Использование экологически безопасных видов топлива. Водород — экологически чистое то­пливо». «Водородная энергетика — дело ближайшего будущего» Какой вид топлива самый экологически чистый

Современная жизнь невозможна без использования двигателей внутреннего сгорания. Человек использует такие двигатели в профессиональной деятельности и быту. К сожалению, они несут с собой не только благо. Выхлопы двигателей 700 млн. автомобилей, десятков тысяч судов, самолетов, тепловозов и всевозможных стационарных установок дают 40% глобального загрязнения атмосферы вредными веществами

В России в 1998 году выбросы загрязняющих веществ в атмосферу всеми транспортными средствами составили 13,2 млн. тонн, в том числе автомобильным транспортом более 11,8 млн. т. По оценке экологов, основная масса (80 процентов) вредных веществ выбрасывается автотранспортом на территории населенных пунктов. Более чем в 180 городах уровни загрязнения атмосферного воздуха (от всех источников) превышают предельно допустимые концентрации. В последние годы максимальные разовые концентрации превышали 10 ПДК в 66 городах. В 89 городах уровень загрязнения воздуха характеризуется как высокий и очень высокий.

Парк автомобилей Российской Федерации по состоянию на 1 января 1999 года составил 24,5 млн. единиц. В том числе 18,8 млн. легковых автомобилей, 4,4 млн. грузовиков, около 7000 тысяч специальных машин и более 620 тысяч автобусов.

В целом специалисты отмечают низкий уровень экологических характеристик автомобильного парка России. Подавляющая часть автомобилей сертифицирована на соответствие требованиям Правил ЕЭК ООН, действовавшим в Европе до 1992 года. Средний возраст автомобильного парка России превышает 10 лет. До 10 процентов автомобилей имеют возраст более 20 лет и вообще не проходили экологической сертификации. Массовое поступление на отечественный рынок легковых автомобилей, соответствующих требованиям Евро-1, и грузовых автомобилей, соответствующих требованиям Евро-2, можно ожидать не ранее 2002 года.

Использование каталитических нейтрализаторов имеет очень ограниченный характер и не может обеспечить быстрого повышения экологических характеристик автотранспортных средств. Основные причины этого заключаются в следующем: не разработана правовая база контроля; отсутствуют нормативные требования к таким автомобилям; нет современных приборов контроля, а главное - не решена проблема повсеместного гарантированного обеспечения автотранспорта неэтилированным бензином.

ЕС решил перевести 10% автотранспорта на биотопливо к 2020 году.Евросоюз поставил задачу к 2020 году перевести 10% своих автомобилей на биологическое топливо. Такое решение одобрили на встрече в Брюсселе министры энергетики 27 стран ЕС. «К 2020 году как минимум 10% автомобильного горючего, потребляемого в каждой стране Евросоюза, должно стать топливо биологического происхождения», - говорится в резолюции Совета ЕС по энергетике и транспорту. Речь идет о таких видах горючего как спирты и производимый из биомассы метан. В резолюции подчеркивается необходимость принять общеевропейские меры, чтобы повысить эффективность технологий производства этого топлива и улучшить его коммерческие возможности. В настоящее время, производимое в Европе биотопливо в среднем на 15-20 дороже традиционного.

Кроме этого, министры также призвали к 2020 году довести долю возобновляемых источников энергии в общеевропейском энергопотреблении до 20%, тогда как сегодня оно составляет 7%. Однако эта договоренность не носит обязательного характера. Против введения жесткой обязательной для всех стран ЕС нормы использования возобновляемых источников энергии высказались Великобритания, Франция и Финляндия. Между тем правительство Великобритании уже в 2005 году объявило о намерениях ввести новые правила, согласно которым с 2010 года продаваемые в стране бензин и дизельное топливо должны будут на 5% состоять из растений - биотоплива. В настоящее время биотопливо составляет 2% от общего объема продаваемого в Великобритании горючего. В бензин добавляется этанол, изготовленный из бразильского сахарного тростника, а в дизельное топливо добавляется рапсовое и переработанное растительное масла. Такая топливная смесь, включающая в себя 5% биотоплива, может использоваться во всех автомобилях, для этого им не требуется модификация. Некоторые модели автомобилей, в том числе Saab 9-5 и Ford Focus, приспособлены для использования топливной смеси, в которой содержится 80% биотоплива.

Биодизель - это топливо, полученное из растительного масла посредством его химического превращения так называемым процессом переэтерификации. В Европе оно изготавливается из подсолнечного и рапсового масла, в Соединенных Штатах - из соевого или из разновидности рапсового масла. Происходит химическая реакция масла с алкоголем, в основном с метиловым спиртом, для уменьшения вязкости и очищения масла. Этот химический процесс позволяет получить однородный, устойчивый и качественный продукт: EMVH (Метиловый сложный эфир растительных масел), свойства его близки к дизельным маслам. Преимущества биодизеля:

• 1. Биодизель - это источник возобновляемой энергии, решение будущего, приходящее на смену использования нефти
• 2. Использование биодизеля не требует изменения кинематической цепи, только в зависимости от модели, давности автомобиля - устанавливается топливный фильтр.
• 3. Биодизель позволяет предотращать потепление на нашей планете, вызванной повышенным содержанием углекислого газа и серы в атмосфере: в отличие от горючих двигателей, он не увеличивает процент содержания CO2 в атмосфере. Действительно в течение жизненного цикла растение должно поглащать количество углекислого газа эквивалентное количеству выбросов в процессе работы двигателя.
• 4. Биодизель уже достаточно часто добавляется в дизельное топливо, продаваемое на бензозаправках Европы, но его содержание пока не высоко и отличается в разных странах. Например, во Франции его процент составляет около 1.5%. Возможно также и другое соотношение в зависимости от пожеланий.
• 5. Не токсичный и полностью разлагаемый в природе, он соответствует Европейской норме EN 14214.

