Paliwa silnikowe
Spalanie
Reakcja utleniania egzoenergetyczna, w której wyniku szybkość
wywiązywania ciepła w ustalonych warunkach otoczenia
powoduje promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości
w zakresie promieniowania widzialnego o natężeniu uznanym za
umowną granice świecenia.
2
Paliwa silnikowe
Konwencjonalne.
Niekonwencjonalne (alternatywne).
Paliwa silnikowe konwencjonalne
Paliwa silnikowe konwencjonalne
– paliwa węglowodorowe
pochodzące z przeróbki ropy naftowej: benzyny silnikowe i oleje
napędowe.
Paliwa silnikowe niekonwencjonalne (alternatywne)
Paliwa silnikowe niekonwencjonalne
– paliwa węglowodorowe
i inne, pochodzące z przeróbki ropy naftowej i innych zasobów
mineralnych, pochodzące z przeróbki surowców biologicznych
oraz tzw. syntetyczne i inne.
3
Paliwa silnikowe zastępcze
Paliwa silnikowe zastępcze – paliwa alternatywne, stanowiące
paliwa zastępcze benzyny silnikowej do silników o zapłonie
iskrowym lub oleju napędowego do silników o zapłonie
samoczynnym. Paliwa zastępcze są zamiennikami benzyny
silnikowej lub oleju napędowego.
4
Paliwa niekonwencjonalne
Paliwa stałe
Paliwa ciekłe
Paliwa gazowe
Paliwa
węglowodorowe
Paliwa
niewęglowodorowe
Pył węglowy
Gaz ziemny:
CNG
LNG
Biogaz
Gaz
ropopochodny
LPG
LNG
Wodór
Gaz generatorowy
Gaz świetlny
Gaz wodny
Alkohole
Etery
Oleje roślinne
Estry olejów roślinnych
Paliwa syntetyczne:
Amoniak
Eter dimetylowy DME
Benzyna syntetyczna
5
Spalanie paliw węglowodorowych
O
H
2
m
CO
n
O
)
4
m
n
(
H
C
2
2
2
m
n
+
→
+
+
Spalanie paliw zawierających węgiel, wodór i tlen
O
H
2
m
CO
n
O
)
2
r
4
m
n
(
O
H
C
2
2
2
r
m
n
+
→
−
+
+
Przeciętny skład masowy benzyn silnikowych i olejów
napędowych:
15% H
2
85% C
6
0
20
40
60
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
n/m
c
sp
[
M
J/
k
g
]
Zależność ciepła spalania węglowodorów C
n
H
m
od stosunku liczb atomów
węgla i wodoru w cząsteczce
7
0
0,5
1
1,5
2
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
n/m
n
/c
m
[
m
o
l/
M
J]
Zale
żność ilości powstającego w wyniku spalania węglowodoru C
n
H
m
dwutlenku w
ęgla względem liczby cząsteczek węglowodoru oraz jego
molowego ciepła spalania od stosunku liczb atomów w
ęgla i wodoru
w cz
ąsteczce węglowodoru
8
Wymagania stawiane paliwom ze względu na ochronę
ś
rodowiska:
1. Zapewnienie silnikom jak największej sprawności ogólnej
w celu ochrony zasobów naturalnych i ograniczenia
globalnych emisji spowodowanych spalaniem paliw –
stosowania paliw o jak największej wartości opałowej.
2. Stosowanie paliw, umożliwiających zmniejszenie emisji
substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska.
Minimalizacja udziału w paliwach zanieczyszczeń i dodatków,
sprzyjających emisji substancji szkodliwych dla środowiska.
Odnawialność paliw, umożliwiająca cyrkulację węgla
w niewielkiej skali czasu.
9
3. Wymagania bezpieczeństwa użytkowania środków transportu
i silników.
Biodegradowalność paliw.
4. Zapewnienie silnikom dostatecznej trwałości – ograniczenie
powstawania produktów zużycia oraz produktów
odpadowych obsługi środków transportu.
5. Wytwarzanie i dystrybucja paliw powinny zapewnić jak
najmniejszą degradację środowiska.
10
Podstawowe problemy stosowania paliw silnikowych:
1. Ograniczenie emisji substancji szczególnie szkodliwych dla
środowiska, m.in. przez:
ograniczenie zawartości węglowodorów aromatycznych,
odpowiednie komponowanie paliw.
2. Ograniczenie zanieczyszczeń i dodatków, sprzyjających emisji
substancji szkodliwych dla środowiska, m.in.: związków
ołowiu (benzyny) i siarki (oleje napędowe i benzyny).
3. Spełnieniem przez paliwa innych funkcji niezbędnych
w eksploatacji silników przez zapewnienie odpowiednich
właściwości fizyko–chemicznych, m.in. przeciwkorozyjnych,
myjących, oddziałujących na przebieg procesów spalania itp.
11
Benzyny silnikowe
Benzyna silnikowa – mieszanina węglowodorów i innych
związków organicznych o temperaturze wrzenia (40 ÷ 200) ºC.
Tendencje:
Ograniczanie zawartości ołowiu do
0,013 g/dm
3
w dystrybucji.
0,005 g/dm
3
u producenta.
Ograniczenie zawartości siarki – ze względu na trwałość
i skuteczność reaktorów katalitycznych.
