Привет студент

Актуализация топливно-энергетической проблемы связана с нехваткой и подорожанием энергетических ресурсов, потребности в которых удовлетворяются в основном за счет ископаемых топлив, которые относятся к невозобновляемым исчерпаемым ресурсам. Сегодня в мире насчитывается более 800 млн автомобилей с ДВС. За последние 30 лет общее количество автомобилей увеличилось в 3 раза, и их производство постоянно растет. Через 10 лет этот показатель возрастет до 1 млрд и топливно-экологическая проблема обострится. Поэтому в ближайшие годы практически всеми странами мира планируется снижение потребления нефтяных моторных топлив на 20—30 %.

Автомобильный транспорт является основным потребителем нефтяных топлив, на получение которых расходуется примерно 80 % добываемой нефти. Мировые ресурсы нефти ограниченны, например, для Европы и стран СНГ, включая Российскую Федерацию, двумя десятками лет при постоянном снижении уровней ее добычи и существенном повышении стоимости. Ресурсного запаса природного газа в Европе и странах СНГ, включая Российскую Федерацию, при современном уровне потребления хватит примерно на 60 лет.

Анализируя природные ресурсы РФ, необходимо отметить, что Россия имеет 6, 2 % разведанных мировых запасов нефти, 26, 6 % мировых запасов природного газа, 17, 3 % мировых запасов угля, а также 12, 8 % мировой суши, большая часть которой занимают леса и сельскохозяйственные угодья — источники биотоплив.

Из известных ныне путей снижения потребления нефтяных моторных топлив реальное практическое значение имеют два:

• существенное повышение экономичности автомобилей, в том числе применением более совершенных энергоустановок с высокой топливной экономичностью и параметрической надежностью;

• замещение нефтяных топлив (частичное или полное) альтернативными энергоносителями.

Таблица 1. Ресурсы газа

К альтернативным энергоносителям, которые могут быть использованы как топливо для автомобильных двигателей, можно отнести:

• природный газ как наиболее эффективный энергоноситель на переходный период;

• электроэнергию;

• биотоплива растительного происхождения;

• синтетические моторные топлива, в том числе спиртовые;

• в перспективе водород, который может использоваться как самостоятельный вид топлива для генерации энергии, как и высокоэффективная добавка к горючим смесям и в качестве необходимого компонента при производстве синтетических моторных топлив.

Оценка возможности использования в Российской Федерации различных альтернативных топлив на ближайшую и отдаленную перспективу показывает, что наиболее перспективным на ближайшие годы является природный газ и биотоплива (биотоплива на основе растительного сырья — биогаз, биоэтанол, биометанол, биодизельное топливо), на среднесрочную перспективу 5—20 лет в качестве наиболее приемлемых альтернативных топлив можно рассматривать диметиловый эфир, другие синтетические топлива и водород.

Основными факторами, определяющими долю того или иного вида энергоносителя в общей структуре энергопотребления, являются: технико-экономический потенциал и региональные особенности топливно-энергетического баланса, динамика цен на сырье и топливо на мировом рынке, технический уровень и структура промышленности, энергетики и автотранспорта, а также экологическая ситуация в регионе.

Сжиженный нефтяной газ. Сжиженный нефтяной газ (СНГ) является самым популярным альтернативным топливом для автомобилей. Так, в Германии в 2007 г. было зарегистрировано 232 тыс. легковых автомобилей, работающих на СНГ. При этом доля машин, работающих на СНГ, среди автомобилей, использующих альтернативное топливо или энергию, составляет 63, 2 %.

Рис. 1. Замещение нефтяных топлив на автотранспорте

СНГ по физико-химическим свойствам является высококачественным полноценным топливом для автомобильных двигателей. Основные компоненты СНГ — пропан и бутан, представляющие собой побочные продукты добычи или переработки нефти на газобензинных заводах. Этот вид топлива относительно недорог, не требует большого топливного бака, поэтому получил достаточно широкое распространение.

СНГ хорошо смешивается с воздухом для образования однородной горючей смеси, обеспечивает высокую теплоту сгорания, не детонирует при сгорании. В газе минимально содержание веществ, способствующих нагарообразованию, загрязняющих систему питания, а также вызывающих коррозию деталей. Компоненты СНГ позволяют формировать моторные свойства газового топлива.

При перемешивании пропана может быть обеспечено оптимальное давление насыщенных паров в газовой смеси, что особенно важно для эксплуатации газобаллонных автомобилей в различных климатических условиях и в разное время года. Поэтому пропан является желательным компонентом СНГ.

Бутан относится к числу обладающих высокой теплотой сгорания и легко сжигаемых компонентов СНГ. Однако из-за низкого давления насыщенных паров бутан в нашей стране в чистом виде в качестве моторного топлива не применяют. Показателем качества топлива является октановое число, с помощью которого оценивают детонационную стойкость углеводородных газов. Чем выше октановое число топлива, тем оно более устойчиво к детонации. Для большинства основных компонентов газов октановое число составляет 100—115, т. е. выше, чем у лучших сортов автомобильных бензинов.

Одним из наиболее важных свойств пропана и бутана, отличающих их от других видов автомобильного топлива, является образование при свободной поверхности над жидкой фазой двухфазной системы «жидкость—пар» вследствие возникновения давления насыщенного пара, т. е. давления пара в присутствии жидкой фазы в баллоне. В процессе наполнения баллона первые порции сжиженного газа быстро испаряются и заполняют весь его объем, создавая в нем определенное давление. При уменьшении давления газ мгновенно испаряется. Испарение сжиженного газа в баллоне продолжается до тех пор, пока образовавшиеся пары сжиженного газа не достигнут насыщения.

