% у мало изношенных двигателей и вырастает до 40% при эксплуатации двигателя с изношенной цилиндропоршневой группой, т.к. концентрация углеводородов в картерных газах в 15-10 раз выше, чем в отработавших двигателя. Количество КГ, а так же их химический состав зависят от состояния деталей ЦПГ, осуществляющих уплотнение камеры сгорания. От величины зазоров между трущимися деталями ЦПГ зависит проникновение газов из цилиндра в картер и обратно. При этом увеличивается доля углеводородов с канцерогенными свойствами из-за повышенного угара масла и увеличенного расхода картерных газов через замкнутую систему вентиляции картера.
К достижению предельного износа двигателя выбросы увеличиваются в среднем на 50%. На примере ускоренных испытаний, проведенных в НАМИ, установлено что износ двигателя увеличивает выбросы ОГ углеводородов в 10 раз. Основная масса двигателей с повышенной дымностью ОГ приходится на двигатели, прошедшие капитальный ремонт.
Степень разуплотнения камеры сгорания зависит от износа деталей ЦПГ, отклонения их макрогеометри от правильной геометрической формы. При увеличении неплотностей камеры сгорания происходит возрастание СО и СН и снижение СО2 в результате ухудшения условий сгорания топлива. Кроме снижения качества организации рабочего процесса, зазоры между кольцом и цилиндром, а также зазоры между кольцом и канавкой поршня приводят к увеличению количества масла, попавшего в надпоршневое пространство, к увеличению отклонения от заданной динамики тепловыделения в процессе сгорания, а, следовательно, - к увеличению общей массы токсических выбросов. Масло составляет 30-40% твёрдых частиц ОГ.
Базовой деталью ЦПГ является цилиндр, от которого зависит экономическая и экологическая целесообразность эксплуатации двигателя. Износ гильз цилиндров имеет выраженную форму овала, большая ось которого расположена в плоскости качания шатуна. Причиной образования овальности цилиндров главным образом является увеличенная нагрузка поршней на гильзы именно в плоскости качания шатунов. На овальность цилиндров влияет также несовершенство технологии сборки блока цилиндров. Изменение макрогеометрии цилиндров (овальности и конусности) после сборки двигателя также приводит к ухудшению прилегания поршневых колец к зеркалу цилиндра. Известно, что при установке гильз в блоки различных марок ДВС, овальность в цилиндрах увеличивается в 2-3 раза.
Очень важно отметить, что характер искажения макрогеометрии гильз цилиндров после сборки и в процессе эксплуатации одинаков для большинства конструкций блоков цилиндров с “мокрыми гильзами”. Большая ось овала цилиндра, образующегося при сборке, в зоне остановки верхнего компрессионного кольца в верхней мёртвой точке поршня имеет такую же направленность, как и большая ось овала, образующегося при эксплуатации. Такой характер деформации цилиндров объясняется большей деформацией блока в местах между расточками под гильзы.
Снижение овальности цилиндров способствует снижению интенсивности износа колец и канавок поршней, что в целом способствует улучшению работы поршневых колец и улучшению уплотнения камеры сгорания. Известно, что замена маслосъёмных колец после выработки предельного ресурса в некоторой степени восстанавливает средний уровень токсичности двигателя. Бесспорно, если при замене колец произвести регулировку овальности цилиндров до уровня предельной величины на изготовление новых гильз, то эффект будет намного значительнее.
Разработка новых способов смешения и растворения и математического описания воздействия соответствующих присадок и добавок в нефтяном топливе позволит значительно сократить время на разработку новых составов альтернативных топлив и предсказания их физико-химических свойств, что позволит довести рабочий процесс двигателя при использовании новых альтернативных топлив.
Анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что развитие перехода на новые виды топлива будет проходить три основных этапа. На первом этапе будет использоваться стандартное нефтяное топливо, спирты, добавки водорода и водородсодержащих топлив, газовое топливо и различные их сочетания, что позволит решить проблему частичной экономии нефтяного топлива. Второй этап будет базироваться на производстве синтетических топлив, подобных нефтяным, производимых из угля, горючих сланцев и т.д. На этом этапе решатся проблемы долгосрочного снабжения существующего парка двигателей новыми видами топлива. На заключительном, третьем этапе будет характерен переход к новым видам энергоносителей и энергосиловых установок (работа двигателей на водороде, использование атомной энергии).
Перевод ДВС на водород и водородсодержащее топливо представляет собой сложный социально-экономический процесс, для осуществления которого потребуется крупная перестройка ряда отраслей промышленности, поэтому на первом этапе наиболее приемлемым вариантом является работа дизелей с добавками водородсодержащих топлив. Крайне ограниченные сведения в литературе об особенностях горения углеводородного топлива с добавками водорода и аммиака в дизелях не позволяют однозначно ответить на вопрос о влиянии водородсодержащих топлив на показатели рабочего процесса дизеля.
Также крайне слабо исследован вопрос о применении в дизелях синтетического жидкого топлива (СЖТ), вырабатываемого из угля. Различные литературные данные не позволяют дать однозначную оценку влияния СЖТ на рабочий процесс, в связи с тем, что его физико-химические свойства очень сильно зависят от исходного сырья и технологии переработки.
Наиболее вероятным источником моторного топлива могут служить спирты, однако следует учесть их крайне плохие моторные свойства в случае использования их в дизелях. Применяемые способы использования спиртовых топлив требуют дополнительного усложнения конструкции (установка карбюраторов, свечей зажигания или второй топливной системы), либо удорожания топлива (использование добавок, повышающих цетановое число). Наиболее оптимальным в этой ситуации может служить способ использования растворов этанола или метанола с дизельным топливом в дизелях.