Главный претендент на звание, «топлива будущего» - водород , запасы которого практически не ограничены, в двигателе, а процесс сжигания в двигателе характеризуется высоким энергетическим и экологическим совершенством. Для получения водорода могут быть использованы различные термохимические, биохимические, или электрохимические способы с использованием экологически чистой энергии Солнца. В нашей стране и за рубежом уже созданы экспериментальные автомобили, использующие водород в жидком виде, или в составе твердого металлогидратов, в качестве основного топлива или в смеси с бензином.

Преимущества водорода как автомобильного топлива несомненны. Его теплотворная, способность в три раза выше, чем у бензина, а продукты сгорания содержат безобидный компонент - водяной пар. Более полувека назад профессор А. Орлин из Московского высшего технического училища впервые создал и запустил карбюраторный двигатель на водороде.

Сейчас производственная потребность водорода, необходимого для производства аммиака, метилового спирта и пластмасс, очень невелика.

Использование водорода в качестве топлива для двигателей потребует значительного увеличения его производства. Это одно из главных препятствий на пути широкого применения водорода в качестве двигательного топлива.

Исключением может стать только электрический автомобильный двигатель. Работы по его созданию ведут крупнейшие автомобилестроительные фирмы мира, прежде всего Япония

Источником тока в электромобилях пока являются свинцовые аккумуляторы. Без подзарядки такие автомобили обеспечивают пробег до 50-60 км (максимальная скорость 70 км/ч, грузоподъемностью 500 кг), что позволяет использовать их в качестве такси или для технологических перевозок мелких партий грузов внутри города, Серийное производство и использование электромобилей потребует созданию станций зарядки аккумуляторов, отвечающих всем необходимым технико-экономическим требованиям.

Специалисты полагают, что наиболее энергосберегающим и высокоэффективным источником энергии для электромобилей являются батареи топливных элементов. У таких элементов много достоинств, прежде всего высокий КПД, достигающий в реальных установках 60-70%; их не надо заряжать, как аккумуляторы, достаточно пополнять запасы реагентов. Наиболее перспективен водородно-воздушный электрохимический генератор (ЭХГ), в котором продуктом реакции при выработке электрической энергии является химически чистая вода. Главный недостаток ЭХГ на сегодняшний день - высокая стоимость.

Апельсиновые рощи Валенсии могут скоро стать поставщиком топлива для испанских машин. Новая технология позволит делать биотопливо из фруктовой кожуры. Автомобили, заправленные цитрусами, не будут загрязнять окружающую среду.

Человечество слишком медленно, но все же подходит к пониманию того, что необходимо поставить материальное потребление на подобающее ему место среди других источников личного удостоверения, таких не материальных ценностей, как семья, дружба, общение с другими людьми, развитие собственной личности; что следует, наконец, жить в соответствии с возможностями Земли.

От решения именно этой задачи в первую очередь зависит, сохраним ли мы биосферу Земли.

Было бы хорошо, если бы люди привыкли ходить пешком и ездить на велосипедах. По моему мнению, общественный транспорт должен быть таким, чтобы людям хотелось пользоваться чаще им, а не собственными машинами. Ведь увеличение транспорта наносит огромнейший вред бесценному здоровью людей и окружающей среде. Хотелось бы измененить некоторые маршруты грузовых автомобилей, чтобы немного улучшить экологическую обстановку. Выхлопные газы автомобилей - это настоящее бедствие. Так давайте же беречь и охранять нашу планету, как самое дорогое, что у нас есть, - жизнь!

газ отработанный окружающий бензин

I вариант

1. Основным видом топлива до конца XIX в. были:

а) нефть б) уголь в) торф г) дрова

2. Главная нефтяная база страны на сегодня:

а) Западная Сибирь в) Бакинская

б) Волго-Уральская г) Печорская

3. Какой угольный бассейн в России дает самый деше­вый по себестоимости уголь?

а) Кузнецкий в) Канско-Ачинский

б) Южно-Якутский г) Подмосковный

4. Какая из следующих особенностей ТЭК характерна для России:

а) топливные ресурсы сосредоточены на западе, а основной потребитель на востоке страны

б) большая часть природного газа добывается в Черноземье;

в) трубопроводы от основных месторождений Сибири на­правлены на север и северо-восток

г) основной потребитель сосредоточен на западе страны, где есть недостаток в топливных ресурсах

а) ее невозможно транспортировать

б) ее нельзя накапливать

в) ее можно накапливать

г) ее можно транспортировать по трубопроводу

7. Какой тип альтернативной электростанции отсутству­ет в России?

