Применение двигателей внутреннего сгорания: Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания

Определение 1

Двигатель внутреннего сгорания — двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере двигателя.

Первый двигатель внутреннего сгорания (коммерчески успешный) был создан Этьеном Ленуар около $1859$ г. и первый современный двигатель внутреннего сгорания был создан в $1876$ году Николаусом Отто.

Двигатели внутреннего сгорания чаще всего используются для приведения в движение транспортных средств — (автомобилей, мотоциклов, судов, локомотивов, самолетов) и других мобильных машин.

Применение

Поршневые двигатели являются на сегодняшний день наиболее распространенным источником питания для наземных и водных транспортных средств, в том числе автомобилей, мотоциклов, кораблей и в меньшей степени, локомотивов (некоторые из них электрические, но большинство используют дизельные двигатели). Роторные двигатели конструкции Ванкеля используются в некоторых автомобилях, самолетах и мотоциклах.

Там, где требуются очень высокие соотношения мощности к весу, двигатели внутреннего сгорания используются в виде турбин внутреннего сгорания или двигателей Ванкеля.

Классификация

Есть несколько возможных способов классификации двигателей внутреннего сгорания.

Поршневые:

По количеству ударов

• Двухтактный двигатель;
• Четырехтактный двигатель (с циклом Отто)
• Шеститактный двигатель

По типу розжига

• Двигатель с воспламенением от сжатия;
• Двигатель с искровым зажиганием (обычно встречаются в бензиновых двигателях)

Роторные:

Следующие типы реактивных двигателей также типы газовых турбин:

• турбореактивный
• турбовентиляторный
• турбовинтовой

Запуск (стартер)

Стартер является электродвигателем, пневматическим двигателем, гидравлическим двигателем, двигателем внутреннего сгорания, используемый для вращения двигателя внутреннего сгорания таким образом, чтобы инициировать работу двигателя под его собственной силой.

Двигатели внутреннего сгорания должны иметь циклы, с которых начинается запуск. В поршневых двигателях это достигается путем поворота коленчатого вала, который запускает циклы пуска, сжатия, сгорания и выхлопа.

Готовые работы на аналогичную тему

Замечание 1

Наиболее часто встречающиеся способы запуска ДВС сегодня это с помощью электрического двигателя.

Другой способ запуска является использование сжатого воздуха, который прокачивают в некоторых цилиндрах двигателя, для того, чтобы запустить его.

Турбинные двигатели часто запускаются с помощью электромотора.

Загрязнение воздуха

Двигатели внутреннего сгорания, такие как поршневые двигатели внутреннего сгорания, производят выбросы в воздух, из-за неполного сгорания углеродистого топлива. Основные производные процесса являются диоксид углерода СО2, вода и сажа – ее также называют твердой частицей. Следствия от вдыхания частиц были изучены в организме человека и животных, и включают в себя астму, рак легких, сердечно — сосудистые проблемы, и преждевременную смерть. Есть, однако, некоторые дополнительные продукты процесса горения, которые включают оксиды азота и серы, а также некоторые несгоревшие углеводороды, которые зависят от условий эксплуатации.

Не все топливо полностью израсходуется в процессе сгорания. Небольшое количество топлива, присутствует после сгорания, а некоторое вступает в реакцию с образованием кислородсодержащих соединений, таких как формальдегид или ацетальдегид. Неполное сгорание обычно возникает в результате недостатка кислорода для достижения идеального стехиометрического соотношения.

Угольное топливо содержит серу и примесь, которое в конечном счете производит монооксид и диоксид серы, который содержится в выхлопных газах, что способствует кислотным дождям.

Применение — двигатель — внутреннее сгорание

Применение — двигатель — внутреннее сгорание

Cтраница 1

Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно. Они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах.  [1]

Применение двигателей внутреннего сгорания, работающих на жидком топливе, однако, ограничивается транспортными и судовыми установками вследствие меньших ресурсов жидкого топлива сравнительно с каменным углем. Двигатели внутреннего сгорания на стационарных установках применяются также в районах, где жидкое и газообразное топливо используется в качестве основного, о районах безводных и для специальных установок.  [2]

Эффективность применения двигателей внутреннего сгорания в значительной степени определяется их долговечностью и надежностью в эксплуатации. Одним из важных факторов при этом является износостойкость пар трения, зависящая не только от металлофизических характеристик поверхностей трения, но и от свойств смазочного масла, способов подачи к узлам трения, а также от конструкции системы смазки. Для обеспечения надежной работы современных двигателей внутреннего сгорания большое значение имеет предотвращение образования в них лаков, нагаров, низкотемпературных осадков, коррозии поверхностей некоторых деталей, а также очистка масла в двигателях ( фильтрация, центрифугирование) от образующихся в нем механических примесей. Все перечисленные вопросы отражены в книге.  [3]

При применении двигателя внутреннего сгорания муфта сцепления позволяет включить барабан яобедкк, ротор при работающих двигателях, зя.  [4]

Не допускается применение двигателей внутреннего сгорания ( ДВС) и газотурбинных установок на МНГС без выполнения специальных требований к помещениям этих установок, исключающих доступ в них взрывоопасных смесей при загазованности МНГС.  [5]

При необходимости применения двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей в нормальном исполнении их необходимо устанавливать за глухой несгораемой стеной в отдельном помещении, а валы, соединяющие двигатель с насосом, в местах прохода через стену следует пропускать через герметические сальники.  [6]

С расширением применения двигателей внутреннего сгорания noi eo — ность в бензине непрерывно увеличивалась.  [7]

Единственным преимуществом применения двигателей внутреннего сгорания является значительно меньший расход топлива, чем во всех остальных типах двигателей. В среднем небольшой одноцилиндровый двухтактный дизель потребляет топлива 0 25 кг на 1 л. с. — час. Двухцилиндровый двухтактный двигатель с ка-лильной головкой расходует около 0 4 кг топлива на 1 л. с. — час. Расход топлива у двигателя внутреннего сгорания, как мы видим, почти в 4 — 10 раз меньше, чем у промысловой паровой машины. Таким образом, с точки зрения экономии жидкого топлива двигатель внутреннего сгорания имеет значительные преимущества перед паровой машиной.  [8]

Повышение экономичности применения двигателей внутреннего сгорания, снижение трудоемкости технического ухода за ними имеет важное народнохозяйственное значение. Большую роль при этом играет установление обоснованных сроков замены масла. Малые сроки замены масла приводят к значительному его перерасходу; особенно это заметно в связи с тем, что ряд удачных конструктивных и технологических решений способствовал снижению проникновения масла в камеры сгорания и его расхода на угар в современных двигателях.  [9]

С расширением применения двигателей внутреннего сгорания поа ьб-ность в бензине непрерывно увеличивалась.  [11]

В настоящее время применение двигателей внутреннего сгорания на промыслах весьма ограничено.  [12]

Исключительное разнообразие областей применения двигателей внутреннего сгорания обусловливает соответственно и многообразие конструктивных форм этих двигателей, а также значительные трудности их классификации.  [13]

В виду чрезвычайного разнообразия областей применения двигателей внутреннего сгорания и соответственно многочисленности конструкций и типов двигателей, различающихся как по условиям работы, так и по видам применяемого топлива, не представляется возможным дать единые нормы испытаний для всех двигателей внутреннего сгорания. Вместе с тем по условиям работы двигатели внутреннего сгорания могут быть разделены на три основные группы: 1) двигатели, работающие при постоянном числе оборотов под воздействием скоростного регулятора, — стационарные и с ручной регулировкой — судовые; 2) двигатели, работающие при переменных числах оборотов, обычно быстроходные — автотракторные и 3) двигатели, хотя и работающие при постоянном высоком числе оборотов, но в специфич.  [14]

Как видно из предыдущего, при применении двигателей внутреннего сгорания, в особенности паровых, силовые установки расходуют значительное количество воды.  [15]

Страницы:      1    2    3

области применения ДВС. Классификация ДВС

Типы автомобильных двигателей

Среди двигателей, применяющихся в настоящее время, а также перспективных для использования на автомобильном транспорте, следует отметить следующие типы:

1. Двигатели внутреннего сгорания, которые подразделяют на поршневые и роторно-поршневые.

2. Газотурбинные двигатели (ГТД).

3. Двигатели внешнего сгорания (паровые, двигатели Стирлинга).

4. Электрические двигатели.

5. Криогенные двигатели.

6. Инерционные двигатели.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) в настоящее время являются наиболее распространенными автомобильными двигателями. В этих двигателях топливо сгорает непосредственно внутри рабочего органа — цилиндра (в поршневых двигателях) или в полости, образованной ротором и корпусом (в роторных двигателях). Основным преимуществом ДВС является непосредственное воздействие продуктов сгорания топлива на поршень. Это дает возможность добиться сравнительно высоких значений термического коэффициента полезного действия (ТКПД).

Высокая (по сравнению с другими типами тепловых двигателей) экономичность ДВС, возможность построения их в большом диапазоне мощностей, достаточно быстрый пуск, небольшие масса и размеры, сравнительно невысокая стоимость, большой ресурс обусловили их широчайшее распространение в различных сферах деятельности. ДВС в настоящее время являются практически единственным типом двигателей в силовых агрегатах не только автомобилей, но и тракторов, сельскохозяйственной техники, дорожных, строительных машин. Судовые, локомотивные и авиационные силовые установки малой мощности обычно также представлены двигателями внутреннего сгорания различных типов.

Области применения ДВС

Поршневые и комбинированные двигатели в зависимости от их назначения изготовляются с мощностью от нескольких сот ватт до 40000кВт. Основные области их применения:

1. Автомобильный транспорт, тракторы, сельхозмашины и др.

2. Железнодорожный транспорт, в т.ч. энергопоезда.

3. Морской и речной флот, катера.

4. Легкомоторная авиация.

5. Строительная, дорожная техника (экскаваторы, бульдозеры, скреперы, грейдеры, самоходные краны, компрессоры, передвижные электростанции и др.).

6. Стационарная электроэнергетика.

7. Привод компрессоров, насосов на трубопроводах, в бурильных установках.

8. Модели и модельные установки.

9. Военная и специальная техника.

Классификация ДВС.

Признаки классификации ДВС могут быть различными и определяются как назначением, особенностями практического применения, так и принципами построения, элементами конструкции и др. Поэтому при некоторой условности все же следует отметить следующие общепринятые принципы и признаки классификации поршневых двигателей.

1. По назначению: стационарные, переносные, транспортные (автомобильные, тракторные, судовые, авиационные и др.).

2. По роду применяемого топлива: двигатели легкого топлива, тяжелого, газообразного, многотопливные.

3. По способу осуществления зарядки цилиндров: четырехтактные и двухтактные двигатели.

4. По способу смесеобразования: двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием.

5. По способу воспламенения смеси: двигатели с искровым зажиганием и двигатели с воспламенением от сжатия.

6. По конструктивному расположению цилиндров и схеме: рядные и звездообразные, вертикальные и горизонтальные схемы. Кроме того, рядные двигатели подразделяют на V-, W-, H-, Y- и X-образные и др. Некоторые варианты компоновки представлены на рис.1.1.

7. По способу охлаждения двигатели разделяют на двигатели с жидкостным и воздушным охлаждением.

Помимо перечисленных признаков иногда двигатели классифицируют по способам регулирования, скорости вращения, признакам цикла, наличию систем наддува и т.д.

В современных автомобилях применяются преимущественно четырехтактные поршневые двигатели с рядным, V-образным и оппозитным расположением цилиндров.

История и причины появления поршневых двигателей внутреннего сгорания

Первые поршневые двигатели внутреннего сгорания, получившие довольно широкое распространение в шестидесятых годах XIX века, работали на светильном газе. Их конструктором был Э.Ленуар, двигатели работали без предварительного сжатия рабочей смеси. Появившиеся вслед за ними двигатели, построенные немецким изобретателем Н. Отто в 1867-1872 гг., также работали на светильном газе, были четырехтактными, имели предварительное сжатие рабочей смеси и искровое зажигание. Теоретические основы рабочих процессов этих двигателей были разработаны значительно раньше появления реальных машин французскими учеными С. Карно (1721 г.) и Бо-де Роша (1854 г.).

 С появлением дизельных двигателей (кстати, впервые электростанции Energo (Франция) стали использовать данный тип оборудования), экономично работающих на тяжелом нефтяном топливе, и бензиновых двигателей, газ как топливо был практически полностью вытеснен жидкими нефтяными продуктами. Своим успехом последние обязаны высокой концентрации энергии в единице объема, простоте перевозки и хранения. Газовые двигатели продолжали применять только на крупных металлургических предприятиях, где они работали на местном доменном, коксовом или угольном газах.

 Однако по основным техническим показателям, характеризующим эффективность использования топлива в двигателе, жидкие нефтяные топлива уступают газам. Так, при применении газового топлива в 1,5–2 раза уменьшается износ основных деталей цилиндро-поршневой группы, существенно снижается токсичность выпускных газов, увеличивается срок службы и уменьшается расход смазки, а также снижаются расходы на топливо. Поэтому, как только добыча и производство природного газа и сжиженных бутано-пропановых смесей достигли большого объема, применение газовых двигателей, выполненных к тому же на новом, более высоком техническом уровне, стало технически и экономически оправданным.

 Основные факторы, которые обусловили возрождение газовых двигателей, сводятся к следующему:

• бурное развитие газовой промышленности;
• технико-экономическое и экологическое преимущества газа как топлива;
• технический прогресс газовых двигателей, обеспечивающий полное использование выгодных свойств газа как топлива для двигателей.

Коэффициент полезного действия (КПД) газовых двигателей практически равен КПД дизелей такого же класса (обратите внимание, что этими показателями не могут похвастаться дизельные генераторы). Как правило, газовые двигатели строят на базе дизелей, с которыми они конструктивно и технологически хорошо унифицируются. Именно этим объясняется то, что большинство фирм, выпускающих дизели, предлагают потребителю их газовые модификации.

Двигатели, работающие на природном газе, широко используют для привода электрогенераторов, насосов, компрессоров. Их единичная мощность достигает десятков мегаватт, а электростанций с газовыми двигателями — сотен мегаватт.

 Сжиженные газы применяют для двигателей малой и средней мощности, предназначенных, главным образом, для установки на тракторы, бурильные установки, автобусы и легковые автомобили. Кроме того, сжиженные газы применяют для отопления жилых домов, теплиц и бытовых установок.

Основными требованиями, предъявляемыми к газовым двигателям и агрегатам на их базе, являются надежность, оптимальный режим работы, ориентированный на получение максимального технического эффекта (в частности, высокого КПД), оптимальный объем автоматизации, простота обслуживания, ремонтопригодность и, возможно, низкая стоимость.

Основы работы двигателей внутреннего сгорания

Тепловые двигатели — это машины, в которых химическая энергия топлива преобразуется сначала в тепловую энергию, а затем в механическую работу. К тепловым двигателям относятся паровые машины, паровые турбины, поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС). газотурбинные двигатели (ГТД), комбинированные турбо-поршневые двигатели, реактивные двигатели.

Особенность применяемых на тепловозах двигателей внутреннего сгорания поршневого типа состоит в том, что превращение химической энергии в тепловую, совершающееся при сгорании топлива, происходит непосредственно в самом рабочем цилиндре

Рис 11. Принципиальная схема двигателя внутреннего сгоранияв течение очень короткого времени (тысячных долей секунды) при высоких температурах. Это и обусловливает преимущества поршневых ДВС — малые тепловые и гидравлические потери и высокий коэффициент полезного действия, а также компактность.

Процесс превращения тепла в двигателях внутреннего сгорания в работу можно проследить по схеме, изображенной на рис. 11. Поступивший в цилиндр двигателя через клапан 5 воздух сжимается поршнем и нагревается при этом до температуры 600-650 °С, что выше температуры самовоспламенения распыленного жидкого топлива. В конце сжатия в нагретый воздух впрыскивается через форсунку 4 топливо, которое воспламеняется и сгорает. В результате сгорания топлива в цилиндре 2 образуются газы с высокой температурой и давлением. Под давлением газов поршень 1 перемещается вниз и совершает работу. Во время расширения температура и давление газов понижаются. Отдав часть тепла на совершение работы, отработавшие газы выбрасываются в атмосферу через выпускной клапан 3 при движении поршня 1 вверх, а свежий воздух вновь поступает в цилиндр. Затем все повторяется снова. Двигатели внутреннего сгорания имеют шатунно-кривошипный механизм, состоящий из поршня 1, шатуна 6, кривошипа 7 и вала 8. Этот механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение вала.

В течение одного оборота кривошипа поршень 2 раза изменяет направление движения. Это происходит в так называемых «мертвых» положениях (или «мертвых» точках) механизма, которые характерны тем, что сила, действующая на поршень, находящий ся в одном из этих положений, не вызывает вращающего момента на кривошипе. Между поршнем, находящимся в верхней мертвой точке (в.м.т.), и крышкой цилиндра заключен объем пространства сжатия или камеры сжатия. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия называется степенью сжатия.

Для удовлетворения нужд народного хозяйства двигатели внутреннего сгорания поставляются промышленностью в разнообразном исполнении: мощностью от I до 20 000 кВт в одном агрегате, с числом цилиндров от 1 до 20 и более, частотой вращения вала от 120 до 6000 об/мин.

Двигатели современных тепловозов имеют мощность от 400 до 5000 кВт, частоту вращения вала 750- 1500 об/мин, число цилиндров от 4 до 20. Они расходуют от 200 до 230 г дизельного топлива на 1 кВт-ч выработанной энергии. Удельная масса тепловозных двигателей внутреннего сгорания составляет от 2,5 до 18,5 кг/(кВт-ч)

Способы зажигания топлива. По способу воспламенения топлива поршневые двигатели внутреннего сгорания делятся на двигатели с принудительным зажиганием (низкого сжатия) и с самовоспламенением (высокого сжатия) — дизели. На тепловозах применяются исключительно двигатели высокого сжатия — дизели типов: Д100, Д45, Д50, М750, Д49, Д70. Они значительно экономичнее и мощнее, чем двигатели низкого сжатия.

Двигатели низкого сжатия работают на легком топливе (бензине и керосине). В этих двигателях в цилиндры засасывается не воздух, а рабочая смесь (пары бензина и воздух). Смесь сжимается до температуры, меньшей, чем температура ее самовоспламенения, поэтому зажигание смеси осуществляется принудительно от постороннего источника. В большинстве случаев применяется электрическое зажигание: в цилиндр двигателя вставляют электрическую свечу, включенную в цепь высокого напряжения. В определенный момент цепь тока высокого напряжения замыкается, вследствие чего между электродами овечи возникает искра, которая и воспламеняет рабочую смесьв цилиндре. Двигатели низкого сжатия устанавливают на автомобилях.

В цилиндры двигателей высокого сжатия поступает чистый воздух, который и сжимается. В конце сжатия, когда температура воздуха будет достаточно высокой, топливо в распыленном виде впрыскивается через форсунку в цилиндр и воспламеняется.

Дизели четырехтактные и двухтактные. Четырехтактными называются дизели, у которых полный рабочий цикл — поступление воздуха >в цилиндр, перемешивание и сгорание топлива, расширение газов и удаление их из цилиндра — осуществляется за четыре хода поршня (такта), т. е. за 2 оборота коленчатого вала. У двухтактных двигателей полный рабочий цикл в цилиндре происходит за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала. Следует подчеркнуть, что у четырехтактных дизелей продувка и зарядка цилиндра свежим воздухом происходят Иначе, чем у двухтактных, само же смешение топлива с воздухом и сгорание рабочей смеси у обоих типов дизелей одинаково. Обычно задается вопрос — какой из этих типов дизелей лучше? На протяжении многих лет в различных отраслях народного хозяйства применяются и четырехтактные и двухтактные дизели. Однако качество дизеля определяет не его тактность, а надежность, экономичность, конструкционная и технологическая отработанность, долговечность и, наконец, правильный выбор типа дизеля для данного рода службы. Четырехтактные дизели имеют, как правило, меньший удельный расход топлива, меньшую тепловую напряженность, так как в единицу времени совершают меньшее количество тепловых и силовых циклов, чем двухтактные при тех же условиях.

В двухтактных дизелях проще система газораспределения, но в них хуже очищаются и продуваются свежим воздухом цилиндры. Вместе с тем с 1 л рабочего объема цилиндра при прочих равных условиях у двухтактных дизелей снимается на 60-70 % большая мощность, чем у четырехтактных. Однако с увеличением давления наддува (см. ниже) все яснее вы рисовывается преимущество четырехтактных дизелей перед двухтактными для тепловозов, так как четырехтактные дизели с газотурбинным наддувом имеют более простую систему воздухо-снабжения, более высокую экономичность, а главное — лучшую приспособляемость к переменным эксплуатационным нагрузкам и разным сортам топлива и масла.

На тепловозах ТЭЗ, ТЭ7, тепловозах типов 2ТЭ10, М62 и ТЭП60 установлены двухтактные дизели (2Д100, 10Д100, 14Д40 и 11Д45), а на тепловозах 2ТЭ116, ТЭП70, ТЭМ7, ТЭМ2, ТЭМ1, ЧМЭ2, ЧМЭЗ, ТГМ4 и ТГМЗ, а также на дизель-поездах — четырехтактные дизели (типов Д49, ПД1М, Д50, КбБЗКЮК, М756). Как показывает мировая практика, четырехтактных дизелей строится 65-70 %, а остальные — двухтактные. Двигатели низкого сжатия, за исключением маломощных, изготовляют только четырехтактными.