Исследование влияния различных типов альтернативных топлив проводилось для нескольких типов быстроходных дизелей с различными способами смесеобразования, поэтому было необходимо получить как можно более полную информацию о протекании процессов топливоподачи, сгорания, сажеобразования, токсичности и т.д. Поэтому была разработана и внедрена автоматизированная система регистрации и обработки информации на базе ПК. Для этого комплекса был разработан пакет прикладных программ, включающий программу сбора информации с различных датчиков во время испытаний, программы обработки полученных данных по анализу индикаторной диаграммы, результатов оптического индицирования, топливоподачи и обсчета параметров режима.
Для одновременной подачи цикловой порции дизельного топлива и газа в цилиндр автором разработана специальная двухтопливная форсунка, которая дополнялась отдельной магистралью, состоящей из штуцера подвода газа и каналов в корпусе форсунки и распылителя. В канале корпуса форсунки выполнен обратный клапан, прижимаемый к седлу пружиной. В канал распылителя запрессована цилиндрическая вставка с винтовой нарезкой на поверхности, которая образует смесительно-аккумулирующую камеру, соединяющуюся с подъигольной полостью распылителя форсунки.
На базе разработанной форсунки была изготовлена топливная система дизеля, позволяющая подавать различные виды газообразных добавок к топливу.
Наиболее эффективно проводить рассмотрение особенностей рабочего процесса при использовании альтернативных топлив, обладая информацией о пространственном распределении полей концентрации сажи и температуры. На сегодняшний день существует в основном двухмерное представление температурно-концентрационной неоднородности в цилиндре дизеля. В результате была поставлена задача экспериментального исследования пространственного распределения полей температуры и концентраций сажи. В работе использовалось оригинальное экспериментальное оборудование для определения массовой концентрации сажи, основанное на оптическом индицировании цилиндров, и программно реализованные методики определения температурных полей.
Расчетные исследования растворимости газа (водорода, аммиака и др.) основывались на следующих предположениях: во-первых -процесс растворения идет в смесительно-аккумулирующей камере и распылителе форсунки; во-вторых - растворение протекает в соответствии с моделью обновления поверхности, т.е. поверхность контакта топлива с газом обновляется с частотой, равной частоте колебания давления топлива в нагнетательном трубопроводе высокого давления.
Одним из путей преодоления трудностей приготовления смесей дизельного топлива с альтернативными является применение третьего компонента - совместного растворителя дизельного топлива и спирта. Совместный растворитель должен иметь свойства дизельного топлива и спирта, т.е. его молекула должна иметь как полярные свойства, так и алифатическую составляющую для образования связей с углеводородами.
Попытки использования водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания известны достаточно давно. Так, например, в двадцатые годы исследовали вариант использования водорода как добавки к основному топливу для двигателей внутреннего сгорания дирижаблей, что давало возможность увеличить дальность их полета.
Использование водорода в качестве топлива для ДВС представляет собой комплексную проблему, которая включает обширный круг вопросов:
Возможность перевода на водород современных двигателей;
Изучение рабочего процесса двигателей при работе на водороде;
Определение оптимальных способов регулирования рабочего процесса обеспечивающих минимальную токсичность и максимальную топливную экономичность;
Разработку системы топливоподачи обеспечивающую организацию эффективного рабочего процесса в цилиндрах ДВС;
Разработку эффективных способов хранения водорода на борту транспорта;
Обеспечение экологической эффективности применения водорода для ДВС;
Обеспечение возможности заправки и аккумулирования водорода для двигателей.
Решение этих вопросов имеет вариантный уровень, однако, общее состояние исследований по этой проблеме можно рассматривать, как реальную базу для практического применения водорода. Подтверждением этому являются практические испытания, исследования вариантных двигателей работающих на водороде. Так, например, фирма "Mazda" делает ставку на водородный роторно-поршневой двигатель.
Исследования в этой области отличаются широким спектром вариантов использования водорода для двигателей внешнего и внутреннего смесеобразования, при использовании водорода в качестве присадки, частично замещая топливо водородом, и работе двигателя только на водороде.
Обширный перечень исследований определяет необходимость их систематизации и критического анализа. Использование водорода известно в двигателях, работающих на традиционных топливах нефтяного происхождения, а также в сочетании с альтернативными топливами. Так, например, со спиртами (этиловый, метиловый) или с природным газом. Возможно использование водорода в сочетании с синтетическими топливами, мазутами и другими топливами.
Исследования этой области известны как для бензиновых двигателей, так и для дизелей, а также для других типов двигателей. Некоторые авторы работ этой тематики считают, что водород является неизбежностью и необходимо лучше подготовиться к встрече с этой неизбежностью.
Отличительной особенностью водорода является его высокие энергетические показатели, уникальные кинетические характеристики, экологическая чистота и практически неограниченная сырьевая база. По массовой энергоемкости водород превосходит традиционные углеводородные топлива в 2,5-3 раза, спирты - в 5-6 раз, аммиак - в 7 раз.
Качественное влияние на рабочий процесс ДВС водорода определяется, прежде всего, его свойствами. Он обладает более высокой диффузионной способностью, большей скоростью сгорания, широкими пределами воспламенения. Энергия воспламенения водорода на порядок меньше, чем у углеводородных топлив. Реальный рабочий цикл определяет более высокую степень совершенства рабочего процесса ДВС, лучшие показатели экономичности и токсичности.
