1.6.1 Применение альтернативных топлив
К альтернативным относятся топлива не являющиеся продуктами переработки нефти [156]. Наиболее распространенным в настоящее время альтернативным топливом является природный газ [62, 94, 156].
Природный газ применяется в сжатом и сжиженном виде [1,31,156].Двигатели, работающие на природном газе, характеризуются низкой эмиссией СН и СО [156]. Основной проблемой токсичности таких двигателей является выделение N0. Т.к. конвертированные под использование природного газа двигатели характеризуются высокой степенью сжатия, то повышенные температуры сгорания приводят к росту эмиссии NOx. Применение природного газа в специально приспособленных бензиновых двигателях приводит к снижению их мощности на 10 - 20% [156]. Проблемой также является размещение топливной аппаратуры на автомобиле. Для хранения газа в сжиженном состоянии требуется применение низких температур (- 126°С при 0.1 МПа [156]), т.е. значительно усложняется и удорожается конструкция автомобиля, а также существует опасность взрыва криогенного бака при механических повреждениях. Кроме того, могут возникнуть утечки газа [156], что небезопасно в пожарном отношении. Вероятно, самой большой проблемой, связанной с применением
природного газа является инфраструктура автозаправочных станций (АЗС), оборудование которых является очень дорогим [156].
Применение спиртов (метанола и этанола) в качестве моторного топлива ДВС может способствовать снижению эмиссии основных токсичных компонент ОГ: СО, СН, NOx [4], однако, основной проблемой, связанной с процессом сгорания спиртов является образование альдегидов [127]. Использование спиртов в качестве основного моторного топлива автомобильных двигателей в настоящее время крайне ограниченно. Это связано с дороговизной [22, 90], и химической агрессивностью таких топлив, а также конструктивными усложнениями систем топливоподачи [26, 127].
В нашей стране и за рубежом проведено множество исследований по применению водорода на автотранспорте [41, 44, 102, 126 и др.].
Водород, с точки зрения энергоемкости и эмиссии токсичных веществ, является самым лучшим из всех возможных моторных топлив [127].
Низшая теплота сгорания водорода равна 120 МДж/кг и примерно в три раза больше, чем у бензина [50]. Проблемы применения водорода в качестве топлива автомобильных двигателей связаны с хранением этого сверхлегкого газа на борту автомобиля [28, 36, 112], инфраструктурой и безопасностью.Альтернативой использования чистого водорода является использование водорода в качестве добавки к основному топливу (бензину). Такой подход известен давно [94, 100] и обладает рядом преимуществ, например, возможность получения водорода непосредственно на борту автомобиля. Перспективность применения бензина с малыми добавками водородного топлива для автомобильных двигателей определяется, прежде всего, его экологической чистотой, и прекрасными моторными свойствами, что открывает возможность его широкого применения в современных двигателях без коренной их перестройки. Как показали исследования токсичности в ОГ бензинового двигателя от коэффициента избытка воздуха, рисунок 1.8, единственной зоной, где возможно снижение токсичности сразу по трем основным составляющий токсичных компонентов в двигателе, является зона, где а > 1,5. Однако в обычном бензиновом двигателе нельзя получить такую степень обеднения топливовоздушной смеси, так как эта область находится за пределами воспламенения и устойчивого горения бензовоздушной смеси.
Г \иох V. ^ СО *** «м» боютые смеси. бедные смеси Сдерхбедные смеси а a t4 1 Рисунок 1.8 - Характер изменения концентрации токсичных компонентов в ОГ бензинового двигателя по составу смеси а.
Реализация области, выгодной с точки зрения снижения токсичности ОГ и обеспечения топливной экономичности двигателя, возможна в случае применения топлив с широкими концентрационными пределами воспламенения и высокими скоростями сгорания бедных смесей. Таким топливом может быть бензин с добавками водорода [100, 103].
Как уже говорилось ранее добавка водорода в топливо, является эффективным способом снижения токсичности отработавших газов по СН, так в работах [131, 133, 138, 144, 149,152] показано, что с добавлением водорода концентрация СН снижается для всех составах смеси.
Это объясняется повышением полноты сгорания топлива за счет интенсификации процесса сгорания, как для бедных, так и для богатых смесей, что уменьшает толщину замороженных пристеночных слоев. Подробное описание механизма снижения несгоревших СН показано в [66, 72, 130], где показано, что концентрация несгоревших СН в бедных смесях определяется скоростью распространения пламени в третьей фазе сгорания. В работах [4, 106] показано влияние водорода на токсичность при холодном пуске и прогреве двигателя, из них следует, что небольшая добавка водорода при запуске и прогреве двигателя значительно снижает концентрацию СН и СО в отработавших газах. Исследования электропроводности пламени и средней скорости сгорания, показали [154, 156, 158] показали их взаимосвязь с концентрацией несгоревших углеводородов. В работах [132, 137] приведенывозможности оснащения транспорта системами подачи водорода для снижения токсичности и выполнения норм по токсичности и сами системы снижения токсичности отработавших газов основанные на использовании влияния водорода на процесс сгорания бензовоздушных смесей. Таким образом, как показано в работах [133, 134, 141], добавка водорода снижает токсичность двигателя в целом, и при пуске, и при работе двигателя на устоявшихся, и переходных режимах. В работах [142, 144, 146, 147] показана возможность снижения токсичности для городского транспорта, работающего на дизельном топливе.