Альтернативные источники топлива

Альтернативные источники энергии и топлива

Студента, который только начал изучать современные транспортные технологии, можно простить за утверждение того, что бензиновый двигатель и присоединившийся к нему позднее дизельный двигатель безраздельно правили в течении более чем всех ста лет истории моторизированного транспорта. Тем более было бы интересно узнать, что лондонский студент, скажем, в 1909 году, при сдаче экзамена по конструкции автомобиля, ожидал в билете следующие вопросы: «Сделайте эскиз известного вам двигателя паровой машины и укажите ее марку.» и «Почему электромобили больше обычно не используются для сельских нужд?»

Нынешние, доведенные до совершенства двигатели пассажирских автомобилей были немыслимы для инженеров прошлого, ведь тогда будущее этих двигателей было весьма туманным. Им было весьма тяжело конкурировать с паром и электричеством как с альтернативными источниками тяги. Паровой двигатель, в сущности, представляет собой котел, в котором при нагреве воды создается давление пара, а оно контролируются с помощью парового цилиндра и механики и преобразуется на карданном валу в вращательное движение. Коробки передач не использовались. В последствии применялась электрическая тяга. В этом случае основными компонентами были батареи, электродвигатель и блок управления.

Чтобы внести ясность следует вспомнить, какие недостатки, в сравнении с другими источниками тяги, приписывали бензиновым двигателям ранних автомобилей. Репортер на Парижской Автомобильной Выставке 1899 года описал эти недостатки как неустойчивое смесеобразование, плохое сгорание смеси, неэффективное охлаждение цилиндров, тяжелый пуск и регулировка скорости и неприятный шум и запах. А автомобильная выставка того же года в Нью-Йорке вообще была посвящена исключительно электромобилям. На тот момент производство электромобилей в Америке было немногим меньше производства паровых машин и значительно больше производства машин с бензиновыми двигателями. И не стоит недооценивать рекорды производительности которые побили электрические и паровые машины. В том же 1899 году бельгиец Камиль Дженатзи за рулем электромобиля собственной разработки стал первым человеком, который достиг скорости около одной мили в минуту, а в 1906 году американец Фред Мэрриот на поровой машине Стенли достиг скорости в две мили в минуту.

Теперь мы должны кратко рассмотреть причины, по которым бензиновый двигатель довольно быстро смог потеснить своих соперников – электрический и паровой двигатели. Преимуществами паровой машины были тишина работы, плавность хода и хороший диапазон мощности. Однако, ранним паровым машинам требовалось около двадцати минут, чтобы создать нужное для движения давление пара и требовали остановок где-то через каждые двадцать миль, чтобы дозаправиться водой. Электромобили были просты в производстве, имели плавный ход, работали без выхлопа и легко управлялись. Но с другой стороны, даже при полностью заряженных батареях и низкой скорости движения, имели запас хода не более двадцати пяти миль. Кроме того для перезарядки батарей требовалось время, которое обычно занимало всю ночь. При этом можно справедливо заметить, что именно эти два двигателя постепенно развились в двигатель внутреннего сгорания, который показал огромный потенциал для будущего улучшения. Он намного удобнее, так как может проехать намного большее расстояние на одном баке горючего, который быстро снова заправляется. Когда в 1908 году Генри Форд запустил в массовое производство автомобиль под названием Модель Т, который могли себе позволить миллионы людей, будущее автомобильных двигателей внутреннего сгорания определилось на многие годы вперед.

Хотя было множество попыток возродить интерес к паровой тяге и электромобилям, особенно они предпринимались во время нефтяного кризиса 1973 года, но эти попытки не достигли какого-либо успеха. Достичь требуемой эффективности из сравнительно небольшого парового двигателя крайне проблематично. А в случае с электродвигателем все еще актуальным считается мнение Грэкхэма Кларка, который в 1914 году написал: «Будущее электромобиля полностью зависит от создания легких, эффективных и дешевых батарей и именно этой проблемой занимались и все еще занимаются самые лучшие специалисты.» Тем не менее, роль, которую играет электричество в современных разработках гибридных и электрических автомобилей будет рассмотрена далее.

Современные требования к альтернативным видам топлива

Из-за нефтяного кризиса начала 1970-х годов вновь возобновились исследования целесообразности использования альтернативы углеводородным топливам (бензина и дизеля). Основанием для этого послужили два основных фактора:

1. Признание того, что ископаемые виды ресурсов, из которых получают углеводородные топлива, конечны.
2. Недавнее возрастание беспокойства насчет содержания в атмосфере СО2 и его влияния на глобальное потепление.

Министерство энергетики США дало следующее определение альтернативным видам топлив: «Альтернативными являются топлива не на основе углеводорода и безопасные для окружающей среды».

