CC BY
49Перспективы применения поршневых двигателей на альтернативных моторных топливах
З.Р. Кавтарадзе,
научный сотрудник НИИЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана, к.т.н., Р.З. Кавтарадзе,
профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.
Окончание. Начало в № 6 (12) 2009 г.
Рerspectives of the usage of piston engines on the alternative fuels
Z.R. Kavtaradze, R.Z. Kavtaradze
The end. The beginning in Nr 6 (12) 2009.
Эфиры
Эфиры представляют собой органические кислородосодержащие соединения, являющиеся изомерами соответствующих спиртов, то есть веществами, одинаковыми по составу и молекулярной массе, но отличающиеся от соответствующих спиртов по строению или расположению атомов в пространстве и вследствие этого по физическим и химическим свойствам. Основной (но не единственный) способ получение эфиров - нагревание спиртов в присутствии серной кислоты. В зависимости от структуры различают простые и сложные эфиры. К простым эфирам относятся эфиры со структурой Р-О-Р где Р - одинаковые или различные радикалы типа СН3, С2Н5, С6Н5 и др., между которыми соединительным звеном является атом кислорода О.
Сложные эфиры являются производными органических или неорганических кислот и спиртов, содержатся главным образом в эфирных маслах и составляют основную часть растительных и животных масел (см. ниже - топлива из растительных масел). В настоящее время в качестве одного
из наиболее перспективных топлив для дизелей рассматривается диме-тиловый эфир СН3-О-СН3 (или С2Н6О), а также диэтиловый эфир С2Н5-О-С2Н5 (или С4Н10О). Диметиловый эфир может быть получен из любого углеводородного сырья (в том числе и из биомассы), но в настоящее время чаще всего его получают из природного газа. Как видно, молекулы эфи-ров, как и молекулы соответствующих спиртов, содержат кислород, однако, у эфиров имеются более высокие це-тановые числа и низкие температуры самовоспламенения (у диметилово-го эфира более 55 и 235°С соответственно) по сравнению со спиртами (у метилового спирта 3 и 464°С соответственно). В связи с этим при переводе дизелей на эфиры не требуется специальных мероприятий по принудительному воспламенению горючей смеси. Следует подчеркнуть также, что из-за большой доли кислорода (~35%) в молекуле диметилового эфира в продуктах сгорания дизеля, работающего на диметиловом эфире, концентрация сажи практически отсутствует [4]. По этой же причине диметиловый эфир имеет относительно
низкую теплоту сгорания (Ни=28 800 кДж/кг), низкое значение максимальной температуры цикла и как следствие - низкую концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания. С другой стороны, снижение тепловыделения в цилиндре в сравнении с традиционными жидкими топливами приводит к снижению мощности дизеля, компенсация которой требует увеличения цикловой подачи топлива.
Если учитывать сырьевое происхождение и затраты на производство диметилового эфира, считающегося на сегодняшний день наиболее перспективным моторным топливом из всех эфиров, то в обозримом будущем, видимо, не следует ожидать его широкого применения на транспорте. Ожидается, что доля диметилового эфира в общем количестве всех топлив, употребляемых в поршневых двигателях, в ближайшие 20-30 лет не превысит долю спиртов (то есть составит не более 5-10%).
Топлива из растительных масел
Основным преимуществом топ-лив этой группы является то, что они производятся из возобновляемых источников энергии - из масличных растений, содержащих в плодах и семенах растительные жиры. Эти топлива называют также биотопли-вами, подчеркивая их биологическое происхождение. Из наиболее известных растительных масел (рапсового, подсолнечного, соевого, оливкового, арахисового, пальмового, хлопкового, касторового и др.) наиболее перспективным в качестве альтернативного топлива для поршневых двигателей считается рапсовое масло. По своим свойствам (плотность ~ 900 кг/м3, цетановое число 36, температура самовоспламенения 318°С, теплота сгорания 37 300 кДж/кг) оно хорошо подходит для дизелей. Рапсовое масло содержит 78% углерода, 12% кислорода и 10% водорода (в массовых долях). Присутствие в таком количестве кислорода снижает максимальную температуру цикла дизельного двигателя, работающего на рапсовом масле, концентрацию оксидов азота
и уменьшает количество неполных продуктов сгорания. Положительным свойством растительных масел является способность смешиваться, причем в любых пропорциях, с традиционными топливами - бензином и дизельным топливом, что позволяет использовать их в качестве компонента при производстве смесевых топлив с заданными физико-химическими свойствами.
