Модернизация двс для применения альтернативных видов топлива

Лекция 13

Модернизация двс для применения альтернативных видов топлива.

Введение

Современные мероприятия по уменьшению содержания вредных веществ в отработавших газах автомобилей связаны со значительными затратами, что является дополнительным стимулом поиска новых решений этой проблемы.

Основой автотранспортной энергетики в ближайшем будущем останутся поршневые двигатели внутреннего сгорания (ПДВС), которые после почти столетнего развития достигли высокого совершенства. Факторами, влияющими на конструкцию ПДВС, являются необходимость увеличения удельной мощности, повышение надежности и возможность использования двигателя в различных условиях эксплуатации при минимальных расходах топлива, стоимости и затратах материалов. В дополнение к этим факторам конструкция и рабочий процесс будут определяться также требованиями нормативных ограничений и технологическими требованиями. Правильным является положение о том, что двигатель и потребляемое им топливо дают максимальный эффект в том случае, когда двигатель создан в расчете именно на потребляемое им топливо. В ближайшем будущем виды топлива нефтяного происхождения останутся основными энергоносителями для ПДВС. Однако следует предположить, что спрос на энергию в ближайшее десятилетие будет расти. Это справедливо потому, что повышение благосостояния и уровень жизни прямо пропорционально зависят от потребления энергии на душу населения. Это обстоятельство заставит если не в настоящее время, то в ближайшем будущем сделать выбор между альтернативными видами топлива.

1. Возможные заменители нефтяных топлив на автомобильном транспорте.

2. Эффективность мероприятий по переводу ДВС на газовое топливо.

3. Применение генераторов конверсии.

4. Использование синтетических топлив в ДВС.

Рекомендуемые материалы

1. ВОЗМОЖНЫЕ ЗАМЕНИТЕЛИ НЕФТЯНЫХ ТОПЛИВ НА АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ.

Наиболее полноценными заменителями нефтяных топлив могут быть бензин и дизельное топливо, получаемые из каменного угля или горючих сланцев. Применение их не требует никаких изменений в конструкции существующих автомобильных двигателей. В этом главное их преимущество. Но технология получения таких топлив достаточно сложна, требует больших, энергозатрат, в связи с чем массового промышленного их производства пока нет.

Топлива из каменного угля и сланцев, несомненно, перспек­тивны, но появление их в ощутимых масштабах можно ожидать в достаточно отдаленном будущем. Одним из современных заме­нителей нефтяных автомобильных топлив являются углеводо­родные газы, точнее, два их вида. Первый вид — это сжижае­мые газы, т. е. такие, которые при обычных температурах и небольшом давлении (выше 0,75 МПа) могут находиться в жид­ком состоянии. Второй вид — несжимаемые в обычных услови­ях. Из газов первого вида интерес представляет пропан в смеси с бутаном, а второго — природные газы, метан, этан и др.

Сжижаемые газы получили небольшое применение. Промышленностью выпускаются газобаллонные автомобили на сжиженных газах: ЗИЛ-138, ГАЗ-53-07. Но ресурсы пропана ограничены и поставка его для транспорта не будет значительной.

Применение газов второго вида начиналось в Москве в 1938 г. Но в послевоенные годы не возобновлялось вследствие чрезмерно большой массы баллонов высокого давления (20,0МПа). Однако этот недостаток может быть частично уст­ранен использованием облегченных высокопрочных баллонов из легированной стали, а также применением газа в охлажденном виде в изотермических баллонах. Автомобили с двигателями, работающими на природном газе, требуют создания сети соот­ветствующих газонаполнительных станций с компрессорами и ресиверами высокого давления (до 35,0 МПа), тем не менее расширение их использования является вполне перспективным, учитывая практически неограниченные запасы таких газов.

Возможными заменителями нефтяных топлив на автомобилях могут также стать: метанол (метиловый спирт), этанол (этило­вый спирт), аммиак, водород и др. Все они обладают физико-химическими свойствами, существенно отличными от бензина и дизельного топлива. Спирты имеют значительно более низкую теплоту сгорания, гигроскопичны и применение их требует специальных мер по облегчению пуска двигателя; водород труднотранспорта­белен на автомобиле; стоимость заменителей относительно вы­сока. Тем не менее в зарубежных странах ведутся исследования возможностей применения для автомоби­лей заменителей всех видов как в чистом виде, так и в виде добавок к нефтяным топливам. Имеются сведения об уже прак­тическом применении этилового спирта в качестве добавки к бензину в Бразилии, США, Канаде, Австралии и других стра­нах. Метиловый спирт получил применение в ФРГ в качествё добавки к бензину в количестве до 15 %.

Особого внимания заслуживает проблема применения водорода. Его запасы в природе практически неограниченны. Он имеет наиболее высокую теплоту сгорания, хорошо воспламеняется, быстро и полностью сгорает, а продукты горения даже при использовании в качестве окислителя атмосферного воздуха, содержащего азот, могут быть практически безвредными в экологическом отношении.

