перспективных топлив

Развитие и совершенствование двигателей внутреннего сгорания за счет проведения приведенных выше мероприятий активно осуществляется в настоящее время и, вероятно, будет осуществляться в будущем. Однако потенциал такого развития в существенной степени уже исчерпан. В то же время в последние годы приоритетное значение приобрели проблемы существенного улучшения экономических и экологических показателей ДВС. Эти задачи вытекают из ситуации, связанной с глобальным характером топливного, энергетического и экологического кризисов, к которым пришла наша цивилизация.

Решение указанных задач возможно за счет поиска эффективных заменителей традиционных углеводородных жидких топлив. Такими заменителями с различной степенью использования являются растительные топлива, спирты, сжиженный пропан-бутан, диметилэфир, природный газ, водород.

Растительные топлива получают из рапса, сои, подсолнечника. К таким топливам можно также отнести спирты (метиловый и этиловый), метиловый эфир рапсового масла и диметилэфир, которые получают переработкой биомассы.

Теплота сгорания смеси метилового эфира рапсового масла с воздухом близка к удельной теплоте сгорания дизельного топлива. По другим моторным свойствам (цетановое число, плотность, кинематическая вязкость) эти два вида топлива также близки, однако фракционный состав их существенно различается. Содержание трехатомных газов и водяного пара в отработавших газах метилового эфира рапсового масла лишь незначительно выше, чем у дизельного топлива. При использовании метилового эфира рапсового масла и оптимальной организации процессов смесеобразования и тепловыделения можно получить показатели, не уступающие показателям, получаемым при применении дизельного топлива. Однако пусковые качества двигателя при использовании метилового эфира рапсового масла несколько хуже.

При использовании метанола в дизелях в случае организации достаточно близких по длительности и характеру процессов тепловыделения индикаторные показатели ДВС будут практически равными аналогичным показателям при использовании дизельного топлива. Однако доля трехатомных компонентов в отработавших газах при использовании метанола несколько выше, чем при использовании дизельного топлива.

Цетановое число метанола составляет 3–5. Поэтому для воспламенения метанола используется либо такая мера, как сжигание запальной порции дизельного топлива, либо специальные свечи зажигания.

При внешнем смесеобразовании в двигателях с искровым зажиганием испарение метанола, имеющего высокую теплоту парообразования, производится в управляемом испарителе, как правило, за счет теплоты жидкости, охлаждающей двигатель. В цилиндры поступает газообразная смесь, воспламеняемая от искры. Коэффициент наполнения в двигателе при использовании метанола несколько меньше, чем в бензиновом двигателе, однако это можно компенсировать повышением степени сжатия, учитывая высокое октановое число метанола. Иногда в двигателе с искровым зажиганием используют смеси бензина и метанола или этанола, что также позволяет повысить степень сжатия ДВС, благодаря более высокому октановому числу смеси. В результате повышается экономичность двигателя.

Недостаточная вязкость метанола требует добавления в него небольших количеств (1–2 % по массе) касторового масла во избежание повышенных износов деталей топливной системы. Также для некоторых сочетаний металлов существует опасность электролитической коррозии.

В настоящее время экономически целесообразно не создание новых конструкций двигателей, работающих на природном газе, а перевод жидкотопливных двигателей в газовые. Для легковых автомобилей часто применяется концепция би-топливного двигателя, но в случае внешнего смесеобразования при этом снижается мощность двигателя. Чтобы избежать снижения мощности необходимо отказаться от би-топливной системы питания, применить более высокую степень сжатия и внутреннее смесеобразование, а также использовать наддув.

Замена дизелей на газовые двигатели осуществляется или заменой дизеля специально сконструированным газовым двигателем с количественным регулированием и искровым зажиганием, или переводом дизеля на питание природным газом при помощи некоторых доработок и использования количественного регулирования и искрового зажигания. Второй путь экономически более выгоден. При этом стоимость производства таких двигателей меньше стоимости производства дизеля или газодизеля. Расходы на переоборудование окупаются в короткие сроки.

При газодизельном процессе воспламенение бедной газовоздушной смеси обеспечивается подачей небольшой запальной порции дизельного топлива. Основная часть теплоты вводится с природным газом при внешнем смесеобразовании. Применяется качественное или смешанное регулирование. При переводе все основные детали дизеля остаются без изменения, добавляются лишь агрегаты, необходимые для хранения и подачи газа. Преимущество газодизельных двигателей – быстрый переход с одного вида топлива на другой. Однако из-за добавления второй системы питания, а также возможности коксования распылительных форсунок снижается надежность таких двигателей.