Использование рапсового масла, а также других топлив масляного происхождения, в чистом виде в качестве альтернативного топлива для дизелей сдерживается повышенным нагарообразованием в камере сгорания и отложением кокса на распылителях форсунки, что практически неизбежно из-за присутствия в растительных маслах смолистых веществ. Кроме этого, широкое применение растительных масел ограничивается демографическими и продовольственными проблемами. В частности, высокие темпы роста населения и отстающие от него темпы производства продуктов питания, особенно заметные в развивающихся странах, сильно ограничивают перспективы поршневых двигателей стать одним из основных потребителей топлив растительного происхождения. Правда, в России есть возможность производить биотоплива без ущерба производству зерна за счет неиспользуемых земельных участков, общая площадь которых составляет 20 млн. га (из 127 млн. га общей площади сельскохозяйственного назначения). Заметим, что общая площадь всех сельхозземель Европы меньше, чем неиспользованная сельскохозяйственная площадь в России. Однако в настоящее время инфраструктура производства биотоплив в России практически не развита, а конвертированием поршневых двигателей для работы на этом альтернативном топливе занимаются только отдельные исследовательские учреждения.
Топлива из газовых конденсатов
Газовые конденсаты являются побочным продуктом добычи
природного и попутного нефтяного газов и представляют собой смесь различных углеводородных фракций, в связи с этим по своему составу и свойствам они весьма разнообразны. Фракции, содержащиеся в газовых конденсатах, могут быть ближе и к бензиновым, и к дизельным фракциям нефти, однако, добываются газовые конденсаты и с более тяжелыми фракциями. В большинстве случаев газовые конденсаты имеют относительно невысокие значения плотности, вязкости и цетанового числа (примерно 35-40), правда, теплота сгорания у них на уровне (и даже несколько выше) дизельного топлива.
Высокая эффективность использования газовых конденсатов достигается при их смешивании между собой, а также с традиционным и тяжелым дизельным топливом в пропорциях, обеспечивающих минимальные значения выбросов вредных компонентов и удельного расхода топлива. По данным [4] эффективные показатели двигателя значительно улучшаются при подаче основной дозы дизельного топлива в камеру сгорания и некоторого количества легкого газового конденсата в его впускную систему, однако, в таком случае речь идет только о частичной замене традиционного топлива.
В некоторых случаях газовые конденсаты заменяют дизельное топливо, например, в Западной Сибири, где имеются значительные месторождения газовых конденсатов и где доставка традиционных моторных топ-лив экономически нецелесообразна. С другой стороны, транспортировка газового конденсата из регионов добычи к потребителям через магистральный трубопровод осложнена из-за большого содержания нормальных парафиновых углеводородов, имеющих высокие температуры застывания (у некоторых газовых конденсатов эта температура равна примерно -15°С). Таким образом, газовые конденсаты могут быть рассмотрены, как альтернативные топлива регионального назначения, запасы которых привязаны к природным ресурсам нефти и газа.
Газообразные углеводородные топлива
К газообразным углеводородным топливам, в первую очередь, следует отнести пропан-бутановые смеси, генераторный и природный газ. Смеси пропана С3Н8 и бутана С4Н10 сжижаются при плюсовых температурах и используются в качестве жидкого моторного топлива (см. ниже сжиженные газы).
Генераторный газ - вид газообразного топлива, получаемый газификацией, то есть превращением твердого или жидкого топлива в горючие газы путем неполного окисления воздухом, кислородом, водяным паром при высокой температуре в газогенераторах. Наиболее распространенной является газификация угля, торфа, биомассы (древесины, отходов сельскохозяйственного производства, водорослей) и др. Основным компонентом этих газов является монооксид углерода СО (примерно 25-30%). Они также содержат большое количество негорючих компонентов, среди которых азот (до 50% и более) и диоксид углерода СО2 (до 10-15% и более), что обусловливает низкую теплоту сгорания (Ни=3 800-5 000 кДж/м3). Правда, теплота сгорания хорошо очищенного и обогащенного генераторного газа, полученного из биомассы, может достигать значения Ни=30 00035 000 кДж/м3, что соответствует уровню природного газа.
