ПЕРСПЕКТИВНІ ВИДИ ПАЛЬНОГО

Тверде паливо

Використання твердого палива (дрова, кам'яне вугілля, сміття, тверді органічні відходи) безпосередньо на автомобілі принципово можливі. Ще в 30-40-х роках експлуатувалися автомобілі на дровах. Однак, зараз це не перспективно, тому що вимагає встановлення на автомобілі газогенераторної установки і великих об'ємів для розміщення палива. Значно ефективніше переробляти його для одержання синтетичного (рідкого або газоподібного) палива на стаціонарних підприємствах.

Рідке паливо

Все більший розвиток одержують процеси синтезу рідкого штучного палива, яке по всіх якостях наближається до пального нафтового походження. Із рідких палив найбільше поширення для заміни бензину знаходять синтетичні спирти: метанол і етанол.

Модифікований карбюраторний двигун може спокійно працювати на спирті. На початку автомобільної ери, коли бензину ще не було, Генрі Форд заправляв свій перший автомобіль спиртом. Пізніше спирт був замінений бензином по причині більш низької ціни останнього. Зараз спирт знову розглядається як заміна палива для автотранспорту.

Метиловий спирт (метанол) переважно синтезують із природного газу, вугілля, вапняку, побутових відходів і відходів лісового господарства. Для поширення виробництва метанолу в якості сировини перспективні: природний газ, нафтові залишки й найбільше – вугілля. Але для виробництва метанолу необхідна велика кількість вугілля – від 3 до 6 тонн (вологого бурого вугілля потрібно ще більше) на одну тонну синтетичного палива, тому він поки що в 1,5-2 рази дорожче бензину.

Метанол і етанол при використанні їх як пального для автомобільних двигунів характеризуються високим октановим числом, меншою в порівнянні з бензином теплотою згоряння. У той же час метанол як автомобільне пальне, забезпечує зростання потужності й к. к. д. двигуна. При роботі двигуна на метанолі відбувається зниження теплової напруженості деталей циліндро-поршневої групи, зменшення нагару, знижується викид шкідливих речовин.

Однак, ці переваги метанолу все ж не дозволяють рекомендувати його до широкого застосування. При переводі автомобілів на метанол для збереження високих техніко-експлуатаційних показників автомобіля потрібні конструктивні зміни паливної апаратури, двигуна й у деякій мірі самого автомобіля. Необхідно встановлювати устаткування, яке полегшує запуск двигуна, особливо при низьких температурах, збільшити ємність паливних баків, через його високу корозійну агресивність заміняти деякі матеріали системи живлення на більш стійкі.

Тому з практичної точки зору метанол доцільно використовувати як домішки до бензину. У цьому випадку немає необхідності вносити зміни в конструкцію автомобіля й регулювати його паливну апаратуру, можна працювати на бензині з меншим октановим числом. При додаванні 3-5% метанолу забезпечується економія 2,5% бензину при збереженні потужності, динамічних і економічних показників.

Застосування бензо-метанолової суміші з домішками 15% метанолу й 7% стабілізатора (ізобутилового спирту) дозволяє підвищити на 6% динамічні якості автомобіля і на 3-5% його потужність, зменшити викиди оксидів азоту на 30-35%, вуглеводнів – на 20%, одержати економію бензину до 14%. І хоча домішки до 10-15% метанолу до бензину вважаються оптимальними, істотна різниця фізико-хімічних властивостей метанолу й бензину створює все ж таки деякі проблеми.

Використання етанолу практично аналогічно метанолу.

Етиловий спирт (етанол)одержують із цукрової тростини, буряка, зернових культур та інших рослинних продуктів. Одним з лідерів у впровадженні спирту в якості палива для транспорту є Бразилія з її тростинними плантаціями й лісозаготівельною промисловістю, що дають гарну сировину для виробництва спирту. Практично увесь автотранспорт тут їздить на спирті.