Таблица 3 Сравнительная характеристика видов топлива

Молекулярная масса сжиженного газа меньше, чем у бензина, и это ухудшает работу двигателя. Поскольку в двигатель сжиженный газ поступает в газообразном состоянии, то по сравнению с бензином уменьшается наполнение им цилиндров (ниже скорость горения газовоздушной смеси) при высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя. При уменьшении частоты вращения в двигатель подается меньший объем газа. Таким образом, при работе двигателя на газе его мощность снижается. И в этом один из недостатков двигателей, работающих на СНГ. Если мощность двигателя, работающего на бензине, принять за. 100 %, то мощность двигателя, работающего на газе, будет примерно равна 90 %, что приводит к снижению максимальной скорости примерно на 4 %.

Токсичность выхлопных газов двигателей при работе на газе по отношению к бензиновому двигателю снижается в следующем соотношении: оксид углерода в 2—3 раза; оксид азота в 1, 2 раза; углеводород в 1, 3—1, 9 раза; кроме того, обеспечивается сохранность катализаторов.

Рис. 2. Сравнение токсичности газового и бензинового топлива

По сравнению с дизелями сжигание СНГ приводит к сокращению NO_х, отсутствию сажи и твердых частиц.

Сжиженный нефтяной газ не имеет цвета и запаха, поэтому для обеспечения безопасности при его использовании на автомобилях ему придают особый запах — одарируют.

Для заправки автомобилей созданы автомобильные газозаправочные станции, которые осуществляют заправку автомобилей и других транспортных средств, двигатели которых конвертированы или изначально рассчитаны на работу на сжиженном нефтяном газе и имеют соответствующую систему.

Сжиженный нефтяной газ обычно транспортируется к заправочным станциям в автомобилях-газовозах или автоприцепах-цистернах с баз хранения или газонаполнительных станций. Давление внутри емкости определяется температурой емкости и фракционным составом пропан-бутановой смеси. Типичные значения давления: при 0 °С — 0, 03 МПа (0, 3 атм), при +25 °С — 1, 2 МПа (12 атм).

Природный газ. Природный газ как моторное топливо для автомобиля может поставляться в двух видах;

• сжиженный;

• компримированный (сжатый).

Основной компонент природного газа — метан (углеводород, состоящий из одного атома углерода и четырех атомов водорода). Благодаря этому при его сжигании образуется примерно на 25 % меньше СО₂ по сравнению с тем же количеством бензина (в энергетическом эквиваленте). По сравнению с дизельным топливом природный газ при сжигании в двигателях образует меньшее количество NO_x, при этом он не образует сажи и соединений серы.

Компримированный (сжатый) природный газ (КПГ). Техническое преимущество применения КПГ состоит в том, что моторное масло, находящееся на стенках цилиндров, не вступает во взаимодействие с газообразным метаном. Масло не разжижается и не загрязняется продуктами сгорания, в результате чего периодичность смены масла увеличивается в 1, 5—2 раза, на 15—20% уменьшается его эксплуатационный расход. Ресурс двигателя повышается в среднем на 35 %. Срок службы свечей зажигания увеличивается на 40 %. Ввиду того что октановое число природного газа составляет 114... 118 ед., исключается детонация двигателя. Отсюда следует и экологический эффект при работе двигателя автомобиля на природном газе: выбросы оксида углерода СО снижаются в 4—5 раз, окислов азота уменьшаются на 30—40 %, в 10 раз снижается дымность выхлопа дизельных двигателей.

Основная проблема применения природного газа заключается в том, что метан — это газообразное топливо. Даже находясь под давлением 20 МПа, сжатый природный газ занимает в 4 раза больший объем, чем такое же (по энергии) количество бензина. Поэтому для его хранения на автомобиле требуются большие тяжелые баллоны, которые обеспечивают запас хода всего 200 км.

Однако с появлением баллонов, изготовленных из алюминия с покрытием из углеродного волокна, проблема веса баллонов потеряла свою остроту. Переход автомобилей на сжатый природный газ (метан) приводит к снижению технико-экономических показателей: запас хода снижается на 88 %, грузоподъемность — примерно на 500... 550 кг.

В общем случае применение КПГ в качестве моторного топлива имеет ряд существенных недостатков:

• увеличение массы топливной системы;

• значительное уменьшение пробега на одной заправке;

• необходимость периодического освидетельствования баллонов высокого давления;

• отсутствие развитой сети автомобильных газонаполнительных компрессорных станций и т. д.

Сжиженный природный газ (СПГ). В нашей стране еще в начале 1950-х годов был осуществлен комплекс работ по изучению возможности использования СПГ на грузовом автотранспорте в качестве моторного топлива. Однако, несмотря на положительные результаты, сжиженный природный газ не нашел широкого практического применения из-за наличия мощной сырьевой базы для производства бензина и его низкой стоимости.

Исследования, выполненные специалистами ОАО «Газпром» и ВНИИгаз, показывают, что использование СПГ в качестве моторного топлива, с точки зрения технико-экономической эффективности, значительно выгоднее, чем КПГ. Так, при масштабном производстве СПГ удельные капиталовложения на производство ниже на 25—30 %, себестоимость производства — на 40 %, а суммарные приведенные затраты на производство—доставку—распределение для СПГ — на 10—30 %, чем на аналогичные системы для КПГ.