Водород может использоваться в качестве топлива в поршневых двигателях при сравнительно небольшом конструктивном их изменении, а также путем прямого преобразования его энер­гии в электрическую в электрохимическом топливном элементе.

Для развития практического применения энергии водорода на транспорте требуется решение ряда проблем и проведение большого объема исследований. Одной из этих проблем являет­ся хранение водорода на автомобиле. В газообразном сжатом состоянии требуется чрезмерно большая масса баллонов высо­кого давления, около 116 кг на 1 кг водорода. В жидком состоя­нии при температуре —253^ºС масса криогенного топливного бака, хотя и будет вполне приемлемой (7—12 кг на 1 кг водо­рода), но стоимость сжиженного водорода и всей системы пита­ния двигателя существенно возрастет (в 5—7 раз), заправка водородом и эксплуатация усложнятся. Наиболее перспективной формой хранения водорода на транспортных средствах может быть использование металлогидридов. Стоит проблема изыска­ния такого широкодоступного металлогидрида, в котором содер­жание водорода по массе было бы как можно большим. Пока что наиболее доступным является железо-титановый металлогидрид, но содержание водорода в нем меньше -2%. Сущест­вующие металлогидриды с высоким содержанием водорода лантановый (до 12 %) и магниевый (7,7%) —для широкого использования недоступны.

1. ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПЕРЕВОДУ ДВС НА ГАЗОВОЕ ТОПЛИВО.

В настоящее время эксплуатируются автомобили ЗИЛ-138, ГАЗ-53-07, I 2-0?- и ГАЗ-24-07, использующие в качестве топлива сжиженную пропанобутановую смесь, основными источниками полу­чения которой являются переработка попутного

нефтяного газа юбочные продукты процессов переработки нефти. Этот вид газообразного топлива представляется наиболее удобным заменителем жидких нефтяных видов топлива, поскольку его физико-хические и другие свойства близки к свойствам автомобиль­ных бензинов, а перевод автомобилей на питание таким газом

несложен.

Важнейшие свойства и состав природных газов основные месторождений России приведены в табл. 2.6. Как видно из таблицы, основным компонентом природного газа является метан,, свойства которого в основном и определяют особенности рабо­ты автомобилей на этом топливе.

Таблица 3.

Особенности работы автомобильных двигателей внутреннего сгорания на природном газе исследованы достаточно всесторон­не. При переводе бензинового двигателя на питание при­родным газом без изменения его конструкции (универсальный двигатель) происходит снижение мощности на 15—20% и ухудшение топливной экономичности на 10—15 %

При установке таких двигателей на автомобили происходит снижение тягово-динамических качеств, недопустимое для автопоездов. Это видно на рис.58 где показан мощности баланс для автопоезда в составе тягача ЗИЛ-130-80 и прицепа. ГКБ-817 с полной массой 18,6 т на дорожных подъемах, характерных для автомобильных дорог III категории, при бензиновом двигателе и том же двигателе, но питаемом газовоздушной смесью, когда его удельная мощность составляет около 4,4 кВт/т.

Газовая модификация двигателя должна быть со степенью сжатия, повышен­ной до 9—12, увеличенными проходными сечениями впу­скной трубы и выпускного коллектора, оптимальными характеристиками регулиро­вания состава рабочей сме­си. Автомобиль с таким дви­гателем будет иметь дина­мические характеристики та­кие же, как у базового ав­томобиля с бензиновым дви­гателем, а топливная экономичность его будет повыше-5—20 % (по сравне­нию с базовым бензиновым двигателем). Однако специ­альная

газовая модифика­ция двигателя теряет воз­можность полноценной ра­боты на бензине.

Существенное влияние на эффективность и другие показатели работы газобал­лонных автомобилей оказывают способы хранения и транспортировки запаса га­за на автомобиле (табл. 4).

Предполагается использовать автомобили, на которых запас природного газа будет храниться при 20МПа в стандартных баллонах из легированной или углеродистой стали, параметры которых приведены в табл. 5. Наружный диаметр баллонов обоих видов — 219 мм, толщина стенки для первых — не мене 6 мм, а для вторых — не менее 8,9 мм.

При 17°С и давлении 20,0 МПа в баллоне емкостью 50 содержится 12,36 м³ газа, приведенного к атмосферным услови­ям, что эквивалентно по теплоте сгорания 12,85 л бензина. Та­ким образом для обеспечения двигателя запасом газа, эквива­лентным по энергии хотя бы 70—100 л бензина, требуется установить на автомобиль батарею из 5—8 баллонов. Масса такой батареи в несколько раз (до 10) превышает массу бака с бензином, что вызывает необходимость снижения грузоподъемности и, следовательно, производительности автомобиля

Таблица 4.

Таблица 5.