Чтобы приспособить существующие конструкции поршневых ДВС, бензиновых и дизелей к работе на водороде, как основном топливе, необходимы определенные изменения, в первую очередь - конструкции топливоподающей системы. Известно, что применение внешнего смесеобразования приводит к уменьшению наполнения двигателя свежим окислителем, а значит и снижению мощности до 40%, из-за низкой плотности и высокой летучести водорода. При использовании внутреннего смесеобразования картина меняется, энергоемкость заряда водородного дизеля может возрастать до 12%, или может быть обеспечена на уровне, соответствующем работе дизеля на традиционном углеводородном дизельном топливе. Особенности организации рабочего процесса водородного двигателя определяются свойствами водородно-воздушной смеси, а именно: пределами воспламенения, температурой и энергией воспламенения, скоростью распространения фронта пламени, расстоянием гашения пламени.
Практически во всех известных исследованиях рабочего процесса водородного двигателя отмечается трудноконтролируемое воспламенение водородно-воздушной смеси. Воздействие на преждевременное воспламенение путем подачи воды во впускной трубопровод или путем впрыска «холодного» водорода исследованы и дают положительные результаты.
Остаточные газы и горячие точки камеры сгорания интенсифицируют преждевременное воспламенение водородно-воздушной смеси. Это обстоятельство требует дополнительных мероприятий по предупреждению неконтролируемого воспламенения. В то же время, низкая энергия воспламенения в широких пределах коэффициента избытка воздуха позволяет использовать существующие системы зажигания при переводе двигателей на водород.
Самовоспламенение водородно-воздушной смеси в цилиндре двигателя при степени сжатия, соответствующей дизелям, не происходит. Для самовоспламенения этой смеси необходимо обеспечить температуру конца сжатия не менее 1023К. Возможно, воспламенение воздушной смеси от запальной порции углеводородного топлива, за счет увеличения температуры конца сжатия применением наддува или подогревом на впуске воздушного заряда.
Водород в качестве топлива для дизелей характеризуется большой скоростью распространения фронта пламени. Эта скорость может превышать 200 м/с и вызывать возникновение волны давления, перемещающейся в камере сгорания со скоростью свыше 600 м/с. Высокая скорость сгорания водородно-воздушных смесей, с одной стороны, должна оказывать положительное влияние на повышение эффективности рабочего процесса, с другой стороны, этим предопределяются высокие значения максимального давления и температуры цикла, более высокая жесткость рабочего процесса водородного двигателя. Повышение максимального давления цикла влечет снижение моторесурса двигателя, а повышение максимальной температуры приводит к интенсивному образованию окислов азота. Возможно снижение максимального давления за счет дефорсирования двигателя или сжигания водорода по мере его подачи в цилиндр на такте рабочего хода. Снижение эмисси окислов азота до незначительного уровня возможно путем обеднения рабочей смеси или путем использования воды, подаваемой во впускной трубопровод. Так, при а>1,8 эмиссия окислов азота практически отсутствует. При подаче воды по массе в 8 раз больше, чем водорода, эмиссия окислов азота снижается в 8… 10 раз.
CNG разрешено непосредственно в городских кварталах жилой и общественной застройки. Более того, во многих странах разрешена заправка транспортных средств природным газом в подземных гаражах. 1.6. Производство газового оборудования для автомобилей. В наши дни славу лучшего в мире производителя газовой автоаппаратуры перехватила Италия. И сейчас на мировом рынке наибольшим спросом пользуется...
Модель, получившая обозначение «H2R», развивает скорость свыше 300 км/ч. Перспективным представляется новое направление в двигателестроении на водородном топливе, основанное на применении двигателя Стирлинга. Этот двигатель до конца XX в. широко не применялся на автотранспорте из-за более сложной по сравнению с двигателем внутреннего сгорания конструкции, большей материалоемкости и стоимости. ...
Определяющее влияние транспорта на состояние окружающей среды требует особого внимания к применению новых экологически чистых видов топлива. К ним относится, прежде всего, сжиженный или сжатый газ.
В мировой практике в качестве моторного топлива наиболее широко используется сжатый природный газ, содержащий не менее 85 % метана.
В меньшей степени распространено применение попутного нефтяного газа; представляющего собой смесь, в основном - пропана и бутана. Эта смесь может находиться в жидком состоянии при обычных температурах под давлением до 1,6 МПа. Для замещения 1 л бензина требуется 1,3 л сжиженного нефтяного газа, а экономическая эффективность его по эквивалентным затратам на топливо в 1,7 раз ниже, чем у сжатого газа. Следует отметить, что природный газ, в отличие от нефтяного газа, не токсичен.
Анализ показывает, что применение газа сокращает выбросы: окислов углерода - в 3-4 раза; окислов азота - в 1,5-2 раза; углеводородов (не считая метана) - в 3-5 раз; частиц сажи и двуокиси серы (дымность) дизельных двигателей - в 4-6 раз.
