Бензин – основний вид моторного палива

     3. Газ – суперник бензину

     Газ - агрегатний стан речовини, у якому вона рівномірно заповнює весь наданий їй об'єм. У тридцяті роки минулого століття англієць Барнетт одержав патент на газовий двигун, а в 1860 році француз Е. Ленуар побудував мотор, що працює на суміші повітря й газу. Такий вибір пального нікого не здивував - бензину ще не було. Бензин як пальне був використаний через два десятиліття, коли Г. Даймлер створив бензиновий двигун внутрішнього згоряння. Повсюдний ріст кількості автомобілів зажадав значного збільшення обсягів виробництва бензину. Про газ як про можливе моторне паливо надовго забули. Лише через 100 років після Барнетта, наприкінці 30х років нашого століття, відродилася думка про його використання. Тоді з'явилися перші газогенераторні авто. Газ вироблявся в топці, а звідти подавався у двигун.

       Основним компонентом природного газу є метан (СН₄). Використання природного газу як альтернативного палива для двигуна внутрішнього згоряння можливе за такими напрямками: стиснутий (компримований) природний газ (СПГ); зріджений (скраплений) природний газ (ЗПГ); переробка природного газу в рідкі нафтопродукти (так звана технологія GTL – “gas to liquid” - газ в рідину), які можуть бути використані як моторне паливо або його компоненти.

     Сьогодні  більше ніж в 50 країнах світу активізувались роботи із заміни нафтових палив на стиснутий природний газ. Передусім  це обумовлено тим, що він має високе октанове число, дозволяє використовувати його в двигунах зі ступенем стиску 10-12. Вміст токсичних речовин у відпрацьованих газах в 1,5-2 рази нижчий проти вихлопних газів бензинових двигунів. Газ не має рідкої фази в газоповітряній суміші, що виключає змивання масла зі стінок циліндрів, в результаті ресурс роботи двигуна збільшується в 1,4-2 рази, а заміна масла проводиться в 2 -2,5 рази рідше. Метан характеризується достатньо низьким озоноутворюючим потенціалом і в силу своєї хімічної інертності не бере участі у фотохімічних реакціях утворення смогу. Основний недолік стиснутого природного газу як моторного палива полягає у меншій теплоті згоряння, що призводить до зменшення пробігу автомобіля на одній заправці приблизно у 2 рази та пониження потужності двигуна на 9-14 %.

       Основними компонентами ЗНГ є пропан і бутан, вміст яких залежить від марки палива. За своїми властивостями він наближається до бензину, що зумовило його ефективне використання у бензинових двигунах. Основною перешкодою для збільшення об'ємів використання ЗНГ є необхідність створення мережі заправок та високі ціни на газобалонне обладнання.

       Газове паливо згоряє повніше,  тому концентрація окису вуглецю  у вихлопі газового двигуна  в кілька разів менш. Автомобіль на бензині викидає в атмосферу сірчистий газ, який утворюється від згоряння сірчистих компонентів палива, і тетраетилсвинець. У природному газі сірки, як правило, немає, а тому у вихлопах газового двигуна немає ні сірчистого газу, ні сполук свинцю. У відпрацьованих газах бензинового двигуна через неповне згоряння палива міститься і оксид вуглецю (СО) - токсична для людини речовина. І газові, і бензинові автомобілі викидають в атмосферу однакову кількість вуглеводнів. Для здоров'я людини небезпечні не самі вуглеводні, а продукти їх окислення. Двигун, що працює на бензині, викидає порівняно легко окислювані речовини - етил і етилен, а газовий двигун - метан, який з усіх граничних вуглеводнів найбільш стійкий до окислювання. Тому вуглеводневий викид газового автомобіля менш небезпечний. Газ як моторне паливо не тільки не поступається бензину, але й перевершує його за своїми властивостями.

      Двигун внутрішнього згорання автомобіля працює по класичному четирьохтактному циклу. Газоподібна суміш повітря й палива всмоктується в циліндр двигуна, стискується поршнем, запалюється іскрою, давить на поршень і рухає шатунний механізм, а потім викидається з циліндра. Чим сильніше можна стиснути паливо без виникнення детонації, тим більше потужність двигуна. Антидетонаційна здатність палива визначають октановим числом. Чим воно вище, тим краще паливо. Середнє октанове число природного газу - 105 - недосяжно для будь-яких марок бензину.

     Двигун  внутрішнього згоряння працює на суміші повітря і розпиленого палива. Для займання суміші потрібна певна  концентрація палива. Газ, у порівнянні з бензином, горить при менших концентраціях, тобто при більш «бідних» сумішах. У випадку підвищення концентрації газу і збагачення суміші можна домогтися збільшення потужності двигуна. Об’єднуючи суміш, навпаки, можна знизити потужність. Виникає можливість зміною складу суміші регулювати потужність двигуна: газ, як паливо значно "слухняніше" бензину.