Следует также учитывать значительный объем баллонов, что вызы­вает особые затруднения при переводе на газ седельных тягачей и самосвалов.

Несмотря на имеющиеся проблемы, уже сейчас при исполь­зовании обычных баллонов из углеродистой стали и двигателей, лишь частично приспособленных к работе на газе (с учетом сохранения возможности работы на бензине), применение таких газобаллонных автомобилей во многих случаях является эффективным

2. ПРИМЕНЕНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ КОНВЕРСИИ.

Конверсия моторного топлива заключается в изменении его химического состава с целью улучшения кинетических характери­стик топливной смеси. При полной конверсии топлива образуется синтез-газ, содержащий значительное количество водорода. В-отличие от этого, продукты частичной конверсии- представляют собой многокомпонентную двухфазную смесь, включающую водородсодержащий синтез-газ и жидкое топливо. Практический ин­терес представляет частичная конверсия, превосходящая полную по энергетическим и технико-экономическим показателям.

Конверсия жидкого углеводородного сырья представляет со­бой сложный физико-химический процесс, отличающийся гетеро­генностью и многостадийностью. Конечная эффективность кон­версии определится энергозатратами и степенью выхода водорода. Многочисленные процессы конверсии углеводородов, извест­ные в настоящее время, сводятся к двум основным типам: тер­мической или кислородной конверсии и конверсии с водяным па­ром (паровой).

Термокаталитическая кон версия может быть использо­вана для улучшения антидето­национных качеств топлива. В этом случае в процессе изби­рательной конверсии некоторые фракции топлива конвер­тируются в легкие углеводородные газы. Наряду с бензинами конверсии могут подвергаться керосины, дизтоплива и др., что позволяет придать двигателю свойства многотопливности. В подобном двига-

Рис. 60. Автомобильный генератор паро-воздушной конверсии

теле (рис.59.) низкооктановое топливо из бака насосом пода­ется в реактор, заполненный катализатором селективной- кон­версии, выполненным в виде гранул или пористого блока. Для нормальной работы катализатора необходим его подогрев, что осуществляется с помощью ОГ. После реакций на катали­заторе топливо охлаждается в водяном холодильнике, откуда поступает в смеситель и далее в составе топливовоздушной смеси подается через впускной патрубок в двигатель. С течением времени активность катализатора падает, в связи с чем для ее восстановления применяется периодическая воздушная_; продувка реактора. Применение описанного генератора с ката­лизатором на основе цеолита при температурах процесса кон­версии 482—510°С позволяет повысить октановое число исход­ного топлива от 77 до 92, т. е. на 15 единиц. Для запуска ге­нератора могут быть использованы ОГ, обеспечиваемые пус­ковой дозой топлива, либо, что более целесообразно, электро­подогрев катализатора.

Рис. 61. Схема метанатора

Метнаторы. Газогенераторы данного типа преобразуют жид­кое углеводородное топливо в синтез-газ, содержащий значи­тельное количество метана. Метанизация топлива позволяет по­высить его ОЧ и одновременно улучшить состав ОГ.

Схема двигательной установки с метанатором показана на рис.61. Вода и топливо из баков 1 и 2 насосом 10 подаются . в первичный теплообменник 9, откуда после предварительного подогрева поступают в основной теплообменник 4, где жидкий компонент полностью газифицируется. Образовавшаяся парога­зовая смесь попадает в камеру каталитического реактора 3, где конвертируется в метансодержащий синтез-газ. Продукты кон­версии поступают в первичный теплообменник для подогрева свежей смеси, после чего разделяются в сепараторе 8. Присутствую­щая вода конденсируется, отделяется и направляется в бак 1, а остальная часть газа, включая метан, поступает в ресивер 7, откуда посредством редуктора 5 подается в двигатель 6. Конечная газификация рабочей смеси и подогрев катализатора осущёствляются ОГ двигателя, которые подаются во вторичный теплообменник и рубашку реактора. Поэтому пуск холодного двигав теля происходит на неконвертированном топливе, что является определенным недостатком схемы.

Рабочий процесс метанатора осуществляется при темпера­турах 280—500° С и давлениях 0,1—0,4 МПа. Состав синтез-газа зависит от температуры, давления, времени реакции, соотноше­ния компонентов в ее зоне и наряду с СН₄ может включать СО, СО₂, а также незначительное количество Н₂. Использование гра­нулированного никелевого катализатора, пропитанного бикарбо-

Рис. 62. Принципиальная схема рециркуляционного метанатора

натом натрия, обеспечивает непрерывную работу метанатора на бензине в течение примерно 200 ч.