Способы смесеобразования в дизелях. По способу образования горючей смеси (смесеобразования) дизели делятся на однокамерные — со струйным распыливанием (рис. 12,а) и двухкамерные, которые подразделяются на вихрекамерные с выносной камерой в крышке (рис. 12,6), предкамерные (рис. 12,в) и с камерой в поршне (рис. 12,г).

Наибольшее распространение получили дизели со струйным распыливанием, так как при этом способе смесеобразования расход топлива (при нормальных нагрузках) наименьший. Особенно такие двигатели экономичны при мало изменяющихся нагрузках и частотах вращения. Однако при переменных режимах работы у этих двигателей проявляются существенные недостатки. На малых нагрузках и хо лостом ходу у них ухудшаются распы-ливание топлива и перемешивание его с воздухом. Кроме того, дизели со струйным распыливанием требуют высококачественного топлива и очень точного изготовления и хорошего содержания топливной аппаратуры.

На тепловозах применяются, как правило, дизели с однокамерным струйным смесеобразованием. На таких дизелях установлены топливные насосы (секции) плунжерного типа высокого давления (до 90 МПа) и форсунки закрытого типа. При нагнетании топлива игла форсунки поднимается и топливо под высоким давлением через отверстия в распылителе диаметром 0,30-0,40 мм впрыскивается в камеру сгорания в виде мельчайших капель, которые перемешиваются с воздухом, воспламеняются и сгорают. Величина порции впрыснутого топлива в цилиндр изменяется поворотом плунжера. Управляет величиной подачи регулятор дизеля.

Для образования качественной смеси топлива с воздухом при струйном смесеобразовании необходимо правильно выбирать фор.му камеры сжатия в соответствии с направлением, количеством и дальнобойностью топливных струй, мелкостью распыливания топлива и вихревыми движениями воздуха в камере.

Сущность двухкамерного смесеобразования (см. рис. 12,6 и в) заключается в том, что при ходе поршня к верхнему положению сжатый воздух из цилиндра с объемом Уц перетекает в выносную камеру объемом Ув. Выносная камера может иметь объем 20-60 % общего объема камеры сжатия Ус. Благодаря тангенциальному направлению соединительного канала воздух, вытесняемый поршнем в вихревую камеру (см. рис. 12,6), получает

Рис 12. Схемы способов распыливания топлива и смесеобразования:

а — струйное; б — вихрекамерное; я — предкямерное; г — объемно-пленочное; 1 — форсунка; 2

вращательное движение, что способствует хорошему перемешиванию воздуха с впрыскиваемым топливом.

В дизелях с предкамерным смесеобразованием (см. рис. 12,в) во время сжатия воздух перетекает в предкамеру, куда при невысоком давлении (7-10 МПа) впрыскивается дизельное топливо. Здесь топливо воспламеняется и частично сгорает. Все топливо в предкамере сгорать не может, так как для этого не хватает воздуха. В результате частичного сгорания топлива давление в предкамере быстро возрастает, и газы вместе с несгоревшим топливом выбрасываются в цилиндр, где происходит догорание топлива. Таким образом, хорошее смешение топлива с воздухом обеспечивается тут в основном потоком горячего газа.

При двухкамерном смесеобразовании, как правило, применяются простые и надежные в работе насосы и форсунки. Однако вследствие больших поверхностей охлаждения имеют место повышенные тепловые потери, а также потери энергии при перетекании воздуха и продуктов сгорания через соединительные каналы. Поэтому дизели с двухкамерным смесеобразованием имеют невысокую экономичность.

В двигателях с камерой в поршне (см. рис. 12,г) осуществляется объемно-пленочное смесеобразование. Хорошее качество процесса достигается тем, что факел топлива направляется на горячие стенки поршня и делится на две части: меньшая распыливается в пространстве камеры, а большая, попадая на внутренние стенки камеры поршня, образует тонкую пленку. Создаваемые в процессе движения поршня потоки воздуха как бы сдувают со стенок камеры пары топлива, которые хорошо перемешиваются с воздухом и сгорают. При двухкамерном смесеобразовании качество смеси и ее сгорание мало зависят от нагрузочного и скоростного режима работы двигателя.

⇐ | Технические и тяговые характеристики магистральных и маневровых тепловозов | | Тепловозы: Механическое оборудование: Устройство и ремонт | | Наддув дизелей | ⇒

Особенности двигателей внутреннего сгорания

Принципиальные схемы двигателей внутреннего сгорания показаны на рис. 1.

У поршневого двигателя (рис. 1,а) основными деталями являются: цилиндр крышка (головка) цилиндра; картер поршень; шатун; коленчатый вал впускные и выпускные клапаны. Топливо и необходимый для его сгорания воздух вводятся в объем цилиндра двигателя, ограниченный днищем крышки, стенками цилиндра и днищем поршня. Образующиеся при сгорании газы высокой температуры и давления давят на поршень и перемещают его в цилиндре. Поступательное движение поршня через шатун преобразуется во вращательное коленчатым валом, расположенным в картере. В связи с возвратно-поступательным движением поршня сгорание топлива в поршневых двигателях возможно лишь периодически последовательными порциями, причем сгоранию каждой порции должен предшествовать ряд подготовительных процессов.

В газовых турбинах (рис. 1, б) сжигание топлива происходит в специальной камере сгорания. Топливо в нее подается насосом через форсунку. Воздух, необходимый для горения, нагнетается в камеру сгорания компрессором, установленным на одном валу с рабочим колесом газовой турбины. Продукты сгорания через направляющий аппарат поступают в газовую турбину.

Газовая турбина, имеющая рабочие органы в виде лопаток специального профиля, расположенных на диске и образующих вместе с последним вращающееся рабочее колесо, может работать с высокой частотой вращения. Применение в турбине нескольких последовательно расположенных рядов лопаток (многоступенчатые турбины) позволяет более полно использовать энергию горячих газов. Однако газовые турбины пока уступают по экономичности поршневым двигателям внутреннего сгорания, особенно при работе с неполной нагрузкой, и, кроме того, отличаются большой теплонапряженностью лопаток рабочего колеса, обусловленной их непрерывной работой в среде газов с высокой температурой. При снижении температуры газов, поступающих в турбину, для повышения надежности лопаток уменьшается мощность и ухудшается экономичность турбины. Газовые турбины широко используются в качестве вспомогательных агрегатов в поршневых и реактивных двигателях, а также как самостоятельные силовые установки. Применение жаростойких материалов и охлаждения лопаток, усовершенствование термодинамических схем газовых турбин позволяют улучшить их показатели и расширить область использования.

Рис. 1. Схемы двигателей внутреннего сгорания

В жидкостных реактивных двигателях (рис. 1, в) жидкое топливо и окислитель тем или иным способом (например, насосами) подаются под давлением из баков в камеру сгорания. Продукты сгорания расширяются в сопле и вытекают в окружающую среду с большой скоростью. Истечение газов из сопла является причиной возникновения реактивной тяги двигателя.

Положительным свойством реактивных двигателей следует считать то, что реактивная тяга их почти не зависит от скорости движения установки, а мощность ее возрастает с увеличением скорости поступления в двигатель воздуха, т. е. с повышением скорости движения. Это свойство используют при применении турбореактивных двигателей в авиации. Основные недостатки реактивных двигателей — относительно низкая экономичность и сравнительно небольшой срок службы.

Комбинированными двигателями внутреннего сгорания называются двигатели, состоящие из поршневой части и нескольких компрессионных и расширительных машин (или устройств), а также устройств для подвода и отвода теплоты, объединенных между собой общим рабочим телом. В качестве поршневой части комбинированного двигателя используется поршневой двигатель внутреннего сгорания.

Энергия в такой установке передается потребителю валом поршневой части, или валом другой расширительной машины, или обоими валами одновременно. Число компрессионных и расширительных машин, их типы и конструкции, связь их с поршневой частью и между собой определяются назначением комбинированного двигателя, его схемой и условиями эксплуатации. Наиболее компактны и экономичны комбинированные двигатели, в которых продолжение расширения выпускных газов поршневой части осуществляется в газовой турбине, а предварительное сжатие свежего заряда производится в центробежном или осевом компрессоре (последний пока не получил распространения), причем мощность потребителю обычно передается через коленчатый вал поршневой части.

Поршневой двигатель и газовая турбина в составе комбинированного двигателя удачно дополняют друг друга: в первом наиболее эффективно в механическую работу преобразуется теплота малых объемов газа при высоком давлении, а во второй наилучшим образом используется теплота больших объемов газа при низком давлении.

Комбинированный двигатель, одна из широко распространенных схем которого показана на рис. 2, состоит из поршневой части, в качестве которой используется поршневой двигатель внутреннего сгорания, газовой турбины и компрессора. Выпускные газы после поршневого двигателя, имеющие еще высокие температуру и давление, приводят во вращение лопатки рабочего колеса газовой турбины, которая передает крутящий момент компрессору. Компрессор засасывает воздух из атмосферы и под определенным давлением нагнетает его в цилиндры поршневого двигателя. Увеличение наполнения цилиндров двигателя воздухом путем повышения давления на впуске называют наддувом. При наддуве плотность воздуха повышается и, следовательно, увеличивается свежий заряд, заполняющий цилиндр при впуске, по сравнению с зарядом воздуха в том же двигателе без наддува.

Для сгорания топлива, вводимого в цилиндр, требуется определенная масса воздуха (для полного сгорания 1 кг жидкого топлива теоретически необходимо около 15 кг воздуха). Поэтому чем больше воздуха поступит в цилиндр, тем больше топлива можно сжечь в нем, т. е. получить большую мощность.

Основные преимущества комбинированного двигателя — малые объем и масса, приходящаяся на 1 кВт, а также высокая экономичность, часто превосходящая экономичность обычного поршневого двигателя.

Наиболее экономичными являются поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания, получившие широкое применение в транспортной и стационарной энергетике. Они имеют достаточно большой срок службы, сравнительно небольшие габаритные размеры и массу, высокую экономичность, их характеристики хорошо согласуются с характеристиками потребителя. Основным недостатком двигателей следует считать возвратно-поступательное движение поршня, связанное с наличием кривошипно-шатунного механизма, усложняющего конструкцию и ограничивающего возможность повышения частоты вращения, особенно при значительных размерах двигателя.

Рис. 2. Схема комбинированного двигателя

В учебнике рассматриваются поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания, получившие широкое распространение.

Двигатель внутреннего сгорания. 8-й класс

Цель урока:

• рассмотреть физические принципы работы тепловых двигателей,
• воспитывать навыки бережного отношения к природе.

Ход урока

I. Подготовка к восприятию нового материала:

1. В каком случае про тело или систему взаимодействующих между собой тел говорят, что они обладают энергией ?
2. Как связаны изменение энергии тела (или сиcтемы тел) и совершённая им работа ?
3. Какие два вида механической энергии вы знаете ?
4. Какую энергию называют кинетической ? Потенциальной ?
5. Приведите примеры превращения потенциальной энергии тела в кинетическую ; кинетической энергии — в потенциальную.
6. Дайте определение внутренней энергии тела.
7. Приведите примеры превращения механической энергии тела в его внутреннюю энергию.
8. Сформулируйте закон сохранения и превращения энергии.

II. Изучение нового теоретического материала.

1. Историческая справка (сообщение ученика)

1698г. Томас Сэвери (английский инженер) создал машину, которая преобразовывала внутреннюю энергию в механическую (тепловой двигатель) , его использовали для откачки воды из угольных шахт.

1710г. Томас Ньюкомен (английский инженер) предложил пароатмосферный двигатель , в котором пар внутри цилиндра толкал вверх поршень. Для возврата в нижнее положение его охлаждали, пар конденсировался, давление в цилиндре падало, и под действием атмосферного давления поршень опускался вниз. Затем цилиндр снова нагревали, чтобы заставить пар толкать поршень вверх. На всё это уходило много времени и, двигатель работал очень медленно и с низким КПД.

1766 г. Иван Иванович Ползунов. (русский изобретатель) разработал чертежи двухцилиндровой паровой машины. Для ее изготовления Ползунову пришлось сделать различные инструменты, токарный станок для обработки металла «на водяном ходу». При этом Ползунову удалось изготовить все детали паровой машины всего за 13 месяцев. Некоторые детали весили до 2720 килограммов.

Его машина должна была заменить водяной двигатель на заводе в Барнауле.

Из оборудования на заводе были только воздуходувные мехи и молоты для ковки металла. И их приводили в движение силой воды. Поэтому заводы строили на берегах рек. Если река становилась более мелководной, то производство останавливалось.

Иван Иванович Ползунов решил заменить водяной двигатель и ручной труд на «ог­ненную машину».

В 1765 году Ползунов разработал специальный поплавковый регулятор уровня в котле.

К сожалению, увидеть машину в работе Ползунову не удалось, он умер за два месяца до пуска машины в эксплуатацию, 27 мая 1766 года. Его паровая машина окупила себя всего за два месяца. К сожалению, после небольшой поломки хозяева машины не смогли ее починить.

1769 г. Джеймс Уатт (шотландский инженер) превзошёл своих предшественников и учителей. Он создал усовершенствованную паровую машину. В его двигателе пар направлялся в отдельную камеру для конденсации, тепловые потери двигателя были относительно небольшими. Кроме того, двигатель Уатта был более быстродействующим, поскольку можно было подавать большее количество пара в цилиндр, как толь­ко поршень возвращался в свое исходное положение. Для паровой машины нашлись многочисленные практические применения.

Паровые машины обеспечивали энергию для печатания газет, ткачества и для работы стиральных машин в «паровых» прачечных. Паровые двигатели использовались на площадках аттракционов, а фермеры с помощью паровой тяги пахали землю. Уборщики пользовались работающими на пару пылесосами, а в престижных городских парикмахерских были даже щетки для массажа кожи головы с паровым приводом.

Паровые машины устанавливались на паровозы, пароходы.

2. Теоретический материал (ученики работают с текстом по плану, каждый пункт сопровождается слайдом.).

a) Название.

Двигатель внутреннего сгорания — очень распространенный вид теплового двигателя. Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Отсюда и происходит название этого двигателя. (Приложение1; слайд 1.)

 б) Основные части.

Двигатель состоит из цилиндра 1, в ко­тором перемещается поршень 2, соединен­ный при помощи шатуна 3с коленчатым валом 4.В верхней части цилиндра имеется два клапана 5, которые при работе двига­теля автоматически открываются и за­крываются в нужные моменты. Через левый клапанв цилиндр поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи 6, а через правый клапан выпускаются отрао­тавшие газы.(Приложение1; слайд №2 )

в) основные понятия

Край­ние положения поршня в цилиндре называют мертвыми точками. Расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой, называют ходом поршня. Один рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода по­ршня, или, как говорят, за четыре такта. Поэтому такие двигатели называют четырехтактными. Впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

г) Физические принципы работы.

В цилиндре двигателя периоди­чески происходит сгорание горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха. Температура газообразных продуктов сгорания достигает 1600—1800 °С, давление на поршень при этом резко возрастает. Расширяясь, газы толкают поршень, а вместе с ним и коленчатый вал, совершая при этом механическую работу. При этом они охлаж­даются, так как часть их внутренней энергии превращается в механическую энергию.

Рассмотрим более подробно схему работы такого двигателя.

В начале первого такта поршень движется вниз.Объем над поршнем увеличивается, в цилиндре создается разрежение. Открывает­ся левый клапан и в цилиндр входит горючая смесь. К концу первого так­та цилиндр заполняется горючей смесью, данный клапан закрывается. ( Приложение1; слайд №3)

В начале второго такта поршень движется вверх и сжимает горючую смесь. В конце второго такта, когда поршень дойдет до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь воспламеняется (от электрической искры) и взрывается. (Приложение1; слайд №4).

В начале третьего такта, образующиеся при сгорании газы давят на поршень и толкают его вниз, двигатель совершает работу. В конце третьего такта открывается правый клапан, и через него продукты сгорания выходят из цилиндра в атмосферу.Движение поршня передается шатуну, а через него коленчатому валу с маховиком. (Приложение1;слайд №5).

В начале четвёртого такта поршень начинает двигаться вверх, благодаря инерции маховика. При этом выпуск продуктов сгорания продолжается. В конце четвёртого такта правый клапан закрывается. (Приложение1; слайд №6).

Итак, цикл двигателя состоит из следующих четырех процессов (тактов): впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска. (Приложение1; слайд №7; Приложение2.))( Показ сопровождается рассказом учителя. (двумя кликами можно задерживать картинку на каждом такте работы двигателя.)

3. Тестирование. (Ученики отвечают на вопросы после предварительного обсуждения.)

(Приложение1; слайды №8 — №15)

4. Применение двигателей. (Ученики по желанию, рассказывают работу двигателя по предложенному слайду, затем перечисляют пользу и вред двигателя )

В автомобилях используют чаще всего четырехцилиндровые двигатели внутреннего сгорания. Работа цилиндров согласуется так, что в каждом из них поочередно происходит рабочий ход и коленчатый вал все время получает энергию от одного из поршней. Имеются и восьмицилиндровые двигатели. Многоцилиндровые двигатели в лучшей степени обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность. Приложение1; (слайд №16)

Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно. Они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах. Польза двигателей несомненна. В настоящее время мощность всех двигателей на Земле составляет 1010 кВт. И пока она справляется, перерабатывая углекислый газ. Однако уже с мощностью в 1012 кВт ей не справится. (Приложение1; слайд№17)

5. Защита окружающей среды от двигателей внутреннего сгорания.

В цилиндрах двигателя проходит окисление мелкораспыленного и испаренного топлива кислородом воздуха с образованием тепла, углекислого газа и воды. За тысячные доли секунды, отводимые на этот процесс, при каждом такте работы двигателя, часть топлива не успевает сгореть. Продукты его неполного сгорания выбрасываются в атмосферу из выхлопной трубы. Дизели выбрасывают еще и сернистый ангидрид 5О2, образующийся при горении топлива в цилиндрах. В США, Японии, а также России были установлены предельно допустимые нормы выброса для различных категорий автомобилей.

Из-за загрязнения изменяется климат. Ученые доказали, что изменение климата в XX в. является следствием повышения среднеглобальной приземной температуры воздуха (она повысилась примерно на 0,5 °С). В атмосфере возросла концентрация парниковых газов, углекислоты, метана, хлорфторуглерода, оксида азота. Молекулы этих газов поглощают тепловое излучение поверхности земли и частично направляют его обратно, создавая так называемый парниковый эффект. Из-за изменения климата исчезают и отдельные виды животных и птиц. Например, это случилось с реликтовой чайкой. Уже так много видов животных занесено в красную книгу! (Приложение1; слайд №18)

Сейчас создаются различные движения. Гринпис — это экологическое движение, созданное в 1971 году. Его задача — охрана окружающей среды. Штаб-квартира находится в Америке. Гринпис не получает абсолютно никакого финансирования, а его огромный ежегодный бюджет складывается из частных пожертвований и взносов.

В разных ситуациях мы вспоминаем замечательные слова Б. Окуджавы, в том числе и при решении экологических проблем:

Возьмемся за руки, друзья!
Возьмемся за руки, друзья,
Чтоб не пропасть поодиночке.

Спасем Землю! Это может сделать каждый из вас.

III.Домашнее задание.

Ученики составляют памятку для людей, призывающую их спасти Землю.

Материалы :

1. А.А.Пёрышкин. Физика. Москва. ООО «Дрофа.», 2000 г.
2. В.А.Волков. Поурочные разработки по физике. Москва. «Вако» 2006 г.
3. В.А.Шевцов. Поурочные планы по учебнику А.В Пёрышкина. Волгоград. «Учитель»
4. Интернет – ресурсы.

Двигатель внутреннего сгорания — Путь вперед

Вместо того, чтобы найти жизнеспособные варианты, люди часто запрещают многие вещи, которые они не могут контролировать. Наряду с глобальными дебатами о криптовалютах, контроле над оружием и многом другом, двигатель внутреннего сгорания (ДВС) последним попал в список запрещенных. Будучи изображенными главными злодеями глобального потепления, несколько стран G7, таких как Франция, Германия и Великобритания, разработали стратегию запрета ДВС на следующие два десятилетия. Учитывая выбросы парниковых газов и постоянное стремление улучшить качество воздуха, останется ли двигатель внутреннего сгорания (ДВС) основным транспортным средством в будущем?

Электрическая мобильность против ДВС

По оценкам, в настоящее время в мире используется около 2 миллиардов двигателей внутреннего сгорания.Самое главное, что эти двигатели используются не только для автомобилей, но и для функциональных грузовиков, поездов, кораблей и многого другого. Количество исследований, проведенных в отношении ДВС, сделало его не только более эффективным, но, что более важно, также позволило разработать методы снижения вредных выбросов. Хотя каталитические нейтрализаторы весьма эффективны в борьбе с выбросами в бензиновых двигателях, их успех в дизельных двигателях все еще весьма ограничен. Учитывая ограниченность запасов ископаемого топлива и тот факт, что использование этих видов топлива способствует выбросам, крайне важно найти альтернативное решение, причем быстро.Из всех вариантов, которые существуют, электрический является наиболее популярной альтернативой на рынке.