Генераторный газ считается перспективным горючим для поршневых двигателей по причине следующих обстоятельств:
1. Из всех рассмотренных выше видов топлива только он, наряду с этанолом и топливом из растительных масел, может быть получен из возобновляемого сырья с относительно небольшими затратами на производство.
2. Генераторный газ, в отличие от этанола, может производиться на небольших компактных транспортабельных установках (генераторах), совмещенных с самим двигателем. В связи с этим отпадает необходимость наличия емкостей для хранения газа.
3. Потери энтальпии в газогенераторе могут быть включены в систему комплексной утилизации теплоты, отведенной от двигателя, и увеличить общий КПД теплоэнергогенерирую-щей установки.
4. Газогенераторы позволяют решать проблему утилизации отходов практически любого производства (сельскохозяйственного, лесного и др.), связанного с переработкой органического сырья. Они могут работать на дешевом сырье (древесине, торфе и др.).
Широкому применению генераторного газа в качестве моторного топлива мешает его низкая теплота сгорания, повышение которой путем обогащения и очищения связано с дополнительными расходами.
Природный газ, основным компонентом которого (до 98%) является метан СН4, давно нашел свою нишу применения в качестве моторного топлива в двигателях газоперекачивающих станций, а также в судовых двигателях, предназначенных для танкеров, перевозящих газовое топливо в сжиженном виде. Чаще всего это дизели, конвертированные на природный газ (дизели фирм «MAN», «Fiat», «Pielstick» и др.). В настоящее время масштабы использования природного газа на транспорте колеблются в различных странах от 1 до 10-15% [11], и практически все крупные дизелестроительные фирмы имеют, как минимум, опытно-промышленные образцы дизелей, конвертированных на газ. В целом природный газ, как моторное топливо, имеет ряд преимуществ:
1. Запасы природного газа значительно превышают нефтяные ресурсы, и по некоторым прогнозам при нынешних темпах добычи их хватит в России - примерно на 100 лет, в Иране - на 300 лет. Кроме значительных естественных запасов, природный газ имеет развитую сеть доставки от места добычи во многие регионы мира по магистральным газопроводам, что в настоящее время делает его наиболее дешевым видом моторного топлива.
2. Дополнительное увеличение резервов природного газа путем
перевода на уголь котельных установок и электростанций, работающих на природном газе, проще и энергетически выгоднее в сравнении с получением жидкого топлива из угля, при котором на этот процесс затрачивается половина располагаемой энергии [2].
3. Природный газ имеет экологические преимущества в сравнении с традиционными видами моторных топлив, в частности, имеет меньшее содержание углерода С (74,9% массовой доли) в сравнении с бензином (85,6%) и дизельным топливом (86,1%), что способствует снижению концентрации СО2 в продуктах сгорания.
Газообразное состояние моторного топлива, в данном случае природного газа, - важное преимущество с точки зрения осуществления эффективного рабочего процесса, однако, влечет за собой три коренных недостатка:
1. Малая концентрация энергии в единице объема. При атмосферном давлении эта концентрация примерно в 800-1000 раз меньше, чем в единице объема жидкого нефтяного топлива.
2. Сложности транспортировки. В связи с малой объемной концентрацией энергии транспортировка на большие расстояния осуществляется магистральным газопроводом под давлением 55-75 бар [13]. Для поддержания такого давления в газопроводах необходимо через каждые 100150 км установить компрессорные газоперекачивающие станции, мощность привода которых достигает несколько десятков тысяч кВт. В качестве приводного агрегата компрессора чаще всего используются поршневые двигатели, работающие на газе.
3. Сложности хранения. Основная проблема при использовании природного газа на транспорте заключается в создании компактных, легких и надежных систем его хранения. Металлические баллоны для хранения сжатого газа по своей массе и габаритным размерам довольно внушительные, что способствует сокращению пробега между заправками. Современные альтернативные
технологии изготовления облегченных баллонов (например, из армированных пластиков), как правило, дороги.
В целом природный газ в настоящее время является наиболее известным и исследованным газовым топливом для поршневых двигателей. Его физико-химические свойства, значительные природные запасы, развитая газопроводная сеть для транспортировки от месторождения до региональных потребителей, себестоимость и экологические преимущества в сравнении с традиционными нефтяными топливами позволяют рассматривать природный газ, как наиболее перспективное альтернативное топливо первой половины текущего столетия.
