Альтернативные виды топлива для двигателей внутреннего сгорания
Исследование проблемы загрязнения воздуха отработавшими газами автомобилей. Анализ возможности использования в качестве альтернативных видов топлива для транспорта природного газа, шахтного метана, спиртов, электроэнергии, водорода, биодизеля и биогаза.
| Рубрика | Экология и охрана природы |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 08.01.2010 |
| Размер файла | 37,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
«Альтернативные виды топлива для двигателей внутреннего сгорания»
Содержание
Введение
Глава 1. Загрязнение воздуха отработавшими газами автомобилей
Глава 2. Альтернативные виды топлива
2.1 Природный газ
2.2 Газовый конденсат
2.3 Диметилэфир
2.4 Шахтный метан
2.5 Этанол и метанол
2.6 Синтетический бензин
2.7 Электрическая энергия
2.8 Топливные элементы
2.9 Биодизельное топливо
2.10 Воздух
2.11 Биогаз
2.12 Отработанное масло
2.13 Водород как альтернативное топливо
2.14 Спирты
2.15 Дизель и спирт
2.16 Проблемы и перспективы использования метанола в качестве топлива
2.17 Метанольные топливные элементы
2.18 ДМЭ
2.19 Диметоксиметан (метилаль)
Заключение
Литература
Введение
Чем больше в мире производится автомобилей, тем значительнее интерес к альтернативным бензину видам топлива, при сгорании которых выделяется меньше вредных веществ. Во многих странах все более популярным становится биологическое топливо, изготавливаемое из растительного сырья - рапса, конопли, бананов, бобовых, цитрусовых. В шести государствах ЕС, а также в США, Канаде, Бразилии, Малайзии такое биологическое топливо производят в промышленных масштабах, но все же его доля в топливном балансе не превышает 0,3%.
Глава 1. Загрязнение воздуха отработавшими газами автомобилей
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 камеры сгорания автомобильного двигателя - это своеобразный химический реактор, синтезирующий ядовитые вещества и выбрасывающий их в атмосферу. Даже невинный азот из атмосферы, попадая в камеру сгорания, превращается в ядовитые окислы азота.
В отработавших газах двигателя внутреннего сгорания (ДВС) содержится свыше 170 вредных компонентов, из них около 160 - производные углеводородов, прямо обязанные своим появлением неполному сгоранию топлива в двигателе. Наличие в отработавших газах вредных веществ обусловлено в конечном итоге видом и условиями сгорания топлива.
Отработавшие газы, продукты износа механических частей и покрышек автомобиля, а также дорожного покрытия составляют около половины атмосферных выбросов антропогенного происхождения. Наиболее исследованными являются выбросы двигателя и картера автомобиля. В состав этих выбросов, помимо азота, кислорода, углекислого газа и воды, входят такие вредные компоненты, как окись углерода, углеводороды, окислы азота и серы, твёрдые частицы.
Состав отработавших газов зависит от рода применяемых топлива, присадок и масел, режимов работы двигателя, его технического состояния, условий движения автомобиля и др. Токсичность отработавших газов карбюраторных двигателей обуславливается главным образом содержанием окиси углерода и окислов азота, а дизельных двигателей - окислов азота и сажи.
К числу вредных компонентов относятся и твёрдые выбросы, содержащие свинец и сажу, на поверхности которой адсорбируются циклические углеводороды (некоторые из них обладают канцерогенными свойствами). Закономерности распространения в окружающей среде твёрдых выбросов отличаются от закономерностей, характерных для газообразных продуктов. Крупные фракции (диаметром более 1 мм), оседая поблизости от центра эмиссии на поверхности почвы и растений, в конечном счете, накапливаются в верхнем слое почвы. Мелкие фракции (диаметром менее 1 мм) образуют аэрозоли и распространяются с воздушными массами на большие расстояния.
В таблице основных загрязнителей воздушной среды, составленной Организацией Объединённых Наций, окись углерода, помеченная силуэтом автомобиля, стоит на втором месте.
Двигаясь со скоростью 80-90 км/ч в среднем, автомобиль превращает в углекислоту столько же кислорода, сколько 300-350 человек. Но дело не только в углекислоте. Годовой выхлоп одного автомобиля - это 800 кг окиси углерода, 40 кг окислов азота и более 200 кг различных углеводородов. В этом наборе весьма коварна окись углерода. Из-за высокой токсичности её допустимая концентрация в атмосферном воздухе не должна превышать 1 мг/м3. Известны случаи трагической гибели людей, запускавших двигатели автомобилей при закрытых воротах гаража. В одноместном гараже смертельная концентрация окиси углерода возникает уже через 2-3 минуты после включения стартера. В холодное время года, остановившись для ночлега на обочине дороги, неопытные водители иногда включают двигатель для обогрева машины. Из-за проникновения окиси углерода в кабину такой ночлег может оказаться последним.
Окислы азота токсичны для человека и, кроме того, обладают раздражающим действием. Особо опасной составляющей отработавших газов являются канцерогенные углеводороды, обнаруживаемые, прежде всего, на перекрёстках у светофоров (до 6,4 мкг/100 м3, что в 3 раза больше, чем в середине квартала).
При использовании этилированного бензина автомобильный двигатель выбрасывает соединения свинца. Свинец опасен тем, что способен накапливаться, как во внешней среде, так и в организме человека.
