ООО «Центр Грузовой Техники»

8(812)244-68-92

Содержание

А у нас в машине газ…

Пока бензин и дизельное топливо неумолимо дорожают, а всевозможные альтернативные силовые установки для автотранспорта остаются страшно далёкими от народа, проигрывая традиционным двигателям внутреннего сгорания в цене, автономности и эксплуатационных расходах, самым реальным способом сэкономить на заправке остаётся перевод автомобиля на «газовую диету». На первый взгляд это выгодно: стоимость переоборудования автомобиля вскоре окупается за счёт разницы в цене горючего, особенно при регулярных коммерческих и пассажирских перевозках. Недаром в Москве и многих других городах значительная доля муниципального автотранспорта уже давно переведена на газ. Но тут возникает закономерный вопрос: почему же тогда доля газобаллонных автомобилей в транспортном потоке и в нашей стране, и за рубежом не превышает нескольких процентов? Что таит обратная сторона газового баллона?

Наука и жизнь // Иллюстрации

Предупреждающие таблички на заправке установлены неспроста: каждое соединение технологического газопровода — потенциальное место утечек горючего газа.

Баллоны для сжиженного газа легче, дешевле и разнообразнее по форме, чем для сжатого, а потому их проще компоновать исходя из свободного пространства в автомобиле и необходимого запаса хода.

Обратите внимание на разницу в цене жидкого и газообразного топлива.

Баллоны со сжатым метаном в кузове тентованной «Газели».

Редуктор-испаритель в пропановой системе требует подогрева. На фото хорошо виден шланг, соединяющий жидкостный теплообменник редуктора с системой охлаждения двигателя.

Принципиальная схема работы газобаллонного оборудования на карбюраторном двигателе.

Схема работы оборудования для сжиженного газа без перевода его в газообразную фазу в двигателе внутреннего сгорания с распределённым впрыском.

Метановая заправка — это просто специализированная компрессорная станция на газопроводе. В абсолютном большинстве случаев здесь же имеется стационарная ёмкость для заправки сжиженным пропан-бутаном.

Пропан-бутан хранят и перевозят в цистернах (на фото — за синими воротами). Благодаря такой мобильности заправку можно разместить в любом удобном месте, а при необходимости быстро перенести в другое.

На пропановой колонке заправляют не только автомобили, но и бытовые баллоны.

Колонка для сжиженного газа внешне отличается от бензиновой, но процесс заправки похож. Отсчёт залитого топлива идёт в литрах.

Понятие «газовое автомобильное топливо» включает в себя две совершенно разных по составу смеси: природный газ, в котором до 98% приходится на метан, и производимый из попутного нефтяного газа пропан-бутан. Кроме безусловной горючести общим для них является ещё и агрегатное состояние при атмосферном давлении и комфортных для жизни температурах. Однако при низких температурах физические свойства этих двух наборов лёгких углеводородов здорово различаются. Из-за этого они требуют совершенно разного оборудования для хранения на борту и подачи в двигатель, да и в эксплуатации автомобили с разными системами газового питания имеют несколько существенных различий.

Сжиженный газ

Пропан-бутановая смесь хорошо знакома туристам и дачникам: именно её заправляют в бытовые газовые баллоны. Она же составляет основную долю газа, который впустую сгорает в факелах нефтедобывающих и перерабатывающих предприятий. Пропорциональный состав топливной пропан-бутановой смеси может различаться. Дело не столько в исходном составе нефтяного газа, сколько в температурных свойствах получаемого горючего. Как моторное топливо чистый бутан (С4Н10) хорош во всех отношениях, кроме того, что он переходит в жидкое состояние уже при 0,5°С при атмосферном давлении. Поэтому к нему добавляют менее калорийный, но более холодостойкий пропан (С2Н8) с температурой кипения –43°С. Соотношение этих газов в смеси задаёт нижний температурный предел применения топлива, которое по этой же самой причине бывает «летним» и «зимним».

Относительно высокая температура кипения пропан-бутана даже в «зимнем» исполнении позволяет хранить его в баллонах в виде жидкости: уже под небольшим давлением он переходит в жидкую фазу.

Отсюда и другое название пропан-бутанового топлива — сжиженный газ. Это удобно и экономично: высокая плотность жидкой фазы позволяет уместить в малом объёме большое количество топлива. Свободное пространство над жидкостью в баллоне занято насыщенным паром. По мере расхода газа давление в баллоне остаётся постоянным до самого его опустошения. Водителям «пропановых» машин при заправке следует заливать баллон максимум на 90%, чтобы оставить внутри место для паровой подушки.

Давление внутри баллона прежде всего зависит от температуры окружающей среды. При отрицательных температурах оно падает ниже одной атмосферы, но даже этого достаточно для поддержания работоспособности системы. Зато с потеплением оно быстро растёт. При 20°C давление в баллоне составляет уже 3—4 атмосферы, а при 50°C достигает 15—16 атмосфер. Для большинства автомобильных газовых баллонов эти значения близки к предельным. А это значит, что при перегреве в жаркий полдень на южном солнцепёке тёмный автомобиль с баллоном сжиженного газа на борту… Нет, не взорвётся, как в голливудском боевике, а начнёт сбрасывать излишки пропан-бутана в атмосферу через предохранительный клапан, предназначенный именно для такого случая.

К вечеру, когда вновь похолодает, топлива в баллоне окажется заметно меньше, зато никто и ничто не пострадает. Правда, как показывает статистика, отдельные любители дополнительно сэкономить на предохранительном клапане время от времени пополняют хронику происшествий.