При работе на природном газе с коэффициентом избытка воздуха а=1,1 выбросы ПАУ, образующихся в двигателе при сгорании топлива и смазочного масла (включая бенз(а)пирен), составляют 10 % от выбросов при работе на бензине. Двигатели, работающие на природном газе, уже сейчас удовлетворяют всем современным нормам по содержанию газообразных и твердых составляющих в выхлопных газах.
|
Токсичные компоненты выхлопных газов |
|||||
|
Вид топлива |
(без метана) |
Бензапирен |
|||
|
Бензин (двигатели с нейтрализат.) | |||||
|
Дизтопливо | |||||
|
Газ+дизтопливо | |||||
|
Пропан-бутан | |||||
|
природ, сжатый | |||||
Особо следует остановиться на выбросах углеводородов, которые претерпевают в атмосфере фотохимическое окисление под действием ультрафиолетового облучения (ускоряющееся в присутствии NO x). Продукты этих окислительных реакций образуют так называемый смог. В бензиновых двигателях основное количество углеводородных выбросов приходится на этан и этилен, а в газовых - на метан. Это связано с тем, что эта часть выбросов бензиновых двигателей образуется в результате крекинга паров бензина в несгорающей части смеси при высоких температурах, а в газовых двигателях несгорающий метан никаким преобразованиям не подвергается.
Легче всего под воздействием ультрафиолетового облучения окисляются непредельные углеводороды, такие, как этилен. Предельные углеводороды, включая метан, более стабильны, т.к. требуют для фотохимической реакции более жесткого (коротковолнового) излучения. В спектре солнечного излучения составляющая, инициирующая окисление метана, имеет столь малую интенсивность по сравнению с инициаторами окисления других углеводородов, что практически окисление метана не происходит. Поэтому в ограничительных стандартах автомобильных выбросов ряда стран углеводороды учитывают без метана, хотя пересчет ведется на метан.
Таким образом, несмотря на то, что сумма углеводородов в выхлопных газах двигателей, использующих газомоторное топливо, оказывается такой же, как и у бензиновых двигателей, а в газодизеле часто и выше, эффект загрязнения воздушного бассейна этими компонентами при газовом топливе в несколько раз меньше, чем при жидком.
Важно также иметь в виду, что при применении газового топлива увеличивается моторесуры двигателя - в 1,4- 1,8 раза; срок службы свечей зажигания - в 4 раза и моторного масла - в 1,5-1,8 раза; межремонтный пробег - в 1,5-2 раза. При этом снижаются уровень шума на 3-8 дБ и время заправки. Все это обеспечивает быструю окупаемость затрат на перевод транспорта на газомоторное топливо.
Внимание специалистов привлекают вопросы безопасности использования газомоторного топлива. В целом взрывоопасная смесь газовых топлив с воздухом образуется при концентрациях, в 1,9-4,5 раза. Однако определенную опасность представляют утечки газа через неплотность соединений. В этом отношении наиболее опасен сжиженный нефтяной газ, т.к. плотность его паров больше, чем воздуха, а для сжатого - меньше (соответственно, 3:1,5:0,5). Следовательно, утечки сжатого газа после выхода из неплотностей поднимаются вверх и улетучиваются, а сжиженного - образуют местные скопления и, подобно жидким нефтепродуктам, «разливаются», что при возгорании увеличивает очаг пожара.
Кроме сжиженного или сжатого газа многие специалисты предрекают большое будущее жидкому водороду, как практически идеальному, с экологической точки зрения, моторному топливу. Еще несколько десятилетий назад применение жидкого водорода в качестве горючего казалось достаточно отдаленным. К тому же трагическая гибель в канун второй мировой войны наполненного водородом дирижабля «ГинденбурТ» настолько подмочила общественную репутацию «топлива будущего», что надолго вычеркнуло его из каких-либо серьезных проектов.
Быстрое развитие космической техники вновь заставило обратиться к водороду, на этот раз уже жидкому, как почти идеальному горючему для исследования и освоения мирового пространства. Тем не менее, по-прежнему не исчезли сложные инженерные проблемы, связанные как со свойствами самого водорода, так и его производством. Как горючее для транспорта водород удобнее и безопаснее применять в жидком виде, где в пересчете на один килограмм он превосходит по калорийности керосин в 8,7 раза и жидкий метан в 1,7 раза. В то же время плотность жидкого водорода меньше, чем у керосина почти на порядок, что требует значительно больших баков. К тому же водород должен храниться при атмосферном давлении при очень низкой температуре - 253 градуса Цельсия. Отсюда необходимость соответствующей теплоизоляции баков, что также тянет за собой дополнительный вес и объем. Высокая температура горения водорода приводит к образованию значительного количества экологически вредных окислов азота, если окислителем является воздух. И, наконец, пресловутая проблема безопасности. Она по-прежнему остается серьезной, хотя и считается теперь значительно преувеличенной. Отдельно следует сказать о производстве водорода. Почти единственным сырьем для получения водорода служат на сегодня те же горючие ископаемые: нефть, газ и уголь. Поэтому истинный перелом в мировой топливной базе на основе водорода может быть достигнут лишь путем принципиального изменения способа его производства, когда исходным сырьем станет вода, а первичным источником энергии - Солнце или сила падающей воды. Водород принципиально превосходит все ископаемые виды горючего, включая и природный газ, в своей обратимости, то есть практической неисчерпаемости. В отличие от горючих, добываемых из-под земли, которые после сгорания теряются безвозвратно, водород добывается из воды и сгорает опять в воду. Разумеется, чтобы получить водород из воды, нужно затратить энергию, причем значительно большую, чем можно использовать затем при его сгорании. Но это не имеет существенного значения, если так называемые первичные источники энергии будут в свою очередь неисчерпаемыми и экологически чистыми.