В рециркуляционном метанаторе (рис. 62) вместо воды ис­пользуются О Г двигателя, что позволяет упростить схему. Жидкое топливо посредством насоса 9 подается в испаритель 8, после чего перемешивается в смесителе 7 с небольшим количест­вом воздуха и ОГ двигателя. Далее рабочая смесь проходит в каталитические блоки 3 реактора /, где протекает процесс кон­версии до метана. Для улучшения распределения смеси по сече­нию реактора на его входе установлена турбулизирующая решет­ка 6. Образующееся газообразное топливо, обогащенное метаном, совместно с воздухом, подаваемым во вторичный смеситель 5, поступает в двигатель 4. Выхлопные газы двигателя направля­ются в рубашку реактора 2 для подогрева катализатора, после: чего их большая часть используется в испарителе 7 для газифи­кации топлива и затем выбрасывается в атмосферу. Остальная часть ОГ поступает в смесительную камеру и далее в реактор в качестве активного компонента рабочей смеси. В эксперимен­тальном метанаторе данного типа с камерой реактора 80*80 *250 мм из простого прямогонного бензина с октановым числом 40 получено газообразное топливо с

Эффективность применения конверсионных генераторов опре­деляется типом процесса, степенью конверсии топлива и схемой ее организации. Общие преимущества всех вариантов конверсии автомобильного топлива те же, что и в случае применения горю­чих газов, т. е. улучшение качества смесеобразования, уменьше­ние количества вредных веществ в ОГ на всех режимах работы двигателя и др. Наряду с этим конверсия топлива в водородосодержащий газ позволяет осуществить работу ДВС на переобеднеиных топливных смесях вплоть до , что дает возмож­ность значительно улучшить экономические и токсические показатели автомобилей, особенно при работе в городских условиях. В случае конверсии до метана улучшаются антидетонационные качества исходного топлива, что позволяет придать двигателю свойство многотопливности или улучшить его экономические по­казатели путем повышения степени сжатия. В зависимости от степени конверсии возможно два основных варианта организа­ции рабочего процесса ДВС: на продуктах полной конверсии топ­лива; па исходном топливе с добавкой синтез-газа, являющегося продуктом частичной конверсии. Первый вариант находит при­менение в случае метанирования топлива, второй — при его кон­версии до водородосодержащего газа. Наибольший практический интерес представляет вариант питания ДВС продуктами частич­ной конверсии топлива, характеризующийся высокими технико-экономическими показателями. В этом случае в газогенераторе конвертируется от 5 до 20% исходного топлива. Структурная схема смешанного газожидкостного питания автомобильного дви­гателя продуктами частичной конверсии приведена на рис. 31. Подача компонентов топлива в камеру сгорания осущест­вляется совместно с воздухом через впускной патрубок. Воздух и топливо поступают в подсистему генератора под некоторым из­быточным давлением с целью обеспечения устойчивости процес­са конверсии. Для улучшения теплоиспользования в генераторе предусмотрен теплообмен продуктов газификации с поступающи­ми в реактор свежими компонентами. Для обеспечения удовлет­ворительного наполнения двигателя имеется блок охлаждения синтез-газа.

В типовом варианте конструктивного совмещения термокаталитического генератора с двигателем карбюратор двигателя включает две камеры, одна из которых обеспечивает дозирование основной топливовоздушной смеси для ДВС, а вторая подает переобогащенную смесь в генератор. Подача смеси через обе ка­меры регулируется дроссельными заслонками из кабины авто­мобиля. Продукты конверсии поступают из генератора непосред­ственно на. впускной клапан двигателя.

Рис. 63. Структурная схема питания ДВС продуктами частичной конверсии топлива

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ ТОПЛИВ В ДВС.

Основной концепцией долгосрочного энергообеспечения авто транспорта является переход на синтетические энергоносители, производимые на базе НЭР и продуктов с достаточными ресур­сами. Среди множества синтезированных веществ только некоторые спирты, водород и аммиак удовлетворяют этим требованиям' и одновременно характеризуются достаточной термодинамической и эксплуатационной совместимостью с автомобильными дви­гателями. Возможность использования этих продуктов в ДВС ис­следовалась еще в начале нашего века, однако лишь современ­ный технологический уровень создал реальные предпосылки для их массового применения в качестве синтетического топлива для автомобиля.

Среди многочисленных спиртов наибольший интерес в качестве топлива для ДВС представляют метиловый и этиловый спир­ты. Эти продукты могут использоваться как в чистом виде, так и в составе многокомпонентных смесей с бензинами и водой.

/Рассматриваемые спирты, имеют среднюю плотность и низкую вязкость, они отличаются хорошими низкотемпературными свойствами. Низкая температура кипения спиртов обусловливает их высокую испаряемостью: скорость испарения метанола и этанола по отношению к бензинам выше соответственно в 1,8 и 2,4 раза.

На свойства спиртов оказывает большое влияние вода. Помимо специальных добавок, присутствие воды обусловливается гроскопичностью спиртов. В последнем случае концентрация воды повышается с увеличением температуры и относительной и повышения влажности воздуха. Разбавление спиртовых топлив водой ведет к повышению плотности, температуры кипения, теплоемкости и теплопроводности. Вода способствует также значительному повышению температур температуры кристаллизации спиртов.

