Альтернативные виды топлива

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

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

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

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

2. Газовое топливо (природный газ)

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

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

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

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

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

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

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

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

3. Спиртовые топлива

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

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

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

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

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

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

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

4. Водородные топлива

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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