Сравнительная экономическая характеристика автомобильных двигателей, работающих на различных видах топлива

Содержание 

1. Нефтяной бензин

    Основные виды топлива для автомобилей - продукты переработки нефти - бензины и дизельные топлива. Они представляют собой смеси углеводородов и присадок, предназначенных для улучшения их эксплуатационных свойств.

    Бензины в силу своих физико-химических свойств применяются в двигателях с принудительным зажиганием (от искры). Более тяжелые дизельные топлива вследствие лучшей самовоспламеняемости применяются в двигателях с воспламенением от сжатия, т.е. дизелях.

    К автомобильным бензинам предъявляются следующие требования:

• бесперебойная подача бензина в систему питания двигателя;
• образование топливовоздушной смеси требуемого состава;
• нормальное (без детонации) и полное сгорание смеси в двигателях;
• обеспечение быстрого и надежного пуска двигателя при различных температурах окружающего воздуха;
• отсутствие коррозии и коррозионных износов;
• минимальное образование отложений во впускном и выпускном трактах, камере сгорания;
• сохранение качества при хранении и транспортировке.

    Повысить  качество автомобильных бензинов можно  за счет следующих мероприятий:

• отказа от применения в составе бензинов соединений свинца;
• снижения содержания в бензине серы до 0,05%, а в перспективе до 0,003%;
• снижения содержания в бензине ароматических углеводородов до 45%, а в перспективе до 35%;
• нормирования концентрации фактических смол в бензинах на месте применения на уровне не более 5 мг на 100 см³;
• деления бензинов по фракционному составу и давлению насыщенных паров на 8 классов с учетом сезона эксплуатации автомобилей и температуры окружающей среды, характерной для конкретной климатической зоны. Наличие классов позволяет выпускать бензин со свойствами, оптимальными для реальных температур окружающего воздуха, что обеспечивает работу двигателей без образования паровых пробок при температурах воздуха до +60°С, а также гарантирует высокую испаряемость бензинов и легкий пуск двигателя при температурах ниже -35°С;
• введения моющих присадок, не допускающих загрязнения и осмоления деталей топливной аппаратуры.

    Дизельные двигатели в силу особенностей рабочего процесса на 25...30% экономичнее бензиновых двигателей, что и предопределило их широкое применение. В настоящие время они устанавливается на большинство грузовых автомобилей и автобусов, а также на часть легковых.

    Эксплуатационные  требования к дизельным топливам (ДТ):

• бесперебойная подача топлива в систему питания двигателя;
• обеспечение хорошего смесеобразования;
• отсутствие коррозии и коррозионных износов;
• минимальное образование отложений в выпускном тракте, камере сгорания, на игле и распылителе форсунки;
• сохранение качества при хранении и транспортировке.

2. Синтетический бензин.

    Сырье для производства синтетического бензина  – уголь, природный газ, отходы деревообрабатывающей промышленности, сельского хозяйства  и даже бытовой мусор. Но наиболее перспективным считается синтезирование бензина из природного газа. Из 1 куб. м газа получают 120-180 г синтетического бензина. За рубежом производство синтетических моторных топлив из природного газа уже освоено в промышленном масштабе. Так, в Новой Зеландии из предварительно полученного метанола ежегодно синтезируется 570 тыс. т моторных топлив. Однако пока синтетические топлива из природного газа в 1,8-3,7 раза (в зависимости от технологии получения) дороже нефтяных. В то же время разработки по получению синтетического бензина из угля достаточно активно ведутся в настоящее время в Англии.[8]

    Плюсы:

• возможно получение требуемых характеристик топлива;
• в синтетическом дизтопливе отсутствует сера;
• выбросы вредных веществ ниже, чем при использовании нефтяного горючего;
• запасы сырья практически неограничены.

    Минусы:

• высокие затраты энергии для производства.