Рыночный сценарий

Феномен электромобилей демонстрирует тенденцию к росту на всех основных рынках. Сейчас на рынке появляется все больше и больше электромобилей. В 2017 году во всем мире было добавлено более 1 миллиона автомобилей. Лидирует в этом росте Китай, за ним следуют Европа и США. Такие страны, как Индия, также становятся крупным рынком с их национальной программой электромобилей, нацеленной на то, чтобы к 2030 году 30% автомобилей, которые будут проданы, были электрическими.

Инфраструктура

Чтобы электромобили (EV) были такими же функциональными и распространенными, как ДВС, необходимая инфраструктура все еще нуждается в большом количестве разработок и научных прорывов, особенно в области аккумуляторных технологий. Для ископаемых видов топлива заправка — это быстрый и эффективный процесс, который можно эффективно выполнять через заранее определенные интервалы времени на заправочных станциях, обслуживающих тысячи автомобилей. Но когда, по оценкам, к 2030 году от 10 до 25% транспортных средств на дорогах будут электрическими, какие усилия прилагаются для создания такой зарядной инфраструктуры? Учитывая использование электромобилей для ежедневных поездок на работу, наличие домашних зарядных устройств становится обязательным.Логистика установки и обслуживания этих зарядных станций снова создаст свои проблемы.

По мере того, как люди начинают ездить на электромобилях вне своих ежедневных поездок на работу и на большие расстояния, потребность в крупномасштабной сети зарядки становится еще более очевидной. Несмотря на то, что для его развития выделяются инвестиции, все еще существует несколько проблем, которые необходимо решить, в том числе проблема подключения к сети. Несмотря на продолжающиеся исследования по сокращению времени подзарядки автомобиля, современная аккумуляторная технология не позволяет безопасно перезарядить аккумулятор электромобиля даже за время, вдвое превышающее время, необходимое для полной заправки топливного бака автомобиля.Например, чтобы зарядить Tesla с 20% до 80% на суперзарядной станции, потребуется от 20 до 30 минут; в то время как для достижения 100% потребуется более 90 минут. Следовательно, в то время как электродвигатели обеспечивают новаторские характеристики для электромобилей, их широкое внедрение было бы проблемой, если бы не была доступна технология для эффективной заправки транспортных средств со скоростью, аналогичной времени, необходимому для заправки бензином.

А водород?

Водород используется для питания ракет, лодок, самолетов и многого другого.В автомобильном сценарии химическая энергия водорода используется для питания автомобилей путем его сжигания в двигателях внутреннего сгорания или путем использования топливных элементов для преобразования его в электричество для запуска электродвигателей. В двигателе внутреннего сгорания ископаемое топливо и водород работают с термодинамическим КПД примерно от 20 до 25%, в то время как использование топливного элемента для преобразования водорода в электричество и работы электродвигателя работает с КПД, превышающим 60%.

Аккумуляторные электромобили или электромобили на топливных элементах?

Как электромобили с батарейным питанием, так и электромобили на топливных элементах используют электричество для приведения в действие электродвигателей для обеспечения тяги.Используя доступные в настоящее время технологии, эффективность, достигаемая при зарядке аккумуляторов и использовании их для питания электродвигателей, более эффективна, чем при производстве водорода и использовании топливных элементов для производства электроэнергии. Однако недостатком батареи является то, что с увеличением дальности увеличивается потребляемая мощность, увеличивается вес батареи и это в конечном итоге снижает общую эффективность батареи.

Каковы проблемы?

Самой большой проблемой при использовании водорода является стоимость производства.В настоящее время большая часть водорода производится из углеводородов с использованием методов парового риформинга, эффективность которых составляет от 60 до 70%. Благодаря достижениям в области технологии топливных элементов можно достичь эффективности производства водорода более 80%. В любом случае, стоимость производства водорода все еще довольно высока.

Хотя водород можно транспортировать и распределять, используя ту же инфраструктуру, что и дизельное топливо или бензин, можно также производить водород в месте его распределения, чтобы снизить стоимость.Стоимость производства водорода может быть дополнительно снижена, если производственный процесс будет использовать непиковую нагрузку или избыточную энергию, которую можно получить из возобновляемых источников энергии.

Вердикт

Двигатель внутреннего сгорания используется уже более века. Было проведено множество исследований, направленных на увеличение мощности, снижение выбросов и в целом на повышение эффективности. Недавно Mazda объявила об инновациях в технологии своих бензиновых двигателей, которые повысят их эффективность примерно на 20–30%.Ожидается, что автомобили с этой технологией появятся на рынке к 2019 году.

Даже производительность, достигнутая грядущим родстером Tesla, бросает вызов установленным эталонным показателям производительности, установленным производителями высокопроизводительных автомобилей, такими как Koenigsegg. Тем не менее, полностью электрические автомобили все еще довольно дороги. Без субсидий и стимулов экономическая выгода, которую можно получить за счет снижения эксплуатационных расходов в соответствии с увеличением первоначальных инвестиций, не имеет коммерческого смысла для среднего владельца автомобиля.

Футуристические автомобили

Двигатели внутреннего сгорания внесли свой вклад в глобальное потепление, из-за чего на их использование накладываются дополнительные ограничения. Для устойчивого будущего необходимо изучить другие жизнеспособные варианты. Электромобили, которые уже доступны в продаже, доказывают, что это жизнеспособное транспортное средство. Несомненно, электродвигатели, аккумуляторы, топливные элементы и т. д. будут играть ключевую роль в развитии футуристических транспортных средств.Будь то использование аккумуляторов или топливных элементов, развитие технологий в области накопления энергии, безусловно, будет стимулировать развитие электромобилей. Опять же, пройдет немало времени, прежде чем мы увидим конец двигателей внутреннего сгорания.

Эксплуатация двигателей внутреннего сгорания на дигазе для производства электроэнергии – Экологическое учебное сообщество по животноводству и птицеводству

Отходы на ценность домой | Больше разбирательств….

Резюме презентации

Целью данного исследования является обзор характеристик двигателя и технологических проблем, связанных с выработкой электроэнергии из метанового газа в поршневых двигателях внутреннего сгорания.Используются исследования, проведенные в Лаборатории двигателей и преобразования энергии (EECL) Университета штата Колорадо (CSU), а также опубликованные материалы других организаций.

Выщелачивающий газ (дигаз) можно эффективно использовать в двигателях внутреннего сгорания для производства электроэнергии, чтобы компенсировать эксплуатационные расходы и/или продавать электроэнергетической компании. Для этой цели обычно используются стационарные промышленные двигатели. Четыре области применения, в которых системы были успешно продемонстрированы, — это заводы по переработке сточных вод, предприятия по переработке отходов животноводства, свалки и системы переработки сельскохозяйственных отходов.Во всех этих случаях дигаз образуется в результате анаэробного сбраживания или биометанизации. В этих областях существует много общих технических проблем с двигателями, хотя системы генерации дигаза, используемые в каждом случае, разные. В этой презентации рассматриваются вопросы, связанные с работой двигателей на дизельных двигателях. Основное внимание уделяется предприятиям по переработке отходов животноводства, но презентация опирается на другие области применения технических знаний, связанных с технологией двигателей. Обсуждаются конкретные типы стационарных двигателей.Высокий КПД двигателя и удельная мощность важны для экономической жизнеспособности систем анаэробного сбраживания. Анализируются эксплуатационные и конструктивные изменения двигателя для поддержания высокого КПД и удельной мощности при работе на дигазе. Решение проблем с обслуживанием двигателя также является ключом к экономической жизнеспособности. Коррозионные газы, содержащиеся в дигазе, такие как сероводород (H ₂ S), оцениваются.

Рисунок 1. Измерение метанового числа различных газовых топлив.

Термин «биогаз» является широким термином, охватывающим как дигаз, так и производительный, или древесный, газ. Эти газы сильно различаются по своим свойствам горения. Генераторный газ образуется в газификаторе путем окисления биомассы в среде с недостатком кислорода. Генераторный газ содержит высокие концентрации водорода (H ₂ ) и окиси углерода (CO), небольшую концентрацию метана (CH ₄ ) и высокие концентрации разбавителя (CO ₂ и N ₂ ).В отличие от дигаза, это в основном CH ₄ (50-80%) и CO ₂ (20-50%). Одним из основных различий в свойствах дигаза и генераторного газа является метановое число, которое указывает на склонность топлива к детонации. На рис. 1 показаны измерения метанового числа различных видов газообразного топлива, выполненные на ЦСС ЭЭХЛ[1]. Обратите внимание, что генераторный газ (древесный газ на участке) имеет метановое число от 60 до 70, в то время как дигаз имеет метановое число почти 140. Следовательно, дигаз гораздо менее подвержен детонации, чем генераторный газ, и может работать с более высокими степенями сжатия. и более высокой плотности мощности.Digas также более устойчив к ударам, чем природный газ.

Рисунок 2 Guascor SFGLD-240, номинальная мощность 330 кВтэ при 1200 об/мин на дигазе 500–600 БТЕ/стандартный кубический фут.

Существует три различных типа стационарных двигателей, которые можно использовать для выработки электроэнергии из дигаза: (1) двигатели с воспламенением от сжатия (дизельные), (2) стехиометрические двигатели с искровым зажиганием и (3) двигатели с искровым зажиганием на обедненной смеси. сжигать двигатели.Дизельные двигатели (1) используются для фумигации всасываемого воздуха дигазом. Количество используемого дизельного топлива уменьшается по мере добавления большего количества дигаза, что приводит к работе на двух видах топлива. Ограничения по рабочему объему дизельного топлива и необходимость хранения двух разных видов топлива являются недостатками этого подхода. Стехиометрические двигатели с искровым зажиганием имеют рабочие характеристики, аналогичные большинству автомобильных двигателей в США. Они используют NSCR или трехкомпонентные катализаторы для снижения выбросов, что требует точного контроля соотношения воздух/топливо.Двигатели, работающие на обедненной смеси, работающие на природном газе, более эффективны, чем стехиометрические двигатели, и могут обеспечивать низкий уровень выбросов без дополнительной обработки выхлопных газов. Таким образом, вариант (3) является наиболее желательным; это подход, обычно применяемый для утилизации дигаза в большинстве крупных установок. На рис. 2 показана установка Guascor SFGLD-240 производства Martin Machinery.

Двигатели на природном газе

, работающие на обедненной смеси, могут использоваться без модификации для дигазовых установок. Однако в этом случае двигатели обычно теряют номинальные характеристики, требуют дополнительного обслуживания и имеют меньший ресурс двигателя.Некоторые производители двигателей предлагают двигатели, специально разработанные для дигазов, что имеет ряд преимуществ. Digas обладает уникальными свойствами, которые требуют внесения изменений в конструкцию двигателей, работающих на природном газе, для достижения номинальной мощности и минимизации затрат на техническое обслуживание. Для поддержания номинальной мощности необходимо увеличить пропускную способность топливной системы, так как энергоемкость дигаза примерно на 60 % выше, чем у природного газа. Это связано с высокой концентрацией разбавителя CO ₂ [2]. Другие часто вносимые эксплуатационные изменения — это ускорение синхронизации из-за более медленного сгорания и более богатого коэффициента эквивалентности [3].Для поддержания того же уровня NOx соотношение эквивалентности богаче, потому что разбавитель в топливе снижает температуру сгорания. Хотя обычно это не делается, поршни с более высокой степенью сжатия могут быть добавлены, чтобы использовать преимущества более высокого метанового числа дигаза, что приводит к повышению эффективности. Коррозионно-стойкие материалы и улучшенная вентиляция картера — это конструктивные изменения, которые часто вносятся для борьбы с воздействием коррозионно-активных примесей в топливе.

Digas может содержать следовые количества газов, отличных от CH ₄ и CO ₂ , таких как водород, монооксид углерода, азот, кислород, аммиак (NH ₃ ) и H ₂ S.Digas H ₂ Уровни S в пищеварочных котлах для свиней и крупного рогатого скота составляют примерно 2000–5000 частей на миллион. Эти уровни превышают ограничения производителя двигателя H ₂ S (250-1000 частей на миллион)[4]. H ₂ S должен быть уменьшен ниже соответствующего предела производителя двигателя, чтобы гарантия на двигатель была действительной. Когда соединения серы смешиваются с водой, в моторном масле образуются кислоты. Эти кислоты воздействуют на металлы в двигателе, вызывая коррозионный износ. Скрубберы можно использовать для уменьшения содержания H ₂ S в топливе ниже пределов, установленных производителем.Две имеющиеся на рынке технологии скрубберов H ₂ S — это оксиды железа и биоструйная очистка. H ₂ S реагирует с оксидом железа с образованием нерастворимых сульфидов железа. Материал можно регенерировать воздухом для получения чистой серы. Сульфиды железа и/или чистая сера должны быть утилизированы[5]. Био-капельная обработка включает фильтрующий материал, который обеспечивает среду для образования бактериальной биопленки. H ₂ S вступает в контакт с биопленкой, растворяется и впоследствии окисляется микробами.Сернистые и сульфатные соединения образуются как побочные продукты и удаляются оборотной водой. Побочные продукты собираются и утилизируются. Био-капельная установка требует большего опыта для настройки, но требует меньше обслуживания в долгосрочной перспективе[6].

---

[1] Маленшек М., Олсен Д.Б., «Испытание метанового числа альтернативных газовых топлив», Топливо, том 88, стр. 650-656, 2009.

[2] Джон К.Ю. Ли, Питер Лау и Томас Тео, «Устойчивое применение поршневых газовых двигателей, работающих на альтернативных видах топлива»,

.

Компания Caterpillar Inc.публикация, октябрь 2008 г.

[3] Рейнболд, Э. и фон дер Эхе, Джеймс, «Разработка двигателя Dresser Waukesha 16V150LTD для биогазового топлива», Весенняя техническая конференция подразделения двигателей внутреннего сгорания ASME 2009, ICES2009-76079, 3-6 мая 2009 г.

[4] Guascor Power, «Технические характеристики газообразного топлива для анаэробного сбраживания — свалочный и биогазовый газ», информация о продукте IC-G-D-30-003e, сентябрь 2011 г.

[5] Стивен МакКинси Зикари, «Удаление сероводорода из биогаза с использованием компоста из коровьего навоза», диссертация магистра, Корнельский университет, 2003.

[6] Личные сообщения, 1 октября 2013 г., Маркус Мартин, Martin Machinery LLC.

Авторы

Дэниел Олсен, Университет штата Колорадо [email protected]

 

Авторы несут исключительную ответственность за содержание этих материалов. Техническая информация не обязательно отражает официальную позицию спонсирующих агентств или учреждений, представленных членами комитета по планированию, и включение и распространение здесь не означает одобрения взглядов, выраженных ими.Печатные материалы, включенные в настоящий документ, не являются рецензируемыми публикациями. Цитаты должны выглядеть следующим образом. ПРИМЕР: Авторы. 2013. Название презентации. Отходы на пользу: распространение науки и решений. Денвер, штат Колорадо, 1–5 апреля 2013 г. URL этой страницы. Дата обращения: сегодняшняя дата.

Стационарные институциональные поршневые двигатели внутреннего сгорания (RICE) — Экологическая безопасность и охрана окружающей среды

Стационарные поршневые двигатели внутреннего сгорания (RICE)

Поршневые двигатели внутреннего сгорания (RICE) являются распространенными источниками сгорания, которые оказывают существенное влияние на качество воздуха и здоровье населения.

Воздействие этих ядовитых веществ в атмосферу, выбрасываемых двигателями, может привести к различным заболеваниям. трудности для людей, включая раздражение глаз, кожи и слизистых оболочек, и проблемы с центральной нервной системой.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания представляют собой внедорожные (стационарные) двигатели, в которых используется поршни, которые попеременно двигаются вперед и назад, чтобы преобразовать давление во вращающееся движение. Так как USC является учебным заведением, EPA классифицирует наш стационарный RICE как стационарные институциональные двигатели RICE. Они используются только в экстренных случаях для производства электричество и водяной насос для пожаротушения.

Два основных типа риса:

• Компрессионные двигатели, работающие на дизельном топливе.
• Двигатели с искровым зажиганием, работающие на природном газе, бензине и пропане.

Требования к стационарным институциональным двигателям RICE

• Нет ограничений по времени использования в аварийных условиях.
• Может эксплуатироваться в любой комбинации максимум 100 часов в календарный год для проверки технического обслуживания и проверки готовности, если тесты рекомендованы федеральными, государственные или местные органы власти, производитель, поставщик, страховая компания и т. д.
• Все стационарные институциональные двигатели с аварийным зажиганием и искровым зажиганием на каждом из этих двигателей должен быть установлен несбрасываемый счетчик моточасов для документирования часов использования.
• Количество часов использования для тестирования и в любое время, когда требуется аварийное использование, должно быть должны быть задокументированы и храниться в течение пяти лет.
• Записи о техническом обслуживании каждого двигателя должны храниться в течение пяти лет.

Для получения дополнительной информации о стационарных институциональных двигателях RICE звоните Джордану Риддлу. по телефону 803-777-4995 или по электронной почте jr67@mailbox.н.э.н.

энергий | Бесплатный полнотекстовый | Альтернативные виды топлива для двигателей внутреннего сгорания

1. Введение

С начала индустриальной эпохи при сжигании ископаемого топлива в атмосферу выбрасывался углерод, который более 50 миллионов лет назад медленно секвестрировался и хранился в виде угля, нефти, природного газа и других видов ископаемого топлива. источники топлива, такие как сланцевый газ и сланцевая нефть.При сгорании этих видов топлива помимо загрязняющих веществ образуется двуокись углерода (CO ₂ ), которая в основном удерживает солнечное тепло в атмосфере (парниковый эффект) и, как ожидается, направлена ​​на нагревание Земли и серьезность климата [1]. Широкая общественность и большинство политиков воспринимают электромобили как хорошую альтернативу транспорту на ископаемом топливе [1,2,3]. Однако в отношении выбросов, связанных с использованием транспортных средств, электромобили так же экологичны, как и потребляемая ими электроэнергия [4].В такой стране, как Польша [5] или Австралия, где большая часть электроэнергии производится из угля, эксплуатация электромобилей увеличит вклад в парниковый эффект по сравнению с тем же автомобилем, работающим в Норвегии или Бразилии, где большая часть электроэнергия производится из возобновляемых источников энергии [6]. Кроме того, оценка устойчивости электромобилей должна учитывать весь жизненный цикл транспортного средства, в том числе важные вопросы, такие как добыча материалов, используемых в батареях и электродвигателях, а также окончание срока службы батарей [1, 4,7,8].Тем не менее, несмотря на то, что это горячая тема с множеством многообещающих разработок [1], подробное сравнение устойчивости между обычной и электрической мобильностью выходит за рамки настоящего исследования и рассматривается только для получения некоторого фона. стран, регионов и городов предлагают запретить так называемые «обычные» транспортные средства в течение следующих десятилетий [9,10]. Обычно при использовании этого термина политики имеют в виду автомобили, автобусы или грузовики, приводимые в движение двигателем внутреннего сгорания. (ДВС), который сжигает ископаемое топливо.Таким образом, если одна из этих спецификаций будет исключена из транспортного средства, оно больше не будет «обычным». Остается три типа транспортных средств: электрические, гибридно-электрические и работающие на альтернативном топливе. Тем не менее, некоторые ссылки на будущее исключение так называемых «загрязняющих окружающую среду» транспортных средств указаны в терминах запрета на двигатели внутреннего сгорания (ДВС) в целом. или с точки зрения запрета на транспортные средства, работающие на определенных видах топлива, таких как дизельное топливо или бензин [4]. Это удивительно, так как это сопровождается растущим признанием подключаемых гибридных электромобилей (PHEV), которые могут проехать несколько десятков километров без сжигания ископаемого топлива и, следовательно, не загрязняя окружающую среду на местном уровне (например, в городских центрах). [11].Но эти автомобили полагаются на ДВС в некоторых своих операциях, а именно в длительных поездках, когда батарея разряжена. В этих условиях ДВС обычно работает на ископаемом топливе, производя, таким образом, незначительное количество загрязняющих веществ и CO ₂ во время работы [12]. выбросов ископаемого CO ₂ и устранения выбросов загрязняющих веществ в черте города, что может быть достигнуто совместно за счет использования электрифицированных транспортных средств (PHEV) [3]. берут.Volvo, например, пообещала прекратить разработку «обычных» (неэлектрифицированных) автомобилей с 2019 года, а только гибридные и аккумуляторные электрические [13]. По состоянию на 2020 год это в основном выполнено, хотя некоторые из них представляют собой только «мягкие гибриды», которые имеют более крупный стартер-генератор, который демонстрирует некоторую рекуперацию энергии торможения и ограниченную помощь двигателю [14]. Аналогичные обязательства можно увидеть и у других OEM-производителей. Тем не менее объявления и предлагаемые сроки электрификации или даже отказа от разработки ДВС не всегда полностью выполняются [15,16].Однако сокращение выбросов парниковых газов (парниковых газов) в транспортном секторе может значительно выиграть от использования ДВС на нейтральном топливе CO ₂ [17]. Это особенно важно в таких секторах, как большегрузный транспорт и авиация, где плотность энергии играет важную роль. В недавней статье о будущих тенденциях в области транспорта [4] подсчитано, что при существующей аккумуляторной технологии пассажирским электрическим самолетам потребуются аккумуляторы, в 14–31 раз превышающие их максимальный взлетный вес, для хранения энергии, которую они обычно несут в виде реактивного топлива.Кроме того, время зарядки аккумулятора с использованием нагнетателей 80 Tesla займет более одного дня, чтобы полностью зарядить аккумулятор, эквивалентный топливному баку Airbus 320. Что касается крупных судов, то 170 ГВт-ч энергии, которую некоторые контейнеровозы такого типа несут в своих баках для питания двигателей, потребуют батарей, в пять раз превышающих их собственный вес, и потребуются годы для перезарядки [4]. Эти оценки кажутся слишком пессимистичными, поскольку они не принимают во внимание разницу в КПД между электродвигателями и двигателями внутреннего сгорания, которая вдвое сократила бы необходимую энергию, но они достаточно высоки, чтобы проиллюстрировать непрактичность электрификации для больших авианосцев. на очень большие расстояния, если только в аккумуляторной технологии не произойдут радикальные изменения.Но возобновляемые виды топлива и/или биотопливо могут быть хорошими предложениями для этих видов транспорта.