Коррозионная активность рассматриваемых спиртов доволь­но высока и усиливается их гигроскопичностью. Метанол активно реагирует со свинцом, что может привести к разрушению слоя свинцово-оловянной полуды в бензобаке и забиванию фильтров и жиклеров топливной системы образующимися соединениями. Под действием метанола быстро коррозируют такие конструкционные материалы, как сталь, алюминий, магний и сплавы на их основе. Длительный контакт с метанолом вызывает набухание и разрушение ряда эластомеров, применяемых в качестве прокладочных материалов. Этиловый спирт также реагирует со свинцом и магнием, однако алюминий под его действием коррозирует медленно.

Токсикологические свойства спиртов хорошо известны. В то время как токсичность этанола низка, метанол является нервнососудистым ядом, обладающим способностью накапливаться в организме. Поэтому при работе с метанолом необходимо строгое соблюдение правил и инструкций техники безопасности. Предель­но допустимые концентрации алифатических спиртов в воздухе рабочей зоны (ПДКр.з), максимальная разовая (ПДКм.р) и среднесуточная (ПДКс.с) :

ПДК ПДКр.з ПДКм.р ПДКс.с

Этанол, мг/м³ 1000 5 5

Метанол, мг/л³ 5 1 0,5

Важной особенностью спиртовых топлив является высокая антидетонационная стойкость. По данным различных авторов ОЧ метанола по исследовательскому методу оценивается в 104- 115 ед., по моторному — от 87,0 до 94,6 ед. . Для этанола ОЧИ составляет около 106 ед. Добавка воды ведет к возрастанию ОЧ спиртов, которое для метанола изменяется сле­дующим образом :

Топливо....... СН₃ОН СН₃ОН+5%Н₂О СН₃ОН + 10%Н₂О

ОЧИ......... 109,6 110 114

ОЧМ......... 87,4 89,5 92,8

Высокое значение теплоты испарения метанола способствует улучшению наполнения двигателя. Кромё того, при работе на метаноле выше эффективный КПД благодаря меньшему теплоотводу в цилиндрах, более низкой температуре ОГ большей полноте сгорания топливной смеси. Эти факторы в совокупности позволяют не только компенсировать несколько пониженную теплопроизводительность метаноло-воздушных смесей, но и дополнительно увеличить мощность метанольного двигателя на 10— 15% по сравнению с бензиновым. Дальнейшее повышение мощно­сти может быть получено увеличением степени сжатия до 12—14, что возможно благодаря высоким антидетационным качествам метанола .

Низкая упругость паров и высокая теплота испарения метанола обуславливает трудность пуска двигателя даже при повышенных температурах окружающей среды. Для решения этой серьезной проблемы используются такие мероприятия, как добавка к метанолу 5—10% растворимых в нем низкокипящих углеводородных фракций, применение дополнительной системой с пусковым топливом, подогрев впускного коллектора или непосредственно топливной смеси, установка карбюраторов с электроподогревом, частичная рециркуляция горячих ОГ и др. В качестве пусковых добавок находят применение сжиженные газы бутана, изопентан и диметиловый эфир в количестве от 5 до 20% автомобилях с электронной системой впрыска топлива для запуска двигателя применяется небольшой бензобак, соединенный с элсктроклапаном «холодного пуска». Положительный эффект дает организация интенсивной турбулизации топливной смеси. Спирты характеризуются более высокой активностью при горении сравнению с углеводородами. Благодаря этому горение в двигателе протекает устойчивее, а предел воспламенения смещен в более бедную область. Например, при использовании метанола пропуски зажигания отмечаются при время как при работе на бензине они соответствуют

Расширение диапазона устойчивого сгорания метанола области бедных смесей, в большинстве случаев соответст­вующей а =1,44-1,45, дает дополнительный выигрыш в улучшении топливной экономичности и снижении токсичности ОГ.

Спиртовые топлива целесообразно использовать главным образом в двигателях с принудительным воспламенением, так какч, организовать работу дизеля в этом случае затруднительно из-за низких значений цетановых чисел спиртов. Применение спиртов как основного топлива взамен бензинов возможно в следующих основных вариантах: в чистом виде; в виде водно-спиртовых смесей; с конверсией в газообразное топливо.

Чистые спирты. С точки зрения сырьевой базы, получения и стоимости наиболее приемлемым моторным топливом среди спиртов служит метанол. Кроме того, в отдельных случаях целе­сообразно также применение этанола. Теплота сгорания данных

Рис. 64,. Изменение эффективного КПД двигателя «Фольксваген-1600»:

1 — при работе на метаноле, 8=14; 2— то же, 8 = 9,7; Я — при работе на бензине, 8 = 9,7; А — граница устойчивой' работы

спиртов по массе и объему примерно наполовину ниже, чем бензинов.

