Научно-практическая конференция «Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса»

Министерство образования и науки РФ

филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Московский государственный индустриальный университет»

в г. Вязьме Смоленской области

(филиал ФГБОУ ВПО «МГИУ» в г. Вязьме)

Научно-практическая конференция

« Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса »
г. Вязьма

2012

Научно-практическая конференция: « Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса ». Вязьма: филиал ФГБОУ ВПО «МГИУ» в г. Вязьме, 2012 – 130с.

Бармашова Л.В., доцент, к э н

Павлов Н.Е. , доцент, к п н

Осипян В. Г., доцент, к т н

Воронова О. Н., ст преподаватель

Морозов С. М., доцент, к т н

Напечатано в Редакционно-издательском центре филиала ФГБОУ ВПО «МГИУ» в г. Вязьме, ул. Просвещения, д. 6^а.

Тираж: 110 экз.

Подписано в печать: 29.05.2012г.

ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА

Абаров Е., студент филиала ФГБОУ ВПО «МГИУ» в г. Вязьме

В последние годы в связи с ростом плотности движения автомобилей в городах резко увеличилось загрязнение атмосферы продуктами сгорания двигателей. Выпускные газы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) состоят в основном из безвредных продуктов сгорания топлива – углекислого газа и паров воды. Однако в относительно небольшом количестве в них содержатся вещества, обладающие токсическим и канцерогенным действием. Это окись углерода, углеводороды различного химического состава, окислы азота, образующиеся в основном при высоких температуре и давлении.

При горении углеводородного топлива происходит образование токсичных веществ, связанное с условиями горения, составом и состоянием смеси. В двигателях с принудительным воспламенением концентрация окиси углерода достигает больших значений из-за недостатка кислорода для полного окисления топлива при их работе на богатой топливом смеси.

При движении автомобилей в городе и на дорогах с переменным уклоном и часто меняющимися скоростями с включенной передачей и открытой дроссельной заслонкой двигателям приходится около 1/3 путевого времени работать в режиме принудительного холостого хода. На принудительном холостом ходу двигатель не отдает а, напротив, поглощает энергию, накопленную автомобилем. При этом нерационально расходуется топливо, усиленное всасывание которого приводит к наибольшему выбросу токсичных газов СО и СН в атмосферу.

Автомобильные выхлопные газы — смесь примерно 200 веществ. В них содержатся углеводороды—не сгоревшие или не полностью сгоревшие компоненты топлива, доля которых резко возрастает, если двигатель работает на малых оборотах или в момент увеличения скорости на старте, т.е. во время заторов и у красного сигнала светофора. Именно в этот момент, когда нажимают на акселератор, выделяется больше всего несгоревших частиц: примерно в 10 раз больше, чем при работе двигателя в нормальном режиме. К несгоревшим газам относят и обычную окись углерода, образующуюся в том или ином количестве повсюду, где что-то сжигают. В выхлопных газах двигателя, работающего на нормальном бензине и при нормальном режиме, содержится в среднем 2,7% оксида углерода. При снижении скорости эта доля увеличивается до 3,9%, а на малом ходу—до 6,9%.

Основными эксплуатационными факторами, влияющими на уровень вредных выбросов двигателей, являются факторы, характеризующие состояние деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Повышенный износ деталей ЦПГ и отклонения от их правильной геометрической формы являются причиной увеличения концентрации токсичных компонентов в отработавших газах (ОГ) и картерных газах (КГ).

Базовой деталью ЦПГ, от которой зависит работоспособность и экологичность двигателя, является цилиндр, т. к. герметичность камеры сгорания зависит от уплотняющей способности кольца в сопряжении с цилиндром. От технического состояния цилиндров и поршневых колец главным образом зависит интенсивность роста зазоров между кольцами и канавками поршней. Таким образом, контроль и регулировка зазора между кольцом и цилиндром в процессе эксплуатации являются существенным резервом снижения количества вредных примесей в ОГ и КГ посредством улучшения условий сгорания топлива и снижения количества масла, оставшегося в надпоршневом пространстве.