2. Гибридные транспортные средства

Электрифицированные транспортные средства не обязательно должны быть аккумуляторными электромобилями (BEV), но существуют различные уровни гибридных транспортных средств, от стандартных подключаемых (параллельных) гибридов, в которых двигатель обеспечивает механическую тяговую мощность, до гибриды с увеличенным запасом хода (серийные), в которых тяга создается исключительно электродвигателями, а двигатель просто вырабатывает электричество, до гибридов на топливных элементах.Все эти типы гибридных автомобилей используют тот или иной тип топлива, который сжигается в ДВС, за исключением гибридов на топливных элементах. Эти последние транспортные средства используют водород (или другое богатое водородом топливо, такое как спирты или аммиак), который не горит, а проходит через другой процесс, обычно включающий катализ через мембрану протонного обмена (PEM), производящую электричество, воду или воду и CO _{. 2} , когда молекула топлива также содержит атомы углерода [18,19]. В то время как гибридные системы, как правило, дублируют системы, что может быть недостатком с точки зрения затрат и потребностей в обслуживании, они могут обеспечить положительный компромисс в краткосрочной и среднесрочной перспективе, поскольку позволяют минимизировать основные текущие ограничения электрической мобильности: накопление энергии. стоимость, плотность, надежность и время зарядки [8,20].Хотя некоторые из этих ограничений больше не являются критическими для небольших городских транспортных средств, которым не требуется большой объем памяти, они по-прежнему имеют решающее значение для моделей вождения, требующих частых длительных поездок, для которых потребуются огромные и дорогие системы накопления энергии, требующие длительного времени перезарядки или очень высокой мощности. станции быстрой зарядки, которые также имеют свои проблемы [21]. Например, авторы сообщают, что выбросы CO ₂ Plug-in гибрида от скважины до колеса могут стать незначительными для случаев, когда длительные поездки составляют менее 25% от общего пробега [12].Это было сообщено для случая, когда был реализован компактный и эффективный расширитель диапазона с двумя различными режимами работы (один для эффективности, другой для дополнительной мощности). Кроме того, эта конфигурация обеспечит низкий расход топлива, довольно низкую сложность (по сравнению с параллельными гибридами) и низкую стоимость системы [12]. Конечно, реальные выбросы транспортных средств отличаются от зарегистрированных выбросов новых транспортных средств. Испытания на выбросы в реальных условиях вождения пытались решить эту проблему и теперь являются частью процесса сертификации выбросов.Они выполняются в режимах истощения заряда (CD — в основном электрический режим) и режимах поддержания заряда (CS — вождение со стабильным низким уровнем заряда с использованием в основном двигателя). Официальный расход топлива и выбросы представляют собой средневзвешенное значение между режимами CD и CS, при этом весовым коэффициентом является так называемый «коэффициент полезности» (КК) [22]. UF, используемый в Европе, основан на статистике вождения, описанной стандартом SAE J2841 [23]. Но эти тесты проводятся для автомобилей новых моделей, а не для автомобилей, которые в настоящее время ездят по дорогам.В этой сертификации есть лазейка, потому что некоторые пользователи не будут использовать возможность подключения автомобиля так часто, как хотелось бы, чрезмерно полагаясь на режим поддержания заряда. Конечно, для достижения более реалистичного измерения выбросов транспортных средств из парка транспортных средств потребуется интеллектуальный анализ этой информации в этих транспортных средствах, но это все еще не так. Однако до тех пор, пока существует экономический стимул с точки зрения стоимости энергии для использования электричества, кажется, что гибридная архитектура будет хорошо подходить для постепенного перехода к полной мобильности BEV после того, как их проблемы будут преодолены.Теперь экологичность гибридных автомобилей может быть дополнительно улучшена за счет использования топлива с более низким уровнем выбросов парниковых газов и загрязняющих веществ, о чем будет сказано далее.

3. Топливо

Топливо для двигателей внутреннего сгорания (и топливных элементов) обычно представляет собой комбинацию атомов водорода (H) и углерода (C), но иногда топливо может также содержать другие элементы, такие как кислород (O) или азот (N ). Ископаемые виды топлива (например, бензин или дизельное топливо) обычно представляют собой смесь различных компонентов (углеводородов), состоящую из Н и С.Каждый компонент имеет свои физические свойства, такие как плотность, температура кипения и теплотворная способность (ТВ). Одной из проблем двигателей внутреннего сгорания является очень высокий стандарт выбросов выхлопных газов, что требует дорогостоящей и громоздкой доочистки выхлопных газов, что также снижает топливную экономичность автомобиля.

Если топливо содержит кислород или азот, поскольку эти элементы не горят, его HV ниже, чем у других, состоящих только из углерода и водорода. Фактически, когда горит спирт (состоящий из С, Н и О), атомы кислорода, присутствующие в сгоревших газах, находятся в форме СО ₂ или Н ₂ О, в основном последнего [23,24].Жидкое топливо больше подходит для движения транспортных средств. У них очень высокая плотность энергии по массе и объему, что позволяет транспортным средствам иметь огромный запас хода. Газообразные виды топлива требуют резервуаров под давлением и имеют гораздо меньшую плотность энергии, что приводит к гораздо большим и тяжелым резервуарам для того же количества запасенной энергии (рис. 1, [25]). Например, для аккумуляторных электромобилей требуются огромные объемы батарей ( Таблица 1), добавляя массу и стоимость [8]. Тем не менее, прогресс в технологии аккумуляторов был медленным, но неуклонным, а новые технологии набирали обороты.Примерами являются использование материалов катода большой емкости (например, оксида металла) и анода, электролитов с высоким потенциалом окисления и металло-воздушных батарей, которые заменяют положительный электрод воздушным электродом [26]. Еще одним преимуществом жидкого топлива является его простая и быстрая заправка. Газообразные виды топлива более сложны и требуют больше времени для заправки, в то время как электромобили требуют сложных, дорогих и трудоемких процедур. добычи этого газа.В таблице 2 показан потенциал производства CO ₂ из различных видов топлива (в пересчете на LHV) по сравнению с бензином (100). Обратите внимание, что водород не является естественным топливом, поэтому его необходимо производить из других источников, которые могут быть ископаемыми, поэтому CO ₂ образуется не при его сжигании, а при его производстве.

4. Биотопливо

Важно знать, основано ли топливо на возобновляемой энергии, такой как сельскохозяйственные культуры, поскольку при его сгорании уровень содержания ископаемого CO ₂ в атмосфере не увеличивается, а незначительно (если процесс и выбросы от процесса учитываются [28], поэтому существует важное разделение между различными видами топлива, если они производятся из ископаемых или из возобновляемых источников (биотоплива) (рис. 2).Однако, как будет видно позже, иногда трудно оценить, является ли топливо «био» (из возобновляемых источников энергии) или нет. Например, биодизель рассматривается как биотопливо, но 10% метанола, необходимого для процесса переэтерификации, обычно получают из природного газа, ископаемого топлива (рис. 2). Некоторые виды топлива (например, водород или аммиак) можно производить из ископаемых источников (водород из природного газа или нефти), но они также могут производиться полностью из возобновляемых источников. Это относится к водороду, полученному в результате гидролиза воды с использованием возобновляемой энергии, такой как солнечная или ветровая, а также фотохимических элементов.Другие так называемые солнечные топлива также могут включать CO ₂ с использованием тех же методов [29]. Кроме того, биомасса может быть преобразована в другие более удобные формы топлива за счет включения солнечной энергии, что способствует процессу пиролиза [30].

Это приводит к еще одной дискуссии о топливе, поскольку некоторые из них (например, водород) можно рассматривать как «носители энергии», а не как «источники энергии». Электричество является энергоносителем, поскольку оно может производиться из различных источников энергии (возобновляемых источников, таких как солнечная и ветровая, или ископаемых, таких как углерод или ядерная энергия) в определенном месте, а затем транспортируется к месту, где требуется энергия, например как дома.Электроэнергия может транспортироваться на большие расстояния по электрической сети или может транспортироваться транспортными средствами в составе химико-электрических батарей. В этом отношении водород, аммиак и другие синтетические виды топлива (такие как бензин Фишера-Тропша или дизельное топливо) также могут считаться «энергоносителями». Если эти виды топлива производятся полностью из возобновляемых источников, то они считаются биотопливом. Таким образом, эти упомянутые виды топлива (водород, аммиак, синтетические углеводороды) могут считаться ископаемыми видами топлива, если они производятся из ископаемых источников, или они могут частично или полностью считаться биотопливами.Следовательно, ОДНО И ЖЕ ТОПЛИВО можно считать ископаемым топливом или биотопливом. Метан, присутствующий в природном газе, является ископаемым, тогда как тот же самый метан, содержащийся в биогазе, считается биотопливом.

Важные свойства

Список наиболее общих свойств различных видов топлива, собранных из нескольких источников [27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38], можно увидеть в таблице 3. , Плотность топлива и теплотворная способность важны для определения количества энергии, доступной в топливе, с точки зрения объема или массы.Теплота сгорания может быть указана в терминах высшей теплотворной способности (HHV) или низшей теплотворной способности (LHV). Разница между HHV и LHV заключается в тепле, связанном с конденсацией пластовой воды. Очевидно, что для углерода HHV имеет то же значение, что и LHV, так как при его сгорании не образуется вода.

Обычно энергоемкость жидкого и твердого топлива характеризуется их LHV, так как обычно газы сгорания выбрасываются при температурах, достаточно высоких, чтобы не допустить конденсации.Крайними значениями НТС являются углерод (33 МДж/кг, хотя обычное значение для угля составляет 27 МДж/кг) и водород (120 МДж/кг), и у большинства углеводородов их НТС является функцией H/. коэффициент С. Газообразные топлива, такие как метан, имеют высокую ТСТС, так как его отношение Н/С является одним из самых высоких. Энергетическая плотность топлива в пересчете на массу была бы важным параметром для мобильных приложений (а именно, аэрокосмических), но не столь важным для стационарных приложений.

Еще одним важным свойством является теплотворная способность стехиометрической топливовоздушной смеси в пересчете на объем при атмосферном давлении.Это показывает количество энергии, которое может быть введено в двигатель внутреннего сгорания за цикл, что влияет на крутящий момент и мощность [25]. Важность этого параметра можно проиллюстрировать на примере Водорода: хотя он имеет самую высокую ВГ по массе, его значение по объему (его смеси с воздухом) одно из самых низких (табл. 3; рис. 3). Естественно, этот параметр влияет на место для хранения, что также критично для мобильных приложений. Скрытая теплота парообразования отвечает за охлаждающий эффект на смесь при испарении топлива.Спирты имеют высокую ценность, поэтому их смесь с воздухом поступает в двигатель при низких температурах, даже при использовании наддува [25].

Значение стехиометрического соотношения воздух-топливо (A/F) является показателем отношения H/C углеводорода и/или количества кислорода (или азота) в его молекуле.

RON (октановое число по исследовательскому методу) и CN (цетановое число), используемые для классификации коммерческого бензина и дизельного топлива соответственно, связаны со способом самовоспламенения топлива. Высокие числа RON подходят для двигателей с искровым зажиганием (SI), тогда как высокие числа CN подходят для дизельных двигателей.На самом деле эти два числа противоположны [39, 40] (рис. 4). Высокие значения RON указывают на очень трудное самовоспламенение, тогда как высокие значения CN указывают на легкое самовоспламенение топлива. Глядя на рисунок 4, можно увидеть, что существует четкая связь между этими числами. Аппроксимация кривой дает следующие формулы:

RON = 105 − 0,145 CN − 0,333 CN ²

(2)

Другими физическими свойствами, представленными в таблице 3, являются вязкость, температура вспышки и давление паров по Рейду.Значения вязкости показывают возможность впрыска топлива в виде мелкодисперсного распыления, что очень важно для дизельных двигателей. Например, дизельное топливо имеет более низкую вязкость, чем биодизельное топливо, поэтому распыление биодизельного топлива является более грубым, чем распыление обычного дизельного топлива. С другой стороны, этанол и, главным образом, ДМЭ и ДЭЭ обладают гораздо меньшей вязкостью, поэтому их впрыскивание можно производить в виде мелкокапельных распылителей [41]. Температура вспышки — это температура, при которой жидкость выделяет достаточно паров для образования стехиометрической смеси с воздухом поэтому поддержание пламени, так что это свойство, связанное с безопасностью.Если температура вспышки топлива (например, дизельного топлива) значительно выше комнатной температуры, его утечка не приведет к возгоранию. С другой стороны, если температура воспламенения топлива ниже 38 °C (100 °F), оно считается легковоспламеняющимся [23]. Давление пара по Рейду является мерой летучести топлива и очень важно для топлива, используемого в Двигатели SI, в основном, когда они были карбюраторными. Пределы воспламеняемости показывают пропорции (% по объему), при которых искра может воспламенить топливно-воздушную смесь. Водород является топливом с самыми широкими пределами воспламеняемости, что очень важно для сжигания очень бедных смесей.Сжигание очень бедных смесей в ДВС имеет различные преимущества, такие как высокий КПД двигателя и низкий уровень выбросов загрязняющих веществ [25]. Кислородные топлива, как следует из названия, содержат кислород в своей молекуле, поэтому их плотность энергии снижается из-за этого факта. Половину массы метанола составляет кислород, а его ТС меньше половины ТС бензина, но, поскольку его стехиометрическое соотношение A/F также почти вдвое меньше, чем у бензина, ТС смеси воздух-метанол, хотя и ниже, составляет примерно на уровне бензина. Но, поскольку высокая скрытая теплота метанола значительно снижает температуру воздуха, поступающего в двигатель, его плотность увеличивается благодаря этому факту, и гораздо больше воздуха поступает в двигатель, эффективно увеличивая выходную мощность двигателя (примерно на 6%, [42]).Топливом с максимальным потенциалом увеличения мощности является нитрометан. Хотя у него низкая HV 12 МДж/кг, стехиометрическое соотношение A/F 1,7 позволяет впрыскивать огромное количество топлива в каждом цикле, увеличивая выходную мощность двигателя более чем в 2,3 раза по сравнению с бензином [42].

5. Водород

Водород — одна из простейших молекул, состоящая всего из двух соединенных вместе атомов, каждый из которых содержит только один протон и один электрон. Обычно он находится в газовой форме, и, если только он не находится в условиях очень высокого давления и/или очень низкой температуры, его плотность энергии (в пересчете на объем или МДж/л — рис. 3) чрезвычайно низка (0.11 МДж/л при атмосферных условиях). И это один из недостатков этого топлива: даже при очень высоких давлениях (750 бар) или очень низких температурах (сжижено при 20 К) его плотность энергии значительно ниже, чем у большинства других жидких топлив (4,7 и 8,6 МДж/л). , соответственно [43]) И для повышения давления водорода или его сжижения требуется значительное количество энергии, величина, которая составляет значительную долю его собственного HV. По сравнению с другими жидкими углеводородами один литр жидкого водорода фактически содержит меньше водорода (атомов), чем литр обычного топлива (а в обычном топливе также есть, кроме того, атомы углерода).Некоторые недавние разработки обещают использование материалов для хранения водорода при гораздо более низких давлениях, таких как системы жидкого органического носителя водорода (LOHC) [44,45,46]. Однако эти методы сложны, требуют контроля давления и/или температуры и требуют времени для хранения (гидрирование) и восстановления (дегидрирование), часто требуя катализаторов при использовании жидкостей [47,48]. Тем не менее, эти технологии могут стать жизнеспособными в будущем для конкретных приложений, а именно в крупномасштабных стационарных случаях, когда эффект масштаба в конечном итоге компенсирует добавленную сложность.Еще одним важным недостатком водорода является то, что его крошечная молекула может выходить через материалы, которые обычно непроницаемы для других газов. Это требует использования специальных материалов для трубопроводов и хранения, в том числе особых требований к сварке [49]. Хотя водород может использоваться в ДВС, его основное преимущество заключается в использовании в качестве энергоносителя в топливных элементах, где он не производит ничего, кроме электричество и вода. Производство водорода из электричества обычно осуществляется путем электролиза воды в процессе, который может иметь эффективность от 52% до 67%, поэтому 60% кажется хорошим средним значением.Затем водород используется для производства электроэнергии в топливных элементах с эффективностью от 50 до 60% (мы будем использовать 55%) [18]. Кроме того, необходимо хранить водород в виде сжатого газа при давлении от 350 до 700 бар или в виде жидкости при 20К. Для этого требуется 15 МДж/кг для сжатия до 700 бар [50] и 50 МДж/кг для сжижения H ₂ [50]. Это приводит к общей эффективности преобразования электричества в электричество 29% (сжатый H ₂ ) и 19,5% (жидкий H ₂ ), когда водород используется в качестве энергоносителя.Новый процесс электролиза, называемый высокотемпературным электролизом или паровым электролизом (при температуре от 700 до 1000 °C, что намного выше критической температуры воды и при высоких давлениях), демонстрирует потенциал для гораздо более высокой эффективности [51].

Как было сказано ранее, бензин и дизельное топливо также содержат большее количество водорода в пересчете на объем, чем жидкий водород, что делает их синтетические версии также хорошими энергоносителями, вероятно, лучшими, чем водород.

Но у водорода есть несколько важных свойств, которые можно использовать в ДВС в качестве присадки.Его очень высокая скорость сгорания (намного выше, чем у бензина) улучшает сгорание других видов топлива даже при низких фракциях (менее 5%). Это полезно для топлива, которое горит медленно, например, аммиака [52]. обычно впрыскивают воду как средство снижения максимальной температуры, особенно при использовании наддува. Одной из проблем водорода является его способность к самовоспламенению, так как энергия активации (искры), необходимая для воспламенения, очень мала (0.01 мДж). Этот факт мешает измерению его детонационного поведения и значения его октанового числа. Для измерения RON требуется температура на входе 149 °C, что слишком высоко для использования водорода. Обычно RON для водорода указывается выше 100 (Таблица 3), но некоторые исследователи [31] сообщают о таких низких значениях, как 60. Другие сообщают об RON более 130 при использовании бедных смесей. Когда воздух поступает при атмосферной температуре, водород показывает очень высокое октановое число, что обеспечивает степень сжатия (CR) выше 14.5:1 без детонации, вероятно, благодаря очень высокой скорости сгорания [53]. Но, как обсуждалось ранее, основная проблема с водородом — его плотность энергии. 50 л бензина можно хранить в 72-литровом баке (весом 84 кг, включая топливо), тогда как такое же количество энергии в водороде (19 кг) требует цилиндрического бака на 272 л и 129 кг ([54]; см. Рисунок 1). Таким образом, основными интересами водорода, по-видимому, являются его потенциал для использования в топливных элементах PEM, отсутствие выбросов CO ₂ и его использование в качестве энергоносителя и накопителя энергии в стационарных приложениях (хотя и при очень высоких давлениях или объемах).Если будут разработаны другие типы высокоэффективных топливных элементов, способных потреблять жидкое топливо, будут использоваться другие виды биотоплива (с возможностью не производить ископаемый CO ₂ ) и другие синтетические виды топлива могут использоваться в качестве энергоносителей, какие преимущества водород? По нашему мнению, если это так, то обоснование «водородной экономики» потеряет большую часть своей привлекательности, и его, скорее всего, заменят другие высокоэнергетические (жидкие) синтетические виды топлива и/или биотопливо. Таким образом, кажется, что основным преимуществом водорода в транспорте является его более высокая плотность энергии по сравнению с батареями, что делает гибридные электромобили на топливных элементах более выгодными, чем полностью электрические автомобили, с большим запасом хода и гораздо меньшим временем дозаправки.