Тому паливом майбутнього зараз називають біопаливо. Біопаливо – це паливо, яке виробляється з будь-якої біомаси. До нього відноситься вищезгаданий етиловий спирт (етанол) і рослинні олії, а також – водень.

Існують два шляхи для виробництва біопалива:

- вирощування спеціальних культур: спиртових (цукрова тростина, буряк, пшениця) і олійних (рапс, соя, соняшник); це – найпростіший шлях, але він вимагає відводу сільськогосподарських земель, які зараз задіяні для виробництва продуктів харчування;

- переробка органічних відходів лісової, харчової і сільськогосподарської промисловості; цей шлях більш економічний, бо тут використовується вторинна сировина, проте він є більш складним і енергоємним.

Для заміни дизельного палива сьогодні широко використовується так званий біодизель. Біодизель одержують з оліїстих культур у вигляді рослинної олії. Двигун під рослинну олію практично нічим не відрізняється від дизеля. Для переходу автомобіля, працюючого на дизельному паливі, на новий вид пального потрібні лише незначні перетворення двигуна. У багатьох випадках рослинну олію можна змішувати в невеликих пропорціях з дизпаливом (до 20%) і заправляти автомобіль навіть без модифікації його двигуна. Біодизель зазвичай змішується з дизельним паливом в пропорції до 20%.

Німці вже побудували у своїй країні сотні заправок, що заливають у бак автомобіля соєву і рапсову олію. Новий вид палива має навіть більшу теплоту згоряння в порівнянні з дизельним паливом. Воно практично не має токсичних викидів. Тому вже сьогодні в Німеччині й Англії декілька маршрутів рейсових автобусів переводять на рослинну олію.

Метилтретигнобутиловий ефір (МТБЕ).

До бензину можна також додавати метилтретигнобутиловий ефір (МТБЕ -СН3-О-С4Н9). Його отримують шляхом синтезу 65% ізобутилену та 36% метанолу в присутності каталізатора. Позитивні сторони застосування МТБЕ в якості домішок до бензину такі:

- можливе добування неетилованих високооктанових сумішей, тому що за антидетонаційними якостями МТБЕ перевершує в 3-4 рази алкілбензин;

- нема необхідності змінювати регулювання паливної апаратури (МТБЕ відрізняється високою теплотворною властивістю 37700 кДж/кг);

- домішки 10% МТБЕ підвищують октанове число бензинів за дослідницьким методом на 2,1 – 5,2 одиниць, а 20% – на 4,6 - 12,6 (більш сильний ефект, ніж при використанні алкілбензину та метанолу);

- полегшується фракційний склад бензинів, зокрема, знижується температура перегонки 50%-ої точки, але зростає загроза утворення парових пробок;

- знижується токсичність відпрацьованих газів на 10% (внаслідок зниження вмісту оксиду вуглецю);

- знижуються витрати бензину на 3%, окрім того, введення МТБЕ дозволяє знизити вміст тетраетил свинцю в ньому в 2,5 рази;

- МТБЕ практично нетоксичний.

Використання МТБЕ розглядається як один з перспективних напрямів розширення ресурсів високооктанових метилованих бензинів.

Водневе паливо

В останній час розширюються роботи з використання в якості палива для двигунів водню, а також його сумішей з бензином.

Водень як саме екологічно чисте паливо було знайдене вже досить давно. Продуктом горіння водню є вода, що видно з простого рівняння цієї хімічної реакції 2H₂+O₂=2H₂O. Цей аспект і робить водень найпривабливішим видом палива для автомобілів з усіх існуючих на Землі.

Водень – це газ без кольору і запаху. Він є найпоширенішим хімічним елементом у Всесвіті. Проте, оскільки він легко з'єднується з іншими елементами, його складно знайти в природі в чистому вигляді.

Водень може бути легко виділений з хімічної сполуки при нагріванні – цей процес називається термічним розкладом. Тому зараз водень в основному виробляється таким способом із природного газу. Водень можна одержувати також з будь-якої біомаси. Крім того, можна використати електричний струм для виділення з води кисню й водню. Цей процес називається електролізом. Проте, він вимагає значно більших витрат енергії.