Разрабатывается и второй проект, где в качестве источника первичной энергии используется Солнце. Подсчитано, что на широтах ± 30-40 градусов наше светило греет примерно в 2-3 раза сильнее, чем в более северных широтах. Это объясняется не только более высоким положением Солнца на небе, но и несколько меньшей толщиной атмосферы в тропических регионах Земли. Однако почти вся эта энергия быстро рассеивается и пропадает. Получение с помощью ее жидкого водорода - наиболее естественный способ аккумуляции солнечной энергии с последующей доставкой ее в северные районы планеты. И не случайно научно-исследовательский центр, организованный в Штутгарте, имеет характерное название «Солнечный водород - источник энергии будущего». Установки, аккумулирующие солнечный свет, предполагается, согласно указанному проекту, разместить в Сахаре. Сконцентрированное таким образом небесное тепло будет использовано для привода паротурбин, вырабатывающих электроэнергию. Дальнейшие звенья схемы те же, что и в канадском варианте, с той лишь разницей, что жидкий водород доставляется в Европу через Средиземное море. Принципиальное сходство обоих проектов, как видим, в том, что они экологически чисты на всех стадиях, включая даже перевозку сжиженного газа по воде, поскольку танкеры работают опять-таки на водородном топливе. Уже сейчас такие всемирно известные немецкие фирмы, как «Линде» и «Мессергрисхейм», расположенные в районе Мюнхена, производят все необходимое оборудование для получения, сжижения и транспортировки жидкого водорода, за исключением разве что криогенных насосов. Громадный опыт по использованию жидкого водорода в ракетно-космической технике накоплен фирмой «МББ», расположенной в Мюнхене и принимающей участие практически во всех престижных программах Западной Европы по освоению космоса. Научно-исследовательское оборудование фирмы в области криогеники используется также на американских космических челноках. Широко известная немецкая авиакомпания «Дейче Эрбас» разрабатывает первый в мире аэробус, летающий на жидком водороде. Помимо экологических соображений применение жидкого водорода в обычной и сверхзвуковой авиации предпочтительно и по другим причинам. Так, примерно на 30 % при прочих равных условиях снижается взлетный вес самолета. Это позволяет, в свою очередь, сократить разбег и сделать взлетную кривую более крутой. В результате снижается шум - этот бич современных аэропортов, расположенных зачастую в густонаселенных районах. Не исключена также возможность снижения лобового сопротивления самолета путем сильного охлаждения его носовых частей, встречающих поток воздуха.
Все изложенное выше позволяет сделать вывод, что переход на водородное топливо, в первую очередь в авиации, а затем и в наземном транспорте станет реальностью уже в первые годы нового века. К этому времени будут преодолены технические проблемы, окончательно ликвидировано недоверие к водороду как чересчур опасному виду горючего и создана необходимая инфраструктура.
Специалисты разных стран ведут исследования в области применения новых видов топлива и источников энергии на автомобильных транспортах. Это связано со значительным ростом численности автотранспортных средств и все большим загрязнением окружающей среды окружающей среды.
К наиболее эффективным и перспективным видам моторного топлива следует отнести природный газ, водород, пропан-бутановую смесь, метанол и др.
Перспективное автомобильное топливо -- это любой химический источник энергии, использование которого в традиционных или разрабатываемых автомобильных двигателях позволяет в какой-то степени решить энергетическую проблему и уменьшить вредное воздействие на окружающую среду. Исходя из этого формулируются пять основных условий перспективности новых источников энергии:
наличие достаточных энергосырьевых ресурсов;
возможность массового производства;
технологическая и энергетическая совместимость с транспортными силовыми установками;
приемлемые токсичные и экономические показателипроцесса использования энергии;
безопасность и безвредность эксплуатации.
Существует несколько различных классификаций перспективных автомобильных топлив. Большой практический интерес представляет энергетическая классификация, в основу которой положена калорийность традиционного жидкого углеродного топлива.
У традиционного жидкого углеводородного топлива самая высокая энергоплотность, поэтому автомобиль, работающий на нем, имеет небольшие размеры и массу топливного бака и топливной аппаратуры и не требует сложной системы заправки и хранения топлива. Углеводородные газы и водород обладают более высокой массовой энергоемкостью, но из-за малой плотности у них значительно худшие объемные энергетические показатели. Поэтому использование этих топлив возможно только в сжатом или сжиженном состоянии, что в ряде случаев значительно усложняет конструкцию автомобиля.
Водородное топливо. Большие надежды возлагаются на водородное топливо как на топливо будущего. Обусловлено это его высокими энергетическими показателями, отсутствием большинства токсичных веществ в продуктах сгорания и практически неограниченной сырьевой базой. Именно с водородом связывают перспективное развитие энергетики.
По массовой энергоемкости водород превосходит углеводородные топлива примерно в 3 раза; спирты -- в 5--6 раз. Но из-за очень малой плотности его энергоплотность низка. Водород обладает рядом свойств, сильно затрудняющих его использование: сжижается при 24К; обладает высокой диффузионной способностью; предъявляет повышенные требования к контактирующим материалам, взрывоопасен. Однако несмотря на это, ученые многих стран ведут работы по созданию автомобилей, работающих на водородном топливе. Многочисленные схемы возможного его применения в автомобиле делятся на две группы: водород как основное топливо и как добавки к современным моторным топливам. Основной трудностью при использовании водорода в сжиженном состоянии является его низкая температура. Обычно жидкий водород транспортируется в криогенных резервуарах с двойными стенками, пространство между которыми заполнено изоляцией. Для безопасной эксплуатации жидкого водорода необходимы полная герметизация топливоподающей системы и обеспечение сброса избыточного давления.