6. Спирты

Наиболее распространенным спиртом, используемым в двигателях, является этанол, большое количество которого используется в Бразилии и США в двигателях с так называемым «гибким топливом». Эти двигатели SI могут работать на бензине, чистом этаноле или любой смеси этих двух видов топлива. Хотя стехиометрия обоих видов топлива сильно различается (AFR 14,5 для бензина и 9,0 для этанола — см. Таблицу 3), система впрыска использует лямбда-зонд в выхлопе для оценки обогащения смеси и ее корректировки. Если, например, двигатель работает на чистом бензине и водитель заправляет бак этанолом, когда новое топливо достигает форсунок, они производят обедненную смесь (меньше топлива, чем требуется), но в течение одной или двух секунд лямбда-зонд считывает состав смеси, отправляет информацию в ECU (электронный блок управления), после чего в цилиндры впрыскивается нужное количество топлива, и с этого момента ECU (электронный блок управления) двигателя принимает это топливо.Таким образом, только в течение этого очень короткого периода водитель может почувствовать какой-то резкий сбой в работе двигателя, но затем он работает без сбоев. Метанол — еще один алкоголь, иногда используемый, в основном в США и в основном для гоночных двигателей. Этанол и в основном метанол являются исключительным гоночным топливом по разным причинам. Они имеют высокое значение RON и высокую скрытую теплоту парообразования (см. Таблицу 3), что приводит к поступлению в двигатель холодных и плотных смесей (большая масса) и позволяет использовать высокую степень сжатия (CR), что обеспечивает более высокий КПД и мощность. [25].

Этанол в основном производится в результате ферментативного расщепления крахмала (зерновых), что приводит к образованию сахара, а затем к этанолу. В США основой является кукуруза, но в Бразилии, где используется сахарный тростник, первого преобразования избегают, что значительно повышает общую эффективность производства.

Метанол в основном производится из природного газа по уравнению паровой конверсии: с последующей каталитической реакцией между CO и водородом. Одним из менее известных преимуществ сжигания спирта является так называемый «алкогольный бонус».При сжигании метанола уравнение выглядит так:

CH ₃ OH + 1,5 O ₂ → CO ₂ + 2 H ₂ O

(5)

что в молях (которые переводятся в объем) дает:

2,5 В (реагенты)→3 В (продукты)

(6)

При использовании бензина (с учетом CH ₂ ):

CH ₂ + 1,5 O ₂ → CO ₂ + H ₂ O

(7)

что по объемам составляет:

2.5 В (реагенты)→2 В (продукты)

(8)

Таким образом, при одном и том же объеме реагентов (2.5) при использовании бензина образуется только два объема, а при использовании метанола — три. Это означает, что при использовании спирта происходит существенно более высокое объемное расширение. Это видно на указанной диаграмме, где метанол показывает более высокое давление при расширении (рис. 5). Это с учетом того, что и бензин, и метанол полностью испаряются при поступлении в двигатель, хотя испарить метанол гораздо труднее, чем бензин, так как скрытая теплота парообразования первого (1100 кДж/кг) намного выше, чем у бензина. последний (350 кДж/кг), так что отношение еще выше.

Поскольку метанол (и этанол) имеют намного более высокую скрытую теплоту испарения, чем бензин, и при той же мощности количество впрыскиваемой массы также значительно выше, общее количество тепла, необходимое для полного испарения топлива, намного выше, когда используются спирты. использовал. Это создает охлаждающий эффект на впускную смесь, даже при использовании наддува. Это выгодно для автоспорта, так как тепловые нагрузки внутренних частей двигателя очень высоки. При использовании спиртов двигатель с наддувом может работать без промежуточного охлаждения и не сталкиваться с тепловыми проблемами или детонацией.

Поскольку значения RON для спиртов выше, чем для бензина (см. Таблицу 3), степень сжатия двигателей может быть увеличена без детонации, что повышает мощность и эффективность. Поскольку адиабатическая температура пламени спиртов ниже, чем у бензина, тепловые потери в камере сгорания снижаются, что еще больше повышает общий КПД.

Другие преимущества спиртов заключаются в том, что, в отличие от бензина, они очень хорошо смешиваются с водой, что позволяет использовать воду для тушения пожаров.Бросание воды в горящий бензин обычно усугубляет проблему, так как вода плотнее бензина, поэтому топливо плавает по ней и легко растекается.

Но со спиртами тоже есть проблемы. Пламя метанола не имеет цвета, поэтому очень сложно определить, имеет ли место возгорание. Кроме того, поскольку теплота, необходимая для полного испарения спиртов, высока, приготовление смеси может быть проблемой [55], и большая часть жидкости может попасть в цилиндры и «вымыть» масло с поверхностей цилиндров, что приведет к поршню. контакт цилиндра.Кроме того, в холодных странах (даже на юге Бразилии) для запуска двигателя требуется небольшой бак бензина, поскольку давление паров этанола или метанола недостаточно для образования воспламеняющейся смеси. Кроме того, этанол и особенно метанол вызывают сильную коррозию различных металлов, а также других материалов, таких как резина.

Поскольку пределы воспламеняемости спиртов намного шире, чем у бензина, двигатели могут работать на гораздо более бедных смесях, повышая эффективность двигателя и уменьшая количество всех загрязняющих веществ.

Несмотря на то, что метанол является чистым и эффективным топливом, основным вкладом метанола в транспорт является его использование для производства биодизельного топлива в процессе переэтерификации [56].

7. Эфиры

Эфиры представляют собой молекулы с атомом кислорода, соединяющим два радикала, которые обычно подобны. Например, диметиловый эфир (ДМЭ) состоит из двух одинаковых метильных радикалов, связанных атомом кислорода. Это легковоспламеняющиеся жидкости или газы, поэтому их можно использовать в двигателях внутреннего сгорания.

7.1. ДМЭ

Диметиловый эфир (ДМЭ) является простейшим эфиром и представляет собой газ при атмосферном давлении, но легко конденсируется при приложении давления (55), выше, чем у дизельного топлива (см. табл. 3), имеет низкую температуру воспламенения (320° C), его вязкость очень низкая, и, поскольку он состоит на 35% из кислорода и не имеет СС-связей, его горение происходит без дыма [57]. Поскольку он очень летуч, приготовление его смеси с воздухом намного проще, чем с дизельным топливом, что делает его идеальным топливом для воспламенения от сжатия.Кроме того, он сгорает быстро и без детонации (бесшумное сгорание — [41]), у него есть потенциал для более высокой эффективности, но он производит больше NOx, чем дизельное топливо [56]. ДМЭ (и другие эфиры) можно получить путем дегидратации двух спиртов. молекулы, также производящие воду (рис. 6). Он также может быть получен из «черного щелока», побочного продукта целлюлозно-бумажного производства, или из лигнит-целлюлозной биомассы, что делает его биотопливом второго поколения. Сжимаемость ДМЭ намного выше, чем у дизельного топлива, что увеличивает необходимая энергия для сжатия топлива, хотя это не требует огромных давлений впрыска, необходимых для формирования мелкодисперсного распыления дизельного топлива.Однако его нельзя использовать непосредственно в системах впрыска дизельного топлива, так как он имеет плохие смазывающие свойства, но можно добавить небольшое количество биодизеля для обеспечения смазывающих свойств. Кроме того, его низкая плотность и низкая теплотворная способность требуют более высоких массовых расходов впрыска, чем у дизельного топлива, но в целом он имеет потенциал для производства большей мощности от того же двигателя, использующего дизельное топливо [56].

7.2. DEE

Диэтиловый эфир (ДЭЭ) представляет собой летучий эфир, обычно получаемый как побочный продукт гидратации этилена при производстве этанола, но его также можно получить в результате реакции серной кислоты с этанолом или путем каталитической дегидратации этанола.Благодаря очень высокому цетановому числу (температура воспламенения 160 °C, одна из самых низких, табл. 3) ДЭЭ используется в качестве пускового агента для двигателей внутреннего сгорания как в двигателях SI, так и в дизельных двигателях. При таком высоком цетановом числе (до 158 [41]) и возможность хранения в виде жидкости при атмосферных условиях (T _{, кипящая} = 34 °C, таблица 3), это топливо кажется хорошим кандидатом для использования в двигателях с воспламенением от сжатия (CI). Его можно добавлять в дизельное топливо, а во время Второй мировой войны в Японии он применялся в качестве присадки (до 5 %) в авиационных двигателях [41].Его использование в качестве топлива для двигателей с прямым воспламенением может иметь проблемы, поскольку оно не обладает смазывающими свойствами и склонно к окислению с образованием перекисей. Некоторые органические пероксиды опасно реактивны, потому что они сочетают в себе топливо (углерод) и кислород в одном и том же соединении. Поскольку в его молекуле есть кислород и нет связей С-С, при его горении не образуется дым.

8. Сложные эфиры (биодизельное топливо)

Обычные сложные эфиры более известны как биодизельное топливо, и они являются хорошей заменой ископаемому дизельному топливу в двигателях с системой внутреннего сгорания. Их получают из растительных масел (и других жиров) в процессе этерификации или, чаще, в процессах переэтерификации (рис. 7).В последнем процессе триглицерид реагирует со спиртом в присутствии катализатора с образованием сложного эфира и глицерина. Методы использования глицерина будут обсуждаться в следующей главе.

Сложные эфиры различных растительных масел (рапсового, соевого, арахисового, подсолнечного и т. д.) известны как биодизель или FAME (метиловый эфир жирной кислоты), если они производятся из метанола. Обычно они производятся с использованием метанола, но возможно производство биодизельного топлива с использованием этанола. В этом случае процесс идет медленнее и имеет меньшую эффективность, но конечный продукт можно считать 100% биотопливом, если используется биоэтанол и растительное масло на 100% биопродукции.Хотя метанол также можно производить из возобновляемых источников, обычно его получают из природного газа. Одним из полезных свойств биодизеля является его смазывающая способность. Когда из дизельного топлива удаляли серу, его смазывающая способность резко снижалась, и для ее восстановления было добавлено 2% биодизельного топлива.

Биодизель, хотя и имеет немного другие свойства в зависимости от исходного масла, из которого оно было изготовлено, является топливом с более высоким цетановым числом, чем дизельное топливо, не содержит серы, выбросы CO и HC ниже [58] и является биоразлагаемой жидкостью.Что касается недостатков, то оно имеет более высокую вязкость, чем дизельное топливо, дает более высокие значения NOx и не является стабильным (окисляется) при длительном хранении. Кроме того, производственный процесс является неэффективным (энергоемким), его теплотворная способность ниже, чем у дизельного топлива, и он может разрушать эластомеры. данные показывают только снижение на 5% [37], демонстрируя более высокую эффективность. Для того же энергопотребления автомобиля автор [58] измерил увеличение только в 3 раза.5% (по объему) и сокращение на 6% с точки зрения используемой энергии (в виде топлива) по сравнению с ископаемым топливом при длительном (12 350 км) путешествии по Южной Америке. Это также показывает лучшую эффективность двигателя при использовании биодизеля по сравнению с дизельным топливом [58]. Важно отметить, что упомянутые сравнительные испытания проводились в двигателях с общей топливной рампой. При использовании традиционных систем насос-труба-форсунка более низкая сжимаемость и более высокое цетановое число биодизеля обеспечивают более раннее и быстрое сгорание, что еще больше повышает эффективность (и увеличивает выбросы NOx), если двигатель разработан для минимизации выбросов NOx.Но более низкая сжимаемость биодизеля не мешает впрыску в системах Common-Rail, поэтому более высокий КПД в этих типах двигателей объясняется только лучшим потенциалом сгорания биодизеля [58]. Биодизель имеет некоторые недостатки в отношении дизель. Он затвердевает при более высокой температуре (~ 0 ° C), что может быть проблематично в холодных странах. Кроме того, присадки для дизельного топлива в холодную погоду не подходят для биодизеля, поэтому необходимо разработать другие добавки. Биодизель, произведенный из животных жиров (значительная доля бразильского биодизеля, 25%), имеет гораздо более высокую температуру затвердевания (~15 °С) [59].При длительном хранении он может окисляться и, поскольку является биотопливом, может быть источником бактериологического загрязнения [59]. Акролеин, являющийся токсичным веществом, рассматривается как проблема при сжигании биодизеля. Однако акролеин является побочным продуктом сжигания глицерина, а в биодизельном топливе глицерина почти не должно быть. Фактически, исследование [60] показало, что выбросы выхлопных газов биодизеля могут представлять меньший риск для здоровья человека, чем выбросы дизельного топлива в двигателях внутреннего сгорания. Существуют и другие процессы производства биодизеля, отличные от этерификации и переэтерификации.Один из способов включает в себя смесь биомассы и воды (для поддержания ее влажности), подвергающуюся обработке при высокой температуре (300–350 °C) и высоком давлении (120–180 бар) (гидротермическая очистка — HTU) для удаления части (85 %) его кислорода [61]. Полученное масло можно физически или химически переработать в биодизель. Это процесс второго поколения.

Йодное число (IV)

Йодное число (IV) является мерой уровня ненасыщенности биодизеля или масел. Это простой тест, в основном он заключается в измерении количества йода, которое можно добавить для насыщения 100 г топлива.Степень ненасыщенности связана с количеством двойных связей (рис. 8а) между атомами углерода и показывает его устойчивость к окислению и/или полимеризации. Биодизель из ненасыщенного масла имеет различные двойные связи. При добавлении йода к атомам углерода, ранее соединенным двойной связью, присоединяются два атома (рис. 8б). Чем выше йодное число биодизеля (масла или жира), тем ниже температура плавления. Так, биодизельное топливо, полученное из животного жира (насыщенное), имеет температуру плавления обычно выше 15 °С [59].Гидрирование масла происходит, когда двойные связи ненасыщенного масла превращаются в одинарные связи, а атомы водорода включаются туда, где были размещены атомы йода, как видно на рис. 8, справа. Топливо с более высокой степенью ненасыщенности имеет более высокую вязкость. , обычно дает более высокие значения NOx [62,63,64] и имеет более низкую устойчивость к окислению. Имея это в виду, в Европе IV биодизеля ограничен 120, ограничивая биодизель, произведенный из ненасыщенных масел, таких как подсолнечное или соевое [64], и разрешая биодизель на основе рапсового масла.Это ограничение накладывает ограничения на производство биодизеля в странах Южной Европы и импорт из Бразилии и США (обычно из сои), и по этому поводу ведутся большие споры. Спецификации биодизеля в США, Бразилии и Австралии не ограничивают IV. Биодизель, полученный из животных жиров, высоконасыщенных жиров, вызывает снижение NOx [63], и его IV также низкий [65]. В Бразилии используется смесь биодизеля, полученного из соевого масла (75%) и таллового жира (25%), что позволяет снизить высокую вязкость биодизеля из соевого масла [65].Однако биодизель, полученный из анчоусов, ненасыщенного жира, имеет IV 185 и имеет тенденцию к снижению выбросов NOx (на 11%) по сравнению с дизельным топливом для аналогичных условий [66], доказывая, что, по крайней мере, в некоторых случаях , прямой связи между выбросами IV и NOx нет.

9. Растительные масла

Первые дизельные двигатели, разработанные Рудольфом Дизелем, работали на растительных маслах, и только позже стали использовать минеральное дизельное масло. Одной из проблем использования сырых растительных масел является их очень высокая вязкость.Можно снизить вязкость, увеличив температуру растительного масла до значений, аналогичных температурам дизельного топлива перед впрыском. Но масла и жиры имеют различные уровни насыщения (двойные связи), на что указывает их йодное число (IV). Чем выше IV, тем выше вероятность полимеризации масла или жира при высокой температуре, что приводит к образованию тяжелых и липких отложений (камедей) на наконечниках форсунок и поршневых кольцах, что приводит к повреждению двигателя.

10.Другие кислородсодержащие топлива

Предыдущие виды топлива (спирты, простые и сложные эфиры) содержат кислород в своей молекуле, за что их называют кислородсодержащими топливами. Эти атомы кислорода значительно улучшают сгорание топлива и снижают вероятность образования твердых частиц (ТЧ). Работа Харлта [67] показала (рис. 9), что существует сильная корреляция между массовым содержанием кислорода в топливе и относительным уменьшением содержания сажи (ТЧ). Кроме того, эти исследователи доказали, что оксигенированное топливо с более высоким содержанием водорода (более высокое соотношение H/C) имеет тенденцию к дальнейшему снижению образования сажи.Поэтому легкие кислородсодержащие топлива, такие как ДМЭ или ДММ (диметоксиметан), лучше подходят для выбросов сажи. В то время как ДМЭ имеет высокое цетановое число (~60), ДММ имеет относительно низкое число ЦЧ, равное 30 (см. Таблицу 3), что снижает число ЦЧ смеси дизель-ДММ, увеличивая задержку воспламенения [68]. Но его добавление в дизельное топливо значительно снижает производство ТЧ. ДММ обладает низкой смазывающей способностью, поэтому его нельзя использовать в качестве прямого топлива в дизельном двигателе без присадок для повышения смазывающей способности и цетанового числа [67].Дизельные двигатели и новейшие двигатели с искровым зажиганием и непосредственным впрыском страдают от образования твердых частиц, так как времени на подготовку топлива не хватает. В этих типах двигателей впрыск топлива происходит очень поздно в цикле, что сокращает время, необходимое для надлежащей топливно-воздушной смеси, что приводит к образованию твердых частиц. Кислородные топлива, такие как спирты и эфиры, известны тем, что снижают производство твердых частиц, поскольку в них отсутствуют связи CC [69]. Диметилкарбонат (DMC) и метилформиат (MeFo) представляют собой устойчивые к детонации (с высоким октановым числом) сложные эфиры, которые подходят для прямого сжигания. инжекторные (DI) двигатели с искровым зажиганием (SI) с высокой степенью сжатия [70,71].Эти виды топлива также предлагают потенциал для значительного сокращения производства твердых частиц в двигателях SI-DI, что является выгодным преимуществом. Они оба используются в химической промышленности в качестве растворителей и других приложений. Оба DMC (C ₃ H ₆ O ₃ ) и MeFo (C ₂ H ₄ O ₂ ) имеют одинаковые соотношения элементов, поэтому они имеют одинаковую теплоту сгорания (таблица 3) и аналогичные ударопрочность. Испытания по сравнению с бензином показали более высокий расход топлива на эти оксигенаты, но мощность двигателя была значительно увеличена (на 13%) в результате более высокой степени нагрева смеси по сравнению с бензино-воздушной смесью.Но лучшее улучшение было с точки зрения сокращения PM, где число твердых частиц (PN) было уменьшено на один (DMC) и два (MeFo) порядка [69] по сравнению с дизельным топливом. Что касается новых оксигенированных топлив для двигателей с воспламенением от сжатия. , оксиметиленовые эфиры ОМЕ (CH ₃ O(CH ₂ O)nCH ₃ ) кажутся очень перспективными [72]. Эти топлива также известны под названием полиоксиметилендиметиловые эфиры (PODEn). Это класс различных видов топлива, n которых варьируется от 1 (диметоксиметан или ДММ) до более чем 5.Однако при n = 1 у нас есть ДММ, который очень летуч (почти как ДМЭ, который равен n = 0), а при n = 2 топливо имеет низкую температуру вспышки [73], поэтому наиболее пригодные виды топлива имеют диапазон n. от 3 до 4 (ОМЭ3-4 или ПОДЭ3-4). Более высокие значения n имеют очень высокие температуры плавления и могут выпадать в осадок при смешивании с дизельным топливом. Испытания дизельного двигателя на этом топливе (PODE3-4, смешанный с дизельным топливом) показали возможность более быстрого сгорания, меньшего образования ТЧ и несколько более высоких выбросов NO _x . Эффективность двигателя улучшилась во всех условиях по сравнению с обычным дизельным топливом, а выбросы CO и HC были снижены [73].Эти виды топлива имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что их можно производить из сырья биомассы [74] и они не содержат связей С-С, поэтому сгорают легко и чисто.

11. Синтетическое топливо — процесс Фишера-Тропша

Можно производить синтетическое жидкое топливо из более традиционных видов топлива, таких как уголь, природный газ или водород. Процессы инициируются производством синтез-газа (смеси водорода и монооксида углерода), который затем проходит через каталитические реакции, такие как процесс Фишера-Тропша (Ф-Т), что приводит к производству жидких углеводородов [75].Соотношение между H ₂ и CO в синтетическом газе и тип катализатора определяет типы производимых углеводородов, которые могут быть аналогичны бензину, дизельному топливу или смазочному маслу. Соответствующие уравнения следующие:

nCO + (2n + 1) H ₂ → C _n H _2n+2 + nH ₂ O (парафины)

(9)

nCO + 2nH ₂ → C _n H _2n + nH ₂ O (олефины)

(10)

Дизель F-T имеет более высокую сжимаемость, чем ископаемое дизельное топливо (что не является проблемой для двигателей с общей топливной рампой), имеет более высокое цетановое число (таблица 3), а потенциал образования NOx и ТЧ (твердых частиц) ниже [36].Поскольку эти синтетические виды топлива не содержат серы, их сгорание является очень чистым с низким потенциалом выделения твердых частиц. Тем не менее, похоже, что он чувствителен к уровням EGR (рециркуляции отработавших газов), создавая высокий уровень дыма выше определенного значения EGR. Но дизельное топливо Ф-Т может иметь разные рецептуры с разными кривыми перегонки, что меняет некоторые его свойства [76]. Эти синтетические топлива представляют собой углеводороды, молекулы которых не содержат кислорода, поэтому сокращение производства ТЧ нельзя отнести к этому элементу, как в случае с оксигенатными топливами.Эти виды топлива редко называют GTL (газ в жидкость). Если базовым топливом для производства синтез-газа является биомасса, название меняется на BTL (от биомассы к жидкости) и считается биотопливом второго поколения. Во время Второй мировой войны у стран Оси была огромная нехватка нефти, поэтому большая часть необходимых горюче-смазочных материалов производилась с помощью этих технологий (синтетических видов топлива) из угля (называемых CTL — уголь в жидкость, [77]), как несколько десятилетий спустя Южная Африка для преодоления нефтяного эмбарго, которому они подверглись [78].

