Альтернативные виды топлив для автомобильных двигателей

Содержание

Часть I

1.1 Альтернативные виды топлив для автомобильных двигателей

Чем больше в мире производится автомобилей, тем значительнее интерес к альтернативным бензину видам топлива, при сгорании которых выделяется меньше вредных веществ. Во многих странах все более популярным становится биологическое топливо, изготавливаемое из растительного сырья - рапса, конопли, бананов, бобовых, цитрусовых. В шести государствах ЕС, а также в США, Канаде, Бразилии, Малайзии такое биологическое топливо производят в промышленных масштабах, но все же его доля в топливном балансе не превышает 0,3%.

До конца XX столетия двигатель внутреннего сгорания остаётся основной движущей силой автомобиля. В связи с этим единственный путь решения энергетической проблемы автомобильного транспорта – это создание альтернативных видов топлива. Новое горючее должно удовлетворить очень многим требованиям: иметь необходимые сырьевые ресурсы, низкую стоимость, не ухудшать работу двигателя, как можно меньше выбрасывать вредных веществ, по возможности сочетаться со сложившейся системой снабжения топливом и др.

Нефть сегодня - основной и наиболее востребованный энергоресурс.

В последнее время большое количество зарубежных научно-исследовательских центров моторостроительных фирм проводят исследования, направленные на экономию топлива и замену традиционных жидких углеводородных топлив новыми видами.

Альтернативные виды топлива можно классифицировать следующим образом:

- по составу: углеводородно-кислотные (спирты), эфиры, эстеры, водородные топлива с добавками;

- по агрегатному состоянию: жидкие, газообразные, твердые;

- по объемам использования: целиком, в качестве добавок;

- по источникам сырья: из угля, торфа, сланцев, биомассы, горючего газа, электроэнергии и др.

К альтернативным видам топлива относятся:

1) природный газ

Природный газ в большинстве стран является наиболее распространенным видом альтернативного моторного топлива. Природный газ в качестве моторного топлива может применяться как в виде компримированного, сжатого до давления 200 атмосфер, газа, так и в виде сжиженного, охлажденного до -160°С газа. В настоящее время наиболее перспективным является применение сжиженного газа (пропан-бутан). В Европе это топливо называется LPG (Liquefiedpetroleumgas - сжиженный бензиновый газ). В то время как сжатый газ (метан) находится в баках под давлением 200 бар, что само по себе представляет повышенную опасность, LPG сжиживается при давлении 6-8 бар. В Европе сегодня насчитывается около 2,8 млн машин, работающих на LPG.

2) газовый конденсат

Использование газовых конденсатов в качестве моторного топлива сведено к минимуму из-за следующих недостатков: вредное воздействие на центральную нервную систему, недопустимое искрообразование в процессе работы с топливом, снижение мощности двигателя (на 20%), повышение удельного расхода топлива.

3) диметилэфир

Диметилэфир является производной метанола, который получается в процессе синтетического преобразования газа в жидкое состояние. Существуют разработки по переоборудованию дизельных двигателей под диметилэфир. При этом существенно улучшаются экологические характеристики двигателя.

В отличие от сжиженного природного газа, диметилэфир менее конкурентоспособен, в основном по причине того, что теплотворная способность на тонну диметилэфира на 45% ниже теплотворности на тонну сжиженного природного газа. Также для производства диметилэфира требуется не только более высокий уровень предварительных капиталовложений, но и больший объем сырьевого газа для производства продукта с эквивалентной теплотворной способностью.

4) этанол и метанол

Этанол (питьевой спирт), обладающий высоким октановым числом и энергетической ценностью, добывается из отходов древесины и сахарного тростника, обеспечивает двигателю высокий КПД и низкий уровень выбросов и особо популярен в теплых странах.

Стоимость этанола в среднем гораздо выше себестоимости бензина.

Метанол как моторное топливо имеет высокое октановое число и низкую пожароопасность. Данные обстоятельства обеспечивают его широкое применение на гоночных автомобилях. Метанол может смешиваться с бензином и служить основой для эфирной добавки - метилтретбутилового эфира, который в настоящее время замещает в США большее количество бензина и сырой нефти, чем все другие альтернативные топлива вместе взятые.

5) синтетический бензин

Сырьем для его производства могут быть уголь, природный газ и другие вещества. Наиболее перспективным считается синтезирование бензина из природного газа. Из 1 м3 синтез-газа получают 120-180 г синтетического бензина. За рубежом, в отличие от России, производство синтетических моторных топлив из природного газа освоено в промышленном масштабе. Однако в настоящее время синтетические топлива из природного газа в 1,8-3,7 раза (в зависимости от технологии получения) дороже нефтяных.

