В публикации речь идет об альтернативных видах топлива для автотракторных двигателей. Необходимость их разработки и применения в двигателях внутреннего сгорания обусловлена быстрым уменьшением запасов нефти в земле и ухудшением экологической ситуации во многих странах Альтернативой обычному топливу сегодня является природный газ метан, сжиженный газ пропан-бутан, спирты (метанол и эталон) биотопливо, диметиловый эфир, а также водород.
ДИЗЕЛЬНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ
Альтернативные виды топлива для автотракторных двигателей
На замену топливу из нефти приходят альтернативные. Необходимость их разработки и применения в двигателях внутреннего сгорания автотракторной техники обусловлена быстрым уменьшением запасов нефти в Земле и ухудшением экологической ситуации во многих странах, в первую очередь развитых.
Запасы нефти в недрах Земли ограниченны, затраты на ее добывание и транспортирование постоянно возрастают и, при условии сохранения современных темпов роста добычи и потребления, разведанных запасов нефти хватит лишь на 40-50 лет.
Сегодня нефть есть практически единым источником производства моторного топлива, на получение которого тратится около 50 % (1,7 млрд. т из 3,5) нефти, которая добывается, поэтому практически во всех странах ведутся поиски заменителей нефтяных видов топлива.
Тракторы-загрязнители
Автотракторная техника, а особенно автомобильный транспорт, является одним из самых больших источников загрязнения окружающей среды в большинстве стран мира, — на его долю приходится от 50 до 60% в общем объеме выбросов, а в больших городах эта цифра достигает 80-90 % и больше.
Альтернатива — здоровье планеты
Общепризнанно, что применение альтернативного топлива снижает содержимое токсических веществ (углекислый газ — СО2, оксиды азота — NOx, углеводные — СnНm) в отработанных газах автотракторной техники. Однако среди специалистов нет единого мнения относительно степени снижения вредности.
Альтернативой обычному топливу сегодня является природный газ метан, сжиженный газ пропан-бутан, спирты (метанол и етанол), биотопливо, диметиловий эфир, а также водород.
Природный газ
Основным компонентом природного газа является метан (СН4). Использование природного газа как альтернативного топлива для двигателя внутреннего сгорания возможное по таким направлениям: сжатый (компримованный) природный газ (СПГ); сжиженный природный газ (СПГ); переработка природного газа в жидкие нефтепродукты (так называемая технология GTL — «gas to liquid» — газ в жидкость), которые могут быть использованы как моторное топливо или его компоненты.
Сегодня более чем в 50 странах мира активизировались работы по завмене нефтяного топлива на сжатый природный газ. Прежде всего это обусловлено тем, что он имеет высокое октановое число (110-115 единиц по результатам исследований, разрешает использовать его в двигателях со степенью сжатия 10-12. Содержимое токсических веществ в отработанных газах в 1,5-2 раза ниже против выхлопных газов бензиновых двигателей. Газ не имеет жидкой фазы в газовоздушной смеси, которая исключает смывание деревянного масла со стенок цилиндров, в результате ресурс работы двигателя увеличивается в 1,4-2 раза, а замена деревянного масла проводится в 2-2,5 раза реже. Метан характеризуется достаточно низким озонообразующим потенциалом и в силу своей химической инертности не берет участия в фотохимических реакциях образования смога.
Основной недостаток сжатого природного газа как моторного топлива состоит в меньшей теплоте сгорания, которое приводит к уменьшению пробега автомобиля на одной заправке приблизительно в 2 раза и снижение мощности двигателя на 9-14%. Однако это можно устранить с помощью повышения степени сжатия в камере сгорания или впрыскивая топливо непосредственно в камеру сгорания, или применяя турбонаддув.
За границей наметилась тенденция к использованию на автотракторной технике сжиженного природного газа. Особенность его использования состоит в том, что температура кипения такого газа — минус 162°С. А это создает определенные сложности при его получении и хранении. Но 20-ти летний опыт американской компании «Маск», которая выпускает автомобильные двигатели для этого вида топлива, показывает, что эти трудности можно преодолеть.
Технология СТL
Эта технология в данное время реализована только по схеме первоочередного получения синтеза-газа (смесь оксида углерода и водорода), на основе которого осуществляют синтез метанола и смеси углеводородов. Полученные из синтза-газа метанол и смесь углеводородов в дальнейшем перерабатываются в разное моторное топливо или его компоненты.
Сжиженный нефтяной газ
Основными компонентами сжиженного нефтяного газа (СНГ) являются пропан и бутан, содержимое которых зависит от марки топлива. По своими свойствам он приближается к бензину, что обусловило его эффективное использование в бензиновых двигателях.
Основным препятствием для увеличения объемов использования СНГ является необходимость создания сети заправок и высокие цены на газобалонное оборудование.
Спиртовое топливо
Среди низкомолекулярных спиртов в качестве моторного топлива нашли применение только метиловый и этиловый. Объясняется это значительными объемами их производства и высокими детонационными свойствами.