Водород
Водород входит в состав самого распространенного вещества на Земле - воды (11,19% по массе). Водород содержится в угле, нефти, природном газе, глинах, а также в организмах животных и растений (в составе белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и др.). Ресурсы водорода практически неисчерпаемы и не иссякают, так как при сгорании водорода образуется водяной пар, который после конденсации вновь превращается в источник получения водорода.
Промышленное производство водорода осуществляется путем электролиза воды с использованием возобновляемых источников энергии (энергия ветра, солнечная энергия), а также из природного газа и угля. В первом случае получается экологически чистый водород, во втором случае одновременно с водородом образуется «парниковый газ» СО2. По прогнозам [12] в ближайшие годы основным сырьем для получения водородного топлива станет природный газ (полученный таким путем водород пока является самым дешевым).
Если предположить, что к 20252030 гг. водородное топливо займет определенное место на автомобильном транспорте, то уже правительствам ведущих стран-производителей автомобилей следует задуматься над
тем, что само производство этого топлива не должно загрязнять окружающую среду. Широко распространенный процесс производства водорода (так называемый риформинг-процесс) из природного газа (метана), осуществляемый в специальных установках (риформерах) в присутствии катализаторов, основан на следующих трех реакциях [14]:
СН4+Н2О^СО+3Н2;
СН4+2Н2О^СО2 +4Н2;
СО +Н2О ^СО2 +Н2,
продуктами которых, как видно, являются диоксиды углерода. В связи с этим рассматриваются варианты:
1. диоксиды углерода СО2, возникающие при получении водорода из углеводородов, разместить в подземных хранилищах или в океане;
2. производить водород можно из растительной массы, тогда СО2 будет поглощаться растениями, и баланс не нарушится.
По теплофизическим свойствам водород, как моторное топливо, значительно отличаются от наиболее используемых в настоящее время жидких (бензин, дизельное топливо) и газообразных (природный газ) топ-лив, что хорошо видно по данным из таблицы ниже. Несмотря на высокое значение низшей теплоты сгорания на единицу массы (120 МДж/кг), в реальных условиях внешнего смесеобразования по теплоте сгорания на единицу объема стехиометрическая водородно-воздушная смесь уступает бензино-воздушной или метано-воз-душной смесям. Широкие пределы воспламенения (интервал изменения коэффициента избытка воздуха) водорода дают возможность качественного регулирования рабочего процесса во всем диапазоне изменения нагрузки.
В отличие от традиционных топ-ливовоздушных смесей, гомогенная смесь водорода с воздухом может гореть при ав=10, требуя при этом на порядок меньше энергии для зажигания. Температура самовоспламенения у водорода значительно больше, чем у бензина или дизельного топлива, что осложняет его применение в качестве моторного топлива
в двигателях с воспламенением от сжатия. С другой стороны, это свойство водорода в случае гомогенной смеси (внешнего смесеобразования) противодействует возникновению детонационного сгорания. Высокая скорость ламинарного пламени (см. таблицу) указывает на то, что сгорание водорода можно осуществить за сравнительно короткий промежуток времени с выгодным для увеличения КПД тепловыделением. Следует заметить, что скорость сгорания у обедненной водородно-воздушной смеси также существенно выше, чем у смесей других топлив. Однако высокая скорость сгорания, особенно сте-хиометрической смеси, способствует росту скорости нарастания давления и приводит к повышению шума двигателя. Водород практически является единственным видом моторного топлива, в продуктах сгорания которого отсутствуют моно- и диоксид углерода, а также углеводороды. Правда, в реальных циклах двигателей, работающих на водороде, небольшое количество этих вредных веществ все равно возникает в результате выгорания смазочного масла, поэтому необходимость контролирования концентрации оксидов азота при сгорании водорода остается в силе. Отметим, что даже такое общее рассмотрение свойств водорода указывает на его большие перспективы, как моторного топлива, при использовании которого могут быть реализованы различные концепции, в том числе и концепция водородного дизеля [17].
По некоторым прогнозам переход к широкомасштабному внедрению водородной технологии на автомобильном транспорте может занять несколько десятилетий [15]. С другой стороны такой переход вполне реален, так как позволит существенно улучшить экологическую обстановку и защитить окружающую среду от вредных выбросов, а также значительно снизить зависимость экономики стран, небогатых запасами углеводородных топлив, от импортных поставок нефти и природного газа.
