Альтернативные виды топлива. Перспективы развития

  Министерство  образования Российской Федерации

  Пермский  государственный технический университет

  Кафедра «Автомобили и автомобильное  хозяйство»  
 
 
 

  РЕФЕРАТ

  по  курсу: экология автомобильного транспорта 

  Тема: Альтернативные виды топлива. Перспективы  развития. 
 
 
 
 
 

  Выполнил  студент гр. А 02 – 1                                     Белоглазов А.В.

  Проверил                                                                Коновалов И. А. 
 
 
 
 
 
 
 

  Пермь 2006

  Содержание 

  1. Постановка проблемы 3

  2. Виды и специфика применяемых топлив 5

  3.  Альтернативные топлива 8

  4.  Прогнозы, ожидания 19

  5. Библиографический  список 20 

   Постановка  проблемы 

  Основным  источником загрязнения атмосферы  в России являются транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания. Согласно данным Минздрава РФ на долю автотранспорта в ряде регионов России приходится 70-87% от общего объёма выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Главной причиной низкого уровня продолжительности жизни в России является отвратительный воздух и «отвратителем» его в последнее время считается не заводы, а автотранспорт. Один автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы в среднем более 4 т кислорода, выбрасывая при этом с отработанными газами 800 кг угарного газа, 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных углеродов. В результате по России от автотранспорта за год в атмосферу поступает: 27 тыс. т бензола, 17,5 тыс. т формальдегида, 1,5т бенз(а)пирена и 5 тыс. т свинца. Общее количество вредных веществ, ежегодно выбрасываемых автомобилями, превышает 20 млн. т. Необходимо отметить, что относительно наносимого экологического ущерба автотранспорт лидирует во всех видах негативного воздействия: загрязнение воздуха - 95%, шум - 49,5%, воздействие на климат - 68%. По данным Минтранса в России ежегодный ущерб от негативного воздействия на окружающую среду в результате эксплуатации автотранспорта составляет 45 млрд. дол. Существует федеральная целевая программа «Модернизация транспортной системы России (2002-2010гг.)» с подпрограммой «Автотранспортная экология России», предусматривающая ужесточение экологических норм при производстве и эксплуатации автомобильного транспорта в России. Бесспорно, что для решения проблемы автотранспортной экологии необходимы новые технологии и разработки, направленные на повышение уровня технического состояния автомобилей. На российском рынке представлены эффективные технологии, повышающие экологичность и экономичность автотранспорта. Однако не работает «звено», которое должно качественно доводить информацию до автотранспортных предприятий, налаживать обратную связь и обмен информацией с предприятиями автотранспортного комплекса, пытаться совместно внедрить ту или иную инновацию. Удручает то, что экология год от года ухудшается, а конкретные меры по её улучшению отвергаются. С середины 90-х годов автотранспортные предприятия не заинтересованы в улучшении автотранспортной экологии, они предпочитают вкладывать деньги в жилищное строительство или на покупку европейских автомобилей.

  Одним из путей экологизации автомобильного транспорта является перевод его на альтернативные виды топлива. Под собирательным термином «альтернативные топлива» понимаются, в принципе, все вещества, способные гореть, которые с большим или меньшим успехом могут быть использованы вместо классических топлив из нефти и углей в двигателях внутреннего сгорания или в энергетических установках. Первоначально основным назначением альтернативных топлив считалась замена ими топлив из традиционного нефтяного сырья, ресурсы которого ограничены.

  Об  исчерпаемости запасов нефти  и необходимости перехода на другие виды топлива ученые задумывались уже давно. Нефтяное изобилие действовало расслабляющим образом, и к альтернативным топливам обращались только в крайнем случае, главным образом, те страны, которые были обделены нефтяными ресурсами. Наиболее перспективными для применения в двигателях внутреннего сгорания были признаны продукты ожижения углей, горючие газы и жидкие продукты их переработки, спирты, а также растительные масла. Особое  место в этом перечне заслуживает водород как наиболее энергоемкий и экологически чистый носитель энергии.