11.1. Топливо CTL

CTL (жидкое топливо) сгорает чище, чем ископаемый бензин или ископаемое дизельное топливо, поскольку они специально производятся для сжигания в двигателях определенного типа. Есть два способа их изготовления. Непрямое сжижение угля (ICL) требует измельчения угля, который затем подвергается воздействию высокой температуры и высокого давления вместе с водой (паром) и кислородом для получения синтез-газа: а также с ограниченным количеством воздуха: затем синтетический газ преобразуется в жидкое топливо с помощью процесса F-T. В зависимости от требуемого топлива (бензин, керосин, дизельное топливо или смазка) процесс F-T должен подаваться в правильных пропорциях H ₂ и CO, поэтому эти пропорции можно изменить, например, следующим образом:

CO + H ₂ O + → H ₂ + CO ₂

(13)

При прямом сжижении угля (DCL) угольная пыль подвергается воздействию водорода (гидрирование), а также при высоких температурах и давлениях (пиролиз), в результате чего образуется сырая жидкость, которая затем очищается.Процесс Бельгиуса включает смешивание угля с тяжелой нефтью, полученной в результате процесса, и водородом при высоких давлениях и температурах, в результате чего получается жидкий углеводород:

nC + (n+1) H ₂ → C _n H _2n+2

(14)

Основные различия между ICL и DCL:

—

DCL использует только один шаг и более энергоэффективен;

—

ICL легче контролировать («конструировать») тип производимого топлива.

Производство огромных количеств CO ₂ (почти в два раза больше общих выбросов ископаемого топлива в пересчете на WTW, [79]) является одним из основных недостатков этих процессов. Другими проблемами являются большие объемы необходимой тепловой энергии и воды. Требуемый расход воды находится в районе 1 м ³ (1 тонна) на каждый баррель производства топлива [77], а расход угля (битуминозного) составляет от 0,73 до 1,04 тонны на баррель, согласно опыту Sasol [77].Подходящие катализаторы необходимы для каждого процесса.

11.2. BTL

Некоторые процессы преобразования твердой биомассы (растения, древесина, сельскохозяйственные культуры, солома – лигноцеллюлоза) в жидкое топливо (рис. 10) аналогичны упомянутым выше процессам. Твердая биомасса сжигается в среде с низким содержанием кислорода (газификация) или вступает в реакцию с паром (высокое давление и температура, хотя и ниже, чем CTL) в присутствии соответствующих катализаторов для производства синтез-газа, который затем преобразуется в жидкое топливо с использованием процесса FT. .Или биомасса проходит процесс пиролиза (рис. 10), в результате чего получается пиролизное масло, которое перерабатывается и перегоняется в требуемое жидкое топливо. Однако эти процессы требуют очень большого количества биомассы (6 тонн биомассы для производства 1 тонны BTL, [80]). Существуют и другие процессы преобразования лигноцеллюлозной биомассы в топливо, такие как процесс гидролиза второго поколения (рис. 10). ферментацией сахара в этанол и старым процессом анаэробного сбраживания.Однако этот процесс требует новых способов повышения эффективности биоконверсии, таких как выполнение предварительной обработки, приводящей к деградации клеточной стенки [81].

11.3. GTL

Более простой способ использования процесса F-T — это использование смеси природного газа (метана) и пара в слое катализатора, где он производит синтетический газ:

CH ₄ + H ₂ O + → CO + 3H ₂

(15)

CO + H ₂ O + → H ₂ + CO ₂

(16)

Они называются газ-жидкость или GTL.Одним из способов производства топлива BTL является использование установок GTL и их «гибридизация» для приема синтез-газа, произведенного из биомассы, что иногда называют гибридными установками BGTL. Эти установки имеют максимальную эффективность около 22% производства топлива, полученного из биомассы [82].

11.4. HVO

Растительные масла могут подвергаться процессам крекинга и/или гидрогенизации, аналогичным процессам на нефтеперерабатывающих заводах, что приводит к образованию бескислородных линейных парафиновых углеводородов, обычно называемых HVO (гидрогенизированные растительные масла) и пропана.HVO не являются биодизельным топливом, так как в их молекуле нет кислорода и они обладают свойствами, подобными ископаемому дизельному топливу.

Водород разрывает связи между глицерином и жирными кислотами и раскисляет гидроксильные и карбоксильные группы, приводя к углеводороду без кислорода [83]. Часть углерода используется для «торможения» глицерина и получения пропана. Таким образом, этот процесс потребляет жир и водород и производит углеводороды с длинной цепью (дизельное топливо) с использованием катализаторов и высокой температуры (300 ° C) и давления (от 50 до 180 бар).CO и CO ₂ также образуются как побочные продукты процесса. Удаление кислорода изменяет некоторые свойства. Он снижает смазывающую способность, а его производство ТЧ (дыма) и теплотворная способность находятся между биодизелем и дизельным топливом. Цетановое число HVO очень высокое (ЦЧ = 82: Таблица 3), что потребует перенастройки двигателей, а именно опережения впрыска. Хотя его теплотворная способность несколько выше, чем у дизельного топлива, его более низкая плотность приводит к более низкой теплотворной способности на единицу объема.

11.5. Топливо для газификации — VGO

Топливо для газификации можно получить из биомассы с использованием лесных отходов (мелких веток и листьев) и черного щелока (побочный продукт производства бумаги и целлюлозы), которые производят синтез-газ при высокой температуре и давлении с последующим процессом ФТ. .

Различные пластмассы (в частности, не подлежащие вторичной переработке) могут подвергаться процессу газификации, при котором после обеззараживания газы конденсируются в высококачественном масле (ВГО — вакуумный газойль), которое можно перегонять в бензин и дизельное топливо.Такой перерабатывающий завод может быть плавучей платформой, используемой для уничтожения и переработки огромного количества пластика, засоряющего обширные части океанов. Процесс производства VGO уже используется для извлечения ископаемой тяжелой нефти, где нагрев при низком давлении позволяет тяжелой нефти кипеть при гораздо более низких температурах, чем при атмосферном давлении. Это предотвращает образование кокса и, следовательно, увеличивает производство жидкого топлива.

11.6. Топливо для пиролиза (PL)

Пиролиз — это высокотемпературная реакция без контакта с воздухом.Он производит газы, жидкости и твердые вещества, причем жидкие фракции (ЖФ) являются важными для двигателей внутреннего сгорания. В качестве сырья могут использоваться различные вещества, такие как пластик, биомасса и использованные шины. При использовании последнего материала (шины) полученная жидкость имеет высокую теплотворную способность (более 40 МДж/кг [84]) и некоторые другие свойства подобны ископаемому дизелю, но цетановое число очень низкое (17,6 — табл. 3). что позволяет использовать его в смеси с ископаемым дизельным топливом (или биодизелем) только в небольших количествах.

11.7. Электротопливо

Термин «электротопливо» приобретает все большее значение в последнее десятилетие [28]. Это означает топливо на основе возобновляемых источников энергии небиологического происхождения, поэтому оно не основано на сельскохозяйственных культурах. EC [85] ввела термин косвенное изменение землепользования (ILUC) для учета последствий (устойчивости) производства биотоплива для землепользования. В качестве меры устойчивости биотопливо, произведенное через ILUC, не будет включено в число целей по возобновляемым источникам энергии после 2030 года. Электротопливо, такое как водород и его производные, в основном производится из (возобновляемых) электричества и воды путем электролиза или других физических /химические процессы.Затем водород соединяется с углеродом в CO ₂ (через монооксид углерода) для получения синтез-газа, необходимого для процесса синтеза (Фишера-Тропша) [86]. его производство очень низкое, и в производственном процессе требуется гораздо больше энергии, чем имеется в топливе. Бэннон [87] ссылается на общие значения эффективности 73%, 22% и 13% для транспортных средств, работающих на батареях, водородных топливных элементах и ​​двигателях внутреннего сгорания, работающих на электротопливе, соответственно (рис. 11).Так что в электромобилях логичнее использовать электроэнергию, непосредственно хранящуюся в аккумуляторах. Однако это невозможно в авиации, где тяжелые батареи препятствуют его использованию. Следовательно, самолетам для полета необходимо жидкое топливо, поэтому у электротоплива, похоже, есть будущее на огромном рынке использования возобновляемых источников энергии в воздушном транспорте [51,87]. И имейте в виду предлагаемое 50% авиационного возобновляемого топлива (электротоплива) в ЕС к 2050 г. [85].) имеют гораздо меньшие риски устойчивости и используют на порядок меньше земли [51]. Кроме того, потребность в воде намного ниже, и нет риска загрязнения грунтовых вод (через химические удобрения, такие как азот). Однако, если производство электроэнергии основано на какой-либо величине углеродоемкости, присущая ей низкая эффективность WTW приводит к тому, что она производит высокие уровни CO ₂ . Например, электротопливо, произведенное из средней энергосистемы Европы [6], будет иметь интенсивность CO ₂ в три раза выше, чем нынешнее ископаемое топливо [51].С точки зрения стоимости, значения чрезвычайно высоки, более чем в пять раз превышают стоимость ископаемого топлива и, следовательно, намного превышают цену биотоплива [88]. Одним из важных факторов производства электротоплива является получение водорода электролизом, который традиционно имеет низкий КПД [51]. Однако высокотемпературный электролиз или паровой электролиз — это новый процесс, в котором водород и кислород генерируются при температурах от 700 до 1000 °C [89] с гораздо более высокой эффективностью.Более высокая эффективность частично является результатом высокой температуры пара и тем, что тепло, необходимое для этих высоких температур, поступает из самого последующего процесса ФТ [51]. Другая возможность производства электротоплива — это высокотемпературный соэлектролиз. CO ₂ и H ₂ O [90] с использованием ячеек для твердооксидного электролиза (ТОТЭ) [91]. Эти многообещающие передовые электрохимические устройства накопления и преобразования энергии обладают высокой эффективностью преобразования и непосредственно преобразуют CO ₂ и воду в синтетический газ, что приводит непосредственно к производству FT-топлива, но все еще находятся на ранней стадии разработки [92].

11.8. Солнечное топливо

Солнечное топливо — это новая концепция производства возобновляемого жидкого топлива. Эти виды топлива производятся из солнечной энергии с помощью прямых или косвенных методов. Это может быть электротопливо, где необходимое электричество вырабатывается из фотогальванических источников, или топливо, генерируемое в результате процессов, включающих фотохимические, термохимические или биохимические (фотосинтез) с использованием солнечной энергии [29]. Солнечная энергия в этих процессах используется для разложения воды и/или CO ₂ с получением H ₂ и CO (синтез-газа), необходимых для последующего процесса Фишера-Тропша.Таким образом, некоторые из ранее упомянутых синтетических видов топлива, произведенных с использованием электроэнергии или тепловой энергии, также могут быть созданы с использованием солнечной энергии путем фотоэлектрической и/или тепловой концентрации. Ферментативное преобразование CO ₂ также может быть осуществлено с использованием солнечной энергии, что приводит к таким химическим веществам, как метан и CO [93]. Один процесс включает реакцию CO ₂ и H ₂ O при высоких температурах ( ~1400 °С) в присутствии катализатора на основе оксида церия с последующим гидролизом при 800 °С с образованием Н ₂ и СО [94].Этот процесс получения жидких углеводородов посредством переработки синтез-газа уже исследуется в промышленных масштабах, хотя и требует дальнейшей оптимизации с использованием оксидов металлов в мощных солнечных концентраторах [29]. В фотохимических и фотоэлектрохимических системах активные светопоглощающие материалы непосредственно интегрированы в катодные и/или анодные электроды, находящиеся в контакте с электролитом. Фотосенсибилизированные электроды преобразуют свет в электрический ток, который затем используется для разделения воды на водород и кислород.Комбинация фотогальванических и электрохимических процессов также является многообещающей технологией, поскольку она позволяет оптимизировать оба процесса по отдельности [95]. Термохимические процессы имеют большой потенциал при использовании очень высоких значений солнечной концентрации [29]. Однако интеграция процесса в солнечный реактор приводит к значительным тепловым потерям, а различные другие трудности, связанные с укрупнением установок, препятствовали жизнеспособности этого подхода с эффективностью ниже 10% [29] до рассмотрения его использования в двигателях внутреннего сгорания, где КПД едва достигает отметки 40% или в топливных элементах (~60% КПД).

12. Диметилфуран (ДМФ)

Диметилфуран (ДМФ — CH ₃ -C ₄ H ₂ -O-CH ₃ — Таблица 3) представляет собой биотопливо, потенциально способное заменить бензин, поскольку оно обладает свойствами между бензином и этанолом. Его октановое число даже выше, чем у этанола, но его детонационные характеристики немного ниже, чем у этанола, вероятно, потому, что его скрытая теплота парообразования намного ниже (аналогично бензину), что препятствует эффективному охлаждению смеси этанола [96]. Кроме того, его ламинарная скорость пламени ниже, чем у этанола, даже немного ниже, чем у бензина [97].Его температура кипения высока (93 °C, таблица 3), что делает его менее летучим топливом и более практичным для транспортировки и хранения, хотя запуск холодного двигателя может быть затруднен. В отличие от этанола и метанола, он нерастворим в воде, что снижает некоторые проблемы хранения спирта. ДМФ можно получить из фруктозы, поэтому он может быть биотопливом, полученным химическим или биохимическим путем с использованием прямого процесса с использованием катализаторов, и его производство требует около одна треть энергии, необходимой для производства этанола [98], где помогает его низкая скрытая теплота парообразования.

13. Нитрометан

Нитрометан (CH ₃ NO ₂ — Таблица 3) представляет собой топливо с кислородом и азотом помимо обычного углерода и водорода, известное своим взрывоопасным поведением и огромным увеличением мощности, которое оно может обеспечить для мощных двигателей. . Поскольку он имеет высокую долю O и N (52,5% кислорода и 75,4% N + O), его теплотворная способность низкая, но, поскольку он имеет очень низкое стехиометрическое соотношение A/F (1.7, таблица 3), его смесь с воздухом в объемной основе несет гораздо больше энергии, чем любое другое топливо, массивное 2.3-кратная смесь воздух-бензин (см. Таблицу 3). Очень низкий A/F требует большого количества впрыскиваемого топлива (в 8,5 раз больше массы по сравнению с бензином), что в сочетании с высокой скрытой теплотой парообразования (почти в два раза больше, чем у бензина, см. Таблицу 3) требует огромного количества тепла для испаряться.

Нитрометан используется в основном в категории «топливо высшего качества» в дрэг-рейсинге, где расход топлива может составлять 25 л на гонку на 300 м за 3,6 с, а финишная скорость превышает 530 км/ч. Как ни странно, эти двигатели мощностью более 10 000 л.с. не имеют никакого охлаждения, кроме скрытой теплоты топлива.Некоторые другие применения включают его использование в качестве добавки (~ 5%), обычно к топливу на основе метанола, например, для авиационных моделей.

14. Ацетилен

Это топливо (C ₂ H ₂ ) иногда использовалось в двигателях внутреннего сгорания, в основном во время мировых войн, поскольку не было топлива на нефтяной основе для широкой публики. Его получают реакцией карбида кальция и воды:

Ca C ₂ + 2H ₂ O → C ₂ H ₂ + Ca (OH) ₂

(17)

Этот процесс обычно использовался в газовых счетчиках и на передних фарах старых автомобилей, а иногда производился внутри (в багажнике автомобиля) и подавался на двигатель.Ацетилен

имеет октановое число 40 (Таблица 3), поэтому он не подходит для современных двигателей с высокой степенью сжатия (CR), но имеет высокую скорость распространения пламени, что может уменьшить возникновение детонации. Одним из лучших свойств ацетилена является его адиабатическая температура, одна из самых высоких, которая может превышать 3000 ° C при сжигании на чистом кислороде, но это не является преимуществом для двигателя внутреннего сгорания.

15. Аммиак

Аммиак (NH ₃ ) является важным веществом, используемым в качестве удобрения во всем мире, с годовым объемом производства более 150 миллионов тонн.Более половины населения мира зависит от повышенного производства сельскохозяйственных культур, усиленного азотом в аммиаке, но его производство очень энергоемко (используется около 2% всей энергии, потребляемой в мире), и оно производит примерно 1% всей энергии. CO ₂ выбросы по всему миру. Как правило, производство одной молекулы NH ₃ приводит к выделению молекулы CO ₂ . В природе существует производство аммиака путем разложения (гниения) растительных и животных отходов бактериями.Он также может быть получен при пиролизе угля как побочный продукт производства кокса и угольного газа. В этих случаях аммиак представляет собой гидроксид аммония, жидкость, обычно используемую в качестве чистящего средства, обычно известную как «аммиак». Аммиак также используется в холодильных системах с абсорбционным циклом.

Безводный аммиак (без добавления воды) может быть заменой бензина в двигателях SI или даже дизельных двигателях, и основной интерес заключается в использовании его в качестве «энергоносителя», для замены электричества (или водорода) в качестве средства для транспортировать энергию от места, где она производится (ветряная электростанция или атомная электростанция), к месту, где она будет использоваться, например, для питания транспортных средств.Поскольку в его молекуле нет углерода, он не производит ни CO ₂ , ни CO, ни HC. По сравнению с водородом (еще одним энергоносителем) один литр жидкого аммиака (при 10 бар и 25 °C) содержит на 30% больше водорода, чем 1 л жидкого водорода (при -253 °C). Поэтому гораздо разумнее использовать в качестве энергоносителя аммиак, чем водород.

Что касается образования NOx, то при сжигании аммиака выделяется некоторое количество тепла (механизм Зельдовича), но при его сжигании также образуются NOx, поскольку его молекула содержит атомы азота.Однако аммиак имеет относительно низкую адиабатическую температуру, ниже, чем у обычных углеводородов, и намного ниже, чем у водорода (табл. 3), что снижает потенциал образования NOx по Зельдовичу. По теплотворной способности аммиак имеет низкую теплотворную способность (18,6 МДж/кг, табл. 3). ), менее половины бензина, и сравнение ухудшается, если проводить его по объему, где он имеет чуть более 1/3 энергии бензина. Кроме того, поскольку аммиак является газом при атмосферных условиях, для него требуется баллон высокого давления, цилиндрический или тороидальный, аналогичный баллону для сжиженного нефтяного газа, где можно заполнить только 80% объема, что снижает запас хода автомобиля.Другими важными свойствами аммиака являются очень высокая температура самовоспламенения (651 °C, таблица 3), очень высокая энергия, необходимая для воспламенения (намного выше, чем требуется для бензина), и очень высокая скрытая теплота парообразования (2450 кДж/ч). кг по сравнению с 380 для бензина), что создает дополнительные трудности при его использовании в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Другими проблемами являются узкие пределы воспламенения (воспламеняемость, см. Таблицу 3) и уменьшенная скорость распространения пламени, в пять раз медленнее, чем у бензина [99] и в 30 раз медленнее, чем у водорода [52].Добавление 4% аммиака к бензину снижало скорость его горения на 15% [99]. В результате угол опережения зажигания, необходимый для сжигания бензино-аммиачной смеси, увеличивается с увеличением процентного содержания аммиака (рис. 12, [100]). если будут предприняты меры для обеспечения преодоления упомянутых недостатков сгорания (очень высокая энергия воспламенения, пределы воспламеняемости и медленное горение), например, с использованием многократного искрового разряда и воспламенения с очень высокой энергией и компактных камер сгорания [101].Наддув кажется хорошим вариантом [102], и некоторые исследователи использовали плазменное зажигание с хорошими результатами [103]. Поскольку одной из основных проблем является его медленное сгорание, условия двигателя с низким зарядом и высокой скоростью могут быть достигнуты только с использованием «мотора сгорания», такого как водород [53], бензин или даже дизельное топливо, что обеспечивает лучшее воспламенение и повышенную скорость сгорания. Его можно сжигать в двигателях с воспламенением в смеси с дизельным топливом, но было бы выгодно смешивать его с биодизельным топливом или ДМЭ, поскольку эти топлива имеют более высокое цетановое число (ЦЧ) [104].Аммиак вызывает раздражение в небольших количествах и может быть смертельным в более высоких концентрациях. Однако его отчетливый и сильный запах, а также тот факт, что он легче воздуха, снижают риски. Аммиак широко используется в мире, имеет специальные установки и процедуры производства, хранения и доставки, поэтому он был тщательно протестирован во всем мире. Также, в отличие от бензина, он не канцероген, при его сгорании не образуется дым и он гораздо менее взрывоопасен [104]. В настоящее время аммиак производится из природного газа (70%) и угля (30%) путем Процесс Габера-Боша [105], при котором водород и азот реагируют (3H ₂ + N ₂ → 2NH ₃ ) в катализаторе на основе оксида железа при температуре от 380 до 500 °C.Аммиак производился из возобновляемых источников энергии (гидро) путем гидролиза воды в 40-х годах, но из-за высоких производственных затрат и старения оборудования производство остановилось в 80-х годах [106]. Для производства синтетического бензина (по процессу Фишера-Тропша) требуется 95,3 МДж/кг, а его теплотворная способность составляет 42,5 МДж/кг, что означает, что для его производства требуется в 2,25 раза больше его энергии. В случае аммиака (процесс Габера-Боша плюс производство H ₂ и разделение N ₂ ) для производства 1 кг требуется 43.2 МДж [107], а его теплотворная способность составляет 18,6 МДж/кг. Следовательно, для его производства требуется в 2,3 раза больше энергии, чем при производстве бензина FT. С точки зрения биопроизводства необходимо использовать 2,72 кг кукурузы для производства 1 кг этанола, тогда как необходимо использовать 3 кг того же злака для производства 1 кг аммиака с использованием процессов, включающих газификацию и синтез [108]. Поскольку плотность энергии этанола составляет 25 МДж/кг, а аммиака — всего 18,6 МДж/кг, с точки зрения энергии потребление аммиака равно 1.5 хуже, чем этанол. А производство этанола из кукурузы имеет низкую энергетическую эффективность по сравнению с бразильским производством из сахарного тростника. Для использования аммиака в качестве энергоносителя мы знаем, что его производство с помощью процесса Габера-Боша (3H ₂ + N ₂ → 2NH ₃ при 500 °C и 300 бар) требует 43 МДж/кг [107], уже включая производство водорода и выделение азота из воздуха. Если аммиак сжечь в двигателе внутреннего сгорания с КПД 40%, то общий КПД преобразования электроэнергии в электричество составит 16%.То же исследование для жидкого водорода (см. в разделе, посвященном водороду) показало, что этот КПД составляет 19,5%. Эти примеры показывают, что производство и использование аммиака пока не является ни энергетически, ни экономически целесообразным и потребует разработки более эффективных процессы. В прибрежном ветроэнергетическом проекте по производству аммиака для использования на судах (Zero Emission Energy Distribution at Sea — ZEEDS [109]) планируется гидролиз воды и выделение азота из воздуха с использованием вырабатываемой ветровой электроэнергии.Подсчитано, что этот аммиак будет в три раза дороже, чем тяжелая нефть с содержанием серы 3,5%. Еще одним интересным применением аммиака является непосредственное использование в топливных элементах [110]), для которых обычно требуется чистый водород.