Уровень загазованности магистралей и примагистральных территорий зависит от интенсивности движения автомобилей, ширины и рельефа улицы, скорости ветра, доли грузового транспорта и автобусов в общем потоке и других факторов. При интенсивности движения 500 транспортных единиц в час концентрация окиси углерода на открытой территории на расстоянии 30-40 м от автомагистрали снижается в 3 раза и достигает нормы. Затруднено рассеивание выбросов автомобилей на тесных улицах. В итоге практически все жители города испытывают на себе вредное влияние загрязнённого воздуха.
На скорость распространения загрязнения и концентрацию его в отдельных зонах города значительно влияют температурные инверсии. В основном, они характерны для севера европейской части России, Сибири, Дальнего Востока и возникают, как правило, при штилевой погоде (75% случаев) или при слабых ветрах (от 1 до 4 м/с). Инверсионный слой выполняет роль экрана, от которого на землю отражается факел вредных веществ, в результате чего их приземные концентрации возрастают в несколько раз.
Из соединений металлов, входящих в состав твёрдых выбросов автомобилей, наиболее изученными являются соединения свинца. Это обусловлено тем, что соединения свинца, поступая в организм человека и теплокровных животных с водой, воздухом и пищей, оказывают на него наиболее вредное действие. До 50% дневного поступления свинца в организм приходится на воздух, в котором значительную долю составляют отработавшие газы автомобилей.
Поступления углеводородов в атмосферный воздух происходит не только при работе автомобилей, но и при разливе бензина. По данным американских исследователей в Лос-Анджелесе за сутки испаряется в воздух около 350 тонн бензина. И повинен в этом не столько автомобиль, сколько сам человек. Чуть-чуть пролили при заливке бензина в цистерну, забыли плотно закрыть крышку при перевозке, плеснули на землю при заправке на автозаправочной станции, и в воздух потянулись различные углеводороды.
Каждый автомобилист знает: вылить из шланга весь бензин в бак практически невозможно, какая-то часть его из ствола «пистолета» обязательно выплёскивается на землю. Немного. Но сколько сегодня у нас автомобилей? И с каждым годом их число будет расти, а, значит, будут увеличиваться и вредные испарения в атмосферу. Лишь 300 г бензина, пролитого при заправке автомобиля, загрязняют 200 тысяч кубических метров воздуха. Самый простой путь решения проблемы - создать заправочные автоматы новой конструкции, не позволяющие пролиться на землю даже одной капле бензина.
Глава 2. Альтернативные виды топлива
До конца XX столетия двигатель внутреннего сгорания остаётся основной движущей силой автомобиля. В связи с этим единственный путь решения энергетической проблемы автомобильного транспорта - это создание альтернативных видов топлива. Новое горючее должно удовлетворить очень многим требованиям: иметь необходимые сырьевые ресурсы, низкую стоимость, не ухудшать работу двигателя, как можно меньше выбрасывать вредных веществ, по возможности сочетаться со сложившейся системой снабжения топливом и др.
Нефть сегодня - основной и наиболее востребованный энергоресурс. Однако ее запасы катастрофически заканчиваются, и уже понятно, что наступает закат нефтяной эры. Чем заправляться будем?
Обеспеченность энергоресурсами является обязательным условием развития экономики любой страны. На круговой диаграмме приведено примерное соотношение мирового потребления различных энергоресурсов.
Из диаграммы видно, что именно нефть является в настоящее время основным и наиболее востребованным энергоресурсом. Наиболее ярко выражена нефтяная зависимость транспортного комплекса.
В настоящее время мировой автопарк составляет порядка 900 млн ед. и приблизительно на 30% состоит из грузовых автомобилей, а на 70% - из легковых и автобусов. Каждый год в мире производится 40-45 млн автомобилей, причем порядка 25 млн заменяют выводимые из эксплуатации транспортные средства, а 20 млн составляют ежегодный прирост мирового автопарка. Подсчитано, что в среднем один автомобиль потребляет 2,2 т бензина (дизтоплива) в год. Таким образом, весь мировой автопарк потребляет порядка 2-х млрд т топлива, на изготовление которого в зависимости от глубины переработки требуется от 6 до 8 млрд т нефти.
С другой стороны, доказанные мировые запасы нефти составляют около 140 млрд т: 78% приходятся на страны ОПЕК, 6% - на страны СНГ, включая Россию, 3% - США , 1% - Норвегию. Согласно исследованиям, проведенным компанией “British Petroleum”, мировых запасов нефти хватит менее чем на 40 лет, причем прогнозы по полной выборке российской нефти колеблются в пределах 15-25 лет. Безусловно, фактическое потребление “черного золота” будет зависеть от темпов роста мировой экономики и, прежде всего, экономик США, Китая, Японии и Европы, внедрения энергосберегающих технологий и технологий, повышающих глубину переработки нефти и т.д.
Уже сейчас абсолютно ясно, что XXI век станет закатом нефтяной эры. Снижение темпов нефтедобычи в ряде стран, включая Россию, и снижение ее рентабельности наблюдается уже сегодня. Все это является первопричиной увеличения стоимости нефтепродуктов и, как следствие, накладывает определенные ограничения на развитие экономик отдельных стран и мировой экономики в целом. Данное обстоятельство, с учетом того, что 80% механической энергии, которую использует в своей деятельности человек, вырабатывается двигателями внутреннего сгорания, заставляет уже сегодня серьезно задуматься об альтернативном источнике энергии, не нефтяного происхождения.