Производство автомобилей на водородном топливе станет коммер-
чески выгодным, как только автомобильные компании создадут безопасные и недорогие модели с большим пробегом до заправки, а энергетические компании наладят производство водородного топлива, сопоставимого по цене с бензином. В настоящее время в развитых странах, например, в США и Канаде, действуют государственные и региональные программы по водородной энергетике. Компании «Honda», «Toyota» и «General Motors» уже планируют внедрить коммерчески выгодный автомобиль на топливных элементах в 2010-2020 гг. [12]. Автопроизводители совместно с топливными гигантами «Shell», «Chevron» и «British Petroleum» работают над созданием парка водородных автомобилей и инфраструктуры для них. Первые водородные заправочные станции уже построены и строятся в Германии, США, Китае и др.
По оценкам лаборатории энергетики и окружающей среды при Массачусетсом технологическом институте 15 лет понадобится на создание конкурентоспособного автомобиля с водородным двигателем, 25 лет - на внедрение его в массовое производство (имеется в виду производство более трети новых автомобилей), 20 лет - на крупномасштабное проникновение в парк автомобилей. В общей сложности для оказания существенного влияния на транспортную энергетику и на окружающую среду водородной технологии понадобится примерно 55 лет [11].
Несмотря на очевидные преимущества водорода, как моторного топлива, его применение не решит сразу все проблемы охраны окружающей среды и займет достаточно много времени. Как отмечается в [12], это будет не спринтерская гонка, а скорее марафон на длинную дистанцию.
Синтез-газы
Как уже отмечалось выше (см. синтетические топлива), синтез-газом (сингазом) обычно называют смесь газов, главными компонентами которой являются монооксид углерода СО и водород Н2. Он используется для получения синтетического бензина
из природного газа. Однако в данном случае речь идет об использовании самого синтез-газа в качестве моторного топлива. В настоящее время синтез-газы, как топлива для поршневых двигателей, подвергаются интенсивному исследованию [16-18], а их перспективы применения примерно такие же, как у синтетических топлив.
Следует подчеркнуть, что синтез-газом называют также газообразное моторное топливо, представляющее собой механическую смесь горючих и инертных газов, например, водорода, метана и азота, или водорода и азота [17]. Очевидно, что цена, а также такие характеристики, как теплота сгорания топлива, скорость распространения фронта пламени, скорость тепловыделения, задержка воспламенения в газодизельном процессе и др., определяющие эффективность и экологичность рабочего цикла поршневого двигателя, в таком случае складываются в зависимости от состава синтез-газа. Такие синтез-газы, позволяющие так называемое «сме-севое управление» рабочим процессом, могут быть более дешевыми и тем самым более перспективными моторными топливами.
Сжиженные газы
Производство сжиженных газов занимает свою нишу в газовой промышленности и в ряде случаев является довольно рентабельным. Прежде всего, следует назвать пропан-бутано-вые (С3Н8)-(С4Н10), а также бутилено-пропиленовые (С4Н9-ОН)-(С3Н7-ОН) смеси. Их отличительной особенностью является то, что они сжижаются при нормальной температуре (~15°С) и относительно невысоком давлении (~15 бар), при таких параметрах в закрытом сосуде они остаются в жидком состоянии. В связи с этим их можно транспортировать, как и обычные нефтепродукты, то есть в цистернах и баллонах. Пропан-бутановые смеси, благодаря удобству хранения, транспортировки и перезарядки баллонов, нашли применение в качестве моторного топлива. Развитая инфраструктура снабжения населения этим газом для бытовых услуг играет
немаловажную роль. Достоинством пропан-бутановых смесей обычно принято считать их относительно низкую себестоимость в сравнении с традиционными моторными топлива-ми, хорошие экологические свойства и наличие автозаправочных станций, способных обеспечить бесперебойное снабжение транспортных средств этим видом топлива [8]. Однако разница в ценах сжиженных углеводородных газов (СУГ) и бензина в последнее время заметно снизилась, а инфраструктура снабжения этим газом заметно отстала от инфраструктуры снабжения бензином.