6) электрическая энергия

Заслуживает внимания применение электроэнергии в качестве энергоносителя для электромобилей. Кардинально решается вопрос, связанный с токсичностью отработанных газов, появляется возможность использования нефти для получения химических веществ и соединений. К недостаткам электроэнергии как вида электроносителя можно отнести: ограниченный запас хода электромобиля, увеличенные эксплуатационные расходы, высокая первичная стоимость, высокая стоимость энергоемких аккумуляторных батарей.

7) топливные элементы

Топливные элементы - это устройства, генерирующие электроэнергию непосредственно на борту транспортного средства, - в процессе реакции водорода и кислорода образуются вода и электрический ток. В качестве водородосодержащего топлива, как правило, используется либо сжатый

водород, либо метанол. к недостаткам применения топливных элементов следует отнести повышенную взрывоопасность водорода и необходимость выполнения специальных условий его хранения, а также высокую себестоимость получения водорода.

8) биодизельное топливо

Применение биодизельного топлива связано, в первую очередь, со значительным снижением эмиссии вредных веществ в отработанных газах (на 25-50%), улучшением экологической обстановки в регионах интенсивного использования дизелей (города, реки, леса, открытые разработки угля (руды), помещения парников и т.п.) - cодержание серы в биодизельном топливе составляет 0,02%.

9) биогаз

Представляет собой смесь метана и углекислого газа и является продуктом метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения. Биогаз относится к топливам, получаемым из местного сырья. Хотя потенциальных источников для его производства достаточно много, на практике круг их сужается вследствие географических, климатических, экономических и других факторов.

Биогаз как альтернативный энергоноситель может служить высококалорийным топливом. Предназначен для улучшения технико-эксплуатационных и экологических показателей работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и стационарных энергоустановок. Биогаз, представляющий собой продукты брожения отходов биологической деятельности человека и животных, содержит приблизительно 68% СН4, 2% Н2 и до 30% СО2. После отмывки от углекислоты этот газ является достаточно однородным топливом, содержащим до 80% метана с теплотворной способностью более 25 МДж/м3. Применение биогаза в качестве топлива для ДВС осуществляется путем использования серийно выпускаемой топливной аппаратуры для природного газа с коррекцией соотно-шения “топливо-воздух”.

10) отработанное масло

В настоящее время на ряде предприятий различных стран мира весьма эффективно работают установки, преобразующие отработанное масло (моторное, трансмиссионное, гидравлическое, индустриальное, трансформаторное, синтетическое и т. д.) в состояние, которое позволяет полностью использовать его в качестве дизельного или печного топлива. Установка подмешивает высокоочищенные (в установке) масла в соответствующее топливо, в точно заданной пропорции, с образованием навсегда стабильной, неразделяемой топливной смеси. Полученная смесь имеет более высокие параметры по чистоте, обезвоживанию и теплотворной способности, чем дизельное топливо до его модификации в установке.

11) водород как альтернативное топливо

Водород является эффективным аккумулятором энергии. Применение водорода в качестве топлива возможно в разнообразных условиях, что может дать существенный вклад в мировую энергетику, когда ресурсы ископаемого топлива будут близки к полному истощению. По сравнению с бензином и дизельным топливом водород более эффективен и меньше загрязняет окружающую среду. Взрывоопасность водорода резко снижается с применением специальных присадок (например, добавка 1% пропилена делает Н₂ безопасным).

12) спирты

Среди альтернативных видов топлива в первую очередь следует отметить спирты, в частности метанол и этанол, которые можно применять не только как добавку к бензину, но и в чистом виде. Их главные достоинства – высокая детонационная стойкость и хороший КПД рабочего процесса, недостаток – пониженная теплотворная способность, что уменьшает пробег между заправками и увеличивает расход топлива в 1,5-2 раза по сравнению с бензином. Кроме того, из-за плохой испаряемости метанола и этанола затруднён запуск двигателя.

Использование спиртов в качестве автомобильного топлива требует незначительной переделки двигателя. Например, для работы на метаноле достаточно перерегулировать карбюратор, установить устройство для стабилизации запуска двигателя и заменить некоторые подверженные коррозии материалы более стойкими. Учитывая ядовитость чистого метанола, необходимо предусмотреть тщательную герметизацию топливоподающей системы автомобиля.