3. Метанол

    Метанол, более известный как метиловый (или древесный) спирт, как моторное топливо имеет высокую детонационную  стойкость (октановое число по моторному  методу 91-94, по исследовательскому 120-130) и высокую теплоту горения, что делает его особенно подходящим для двигателей с высокой степенью сжатия, работающих по циклу Отто. Эти обстоятельства обеспечивают его применение на гоночных автомобилях и мотоциклах. Метанол широко используется и как сырье, из которого автомобили на топливных элементах черпают водород. Метанол может смешиваться с бензином и служить основой для эфирной добавки - метилтретбутилового эфира, который в настоящее время замещает в США большее количество бензина и сырой нефти, чем все другие альтернативные топлива вместе взятые.

    Плюсы метанола как топлива:

• запасы сырья практически неограниченны;
• может использоваться как сырье для производства синтетического бензина.

    Минусы  метанола как топлива:

• вызывает коррозию деталей.[6]

4. Этанол

    Этанол – обыкновенный питьевой спирт. Как его получают? Просто: полученную из древесины целлюлозу подвергают гидролизу («осахариванию»); образовавшуюся техническую глюкозу в присутствии дрожжей заставляют бродить, и на выходе имеем этиловый спирт – тот самый С2Н5ОН. В качестве автомобильного топлива этанол по некоторым параметрам превосходит бензин. В нем меньше примесей, а октановое число по исследовательскому методу достигает 125 единиц. Поэтому этанол иногда используют как высокооктановую добавку – например, «92-й» бензин с 10 % этанола становится «девяносто пятым» (схожее горючее, Е-10, используется в Таиланде). Однако теплотворная способность этанола существенно ниже бензина (21,2 кДж / л против 31,9 кДж / л) – отсюда и более высокий расход топлива. Кроме того, этанол очень гигроскопичен – при контакте с водой он нарушает характеристики смеси. Поскольку алкоголь получается в результате ферментации сахара в процессе брожения зерновых крахмало- и сахаросодержащих культур, то топливо на его основе особо популярно в теплых странах. Так, Бразилия, через два года после нефтяного кризиса в 1973 г. с помощью СССР запустила программу PROALCOOL, направленную на перевод двигателей с бензина на спирт. Сегодня в стране уже 7 млн авто заправляются этанолом и еще 9 млн – его смесью с бензином (газохолом). Второй мировой лидер по изготовлению этанола для нужд автотранспорта – США. Там С2Н5ОН производят на 60 сахарных заводах. Общий выход продукции – 2 млрд галлонов в год (около 8 млрд л), этанол-бензиновая смесь составляет 10 % топливного рынка США. В настоящее время в мире ежегодно производится 330 млн галлонов спирта (1 галлон – 3,785411784 л). 13 % его используется для пищевых целей, 21 – для промышленных (химическая, косметическая и фармацевтическая промышленности), а остальные 66 % – в качестве горючего для двигателей. 60 % спирта вырабатывается из сахарсодержащего сырья, 33 % – из крахмалсодержащего и 7 % приходится на долю синтетического спирта.

    Сегодня стоимость этанола в среднем гораздо выше себестоимости бензина. Но наука не стоит на месте: уже разработана мeтодика воспроизводства этилового спирта, умeньшающая стоимость топлива за счет дeшeвых и высокоэффeктивных фeрмeнтов, прeобразующих цeллюлозу растeний в этиловый спирт. Здесь мы плавно переходим к биоэтанолу: применяя более сложную технологию, этанол можно производить не только из злаков. Путем биохимического превращения растительной целлюлозы в сбраживаемый сахар получают биоэтанолы второго поколения. Именно этим путем идет сегодня большинство исследователей.

    Первый ДВС, работающий на спирте и скипидаре, разработал еще Сэмюель Морей в 1826 г. В 1860 г. Николаус Отто использовал этиловый спирт как топливо для своего двигателя с четырехтактным циклом, так как он не облагался налогом и был доступен для спиртовых ламп во всей Европе. Генри Форд вообще называл этанол «топливом будущего»: легендарный Ford-Т был первым доступным транспортным средством с гибкой системой подачи топлива – двигатель мог работать на этаноле, бензине или на этих двух видах топлива в любом их сочетании.