Однако, вследствие того, что их теплота сгорания почти вдвое ниже чем в углеводном топливе, применение такого топлива ограниченно. На непопулярность спиртов влияют и другие факторы. Низкое давление насыщенного пара и высокая теплота выпарывания затрудняет, а иногда и делает невозможным, пуск двигателя при низких температурах. Сами спирты имеют высокую коррозийную активность, которая усиливается в присутствии воды, так как они гигроскопические.
Поэтому значительно чаще эти спирты используются как добавки к углеводородным видам топлива. Такое смешивание топлива, с определенной участью условности, можно отнести к альтернативным.
Диметиловий эфир (ДМЭ)
По мнению экспертов, ныне он является наиболее перспективным альтернативным топливом для дизельных двигателей. Сырьем для его получения является природный газ.
Среди положительных эксплуатационных свойств диметилового эфира, в первую очередь, необходимо отметить высокое цетанове число (55-60 единиц) и полноту сгорания, которое обеспечивает практическое отсутствие в камере сгорания нагара и сажистих частичек в отработанных газах.
К недостаткам ДМЭ как топлива можно отнести в 1,5 раза меньшую температуру сгорания, что приводит к увеличению затрат эфира в 1,5-1,6 раза, низкую кинематическую вязкость (больше, чем в 20-30 раз меньшая, в сравнении с дизельным топливом), а также очень низкие смазочные свойства.
Биотопливо
Биологическим называют моторное топливо, которое получают с возобновляемых, в основном растительных, источников сырья. К ним относят биоэтанол — этиловый спирт (гидролизный и пищевой) из растительного сырья, биодизель – биодизельное топливо и так называемое топливо Р-серии.
Биодизель. Для его производства используют разные масличные культуры (соя, рапс и т.п.), а также отходы производства животных жиров. Масло подвергают гидролизу, в результате чего получают глицерин и смесь жирных кислот. Эту смесь этерифицируют метанолом с получением метиловых жирных кислот — биодизельного топлива, которое можно использовать в чистом виде или в виде разных композиций с традиционным дизельным топливом.
Топливо Р-серии, разработанное в Принстонском университете (США), представляет собой смесь этанола, метилтетрагидрофурана, углеводородов С5. Это топливо прошло широкие испытания, которые довели, что за экологическими свойствами топливо Р-серии намного превосходит нефтяные бензины.
Водородное топливо
Интерес к водороду как моторному топливу большой, ведь при его сгорании в двигателе образовывается вода и в этом отношении он является наиболее экологически чистым топливом. Температура его сгорания в 2,5 раза выше в сравнении с бензином, а сырьевая база для получения водорода — практически безграничная.
В качестве топлива может использоваться как непосредственно сам водород, так и водород вместе с традиционными топливами. Его можно применять и в топливных элементах.
Основной проблемой использования водорода является его хранение на борту энергетического средства. Так, предлагается содержать его в виде сжатого газа или сжиженного водорода. Одним из путей решения этой проблемы является использование носителей водорода в виде гидридов металлов или других носителей.
Практика показывает, что наилучшие показатели обеспечиваются при хранении сжиженного водорода.
Технические трудности при использовании и высокая стоимость водорода привели к разработке комбинированного топлива бензин-водород. Проведенные испытания показали, что использование бензино-водородных смесей позволяет снизить вдвое расход бензина на скорости 90-120 км/ч и на 28 % — при движении в городе.
В последние годы много внимания отводится разработке и использованию на автомобильном транспорте топливных элементов, топливом для которых является водород или продукты, способные выделять его при переработке.
Топливные элементы — это устройства, которые вырабатывают электрическую энергию за счет энергии окислительно-возобновляемой химической реакции жидких или газообразных реагентов, которые беспрерывно поступают в электроды извне, т.е. они являются химическими источниками тока беспрерывного действия. Наибольшее распространение получили водородно-кислородные топливные элементы.
Работа водородно-кислородного топливного элемента основана на преобразовании энергии химической реакции водорода с кислородом в электрическую. При этом водород из бака подается на «анод» топливного элемента, кислород — на «катод». В присутствии катализатора (платина) атомы водорода расщепляются на протоны и электроны, которые разными путями попадают на «катод». Ионнообменная мембрана пропускает протоны, заставляя электроны проходить через электрический контур и соединяется с протонами на катоде. Возникающий в цепи электрический ток используется для привода электродвигателя до того, как атом водорода, который образовался на катоде, соединится с кислородом в молекулу воды. Побочными продуктами этой реакции есть тепло и вода. Каждый топливный элемент вырабатывает электрическую энергию напряжением около 0,6 В. Соединенные 200-700 топливных элементов обеспечивают необходимую мощность в пределах 50-75 квт.
Автомобиль с топливными элементами, которые работают на водороде, стерильно чистый: вместо отработанных газов — чистая вода.
(По материалам журнала «Агросектор»).