При переводе дизеля в чисто газовый двигатель необходимы: доработка поршней для снижения степени сжатия с 16…18 до 11…14; доработка отверстий под форсунку в головке цилиндров с целью установки свечи зажигания; установка распределителя вместо топливного насоса и установка во впускную систему смесителя с дроссельной заслонкой. При этом реализуется центральная эжекционная подача газа. При использовании микропроцессорного зажигания отпадает необходимость в приводе распределителя.

Улучшение работы газового двигателя обеспечивает центральная подача газа под давлением. Но при этом имеет место задержка изменения работы цилиндров по отношению к моменту изменения дозы подаваемого топлива. Распределенная подача газа по впускным патрубкам обеспечивает лучшие динамические свойства работы двигателя. При этом требуется применение форм камер сгорания, обеспечивающих повышенную турбулизацию смеси и изменение литья головки переводимого двигателя.

При использовании газовых двигателей снижаются концентрации вредных компонентов в отработавших газах, шум, расход смазочного масла, а также увеличивается срок службы двигателя. Однако при подаче через впускную систему уменьшается наполнение цилиндров воздухом, ниже степень сжатия и индикаторный КПД. Но повышение расхода топлива относительно невелико и, с учетом меньшей стоимости газа, не является существенным недостатком. С другой стороны, вместимость газовых баллонов, а, следовательно, и их масса должны быть больше, чем для газодизеля. Кроме того, пробег транспортного средства с газовым двигателем заметно ниже по сравнению с пробегом машин, оборудованных дизелем или газодизелем.

Для улучшения экологических показателей целесообразно или существенное обеднение смеси (но при этом резко падают номинальная мощность и максимальный крутящий момент), или обеспечение работы газового двигателя на стехиометрической смеси и применение трехкомпонентного нейтрализатора. Однако при этом очень высока тепловая напряженность деталей двигателя. Для обеспечения такого же индикаторного давления, что и при стехиометрической смеси, в газовом двигателе, работающем на бедной смеси (α=1,6), нужно применить наддув до p_к=0,1335–0,135 с промежуточным охлаждением воздуха. Тогда значительно снижаются относительные потери теплоты в среду охлаждения, что, наряду с повышением КПД цикла, заметно повышает экономичность цикла газового двигателя под наддувом на бедной смеси.

Определенные перспективы имеет также применение в качестве топлива для ДВС сжиженного пропан-бутана, основными преимуществами которого перед природным газом являются существенно меньшие масса и стоимость баллонов для его хранения на борту автотранспортного средства.

При использовании диметилэфира в дизелях сохраняются следующие преимущества, свойственные двигателям этого типа:

– высокая экономичность;

– воспламенение от сжатия, являющееся наиболее надежным способом возбуждения горения;

– качественное регулирование;

– высокие надежность и долговечность, которые при работе на диметилэфире могут повыситься вследствие меньшего попадания в смазочное масло сажи.

При этом использование диметилэфира позволяет решить следующие проблемы, возникающие при работе дизеля:

– исключить дымление благодаря высокому содержанию в топливе кислорода и отсутствию связи углерод – углерод;

– существенно снизить выбросы оксидов азота благодаря высокому цетановому числу топлива и короткой задержке воспламенения;

– снизить шумоизлучение от процесса сгорания благодаря меньшей скорости нарастания давления в цилиндре при сгорании;

– обеспечить хорошие пусковые свойства благодаря высокому цетановому числу и более интенсивному испарению распыленного диметилэфира в цилиндре.

Малая токсичность дизелей без наддува при работе их на диметилэфире может продлить период их экономически целесообразного применения на транспорте.

Низкая температура кипения диметилэфира обеспечивает исключительно малые отложения на деталях камеры сгорания. Кроме того, высокое давление насыщенных паров и низкая температура кипения требуют применения для хранения диметилэфира баллонов, аналогичных используемым при работе двигателей на сжиженном пропан-бутане.

Водород в двигателях внутреннего сгорания используется в газообразном состоянии. Применение водорода в двигателях с искровым зажиганием возможно в чистом виде или в качестве присадки в смесях с бензином. При использовании водорода в качестве присадки к бензину он заметно повышает антидетонационную способность двигателя.

Для увеличения удельной работы цикла при питании двигателя водородом организуют внутреннее смесеобразование. При внешнем смесеобразовании существенно падает мощность. Хранение водорода на борту транспортного средства наиболее целесообразно в виде металлогидридов.