В последнее время большое количество зарубежных научно-исследовательских центров моторостроительных фирм проводят исследования, направленные на экономию топлива и замену традиционных жидких углеводородных топлив новыми видами.
Альтернативные виды топлива можно классифицировать следующим образом:
- по составу: углеводородно-кислотные (спирты), эфиры, эстеры, водородные топлива с добавками;
- по агрегатному состоянию: жидкие, газообразные, твердые;
- по объемам использования: целиком, в качестве добавок;
- по источникам сырья: из угля, торфа, сланцев, биомассы, горючего газа, электроэнергии и др.
Рассмотрим каждый из наиболее распространенных видов альтернативного топлива более подробно.
2.1 Природный газ
Природный газ в большинстве стран является наиболее распространенным видом альтернативного моторного топлива. Природный газ в качестве моторного топлива может применяться как в виде компримированного, сжатого до давления 200 атмосфер, газа, так и в виде сжиженного, охлажденного до -160°С газа. В настоящее время наиболее перспективным является применение сжиженного газа (пропан-бутан). В Европе это топливо называется LPG (Liquefied petroleum gas - сжиженный бензиновый газ). В то время как сжатый газ (метан) находится в баках под давлением 200 бар, что само по себе представляет повышенную опасность, LPG сжиживается при давлении 6-8 бар. В Европе сегодня насчитывается около 2,8 млн машин, работающих на LPG.
2.2 Газовый конденсат
Использование газовых конденсатов в качестве моторного топлива сведено к минимуму из-за следующих недостатков: вредное воздействие на центральную нервную систему, недопустимое искрообразование в процессе работы с топливом, снижение мощности двигателя (на 20%), повышение удельного расхода топлива.
2.3 Диметилэфир
Диметилэфир является производной метанола, который получается в процессе синтетического преобразования газа в жидкое состояние. Существуют разработки по переоборудованию дизельных двигателей под диметилэфир. При этом существенно улучшаются экологические характеристики двигателя.
На сегодняшний день в мире потребление диметилэфира составляет около 150 тыс. т в год.
В последние годы разрабатываются технологические процессы получения диметилэфира из синтетического горючего газа, производимого из угля.
В отличие от сжиженного природного газа, диметилэфир менее конкурентоспособен, в основном по причине того, что теплотворная способность на тонну диметилэфира на 45% ниже теплотворности на тонну сжиженного природного газа. Также для производства диметилэфира требуется не только более высокий уровень предварительных капиталовложений, но и больший объем сырьевого газа для производства продукта с эквивалентной теплотворной способностью.
В будущем диметилэфир можно рассматривать только в качестве продукта, имеющего ограниченные возможности, так как производство сжиженного природного газа характеризуется более значительной экономией за счет масштабов производства, более низким уровнем капитальных затрат и более высокой эффективностью процесса производства.
2.4 Шахтный метан
В последнее время к числу альтернативных видов автомобильных топлив стали относить и шахтный метан, добываемый из угольных пород. Так, к 1990 г. в США, Италии, Германии и Великобритании на шахтном метане работали свыше 90 тыс. автомобилей. В Великобритании, например, он широко используется в качестве моторного топлива для рейсовых автобусов в угольных регионах страны. Содержание метана в шахтном газе колеблется от 1 до 98%. В США за период с 1988 по 2000 гг. добыча угольного метана из специальных скважин возросла от 1 млрд до 40 мрлд м3 и в будущем еще удвоится. Прогнозируется, что газовая добыча метана в угольных бассейнах мира уже в ближайшее время составит 96-135 млрд м3. Общие ресурсы метана в угольных пластах России составляют, по различным источникам, 48-65 трлн м3.
2.5 Этанол и метанол
Этанол (питьевой спирт), обладающий высоким октановым числом и энергетической ценностью, добывается из отходов древесины и сахарного тростника, обеспечивает двигателю высокий КПД и низкий уровень выбросов и особо популярен в теплых странах. Так, Бразилия после своего нефтяного кризиса 1973 г. активно использует этанол - в стране более 7 млн автомобилей заправляются этанолом и еще 9 млн - его смесью с бензином (газохолом). США является вторым мировым лидером по масштабному изготовлению этанола для нужд автотранспорта. Этанол используется как “чистое” топливо в 21 штате, а этанол-бензиновая смесь составляет 10% топливного рынка США и применяется более чем в 100 млн двигателей. Стоимость этанола в среднем гораздо выше себестоимости бензина. Всплеск интереса к его использованию в качестве моторного топлива за рубежом обусловлен налоговыми льготами.
Метанол как моторное топливо имеет высокое октановое число и низкую пожароопасность. Данные обстоятельства обеспечивают его широкое применение на гоночных автомобилях. 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.
2.6 Синтетический бензин
Сырьем для его производства могут быть уголь, природный газ и другие вещества. Наиболее перспективным считается синтезирование бензина из природного газа. Из 1 м3 синтез-газа получают 120-180 г синтетического бензина. За рубежом, в отличие от России, производство синтетических моторных топлив из природного газа освоено в промышленном масштабе. Так, в Новой Зеландии на установке фирмы “Мобил” из предварительно полученного метанола ежегодно синтезируется 570 тыс. т моторных топлив. Однако в настоящее время 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.
2.7 Электрическая энергия
Заслуживает внимания применение электроэнергии в качестве энергоносителя для электромобилей. Кардинально решается вопрос, связанный с токсичностью отработанных газов, появляется возможность использования нефти для получения химических веществ и соединений. К недостаткам электроэнергии как вида электроносителя можно отнести: ограниченный запас хода электромобиля, увеличенные эксплуатационные расходы, высокая первичная стоимость, высокая стоимость энергоемких аккумуляторных батарей.