Поэтому для сохранения энерговооруженности автомобиле требуется увеличение объема бака и расхода топлива в ере' нем вдвое, что и является основным недостатком синтетически спиртов как автомобильного топлива.

С энергетической точки зрения преимущества спиртов заключаются главным образом в высоком КПД рабочего процесса высокой антидетонационной стойкости. Величина КПД спиртового двигателя выше бензинового во всем диапазоне рабочей смесей (рис. 64), благодаря чему удельный расход энергии на единицу мощности (рис. 65) снижается . Использование метанола в четырехцилиндровом двигателе «Фольксваген-1600: совместно с повышением степени сжатия до 14,0 позволила увеличить максимальное значение эффективного КПД от 31 до37% . Эти факторы, а также высокий коэффициент наполнения позволяют существенно увеличить мощность спиртового двигателя. Например, при работе на метаноле повышение степени сжатия полноразмерного восьмицилиндрового двигателе Мерседес-Бенц (Mercedes-Benz) с 8,9 до 11 приводит к увеличению максимальной мощности на15% . Одновременно несколько возрастает среднеэффективное давление пропорциональное крутящиму моменту Ре, что является существенным преимуществом автомобильного двигателя Таким образом, метанол служит хорошим топливом для двигателей с принудительным вменением, где может использоваться при высоких степень сжатия, благодаря чему обеспечиваются значения КПД двигателя, близкие к величине КПД дизеля.

Рис: 65. Изменение топливной эконо­мичности автомобиля при работе:

/ — на метаноле;

2 — на бензине

Низкая энергоемкость спир­тов ведет к увеличению удель­ного расхода топлива, в част­ности для метанола примерно вдвое (рис. 65). Например, при дорожных испытаниях лег­кового автомобиля «Шевроле» выпуска 1972 г. с двигателем рабочим объемом 5,7 л и расход метанола в режи­ме а = 1,2 изменялся от 21,8 л при скорости 48 км/ч до 31,4 л при 112 км/ч . Данные по энергетической и топливной экономичности этого при скорости движения 80 км/ч и а = 0,99:

Топливо.......... бензин метанол

Экономичность, л/100 км 13,66 26,74

МДж/км 3,61 3,45

В отличие от таких синтетических топлив, как водород и ам­миак, использование спиртов требует сравнительно небольшой модификации автомобиля. Основные мероприятия сводятся к увеличению объема топливных баков (в случае необходимости; сохранения беззаправочного пробега), увеличению проходных; усечений жиклеров карбюратора и установке устройства, обеспе­чивающего стабильный запуск двигателя в диапазоне темпера­тур, достаточном для эксплуатации автомобиля в любое время года. Кроме того, потребуется замена некоторых цветных спла­вов и прокладочных материалов, в частности, облицовка пласт­массой метанольного бака, Технико-экономические показатели метанольного топлива с учетом затрат на доработку автомобиля приведены в табл. 6.

Основной проблемой эксплуатации метанольного топлива яв­ляется его ядовитость, однако роль этого фактора пока еще изучена слабо. По-видимому, из-за высокой летучести метанола потребуется более тщательная герметизация топливоподающей: системы автомобиля и соблюдения соответствующих мероприятий техники безопасности

Таблица 6. Технико-экономические показатели топлив (применительно к автомобилю

«Фольксваген»)

В то же время предельно допустимая концентрация паров метанола в воздухе рабочей зоны составляемая 5 мг/м³, что значительно в выше по сравнению с такими известным антидетонаторами, как ТЭС (0,005), ТМС (0,075), ЦТМ (0,1).

Аммиак

Перспективность аммиака как автомобильного топлива обу­словливается его доступностью, относительно низкой стоимостью И практически неограниченной сырьевой базой. При полном сгорании аммиака образуется только один вредный компонент NOх, причем и его содержание незначительно вследствие низкой температуры горения аммиачно-воздушных смесей.

Уже сейчас аммиак производится в широких масштабах химической промышленностью из водорода и азота воздуха. В будущем аммиак может использоваться в качестве вторичного энергоносителя, позволяющего осуществить конвертаци водорода в некриогенную и более безопасную форму.

Аммиак обладает щелочными свойствами, вследствие чего большинство цветных металлов (медь, бронза, латунь и другие сплавы) подвергаются значительной коррозии при его действии. Относительно стойки сталь, чугун, алюминий, монель-металл, ни­кель, титан. Углеродистая сталь практически не корродирует при контакте со сжиженным аммиаком, поэтому из нее изготавлива­ют трубопроводы и резервуары для перекачивания и хранения аммиака. Длительные испытания на двигателе- GFR показали, что при работе на аммиаке повышенный износ наблюдается толь­ко у деталей, изготовленных из цветных металлов, в особенности меди и ее сплавов. Из прокладочных материалов стойкими к ам­миаку являются фторопласты и некоторые сорта резины. Боль­шинство нефтяных и синтетических масел почти не изменяют свои свойства при контакте с аммиаком. При этом отмечаются лишь незначительные колебания вязкости и некоторое снижение эффёктивности антиокислительных присадок,.