а) ветряная в) приливная

б) геотермальная г)солнечная

8. Недостаток ГЭС заключается в том, что они:

а) дают много отходов, сильно загрязняя атмосферу

б) медленно меняется режим работы

в) нарушают гидрологический режим реки

г) обслуживание станции обеспечивается большим количе­ством высококлассных специалистов

б) черная и цветная металлургия

в) черная металлургия и добыча топлива

г) цветная металлургия и транспорт

12. Крупнейшие центры по выплавке алюминия находят­ся вблизи:

а) месторождений бокситов

в) месторождений каменного угля

б) крупных ТЭЦ

г) крупных ГЭС

13. Самая напряженная экологическая ситуация в России наблюдается в городах, где расположены:

а) заводы по выплавке алюминия

б) заводы передельной металлургии

в) комбинаты полного цикла

г) предприятия малой металлургии

14. Крупнейшее месторождение железной руды в мире:

а) Качканарское в) гора Магнитная

б) КМА г) Костомукшское

15. В каком городе России находится крупнейший в мире завод по производству никеля?

а) Медногорск в) Красноярск

б) Норильск г) Братск

16. Основной фактор размещения предприятий передель­ной металлургии:

а) наличие сырья в виде металлолома

б) наличие сырья железной руды

в) наличие месторождений каменного угля

г)экологический

Итоговый контроль по теме «ТЭК. Металлургия.»

II вариант

1. Главным топливом в России с 1960-х годов является:

а) нефть в) торф

б) уголь г) дрова

2. Важнейшим угольным бассейном в России в конце XIX века был:

а) Кузбасс в) Печорский

б) Донбасс г) Подмосковный

3. Самый дешевый и экологически чистый вид топлива:

а) мазут в) бурый уголь

б) каменный уголь г) газ

4. ТЭК России имеет следующие особенности (укажите 1 верный ответ):

а) большая часть нефти добывается в России в субтропиках Кавказа

б) угольная промышленность, как старая отрасль, требует реконструкции

в) основной потребитель топливных ресурсов и ресурсные базы равномерно распределены на востоке страны

г) газовая отрасль - одна из кризисных отраслей ТЭК

5. В состав электроэнергетики входят:

а) АЭС и транспортировка электроэнергии по ЛЭП

б) транспортировка электроэнергии по ЛЭП и газовая про­мышленность

в) ГЭС и угольная промышленность

г) нефтяная промышленность и ТЭС

6. Крупнейшим районом добычи российского газа является:

а) Якутский;

б) Оренбургско-Астраханский;

в) Западно-Сибирский;

г) шельф Баренцева моря.

7. Наибольшая доля энергии в России вырабатывается на:

а) ТЭС; в) ПЭС;

б) ГЭС; г) АЭС.

8. Преимущества ГЭС состоят в том, что:

а) можно размещать, где угодно

б) производится самая дешевая электроэнергия

в) быстро и дешево строятся

г) легко включаются, могут покрывать пиковые нагрузки

9. Перспективы электроэнергетики состоят в следующем:

10. Выберите верные утверждения:

а) Нефтеперерабатывающие заводы размещены преимущест­венно в европейской части страны.

б) ТЭС являются самыми экологически чистыми видами электростанций.

в) Сланцевая промышленность относится к топливным.

г) По запасам газа Россия занимает 4-е место в мире.

д) На ТЭЦ помимо электроэнергии вырабатывается горячая вода и пар.

4. Какие электростанции России могут работать на угле?

а) ГЭС б) ТЭС в) ПЭС г) АЭС

5. Почему крупнейшие ГЭС России располагаются в азиатской части?

а) там расположены главные потребители электроэнергии

б) там находятся наибольшие гидроресурсы

в) чтобы поставлять электроэнергию в азиатские страны

г) они были построены с расчетом на быстрое увеличение местного населения

6. В состав топливной промышленности входит:

а) угольная промышленность и транспортировка электроэ­нергии по ЛЭП

б) транспортировка топлива по трубопроводам и электроэ­нергии по ЛЭП

в) добыча торфа и транспортировка топлива по трубопроводам

г) производство электроэнергии и доставка потребителю по ЛЭП

7. Перспективы электроэнергетики состоят в следующем:

а) строительство АЭС по всей стране

б) строительство ГЭС по всей стране

в) применение энергосберегающих технологий

г) закрытие ТЭС из-за загрязнения атмосферы

8. Самый дешевый и экологически чистый вид топлива:

а) мазут в) бурый уголь

б) каменный уголь г) газ

9. Первая в России геотермальная электростанция по­строена на :

а) полуострове Камчатка; в) Урале;

б) Кавказе; г) Кольском полуострове.

10. Какая отрасль использует коксующийся уголь в качестве топлива?

б) черная металлургия;

в) лесоперерабатывающая;

г) консервная.

11. К какой группе цветных металлов относится медь и никель?

а) к легким

б) к тяжелым

в) к благородным

г) к легирующим

12. К каким местам тяготеют предприятия передельной метал­лургии?