Водородная технология, водородная энергетика -- о них говорят все настойчивее по той причине, что этот химический элемент -- основа единственного известного сегодня топлива, не образующего при сгорании пресловутого угарного газа и потому экологически наименее вредного. К тому же запасы его в природе практически неисчерпаемы. Вот почему уже много лет предпринимаются попытки использовать водород для двигателей внутреннего сгорания. В этом направлении еще в 30-е годы работали Московский автомеханический институт, МГТУ имени Баумана и ряд других институтов.
Во время Великой Отечественной войны идею водородного топлива практически применили для автомобилей в войсках противовоздушной обороны на Ленинградском фронте.
В послевоенные годы академик Е. А. Чудаков и профессор И. Л. Варшавский использовали водород для питания одноцилиндрового двигателя в Автомобильной лаборатории АН СССР. Занимались этой проблемой академик В. В. Струминский и другие исследователи. Однако эксперименты тогда не получили широкого размаха. Они стали более актуальными и возобновились позднее. Только в США к 1976г. по этой теме вели исследования 15 экспериментально-конструкторских групп, которые создали 42 разновидности «водородных» двигателей. Аналогичные поиски развернуты учеными ФРГ и Японии.
Столь большой интерес к водороду как к топливу объясняется не только его преимуществами экологического характера, но и физико-химическими свойствами: теплота сгорания у него втрое выше, чем у нефтепродуктов, воспламеняемость смеси с воздухом имеет широкие пределы, водород обладает высокой скоростью распространения пламени и низкой энергией воспламенения -- в 10--12 раз ниже, чем бензин.
В нашей стране обширные работы по использованию водорода для автомобильных двигателей активно ведут многие научные центры.
Метод получения этого химического элемента с применением так называемых энергоаккумулирующих веществ детально разработан Институтом проблем машиностроения АН Украины, который проводит также фундаментальные исследования процессов сгорания водородовоздушных и бензоводородовоздушных смесей, разрабатывает принципиальные схемы силовой установки автомобиля при различных методах хранения нового горючего на борту.
Водород как моторное топливо имеет некоторые особенности, обусловленные его свойствами. Широкие пределы воспламеняемости позволяют лучше регулировать протекание рабочего процесса двигателя. В результате удается повысить экономичность при частичных нагрузках -- режиме, в котором автомобильный двигатель «живет» довольно долго. Теплотворность однородной смеси водорода с воздухом ниже, чем у бензина. Поэтому мощность двигателя на водороде в большей степени, чем при использовании бензина, зависит от способа смесеобразования.
Исследования детонационной стойкости бензоводородовоздушных и водородовоздушных смесей показали, что их склонность к детонации в значительной степени зависит от коэффициента избытка воздуха. И в этом отношении при использовании водорода в качестве топлива выявлены иные закономерности, чем для бензина. Изучение работы двигателей на водородовоздушных и бензоводородовоздушных смесях показало высокую стабильность рабочего процесса. Сравнивая пределы изменения оптимального угла опережения зажигания при работе на водороде и бензине, можно заметить, что в первом случае он существенно зависит от коэффициента избытка воздуха. При обогащении смеси наивыгоднейший угол опережения зажигания значительно уменьшается. Поэтому при работе на водороде двигателю нужны иные регулировки этого параметра.
Наконец, при сгорании водорода отработавшие газы не содержат таких вредных компонентов, как СО, углеводороды, РЬО. Остается только один токсичный компонент в выхлопе -- NО (и то в меньших количествах, чем при работе на бензине). При использовании водорода в качестве добавки содержание вредных компонентов резко сокращается благодаря полноте сгорания. Кроме того, уменьшается необходимость использования вредных антидетонационных свинцовых присадок к бензинам.
Эксперименты показали, что двигатели внутреннего сгорания могут с успехом работать как на чистом водороде, так и на смеси его с парами бензина. Любопытно, что уже 10-процентная добавка (от массы расходуемого топлива) водорода может оказать существенное влияние, снижая токсичность отработавших газов и улучшая экономические показатели. Она намного расширяет пределы воспламеняемости смеси, что создает условия для эффективного регулирования процесса сгорания. Практически это означает возможность устойчивой работы на очень бедных бензоводородовоздушных смесях с большим коэффициентом избытка воздуха, чем обеспечивается значительная экономия бензина. Учитывая то обстоятельство, что двигатель в городских условиях до 30% времени работает на холостом ходу или режимах неполной нагрузки, можно представить себе, какие экономические выгоды несет использование водорода. А работа двигателя при высоких коэффициентах избытка воздуха сопровождается почти полным сгоранием смеси, и, следовательно, в отработавших газах нет токсичных компонентов. В Институте проблем машиностроения АН Украины уже разработаны автомобильные силовые установки, действующие на водородном топливе. Для них водород получают из воды (с применением энергоаккумулирующих веществ, в основе которых лежат окислы металлов), а также из гидридов -- веществ, способных при охлаждении поглощать водород, а при нагревании -- отдавать его.
Связывать водород гидридами необходимо в интересах безопасности, так как при утечках из баллонов он образует, смешиваясь с воздухом, взрывчатую смесь, которая легко воспламеняется (вспомните частые аварии дирижаблей с емкостями, заполненными водородом). Но важнее тот факт, что гидриды являются более рациональным методом хранения водорода на борту автомобиля по объемным показателям.
Общая схема силовой установки топлива: водородное топливо, получаемое в результате взаимодействия энергоаккумулирующих веществ с водой, подается системой питания в двигатель. Мощность двигателя регулируется компонентами, подаваемыми в реактор для освобождения связанного водорода.