1.2 Основные эксплуатационные свойства трансмиссионных масел

Трансмиссионные масла предназначены для применения в узлах трения агрегатов трансмиссий легковых и грузовых автомобилей, автобусов, тракторов, тепловозов, дорожно-строительных и других машин, а также в различных зубчатых редукторах и червячных передачах промышленного оборудования.

Трансмиссионные масла представляют собой базовые масла, легированные различными функциональными присадками.

В качестве базовых компонентов используют минеральные, частично или полностью синтетические масла.

Общие требования

В агрегатах трансмиссий смазочное масло является неотъемлемым элементом конструкции. Способность масла выполнять и длительно сохранять функции конструкционного материала определяется его эксплуатационными свойствами. Общие требования к трансмиссионным маслам определяются конструкционными особенностями, назначением и условиями эксплуатации агрегата трансмиссии.

Трансмиссионные масла работают в режимах высоких скоростей скольжения, давлений и широком диапазоне температур. Их пусковые свойства и длительная работоспособность должны обеспечиваться в интервале температур от -60 до +150 °С. Поэтому к трансмиссионным маслам предъявляют довольно жесткие требования.

Основные функции трансмиссионных масел:

· предохранение поверхностей трения от износа, заедания, питтинга и других повреждений;

· снижение до минимума потерь энергии на трение;

· отвод тепла от поверхностей трения;

· снижение шума и вибрации зубчатых колес, уменьшение ударных нагрузок;

· масла не должны быть токсичными.

Для обеспечения надежной и длительной работы агрегатов трансмиссий смазочные масла должны обладать определенными характеристиками:

· иметь достаточные противозадирные, противоизносные и противопиттинговые свойства;

· обладать высокой антиокислительной стабильностью;

· иметь хорошие вязкостно-температурные свойства;

· не оказывать коррозионного воздействия на детали трансмиссии;

· иметь хорошие защитные свойства при контакте с водой;

· обладать достаточной совместимостью с резиновыми уплотнениями;

· иметь хорошие антипенные свойства;

· иметь высокую физическую стабильность в условиях длительного хранения.

Все эти свойства трансмиссионного масла могут быть обеспечены путем введения в состав базового масла соответствующих функциональных присадок: депрессорной, противозадирной, противоизносной, антиокислительной, антикоррозионной, противоржавейной, анти-пенной и др.

Название не означает, что любой агрегат, относящийся к автомобильной трансмиссии, смазывается именно трансмиссионным маслом. У большинства переднеприводных легковых машин в коробку передач, совмещенную с главной передачей, изготовители предписывают заливать моторное масло. Шестерни в таких агрегатах только цилиндрические, поэтому опасность задиров невелика. Для автоматических коробок не годится ни трансмиссионное, ни моторное. Эти устройства специфичны, для их работы требуется маловязкая жидкость, которую в международной практике принято называть ATF (Automatic Transmission Fluid). Что же касается обычных легковых и грузовых автомобилей с классической компоновкой, а также полноприводных и некоторых переднеприводных, то в их агрегатах используются исключительно трансмиссионные масла.

В нашей стране характеристики и обозначения этих смазочных материалов прежде диктовались соответствующими советскими стандартами (ГОСТами), но теперь, в условиях широкого проникновения импортных продуктов, преобладающей стала международная классификация.

Вязкость

Сегодня повсюду в мире пользуются классификацией вязкости SAE J306, разработанной в США. Ее нормативы и система индексации представлены в соответствующей таблице 1.1.

Таблица 1.1

Классы вязкости, у которых числовой показатель сопровождается буквой "W" (winter - зима) , относятся к сезонным маслам, применяемым в холодное время года. Без него - к сезонным для теплого летнего времени.

В эксплуатационной практике сезонные трансмиссионные масла неудобны, да и экономически невыгодны. Срок службы масел в коробках и мостах достаточно дорог, а сезонная замена вынуждается избавляться от продукта, который далеко не выработал свой ресурс. Поэтому и преимущественное распространение получили так называемые загущенные (в обиходе - всесезонные) масла.

Такой продукт сочетает в себе свойства двух сортов масла - летнего и зимнего, маркировки которых присутствуют в его индексе. Сам же индекс складывается из этих двух обозначений, написанных через дефис (75W-90, 85W0140 и т.п.).

Эксплуатационные свойства

Разработанная американским институтом API классификация содержит комплексную оценку трансмиссионных масел по эксплуатационным свойствам. Сегодня она принята повсеместно (табл. 1.2). Пять категорий, предусмотренных системой, показывают применяемость и качественный уровень продуктов, помечаемых соответствующим индексом. Классификация ныне действующего отечественного ГОСТа практически заключается только в буквах, стоящих в начале индекса.