а) к месторождениям железа

б) к газопроводам

в) к железным дорогам

г) к крупнейшим машиностроительным центрам

13. Определите, почему крупнейшие заводы по производству алюминия в России расположены в Восточной Сибири:

а) здесь находятся крупные запасы бокситов

б) здесь дешевая электроэнергия

в) здесь сосредоточены основные потребители продукции

г) здесь низкие температуры

14. Крупнейший в России и в мире центр по выплавке меди и никеля расположен :

а) в Норильске в) в Череповце

б) в Кировске г) в Старом Осколе

15. В состав металлургического комплекса не входит :

а) добыча руды в) обогащение руды

б) выплавка металла г) производство проката

д) все отрасли входят

16. Распределите металлы по крупнейшим центрам их выплавки:

2.Норильск б) алюминий

3. Череповец в) медь

4.Медногорск г) никель

Итоговый контроль по теме

«ТЭК. Металлургия.»

Ответы (I вариант)

1-Г; 2-А; 3-В; 4-Г; 5-В; 6-Б; 7-Г; 8-В; 9-Б; 10 – 1-г, 2-б, 3-а, 4-в; 11–Б; 12–Г; 13–В; 14–Б; 15–Б; 16–А.

Ответы (II вариант):

1-А; 2-Б; 3-Г; 4-Б; 5-А; 6-В; 7-А; 8-Б, Г; 9-В; 10-А, В, Д; 11 – Б; 12 – А; 13 – А; 14 – В; 15 – А, Б; 16 – В.

Ответы (III вариант)

1 – В; 2 – В; 3 – Б; 4 – Б; 5 – Б; 6 – В; 7 – В; 8 – Г; 9 – А; 10 – Б; 11 – Б; 12 – Г; 13 – Б; 14 – А; 15 – Д; 16 – 1-б, 2-г, 3-а, 4-в.

Во всем мире в качестве источника энергии повсеместно продолжает использоваться ископаемое топливо, которое хоть и экологически улучшается с каждым годом, загрязнение от выхлопов которого, остается одной из главных экологических проблем. Это заставляет ученых и инженеров задуматься о возможности использования альтернативного топлива в качестве других источников энергии.

Таких разработок много, однако в серийное использование продвигаются не так много видов экологически чистого топлива.

Давление сжатого воздуха

Пневмопривод был разработан во Франции и Индии практически одновременно. Ныне такие автомобили уже производятся серийно. Для движения используется сила, создаваемая сжатым воздухом. Такое транспортное средство развивает скорость до 35 км/час (с использованием мизерного количества топлива до 90 км/ч). Расход сжатого воздуха в бензиновом эквиваленте составляет порядка одного литра на 100 километров.

Спиртовой двигатель

Этанол или этиловый спирт - один из наиболее распространенных видов альтернативного топлива. В США и Бразилии порядка 32 тысяч заправочных станций реализуют этиловое топливо. Более 230 млн. транспортных средств во всем мире используют именно его. Вещество, получаемое во время брожения различных культур, обеспечивает достаточное количество энергии, а продукты его горения не несут никакого вреда экологии.

Биодизель или энергия растительного масла

Конструкция дизельного двигателя сама по себе эффективнее бензинового. А если его заправить его растительным маслом, то еще и экологически чистая. Речь о специально переработанном масле. Получить такое топливо можно даже в домашних условиях, используя несложные технологические процессы. У такой технологии множество плюсов: нет необходимости менять конструкцию двигателей на уже собранных авто, для его производства используются восстанавливаемые ресурсы, а выхлоп совершенно безопасен для окружающей среды.

Водородный двигатель

В начале XXI века был разработан водородный двигатель. Технологически можно использовать водородное топливо и в обычном двигателе внутреннего сгорания, но тогда мощность падает на 60 - 82%. Если внести необходимые изменения в системе зажигания, то напротив, мощность только увеличится на 117%, в этом случае увеличение выхода окислы азота приводит к подгоранию поршней и клапанов, а также вступление водорода в реакцию с другими материалами приводит быстрому износу двигателя. Его усовершенствованная версия в будущем сможет, возможно, использовать в качестве топлива даже воду. Кроме того, водород обладает сильной летучестью, поэтому его трудно сохранить в жидком виде, в топливном баке BMW Hydrogen (автомобиль на изображении ) всего за неделю неиспользования испаряется полбака водородного топлива.

Электродвигатель

Есть тип двигателя, который вообще не производит выхлопа - электрический. Технология начинает свою историю еще в XIX веке. Популярность электрическому двигателю способствовали трамваи и троллейбусы в качестве городского транспорта, но в таком случае транспорту необходим был постоянный электрический ток в виде проводов. Электромобиль так и не набрал в свое время популярности, хоть и появился раньше, чем автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Ныне электромобили выпускаются серийно, в городах оборудуются электрические заправки для них и технология набирает популярность.

Гибридный автомобиль

Особенно, популярны гибридные автомобили с одновременным использованием электродвигателя и двигателя внутреннего сгорания, позволяющим приводить в движение автомобиль, как и от электрического заряда, так и от привычного топлива. Гибридные автомобили, конечно, не избавляют атмосферу полностью от вредных выхлопов, но уменьшают количество отработавших газов, при этом позволяют в разы экономить топливо и уменьшать эксплуатационные характеристики.

О влиянии, оказываемом на воздушный бассейн при сжигании различных видов топлив, можно судить по объемам выбросов вредных веществ за 1 час работы электростанции с установленной мощностью 1млн кВт (табл. 2.2.).