Сжиженный аммиак характеризуется умеренными энергетическими показателями: его теплота сгорания с учетом диссоциации (Р_и = 7,84 МПа) составляет 17,13 МДж/кг или 11.64*10³МДж/м³. Таким образом, массовая энергоемкость аммиака по отношению к бензину, метанолу и водороду ниже соответст­венно примерно в 2,5, 1,1 и 7 раз. Однако если по энергоплотно­сти он уступает бензину и метанолу (примерно в 3 и 1,3 раза), то благодаря относительно высокой плотности превосходит по этому показателю жидкий водород. Аммиак характеризуется экс­тремальной антидетонационной стойкостью: его октановое число по моторному методу составляет примерно 111 ед., по исследовательскому — около 130 ед. .

Содержание аммиака в воздухе рабочих помещений и насе-i ленных мест ограничивается следующими концентрациями: ПДК_Р.з = 20; ПДКм._Р = 0,2; ПДК_с.с = 0,2 мг/м³ .Таким образом предельно допустимые концентрации паров аммиака в воздухе рабочей зоны в 4 раза выше по сравнению с метанолом. Действие аммиака прежде всего сказывается па слизистых оболочках рта, носа, дыхательных путей, вызывая их раздражение и кашель. Однако опасность аммиака в значительной степени снижается его резким специфическим запахом, благодаря которому аммиак обнаруживается уже при концентрациях паров 5*10'² мг/м³.

Транспортирование и хранение аммиака осуществляется в стальных баллонах под давлением до 0,6 МПа. В некоторых слу­чаях жидкий аммиак транспортируют и хранят в танках с ,тепло­изоляцией, используя для этого сухой лед или переохлаждение массы. .

Особенности применение в двигателе.

Условия в камерах сгорания современных дизелей и двигателей с принудительным воспламенением недостаточны для обеспечения устойчивого рабочего процесса на аммиачном топливе. Это связано с высокими температурами воспламенения аммиачно-воздушных смесей и их вялым горением. Последнее обусловлено низкой температурой пламени аммиака (1955 К по сравне­нию с 2336 К Для бензина при а=1 с учетом диссоциации), в связи с чем самоускорение реакций горения замедляется.

Для успешного использования чистого аммиака в качестве топлива ДВС необходимо как минимум существенное повышение энергетического уровня зажигания.

Поэтому в двигателях с принудительным воспламенением сгора­ние аммиака обеспечивается лишь при наличии высокотемпера­турной свечи с широким искровым промежутком и достаточно мощной катушкой зажигания. В двигателях с воспламенением от сжатия это может быть достигнуто посредством увеличения сте­пени сжатия до 35 при одновременном повышении температуры во впускном коллекторе и системе охлаждения двигателя до 150° С,

Добавка высокоактивных газов (водорода, ацетилена и др.) также способствует улучшению сгорания аммиака. В этом случае активирующий газ, например водород, впрыскивается во впускной трубопровод двигателя, так как его совместная подача с аммиаком приводит к возникновению интенсивных «стуков» в ка­мере сгорания. Добавка 6—10% водорода обеспечивает устой­чивое сгорание аммиака, начиная со степеней сжатия примерно 21 и температурах на впуске 65° С, однако наилучшие показатели двигателя получаются при 8 = 26. Максимальное давление и жесткость работы двигателя в этом случае еще довольно высоки (рис. 66, б). По сравнению с водородом более эффективны до­бавки к аммиаку ацетилена в количестве 15—20%, позволяющие ', организовать устойчивое сгорание NH4 при снижении степени-сжатия до 16(рис. 58, в).

Помимо химических добавок интенсификация горения аммиака определенной степени может быть достигнута соответствую­щем модификацией камеры сгорания двигателя, обеспечи­вающей усиление теплоподвода в реакционную зону. Например, для этой цели предложено использовать сфери­ческую камеру сгорания, снаб­женную свечой зажигания с удлиненными электродами (ряс.67). Основная идея мо­дификации заключается в со­кращении пути фронта пламени от области воспламенения »стенкам камеры сгорания. При искровом промежутке свечи порядка 0,2—0,3 мм и ис-

Рис. 67. Модифицированная камера сгорания для аммиачного топлива:

/ — клапан; 2— свеча зажигания; 3 — поршень

пользовании в системе зажигания магнето получено устойчивое сгорание аммиака при степени сжатия 12—16. Однако вследст­вие большой продолжительности сгорания аммиачных смесей модифицированный двигатель имеет ограничения по оборотам (не более 3000 мин~^!). При добавке к аммиаку небольшого ко­личества водорода (примерно 1,5%) скоростной режим двигателя значительно расширяется.