Ograniczanie zawartości węglowodorów aromatycznych
do 30%, w tym benzenu do 1%.
Zwiększanie zawartości izoalkanów – benzyny
reformowane.
12
Stosowanie dodatków zawierających tlen:
– Alkohole.
– Etery:
•
eter metylo–tert–butylowy – MTBE,
•
eter etylo–tert–butylowy – ETBE.
13
Oleje napędowe
Olej napędowy
–
mieszanina węglowodorów (od C
11
H
24
do
C
18
H
28
) i innych związków organicznych o temperaturze
wrzenia (150 ÷ 350) ºC.
Tendencje:
Ograniczenie zawartości siarki poniżej 50 ppm (w oleju
City Diesel 10 ppm = 0,001%).
Zmniejszenie gęstości i lepkości.
Zwiększanie liczby cetanowej.
Zmniejszenie zawartości węglowodorów aromatycznych.
Obniżenie temperatury końca destylacji.
14
Stosowanie dodatków zawierających tlen:
– Alkohole.
– Etery:
•
eter metylo–tert–butylowy – MTBE,
•
eter etylo–tert–butylowy – ETBE.
– Estry wyższych kwasów karboksylowych
(tłuszczowych).
15
Gazowe paliwa węglowodorowe
Skroplony gaz ziemny LNG (liquefied natural gas) –
przechowywany w temperaturze – 162 ºC i pod ciśnieniem
atmosferycznym.
Sprężony gaz ziemny CNG (compressed natural gas) –
przechowywany w temperaturze otoczenia i pod ciśnieniem
(16 ÷
÷
÷
÷ 25) MPa.
Skroplony gaz ropopochodny - mieszanina skroplonych
gazów, przede wszystkim: propanu i butanu LPG (liquefied
petroleum gas) – przechowywany w temperaturze otoczenia
i pod ciśnieniem (0,3 ÷
÷
÷
÷ 0,5) MPa.
16
Paliwa niekonwencjonalne (alternatywne)
Wodór.
Alkohole (metanol, etanol i wyższe alkohole) oraz ich
pochodne.
Oleje roślinne i ich pochodne, przede wszystkim estry
metylowe i etylowe.
Inne paliwa tzw. syntetyczne, takie jak: amoniak, eter
dimetylowy (DME), furany.
17
Wodór
Zasoby wodoru we wszechświecie – 90% masy
wszechświata!
Najpoważniejsze problemy:
Otrzymywanie wodoru na skalę przemysłową – ogniwa
fotoelektryczne o dostatecznie dużej sprawności.
Przechowywanie wodoru w pojeździe.
Przechowywanie wodoru w pojeździe:
W stanie gazowym sprężony wodór pod ciśnieniem 55 MPa
i w temperaturze otoczenia.
W stanie skroplonym pod ciśnieniem zbliżonym do
atmosferycznego w temperaturze – 253 °°°°C.
W postaci związków chemicznych z metalami (wodorków).
W postaci zaabsorbowanej na polimerach.
18
Wodór do silników ZI
Emisje drogowe w badaniach pojazdu z silnikiem zasilanym
wodorem niższe niż przy zasilaniu benzyną:
Emisja tlenku węgla o 97%.
Emisja węglowodorów o 99%.
Emisja tlenków azotu o 32%.
Zastosowanie wodoru w ogniwach paliwowych.
19
Postulat odnawialności paliw, tzn. skrócenia o wiele
rzędów wielkości czasu cyrkulacji nośników energii
(z poziomu milionów lat do kilku lat).
Podstawowe paliwa odnawialne:
Paliwa roślinne:
Alkohole (metanol, etanol, propanole, butanole i inne).
Wyższe kwasy karboksylowe (oleje roślinne) i ich pochodne
(przede wszystkim estry); estry olejów: rzepakowego
(RME, RŐME), palmowego (PME, PŐME), kokosowego,
słonecznikowego (SME).
Biogaz – pochodzący z procesów beztlenowego rozkładu
związków organicznych zawartych w biomasie.
20
Ekologiczne skutki zastosowania estrów olejów roślinnych
(jako paliw samoistnych oraz dodatków do paliw
konwencjonalnych):
Nieznaczne zmniejszenie emisji tlenku węgla
i węglowodorów.
Zwiększenie emisji tlenków azotu.
Zmniejszenie emisji cząstek stałych.
Zwiększenie emisji aldehydów.
Zmniejszenie emisji związków siarki.
Ograniczenie emisji dwutlenku węgla kopalnego
w zamkniętym cyklu powstawania i eksploatacji paliw.
Dobra biodegradowalność paliwa.
21
Ekologiczne skutki zastosowania bioetanolu (jako paliw
samoistnych oraz dodatków do paliw konwencjonalnych):
Znaczne zmniejszenie emisji tlenku węgla
i węglowodorów.
Zmniejszenie emisji tlenków azotu.
Znaczne zmniejszenie emisji cząstek stałych.
Zwiększenie emisji aldehydów.
Zmniejszenie emisji związków siarki.
Ograniczenie emisji dwutlenku węgla kopalnego
w zamkniętym cyklu powstawania i eksploatacji paliw.
Dobra biodegradowalność paliwa.