Россия располагает уникальными запасами органического топлива, но стратегия его использования пока мало учитывает природоохранные аспекты. Стоимость топлива не связана с потребительской эффективностью и, как правило, определяется затратами на добычу и транспортировку, не отражая экологических качеств топлива.

Большинство энергетических углей и мазутов имеют невысокое качество. Практически все жидкое топливо - это мазут с высоким содержанием серы. Твердое топливо разнообразно по составу. На Европейской территории страны преобладают высокосернистые угли Подмосковного и Печерского месторождений; в Сибири и на Дальнем Востоке - высоковлажные и низкосернистые бурые угли Канско-Ачинского бассейна и каменный уголь Кузнецкого.

Таблица 2.2. Характерные выбросы ТЭС

G - теплота сгорания топлива, МДж/кг; A - зольность; S - содержание серы, %.

Некоторые характеристики наиболее распространенных энергетических топлив приведены в табл. 2.3. На многие ТЭС поступает уголь с более высокой зольностью и более низкой теплотой сгорания, чем предусмотрено нормативными данными, приведенными в табл. 2.3.

Таблица 2.3. Характеристика наиболее распространенных топлив.

Еще статьи по теме

Стратегии охраны природы
Человек - один из многочисленных видов животных, обитающих на Земле. Одна из особенностей его в том, что среди прочих видов у него самая сильная средопреобразующая деятельность. В последний век она приобрела такой размах, что встал вопрос...

Лапландский государственный заповедник экологическое состояние и мероприятия по оздоровлению
Кольский полуостров, "Страна полуночного солнца", "царство полярной ночи", "суровая Похъёла - старинная Лопская земля", она же "русская Лапландия", родина отечественного северного мореплавания, опло...

Специалисты разных стран ведут исследования в области применения новых видов топлива и источников энергии на автомобильных транспортах. Это связано со значительным ростом численности автотранспортных средств и все большим загрязнением окружающей среды окружающей среды.

К наиболее эффективным и перспективным видам моторного топлива следует отнести природный газ, водород, пропан-бутановую смесь, метанол и др.

Перспективное автомобильное топливо -- это любой химический источник энергии, использование которого в традиционных или разрабатываемых автомобильных двигателях позволяет в какой-то степени решить энергетическую проблему и уменьшить вредное воздействие на окружающую среду. Исходя из этого формулируются пять основных условий перспективности новых источников энергии:

наличие достаточных энергосырьевых ресурсов;

возможность массового производства;

технологическая и энергетическая совместимость с транспортными силовыми установками;

приемлемые токсичные и экономические показателипроцесса использования энергии;

безопасность и безвредность эксплуатации.

Существует несколько различных классификаций перспективных автомобильных топлив. Большой практический интерес представляет энергетическая классификация, в основу которой положена калорийность традиционного жидкого углеродного топлива.

У традиционного жидкого углеводородного топлива самая высокая энергоплотность, поэтому автомобиль, работающий на нем, имеет небольшие размеры и массу топливного бака и топливной аппаратуры и не требует сложной системы заправки и хранения топлива. Углеводородные газы и водород обладают более высокой массовой энергоемкостью, но из-за малой плотности у них значительно худшие объемные энергетические показатели. Поэтому использование этих топлив возможно только в сжатом или сжиженном состоянии, что в ряде случаев значительно усложняет конструкцию автомобиля.

Водородное топливо. Большие надежды возлагаются на водородное топливо как на топливо будущего. Обусловлено это его высокими энергетическими показателями, отсутствием большинства токсичных веществ в продуктах сгорания и практически неограниченной сырьевой базой. Именно с водородом связывают перспективное развитие энергетики.

По массовой энергоемкости водород превосходит углеводородные топлива примерно в 3 раза; спирты -- в 5--6 раз. Но из-за очень малой плотности его энергоплотность низка. Водород обладает рядом свойств, сильно затрудняющих его использование: сжижается при 24К; обладает высокой диффузионной способностью; предъявляет повышенные требования к контактирующим материалам, взрывоопасен. Однако несмотря на это, ученые многих стран ведут работы по созданию автомобилей, работающих на водородном топливе. Многочисленные схемы возможного его применения в автомобиле делятся на две группы: водород как основное топливо и как добавки к современным моторным топливам. Основной трудностью при использовании водорода в сжиженном состоянии является его низкая температура. Обычно жидкий водород транспортируется в криогенных резервуарах с двойными стенками, пространство между которыми заполнено изоляцией. Для безопасной эксплуатации жидкого водорода необходимы полная герметизация топливоподающей системы и обеспечение сброса избыточного давления.

Водородная технология, водородная энергетика -- о них говорят все настойчивее по той причине, что этот химический элемент -- основа единственного известного сегодня топлива, не образующего при сгорании пресловутого угарного газа и потому экологически наименее вредного. К тому же запасы его в природе практически неисчерпаемы. Вот почему уже много лет предпринимаются попытки использовать водород для двигателей внутреннего сгорания. В этом направлении еще в 30-е годы работали Московский автомеханический институт, МГТУ имени Баумана и ряд других институтов.

Во время Великой Отечественной войны идею водородного топлива практически применили для автомобилей в войсках противовоздушной обороны на Ленинградском фронте.