2.8 Топливные элементы
Топливные элементы - это устройства, генерирующие электроэнергию непосредственно на борту транспортного средства, - в процессе реакции водорода и кислорода образуются вода и электрический ток. В качестве водородосодержащего топлива, как правило, используется либо сжатый
водород, либо метанол. В этом направлении работает достаточно много зарубежных автомобильных фирм, и если им в итоге удастся приблизить стоимость автомобилей на топливных элементах к бензиновым, то это станет реальной альтернативой традиционным нефтяным топливам в странах, импортирующих нефть. В настоящее время стоимость зарубежного экспериментального легкового автомобиля с топливными элементами составляет порядка 1 млн долл. США. Кроме того, к недостаткам применения топливных элементов следует отнести повышенную взрывоопасность водорода и необходимость выполнения специальных условий его хранения, а также высокую себестоимость получения водорода.
2.9 Биодизельное топливо
В последние годы в США, Канаде и странах ЕС возрос коммерческий интерес к биодизельному топливу, в особенности к технологии его производства из рапса (возможно также производство из отработанного растительного масла). В Австрии такое топливо уже сейчас составляет 3% общего рынка дизельного топлива при наличии производственных мощностей до 30 тыс. т/год; во Франции эти мощности составляют 20 тыс. т/год; в Италии - 60 тыс. т/год. В США планируется на 20% заменить обычное дизельное топливо биодизельным и использовать его на морских судах, городских автобусах и грузовых автомобилях. Применение биодизельного топлива связано, в первую очередь, со значительным снижением эмиссии вредных веществ в отработанных газах (на 25-50%), улучшением экологической обстановки в регионах интенсивного использования дизелей (города, реки, леса, открытые разработки угля (руды), помещения парников и т.п.) - cодержание серы в биодизельном топливе составляет 0,02%.
В Европе биодизельное топливо применяется по двум принципиальным схемам: “немецкой” и “французской”.В настоящее время в Германии действует около 12 централизованных и 80 децентрализованных заводов по производству рапсового масла, а топливо “Biodiesel” выпускает восемь немецких фирм. “Французская” схема предусматривает централизованное производство diestera на мощных установках (5-10 тыс. т в год).
2.10 Воздух
Во Франции уже начато производство автомобиля, в качестве топлива для которого будет использоваться сжатый воздух. Принцип работы мотора машины очень похож на принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Только в двух цилиндрах воздух-кара не бензин “встречается” с искрой, а холодный воздух с теплым. По предварительным данным, автомобиль будет стоить порядка 13 тыс. евро. Запас хода - 200 км.
2.11 Биогаз
Представляет собой смесь метана и углекислого газа и является продуктом метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения. Биогаз относится к топливам, получаемым из местного сырья. Хотя потенциальных источников для его производства достаточно много, на практике круг их сужается вследствие географических, климатических, экономических и других факторов.
Биогаз как альтернативный энергоноситель может служить высококалорийным топливом. Предназначен для улучшения технико-эксплуатационных и экологических показателей работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и стационарных энергоустановок. Биогаз, представляющий собой продукты брожения отходов биологической деятельности человека и животных, содержит приблизительно 68% СН4, 2% Н2 и до 30% СО2. После отмывки от углекислоты этот газ является достаточно однородным топливом, содержащим до 80% метана с теплотворной способностью более 25 МДж/м3. Применение биогаза в качестве топлива для ДВС осуществляется путем использования серийно выпускаемой топливной аппаратуры для природного газа с коррекцией соотно-шения “топливо-воздух”. Предлагаемая система в сравнении с газовым двигателем позволяет снизить выбросы оксидов азота на 25% и оксида 15%.углерода - на 20%, а также улучшить топливную экономич-ность на 12. Некоторое снижение эффективной мощности, вызванное присутствием балластных компонентов, практически полностью компенсируется за счет высоких антидетонационных качеств биогаза путем соответствующего повышения степени сжатия. Присутствие небольшого количества водорода в биогазе положительно сказывается на качестве протекания рабочего процесса ДВС и не вызывает характерных для водородных двигателей преждевременного воспламенения рабочей смеси и так называемой обратной вспышки.
2.12 Отработанное масло
В настоящее время на ряде предприятий различных стран мира весьма эффективно работают установки, преобразующие отработанное масло (моторное, трансмиссионное, гидравлическое, индустриальное, трансформаторное, синтетическое и т. д.) в состояние, которое позволяет полностью использовать его в качестве дизельного или печного топлива. Установка подмешивает высокоочищенные (в установке) масла в соответствующее топливо, в точно заданной пропорции, с образованием навсегда стабильной, неразделяемой топливной смеси. Полученная смесь имеет более высокие параметры по чистоте, обезвоживанию и теплотворной способности, чем дизельное топливо до его модификации в установке.
Например, в России практически отсутствует сырьевая база для получения этанола и биодизельного топлива (необходимо отметить, что наиболее эффективными продуцентами для их топлив являются представители тропической и субтропической флоры). С другой стороны, использование LPG, учитывая огромные запасы газа в нашей стране, крайне актуально. Из всех видов моторных топлив, получаемых из местного сырья, только биогаз, с точки зрения промышленного производства и применения в двигателях транспортных средств, представляет серьезный практический интерес для России. Кроме того, шахтный метан уже в настоящее время может рассматриваться как перспективный источник альтернативного моторного топлива для угольных регионов нашей страны.
