Перспективы замены топлива нефтяного происхождения альтернативными источниками энергии

Для решения актуальной проблемы замены топлива нефтяного происхождения в дизеле необходимо выполнить анализ эффективности использования различных альтернативных топлив (АТ) в ДВС. При этом очень важно рассмотреть комплекс требований, предъявляемых к физикохимическим свойствам АТ. Эти свойства оказывают определяющее влияние на ход рабочих процессов в ДВС и, в конечном итоге, определяют эффективность применения того или иного топлива.

Нетрадиционные    топлива,    используемые    в    дизелях, классифицируются на нефтяные топлива и топлива, изготавливаемые из альтернативных источников энергии. Нефтяные альтернативные топлива условно разделяют на три основные группы [1]. К первой группе относятся смесевые топлива, содержащие нефтяные топлива и добавки нефтяного происхождения (спирт, эфиры и т. д.). Они по своим эксплуатационным свойствам, как правило, очень близки к традиционным нефтяным топливам. Вторая группа включает синтетические жидкие топлива, которые по своим свойствам приближаются к традиционным нефтяным топливам. Эти топлива получают в результате процесса переработки твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых (угля, горючих сланцев, природного газа и газовых конденсатов и т. д.). Третью группу представляют нефтяные топлива (спирты, эфиры, газообразные топлива), которые существенно отличаются по своим физико-химическим свойствам от традиционных нефтяных топлив.

Наиболее перспективными среди АТ являются топлива, получаемые из газового сырья, угля и сланцев, а также топлива растительного происхождения.

Наиболее востребованными из числа газовых топлив для ДВС стали природный газ, использование которого на транспорте возможно как в сжатом, так и в сжиженном видах, а также сжиженные углеводородные газы (пропан-бутан смеси), получаемые при переработке попутного нефтяного газа.

Именно сжатый природный (CNG) и сжиженный природный (LNG) газы являются привлекательным АТ. Поскольку природный газ - это распространенное и более дешевое по сравнению с бензином и дизельным топливом. Ресурсы природного газа в мире очень большие.

Преимущества использования природного газа в дизелях [2]:

• -    экономия до 50 - 70% дизельного топлива;

• -    снижение в 2 - 2,5 раза дымности и выбросов твердых частиц (ТЧ);

• -    уменьшение до 25% суммарных выбросов токсичных газообразных компонентов;

• -    уменьшение на 3 - 5 дБ уровня шума работы двигателя;

• -    увеличение срока службы масла и межремонтных сроков работы двигателя;

• -    отсутствует проблема холодного запуска, обусловленное тем, что природному газу, в отличие от жидких топлив, не нужно испаряться с целью возгорания. Кроме того, возможность применения в условиях низких температур является большим преимуществом по сравнению, например, со спиртовыми топливами;

• -    быстрая и чистая заправка автомашин LNG по сравнению с заправкой дизельным топливом. Во время заправки дозирующий клапан, подключенный к баку, образуя плотную систему, полностью исключает возможность разлива, которая встречается при заправке дизельным топливом. Для заправки примерно 450 литрами топлива необходимо от 3 до 5 минут, то есть меньше, чем в случае заправки традиционным топливом.

К недостаткам природного газа относятся:

• -    высокая температура самовоспламенения (см. табл. 1.1), которая затрудняет использование газовых топлив в дизелях;

• -    проблема хранения, связанная с необходимостью применять низкие температуры (-126° С при 0,1 МПа), поскольку влияние тепловой энергии окружающей среды на топливный бак, в котором хранится природный газ, приводит к росту давления в баке, в результате чего газ вытекает через щели в окружающую среду или попадает в двигатель;

• -    высокая летучесть, что приводит к возникновению угрозы взрыва во время автомобильной катастрофы или повреждению бака.

Сжиженный пропан-бутан LNG (Liquefied Petroleum Gas)) является смесью нефтяного газа и природных газов, проявляется в жидком состоянии при температуре окружающей среды и давлении ниже 1,4 МПа.

Это самое распространенное топливо всех АТ, которое применяется в автотранспорте более 70 лет.

В газовом состоянии LNG имеет в два раза большую плотность, чем CNG. Характеризуется высоким октановым числом.

Для организации рабочего процесса дизелей на газовых топливах используются следующие способы:

• -    возгорание рабочей смеси с помощью электрической искры;

• -    предкамерно-факельное возгорание и использование электрического зажигания в предкамере;

• -    использование запальной дозы дизельного топлива.

Наибольшее распространение получил так называемый газодизельный процесс - возгорание основной газовоздушной смеси от воспалительной дозы дизельного топлива.

Относительная простота переоборудования дизеля на газовое топливо без изменения конструкции двигателя является преимуществом данного способа.

Наибольшее распространение среди различных спиртов и их смесей получили метанол (СН 3 ОН) и этанол (С 2 Н 5 ОН) [3].

Метанол получают из природного газа, угля, биомассы или бытовых отходов. Этанол изготавливают из пищевых продуктов или древесины.

К недостаткам спиртовых топлив относятся:  токсичность, агрессивность и коррозионная активность [4].

Использование спиртов в дизелях ограничивается из-за низкого цетанового числа, высокой температуры самовоспламенения и плохих смазочных свойств, что приводит к износу топливной аппаратуры и цилиндро-поршневой группы (см. табл. 1.1).

Основным недостатком использования спиртов в дизельном топливе является их низкая энергоемкость (см. табл. 1.1), что приводит к увеличению удельного расхода топлива.