В послевоенные годы академик Е. А. Чудаков и профессор И. Л. Варшавский использовали водород для питания одноцилиндрового двигателя в Автомобильной лаборатории АН СССР. Занимались этой проблемой академик В. В. Струминский и другие исследователи. Однако эксперименты тогда не получили широкого размаха. Они стали более актуальными и возобновились позднее. Только в США к 1976г. по этой теме вели исследования 15 экспериментально-конструкторских групп, которые создали 42 разновидности «водородных» двигателей. Аналогичные поиски развернуты учеными ФРГ и Японии.

Столь большой интерес к водороду как к топливу объясняется не только его преимуществами экологического характера, но и физико-химическими свойствами: теплота сгорания у него втрое выше, чем у нефтепродуктов, воспламеняемость смеси с воздухом имеет широкие пределы, водород обладает высокой скоростью распространения пламени и низкой энергией воспламенения -- в 10--12 раз ниже, чем бензин.

В нашей стране обширные работы по использованию водорода для автомобильных двигателей активно ведут многие научные центры.

Метод получения этого химического элемента с применением так называемых энергоаккумулирующих веществ детально разработан Институтом проблем машиностроения АН Украины, который проводит также фундаментальные исследования процессов сгорания водородовоздушных и бензоводородовоздушных смесей, разрабатывает принципиальные схемы силовой установки автомобиля при различных методах хранения нового горючего на борту.

Водород как моторное топливо имеет некоторые особенности, обусловленные его свойствами. Широкие пределы воспламеняемости позволяют лучше регулировать протекание рабочего процесса двигателя. В результате удается повысить экономичность при частичных нагрузках -- режиме, в котором автомобильный двигатель «живет» довольно долго. Теплотворность однородной смеси водорода с воздухом ниже, чем у бензина. Поэтому мощность двигателя на водороде в большей степени, чем при использовании бензина, зависит от способа смесеобразования.

Исследования детонационной стойкости бензоводородовоздушных и водородовоздушных смесей показали, что их склонность к детонации в значительной степени зависит от коэффициента избытка воздуха. И в этом отношении при использовании водорода в качестве топлива выявлены иные закономерности, чем для бензина. Изучение работы двигателей на водородовоздушных и бензоводородовоздушных смесях показало высокую стабильность рабочего процесса. Сравнивая пределы изменения оптимального угла опережения зажигания при работе на водороде и бензине, можно заметить, что в первом случае он существенно зависит от коэффициента избытка воздуха. При обогащении смеси наивыгоднейший угол опережения зажигания значительно уменьшается. Поэтому при работе на водороде двигателю нужны иные регулировки этого параметра.

Наконец, при сгорании водорода отработавшие газы не содержат таких вредных компонентов, как СО, углеводороды, РЬО. Остается только один токсичный компонент в выхлопе -- NО (и то в меньших количествах, чем при работе на бензине). При использовании водорода в качестве добавки содержание вредных компонентов резко сокращается благодаря полноте сгорания. Кроме того, уменьшается необходимость использования вредных антидетонационных свинцовых присадок к бензинам.

Эксперименты показали, что двигатели внутреннего сгорания могут с успехом работать как на чистом водороде, так и на смеси его с парами бензина. Любопытно, что уже 10-процентная добавка (от массы расходуемого топлива) водорода может оказать существенное влияние, снижая токсичность отработавших газов и улучшая экономические показатели. Она намного расширяет пределы воспламеняемости смеси, что создает условия для эффективного регулирования процесса сгорания. Практически это означает возможность устойчивой работы на очень бедных бензоводородовоздушных смесях с большим коэффициентом избытка воздуха, чем обеспечивается значительная экономия бензина. Учитывая то обстоятельство, что двигатель в городских условиях до 30% времени работает на холостом ходу или режимах неполной нагрузки, можно представить себе, какие экономические выгоды несет использование водорода. А работа двигателя при высоких коэффициентах избытка воздуха сопровождается почти полным сгоранием смеси, и, следовательно, в отработавших газах нет токсичных компонентов. В Институте проблем машиностроения АН Украины уже разработаны автомобильные силовые установки, действующие на водородном топливе. Для них водород получают из воды (с применением энергоаккумулирующих веществ, в основе которых лежат окислы металлов), а также из гидридов -- веществ, способных при охлаждении поглощать водород, а при нагревании -- отдавать его.

Связывать водород гидридами необходимо в интересах безопасности, так как при утечках из баллонов он образует, смешиваясь с воздухом, взрывчатую смесь, которая легко воспламеняется (вспомните частые аварии дирижаблей с емкостями, заполненными водородом). Но важнее тот факт, что гидриды являются более рациональным методом хранения водорода на борту автомобиля по объемным показателям.

Общая схема силовой установки топлива: водородное топливо, получаемое в результате взаимодействия энергоаккумулирующих веществ с водой, подается системой питания в двигатель. Мощность двигателя регулируется компонентами, подаваемыми в реактор для освобождения связанного водорода.