16. Скипидар

Скипидарный спирт или просто скипидар – это жидкость, получаемая при перегонке сосновой живицы. Традиционно он использовался в качестве растворителя (например, в химчистках), и разные деревья производят немного разные составы скипидара. Скипидар также можно производить прямо из древесины с помощью так называемой деструктивной дистилляции, своего рода пиролиза.

Хотя ежегодное производство сосновой смолы в мире невелико и составляет менее тысячи тонн [111], ведется разработка генетически улучшенных деревьев для получения высоких урожаев смолы [112,113]. Однако в скипидар может превратиться лишь небольшая часть смолы, составляющая 20 % [114]. Другим источником скипидара является черный щелок, побочный продукт целлюлозно-бумажной промышленности. Скипидар (C ₁₀ H ₁₆ ) использовался в двигателях внутреннего сгорания с 1824 г., когда Сэмюэл Мори [115] запатентовал атмосферный двигатель. используй это.Но более известное использование скипидара было после Второй мировой войны Соитиро Хондой (основателем Honda Motor Co), который производил мотоциклы с небольшими армейскими двигателями (рис. 13), работающими на скипидаре, которые он продавал сам. после 1946 г. из-за нехватки бензина в послевоенной Японии. Скипидар (см. Таблицу 3) имеет более высокую теплотворную способность, чем бензин или дизельное топливо, и, поскольку его плотность также выше, его плотность энергии (в объеме или массе) выше. чем обычные виды топлива. Кроме того, поскольку его стехиометрический A/F (14.2) ниже, чем у бензина, ведь смесь воздух-скипидар обладает большей энергией, чем воздух-бензин, и теоретически должна давать более высокий крутящий момент и мощность от одного и того же двигателя [116]. Но его октановое число ниже, чем у бензина, поэтому двигателям требуется меньшее опережение зажигания при добавлении скипидара в бензин. Скипидар также можно добавлять в дизельное топливо, но его низкое цетановое число (от 20 до 25) имеет тенденцию снижать эффективность двигателя [117]. , хотя некоторые авторы [118] сообщают об улучшении эффективности на 1-2%, когда смеси менее 40%.Его можно использовать в двухтопливном режиме путем фумигации, что позволяет заменить до 75% дизельного топлива с заметным снижением дымообразования [119].

17. Глицерин (или глицерин)

До интенсивного производства биодизеля глицерин был ценным веществом для кремов для кожи, помады для губ и в качестве пищевой добавки. Однако огромное количество биодизельного топлива, производимого во всем мире, привело к большим излишкам глицерина, и его стоимость резко упала, поскольку для него нет рынка. На каждую часть произведенного биодизеля в процессе переэтерификации получается 10% глицерина.

Хотя глицерин (C ₃ H ₈ O ₃ ) можно сжечь, его атмосферное горение (при температуре ниже 300 °C) может привести к образованию токсичных соединений, таких как альдегид акролеин. Акролеин получают путем обезвоживания глицерина и представляют собой черное и липкое вещество, образующееся при воздействии высоких температур на растительные масла, такие как отложения на сковородах и ответственные за их едкий запах. Его связывают с раком легких [120], поэтому его выброса следует избегать.В качестве топлива глицерин очень трудно сжечь в двигателе. Он затвердевает при 18 °C, поэтому имеет высокую вязкость и должен впрыскиваться горячим (~100 °C) для обеспечения достаточного распыления. Его температура самовоспламенения составляет 390 °C, поэтому она слишком высока для прямого использования в двигателях с воспламенением от сжатия. Некоторые исследователи смешивали его с дизельным топливом до 20 % [121], но всасываемый воздух необходимо было нагреть до 100 °C, чтобы поддерживать стабильное горение. Мощность немного уменьшилась, а КПД немного увеличился, в то время как образование NOx и ТЧ сократилось, в основном при высокой мощности.Одной из отмеченных проблем была сложность производства и поддержания стабильных смесей углеводородов и глицерина. Однако по крайней мере одна компания добилась сжигания чистого глицерина в дизельном двигателе (Aquafuel Research Ltd., Смарден, Кент, Великобритания). Идея состоит в том, чтобы увеличить температуру на впуске [122] до уровня, при котором практически любое топливо (даже бензин) будет гореть в дизельном двигателе. Таким образом, всасываемый воздух должен быть подогрет (~200 °C) так же, как и топливо (~100 °C), чтобы глицерин сгорал чисто и эффективно.В гонках Формулы E используются электромобили, аккумуляторы которых необходимо заряжать в гаражах. Эта компания разработала электрические генераторы, которые будут использоваться различными командами для зарядки автомобильных аккумуляторов. Эти генераторы представляют собой модифицированные дизельные двигатели (Cummins KTA50, 50 л, V16, с турбонаддувом, мощностью более 1 МВт), работающие на глицерине, поскольку это чистое биотопливо. Каждый генератор может производить 850 кВт, что достаточно для зарядки 40 автомобильных аккумуляторов за 50 минут. Эти генераторы также используются производителями биодизеля, что позволяет им использовать побочный продукт глицерин для производства электроэнергии на своих заводах.Двигатели имеют падение мощности, потому что плотность всасываемого воздуха уменьшается из-за повышения температуры. Видимо, высокая температура на впуске достигается за счет уменьшения отводимого тепла в промежуточном охладителе после турбонагнетателя. Выбросы NOx и ТЧ были отмечены как «практически устраненные» [122], но эти заявления были опубликованы на сайте компании. двигатель CI с глицерином и 100 ° C для бензина с октановым числом 98.Дизельный двигатель необходимо запустить на дизельном топливе, и его можно запустить на глицерине только после прогрева, а перед выключением необходимо снова запустить на дизельном топливе для продувки системы впрыска. По скорости ламинарного пламени глицерин подобен бензину [124].

18. Fage

Существуют различные способы превращения глицерина в пригодное для использования топливо, такие как его реакция с диметилсульфатом и/или метанолом (с образованием диметоксиэфира глицерина — [125]), этерификация, ацетилирование или анаэробная ферментация [126].Однако эти процессы протекают медленно и экономически нежизнеспособны. Но можно получить FAGE (формальный эфир глицерина жирной кислоты) в результате реакции между глицерином и другими жирами (растительными или животными). FAGE имеет LHV ниже, чем у биодизеля, но он очень плотный (таблица 3), поэтому его плотность энергии (по объему) аналогична биодизелю. Но температура его кипения составляет почти 300 °С, а затвердевание происходит при 14 °С, что делает его очень вязким. Существует еще один способ трансформации жиров без образования глицерина [126].Вместо метанола диметоксиметан (ДММ) смешивают с жиром в комбинированном процессе переэтерификации-транскетализации с получением метилового эфира жирной кислоты (МЭЖК), обычного биодизельного топлива и FAGE. В целом процесс можно представить в виде рисунка 14).

19. Выводы

В то время, когда будущее использование двигателей внутреннего сгорания и/или ископаемого топлива для автомобильного транспорта ставится под сомнение многими политиками во всем мире, в этой статье представлен обзор различных решений альтернативных видов топлива. которые можно будет использовать для экологически чистых двигателей автомобилей будущего.

Существуют некоторые альтернативы комбинированному двигателю внутреннего сгорания — ископаемому топливу для приведения в движение транспортных средств, например, электромобили с аккумуляторными батареями, гибридные автомобили на топливных элементах или просто обычные транспортные средства, работающие на возобновляемом и/или биотопливе. Последняя альтернатива кажется особенно привлекательной, так как жидкое топливо имеет очень высокую плотность энергии и используется в устройствах (двигателях внутреннего сгорания), которые разрабатывались более века. Имея это в виду, авторы обсудили различные предложения по альтернативам ископаемому топливу.Похоже, что в будущем жидкое топливо по-прежнему будет сжигаться в двигателях внутреннего сгорания, но транспортные средства будут оснащены электроприводом (гибриды), а выбросы выхлопных газов, выбросы CO ₂ и расход топлива будут ниже, чем при сегодняшнем ископаемом топливе.

Были представлены и обсуждены различные свойства, области применения и производственные процессы различных альтернативных видов топлива, от более традиционных спиртов и биодизеля до более необычных аммиака или скипидара. Были представлены и обсуждены новые концепции, такие как электротопливо и солнечное топливо.Это будет очень важно в будущем, так как земли, используемые для производства биотоплива, будут ограничены. Эти возобновляемые виды топлива используют значительно меньше ресурсов с точки зрения земли и воды, чем обычное биотопливо и биотопливо второго поколения, но они по-прежнему имеют огромную проблему энергоэффективности, поскольку для их производства требуется гораздо больше энергии, чем их энергосодержание. Эти виды топлива также могут быть известны как «энергоносители» — концепция, впервые использованная для водорода, поскольку они «транспортируют» энергию от места ее производства к месту ее использования.Однако по большей части это все еще делается с крайне низкой энергоэффективностью.

Некоторые из этих видов топлива легко доступны и могут использоваться в двигателях внутреннего сгорания с небольшими модификациями или без таковых, но другие требуют значительных модификаций и/или адаптации двигателя. Однако возможно сжигание (в двигателях внутреннего сгорания) неожиданных видов топлива, таких как аммиак или глицерин, которые в настоящее время используются в больших дизельных генераторах для зарядки аккумуляторов автомобилей Формулы Е. Например, оксигенированное топливо способно удерживать низкий уровень выбросов твердых частиц из-за отсутствия углерод-углеродных связей.

В то время как синтетическое топливо может легче уменьшить выбросы загрязняющих веществ в той степени, в которой оно может быть изготовлено на заказ, его след парниковых газов будет в основном зависеть от уровня устойчивости его сырья (ископаемого/возобновляемого), источника энергии и из которого оно получено. разработана и энергоэффективность процесса.

Возможно, у двигателя внутреннего сгорания есть будущее

Группа исследователей из Эйндховенского технологического университета (TU/e, Нидерланды) считает, что у двигателей внутреннего сгорания все-таки есть будущее.Секрет кроется в зеленом водороде в сочетании с благородным газом аргоном. Этот газ естественным образом присутствует в воздухе, и его можно дешево производить при разделении воздуха. С помощью Argon Power Cycle (APC) выбросы CO2 и оксидов азота могут быть сведены к минимуму. Мы рассмотрели это на прошлой неделе.

Почти все уже отказались от двигателей внутреннего сгорания, так почему же они думают, что они все еще жизнеспособны?

Еще не выслушав вопрос целиком, Йерун ван Ойен, научный сотрудник факультета машиностроения, расхохотался: «Это полная чепуха.Возможно, это относится к легким транспортным средствам, таким как легковые автомобили и небольшие грузовики или фургоны. В будущем все они будут электрическими. Но электродвигатели еще не совсем подходят для дальних поездок, поэтому двигатели внутреннего сгорания еще точно не списаны».

По словам ван Ойена, основной проблемой является ископаемое топливо, которое используется в этих двигателях внутреннего сгорания. «В настоящее время ведется поиск других видов топлива, чтобы свести к минимуму углеродный след и снизить выбросы почти до нуля. Вот где вы видите, что ископаемое топливо действительно списывается.Например, мы уже проводим много исследований по большегрузным автомобилям. Вы можете видеть здесь, что выбросы дизельных двигателей за последние десять лет постепенно снижались. Законодательные требования также становятся более строгими для достижения поставленных целей. Это хорошо, и они нужны для того, чтобы автомобили были еще более чистыми».

Как вам пришла в голову идея соединить аргон и водород?

«Мы давно занимаемся исследованиями двигателей внутреннего сгорания.Как сделать их более эффективными? Какие виды топлива мы можем использовать? Как мы можем сократить выбросы? Газ аргон приводит к очень высоким показателям эффективности, и в прошлом это привлекало некоторое внимание. Но это была только теоретическая сторона дела, с практической оказалось сложнее. В Беркли коллеги работали над газовым двигателем, который зажигается от искры, как и бензиновый двигатель. КПД этого двигателя был уже несколько выше, чем у газового двигателя, работающего на воздухе, но все же далеко не так высок, как мог бы быть теоретически.

Но ван Ойен увидел, что дело не только в этом. «Тогда меня действительно укусил жук. Я не мог отпустить его и начал играть с ним. Я хотел сделать это умнее и лучше. Тогда мне пришла в голову идея увидеть его как дизельный двигатель. В этом традиционном двигателе воздух сильно сжат, что приводит к повышению температуры. В момент максимального давления впрыскивается дизельное топливо, которое затем воспламеняется из-за высоких температур. Это заставляет поршень двигаться вниз с силой.

Подпишитесь на нашу рассылку!

Ваш еженедельный обзор инноваций Каждое воскресенье лучшие статьи недели в вашем почтовом ящике.

Почему аргон работает лучше?

«Если вы поместите воздух под высокое давление, он будет вибрировать. Это гарантирует, что энергия не будет направлена ​​непосредственно на поршень при его воспламенении. Этого не происходит с аргоном, поэтому вся энергия топлива идет к поршню гораздо более непосредственно. Это дает вам гораздо более эффективный двигатель.Вы также можете перерабатывать выхлопные газы. Конденсатор охлаждает его до температуры ниже 100 градусов, так что вода испаряется, а газообразный аргон можно вернуть в двигатель. Наша партнерская лаборатория в Беркли продемонстрировала, что эта замкнутая схема работает. Это не только эффективно, но и чисто».

Это также применимо, если в двигатель аргона подается биотопливо или природный газ вместо зеленого водорода, утверждает Ван Ойен. «С помощью специальной системы мы можем отфильтровывать CO2, который выделяется при сгорании.Это делает двигатель немного менее эффективным, но улавливаемый CO2 можно снова использовать в качестве сырья для производства топлива, например, метанола».

Задача Ван Ойена состоит в том, чтобы выяснить, в каком порядке и под каким давлением следует впрыскивать газообразный аргон, водород и воздух для наиболее оптимального двигателя. «Сравните это с качелями, вы толкаете в тот момент, когда это имеет наибольший смысл — в самой высокой точке. Это также применимо и здесь. Слишком раннее зажигание, которое иногда случается с аргоном, потому что он быстро нагревается, приведет к более быстрому выходу из строя вашего поршня.И если вы зажжете слишком поздно, оптимальное давление уже исчезнет, ​​и вы потеряете эффективность».

Доказательство того, что этот двигатель может быть более эффективным

Чтобы выяснить, как это работает, Ван Ойен начал с численного моделирования. «Остальной мир на самом деле не интересуется этим, но меня это действительно радует. Никто никогда не смотрел на кислород, аргон и водород в двигателе внутреннего сгорания. Обычно у вас есть два компонента, теперь их три. Это делает его особенно сложным и веселым для меня.Мне особенно интересно смотреть на проблемы потока. Как реагирует аргон, как он смешивается и что происходит, когда он находится под давлением? Это математически чрезвычайно сложные модели, на вычисление которых у суперкомпьютера ушло бы несколько дней. Для меня задача состоит в том, чтобы продемонстрировать, что таким образом можно сделать чистый и эффективный двигатель. Все это должно быть научно обосновано», — объясняет Ван Ойен.

Ему безразлично, появится ли на рынке работающая версия? «Конечно, это было бы здорово.В прошлом я занимался исследованиями более эффективных авиационных двигателей, и каждый раз, когда я сажусь в самолет, я с чувством гордости мельком заглядываю под крыло. Я способствовал этому. Так что было бы, конечно, обидно, если бы мы продемонстрировали, что аргоновый двигатель работает, а потом ничего не вышло. Но продавать технику — это не мое дело, я не продавец».

Сотрудничество с бывшим магистрантом

Чтобы воплотить это исследование в работающий двигатель, Ван Ойен работает, среди прочего, со своим бывшим учеником магистра Мигелем Сьерра Аснаром.С тех пор Аснар основал стартап, основанный на этой технике, Noble Thermodynamics. «Мы всегда поддерживали связь, в том числе во время его докторской диссертации в Беркли. В то же время, я думаю, я мог бы сказать, что мы стали друзьями. Мы очень хорошо работаем вместе и у нас хорошие отношения. Он настоящий предприниматель и постоянно ведет переговоры со всеми, чтобы мы могли добиться успеха».

Растущий импульс: глобальный обзор государственных целей по поэтапному отказу от продаж новых автомобилей с двигателями внутреннего сгорания

Калифорния является последней юрисдикцией в мире, взявшей на себя обязательство постепенно прекратить продажу новых автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (ДВС).В указе, опубликованном в конце сентября, говорится, что к 2035 году все новые легковые автомобили и легкие грузовики, продаваемые в Калифорнии, должны иметь нулевой уровень выбросов. Это последовало за действиями Калифорнийского совета по воздушным ресурсам, принятыми в июне 2020 года, которые приняли Регламент Advanced Clean Trucks (ACT), обязывающий производителей продавать грузовики с нулевым уровнем выбросов как увеличивающуюся долю их годовых продаж в Калифорнии с 2024 по 2035 год. С этими последними обязательствами Калифорния является частью мирового тренда.

Как отмечалось в предыдущих исследованиях (см. здесь и здесь), все большее число правительств страны, провинций и штатов устанавливают временные рамки для поэтапного прекращения продаж новых автомобилей с ДВС или разрешают продавать только новые автомобили с электродвигателями.Некоторые расширили масштабы своего поэтапного отказа на дополнительные сегменты транспортных средств, включая фургоны, легкие коммерческие грузовики, а также автомобили средней и большой грузоподъемности, а некоторые стремятся постепенно отказаться от использования автомобилей с ДВС для определенных целей. Поскольку большинство целей сосредоточено на легковых автомобилях, мы используем карту ниже, чтобы сравнить целевые годы для разных юрисдикций.

Рисунок 1. Национальные правительства, правительства провинций и штатов с определенными целями по полному отказу от продаж новых автомобилей с ДВС.

На карте мира еще много белых пятен.Что касается легковых автомобилей, то на долю 17 правительств, установивших цели по поэтапному отказу от автомобилей с ДВС, в 2019 году приходилось лишь около 13% мировых продаж новых легковых автомобилей (обратите внимание, что мы используем регистрационные данные для указания продаж в некоторых юрисдикциях). В таблице в конце этого блога приведены цели правительства страны, провинции и штата по поэтапному отказу от автомобилей с ДВС, включая дополнительные сегменты транспортных средств, такие как фургоны, легкие коммерческие грузовики, а также автомобили средней и большой грузоподъемности; все эти цели установлены в любой точке мира по состоянию на начало ноября 2020 года.Мы сосредоточены на новых продажах, регистрациях и импорте, а не на целевых показателях запасов, которые применяются ко всем транспортным средствам на дорогах. На карте и в таблице показаны только цели, упомянутые в официальной политике или стратегических документах; те, которые объявлены политическими представителями, но не изложены в письменной форме, исключаются.