Відзначимо найбільш характерні фізико-хімічні властивості водню:

- водень – це найлегший елемент, навіть у рідкому стані він десь в 14 разів легше води;

- в одиниці маси водень містить майже в 3 рази більше теплової енергії, ніж усі відомі види пального природного походження, але для його розміщення потрібні досить великі об'єми;

- водень має властивість миттєво змішуватися з іншими газами, з повітрям атмосфери (суміш водень-повітря запалюється при вмісті водню від 4 до 74%);

- водень горить у газоподібному стані при температурі вище 500°С з утворенням пари дистильованої води (у рідкому й твердому стані він не горить); для спалювання 1 кг водню необхідно в 2 рази більше повітря, ніж для спалювання бензину;

- відпрацьовані гази при роботі на водні не містять оксиду вуглецю,
вуглеводнів, оксидів свинцю, а оксиди азоту присутні в меншій кількості,
ніж при роботі на бензині.

В той же час через низьку теплотворну здатність воднево-повітряної суміші потужність двигуна знижується на 15-20%.

На сьогоднішній день водень має величезний потенціал як джерело енергії для паливних елементів, які можуть використовуватися для автомобілів. Однак, поки що він не зможе конкурувати з бензином. Експерти ЄС прийшли до висновку, що протягом найближчих 20 років перевести автотранспорт повністю на водневе паливо буде неможливо. Фахівці стверджують, що багатомільярдні проекти по створенню водневого палива для автомобілів, можливо, проводяться даремно. Оскільки ці дослідження надзвичайно коштовні, то до 2020 р. тільки 1% автомобілів буде їздити на водні. Євросоюз наполягає на тому, щоб до цього часу 5% автопарку країн ЄС перейшло на водень. Однак експерти вважають, що ця мета не може бути досягнута навіть при найкращому розкладі. Основна проблема в тому, що поки неможливо створити досить дешеві паливні батареї, які б могли конкурувати з бензином і дизельним паливом. Проте, це може змінитися вже в осяжному майбутньому...

На сьогодні доцільно використовувати водень в якості добавок до бензино-повітряної суміші. Це не вимагає ускладнення конструкції системи живлення і двигуна в цілому. Якщо бензин додавати на режимі холостого ходу, при малих і середніх навантаженнях, то забезпечуються оптимальні потужності й динамічні показники автомобіля. Зазвичай витрати бензину становлять 12,2 кг /100 км, то тут вони знизяться до 5,5 кг, а витрати водню становлять усього 1,8 кг. Таким чином, 6,7 кг бензину заміняють на 1,8 кг водню, що дозволяє суттєво заощаджувати бензин. При цьому концентрація оксиду вуглецю у відпрацьованих газах знижується в 13 разів, оксидів азоту – в 5 разів, вуглеводнів – на 30%. Відповідно до припущень вчених при міському режимі роботи двигуна основним паливом повинен служити водень, а бензин використовується як домішки для стабілізації спалювання повітря на режимах холостого ходу, малих і середніх навантаженнях. Експлуатація автомобіля на трасі (середнє й повне навантаження) визначає зворотну залежність: роботу двигуна на бензині з мінімальними домішками водню.

Електричне паливо

Перший електромобіль був створений Робертом Девідсоном в 1838 році в Англії, усього через шість років після відкриття Фарадеєм явища електромагнітної індукції. Тобто, значно раніше автомобіля з двигуном внутрішнього згоряння (1862р.). До 1912 року в США було виготовлено більше 10 тисяч електромобілів, однак надалі вони не змогли стати конкурентами автомобілям. Відбулося це через недостатню ємність існуючих тоді акумуляторів. Тяговий електродвигун у таких машинах одержував живлення від батарей із свинцевими акумуляторами ємністю всього 20 Вт/г*кг. Отже, електромобілі, що працювали від звичайних акумуляторів, потерпіли фіаско.