Таблица 1.2

1.3 Улучшение аэродинамики автомобиля – эффективный путь экономии топлива

Форма автомобиля играет немаловажную роль в экономии топлива. Но это еще не все. Сопротивлению воздуха помогают загруженный багажник на крыше, различные дополнительно установленные наружные элементы. Открытые окна на скорости уже в 50 км/ч повышают расход. А при скорости в 90 км/ч будьте готовы сжечь дополнительно процентов восемь топлива.

Аэродинамика автомобилей изучается двумя основными методами — испытаниями в аэродинамической трубе и компьютерным моделированием. Аэродинамические трубы для испытания автомобилей иногда оснащаются подвижной дорожкой, имитирующей движущееся дорожное полотно. Кроме того, колеса испытываемого автомобиля могут приводятся во вращение. Эти меры принимаются для того, чтобы учесть влияние дорожного полотна и вращающихся колес на потоки воздуха.

Современная автомобильная аэродинамика решает множество задач, в том числе и задачу экономии топлива. Специалисты должны не только добиться минимального сопротивления воздуха, но и отследить величину и распределение по осям подъемной силы, ведь нынешние автомобили достигают тех скоростей, на которых самолеты уже отрываются от земли. Необходимо предусмотреть и доступ воздуха для охлаждения двигателя и тормозных дисков, продумать вентиляцию салона, расположив в нужных местах отверстия для забора и вытяжки воздуха. Аэродинамика определяет уровень шумов в салоне, заботится о том, чтобы захватывающие грязь воздушные потоки не попадали на стекла, зеркала, фонари и ручки дверей. С ростом скорости не должно меняться и качество очистки лобового стекла.

Зная аэродинамические параметры автомобиля, легко оценить его экономичность на высоких скоростях.

Часть II

2.1 Задача 1

Определить требуемое количество топлива и указать марку автомобильного бензина по ГОСТ Р 51105-97 и дизтоплива по ГОСТ 305-82

Таблица 2.1

Автомобиль работает в городе с населением свыше 1 млн. человек.

Решение

В общем случае нормативный расход автомобильного бензина, дизельного топлива и газового топлива при расчете с водителями, выполняющими различные виды перевозок, определяются по формуле:

Q_Н = К₁* L/100*(1±D) + К₂*Р/100 + К₃m, л

Где Q_Н – нормативный расход топлива, л;

L- пробег автомобиля или поезда, км;

К₁ - базовая норма расхода топлива на пробег, л/100 км;

К₂ - норма расхода топлива на транспортную работу и на дополнительную массу прицепа или прицепа, л/100 м;

К₃ - норма расхода топлива на ездку с грузом, л/ездка;

P - объем транспортной работы, ткм;

m - количество ездок с грузом;

D - поправочный коэффициент (суммарная относительная надбавка или снижение) к нормам в долях единицы.

Для грузовых таксомоторов, легковых автомобилей, автомобилей, а также грузовых автомобилей, выполняющих транспортную работу не учитываемую в ткм (с почасовой оплатой)

Q_Н = К₁*L/100 * (1±D), л

L = 140 км;

К₁ = 10 л/100 км;

Линейные нормы расхода топлива повышаются при условии работы автотранспорта в черте города, требующей частых остановок – до 10%.

D = 10% = +0,1

Следовательно Q_Н = 10*140/100*(1+0,1) = 15,4 л.

Для данного автомобиля используют автомобильный бензин марки АИ-92.

2.2 Задача 2

Автотранспортное предприятие имеет 1000 автомобилей, в том числе 700 с бензиновыми и 300 с дизельными двигателями. Из 700 бензиновых автомобилей (ГАЗ-302, Газ-3307 и их модификаций) – 200 находятся в эксплуатации менее 3 лет; 300 – от 3 до 8 лет и 200 – свыше 8 лет. Дизельные (МАЗ-5335, МАЗ-53352, МАЗ-504) – соответственно – 50, 200, 50 автомобилей.