Токсичными выбросами ДВС являются отработавшие и картерные газы. С ними поступает в атмосферу около 40% токсичных примесей от общего выброса. Содержание углеводородов в отработавших газах зависит от технического состояния и регулировок двигателя и на холостом ходу колеблется от 100 до 5000% и более. При общем небольшом количестве картерных газов равном 2-10% отработавших газов в общем загрязнении атмосферы, доля картерных газов составляет около 10% у мало изношенных двигателей и вырастает до 40% при эксплуатации двигателя с изношенной цилиндропоршневой группой, т.к. концентрация углеводородов в картерных газах в 15-10 раз выше, чем в отработавших двигателя. Количество КГ, а так же их химический состав зависят от состояния деталей ЦПГ, осуществляющих уплотнение камеры сгорания. От величины зазоров между трущимися деталями ЦПГ зависит проникновение газов из цилиндра в картер и обратно. При этом увеличивается доля углеводородов с канцерогенными свойствами из-за повышенного угара масла и увеличенного расхода картерных газов через замкнутую систему вентиляции картера.

В ближайшие год-два в России может начаться падение добычи нефти, прогнозируют эксперты. Это сделает проблематичным развитие высокотехнологичных отраслей за счет нефтянки — традиционной "дойной коровы" экономики России, — и приведет к повышению стоимости бензина на автозаправках.

Мы не заметили, как "сырьевая игла", на которой уже давно "сидит" российская экономика, немного проржавела, пошутил генеральный директор Фонда национальной энергетической безопасности Константин Симонов в беседе с корреспондентом "Росбалта". Аналогичные процессы, по словам эксперта, происходят и с воспроизводством ресурсов топлива в России. "Все более-менее разбирающиеся в отрасли специалисты говорят, что это бумажное расширение ресурсной базы. На деле происходит переоценка старых запасов. Мы достигли пределов развития и в ближайшие годы нефтяная промышленность начнет идти вниз. При этом компании будут тратить колоссальные деньги даже на то, чтобы хоть как-то поддержать ее на прежнем уровне", — сообщил он.

Пока аналитики расходятся в оценке, когда же в России начнется снижение показателя добычи нефти. Симонов полагает, что это может случиться уже в следующем году. По его оценке, падение будет находиться в пределах статистической погрешности — "процент-два". Затем в течение 3-5 лет динамика добычи нефти в России будет находиться на некоем плато. После этого возможно ускорение темпов падения добычи "черного золота" в России — до 5-7% в год. "Даже несмотря на колоссальные затраты", — уточнил эксперт.

Старший аналитик ИФК "Метрополь" Сергей Вахрамеев настроен чуть более оптимистично. По его оценке, в год Дракона будет все же отмечен небольшой рост — на 0,5% или на 2,5 млн тонн (общероссийский уровень добычи эксперт оценивает в 510-515 млн тонн по итогам 2012 года). Правда, произойдет это, в основном, за счет увеличения добычи на новых месторождениях Восточной Сибири. В традиционных месторождениях Западной Сибири добыча будет падать.

Сокращение производства в целом по России может начаться в 2013 году, отметил эксперт. Произойдет это в том случае, если компании не получат от государства новых льгот по налогообложению.

Еще с 1990-х годов российскую нефтянку прозвали "дойной коровой" российской экономики. И несмотря многочисленные заявления о "ресурсном проклятии" России, с тех пор мало что поменялось. "Когда Путин пришел к власти и принималась известная десятилетняя программа Грефа, она исходила из того, что надо любыми путями перераспределять инвестиции из нефтегазового сектора в обрабатывающую промышленность, — напоминает Константин Симонов. — Идея была проста. Давайте соберем денег для бюджета и искусственно понизим инвестиционную привлекательность отрасли, доля которой в экономике должна быть уменьшена. Прошло 12 лет. И что говорил Путин на днях (на встрече с "Деловой Россией" — "Росбалт")? То же самое, что писал Греф в начале "нулевых". Повысим налоги на нефтегаз, чтобы увеличить инвестиции в обработку".

В "нулевых" добыча нефти в России росла очень быстро — до 10 с лишним процентов в год. Но нефтяники в массе своей эксплуатировали месторождения, запущенные еще во времена СССР. "Сегодня мы понимаем, что советский потенциал когда-то кончится. И это когда-то наконец-то наступает", — сообщил Симонов.