Сжиженные газы используются в качестве топлива, главным образом, в бензиновых двигателях, конвертирование которых для работы на газе не связано с какими-либо существенными переделками двигателя. Наоборот, систему топливоподачи легко можно настроить для быстрого переключения с бензина на газ и обратно, что весьма удобно в условиях эксплуатации [4]. Возможности применения этих топлив в дизелях, где имеются более высокие значения степени сжатия и коэффициента избытка воздуха, еще недостаточно исследованы, правда, есть основания предположить, что этот вид альтернативного топлива для дизелей должен быть более эффективным, чем для двигателей с принудительным зажиганием рабочей смеси. Следует также подчеркнуть, что СУГ имеют концентрацию энергии на единицу объема, уступающую бензину и дизельному топливу лишь в 1,3-1,5 раза (см. таблицу) [14].
Сжижение других газообразных топлив, приводящее к увеличению их энергоемкости на единицу объема, чаще всего связано с большими трудностями, связанными с поддержанием очень низких температур. Например, для сжижения газообразного водорода требуется температура -253°С (см. таблицу). Несмотря на это фирма «BMW», например, выпускает небольшую серию автомобилей с водородными двигателями, использующими сжиженный водород [20]. Эти автомобили оснащены криогенной
технологией фирмы «K. Linde», обеспечивающей необходимую низкую температуру. Для сжижения метана при атмосферном давлении необходима температура, равная -162°С, правда, объем, занимаемый метаном при этом, уменьшается в 610 раз [13]. Стоимость сжиженного метана, конечно, выше, чем компримиро-ванного, а хранение более сложное, так как требует особые меры предосторожности. Кроме того, при хранении и транспортировке сжиженного природного газа неизбежны потери вследствие испарения, достигающие до 7,5% в сутки [4].
Очевидно, что для решения экологической и энергетической проблем, связанных, прежде всего, с монопольным положением нефти во всех отраслях экономики, необходима разработка государственной стратегии, нацеленной на создание эффективной транспортной энергетики, основанной на альтернативных топливах, а также на экономичных и экологически чистых источниках энергии. Это касается как государств, экономика которых в основном зависит от экспорта нефти, так и государств, в экономике которых импортированная нефть играет существенную роль, не говоря уже об этой проблеме относительно автомобильной, водной, сельскохозяйственной, военной и другой техники. Подчеркнем, что в этих отраслях поршневой двигатель в настоящее время занимает практически монопольное положение.
Учитывая эти обстоятельства, новая администрация США в разработанном им плане мероприятий «Возрождение Америки и реинвестирование» большое внимание уделила созданию чистой и эффективной энергетики [19]. Согласно этому плану 3 млрд. долл. США выделяются на научные исследования по проблемам загрязнения окружающей среды, 2,4 млрд. - на проекты улавливания и утилизации диоксида углерода, 2 млрд. - для поддержки американских производителей аккумуляторов.
* * *
Таблица
Теплофизические свойства альтернативных и традиционных моторных топлив
Свойство Размерность Бензин (Super Plus) Дизельное топливо Метан Водород
Плотность в жидком состоянии при р=1,013 бар кг/м3 °С 750-770 15 820-845 15 423 -162 70,8 -253
Плотность в газообразном состоянии при р=1,013 бар и 1=0°С кг/м3 - - 0,716 0,090
Молярная масса кг/кмоль «98 «190 16,043 2,016
Температура (интервал температуры) кипения при р=1,013 бар °с 30-190 210-355 -161,5 -252,8
Стехиометрическое количество воздуха кг воздуха/ кг топлива Объемный % 14,0 14,7 17,2 9,5 34,3 29,5
Низшая теплота сгорания топлива кДж/кг 41 400 42 900 50 000 120 000
В жидком состоянии при р=1,013 бар 31 700 35 800 21 000 8 500
Энергоемкость В газообразном состоянии кДж/дм3 - - 12 600 при р=350 бар, Т=280 К 3 000 при р=350 бар, Т=280 К
Теплота сгорания горючей смеси при внешнем смесеобразовании (р=1,013 бар, 1=0°С, ав=1) кДж/м3 3 760 - 3 400 3 190
Теплота сгорания горючей смеси при внутреннем смесеобразовании (р=1,013 бар, 1=0°С, ав=1) кДж/м3 3 830 3 770 3 760 4 520