Однако без должного развития инфраструктуры и поддержания экономически обоснованного спроса ни один из видов альтернативного топлива не может рассматриваться как полноценная замена бензина и дизельного топлива. Эффект от использования установок по производству биодизельного топлива, синтетического бензина, по преобразованию отработанного масла и т.п. вне рамок реализации масштабной государственной программы может носить лишь исключительно локальный характер. В связи с этим остается только надеяться, что часть тех огромных финансовых ресурсов, которые столь внушительными темпами аккумулируются в настоящее время государством и нефтяными компаниями при реализации нефти и нефтепродуктов пойдет на своевременную разработку и внедрение высокоэффективных энергосберегающих технологий.
2.13 Водород как альтернативное топливо
Водород является эффективным аккумулятором энергии. Применение водорода в качестве топлива возможно в разнообразных условиях, что может дать существенный вклад в мировую энергетику, когда ресурсы ископаемого топлива будут близки к полному истощению. По сравнению с бензином и дизельным топливом водород более эффективен и меньше загрязняет окружающую среду. Взрывоопасность водорода резко снижается с применением специальных присадок (например, добавка 1% пропилена делает Н2 безопасным).
Использование водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания начинается с 70-х годов прошлого века. В 1974 году появились автомобили, работающие исключительно на водороде. Пионерами в этой области были «Биллингз энеджи» (США) и «Даймлер-Бенц» (ФРГ). В 1979 году компания БМВ (ФРГ) в рамках программы «Чистая энергия» выпустила седьмую модель, которая также в качестве топлива использовала чистый водород. Длина пробега на одной заправке менялась от 120 км. (автобус «Биллингз» на базе «Доджа») до 300 км. (БМВ на базе седьмой модели).
В конце века каждая автомобильная компания имеет концепт-кар, который работает на водороде. Однако некоторые фирмы предлагают комбинированные решения. Так, «Мазда» предлагает автомобиль ( модель RX8HRE ), который имеет возможность чередовать топливо ( водород и бензин). Другие автопроизводители совмещают эти виды топлива. В США выпускают седельные тягачи, в двигателях которых используется смесь дизельного и водородного топлива. Это позволяет увеличить мощность двигателя, экологическую чистоту и уменьшить расход топлива. Система осуществляет электролиз воды, собирает водород и направляет его в камеру сгорания, обеспечивая более высокую эффективность сгорания топлива.
Еще одно направление использования водорода - применение в аккумуляторных батареях электромобилей. Лидерство в этой области принадлежит японским фирмам, которые разработали эффективные водородные электроды, используемые в топливных элементах.
Однако во всех методах использования водородного топлива основная проблема - хранение водорода. Известны три основных способа хранения:
сжатый газ;
сжиженный газ;
металлогидридный способ.
Рассмотрим хранение водорода под давлением. Так, в модели “Мазда RX8HRE” давление сжатого водорода 350 атм. (обычное давление в баллоне 140 атм.). Минимальная работа
А=RTlnP,
необходимая для изотермического сжатия от давления в 1 атм. до 350 атм., составляет при 298 К - 14,5 кДж (от 1 до 140 атм. А ? 12,2 кДж). Так как к.п.д. компессора ограничен, эта работа составит 20 кДж. Тепловая энергия, по крайней мере, в 2,5 раза больше механической, таким образом, получается почти 50кДж. Это заметная доля потенциальной теплоты сгорания водорода.
Сжижение водорода требует затраты энергии 29,2 кДж/моль. Соответствующая тепловая энергия, по крайней мере, в 2,5 раза больше и составляет около 73 кДж/моль. Теплота полного сгорания одного моля водорода составляет 290 кДж/моль, т.е. в четыре раза больше затрачиваемой энергии. Использование в програме БМВ “Чистая энергия” жидкого водорода (- 253 _С) приводит к большим потерям. Так, 170 л. жидкого водорода стравливаются за три дня.
Использование жидкого водорода и водорода под давлением довольно неэффективно. Третий способ хранения водорода - металлогидридный, наиболее перспективный. Гидриды металлов служат источником водорода, который получается за счет химической реакции или термического разложения. Обратимое гидрирование системы Pd-H было исследовано Т.Грэмом более 100 лет назад. В настоящее время исследовано большое количество систем Ме-Н, которые поглощают большое количество водорода, а затем при изменении условий возвращают его обратно. Большая часть газа выделяется при постоянном давлении. Если механизмом хранения было бы растворение газа в металле или сплаве, то давление водорода менялось по закону Сивертса (Р=к(Н/Ме)2 - частному случаю закона Генри при диссоциации растворенного газа ). Подобная реакция имеет место на начальном этапе, в дальнейшем процесс контролируется не явлением растворимости, а химической реакцией.
Транспортные средства, использующие водород, выигрывают по сравнению с бензиновым транспортом. При этом водородные прототипы конкурентны с действующими электромобилями. Энергетическая плотность самых примитивных батарей составляет около 25 Вт ч / кг. Энергетическая плотность гидридов (например, TiFe ) составляет 500Вт ч / кг (при сжигании водорода до водяного пара). С учетом массы контейнера для хранения гидрида, к.п.д. сгорания водорода в 2 раза превышает энергетическую плотность батареи.