Решение

Групповые нормы расхода смазочных материалов рассчитываются на основе индивидуальных норм расхода масла и специальных жидкостей, с учетом состава, структуры парка подвижного состава и времени нахождения автомобилей в эксплуатации отдельно на каждый вид масла (моторные, трансмиссионные, специальные и т.п.) или смазки:

Н_М = (K₁*N_M1*A_C1 + K₂*N_M2*A_C2 + K₃*N_M3*A_C3) / (A_C1 + A_C2 + A_C3), л/100 л,

где Н_М – групповая норма расхода масла для автопарка, л/100 л расхода топлива;

К₁, К₂, К₃ – коэффициенты учитывающие время нахождения в эксплуатации, К₁ = 0,5, К₂ = 1, К₃ = 1,2;

N_M1, N_M2, N_M3 – индивидуальная для данной возрастной группы автомобилей норма расхода масла (смазки) по табл.2.2. Примем для всех возрастных групп одинаковую норму;

A_C1, A_C2, A_C3 – количество автомобилей данной возрастной группы (до 3 лет, от 3 до 8 лет, свыше 8 лет).

Таблица 2.2

Для бензиновых автомобилей:

1) моторные

К₁ = 0,5, К₂ = 1, К₃ = 1,2;

N_M1 = N_M2 = N_M3 = 2,4;

A_C1 = 200, A_C2 = 300, A_C3 = 200;

Н_М = (0,5*2,4*200 + 1*2,4*300 + 1,2*2,4*200) / (200 + 300 + 200) = 2,2 л/100 л;

2) трансмиссионные

К₁ = 0,5, К₂ = 1, К₃ = 1,2;

N_M1 = N_M2 = N_M3 = 0,3;

A_C1 = 200, A_C2 = 300, A_C3 = 200;

Н_М = (0,5*0,3*200 + 1*0,3*300 + 1,2*0,3*200) / (200 + 300 + 200) = 0,28 л/100 л;

3) специальные

К₁ = 0,5, К₂ = 1, К₃ = 1,2;

N_M1 = N_M2 = N_M3 = 0,1;

A_C1 = 200, A_C2 = 300, A_C3 = 200;

Н_М = (0,5*0,1*200 + 1*0,1*300 + 1,2*0,1*200) / (200 + 300 + 200) = 0,09 л/100 л;

4) пластические смазки

К₁ = 0,5, К₂ = 1, К₃ = 1,2;

N_M1 = N_M2 = N_M3 = 0,2;

A_C1 = 200, A_C2 = 300, A_C3 = 200;

Н_М = (0,5*0,2*200 + 1*0,2*300 + 1,2*0,2*200) / (200 + 300 + 200) = 0,18 л/100 л.

Для дизельных автомобилей:

1) моторные

К₁ = 0,5, К₂ = 1, К₃ = 1,2;

N_M1 = N_M2 = N_M3 = 3,2;

A_C1 = 50, A_C2 = 200, A_C3 = 50;

Н_М = (0,5*3,2*50 + 1*3,2*200 + 1,2*3,2*50) / (50 + 200 + 50) = 3,04 л/100 л;

2) трансмиссионные

К₁ = 0,5, К₂ = 1, К₃ = 1,2;

N_M1 = N_M2 = N_M3 = 0,4;

A_C1 = 50, A_C2 = 200, A_C3 = 50;

Н_М = (0,5*0,4*50 + 1*0,4*200 + 1,2*0,4*50) / (50 + 200 + 50) = 0,38 л/100 л;

3) специальные

К₁ = 0,5, К₂ = 1, К₃ = 1,2;

N_M1 = N_M2 = N_M3 = 0,1;

A_C1 = 50, A_C2 = 200, A_C3 = 50;

Н_М = (0,5*0,1*50 + 1*0,1*200 + 1,2*0,1*50) / (50 + 200 + 50) = 0,095 л/100 л;

4) пластические смазки

К₁ = 0,5, К₂ = 1, К₃ = 1,2;

N_M1 = N_M2 = N_M3 = 0,3;

A_C1 = 50, A_C2 = 200, A_C3 = 50;

Н_М = (0,5*0,3*50 + 1*0,3*200 + 1,2*0,3*50) / (50 + 200 + 50) = 0,285 л/100 л.

Всего по автопарку:

1) моторные Н_М = 5,24 л/100 л;

2) трансмиссионные Н_М = 0,66 л/100 л;

3) специальные Н_М = 0,185 л/100 л;

4) пластические смазки Н_М = 0,465 л/100 л;

Список литературы

1. Аксёнов И.Я., Аксёнов В.И. Транспорт и охрана окружающей среды. – М.: Транспорт, 1986.

2. http://autogear.ru/toyota_repair/transmission/3882,print/

3. http://www.petroltrade.ru/n_transmmasl.html

4. http://www.autotechnic.su/technology/aero/aero.html

5. Википедия

6. ГОСТ Р 51102-97