Однак, за останні роки розробники акумуляторів значно просунулися в питанні збільшення ресурсу акумуляторних батарей, їхньої ємності й зниження вартості. Вони навчилися їх швидше перезаряджати. А це в порівнянні ціни електроенергії та водневого палива – серйозна заявка на успіх. Та й промислове виробництво електромобілів, ймовірно, почнеться значно раніше – вже до 2010 року очікується поява серійних машин.

Те ж можна сказати й про сонячні батареї – зараз вони не вирішують проблему в цілому, хоча їхнє використання має перспективу в осяжному майбутньому.

Вихід начебто був знайдений у переході на паливні елементи живлення. Існує багато різних видів паливних елементів. Наприклад, водневі саме й розробляються з метою їхньої установки в електромобілі. Всі паливні елементи відносяться до хімічних джерел електричного струму. Як і батарейка, вони виробляють електроенергію в ході незворотної реакції між воднем і киснем, продуктом якої є вода. Тільки на відміну від батарейки хімічні елементи, що вступають у реакцію, надходять у паливний елемент ззовні – водень із балона, а кисень – у складі повітряної суміші. Тобто, паливний елемент як би постійно підзаряджається до тих пір, доки не закінчиться заправка, що ріднить його з акумулятором.

У паливних елементів (у порівнянні з акумуляторами) є лише одна, але дуже істотна для нашого регіону перевага – вони працюють при низькій температурі повітря (до -25°С), а літій-йонні акумулятори таких температур не люблять.

Однак, паливні елементи зараз майже не використовуються, тому що паливо для паливних елементів необхідно виробити заздалегідь. При цьому витрачається енергія із традиційних джерел (теплоелектростанції і ін.), причому набагато більша, ніж енергія вихідного палива (водню) для паливних елементів. Тобто, використовувати електромобілі на паливних елементах сьогодні економічно не вигідно. Правда, існує безліч різних технологій більш економного одержання водню, але до промислового впровадження вони ще не дійшли.

Сьогодні багато найбільших виробників представили свої концепти гібридних автомобілів, де бензиновому двигуну активно допомагає електромотор (наприклад, фірма Toyota, починаючи ще з 1997 року, серійно випускає модель Prius).

Що ж являє собою гібридний двигун? Це комбінація бензинового й електродвигуна, а комп'ютерна система керування підключає їх одночасно або по черзі залежно від умов руху. Більше того, існує режим рекуперації енергії при гальмуванні. Комп'ютерна система керування працює приблизно так: на початку руху працює електромотор, при звичайній їзді – двигун внутрішнього згоряння, при наборі швидкості спільно працюють двигун і електромотор. Під час зниження швидкості відбувається підзарядка акумуляторів (та сама рекуперація). Однак, гібриди подібного типу все ж таки використовують традиційне паливо (хоча шкідливі викиди скорочуються до 90%), та й блок акумуляторів у них має солідну вагу.

УЗАГАЛЬНЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ:

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ:

Полянський С.К. Експлуатаційні матеріали: підруч. для студ. вищ. навч. закл. / С.К.Полянський, В.М.Коваленко – К.:Либідь, 2003. – с. 94 - 106

ВИКЛАДАЧ– Донець Т.А.

ЛЕКЦІЯ № 7 (2 год.)

ТЕМА:Експлуатаційні вимоги до якості автомобільних масел та їх властивості

МЕТА:

- навчальна: сформувати загальне уявлення про автомобільні масла, їх призначення і властивості;

- розвиваюча: уміння працювати зі схемами, таблицями і рисунками;

- виховна: виховувати інтерес до вивчення курсу.

ОБЛАДНАННЯ:дошка, плакати з рисунками.

ПЛАН

1. Основні вимоги до якості масел.

2. В’язкість, низькотемпературні, мастильні, протиокиснювальні властивості.

3. Захисні та корозійні властивості.

4. Контроль якості та оцінка старіння масел.

5. Асортимент моторних масел

ЗМІСТ ЛЕКЦІЇ