Силовая установка может быть выполнена как по открытому, так и закрытому циклу. В первом случае на борту автомобиля размещаются только емкости для энергоаккумулирующих веществ и воды, а продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. При замкнутом цикле дополнительно вводятся теплообменник и конденсатор, позволяющие использовать пары воды из выхлопных газов. Поступающая в реактор с энергоаккумулирующими веществами вода снова служит источником для получения водорода. Так при замкнутом цикле «носителем» топлива служит вода, а энергией -- энергоаккумулирующие вещества. Водородное топливо при обоих циклах может использоваться в чистом виде или в качестве добавок (5--10% по массе). В последнем случае на машине сохраняется система питания бензином. «Извлечение» водорода из воды происходит в реакторе, содержащем энергоаккумулирующие вещества. Наиболее простым является реактор постоянного действия, в котором давление поддерживается регулировкой подачи компонентов в зону реакции.
Процесс получения в нем топлива происходит не мгновенно, т. е. он обладает некой инерцией. Выделяющийся в реакторе водород поэтому должен поступать к мотору через редуктор-регулятор, поддерживающий оптимальное давление перед форсунками подачи.
По разработанным методикам для испытаний с применением энергоаккумулирующих веществ на основе оксидов металлов, а также с использованием гидридов были апробированы серийные легковые автомобили «Москвич» и «ВАЗ».
Первый эксперимент (применение энергоаккумулирующих веществ -- автомобиль «Москвич») -- система питания бензином оставлена без изменения. На машине смонтированы два реактора 1, обеспечивающие получение водорода из воды, и редуктор 5, предназначенный для дозирования подачи топлива на разных режимах работы двигателя.
Реакторы периодического действия имеют постоянную загрузку энергоаккумулирующих веществ на основе кремния или алюминия с регулируемой подачей воды. Насосы высокого давления 4, приводимые электродвигателем, подают воду из бака через подогреватель и фильтр к реактору, где ее распыляют форсунки. В водяной системе установлены обратные клапаны, предотвращающие проникновение туда водорода при прекращении подачи воды. Кроме того, в ней предусмотрен кран 3, который переключает подачу воды с одного реактора на другой. Все агрегаты этой экспериментальной установки смонтированы на общей раме и помещены в багажнике.
Установка с применением энергоаккумулирующих веществ для питания двигателя водородом: 1 -- реакторы периодического действия; 2 -- бак для воды; 3 -- кран подачи воды в реактор; 4 -- блок насосов с электроприводом; 5 -- редуктор в системе подачи водорода
Водород от реакторов поступает к крану, установленному на приборной панели, которым водитель соединяет работающий реактор 1 с системой подачи водорода. Последняя состоит из понижающего редуктора, влагоотделителя, газового счетчика и редуктора регулирования подачи водорода (управляется специальной педалью). Топливо вводится во впускной трубопровод, непосредственно перед впускным клапаном.
Для работы на водороде, получаемом из гидридов, система питания бензином также сохранена и дополнительно установлена система хранения и подачи водорода (автомобиль «ВАЗ»). Она состоит из гидридного бака 1, нагреваемого отработавшими газами, редуктора со всережимным вакуумным регулятором 9 расхода водорода и смесителя 8, сделанного на базе серийного карбюратора. Скорость выделения водорода гидридом система регулирует автоматически (блок управления 10, реле давления 2, заслонка с электромагнитным приводом 7 на выпускной трубе), поддерживает постоянным, независимо от режима двигателя, давление водорода в системе. Гидридный бак при зарядке охлаждается водой.
Установка с применением гидридов: 1 -- гидридный бак; 2 -- реле давления; 3 -- вентиль заправки; 4 -- выхлопной патрубок гидридного бака; 5 -- глушитель; 6 -- бензиновый бак; 7 -- электромагнитный привод заслонки; 8 -- смеситель; 9 -- регупятор давления и расхода водорода; 10 -- блок электронного управления
Применение водорода в качестве дополнительного топлива для карбюраторных двигателей открывает возможность принципиально нового подхода к организации рабочего процесса. При минимальной модификации двигателя, касающейся в основном системы питания, можно достичь значительного повышения его топливной экономичности (эксплуатационный расход бензина снижается на 35--40%) и уменьшить токсичность отработавших газов.
Таблица 13 Токсичность отработавших газов,
Водотопливные эмульсии. Применение воды в рабочем процессе двигателя внутреннего сгорания не является новинкой последних лет. Впрыск воды использовался для обеспечения работы двигателей внутреннего сгорания на низкооктановых топливах еще в 30-е годы.
Сейчас основное внимание при использовании воды в качестве добавки к топливу уделяется возможности повышения экономичности и снижения токсичности отработавших газов автомобиля.
Водотопливные эмульсии -- это жидкое топливо с мельчайшими каплями равномерно распределенной по объему топлива воды. Эмульсия приготовляется непосредственно на автомобиле. Для предотвращения расслоения эмульсии в топливо добавляется эмульгатор в количестве 0,2--0,5%. Содержание воды в водотопливной эмульсии может достигать 30--40%.
Применение водотопливных эмульсий возможно как в карбюраторном, так и дизельном двигателе. Но в карбюраторном двигателе применение водотопливных эмульсий в ряде случаев приводит к ухудшению некоторых показателей (в частности, топливной экономичности), отказам при полном открытии дроссельной заслонки, перебоям при движении с низкой скоростью. Наилучшие результаты дает использование водотопливных эмульсий на дизельных двигателях. Подача в камеру сгорания воды обеспечивает дополнительное распыление топлива за счет дробления перегретыми парами воды. Удельный расход топлива при этом снижается на 4--10%.