Водород может найти применение в качестве автомобильного топлива в зависимости от многих экологических и экономических факторов, в первую очередь от истощения природных ресурсов. Это весьма актуально и для Украины в плане диверсификации источников энергии и укрепления энергетической независимости страны. Поэтому усовершенствование автомобильных гидридных систем (как наиболее перспективных), без сомнения, является важной научно-технической задачей.
2.14 Спирты
Среди альтернативных видов топлива в первую очередь следует отметить спирты, в частности метанол и этанол, которые можно применять не только как добавку к бензину, но и в чистом виде. Их главные достоинства - высокая детонационная стойкость и хороший КПД рабочего процесса, недостаток - пониженная теплотворная способность, что уменьшает пробег между заправками и увеличивает расход топлива в 1,5-2 раза по сравнению с бензином. Кроме того, из-за плохой испаряемости метанола и этанола затруднён запуск двигателя.
Использование спиртов в качестве автомобильного топлива требует незначительной переделки двигателя. Например, для работы на метаноле достаточно перерегулировать карбюратор, установить устройство для стабилизации запуска двигателя и заменить некоторые подверженные коррозии материалы более стойкими. Учитывая ядовитость чистого метанола, необходимо предусмотреть тщательную герметизацию топливоподающей системы автомобиля.
Сделать двигатель «чистым» нетрудно. Надо лишь перевести его с бензина на сжатый воздух. Но эта идея не выдержала критики, когда речь заходит об автомобильных двигателях: далеко на таком «горючем» не уедешь. И американские специалисты предложили заменить сжатый воздух жидким азотом. Они даже разработали конструкцию автомобиля, в котором азот, расширяясь при испарении, будет толкать три поршня двигателя. А чтобы процесс испарения шёл активнее, азот предлагают впрыскивать в особую подогревательную камеру, где сжигается небольшое количество дизельного топлива. Такая схема при достаточной мощности обеспечит запас хода до 500 км. Существуют два способа применения спирта в качестве горючего для автомобильных моторов - при частичной (до 20%) и при полной замене бензина и дизельного топлива. Высокие антидетонационные качества определяют преимущественное использование спирта в двигателях внутреннего сгорания с принудительным (искровым) зажиганием. Стандартный двигатель не нужно переделывать для работы на бензо-спиртовой смеси.
На АО «АвтоВАЗ» были проведены испытания бензина АИ-95 с 10-процентным содержанием этанола на токсичность, расход топлива и обеспечение динамики автомобиля без перерегулировки двигателя. Было установлено, что добавка к бензину 10% спирта приводит к обеднению топливовоздушной смеси и незначительно ухудшает ездовые качества машины практически на всех режимах движения. При переходе на АИ-95Э с 10-процентным содержанием этанола требуется перерегулировка карбюратора.
Согласно результатам стендовых испытаний «АвтоВАЗа», применение бензина АИ-95Э с 5-процентным содержанием спирта не приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик автомобиля и не требует изменения исходных регулировок двигателя.
А вот для работы на чистом спирте требуется увеличение вместимости топливного бака и степени сжатия до 12-14 ед. (чтобы полностью использовать детонационную стойкость топлива) и перерегулировка карбюратора или перепрограммирование ЭБУ инжекторного двигателя. Горючую смесь необходимо немного обогатить: для сгорания 1 кг спирта требуется 9 кг воздуха, а для сгорания 1 кг бензина - 14,93 кг.
Низкое давление насыщенных паров и высокая теплота испарения спирта делают практически невозможным запуск бензиновых двигателей уже при температуре окружающей среды ниже +10°С. Для улучшения пусковых качеств в спирт добавляют 4-6% изопентана (С5Н12) или 6-8% диметилового эфира (СН3-О-СН3 или С2Н6О), что обеспечивает нормальный пуск двигателя при температуре от -25°С и выше. Для этой же цели спиртовые моторы оборудуют специальными пусковыми подогревателями. В случае неустойчивой работы двигателя при повышенных нагрузках (из-за плохого испарения спирта) применяется дополнительный подогрев топливной смеси с помощью, например, отработавших газов.
2.15 Дизель и спирт
Адаптировать дизельный мотор для сжигания в его цилиндрах спирта гораздо сложнее. Венским техническим университетом были проведены экспериментальные исследования на 4-цилиндровом тракторном дизеле фирмы Steyr.
Ввиду того, что цетановое число этанола низкое, двигатель был дополнительно оснащен электронной системой зажигания, а головку цилиндров модернизировали для размещения свечей зажигания. Кроме того, была изменена геометрическая форма камеры сгорания в днище поршня, установлены новые топливный насос высокого давления, форсунки и топливоподкачивающий насос повышенной производительности. Исследования показали, что дизель работает на этаноле практически бездымно. По сравнению с работой на дизельном топливе выброс NOx снижается, что является результатом уменьшения температуры вследствие повышенной теплоты испарения этанола. Выброс СО такой же, как у бензинового ДВС, выброс СН относительно высок, однако может быть радикально снижен при применении простейшего окислительного нейтрализатора. При переходе на дизельное горючее дымность и расход топлива у переоборудованного дизеля значительно выше, чем первоначально. Объемный расход у этанола почти в 2 раза больше, чем у дизельного топлива, что является следствием его более низкой теплоты сгорания, а удельный приведенный расход лишь немногим выше.