Согласно термодинамическим расчетам продукты сгорания NH₃ содержат единственный токсичный компонент — NO_X коли­чество которого по отношению к другим топливам минимально благодаря низким температурам горения аммиачно-воздушных смесей.

Работа двигателя на водородном топливе.

Особенности рабочего процесса. По физико-химическим свойствам моторным качествам водород сильно отличается от при­меняемых в настоящее время топлив, что ведет к ряду особенно­стей в организации и протекании рабочего процесса ДВС.

С воздухом водород устойчиво воспламеняется в широком диапазоне концентраций — вплоть до а=10. Столь низкий пре­дел воспламенения обеспечивает работу водородного двигателя на всех скоростных режимах в широком диапазоне изменения со­ставов смеси: примерно от а = 0,2 до а=5. В связи с этим мощ­ность водородного двигателя может изменяться качественным регулированием, при котором его КПД на частичных нагрузках увеличивается на 25—50%.

Однако, если максимальное значение эффективного КПД дви­гателя при работе на водороде выше, чем при работе на бензине, то эффективная мощность заметно падает. Последнее обу­словлено очень низкой плотностью водорода, что приводит к уменьшению наполнения двигателя топливом. Например при стехиометрическом составе смеси газообразный водород, под­даваемый вместе с воздухом, занимает почти 30% объема цилин­дра, тогда как распыленный и испаренный бензиновый заряд только 2—4%. В целом перевод на водород вызывает снижение мощности двигателя в среднем на 20—25%. Наряду с этим при­менение водорода ведет к существенному увеличению эмиссии окислов азота с ОГ, основной причиной которого является повы­шение температуры и скорости сгорания .

Температура воспламенения водородных смесей выше, чем углеводородных, однако благодаря более низким значениям энер­гии активации для воспламенения водорода требуется меньшее количество энергии,

Высокая"реакционная способность водорода в ряде случаев приводит к обратным проскокам пламени во впускной трубопро­вод, преждевременному воспламенению и жесткому сгоранию топливных смесей. В значительной степени эти недостатки могут быть ликвидированы путем соответствующей модификации топливоподающей системы двигателя. В настоящее время для пода­чи водорода в ДВС применяются следующие способы:

-впрыск во впускной трубопровод;

-использование модифицированного карбюратора, применяе­мого в системах питания пропанобутановыми и природными газами;

-индивидуальное дозирование водорода в область впускного клапана каждого цилиндра;

-непосредственный впрыск под высоким давлением в камеру сгорания;

Первые два способа обеспечивают устойчивую работу двига­теля лишь совместно с такими мероприятиями как частичная ре­циркуляция ОГ, присадка воды к топливному заряду, а также добавка к нему бензина. Частичная рециркуляция ОГ за счет разбавления заряда инертными компонентами предотвращает обратные вспышки и смягчает сгорание при работе двигателя на стехиометрических и богатых смесях. В то же время благодаря снижению максимальных цикловых температур эмиссия гNО_x ОГ уменьшается. Количество рециркулируемых газов, как пра­вило, не превышает 10—20% от поступающего в двигатель топ­ливного заряда, однако любая степень рециркуляции ведет к до­полнительным потерям наполнения цилиндра. В отличие от ре­циркуляции ОГ добавление воды или бензина (обычно впрыском во впускной трубопровод) не приводит к ухудшению наполнения двигателя.

Использование водорода в дизельных двигателях затрудняет­ся его высокой температурой самовоспламенения. Поэтому для организации устойчивого воспламенения водорода дизели кон­вертируются в двигатели с принудительным зажиганием от све­чи или запальной дозы жидкого топлива. При этом водород мо­жет подаваться как совместно с воздухом, так и путем непосред­ственного впрыска в цилиндры. Однако устойчивая работа дизеля на водороде обеспечивается только в узком диапазоне топлив­ных смесей, ограниченном пропусками воспламенения и детона­цией. В случае газожидкостного процесса граница детонации (рис. 68) определяется составом смеси и ее температурой. Повышение дозы запального топлива улучшает антидетонацион­ную стойкость смеси и в то же время расширяет границы воспламеняемость.

Рис. 68. Границы устойчивой работы дизельного двигателя на водороде:

/ — детонация; 2 — воспламенение

Контрольные вопросы:

1. Какие топлива можно рассматривать в классе альтернативных?

Вам также может быть полезна лекция "11 Время отдыха".

2. В чем сущность мероприятий обеспечивающих перевод ПД на газовое топливо?

3. В чем сущность конверсии моторного топлива?

4. В чем особенности спиртовых топлив?

5. В чем сущность мероприятий обеспечивающих перевод ПД на спиртовое топливо?

6. Каково соотношение между энергоемкостями аммиака, бензина, метанола, водорода?

7. В чем основная особенность рабочего процесса ПД при использовании водорода?