Для обеспечения выполнения требований по снижению выбросов в атмосферу основного парниковообразующего газа – диоксида углерода (углекислого газа) – требуется значительное снижение потребления автотракторными двигателями углеводородных топлив. С этой целью в настоящее время много внимания уделяется разработке для транспортных и транспортно-технологических машин нетрадиционных силовых установок.

К числу таких установок можно отнести комбинированные энергетические установки (КЭУ), которые также называют гибридными. Комбинированные энергетические установки включают в себя два источника энергии: двигатель внутреннего сгорания и электрогенератор, потоки энергии от которых имеют сложную функциональную связь. Кроме того, в состав этих установок входят обратимая электромашина, аккумулятор, электродвигатель, электропреобразователи, высоковольтные кабели, трансмиссия и система управления.

Применение комбинированных энергетических установок по сравнению с традиционными ДВС обеспечивает транспортному средству ряд новых качеств:

– работу ДВС меньшей мощности в узком диапазоне наиболее экономичных режимов, а в идеале – в самом экономичном режиме;

– на неэкономичных режимах холостого хода и в начале разгона ДВС на трансмиссию не работает, что улучшает экономические и экологические показатели автомобиля;

– возможность рекуперации энергии при торможении на принудительном холостом ходу и при спусках транспортного средства с направлением ее в аккумулятор, что при выключенном ДВС уменьшает расход топлива и выбросы токсичных газов;

– улучшение динамических качеств транспортного средства из-за высокого крутящего момента электрического привода на малых скоростных режимах.

Также перспективным направлением является использование силовых установок на топливных элементах. Наиболее подходящим для силовой установки наземного транспортного средства является топливный элемент с полимерной электролитной мембраной, имеющий очень высокую удельную мощность и КПД до 40 %. Его рабочая температура 80 °С достаточно низка, и ею можно легко управлять.

Топливный элемент с полимерной электролитной мембраной состоит из двух пластин: анода и катода, разделенных твердым полимерным электролитом, называемым полимерной мембраной. Каждая пластина покрыта платиновым катализатором. Катализатор на аноде вызывает распад молекул подводимого в качестве топлива водорода на свободные электроны и протоны (положительно заряженные ионы водорода). Свободные электроны перемещаются в виде электрического тока по внешней цепи и могут совершать работу (приводить в движение электродвигатель). Протоны проникают через твердый электролит на катод, где под воздействием катализатора объединяются с кислородом, содержащимся в воздухе, и электронами из внешней цепи, образуя воду и выделяя некоторое количество теплоты.

В случае использования силовых агрегатов, работающих на топливных элементах, электрическая энергия производится без образования каких-либо токсичных веществ, а количество водорода, используемого в качестве топлива, неограниченно, хотя он находится в связанной форме, например в составе воды. Данная технология позволяет экономить природные ресурсы и радикально снижать выбросы углекислого газа. При этом значительно улучшаются акустические характеристики транспортных средств, исключается механический износ в процессе образования электрического тока в батарее топливного элемента, улучшаются компоновочные возможности транспортного средства, повышаются комфорт и удобство управления вследствие отсутствия коробки передач, а также решается проблема питания многочисленных электрических и электронных систем, возникающая в ситуациях, когда транспортное средство стоит с неработающим двигателем. КПД современных топливных элементов выше, чем КПД дизеля, а, кроме того, их максимальный КПД достигается в области малых нагрузок.

Главными недостатками транспортных средств, работающих на топливных элементах, до последнего времени являлись значительные размеры и масса силовой установки (включая систему для производства водорода на борту), а также высокая стоимость, примерно в десять раз превышающая стоимость аналогичной машины с ДВС. Кроме того, массовому производству транспортных средств на топливных элементах препятствует отсутствие сети станций по заправке водородом. Однако в последние годы массогабаритные показатели и стоимость силовых агрегатов на топливных элементах стремительно снижаются.

Так как двигатели транспортных средств часто работают в условиях резко переменных режимов, топливные элементы лучше использовать в составе комбинированной энергетической установки, имеющей батарею топливных элементов и аккумулятор. Аккумулятор в этом случае передает тяговому электродвигателю дополнительную энергию при резком увеличении нагрузки и поглощает энергию топливного элемента при резком сбросе нагрузки.

Если совершенствование топливных элементов и конструкции транспортных средств, в которых они используются, будет продолжаться прогнозируемыми темпами, а планы по строительству станций по заправке водородом будут выполнены, то можно ожидать к 2020 г. создание в развитых странах условий для массового перехода на использование в транспортных и транспортно-технологических машинах топливных элементов.