    Плюсы этанола как топлива: 

• запасы сырья разнообразны и почти неограниченны;
• ниже токсичность выхлопных газов;
• высокое октановое число.

    Однако не все так просто с этим топливом. Ученые из Стэнфордского университета провели исследования и выяснили, что замена бензина спиртом может повлечь за собой серьезные негативные последствия. Результаты компьютерной модели, симулирующую ситуацию перехода автомобилей на этанол, оказались шокирующими. Несмотря на то, что массовое использование спирта позволяет уменьшить выбросы в атмосферу двух опасных канцерогенов – бензола и бутадиена, это приведет к существенному увеличению выбросов формальдегида и ацетальдегида. Таким образом, бензиновые моторы, которые считают одними из виновников распространения онкологических заболеваний, оказываются менее опасными, чем спиртовые!

    Минусы этанола как топлива:

• нужно вносить конструктивные изменения в систему питания;
• мощность двигателя снижается, а расход горючего увеличивается;
• из-за гигроскопичности спирта могут ухудшаться пусковые свойства двигателя;
• этанол вызывает коррозию деталей двигателя.[5]

5. Сжиженный нефтяной газ

    Сжиженный нефтяной газ (СНГ) обладает всеми качествами полноценного топлива для двигателей внутреннего сгорания. Во всем мире газ признан как дешевое, экологически чистое топливо, по многим свойствам превосходящее бензин. Немаловажно, что использование СНГ не требует изменения конструкции автомобиля, оставляя возможность использования, как бензина, так и горючего газа в качестве топлива. Основные преимущества нефтяного газа перед бензином заключаются в следующем:

• Экономия.
• Антидетонационная стойкость. Октановое число нефтяного газа - 103-105, что практически исключает детонацию деталей двигателя. Это достоинство газа может быть особенно актуально для двигателей с высокой степенью сжатия, потребляющих высокооктановый (и дорогой) бензин.
• Отсутствие катализаторов разрушения металлов. Газ не содержит вредных примесей (свинец, сера), которые на химическом уровне разрушают детали камеры сгорания, каталитический нейтрализатор и лямбда зонд
• Диффузия. Газ легко смешивается с воздухом и равномерней наполняет цилиндры однородной смесью, поэтому двигатель работает ровнее и тише. Газовая смесь сгорает почти полностью, поэтому не образуется нагар на поршнях, клапанах и свечах зажигания.
• Стабильность агрегатного состояния. Газ поступает в двигатель в паровой фазе, поэтому он не смывает масляную пленку со стенок цилиндров и не разбавляет масло в картере.
• Скорость сгорания смеси. Газ сгорает немного медленнее, чем бензин, что снижает нагрузки на поршневую группу и коленчатый вал, двигатель работает "мягче".
• Экологичность. Содержание вредных веществ в выхлопе снижается в несколько раз.

  В сумме все эти факторы дают тройную (и более) экономию средств на топливе, продлевают срок службы двигателя на 30-50%, масла и свечей - в два раза, и как следствие значительно снижают не только эксплуатационные, но и ремонтные затраты. К тому же газ не более опасен, чем бензин, и практически безвреден для окружающей среды. Для автохозяйств использование пропан-бутана в качестве топлива исключает воровство бензина, а потому выгодней в тройне (ведь ЗИЛы и ГАЗоны расходуют 30-40л бензина на 100 км.). Целесообразно оборудовать автомобиль газобаллонной аппаратурой при значительном пробеге (более 20 тыс. км в год); при большом потреблении топлива (более 10-15 л/100 км); при использовании высокооктанового бензина (АИ 95-98). В настоящее время в западноевропейских странах эксплуатируется более 2-х млн. ед. газобаллонных автомобилей на СНГ, в том числе в Италии - около 310 тыс., в Нидерландах - около 380 тыс., в Германии - более 75 тыс. В настоящее время в Германии, действует 650 станций по заправке ГСН. В 2003 году их количество должно превысить 1 тыс. единиц.