Классификация альтернативных видов топлива

Для автомобилей альтернативными являются следующие виды топлива:

• Этанол
• Метанол
• Сжатый природный газ
• Сжиженный природный газ
• Сжиженный углеводородный газ
• Водород
• Биодизель
• Электричество

Двигатели, которые были переделаны для работы либо на классических либо на альтернативных видах топлива сопровождаются надписью «би-топливные». Так же есть «двух-топливные» двигатели, которые отличаются тем, что могут работать одновременно на обычном и альтернативном топливах.

Этанол

Также известный как этиловый спирт или зерновой спирт, этанол является жидким топливом, которое получают из любого зерна или другой сельскохозяйственной продукции. Давно известен в качестве альтернативного топлива, имеющего высокое октановое число. Интересным фактом является то, что карбюратор знаменитого автомобиля Форд Модель Т мог быть перенастроен на работу двигателя на этаноле, что являлось большим преимуществом для американских фермеров, которые могли производить его из собственной продукции. Так же было подсчитано, что более четырех миллионов автомобиле в Бразилии работает на этом топливе, который там получают из сахарного тростника. Этанол серьезно рассматривается как автомобильное топливо, поскольку он увеличивает производительность двигателя и снижает выбросы вредных веществ в атмосферу. Недостатком этанола по отношению к классическим видам топлива является его меньшая теплотворная способность. Поэтому для компенсации снижения запаса хода требуется устанавливать топливный бак большего объема. Этанол в Америке используется в составе топливной смеси. Вней 85 процентов этанола и 15% бензина.

Метанол

Это еще один спирт, в частности известный как метиловый или древесный. Не смотря на название его можно получать и из другого сырья, например сейчас в основном его получают используя в качестве сырья природный газ. Его физические и химические свойства аналогичны таковым у этанола, поэтому, как и следует ожидать, у него тоже высокое октановое число, что повышает производительность двигателя. Метанол так же является чистым топливом, которое производит меньше загрязняющих выбросов. В Америке его используют в смеси для автомобилей работающих на двухкомпонентном топливе, состоящей на 85% из метанола и на 15% из бензина. Эти транспортные средства имеют в топливной магистрали датчик, который определяет соотношение содержания этанола и бензина в баке. Сигнал с этого датчика поступает в электронный блок управления, который за тем подает управляющий сигнал в систему управления двигателем для оптимизации впрыска топлива и угла опережения зажигания. Как и в случае с этанолом, для компенсации снижения запаса хода устанавливается топливный бак увеличенной мощности.

Сжатый природный газ

Природный газ представляет собой смесь углеводородов, главной составляющей которой является метан. Его добывают из подземных или подводных скважин и в том числе вместе с нефтью. Многие знакомы с ним по его применению в для приготовления пищи и отопления жилья и его обширные запасы есть во многих странах. Подсчитано что около одного миллиона автомобилей по всему миру работает на природном газе и почти половина из них приходятся на Аргентину. Главным достоинством природного газа, при использовании его в автомобилях, является его чистое сгорание, которое снижает выбросы загрязняющих веществ в атмосферу. Так же он обладает высоким октановым числом. В автомобилях, как правило, применяется компримированный (сжатый) природный газ или сокращенно КПГ. Для увеличения энергоемкости и экономии места в автомобиле газ сжимают до 20 МН/м2. Для хранения топлива под таким давлением используют камеры высокого давления, которые прочнее обычных топливных баков и испытываются давлением в 25 МН/м2. Во время эксплуатации природный газ стравливается из камеры высокого давления при помощи главного запорного клапана и проходит через регулятора высокого давления. Затем при атмосферном давлении поступает в газовый смеситель, где смешивается с воздухом готовым к подаче в цилиндр и воспламенению.

Природный газ, как топливо для транспорта, может храниться в газообразном (КПГ) или сжиженном (СПГ) состоянии, основные рабочие операции в двигатели будут одинаковы в обоих случаях. СПГ хранится замороженный до температуры -162°C, и хранится в специально изолированных емкостях. Такой способ лучше всего подходит для использования на коммерческом транспорте. Важны преимуществом транспорта на природном газе является намного меньшая шумность работы, чем в случае использования дизеля, тем самым делая его незаменимыми в ночных курьерских доставках.