Добавка воды к топливу позволяет снизить содержание некоторых токсичных веществ в отработавших газах за счет уменьшения максимальных температур в камере сгорания, величина которых определяет количество NОх. При применении водотопливных эмульсий количество NOх может снизиться на 40-- 50%. Снижается также дымность отработавших газов, так как сажа при наличии паров воды взаимодействует с ними с образованием углекислого газа и азота. Выделение СО остается практически неизменным по сравнению с работой двигателя внутреннего сгорания на топливе без добавки воды, а выделение СпНш несколько увеличивается. Этот вид топлива пока не нашел широкого применения на автомобильном транспорте, поскольку усложняется конструкция автомобиля, возникает ряд проблем при эксплуатации в зимний период, недостаточно изучено влияние воды на условия работы и долговечность двигателя внутреннего сгорания.
Синтетические спирты. В качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания автомобилей нашли применение метанол и этанол как в чистом виде, так и в составе многокомпонентных смесей.
Наибольшее распространение автомобили, работающие на спиртовом топливе, получили в Бразилии, которая ввозит 80--85% нефтепродуктов, расплачиваясь за них валютой. Расходы на горючее растут из года в год и исчисляются миллиардами долларов. Поэтому в стране с энтузиазмом был встречен объявленный президентом в 1975г. проект «алкоголизации транспорта». Топливные баки бразильских автомобилей заправляются смесью спирта и бензина в пропорции 1:4.
Со временем предполагается перевести весь автопарк на использование этилового спирта вместо бензина. Спирт получают из сахарного тростника (Бразилия -- крупнейший в мире производитель этой культуры). Возможно получение до 80 т биомассы с 1га в год. Плантаций, занимающих 2% территории страны, будет достаточно, чтобы обеспечить потребность в новом горючем.
По расчетам специалистов 1л спирта обходится на 30-- 35 % дешевле бензина.
Мексика, вторая по численности населения страна Латинской Америки, готова последовать бразильскому примеру. В США также проявляется интерес к производству топливного спирта из древесных, сельскохозяйственных и иных отходов.
С энергетической точки зрения преимущество спиртовых топлив заключается в высоком КПД рабочего процесса и высокой антидетонационной стойкости топлива, но теплота сгорания спиртов примерно вдвое ниже, чем у бензинов. Низкая энергоемкость спиртов ведет к увеличению удельного расхода топлива.
Использование спиртов требует сравнительно небольшого изменения конструкции автомобиля. Основные мероприятия сводятся к увеличению объема топливных баков и установке устройств, обеспечивающих стабильный пуск двигателя в любую погоду. Требуется также замена некоторых металлов и прокладочных материалов, в частности облицовка пластмассой метанольного бака. Это связано с высокой коррозийной активностью спиртов и необходимостью более тщательной герметизации топливоподающей системы, поскольку метанол является нервно-сосудистым ядом. Применение бензометанольной смеси выдвигает ряд других специфических требований. В частности, ужесточаются требования к давлению насыщенных паров бензина, поскольку даже с 5 %-ной добавкой метанола оно значительно увеличивается. Чтобы избежать расслоения смеси, при ее хранении, транспортировке и применении необходимо соблюдать определенную температуру и не допускать попадания в нее воды. Некоторые синтетические материалы, используемые в системах подачи топлива и в автомобильных системах питания, оказались нестойкими к бензометанольной смеси. При переводе автомобиля с бензина на бензометанольную смесь пришлось изменить пропускную способность жиклеров, при этом несколько увеличился общий расход топлива. Вместе с тем установлено, что смесь с содержанием метанола до 15 % не ухудшает основных технико-эксплуатационных показателей грузовых автомобилей. Высокие антидетонационные показатели спиртов позволяют повышать степень сжатия двигателя внутреннего сгорания до 14--15 единиц.
Использование спиртовых топлив снижает содержание токсичных веществ в отработавших газах, что объясняется более низкой температурой горения спиртового топлива.
С начала 70-х годов, когда резко обострилась энергоэкологическая ситуация, практически все промышленно развитые страны развернули широкий поиск альтернативных энергоносителей, способных заменить бензин и дизельное топливо. Среди альтернативных топлив особое внимание уделяется водороду: его использование для двигателей внутреннего сгорания позволяет решить как сырьевую, так и экологическую проблемы, причем сделать это без коренной перестройки технической базы современного двигателестроения. В частности, исследования показали, что применение водорода в качестве основного или дополнительного топлива для двигателей с принудительным воспламенением заряда повышает их топливную экономичность на 30--40% и резко снижает токсичность отработавших газов, так как моторные свойства позволяют двигателям работать на бедных смесях при качественном регулировании мощности. За рубежом работы по созданию автомобильных «водородных» двигателей внутреннего сгорания ведутся передовыми развитыми странами уже давно и довольно успешно. В частности, автомобильная компания «Даймлер--Бенц» (Германия) изготавливала легковые автомобили и микроавтобусы на базе серийных моделей, двигатели которых питаются как бензином с добавкой водорода, так и «чистым» водородом. Из трех приемлемых для автотранспортных средств способов аккумулирования водорода -- в сжатом до 20 МПа, сжиженном при температуре 20К или химически связанном в металлогидридах состоянии -- на экспериментальных автомобилях фирмы «Даймлер--Бенц» применялся последний.