По его оценке, самой главной проблемой российской нефтяной отрасли были инвестиции в будущее. Государство не создавало стимулов для проведения разведочного бурения, развития добычи на шельфе. Эксперт напомнил, что у России фактически нет возможности производить соответствующее оборудование. "Даже та платформа, которая недавно затонула, была сделана не в России, а в Финляндии. А буровая установка, ставящая сейчас рекорды на Сахалине по горизонтальному бурению, имеет к России весьма отдаленное отношение", — сказал он.

Отрасль серьезно экономила на будущем. И теперь наверстать упущенное будет очень трудно. "Компании собираются инвестировать колоссальные деньги. Но уже такой отдачи не будет. Все гринфилды — в Восточной Сибири. Там не только сложнее добыча, но и нет инфраструктуры. Значит, надо строить дороги, прокладывать трубопроводы. Для добычи на шельфе надо вкладывать деньги в судостроение, в танкерный флот", — заявил "Росбалту" глава Фонда национальной энергетической безопасности.

За ошибки правительства неизбежно придется расплачиваться россиянам, ведь такие колоссальные затраты нефтяников неизбежно отразятся на стоимости бензина на автомобильных заправках. Возможно, это влияние еще не слишком будет ощущаться в следующем году. Правда, и в год Дракона избежать повышения цен не удастся. По оценке Сергея Вахрамеева, в 2012 году цены на бензин вырастут на 8-10%.

Связано это с тем, что с 1 января государство намерено увеличить акцизы на моторное топливо, что само по себе поднимет ценник на 95-й бензин на 1-1,5 рубля. Помимо этого, стоимость бензина вырастет еще и за счет инфляции — около 6%. И это без учета возможного роста стоимости нефти на мировом рынке из-за обострения ситуации вокруг Ирана.

Анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что развитие перехода на новые виды топлива будет проходить три основных этапа. На первом этапе будет использоваться стандартное нефтяное топливо, спирты, добавки водорода и водородсодержащих топлив, газовое топливо и различные их сочетания, что позволит решить проблему частичной экономии нефтяного топлива. Второй этап будет базироваться на производстве синтетических топлив, подобных нефтяным, производимых из угля, горючих сланцев и т.д. На этом этапе решатся проблемы долгосрочного снабжения существующего парка двигателей новыми видами топлива. На заключительном, третьем этапе будет характерен переход к новым видам энергоносителей и энергосиловых установок (работа двигателей на водороде, использование атомной энергии).

Переход на водородную энергетику означает крупномасштабное производство водорода, его хранение, распределение (в частности, транспортировку) и использование для выработки энергии с помощью топливных элементов. Водород находит применение и в других областях, таких как металлургия, органический синтез, химическая и пищевая промышленность, транспорт и т.д. Судя по современным темпам и масштабам развития водородной энергетики на нашей планете, мировая цивилизация в ближайшее время должна перейти к водородной экономике. Фактически задача состоит в том, чтобы создать топливные элементы и использовать водород для получения электрической энергии. Именно топливным элементам я уделю основное внимание.

Начну с производства водорода. Один из его источников - природное топливо: метан, уголь, древесина и т.д. При взаимодействии топлива с парами воды или воздухом образуется синтез-газ - смесь СО и Н2 (рис. 2). Из нее затем выделяется водород. Другой источник - отходы сельскохозяйственного производства, из которых получают биогаз, а затем - синтез-газ. Промышленно-бытовые отходы тоже используются для производства синтез-газа, что способствует одновременно и решению экологических проблем, поскольку отходов много и их нужно утилизировать. В конечном счете образуются углекислый газ, водород и окись углерода. Дальше идет каталитическая очистка, электрохимическая конверсия и т.д. Водород можно получать также электролизом воды, то есть разложением ее под воздействием электрического тока. Очень важным элементом при преобразовании газа, содержащего водород, является очистка газа на палладиевых мембранах. В конечном счете получается чистый водород.