Сжиженный углеводородный газ

Сжиженный углеводородный газ, обычно коротко называемый СУГ, в основном состоит из пропана, который является продуктом переработки природного газа и нефти. В естественном состоянии пропан это газ, но он сжижается под давлением 160 кН/м2. После того как он покидает болон, перед сжиганием в двигателе он снова переходит в газообразное состояние. Хотя пропан имеет высокое октановое число и при сгорании образует меньше вредных выбросов чем бензин, он имеет большой расход и понижает мощность двигателя. СУГ во многих странах используется в качестве альтернативного топлива, особенно в двух-топливных системах для пассажирского и коммерческого транспорта. При этом легче и дешевле переделать под газ бензиновый двигатель чем дизельный. Для обеспечения безопасной работы переделка двигателя должна осуществляться в соответствии с государственными стандартами. В пассажирском транспорте СУГ хранится в болоне высокого давления тороидальной формы, который крепится в багажнике в нише под запасное колесо. В современных системах автогазового оборудования сжиженный газ поступает из болона в испаритель с установленным в него регулятором давления. Это необходимо, чтобы стабилизировать давление газа перед попаданием его в общую рампу, из которой он подается во впускной коллектор через газовую форсунку также как и в системе впрыска бензинового двигателя. Весь процесс впрыска управляется дополнительной системой управления двигателем.

Водород

Водород, открытый в 1766 году Генри Кавендишем и названный им «горючий воздух», является самым распространенным, легким и простым химически элементом. Его получают при помощи электролиза, используя электричество, чтобы разделить молекулы воды на водород и кислород, или синтезируя его из природного газа при помощи паровой конвекции. Строго говоря, водород не рассматривается как топливо, он скорее подходит для передачи энергии. Поэтому он играет важную роль в развитии транспортных средств, работающих на топливных ячейках. Но так же он может использоваться как газообразное топливо, в случае впрыска его во впускной коллектор классического двигателя. В этом случае он имеет большое преимущество, так как в выхлопных газах вообще не будет содержаться СО2, хотя небольшое количество оксидов азота, несгоревших углеводородов и СО будет присутствовать из-за сгорания смазки двигателя. По сравнению с двигателем, работающем на бензине, наблюдается небольшое снижение мощности и тенденция к прорыву газа обратно во впускной коллектор. Низкая плотность водорода создает большие проблемы при хранении его в автомобиле, потребуется занять большее пространство для получения энергии эквивалентной классическим видам топлива. Для этого водород можно хранить либо в сжиженном состоянии при температуре -253 °C, либо в сжатом виде под очень большим давлением в 30 МН/м2. В обоих случаях это будет большой прибавкой веса автомобиля из-за использования для хранения специальных установок.

Биодизель

Этот вид топлива обычно смешивают с простым дизельным топливом. Его получают из природных источников, таких как растительные масла, которые после реакции со спиртами производят соединения, известные как сложные эфиры. Дизельное топливо, получаемое в результате этого процесса, называется биодизелем. Хотя это топливо имеет схожее физическое строение и предоставляет почти такую же производительность как и обычное дизельное топливо, у него есть одно важное преимущество – оно производит меньше вредных выбросов. В них входят несгоревшие углеводороды, оксид углерода и твердые частицы (сажа). Еще одним преимуществом является то что биодизель обладает лучшими смазывающими свойствами, чем простое дизельное топливо. Возможным недостатком является то, что его высокое содержание в топливной смеси или использование в чистом виде приводит к медленному разрушению некоторых видов полимерных упругих элементов. Однако, наиболее распространенная в Великобритании топливная смесь содержит всего лишь 5% биодизеля и 95% простого дизельного топлива.

Электричество

Альтернативные виды топлив описанные ранее хранят в себе химическую энергию, которая высвобождается при сгорании и преобразуется в цилиндре двигателя в механическую работу. Отличием использования электроэнергии, как альтернативного вида топлива, является прямое преобразование ее электромотором в механическую работу. Источником электричества для батарейных транспортных средств являются несколько бортовых аккумуляторов, действующих как накопители энергии. Эти батареи должны, конечно же, быть предварительно заряжены, а в последствие перезаряжаться электричеством, производимым на электростанциях. Эта электроэнергия затем поступает на подстанции, на которых напряжение снижается до необходимой величины, и далее распространяется для домашнего или коммерческого использования. Исходя из этого, батарей транспортных средств можно подзаряжать ночью, когда потребность в электричестве падает и цену на электричество можно снизить. Наиболее важным преимуществом использования электромобилей является то что они вообще не загрязняют атмосферу, так как не производят никаких выхлопных газов. Также использование электричества в качестве альтернативного источника энергии имеет экономические преимущества, которые достигаются за счет меньшей стоимости самого электричества по сравнению с другими видами топлива и за счет простой конструкции транспортных средств, использующих его.

В заключении этой статьи, следует признать, что были рассмотрены не все факторы использования альтернативных видов топлива. Например, водород, который обычно считают привлекательным, потому что он экологически чистый и его можно транспортировать посредством трубопровода, становится менее привлекательным если электричество, используемое для получения водорода генерируется за счет сжигания ископаемого топлива. В конечном итоге для постоянного использования альтернативные виды топлива должны быть широко доступны и вместе с тем безопасны и удобны в дозаправке или перезарядке.