В связи с уменьшением запасов нефти в мире все более актуальной становится проблема замены нефтяных видов топлива на альтернативные. Однако применение новых видов топлива, как правило, требует внесения в конструкцию автомобиля или ДВС существенных изменений.
Наибольшее применение как альтернативный вид топлива находит сжиженный нефтяной газ (СНГ), однако его использование требует установки дополнительного газобаллонного оборудования.
Рис. 1. Схема газобаллонного оборудования карбюраторного автомобиля:
1 — баллон; 2 — мультиклапан; 3 — газовая магистраль высокого давления; 4 — выносное заправочное устройство; 5 — газовый клапан; 6 — редуктор-испаритель; 7 — дозатор; 8 — смеситель воздуха и газа; 9 — бензиновый клапан; 10— переключатель видов топлива
Сжиженный нефтяной газ (пропан-бутан) под давлением поступает из баллона 1 в газовую магистраль высокого давления 4. Расход газа из баллона происходит посредством мультиклапана 2, через который также осуществляется заправка с помощью выносного заправочного устройства 3.
По магистрали газ в жидкой фазе попадает в газовый кла-пан-фильтр 5, который очищает газ от взвесей и смолистых отложений и перекрывает подачу газа при выключении зажигания или при переходе на бензин. Далее очищенный газ по трубопроводу поступает в редуктор-испаритель 6, где давление газа понижается с 16 атмосфер до одной. Интенсивно испаряясь, газ охлаждает редуктор, поэтому последний присоединяется к системе водяного охлаждения двигателя. Циркуляция тосола позволяет избежать обмерзания редуктора и его мембран.
Под действием разряжения, создаваемого во впускном коллекторе работающего двигателя, газ из редуктора по шлангу низкого давления через дозатор 7 поступает в смеситель 8, установленный между воздушным фильтром и дроссельными заслонками карбюратора. Иногда вместо установки смесителя производится непосредственная врезка газовых штуцеров в карбюратор. Управление режимами работы (на газе или на бензине) осуществляется с помощью переключателя видов топлива 10, установленного на панели приборов. При выборе позиции «ГАЗ» переключатель открывает электромагнитный газовый клапан 5 и отключает электромагнитный бензиновый клапан 9. И наоборот, при переходе с газа на бензин переключатель закрывает газовый клапан и открывает бензиновый. С помощью светодиодов переключатель позволяет контролировать, какое топливо используется в данный момент.
Переключатель может быть оснащен указателем уровня топлива в баллоне (для этого мультиклапан должен быть оснащен сенсором уровня топлива).
Определенной перспективой обладают синтетические топлива, получаемые из каменного и бурого углей. Их применение в дизелях наиболее рационально в смеси со стандартными дизельными топливами и с топливами утяжеленного фракционного состава.
Метанол как топливо для ДВС позволяет решить проблему выбросов оксидов азота и твердых частиц, поскольку при сгорании метанола не выделяются промежуточные продукты, служащие основой для образования ароматических и ацетиленовых углеводородов, способствующих зарождению сажи. Отсутствуют в продуктах сгорания метанола и сернистые соединения. Однако существенное отличие метанола по физико-химическим свойствам от дизельных топлив сдерживает его применение на дизелях.
Основным недостатком метанола является большая теплота испарения (1115 кДж/кг против 250 кДж/кг у дизельного топлива) при низкой температуре кипения. Поэтому существенное охлаждение заряда при испарении спирта и высокая температура самовоспламенения приводят к его плохому воспламенению в камере смешения дизеля.
Вопрос обеспечения качества воспламенения смеси для дизеля возможно решить с помощью дополнительных свечей зажигания или при использовании катализаторов (оксиды металлов меди, хрома, никеля и благородные металлы), снижающих температуру воспламенения метанола и ускоряющих реакцию его горения. Однако наибольшее применение имеет воспламенение спирта от небольшой дозы дизельного топлива при раздельной их подаче в цилиндры дизеля.