Теперь остановлюсь на способах хранения водорода. Самый эффективный из них - это баллоны. В таблице 1 приведено отношение (в процентах) массы водорода к массе тары для его хранения. Если баллон выдерживает 300 атм, то в нем можно хранить 13% (масс) водорода; 500 атм - 11%. В США разработаны баллоны, рассчитанные на 700 атм. Они хранят 9% водорода. Удобно хранить водород в сжиженном состоянии. Хорошие способы его хранения - адсорбция водорода в гидридах металлов (порядка 3%) и в интерметаллидах (до 5%). Есть идеи и проводятся уже эксперименты по таким способам хранения водорода, как углеродные наноматериалы, нанотрубки и стеклянные микросферы. Отмечу, что целесообразно максимально согласовать во времени процессы производства водорода из традиционного топлива и его потребления, чтобы минимизировать потребность в хранении водорода.

Перехожу к выработке электроэнергии с использованием водорода, то есть непосредственно к топливным элементам. Это - гальваническая ячейка, вырабатывающая электроэнергию за счет окислительно-восстановительных превращений реагентов, поступающих извне. При работе топливного элемента электролит и электроды не расходуются, не претерпевают каких-либо изменений. В нем химическая энергия топлива непосредственно превращается в электроэнергию. Очень важно, что нет превращения химической энергии топлива в тепловую и механическую, как в традиционной энергетике. При сжигании газа, мазута или угля в котле нагревается пар, который под высоким давлением поступает в турбину, а турбина уже вращает электрогенератор.

В простейшем топливном элементе, где используются чистый водород и чистый кислород, на аноде происходит разложение водорода и его ионизация (рис. 3). Из молекулы водорода образуются два иона водорода и два электрона. На катоде водород соединяется с кислородом и возникает вода. Фактически в этом и состоит главный экологический выигрыш: в атмосферу выбрасывается водяной пар вместо огромного количества углекислого газа, образующегося при работе традиционных тепловых электростанций.

Биоэтанол один, из мало кому известных, биологических видов топлива. В США его изготавливают из кукурузы, в Бразилии из сахарного тростника. Главное достоинство - это практически чистое альтернативное топливо для экологии, вредных веществ, выпускаемых в атмосферу, в нем минимальное количество. Лидирующими странами в потреблении этанола являются такие страны, как США и Бразилия, а так же есть потребители и в Европе – Швеция, здесь распространены автомобили, которые могут ездить на бензине и на смеси бензина с этанолом - Flex-Fuel (FFV).

В автомобилях этанол применяют не в чистом виде, а в смеси с бензином в гибких пропорциях. Биологического этанола в топливе Е-10 10% и, соответственно, бензина 90%, в топливе Е-85 содержится 85% этанола и бензина 15%. Нынешние автомобили могут заправляться топливом Е-10 без каких-либо изменений, но при большой насыщенности этанола в топливе требуются преобразования в двигателе, топливном баке, системе питания, в топливо-проводе, необходимы уплотнения, устойчивые к бензину и спирту. Также необходима перепрошивка блока управления, значительно устойчивый клапан и их седла. Биоэтанол хорошо поглощает воду, так как он гигроскопичен, что гарантирует коррозию деталей топливной системы. Когда автомобиль работает при низких температурах, то это приводит к появлению льда на авто-деталях, в топливной системе. В автомобилях Flex-Fuel требуется перед пуском обязательный подогрев топлива.

У альтернативного биологического этанола присутствуют как сторонники, так и противники. Единомышленники говорят, что применять этанол в пропорциях с бензином лучше: работа двигателя улучшается, уменьшается риск детонации, так как октановое число больше, чем у бензина, форсунки не загрязняются, двигатель не перегревается. Ненавистники этого топлива утверждают: мощность двигателя снижается, потому что сгорание этанола в цилиндрах выделяет в три раза меньше энергии в сравнении с бензином. А, следовательно, сильно увеличивается потребление топлива, экономии не выйдет.

Из всех достоинств напрашивается вопрос: возможно ли перейти на биоэтанол для автомобилей во всех странах. Нет, практически невозможно. Чтобы получить такое огромное количество альтернативного биологического топлива, требуется засеять дополнительно очень большие площади. К примеру, возьмем Бразилию: для этой операции вырубаются леса Амазонки. Что случится в мировом масштабе? При производстве этого топлива в атмосферу выделяется огромное количество углекислого газа. Противники этанола задаются вопросом: если везде начнут изготавливать этанол, то что будет с нами, что мы станем есть, когда все сельские хозяйства изготавливают сырье для топлива. Поэтому в мировом применении этанола не будет никогда, а останется он лишь топливом регионального использования.