  Использование ненефтяного сырья не только расширяет ресурсы топлив, но часто позволяет улучшить их экологические характеристики. Сегодня проблема экологичности топлива приобрела самостоятельное значение в связи с ужесточением экологических требований, предъявляемых как к самим топливам, так и к продуктам их сгорания. Эти требования указаны в ряде международных документов, на которые ориентируется и Россия. В нашей стране введены в действие ГОСТ Р.51866 на автомобильные бензины и ТУ 38.401-58-296-2001 на дизельные топлива, которые соответствуют европейским нормалям EN-228 и EN-590. Будучи членом Женевского соглашения, Россия с 1999 г. применяет правила ЕЭК ООН при сертификации транспортных средств. В табл. 1 и 2 приведены экологические нормы, которым должны удовлетворять современные автомобильные топлива. Что касается продуктов сгорания, то на них также вводятся нормы (табл. 3), выполнение которых достигается как совершенствованием конструкции автомобилей, так и улучшением состава топлив.

  Нормы токсичности выхлопов автомобилей  для развитых европейских стран

  Виды  и специфика применяемых  топлив 

  Основные  экологические требования к топливам сводятся к следующему:

• отказ от соединений свинца при производстве автомобильных бензинов;
• строгое ограничение содержания бензола в автомобильных бензинах;
• ограничение содержания ароматических углеводородов,   особенно   полициклических, в  бензинах  и дизельных топливах;
• ограничение содержания олефиновых углеводородов в автомобильных бензинах;
• ограничение содержания серы в бензинах и дизельных топливах вплоть до тысячных долей процента;
• постепенное   ограничение   эмиссии   продуктов неполного сгорания: монооксида углерода, углеводородов, твердых частиц и оксидов азота.

  Для того чтобы выяснить, какой вклад  в решение всех этих проблем может внести применение альтернативных топлив, дадим их физико-химическую и эксплуатационную характеристику в сравнении с традиционными топливами (табл. 4). Представление о взаимосвязи токсичности продуктов сгорания и параметров работы двигателя, помимо анализа данных, представленных в табл. 4, дают следующие основные закономерности, справедливые при стехиометрическом составе топливной смеси:

• эмиссия СО и углеводородов возрастает с увеличением соотношения С/Н в топливе и уменьшается с повышением температуры сгорания топливной смеси;
• эмиссия оксидов азота NO_X увеличивается с повышением температуры сгорания топливной смеси;
• мощность двигателя и его экономичность увеличиваются   с повышением   теплопроизводительности топливной смеси;
• расход топлива и, соответственно, пробег автомобиля при одной и той же топливной заправке увеличивается с уменьшением теплоты сгорания топлива;
• эмиссия СО₂ снижается с уменьшением соотношения С/Н и со снижением расхода топлива, т.е. с повышением экономичности двигателя.

  Кроме того, надо учитывать различную способность топлива к образованию отложений и нагаров на деталях топливной аппаратуры и камеры сгорания. Отложения нарушают нормальный режим горения и приводят к снижению экономичности работы двигателя и увеличению токсичных выбросов продуктов неполного сгорания. Наиболее сильное влияние оказывают ароматические и олефиновые углеводороды, а кислородсодержащие соединения, напротив, способствуют снижению отложений и нагаров.

  Таким образом, при использовании спиртов  и газообразного топлива снижаются выбросы углеводородов, СО и оксидов азота, а водород в качестве топлива устраняет опасность образования СО и углеводородов, но в этом случае увеличивается эмиссия NO_X. Что касается расхода топлива, то при использовании спиртов он возрастает примерно вдвое, а при использовании газообразного топлива и водорода снижается. Мощностные параметры двигателя, напротив, в случае спиртов несколько возрастают, а при работе на газообразном топливе и водороде уменьшаются. Объяснение последнему следует искать в особенностях стехиометрического состава горючей смеси.