Пределы воспламенения в воздухе при р=1,013 бар, 1=25°С Объемный % Интервал ав 1-7,6 1,4-0,4 0,6-5,5 1,35-0,48 4,4-15 2,28-0,6 4-76 10-0,13
Температура самовоспламенения в воздухе при р=1,013 бар °С 230-450 250 595 585
Минимальная энергия зажигания в воздухе при ав=1 мДж 0,24 0,24 0,29 0,017
Коэффициент р=1,013 бар, t=0°C м2/с 5 • 10-6 - 16 • 10-6 61 • 10-6
диффузии в воздухе р=100 бар, Т=1000 К - 1,9 • 10-6 8,5 • 10-6
Скорость ламинарного пламени в воздухе при р=1,013 бар, 1=25°С, ав=1 м/с «0,4 «0,4 «0,42 «2,30
Октановое число (исследовательское) - 98 - 130 -
Метановое число - 88 - 100 0
Цетановое число - - 52-54 - -
С 85,6 86,1 74,9 0
Массовая доля компонентов Н % 12,2 13,9 25,1 100
О 2,2 0 0 0
Кроме того, предусмотрено выделить 600 млн. долл. США на замену автомобилей федеральных служб на автомобили на альтернативном топливе, 400 млн. - местным и государственным органам власти на закупку автомобилей на альтернативном топливе, 350 млн. - на исследование проблем использования возобновляемой энергии в системах вооружений, 300 млн. - на проекты по снижению загрязненности дизельного топлива, 200 млн. - на разработку электромобилей. С учетом того, что крупное финансирование предусмотрено для
университетов и научных лабораторий, становится очевидным стремление США стать мировым лидером в применении альтернативных топлив и источников энергии. Значительные усилия в этом направлении проявляют и другие развитые страны, прежде всего, Германия и Япония.
Проведенный выше анализ основных характеристик альтернативных топлив показывает, что решающими факторами, определяющими перспективы их применения в поршневых двигателях вместо нефтяных топлив, являются энергоемкость самих топ-
лив, токсичность продуктов сгорания и иссякающие запасы нефти. Видно также, что у имеющихся и изученных к настоящему времени альтернативных топлив - неравные перспективы применения в первой половине текущего столетия. Даже те топлива, которые на сегодня считаются наиболее перспективными (например, природный газ или водород), пока не составляют в общем количестве употребляемых современными поршневыми двигателями топлив значительную долю, например, 20-30% или больше. А могли бы составить! Но этому, кроме всего
прочего, мешает то, что энергетический кризис (несмотря на всемирный экономический кризис, начавшийся во второй половине 2008 г.) по всей видимости пока еще не наступил в ощутимых масштабах. Как только это произойдет, какое-либо из рассмотренных выше альтернативных топлив стремительно будет завоевывать рынок. Скорее всего, это будет газообразное топливо, вначале - природный газ, а позже его постепенно будет заменять водород.
По прогнозам, основанным на результатах специальных исследований экспертов в области энергетики [15], в 2015-2030 гг. будет существенно расширяться выпуск автомобильных двигателей, использующих в качестве моторного топлива водород. За это время прогнозируется также расширение производства водорода, полученного электролизом с применением солнечной энергии, а также энергии ветра. При этом цена водорода, полученного с помощью солнечной энергии в местах с жарким климатом, будет максимум на 20% выше цен на традиционные жидкие топлива нефтяного происхождения.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №09-08-00279а).
Литература
1. Esso Deutschland GmbH: Energieprognose 2001 - Potential Gasvorräte. Exxon Mobil Central Europe Holding GmbH, 2002.
2. Галышев Ю.В., Магидович Е.М. Перспективы применения газовых топлив в ДВС. - Двига-телестроение, № 3, 2001. - С. 31-35.
3. Кавтарадзе Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 720 с.
4. Гайворонский А.И., Марков В.А., Илатовский Ю.В. Использование природного газа и других альтернативных топлив в дизельных двигателях. М.: Изд-во «ИРЦ Газпром», 2007. - 480 с.
5. Big Coal Tries to Recruit Military to Kindle a Market. The Wall Street Journal, 11.09. 2007.
6. Процесс Фишера-Тропша. http://ru.wikipedia.org
7. Марков В.А., Гайворонский А.И., Грехов Л.В., Иващенко Н.А. Работа дизелей на нетрадиционных топливах. М.: Изд-во «Легион - Автодата», 2008. - 464 с.