Модернизировать двигатель могут не только автопроизводители, но и специализированные фирмы. Например, в США бензиновые двигатели и дизели для работы на альтернативном топливе переоборудует фирма Jasper Engines and Transmissions. Переделываются моторы от 8-цилиндровых V-образных до рядных 6- и 4-цилиндровых. После переоборудования двигатели могут работать на метаноле, этаноле, сжатом и сжиженном природном газах.
Этанол (С2Н5ОН) - винный, или питьевой спирт, являющийся важнейшим представителем одноатомных спиртов. Эта бесцветная жидкость, которая смешивается в любых соотношениях с водой, спиртами, эфирами, глицерином, бензином и другими органическими растворителями, горит бесцветным пламенем. Этанол, обладая высоким октановым числом и энергетической ценностью, является отличным моторным топливом. Для получения бензина АИ-95 требуется добавить в бензин АИ-92 около 10% этанола.
2.16 Проблемы и перспективы использования метанола в качестве топлива
Теплота сгорания метанола в 2,24 раза меньше, чем у бензина. Метанол имеет более высокую скрытую теплоту испарения, низкую упругость паров, низкую температуру кипения, повышенную гигроскопичность и повышенную склонность к образованию с некоторыми составляющими бензина азеотропных смесей, а также повышенную склонность к калильному сжиганию.
Помимо этого, метанол обладает повышенной коррозийной агрессивностью к металлам и некоторым пластмассам. Пары метанола токсичнее паров бензина и вызывают сильные отравления при попадании в организм человека, слепоту и даже летальный исход.
В качестве положительных свойств метанола можно указать его высокую детонационную стойкость и более высокие скорости сгорания топливовоздушных смесей. При этом низкая теплота сгорания не снижает мощностных показателей двигателя, так как их определяющим фактором является не теплота сгорания топлива, а теплота сгорания единицы массы топливообразующей смеси, которая у метаноловоздушных смесей на 3-5% выше, чем у бензинов. Стоит сказать, что при этом и метанола требуется в 2,3 раза больше.
Высокая скрытая теплота испарения метанола (в 3,66 раза выше, чем у бензина) оказывает качественное влияние на процесс смесеобразования. В первую очередь, этот факт является причиной худших пусковых качеств холодного двигателя при низких температурах. С другой стороны, это свойство метанола ведет к уменьшению теплонапряженности деталей двигателя и увеличению весового наполнения цилиндров свежим зарядом, что способствует увеличению мощности двигателя.
Кроме всего прочего, при использовании метанола существенно ниже загрязнение атмосферы, ниже нагарообразование на рабочих поверхностях камеры сгорания и меньшее закоксование деталей цилиндропоршневой группы.
Кроме того, для использования метанола в качестве топлива необходимо, чтобы цены на него были приемлемы. Сейчас на внутреннем и мировом рынке наблюдаются крайне высокие цены на метанол. Это не способствует широкому его применению в этой области.
2.17 Метанольные топливные элементы
В последние годы топливные элементы получили широкое развитие во всем мире. На сегодняшний день существует огромное количество систем, базирующихся на различных технологиях. Одной из самых распространенных технологий является DMFC (Direct methanol fuel cell) - технология, основанная на прямом окислении метанола.
Помимо этой технологии широко применяются PEMFC (Proton exchange membrane fuel cell) технология и SOFC (Solid oxide fuel cell). Однако нас интересует больше технология DMFC.
Разработкой метанольных топливных элементов сейчас занимаются несколько десятков компаний, среди которых Methanex, Statoil, Duracell, Hitachi, Toshiba, Samsung и др. Таким образом, разрабатываются метанольные топливные элементы как для портативной техники, так и для двигателей автомобилей. И там, и там достигнуты серьезные успехи.
Такие элементы уже находят применение в портативных компьютерах, сотовых телефонах и даже автомобильных двигателях. Широкое применение в последних сталкивается с рядом проблем.
С одной стороны, единственным продуктом реакции метанола с воздухом является вода. Самый положительный с точки зрения экологии факт. С другой стороны, возникает вопрос, где взять такое количество метанола. К примеру, при 10%-ном внедрении метанола на Калифорнийском рынке для обеспечении потребности необходима непрерывная работа 4-х крупных заводов мощностью 2,5 тыс. тонн в сутки . Таким образом, сколь ни было то значимого применения метанола для транспорта ждать придется еще долго. При всем при этом цена метанола не способствует его широте его использования.
2.18 ДМЭ
ДМЭ уже на раз проходил испытания в качестве моторного топлива, подтверждая тем самым, целесообразность такого его использования. Применение ДМЭ в качестве моторного топлива позволяет резко снизить уровень шума, исключить выбросы сажи и снизить выбросы окислов азота.
Однако значительное различие в свойствах ДМЭ и дизельного топлива вызывает ряд специфических проблем. Например, с учетом более низкой плотности и теплотворной способности для сохранения мощности дизеля необходимы в 1,7-1,9 раза большие объемные цикловые подачи. При проектировании топливного насоса высокого давления приходится учитывать, что в силу значительно большей сжимаемости ДМЭ необходимо увеличивать запас по объемной производительности на номинальном режиме в 2,4-2,7 раза и т.д. Технологии производства ДМЭ освоены уже давно. В СНГ их разработчиком является НИИ «Химтехнология».
2.19 Диметоксиметан (метилаль)
Вполне вероятно, это вещество станет перспективным топливом, получаемым на базе метанола. Это бесцветная прозрачная жидкость с высоким содержанием кислорода (42%). Уже не раз проводились испытания этого продукта, которые показали хорошие результаты в отношении технических характеристик двигателей и низкой эмиссии дыма. Диметоксиметан улучшает смазывающую способность дизельного топлива и полностью смешивается с этим топливом при всех температурах.