А существует ли дизельное альтернативное биотопливо? Да, существует. Дизельное биотопливо так и называется – биодизель, это смесь солярки и переработанные продукты растительного масла, чаще всего этим продуктом является рапс, соя или подсолнечник. Кстати, далеко не многие знают, первые двигатели, изготовленные Рудольфом Дизелем, работали совсем не на солярке, а на арахисовом масле.

У биодизеля имеется множество достоинств, главным его достоинством является большое снижение выбросов вредных веществ в атмосферу, ведь ради этого изобрели такое топливо для автомобилей. Еще у него высокое цетановое число, понизилось содержание серы, улучшились смазочные свойства в отличие от обычной солярки. Все ниже перечисленные достоинства способствуют повышению ресурса двигателя. Маркировка этого топлива зависит от процентного содержания в нем биодизеля, к примеру, возьмем топливо маркой В-20, в нем присутствует 20% биодизеля, 80% обычного дизельного топлива. Всегда в автомобилях применяется биодизель в смеси с соляркой.

Но недостатки имеются и у биодизеля, и их достаточно много. При использовании этого альтернативного топлива расход увеличивается, а мощность двигателя снижается. В топливной системе образуется отложение воска, когда дизельное биотопливо применяется в низких температурах. Срок хранения очень мал – не больше трех месяцев, далее он начинает разлагаться. Также биодизель более агрессивен к резиновым деталям.

Но самый главный недостаток дизельного биотоплива для автомобилей - его изготовление сильно нагружает окружающую среду. Существенно истощают почву растения, из которых перерабатывают топливо. Из-за этого приходится повышать количество удобрений, а остатки этих удобрений загрязняют подземные воды. Сторонникам биодизеля, как и с биоэтанолом, следует задуматься: что важнее, экологически чистое топливо или еда на столе?

Биогаз - это канализационный газ, его так называют, потому что переработан из различных видов отходов: сельскохозяйственных, пищевых, навоза и другого мусора. Состоит он из метана и углекислого газа. В принципе, это тот же природный метан, биогаз для автомобилей очищают от углекислого газа, только разница в его происхождении.

Как и у всех видов топлива для автомобилей, у альтернативного биогаза имеются достоинства и недостатки. Начнем с достоинств: низкая концентрация различных вредных веществ в выхлопных газах, высокая антидетонационная стойкость, также можно сказать, что газ не смывает масляную пленку со стенок цилиндров, увеличивая этим ресурс двигателя. Переходя к недостаткам альтернативного биологического газа для автомобилей, хочется отметить его низкую теплоотдачу, следовательно, повышенный расход, и необходимость заправлять его только в тяжелые баллоны. Общественный и грузовой транспорт - это единственная область применения биогаза.

Альтернативные топлива, получают в основном из сырья не нефтяного происхождения, применяют для сокращения потребления нефти. Главные виды альтернативного топлива: сжиженные и сжатые горючие газы (напр., метан); спирты, продукты их переработки и смеси с бензином (напр., метанол, метил-третбутиловый эфир); топливные смеси (напр., водно-угольные); синтетическое жидкое топливо; водород.

Биотопливо производится из органических материалов, типа пшеницы, канола и сои.

Использование альтернативных видов топлива, значительно экологичнее, а его стоимость в объеме, эквивалентном 1 литру бензина, составляет намного меньше.

2.Вагнер В.А., Матиевский «Осуществление добавки водорода к топливу и ее влияние на показатели работы дизеля» // Двигателестроение.-1985.- №2.- С. 11-13.

3.Вагнер В.А., Синицын В.А., Батурин С.А. «Снижение сажевыделения и радиационной теплоотдачи» // Двигателестроение.-1985, №8.-С. 11-13.

4.Вагнер В.А., Новоселов А.Л., Лоскутов А.С. Снижение дымности дизелей / Алт. краев, правление Союза НИО СССР,-Барнаул: Б.и., 1991-140 с.

5.Магидович Л.Е., Румянцев В.В., Шабанов А.Ю. особенности тепловыделения и рабочего процесса дизеля, работающего с добавками водорода: Двигателестроение.-1983.- №9.- с.7-9.