  Конечно, приведенная оценка эффективности  альтернативных топлив, в том числе их экологичности, весьма ориентировочная и требует корректировки с учетом двух обстоятельств.

  Во-первых, эффективность применения того или иного вида топлива справедливо оценивать по «полному жизненному циклу», т.е. с учетом их производства, транспортировки и т.д. Такой анализ имеется пока лишь для некоторых случаев, но необходим, поскольку дает наиболее объективную картину. Оказывается, что водород по этому показателю — не самое лучшее топливо, а наиболее предпочтительны виды топлива из возобновляемого растительного сырья.

  Во-вторых, следует принять во внимание то обстоятельство, что конструкторы двигателей стремятся наиболее полно использовать достоинства топлив и какими-либо техническими решениями компенсировать их недостатки. В свете такого подхода требуется более детально рассмотреть каждый вид топлива. Проблема адаптации новых топлив к существующим двигателям осложняется тем, что технический парк разрабатывался в расчете на жидкие нефтяные топлива, с ориентировкой на них и конструировались двигатели, создавалась инфраструктура, разрабатывались соответствующие теоретические положения, накапливался определенный практический опыт. Поэтому сегодня приходится идти на компромисс между требованиями к топливу, определяемыми существующими двигателями, и возможностями топлив особой природы. Заметим, что эта точка зрения не относится к продуктам ожижения углей (искусственное жидкое топливо), поскольку традиционными процессами нефтепереработки они могут быть превращены в топлива, полностью соответствующие нефтяным аналогам. Однако в случае использования других топлив, не похожих на традиционные углеводородные, возникают определенные требования, для соблюдения которых двигатель должен пройти небольшую модификацию, либо альтернативные топлива вводятся в стандартные топлива в количествах, не изменяющих их эксплуатационные свойства.

   Альтернативные топлива

  Газообразное  топливо — единственный вид альтернативного топлива, для которого в России решены технические и экологические проблемы использования. Основная трудность перехода автомобильного транспорта на газовое топливо заключается в необходимости создания соответствующей инфраструктуры: заводов, хранилищ, заправочных станций. Приходится учитывать и психологию потребителя, с предубеждением относящегося к непривычному газообразному топливу.

  Сжатый  природный газ, по составу представляющий собой преимущественно метан, может использоваться как моторное топливо после сравнительно несложной переделки двигателя и автомобиля, которая заключается в установке баллонов, рассчитанных на давление примерно 20 МПа, и внесении изменений в конструкцию системы топливоподачи. Благодаря высокому значению октанового числа, природный газ является отличным топливом для двигателей, работающих по циклу Отто. Использование природного газа в дизельных двигателях затрудняется из-за его сравнительно высокой температуры самовоспламенения и соответственно низкого цетанового числа. Чтобы преодолеть это затруднение, используют так называемую двухтопливную систему — небольшое количество дизельного топлива впрыскивается в камеру сгорания в качестве запального заряда, а затем подается сжатый природный газ.

  Вследствие  более низкого содержания углерода, чем в нефтяных топливах (75% в метане против 80— 90% в бензинах), при сгорании природного газа образуется меньше СО₂, например, по сравнению с бензинами — в 1,22 раза. По этой же причине, а также благодаря полному отсутствию в природном газе ароматических углеводородов в камере сгорания отлагается меньше нагара.

  Топливовоздушная смесь, приготовленная на основе природного газа, не содержит жидкой фазы, а, следовательно, равномернее распределяется по цилиндрам двигателя и не смывает с их поверхности смазку. Благодаря этому, как показали эксплуатационные испытания, моторесурс двигателя и срок службы свечей зажигания увеличивается на 30—40%, а срок службы масла — в 2—3 раза.

  В отличие от жидких топлив достаточно полное сгорание метана происходит при большем избытке воздуха, что способствует снижению эмиссии оксидов азота и продуктов неполного сгорания. В табл. 6 приведена сравнительная оценка удельных выбросов токсичных веществ, образующихся при работе двигателя легкового автомобиля общей массой 1,5 т при использовании различных видов топлива.