     Експлуатація  показала, що автомобілі на газі більш витривалі - у 1,5-2 рази довше працюють без ремонта. При згорянні газу утворюється менше твердих часток і золи, що викликають підвищений знос циліндрів і поршнів двигуна. 

       Крім того, масляна плівка довше  тримається на металевих поверхнях  - її не змиває рідке паливо, і, нарешті, газ практично не  викликає корозію металу. Тут же варто згадати про самому інтервалі заміни мастила і свічок. При використанні в якості палива газу інтервал збільшується в 1,5 рази [11].

      Незважаючи на численні переваги природного газу, закривати заправні станції  і викидати бензинові каністри ще рано. Недоліком стає різке зменшення корисного об'єму багажника, де, власне, і розміщається газовий баллон. Через меншу «калорійності» газу, споживання його зростає на 10-15% відносно споживання бензину, при більш високому ступені стиснення цей показник знижується до 5-8%. Метан стискують до 20 - 25 Мпа (200 - 250 атмосфер). Для зберігання в такому стані використаються спеціальні балони, які встановлюються в автомобілях (наприклад у багажному відділенні).

       Серед недоліків слід зазначити втрату розгінної динаміки та зниження максимальної швидкості в середньому на 5-8%.  Відомо, що втрата потужності безпосередньо залежить від ступеня стиснення, робочого об'єму двигуна і від алгоритму запалювання. Чим вище ступінь стиснення, тим менше втрата потужності. Причому характерно, що зниження цих параметрів пов'язано аж ніяк не з недоліками газу як палива, а з недосконалістю самих розповсюджених на сьогоднішній день в Україні систем газобалонного обладнання, в яких подача газу регулюється банальним краником за принципом «більше - менше » і намертво, раз і назавжди налаштовується за деяким середнім показником. Застосування більш досконалих систем третього та четвертого покоління усуває цей недолік.

      Є безліч технічних розробок і патентів по реалізації такої технології одержання рідкого метану. В усьому світі вже виробляється й споживається багато мільйонів тонн охолодженого (до температури біля -120 ° C) метану. Найбільшими виробниками є Індонезія, Алжир, Лівія, США, Норвегія і т.д. Для перевезення використовуються танкери-метановози водотоннажністю до 120 000 тонн (Японія) Продуктами повного згоряння метану є нешкідливі речовини - вуглекислий газ і вода. Саме тому ми не відчуваємо незручностей на наших кухнях, де іноді цілий день горять газові (метанові) пальники. Пропан-бутан - синтетичне паливо. Його отримують з нафти і сконденсованих нафтових попутних газів. Щоб ця суміш залишалася рідкою, її зберігають і перевозять під тиском в 1,6 МПа (16 атмосфер). Газобалонна апаратура для зрідженого пропан бутану трохи простіше. Процес заправлення машин на газонаповнювальних станціях нескладний і дуже схожий на заправлення бензином. За своїми властивостями зріджений пропан-бутан майже не відрізняється від стисненого природного газу. Таке ж високе октанове число й ті ж непогані екологічні й експлуатаційні показники.

     Є в зрідженого пропан бутану й перевага перед метаном - 225 літрів цього пального вистачає на пробіг близько 500 кілометрів, а метану, що міститься у восьми балонах - на вдвічі менший. На зрідженому газі працює вдвічі менше машин, ніж на стиснутому і ось чому пропан-бутану одержують в 20 ... 25 разів менше, ніж добувають природного газу [16]. 

     4. Сонячна енергія. Сонцемобілі – перспективи використання

     Екологічна  чистота і дешевизна експлуатації електромобіля, як би не запевняли винахідники всіляких акумуляторів, все ж таки далеко не очевидні: якщо акумулятори отримують енергію від теплових або атомних електростанцій - визнаємо, що машина, пересувається за допомогою цих накопичувачів електроенергії, все-таки працює на вугіллі, нафті або енергії атома. Інша справа - солнцемобіль, різновид електромобіля, що використовує електроенергію, отриману від транспортованих цієїю ж машиною або стаціонарних фотоутворювачів. Сонце - невичерпне джерело екологічно чистої і безкоштовної енергії. Це зрозуміли давно, але досягнення науки тільки приблизно чверть століття тому дозволили приступити до розробки ефективних сонячних перетворювачів енергії та відповідних їм автомобільних двигунів. А зараз національні програми розвитку геліоенергетики і геліотехнікі діють у 70 з гаком країнах.