Лучшим из всех возможных топлив, с учетом критерия энергоемкости, а также эмиссии токсических компонентов в отработавших газах (ОГ), является водород. [1]. Водород имеет практически наибольшую сырьевую базу. Его получают на базе природного газа и нефтепродуктов или путем пиролиза воды.

Таблица 1.1 - Физико-химические свойства дизельного и альтернативных топлив [1]

Физико-химические свойства топлив	Топливо
	ДТ	Сжатый природный газ (CNG)	Сжиженный нефтяной газ (LNG) (пропан)	Метанол	Диметиловый эфир (ДМЭ)	Рапсовое масло	Метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ)
Формула	С 16,2 Н 28,5 *	СН 4	С 3 Н 8	СН 3 ОН	СН 3 ОСН 3	-	С 19 Н 36,6 О 2 *
Плотность     при 20°С, кг/м3	830	416**	490**	795	668**	916	877
Вязкость кинематическая при 20° С, мм2 /с	3,8	-	0,17**	0,55	0,22**	75	8
Коэффициент поверхностного натяжения при 20° С, мН /м	27,1	33,2	-	-	12,5	33,2	30,7
Теплота   сгорания низшая Нн, мДж/кг	42,5	50,3	46,5	20,1	28,9	37,3	37,8
Цетанове число	45	3	16	3	55-60	36	48
Температура самовоспломенения, °С	250	540	487	464	235	318	230
Температура помутнения, °С	-25	-	-	-	-	-9	-13
Температура застывания, °С	-35	-	-	-97,9	-	-20	-21
Температура кипения, °С	180-360	-161,5	-42	64,5	-25	-	-
Теплота испарения при температуре кипения, кДж / кг	250	511	427	1115	497	-	-
Давление насыщенного  пара при 0,1 МПа и 20 ° С, МПа	-	21,4	0,84	0,013	0,51	-	-

Количество воздуха, необходимое   для сгорания    1    кг топлива, кг С, % по массе Н, % по массе О,% по массе	14,3 87,0 12,6 0,4	17,2 76,0 24,0 0	15,7 81,8 18,2 0	6,4 37,5 12,5 50,0	9,0 52,2 13,0 34,8	12,5 77,0 12,0 11,0	12,6 77,5 12,0 10,5
Общее содержание серы,% по массе	0,20	-	0,015	-	-	0,002	0,002
Коксуемость   10% остатка, % не более	0,2	-	-	-	-	0,4	0,3

Примечание: «-» - свойства не определялись; * - условная формула состава; ** - вязкость и плотность жидкой фазы.

Сложность использования водорода в дизеле связана с тем, что он имеет высокую температуру самовоспламенения (низкое цетановое число). Поэтому его можно использовать только в газодизельном варианте (с зажигательной дозой дизельного топлива). При этом устойчивая работа дизеля возможна только в узком диапазоне смесей, ограниченном пропусками воспламенения и детонацией [4].

Использование водорода позволяет практически исключить выбросы оксида углерода (СО) и углеводородных соединений (СтНп). Это объясняется отсутствием в этом топливе углерода. Незначительное содержание этих веществ в ОГ объясняется сгоранием части моторного масла, попадающего в камеру сгорания.

Проблемы, касающиеся использования водорода в качестве автомобильного топлива, связаны с его распространением, хранением и с безопасностью. Существующие схемы хранения водорода на борту транспортного средства (баллонная, металлогидридная, криогенная) отличаются сложностью, дороговизной в изготовлении, большими массами топливного контейнера.

В последнее время в качестве перспективных АТ для дизелей предлагаются простые и сложные эфиры минерального или органического происхождения. Эфиры образуются в результате взаимодействия неорганических кислот и спиртов.

К простым эфирам относится диметиловый эфир (ДМЭ). Преимуществами этого вида топлива является высокое цетановое число и хорошие экологические свойства.

Высокая испаряемость ДМЭ, его хорошая равномерность распределения в камере сгорания (табл. 1.1) сказываются на лучшем смесеобразовании, мягкой динамике сгорания и лучших пусковых качествах дизеля [5,6,7]. Однако препятствием для широкого использования ДМЭ является его высокая цена, а также рост часового расхода топлива и необходимость переоборудования системы питания (большинство простых эфиров находятся в газообразном состоянии).

Кроме простых эфиров в качестве топлива для дизелей возможно использование сложных эфиров: жиров, ацетатов и тому подобное.

Наиболее перспективным является использование жиров органического (растительного или животного) происхождения [8, 9, 10].

Учитывая себестоимость и доступность, наибольшее распространение среди жиров получили растительные масла, которые характеризуются положительными качествами. В табл. 1.1 видно, что масло рапса, например, имеет высокое цетановое число, в нем практически отсутствуют полициклические ароматические углеводороды. При сжигании растительных масел в окружающую среду выбрасывается количество СО2, которое было поглощено растениями в процессе фотосинтеза, и, таким образом, сохраняется баланс «парникового» газа в атмосфере. Растительные остатки и продукты переработки семян являются сырьем для производства удобрений и кормов для животных. При попадании на землю такое топливо не наносит экологического ущерба, по сравнению с нефтяным.

Из проведенного анализа различных АТ видно, что все эти топлива при соответствующей организации рабочего процесса ДВС являются перспективными. Однако в ряде случаев, например, при использовании водорода, спиртов и газовых топлив, приходится существенно менять конструкцию двигателя, что требует больших затрат [11].

Исходя из вышесказанного можно сделать вывод, что на данном этапе развития отечественной альтернативной энергетики более рациональным является использование в ДВС топлива растительного происхождения. Эти топлива, основные свойства которых подобны свойствам традиционного дизельного топлива, возможно эффективно использовать в дизелях без изменения конструкции или незначительной ее модификации.