Силовая установка может быть выполнена как по открытому, так и закрытому циклу. В первом случае на борту автомобиля размещаются только емкости для энергоаккумулирующих веществ и воды, а продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. При замкнутом цикле дополнительно вводятся теплообменник и конденсатор, позволяющие использовать пары воды из выхлопных газов. Поступающая в реактор с энергоаккумулирующими веществами вода снова служит источником для получения водорода. Так при замкнутом цикле «носителем» топлива служит вода, а энергией -- энергоаккумулирующие вещества. Водородное топливо при обоих циклах может использоваться в чистом виде или в качестве добавок (5--10% по массе). В последнем случае на машине сохраняется система питания бензином. «Извлечение» водорода из воды происходит в реакторе, содержащем энергоаккумулирующие вещества. Наиболее простым является реактор постоянного действия, в котором давление поддерживается регулировкой подачи компонентов в зону реакции.

Процесс получения в нем топлива происходит не мгновенно, т. е. он обладает некой инерцией. Выделяющийся в реакторе водород поэтому должен поступать к мотору через редуктор-регулятор, поддерживающий оптимальное давление перед форсунками подачи.

По разработанным методикам для испытаний с применением энергоаккумулирующих веществ на основе оксидов металлов, а также с использованием гидридов были апробированы серийные легковые автомобили «Москвич» и «ВАЗ».

Первый эксперимент (применение энергоаккумулирующих веществ -- автомобиль «Москвич») -- система питания бензином оставлена без изменения. На машине смонтированы два реактора 1, обеспечивающие получение водорода из воды, и редуктор 5, предназначенный для дозирования подачи топлива на разных режимах работы двигателя.

Реакторы периодического действия имеют постоянную загрузку энергоаккумулирующих веществ на основе кремния или алюминия с регулируемой подачей воды. Насосы высокого давления 4, приводимые электродвигателем, подают воду из бака через подогреватель и фильтр к реактору, где ее распыляют форсунки. В водяной системе установлены обратные клапаны, предотвращающие проникновение туда водорода при прекращении подачи воды. Кроме того, в ней предусмотрен кран 3, который переключает подачу воды с одного реактора на другой. Все агрегаты этой экспериментальной установки смонтированы на общей раме и помещены в багажнике.

Установка с применением энергоаккумулирующих веществ для питания двигателя водородом: 1 -- реакторы периодического действия; 2 -- бак для воды; 3 -- кран подачи воды в реактор; 4 -- блок насосов с электроприводом; 5 -- редуктор в системе подачи водорода

Водород от реакторов поступает к крану, установленному на приборной панели, которым водитель соединяет работающий реактор 1 с системой подачи водорода. Последняя состоит из понижающего редуктора, влагоотделителя, газового счетчика и редуктора регулирования подачи водорода (управляется специальной педалью). Топливо вводится во впускной трубопровод, непосредственно перед впускным клапаном.

Для работы на водороде, получаемом из гидридов, система питания бензином также сохранена и дополнительно установлена система хранения и подачи водорода (автомобиль «ВАЗ»). Она состоит из гидридного бака 1, нагреваемого отработавшими газами, редуктора со всережимным вакуумным регулятором 9 расхода водорода и смесителя 8, сделанного на базе серийного карбюратора. Скорость выделения водорода гидридом система регулирует автоматически (блок управления 10, реле давления 2, заслонка с электромагнитным приводом 7 на выпускной трубе), поддерживает постоянным, независимо от режима двигателя, давление водорода в системе. Гидридный бак при зарядке охлаждается водой.

Установка с применением гидридов: 1 -- гидридный бак; 2 -- реле давления; 3 -- вентиль заправки; 4 -- выхлопной патрубок гидридного бака; 5 -- глушитель; 6 -- бензиновый бак; 7 -- электромагнитный привод заслонки; 8 -- смеситель; 9 -- регупятор давления и расхода водорода; 10 -- блок электронного управления

Применение водорода в качестве дополнительного топлива для карбюраторных двигателей открывает возможность принципиально нового подхода к организации рабочего процесса. При минимальной модификации двигателя, касающейся в основном системы питания, можно достичь значительного повышения его топливной экономичности (эксплуатационный расход бензина снижается на 35--40%) и уменьшить токсичность отработавших газов.

Таблица 13 Токсичность отработавших газов,

Водотопливные эмульсии. Применение воды в рабочем процессе двигателя внутреннего сгорания не является новинкой последних лет. Впрыск воды использовался для обеспечения работы двигателей внутреннего сгорания на низкооктановых топливах еще в 30-е годы.

Сейчас основное внимание при использовании воды в качестве добавки к топливу уделяется возможности повышения экономичности и снижения токсичности отработавших газов автомобиля.

Водотопливные эмульсии -- это жидкое топливо с мельчайшими каплями равномерно распределенной по объему топлива воды. Эмульсия приготовляется непосредственно на автомобиле. Для предотвращения расслоения эмульсии в топливо добавляется эмульгатор в количестве 0,2--0,5%. Содержание воды в водотопливной эмульсии может достигать 30--40%.

Применение водотопливных эмульсий возможно как в карбюраторном, так и дизельном двигателе. Но в карбюраторном двигателе применение водотопливных эмульсий в ряде случаев приводит к ухудшению некоторых показателей (в частности, топливной экономичности), отказам при полном открытии дроссельной заслонки, перебоям при движении с низкой скоростью. Наилучшие результаты дает использование водотопливных эмульсий на дизельных двигателях. Подача в камеру сгорания воды обеспечивает дополнительное распыление топлива за счет дробления перегретыми парами воды. Удельный расход топлива при этом снижается на 4--10%.

