Применение альтернативных видов топлива как способ решения экологических проблем тепловых двигателей



Автомобильный транспорт (АТ) относят к числу наиболее энергоёмких отраслей народного хозяйства нефтяного происхождения. На его долю приходится около двух третей производимого в стране жидкого нефтяного топлива, мировые и национальные запасы которого непрерывно сокращаются. Высокие темпы развития АТ вызывают значительный рост масштабов потребления жидкого топлива и заметное загрязнение атмосферного воздуха в крупных городах. К тому же автомобильный транспорт является достаточно мощным источником канцерогенов: бензапирена, его гомологов и несгоревших углеводородов. Повышение экологической безопасности современных АТС является одним из определяющих критериев развития автомобильного транспорта. Указанные выше причины обуславливают заинтересованность ведущих стран мира во внедрении в широкое использование альтернативного (неископаемого) топлива.

Цель и задачи исследования

Цель: исследование путей совершенствования экологических характеристик бензиновых ДВС, по средствам применения биологических видов топлива.

Задачи исследования:

– исследовать виды биологического топлива, с целью их примененияв работе двигателя

– исследовать эксплуатационные особенности биологических видов топлива

Актуальность исследования: заключается в разработке и исследовании перспективных путей повышения экологической безопасности и улучшения технико-экономических показателей, а именно:

– в разработке новых многозонных математических моделей сгорания биологических видов топлива и образования новых веществ

– в разработке рекомендаций по внедрению в эксплуатацию биологических видов топлива.

Воздействие тепловых двигателей на экологию

В нашей стране принят и действует закон РФ «Об охране окружающей среды», регламентирующий деятельность предприятий, сооружений и объектов, оказывающих отрицательное влияние на окружающую и природную среду. Для оценки экологических параметров применяют правила ЕЭК ООН, они устанавливают единообразие требований по оценке упомянутый параметров автомобильных транспортных средств и их двигателей. Стандарты в РФ, США и стран Европы предусматривают оценку выброса ВВ АТС (легковые автомобили, микроавтобусы и легкие грузовики) массой от 400 до 3500 кг с бензиновыми и дизельными двигателями при испытании их на динамическом стенде. В РФ контроль токсичности ОГ (отработавшие газы) автомобилей осуществляется также на динамическом стенде. Динамический стенд оборудован электронной системой, обеспечивающей по определенной программе изменение дорожного сопротивления и инерционными массами эквивалентными массе автомобиля. Автомобиль выбрасывает в атмосферу с отработавшими газами около 200 различных компонентов. «Частицы ОГ содержат сажу, металл, углеводородные компоненты топлива и масла, серу и воду. Значительная часть этих частиц приходится на сажу и металл. Предельно допустимое содержание вредных веществ в ОГ двигателей регламентировано правилами ЕЭК ООН № 49 «Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения двигателей в отношении выделяемых ими загрязняющих выхлопных газов». [1, c. 360]

Правила ограничивают весовое содержание СO, CmHn и NOx в ОГ в зависимости от развеваемой мощности и продолжительности работы.

Оксид углерода — это продукт неполного сгорания топлива, при горении можно заметить синий оттенок пламени с образованием диоксида углерода. В камере сгорания двигателя оксид углерода образуется при неудовлетворительном распыливании топлива, в результате холоднопламенных реакций, при сгорании топлива с недостатком кислорода.

Углеводороды — отличаются крайне резким, неприятным запахом. В процессе фотохимических реакций углеводородов с оксидами азота образуется смог, что может вызвать рост легочных, а также бронхиальных заболеваний

Сернистые соединения — в свободной атмосфере сернистый газ через некоторое время окисляется до сернистого ангидрида или вступает во взаимодействие с другими соединениями, в частности углеводородами. «Окисление сернистого ангидрида в серный происходит в свободной атмосфере при фотохимических и каталитических реакциях. И в том и в другом случаях конечным продуктом является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде» [3, c. 350]. B сухом воздухе окисление сернистого газа происходит достаточно медленно. При наличии в воздухе оксидов азота скорость окисления сернистого ангидрида увеличивается независимо от влажности воздуха. Могут вызвать раздражительное действие на слизистые оболочки горла, носа и глаза человека.

Альтернативные виды топлива

Одним из возможных способов увеличения экологических свойств автомобилей, является переход на альтернативные виды топлива. Под определением «альтернативные топлива», в широком смысле можно понимать практически все вещества, которые могут гореть, а также с большей или меньшей вероятностью могут быть использованы вместо классических топлив из нефти и углей в двигателях внутреннего сгорания или в энергетических установках. Изначально одним из основных предназначений альтернативных видов топлива считалась замена ими топлив из традиционного нефтяного сырья, ресурсы которого ограничены. Вопрос исчерпаемости запасов нефти, а также необходимости перехода на другие виды топлива давно обсуждается в научном сообществе. Излишки нефтяных запасов, в каком-то смысле являлись расслабляющими факторами и об альтернативных видах топлива вспоминали только в крайнем случае.

Самыми перспективными для применения в двигателях внутреннего сгорания стали продукты ожижения углей, жидкие продукты их переработки и горючие газы, спирты, а также растительные масла.