8. Льотко В., Луканин В.Н., Хачиян А.С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. М.: Изд-во МАДИ (ТУ), 2000. - 311 с.
9. Diesel R. «Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors zum Ersatz der Dampfmaschine und der heute bekannten Wärmemotoren». Berlin. Springer-Verlag. 1893. 96 S. Reprintfusgabe, Düsseldorf, VDI-Verlag, 1986. 96 р.
10. Колеров Л.К. Применение пылеугольного топлива в дизелях. Двигателестроение, №2, 1982. - С. 51-53.
11. Хэйвуд Дж. Горючее будущего. В мире науки, № 1, 2007. - С. 28-31.
12. Огден Дж. Большие надежды. В мире науки, № 1, 2007. - С. 69-75.
13. Генкин К.И. Газовые двигатели. Москва, «Машиностроение». - 1977. - 196 с.
14. Eichlseder H., Klell M. Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik. Erzeugung, Speicherung, Anwendung. Wiesbaden, Vieweg - Teubner Verlag. - 2008. - 288 р.
15. Fraunhofer Geselschaft: DELPHI-98 Umfrage. Studie zur globalen Entwicklung von Wissenschaft und Technik. BMBF Abschlussbericht. Karlsruhe. 1998.
16. Synthesis Gas Combustion. Fundamentals and Applications. Edit by T. Lieuwen, V. Yang, R. Yetter. CRC Press, New York. 2009.
17. Кавтарадзе Р.З., Цайлингер К., Цитцлер Г. Задержка воспламенения в дизеле при использовании различных топлив. РАН. Теплофизика высоких температур, том 43, № 6, 2005. - С. 947-965.
18. Boehman A.L., Le Corre O. Combustion on Syngas in Internal Combustion Engines// Combustion Science and Technology, N 6 (180), 2008. - Р. 1193-1206.
19. План Обамы. Возрождение Америки и реинвестирование. «Новая газета», № 20, 27.02.2009. - С.11-14.
20. Schüers A., Abel A., Fickel H. Ch., Preis M., Artmann R. Der Zwölfzilinder-Wasserstoffmotor im BMW 750hL//MTZ, N 2 , 2002. - Р .98-105.
/////////////////////^^^^
Авиакомпания KLM начнет летать на биотопливе
Компания «Aviation Explorer - KLM Royal Dutch Airlines» станет первой в мире авиакомпанией, использующей биокеросин для заправки самолета, который совершил демонстрационный полет с небольшой группой пассажиров на борту. Кроме того, это был первый полет на биокеросине европейского производства.
Для демонстрационного полета, который состоялся 23 ноября 2009 г., авиакомпания «KLM» выбрала лайнер «Boeing 747». В качестве топлива одного из двигателей была использована смесь, состоящая на 50% из биотоплива, полу-
ченного из возобновляемых источников, и на 50% - из обычного керосина.
Питер Хартман (Peter Hartman), президент и генеральный директор авиакомпании «KLM», сказал: «Наша авиакомпания объединила усилия с партнерами для реализации программы, направленной на дальнейшее расширение внедрения альтернативных видов топлива. Эта программа нуждается во всемерной поддержке всех заинтересованных сторон: бизнес-сообщества, государственных органов и общества в целом».
В сотрудничестве с авиакомпанией «Air France» компания «KLM» уже
много лет является лидером авиационной отрасли в сфере гармоничного развития. Так, например, в прошедшем году группа «Air France-KLM» в пятый раз подряд заняла верхнюю строчку в рейтинге Dow Jones Sustainability Index.
Нидерландское отделение природоохранной организации Worldwide Fund for Nature (Wereld Natuurfonds -WNF) сделало компанию «KLM» своим бизнес-партнером в 2009 г.
«В ближайшие десятилетия развитие авиатранспортной отрасли будет во многом зависеть от использования альтернативных видов топлива, которые позволят снизить уровень выбросов CO2», - отметил Иан Эрнст де Гроот (Jan Ernst de Groot), управляющий директор компании «KLM».
http://www.aex.ru/news/2009/1V6/71307/
фЩ ЯИИИВРI0Q Ä ФЧР Jbi. Ив! Ä ФЧ «Транспорт на альтернативном топливе» № 1 (13) январь 2010 г.