Рис. 2. Схема системы подачи в камеру смешения дизеля метанола и запальной дозы дизельного топлива:
1, 8— топливопроводы низкого давления; 2, 7 — насосы высокого давления для подачи дизельного топлива и метанола; 3, 6 — топливопроводы высокого давления; 4, 5 — форсунки для впрыска дизельного топлива и метанола; 9 — бак с метанолом; 10 — бак с дизельным топливом
Метанол из бака 9 через топливопровод 8 поступает в насос 7, который через топливопровод 6 подает метанол к форсунке 5. Аналогичная система, содержащая бак 10, насос 2, топливопроводы 1, 3 и форсунку 4, применена для запальной дозы дизельного топлива. Вначале в камеру смешения ДВС через форсунку 4 впрыскивается дизельное топливо. После его воспламенения в факел распыленного дизельного топлива форсункой 5 впрыскивается метанол. При этом мощность ДВС регулируется изменением подачи метанола, в то время как подача дизельного топлива постоянна (около 10 % от общей подачи топлива).
Определенный интерес в настоящее время вызывает применение топлив, получаемых из растительных масел. В Европе наиболее перспективными считаются топлива на основе рапсового масла. В США производится соевое масло. В Китае, Японии, Индонезии и других странах Азии имеются сырьевые ресурсы соевого и арахисового масел. Для России возможно использование топлив, получаемых на основе подсолнечного масла. Хотя здесь топлива можно получить из возобновляемых источников, непосредственное использование растительных масел в ДВС затруднено из-за существенных различий физико-химических свойств растительных жиров и нефтяных топлив. Поэтому проводятся глубокие исследования по адаптации дизелей на топливах, получаемых из растительных масел. При проектировании следует учесть, что проведенные исследования позволяют сделать выводы о том, что для обеспечения технико-экономических показателей при применении метиловых эфиров рапсового масла необходима интенсификация процессов впрыскивания, смесеобразования и сгорания. Положительное влияние на эти процессы может оказать подогрев впрыскиваемого топлива (до -70 °С), что приведет к улучшению физико-химических показателей топлива; увеличение давления впрыскивания топлива (до -80 МПа) уменьшит диаметр капель распыливаемого топлива; интенсификация турбулизации воздушного заряда позволит улучшить процессы испарения и смесеобразования.
Горючие газы, применяемые в качестве топлив в ДВС, разделяют на два основных вида: сжатые (компримированные) КПГ и сжиженные СПГ. Поскольку они имеют физико-химические свойства, близкие к бензину, это обусловливает лишь незначительные изменения в конструкции ДВС и позволяет работать на двух видах топлива. При работе ДВС на газе количество вредных выбросов NOx, СО, СmНn и сажи существенно меньше, чем при использовании нефтяных топлив. Переход на газовое топливо позволит повысить энергообеспечение страны, так как запасы газа во много раз превышают запасы нефти.
Как указывалось ранее, при использовании воды для формирования топливовоздушной смеси ДВС практический интерес при разработке новых конструкций представляют установки, генерирующие водотопливную эмульсию (ВТЭ), подачу воды отдельно от топлива и подачу паров воды в цилиндры.
Использование ВТЭ не требует значительных конструкционных переделок дизеля. Однако вопрос приготовления ВТЭ имеет определенную специфику, поскольку установки для их генерации должны быть относительно просты и надежны. Для этой цели применяют механические мешалки, коллоидные мельницы, струйные диспергаторы, барботажные устройства, ультразуковые системы и др., которые позволяют получить ВТЭ достаточной дисперсности. Однако при хранении запаса заранее приготовленной эмульсии возникают проблемы с обеспечением ее стабильности, в связи с чем перед ее подачей в конструкции питания ДВС должно быть предусмотрено устройство, гарантирующее обеспечение необходимых качеств ВТЭ.
Устройство функционирует следующим образом. При пуске ДВС топливо и вода из раздельных баков проходят по шлангу 27, и через тройник 28 их смесь, разделенная на два потока, поступает через трубки 29 и 30 во внутренние кольцевые полости 14 излучателей 1 и 2. В них на смесь воздействует магнитное поле, создаваемое кольцевым 6и цилиндрическим 7 постоянными магнитами, в результате чего находящиеся в воде ионы солей теряют способность электростатического притяжения и не образуют твердых кристаллических образований на стенках цилиндро-поршневой группы ДВС, так как вода становится «мягкой». Это способствует тому, что топливо лучше смешивается с водой и сгорает эффективнее.
Рис. 3. Общая компоновка акустической камеры