Он изготавливается путем метоксилирования формальдегида метанолом. Являясь превосходным окислителем дизельного топлива, его использование может стать одним из вариантов уменьшения образования дыма от сжигания дизельного топлива.
Заключение
Часто фантасты рисуют картины, на которых изображают мчащиеся по эстакадам поезда, похожие на ракеты, движущиеся по автострадам и улицам городов потоки ультрамодных автомобилей, «летящие» по морям и рекам суда на подводных крыльях и на воздушной подушке, исчерченное следами сверхзвуковых самолётов небо. Но хочется верить, что картина будет совсем иной. Грядущее поколение людей вернут Земле её первозданную красоту и чистоту. Улицы городов окажутся всецело во власти пешеходов, исчезнут клубы отработавших газов автомобилей. Коренным образом удастся усовершенствовать все виды транспорта, которые в полной мере сумеют удовлетворить постоянно возрастающие потребности в перевозках грузов и пассажиров, не угрожая при этом окружающей среде.
Литература
1. Горелик Д.О., Конопелько Л.А. Мониторинг загрязнения атмосферы и источников выбросов. Аэроаналитические измерения. - М.:Издательство стандаартов, 1992.
2. Примак А.В., Кафаров В.В., Системный анализ контроля и управления качества воздуха и воды.- Киев.: Наука, 1991.
3. Израэль Ю.А. Концепция мониторинга состояния биосферы. - Л.: Гидрометеоиздат,1987.
4. Герасимов И.П. Научные основы мониторинга окружающей среды. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987.
5. Вавилин В.А. Моделирование - метод исследования при решении задач регионального мониторинга. - Л.: Гидрометеоиздат, 1977.
6. Аксёнов И.Я., Аксёнов В.И. Транспорт и охрана окружающей среды. - М.: Транспорт, 1986.
7. Голубев И.Р., Новиков Ю.В. Окружающая среда и транспорт. - М.: Транспорт, 1987.
8. Иванов В.Н., Сторчевус В.К., Доброхотов В.С. Экология и автомобилизация. - Киев: Будiвельник, 1983.
9. Хомяк Я.В., Скорченко В.Ф. Автомобильные дороги и окружающая среда. - Киев: Вища школа, 1983.
10. Якубовский Ю. Автомобильный транспорт и защита окружающей среды. - М.: Транспорт, 1979.
Подобные документы
Влияние транспорта на окружающую среду. Устройство поршневых двигателей внутреннего сгорания, принцип их работы. Причины загрязнения воздуха отработавшими газами автомобилей. Альтернативные виды топлива. Защита окружающей среды, меры предосторожности.
реферат [27,1 K], добавлен 11.12.2012Причины образования токсичных компонентов в отработанных газах ДВС. Описание альтернативных экологичных видов топлива для автомобилей: добавки водорода и водородсодержащих топлив, синтетическое жидкое топливо. Анализ эффективности двигателя на водороде.
реферат [23,2 K], добавлен 11.01.2010Перспективные типы двигателей внутреннего сгорания, их экономичность; альтернативные виды топлива для ДВС. Изменение процессов подачи топлива, применение присадок; фильтры и катализаторы выхлопных газов. Системы локальной очистки воздуха над магистралями.
реферат [340,7 K], добавлен 05.08.2013Основные выбросы, загрязняющие воздух. Механизмы эмиссии автотранспорта и распространения выбросов. Технические и организационные меры по снижению загрязнения воздуха выбросами автотранспорта. Альтернативные виды энергии и сравнение видов топлива.
реферат [108,8 K], добавлен 25.06.2009Мониторинг атмосферного воздуха в местах скопления автотранспорта. Необходимость совершенствования двигателя внутреннего сгорания для уменьшения выбросов. Альтернативные виды топлива. Автоматизированные системы управления городским транспортом.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 04.12.2010Природное сырье для изготовления биодизеля. Процесс получения биодизеля из рапса. Полезные свойства биотоплива. Сепарация (разделение биодизельного топлива и глицерина). Рекуперация алкоголя (метанола). Использование этанола в автомобильном транспорте.
реферат [487,5 K], добавлен 05.08.2013Изучение и анализ загрязнения атмосферного воздуха выхлопами газа автомобильного транспорта. Возрастающее количество автомобильного транспорта и решение проблемы его воздействия на качество городской среды и здоровье населения. Негативные последствия.
реферат [22,8 K], добавлен 17.07.2008Факторы стимуляции изобретений на альтернативных источниках питания. Проблемы в России перехода транспорта на другие виды топлива. Проблемы экологической безопасности автомобильного транспорта. Роль государства в вопросах экологизации автотранспорта.
реферат [31,6 K], добавлен 20.01.2015Нормы токсичности отработавших газов автомобилей. Состав и структура выбросов двигателей внутреннего сгорания. Влияние загрязнения на жизнедеятельность человека. Обзор существующих методов очистки отработавших газов. Классификация и виды нейтрализации.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 09.01.2014Формула оценки концентрации окиси углерода. Особенности определения коэффициента токсичности автомобилей. Исследование и расчет уровня загрязнения воздуха окисью углерода на магистральной улице с многоэтажной застройкой с двух сторон и уклоном 2°.
лабораторная работа [375,4 K], добавлен 26.10.2013