Из карты и таблицы видно, что европейские страны лидируют. Норвегия и Нидерланды взяли на себя самые жесткие сроки. Менее чем через 5 лет Норвегия хочет, чтобы все новые легковые автомобили, легкие коммерческие автомобили и городские автобусы были проданы с нулевым уровнем выбросов (автобусам будет разрешено использовать биогаз).Страна также стремится к тому, чтобы к 2030 году 75% новых автобусов дальнего следования и 50% новых грузовиков были проданы с нулевым уровнем выбросов. легковых автомобилей продано с 2030 года. Кроме того, страна намерена реализовать городскую логистику с нулевым уровнем выбросов к 2025 году. Другие европейские страны, которые обязались прекратить продажу или регистрацию новых легковых автомобилей с ДВС менее чем за 10 лет, включают Данию, Исландию, Ирландию, Словению и Швецию. .Шотландия хочет прекратить продажу новых автомобилей и фургонов с ДВС к 2032 году, а Великобритания, вероятно, сдвинет свою текущую цель с 2040 года на 2035 год и может даже передвинуть ее на 2030 год. Франция поставила цель прекратить продажу легковых автомобилей. автомобили и легкие коммерческие автомобили, работающие на ископаемом топливе, к 2040 году, а в Испании есть законопроект, разрешающий продажу автомобилей с нулевым уровнем выбросов только с 2040 года.

В Северной Америке Калифорния является наиболее амбициозной с точки зрения сроков и затронутых транспортных средств.Ожидается, что в соответствии с вышеупомянутым распоряжением будут разработаны положения, которые превратят цели в действия. Канадская провинция Британская Колумбия уже на шаг впереди этого и в июле 2020 года приняла обязательное постановление, требующее от автопроизводителей постепенно увеличивать долю продаж новых легковых автомобилей с нулевым уровнем выбросов и легких коммерческих фургонов до 10% к 2025 году и 30% к 2025 году. 2030 г. и 100% к 2040 г. Провинция также устанавливает требования соответствия. На национальном уровне Канада установила такие же постепенные цели для тех же сегментов транспортных средств, но еще не приняла юридически обязательный регламент.

В Центральной и Южной Америке Коста-Рика и Колумбия — единственные страны, в официальных политических документах которых указаны цели поэтапного отказа от автомобилей с ДВС. В своем Национальном плане декарбонизации Коста-Рика предложила, чтобы не позднее 2050 года 100% продаж новых легковых автомобилей для перевозки людей и товаров были с нулевым уровнем выбросов. В Колумбии Закон о продвижении электромобилей гласит, что приобретение электромобилей или транспортных средств с нулевым уровнем выбросов в парках общественного транспорта должно быть увеличено как минимум с 10% в 2025 г. до 20% в 2027 г., 40% в 2029 г., 60% в 2031 г., 80% в 2033 г. и 100% в 2035 г. ; тем не менее, нет никаких планов продаж для других сегментов транспортных средств.

Китайская провинция Хайнань поставила перед собой самые амбициозные цели в Азии по поэтапному отказу от продаж новых дизельных и бензиновых легковых автомобилей, легких коммерческих автомобилей, городских и междугородных автобусов к 2030 году. Существуют более ранние цели для определенных групп пользователей (например, государственных автопарков, операторов каршеринга, а также почтовые и логистические услуги, у которых к 2020 году поставлена ​​цель 100% продаж электромобилей). Только для автомобилей в частном пользовании провинция нацелена на постепенное увеличение продаж электромобилей с 10% в 2019 году до 40% в 2020 году, 80% в 2025 году и 100% в 2030 году.Правительство Израиля также нацелено на 2030 год с постепенным увеличением доли электромобилей в продажах новых частных автомобилей: 5% в 2022 году, 23% в 2025 году, 61% в 2028 году и 100% в 2030 году; обратите внимание, что это охватывает только часть сегмента легковых автомобилей.

Островное государство Кабо-Верде, расположенное у северо-западного побережья Африки, является единственным африканским государством, обязавшимся в установленные сроки отказаться от автомобилей с ДВС. Как указано в Хартии национальной политики в области электромобильности, цель страны — запретить импорт автомобилей с ДВС не позднее 2035 года; сюда входят легковые автомобили, легкие коммерческие автомобили, автобусы, средние и тяжелые грузовики, а также двухколесные транспортные средства.

Упомянутые выше национальные правительства, правительства провинций и штатов имеют несколько общих черт. Все они установили определенную цель и сроки, установили свои амбиции на 100% поэтапный отказ от ДВС или новые продажи исключительно электрических автомобилей или автомобилей с нулевым уровнем выбросов и опубликовали свои цели в официальных политических документах.

Помимо этих усилий, несколько инициатив обязались прекратить продажу новых автомобилей с ДВС. 18 стран, штатов и провинций, присоединившихся к Международному альянсу транспортных средств с нулевым уровнем выбросов (IZEVA), договорились о том, чтобы к 2050 году продажи всех новых легковых автомобилей были нулевыми.Кроме того, как указано выше, семь членов IZEVA — Британская Колумбия, Калифорния, Канада, Нидерланды, Норвегия, Великобритания и Квебек (Канада) — официально взяли на себя более ранние цели по поэтапному отказу от легковых автомобилей с ДВС. Что касается автомобилей средней и большой грузоподъемности, 15 штатов США и округ Колумбия подписали в июле этого года меморандум о взаимопонимании, в котором они обязались к 2050 году обеспечить 100% нулевым уровнем выбросов при продаже новых автомобилей средней и большой грузоподъемности.

Дополнительные страны, регионы и штаты обязались постепенно прекратить продажу автомобилей с ДВС, но пока без каких-либо официальных политических документов или законодательства.Например, всего через несколько дней после заявления Калифорнии Нью-Йорк и Нью-Джерси призвали к 2035 году обеспечить продажи новых легковых автомобилей и легких грузовиков в штатах на 100 % с нулевым уровнем выбросов; в отличие от Калифорнии, это не было частью распоряжения. В сентябре правительство Бельгии также предложило запретить продажу новых автомобилей с ДВС к 2026 году, но это касается только служебных автомобилей. Другие страны, объявившие о поэтапном отказе от продажи автомобилей с ДВС, включают Египет, Португалию, Шри-Ланку и Тайвань.

Важно отметить, что ведущие рынки транспортных средств, такие как США, Китай и Германия, не имеют обязательных долгосрочных обязательств по полному отказу от автомобилей с ДВС.В Соединенных Штатах Закон об автомобилях с нулевым уровнем выбросов, который устанавливает цель продаж автомобилей с нулевым уровнем выбросов к 2040 году, не был принят. А в Китае, хотя соответствующее регулирующее агентство начало расследование запрета ICE в 2017 году, центральное правительство не объявило официальных целей. Тем не менее, Китай уже довольно далеко продвинулся в плане электрификации своего автобусного парка. Уже будучи крупнейшим в мире рынком электромобилей, продажи новых автобусов в Китае в 2019 году составили 96% электромобилей, и это без объявления каких-либо национальных целей по доле электробусов.В случае Германии, став членом IZEVA, страна косвенно согласилась отказаться от автомобилей с двигателями внутреннего сгорания не позднее 2050 года; однако это обязательство еще не отражено в национальном плане защиты климата. Тем не менее, приверженность Калифорнии стала катализатором новых политических дискуссий в Германии об установлении официальной национальной цели поэтапного отказа.

Мы подчеркиваем, что обязательства по поэтапному отказу распространяются на продажу новых автомобилей, а не автомобилей, уже находящихся в эксплуатации.Кроме того, только Британская Колумбия приняла обязательные правила, и большинство целей поэтапного отказа от автомобилей с ДВС не включают подключаемые гибридные электромобили (PHEV). Недавний анализ показал, что PHEV потребляют в среднем в два-четыре раза больше топлива, чем это отражено в значениях одобрения типа.

Тем не менее, недавние объявления и обязательства являются важным сигналом. Похоже, они придали новый импульс дискуссиям о целях поэтапного отказа от автомобилей с ДВС и о полном переходе на автомобили с нулевым уровнем выбросов.Возможно, это всколыхнет страны, которые до сих пор не решались взять на себя обязательства по достижению определенной цели поэтапного отказа.

Правительство	Год	Категория транспортного средства*	Целевые типы транспортных средств*	Политический документ**
ЕВРОПА
Норвегия	2025	Легковые автомобили, легкие коммерческие автомобили, городское использование	Продажа новых автомобилей со 100% нулевым уровнем выбросов	Национальный транспортный план на 2018–2029 годы (2017)
Нидерланды	2025	Городские автобусы	Покупка нового автомобиля со 100% нулевым уровнем выбросов	Миссия Ноль (2019)
	2030	Легковые автомобили	Продажа новых автомобилей со 100% нулевым уровнем выбросов
Дания	2030	Легковые автомобили	Нет продаж новых автомобилей с бензиновым или дизельным двигателем	План климата и воздуха (2018)
	2035		Нет продаж новых бензиновых, дизельных или подключаемых гибридных автомобилей
Исландия	2030	Легковые автомобили	Отсутствие регистрации новых автомобилей с бензиновым или дизельным двигателем	План действий Исландии по борьбе с изменением климата на 2018–2030 годы (2018 г.)
Ирландия	2030	Легковые автомобили	Нет продаж новых автомобилей, работающих на ископаемом топливе	План действий по борьбе с изменением климата на 2019 г. (2019 г.)
Словения	2030	Легковые автомобили, легкие коммерческие автомобили	Нет новых регистраций транспортных средств с CO 2 Выбросы выше 50 г/км	Стратегия развития рынка для создания адекватной альтернативной топливной инфраструктуры в транспортном секторе Республики Словении (2017 г.)
Швеция	2030	Легковые автомобили	Нет продаж новых автомобилей с бензиновым или дизельным двигателем	План действий по климатической политике (2019 г.)
Шотландия (Великобритания)	2032	Легковые автомобили, легкие коммерческие автомобили	Нет продаж новых автомобилей с бензиновым или дизельным двигателем	План изменения климата (2018 г.)
Соединенное Королевство	2035	Легковые автомобили, легкие коммерческие автомобили	Нет продаж новых бензиновых, дизельных или гибридных автомобилей	Консультации по прекращению продажи новых бензиновых, дизельных и гибридных автомобилей и фургонов (2020)
Франция	2040	Легковые автомобили, легкие коммерческие автомобили	Нет продаж новых автомобилей, работающих на ископаемом топливе	Закон о правилах мобильности (2019 г.)
Испания	2040	Легковые автомобили, легкие коммерческие автомобили	Продажа новых автомобилей со 100% нулевым уровнем выбросов	Проект Закона об изменении климата и энергетическом переходе (2020 г.)
Германия, Баден-Вюртемберг (Германия)	2050	Легковые автомобили	Продажа новых автомобилей со 100% нулевым уровнем выбросов	Обязательство IZEVA (2015 г.), еще не отраженное в национальном плане защиты климата
СЕВЕРНАЯ, ЦЕНТРАЛЬНАЯ И ЮЖНАЯ АМЕРИКА
Калифорния (США)	2035	Легковые автомобили, легкие грузовики	Продажа новых автомобилей со 100% нулевым уровнем выбросов	Исполнительный указ (2020)
Колумбия	2035	Общественный транспорт	Новые покупки 100% электрические или с нулевым уровнем выбросов	Закон о продвижении электромобилей в Колумбии (2019 г.)
Британская Колумбия (Канада)	2040	Автомобили малой грузоподъемности (легковые автомобили, легкие коммерческие автомобили)	Продажа и аренда новых автомобилей 100 % с нулевым уровнем выбросов	Закон об автомобилях с нулевым уровнем выбросов (2020 г.)
Канада	2040	Автомобили малой грузоподъемности (легковые автомобили, легкие коммерческие автомобили)	Продажа новых автомобилей со 100% нулевым уровнем выбросов	Федеральный бюджет Канады (2019 г.)
Коста-Рика	2050	Легковые автомобили (легковые автомобили, легкие коммерческие автомобили)	Продажа новых автомобилей со 100% нулевым уровнем выбросов	Национальный план декарбонизации (2019 г.)
Коннектикут, Мэриленд, Массачусетс, Нью-Джерси, Нью-Йорк, Орегон, Род-Айленд, Вермонт, Вашингтон (США)	2050	Легковые автомобили	Продажа новых автомобилей со 100% нулевым уровнем выбросов	Обязательство IZEVA (2015 г.), еще не отраженное в официальных стратегических документах государственного или провинциального уровня
Калифорния, Коннектикут, Колорадо, Гавайи, Мэн, Мэриленд, Массачусетс, Нью-Джерси, Нью-Йорк, Северная Каролина, Орегон, Пенсильвания, Род-Айленд, Вермонт, Вашингтон, округ Колумбия (США)	2050	Автомобили средней и большой грузоподъемности	Продажа новых автомобилей со 100% нулевым уровнем выбросов	Меморандум о взаимопонимании (2020 г.), еще не отраженный в официальных стратегических документах
АЗИЯ
Хайнань (Китай)	2020	Государственные и каршеринговые автомобили, легкие грузовики	Продажа новых автомобилей, полностью электрических	План развития транспортных средств с экологически чистой энергией (2019 г.)
	2020	Автобусы, пассажирские транспортные средства	Нет продаж новых автомобилей с бензиновым или дизельным двигателем
	2025	Автобусы, прокат автомобилей	Нет продаж новых автомобилей с бензиновым или дизельным двигателем
	2030	Частные автомобили	Продажа новых автомобилей, полностью электрических
Израиль	2030	Частные автомобили	Продажа новых автомобилей, полностью электрических	Цели в области энергосбережения на 2030 год (2018 год)
АФРИКА
Кабо-Верде	2035	Легковые автомобили, легкие коммерческие автомобили, автобусы, средние и тяжелые грузовики, двухколесные транспортные средства	Запрещен импорт транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания, использующих ископаемое топливо (бензин или дизельное топливо)	Хартия политики в области электромобильности (2019 г.)
*Терминология, используемая в официальных политических документах **Дата публикации

Таблица 1.Цели правительства страны, провинции и штата по поэтапному прекращению продаж новых автомобилей с ДВС или установлению целей по 100% доле электромобилей в новых продажах, регистрациях или импорте до 2050 года (по состоянию на начало ноября 2020 года).

Dead tech walking: Дайте пинка внутреннему сгоранию

Помните лампочку накаливания?

Лампы накаливания очень хорошо выделяют тепло, но лишь случайно эффективны в своей реальной работе: освещении вещей.Целых 90 процентов энергии, которую лампа накаливания получает из розетки, тратится впустую.

Два десятилетия назад лампы накаливания были бесспорным стандартом для большинства бытовых осветительных приборов. Сегодня, хотя в эксплуатации все еще находится 1,5 миллиарда ламп накаливания, они быстро заменяются компактными люминесцентными лампами и сверхэффективным светодиодным освещением. Никто, кроме разве что администрации Трампа и владельцев хипстерских ресторанов, не думает, что за ними будущее.

А как насчет другой технологии динозавров, угольной электростанции?

Подобно лампам накаливания, электростанции, работающие на угле, неэффективны и тратят впустую почти две трети поступающей на них энергии.А всего десять лет назад трудно было представить себе будущее без них. Тем не менее, сегодня угольные электростанции закрываются направо и налево, поскольку они экономически неконкурентоспособны с более новыми, более передовыми технологиями, от электростанций комбинированного цикла на природном газе[1] до энергии ветра и солнца. Оказывается, есть более эффективные способы получения электричества, чем выкапывание камней из земли и их сжигание.

Что мы будем говорить через 15 лет о двигателе внутреннего сгорания (ДВС)?

Сегодня ICE безраздельно властвует.На дорогах находится примерно 270 миллионов автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, и примерно 98 процентов всех новых автомобилей и легких грузовиков работают на двигателях внутреннего сгорания.

Однако в анналах энергозатратных технологий двигатель внутреннего сгорания стоит рядом с лампой накаливания и электростанцией, работающей на угле. Как и другие технологии, ДВС намного лучше производят тепло, чем выполняют свою основную работу — в данном случае перевозят легковые и грузовые автомобили по дороге. Две трети или более энергии, поступающей в ваш бензобак, «теряются» — большая часть в виде тепла.

легковых и грузовых автомобилей с двигателями внутреннего сгорания в настоящее время являются бесспорным врагом климата № 1 в Соединенных Штатах. Согласно нашему недавнему отчету с Центром исследований и политики Environment America, Пункт назначения: Zero Carbon: Three Strategies to Transform Transport in America , транспортная система США выбрасывает больше парниковых газов, чем любая целая страна в мире, кроме Китая, России и Индии. и Япония.

Не существует реальной реакции на изменение климата, если бы не кардинальные изменения в том, как американцы передвигаются.Но добиться таких кардинальных изменений будет непросто, и нет недостатка в разногласиях по поводу того, как эти изменения могут выглядеть или как их осуществить.

Однако у каждой стратегии обезуглероживания транспорта есть один общий элемент: сокращение и, в конечном счете, отказ от использования двигателей внутреннего сгорания, работающих на ископаемом топливе.

В нашем отчете Destination: Zero Carbon выдвигаются три цели, каждая из которых направлена ​​на переход к транспортной системе, выходящей за рамки ископаемого топлива.

• Поэтапный отказ от продажи автомобилей с двигателями внутреннего сгорания к 2035 году.
• Перевод школьных и транзитных автобусов страны на электричество в течение следующего десятилетия.
• К 2030 году удвоить количество людей, идущих пешком, ездящих на велосипеде и пользующихся общественным транспортом (с дальнейшим увеличением после этого).

Это сложные задачи. Но принятие их может быть трансформирующим. И, как показывают примеры с лампой накаливания и угольной электростанцией, трансформация может произойти быстрее, чем это кажется возможным сегодня.

Простое объявление и создание надежного пути к ликвидации ICE может помочь привести в движение силы, чтобы это произошло. Объявление об отмене ICE освободит наши города, наши учреждения и частный сектор, чтобы начать планировать и строить будущее: устанавливать зарядные станции для электромобилей, оборудование для обслуживания электробусов, переработку аккумуляторов и другие системы, которые необходимо будет внедрить. к жизни для поддержки электрической транспортной системы.Это также послужит сигналом о будущей жизнеспособности инфраструктуры, работающей на ископаемом топливе. Кто захочет инвестировать в новый трубопровод или заправочную станцию, зная, что они скоро устареют?

Прекращение использования автомобилей с ДВС также создает критическую роль для тех, кто выступает за более устойчивые, более активные и менее энергоемкие средства передвижения. Потому что, как оказалось, одним из тайных убийц угольных электростанций был не газ и даже не возобновляемые источники энергии, а снижение спроса на электроэнергию.Самой чистой милей путешествия всегда будет та миля, которую мы вообще не проезжаем, проходим своим ходом пешком или на велосипеде или путешествуем в компании других. И самый верный и быстрый способ избавиться от ДВС — это сократить количество машин на дорогах, и точка.

Страны по всему миру начинают изучать или, в некоторых случаях, обязуются отказаться от продаж новых автомобилей, работающих на ископаемом топливе, в течение следующих нескольких десятилетий. Такое движение вскоре может прийти и в США. На фоне попытки администрации Трампа отменить федеральные стандарты выбросов парниковых газов для автомобилей, официальные лица Калифорнии даже начали выдвигать идею прекращения действия ДВС — шаг, за которым в конечном итоге могут последовать и другие штаты. .

Но покончить с ICE будет непросто. Посмотрите вокруг на инфраструктуру, которая поддерживает нашу транспортную систему, работающую на ископаемом топливе, а затем представьте экономические интересы, стоящие за этой инфраструктурой. Недавняя волна банкротств в угольной промышленности демонстрирует, как быстро и полностью может исчезнуть когда-то непобедимая отрасль, как только рассеется аура технологической неизбежности. В то время как некоторые в автомобильной и нефтяной промышленности прилагают хоть какие-то усилия, чтобы избежать этой участи, начав планировать мир без ископаемого топлива, другие увидят устранение ДВС как экзистенциальную угрозу и будут сражаться насмерть, чтобы защитить его. .

Преодоление такого рода сопротивления потребует объединения всех тех, кто несет бремя транспортной системы, работающей на ископаемом топливе. Не только растущее число людей, встревоженных изменением климата, но и тех, чье здоровье пострадало от опасного загрязнения воздуха в наших городах, тех, кто несет экономические издержки автомобильной зависимости или стал жертвой дорожного насилия, и жертв ископаемого топлива, которые часто забывают — о тех, кто пострадал от утечек из трубопроводов, разливов нефти на суше и в море, катастроф при гидроразрыве пласта и повседневных токсичных загрязнениях, исходящих от нефтеперерабатывающих заводов и других нефтяных объектов.

Изолированные, спорящие друг с другом о том, какое решение должно быть приоритетным, борясь за крохи финансирования или сосредотачиваясь только на том, чьи потребности должны стоять на первом месте при любом переходе, мы вряд ли одержим победу. Однако объединившись, можно ускорить переход от технологической системы, которая не только разрушает климат, но и ежедневно наносит большой и малый вред всем нам.

Откуда оптимизм? Потому что неэффективные, вредные, бессмысленные системы имеют забавный способ рухнуть под правильным давлением.Почти 15 лет назад Frontier Group выступила соавтором отчета под названием «Объяснение угольной лихорадки », в котором поднималась тревога по поводу строительства 150 новых угольных электростанций, которые тогда планировались по всей стране. Для большинства наблюдателей в то время было немыслимо, чтобы вместо этого мы закрыли в два раза больше угольных электростанций примерно за десятилетие. Тем не менее, благодаря сочетанию массовой активности, разумной государственной политики и технологических изменений, это произошло.