Газообразное топливо — по сути один из немногих видов альтернативного топлива, для использования которого, у нас в стране решены технические и экологические проблемы. Главной трудностью при переходе автомобилей на газовое топливо стала необходимость создания профильной инфраструктуры: заводов, складов под хранилища, заправочных станций.

Сжатый природный газ , по составу является в основном метаном, вполне может использоваться в качестве моторного топлива, для этого необходимо осуществить относительно несложную переделку двигателя, а также автомобиля, которая представляет собой установку баллонов и внесение изменений в конструкцию системы топливоподачи. Из-за высокого значения октанового числа, природный газ является отличным топливом для двигателей, работающих по циклу Отто. Использование природного газа в дизельных двигателях осложнено высокой температурой самовоспламенения, а также низкого цетанового числа. Для преодоления затруднений, используют двухтопливную систему — небольшое количество дизельного топлива впрыскивается в камеру сгорания в качестве запального заряда, далее подается сжатый природный газ.

В связи с тем, что содержание углерода более низкое, по сравнению с нефтяным топливом (70 % в метане, 82— 91 % в бензинах), во время сгорания природного газа образуется меньше диоксида углерода. По той же причине и 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.

Спирты давно применяются в двигателях внутреннего сгорания. На данный момент времени, как правило используются в качестве топлива для гоночных автомобилей, так как увеличивают мощность двигателя при одновременном снижении температуры в камере сгорания. Благодаря более низкой температуре отработавших газов, интенсивному теплоотводу из цилиндров и более полному сгоранию, эффективный КПД двигателя, работающего на спиртах, выше, чем при работе на нефтяном топливе. Использование спиртов способствует снижению эмиссии продуктов неполного сгорания топлив, уменьшается сажеобразование в следствии чего повышается чистота деталей двигателя и топливной аппаратуры.

Но одновременно возрастают выбросы альдегидов, возможно увеличение эмиссии оксидов азота. Из спиртов преимущественное применение как топливо получили метанол и этанол.

Метанол — достаточно эффективное топливо для двигателей с принудительным зажиганием благодаря его высокому октановому числу. Метанол, как правило используется в качестве самостоятельного топлива, а также в качестве добавки к бензину. Применение метанола дает возможность снизить токсичность выхлопных газов двигателя. Применение 100 % метанола не допускается из-за его высокой токсичности и агрессивности по отношению к конструкционным материалам. В результате проведения исследований смесей метанола и углеводородных топлив, было установлено, что в бензин можно вводить до 5 % безводного метанола, при этом бензометанольная смесь (БМС) остается гомогенной, если в нее не попадает влага.

Этанол при использовании в качестве добавки к топливам, как правило более эффективен, в отличии от метанола, это связано с тем, что он лучше растворяется в углеводородах и менее гигроскопичен. Фазовая стабильность этанолотопливных смесей выше, чем метаноло-топливных, но все равно требуется их стабилизация. Наиболее эффективными стабилизаторами являются алифатические спирты С4—C5, сивушные масла, оксиэтилированные ПАВ.

Простые эфиры — основными преимуществами использования в качестве топлива, вместо спиртов являются: способность растворятся в топливах, они менее гигроскопичны и коррозионно агрессивны. Эфиры обычно являются добавками в автомобильные бензины. В последнее время наметился повышенный интерес к диметоксиметану, диметиловому и диэтиловому эфирам, в качестве компонентов дизельного топлива. По большей части это связано с их легкой воспламеняемостью в двигателе, а следовательно, и высокими цетановыми числами.

Заключение

Альтернативные виды топлива, обычно получают из сырья не нефтяного происхождения, применяют для сокращения потребления нефти. Одними из главных видов альтернативного топлива являются: сжиженные и сжатые горючие газы (метан); продукты их переработки и смеси с бензином, спирты, топливные смеси (водно-угольные); синтетическое жидкое топливо; водород. Биотопливо производится из органических материалов, таких как пшеница и соя.

Использование альтернативных видов топлива, на порядок экологичнее, при том, что их стоимость в объеме, равному одному литру бензина, составляет намного меньше.

Литература:

1. Ерохов В. И., Карунин А. Л. Газодизельные автомобили (конструкция, расчет, эксплуатация) -М.-Граф-Пресс, 2005.-560 с.,
2. Ризниченко, Г. Ю. Математическое моделирование биологических процессов. Модели в биофизике и экологии: учеб. пособие для бакалавриата и магистратуры / Г. Ю. Ризниченко. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательство Юрайт, 2019. — 181 с.
3. Фомин В. М., Атраш Рами, Хергеледжи М. В. «Совершенствование экологических качеств транспортного дизеля применением средств физикохимического воздействия на процессы рабочего цикла» //Известия МГТУ «МАМИ».- 2012.- № 2 (14).- т.1.-С.397–402.
4. Луканин В. Н., Гудцов В. Н., Бочаров Н. Ф. Снижение шума автомобиля. — М.: Машиностроение, 2016. — 289 с.
5. Зарубин B. C., Станкевич И. В. Расчет теплонапряженных конструкций. — М.: Машиностроение, 2015.-352 с.