Добавка воды к топливу позволяет снизить содержание некоторых токсичных веществ в отработавших газах за счет уменьшения максимальных температур в камере сгорания, величина которых определяет количество NОх. При применении водотопливных эмульсий количество NOх может снизиться на 40-- 50%. Снижается также дымность отработавших газов, так как сажа при наличии паров воды взаимодействует с ними с образованием углекислого газа и азота. Выделение СО остается практически неизменным по сравнению с работой двигателя внутреннего сгорания на топливе без добавки воды, а выделение СпНш несколько увеличивается. Этот вид топлива пока не нашел широкого применения на автомобильном транспорте, поскольку усложняется конструкция автомобиля, возникает ряд проблем при эксплуатации в зимний период, недостаточно изучено влияние воды на условия работы и долговечность двигателя внутреннего сгорания.

Синтетические спирты. В качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания автомобилей нашли применение метанол и этанол как в чистом виде, так и в составе многокомпонентных смесей.

Наибольшее распространение автомобили, работающие на спиртовом топливе, получили в Бразилии, которая ввозит 80--85% нефтепродуктов, расплачиваясь за них валютой. Расходы на горючее растут из года в год и исчисляются миллиардами долларов. Поэтому в стране с энтузиазмом был встречен объявленный президентом в 1975г. проект «алкоголизации транспорта». Топливные баки бразильских автомобилей заправляются смесью спирта и бензина в пропорции 1:4.

Со временем предполагается перевести весь автопарк на использование этилового спирта вместо бензина. Спирт получают из сахарного тростника (Бразилия -- крупнейший в мире производитель этой культуры). Возможно получение до 80 т биомассы с 1га в год. Плантаций, занимающих 2% территории страны, будет достаточно, чтобы обеспечить потребность в новом горючем.

По расчетам специалистов 1л спирта обходится на 30-- 35 % дешевле бензина.

Мексика, вторая по численности населения страна Латинской Америки, готова последовать бразильскому примеру. В США также проявляется интерес к производству топливного спирта из древесных, сельскохозяйственных и иных отходов.

С энергетической точки зрения преимущество спиртовых топлив заключается в высоком КПД рабочего процесса и высокой антидетонационной стойкости топлива, но теплота сгорания спиртов примерно вдвое ниже, чем у бензинов. Низкая энергоемкость спиртов ведет к увеличению удельного расхода топлива.

Использование спиртов требует сравнительно небольшого изменения конструкции автомобиля. Основные мероприятия сводятся к увеличению объема топливных баков и установке устройств, обеспечивающих стабильный пуск двигателя в любую погоду. Требуется также замена некоторых металлов и прокладочных материалов, в частности облицовка пластмассой метанольного бака. Это связано с высокой коррозийной активностью спиртов и необходимостью более тщательной герметизации топливоподающей системы, поскольку метанол является нервно-сосудистым ядом. Применение бензометанольной смеси выдвигает ряд других специфических требований. В частности, ужесточаются требования к давлению насыщенных паров бензина, поскольку даже с 5 %-ной добавкой метанола оно значительно увеличивается. Чтобы избежать расслоения смеси, при ее хранении, транспортировке и применении необходимо соблюдать определенную температуру и не допускать попадания в нее воды. Некоторые синтетические материалы, используемые в системах подачи топлива и в автомобильных системах питания, оказались нестойкими к бензометанольной смеси. При переводе автомобиля с бензина на бензометанольную смесь пришлось изменить пропускную способность жиклеров, при этом несколько увеличился общий расход топлива. Вместе с тем установлено, что смесь с содержанием метанола до 15 % не ухудшает основных технико-эксплуатационных показателей грузовых автомобилей. Высокие антидетонационные показатели спиртов позволяют повышать степень сжатия двигателя внутреннего сгорания до 14--15 единиц.

Использование спиртовых топлив снижает содержание токсичных веществ в отработавших газах, что объясняется более низкой температурой горения спиртового топлива.

С начала 70-х годов, когда резко обострилась энергоэкологическая ситуация, практически все промышленно развитые страны развернули широкий поиск альтернативных энергоносителей, способных заменить бензин и дизельное топливо. Среди альтернативных топлив особое внимание уделяется водороду: его использование для двигателей внутреннего сгорания позволяет решить как сырьевую, так и экологическую проблемы, причем сделать это без коренной перестройки технической базы современного двигателестроения. В частности, исследования показали, что применение водорода в качестве основного или дополнительного топлива для двигателей с принудительным воспламенением заряда повышает их топливную экономичность на 30--40% и резко снижает токсичность отработавших газов, так как моторные свойства позволяют двигателям работать на бедных смесях при качественном регулировании мощности. За рубежом работы по созданию автомобильных «водородных» двигателей внутреннего сгорания ведутся передовыми развитыми странами уже давно и довольно успешно. В частности, автомобильная компания «Даймлер--Бенц» (Германия) изготавливала легковые автомобили и микроавтобусы на базе серийных моделей, двигатели которых питаются как бензином с добавкой водорода, так и «чистым» водородом. Из трех приемлемых для автотранспортных средств способов аккумулирования водорода -- в сжатом до 20 МПа, сжиженном при температуре 20К или химически связанном в металлогидридах состоянии -- на экспериментальных автомобилях фирмы «Даймлер--Бенц» применялся последний.