     Фахівці впевнені, що сонячний транспорт стане  всерйоз конкурувати з автомобільним, у звичному нам розумінні слова, коли корисна віддача від доступних  за ціною сонячних елементів (фотоелектричних  перетворювачів) складе 40-50%. Поки ж їх ККД всього 10-12%. Щоб солнцемобілі з потужністю сонячних батарей в 1,5-2 кВт «наздогнали» автомобілі з двигунами у 100 разів потужнішими, необхідно використовувати легкі та міцні конструкційні матеріали, нові системи електроприводу, які не «відбирають» багато енергії при передачі обертального моменту, досягнення аеродинаміки, геліо - та електротехніки, електроніки та інших наук. Вони замість двигуна внутрішнього згорання використовують генератор, який для підзарядки використовує сонячні батареї. Слід згадати що, перші сонячні батареї були створені у 1883році [9].

     Кремнієвий  фотоелектричний перетворювач складається  із шарів з різним типом провідності - електронним і дірковим. Типова структура монокристалічного фотоперетворювача  складається із шару кремнію, легованого бором, щоб створити дірковий тип провідності (p-тип) і шару кремнію, легованого фосфором, щоб створити електронний тип провідності (n-тип). Поверхня розділу між цими двома шарами містить електричне поле і називається электронно-дірковим переходом. Сонячне світло складається з часток, що називаються фотонами. Коли світло падає на сонячний елемент, деякі з фотонів поглинаються в області электронно-діркового переходу, генеруючи пари електрон-дірка в кремнієвому кристалі. Якщо фотони мають досить енергії, електрони і дірки будуть переборювати електричне поле в переході і вільно рухатися крізь кремній і в зовнішній електричний ланцюг. Оскільки вони проходять через зовнішній електричний ланцюг, вони віддають свою енергію як корисну роботу (обертаючи двигуни, освітлюючи лампи) і повертаються до сонячного елемента. Фотоелектричний процес цілком твердотільний і автономний. Відсутні частини, що переміщаються, і ніякі матеріали в процесі їх роботи не використовуються. Фотоелектричні елементи виробляють електроенергію, яка використовується для бортового живлення транспортного засобу, або для електродвигуна електричного транспорту.

     Конструкції транспортних засобів майбутнього  відпрацьовуються на ралі солнцемобілей. У 1982 р. австралієць Ханс Толструп на солнцемобіле перетнув п'ятий континент  із заходу на схід з середньою швидкістю 20 км/ год. А вже в 1996 р. переможець традиційних австралійських перегонів на солнцемобілях, керуючи машиною «Dream», для створення якої японська компанія Honda не пошкодувала 2 млн. доларів, подолав 3000 км між Дарвін і Аделаїда з середньою швидкістю майже 90 км / ч, на окремих ділянках досягає 135 км/год. Прогрес очевидний. Але витрати на нього ще дуже великі. На сьогодні створено кілька типів автомобілів, що живляться від сонячних батарей. Деякі з цих машин під час автомобільних гонок по Австралії досягали швидкості 140 км/год [13].

     Спеціально  для солнцемобілей сконструйовані легкі бесколлекторні двигуни постійного струму з магнітами з рідкоземельних металів і ККД до 98%, а також ефективні мікропроцесорні системи управління. Ідея мотор-колесо в солнцемобілях дозволила відмовитися від механізмів трансмісії і довести ККД приводу до 96-97%.

      Для електромобіля  сконструйовані шини з самим низьким  коефіцієнтом опору коченню - всього 0007. «Сонячні розробки» виявилися корисними і для звичних всім автомобілів: сонячні батареї невеликої потужності кондіціонуют повітря в салонах і заряджають пускові акумулятори на стоянках, живлять радіо-і телеапаратуру [10].

     Конструктори  багатьох країн намагаються вгадати  контури солнцемобіля майбутнього  і найбільш раціональні способи  розміщення сонячних батарей. Японська компанія Sanyo випустила експериментальну партію відкритих одномісних екіпажів з сонячною панеллю площею 0,6м², за 6 годин заряджає нікель-кадмієву акумуляторну батарею. Запас ходу триколісного транспортного засобу становить 36км, максимальна швидкість - 24 км/год. Інша японська компанія - Hokuriku Electric Power - пропонує солнцемобіль «Фенікс» з сонячною панеллю потужністю 750 Вт і швидкістю 40 км/год.

      В цілому, використання сонячної енергії  має безліч переваг, зокрема доступність та невичерпність джерела і теоретично, повна безпека для навколишнього середовища (проте в даний час у виробництві фотоелементів і в них самих використовуються шкідливі речовини). Енергетика є безкоштовною і немає залежності від іноземної нафти. Проте недоліком є неможливість використанн авто  після заходу сонця або в похмурий дні [4, c.110-111]. 

     5. Водневе паливо