Сжатый газ

Иные принципы лежат в основе работы газобаллонного оборудования для машин, потребляющих в качестве топлива природный газ, в обиходе обычно именуемый метаном по своему основному компоненту. Это тот же газ, что подаётся по трубам в городские квартиры. В отличие от нефтяного газа метан (СН4) обладает низкой плотностью (в 1,6 раза легче воздуха), а главное — низкой температурой кипения. Он переходит в жидкое состояние лишь при –164°С. Наличие небольшого процента примесей других углеводородов в природном газе не сильно изменяет свойства чистого метана. А значит, превратить этот газ в жидкость для использования в автомобиле невероятно сложно. В последнее десятилетие активно велись работы по созданию так называемых криогенных баков, позволяющих хранить в автомобиле сжиженный метан при температурах –150°С и ниже и давлении до 6 атмосфер.

Были созданы опытные образцы транспорта и заправок под этот вариант топлива. Но пока практического распространения эта технология не получила.

А потому в подавляющем большинстве случаев для использования в качестве моторного топлива метан просто сжимают, доводя давление в баллоне до 200 атмосфер. Как следствие, прочность и соответственно масса такого баллона должны быть заметно выше, чем для пропанового. Да и помещается в одинаковом объёме сжатого газа существенно меньше, чем сжиженного (в пересчёте на моли). А это — уменьшение автономности автомобиля. Другой минус — цена. Существенно больший запас прочности, заложенный в метановое оборудование, оборачивается тем, что цена комплекта на автомобиль оказывается почти в десять раз выше аналогичной по классу пропановой аппаратуры.

Метановые баллоны бывают трёх типоразмеров, из которых в легковом автомобиле можно разместить только самые маленькие, объёмом 33 л. Но для того, чтобы обеспечить гарантированную дальность хода в триста километров, таких баллонов нужно пять, суммарной массой 150 кг. Понятное дело, что в компактной городской малолитражке возить постоянно такой груз вместо полезного багажа смысла нет. Поэтому есть резон переводить на метан лишь большие автомобили. Прежде всего, грузовики и автобусы.

При всём этом у метана есть два существенных преимущества перед нефтяным газом. Во-первых, он ещё дешевле и не привязан к цене на нефть. А во-вторых, метановое оборудование конструктивно застраховано от проблем с зимней эксплуатацией и позволяет при желании вообще обходиться без бензина. В случае с пропан-бутаном в наших климатических условиях такой фокус не пройдёт. Автомобиль по факту останется двухтопливным. Причина именно в сжиженности газа. А точнее, в том, что в процессе активного испарения газ резко охлаждается. В результате сильно падает температура в баллоне и особенно — в газовом редукторе. Чтобы аппаратура не замерзала, редуктор подогревают, встраивая в него теплообменник, соединённый с системой охлаждения двигателя. Но чтобы эта система начала работать, жидкость в магистрали надо предварительно подогреть.

А потому запускать и прогревать мотор при температуре окружающего воздуха ниже 10°С рекомендуется строго на бензине. И лишь затем, с выходом мотора на рабочую температуру, переключаться на газ. Впрочем, современные электронные системы переключают всё сами, без помощи водителя, автоматически контролируя температуру и не допуская замерзания оборудования. Правда, для поддержания корректной работы электроники в этих системах нельзя досуха опустошать бензобак даже в жаркую погоду. Пусковой режим на газу является для подобной аппаратуры аварийным, и на него систему можно переключить лишь принудительно в случае крайней необходимости.

У метановой аппаратуры никаких трудностей с зимним пуском нет. Наоборот, на этом газе в морозы запустить двигатель даже легче, чем на бензине. Отсутствие жидкой фазы не требует и подогрева редуктора, который лишь понижает давление в системе с 200 транспортировочных атмосфер до одной рабочей.

Чудеса непосредственного впрыска

Сложнее всего переводить на газ со-временные двигатели с непосредственным впрыском топлива в цилиндры. Причина в том, что газовые форсунки традиционно размещаются во впускном тракте, где и происходит смесеобразование во всех остальных типах двигателей внутреннего сгорания без непосредственного впрыска. Но наличие такового напрочь перечёркивает возможность столь легко и технологично добавить газовое питание. Во-первых, в идеале газ тоже надо подавать прямо в цилиндр, а во-вторых, и это ещё более важно, жидкое топливо служит для охлаждения собственных форсунок непосредственного впрыска. Без него они очень быстро выходят из строя от перегрева.

Варианты решения этой проблемы есть, причём как минимум два. Первый превращает двигатель в двухтопливный. Он был придуман довольно давно, ещё до появления непосредственного впрыска на бензиновых моторах и предлагался для адаптации дизелей к работе на метане. Газ не воспламеняется от сжатия, а потому «газированный дизель» заводится на солярке и продолжает на ней же работать в режиме холостых оборотов и минимальной нагрузки. А дальше в дело вступает газ.

Именно за счёт его подачи регулируют скорость вращения коленвала в режиме средних и высоких оборотов. Для этого ТНВД (топливный насос высокого давления) ограничивают по подаче жидкого топлива до 25—30% от номинала. Метан поступает в двигатель по собственной магистрали в обход ТНВД. Никаких проблем с его смазкой из-за снижения подачи солярки на высоких оборотах не возникает. Дизельные форсунки при этом продолжают охлаждаться проходящим через них топливом. Правда, тепловая нагрузка на них в режиме высоких оборотов всё равно остаётся повышенной.

Аналогичную схему питания стали применять и для бензиновых моторов с непосредственным впрыском. Причём работает она как с метановой, так и с пропан-бутановой аппаратурой. Но в последнем случае более перспективным считается альтернативное решение, появившееся совсем недавно. Всё началось с идеи отказаться от традиционного редуктора с испарителем и подавать пропан-бутан в двигатель под давлением в жидкой фазе. Следующими шагами стали отказ от газовых форсунок и подача сжиженного газа через штатные форсунки для бензина.

В схему добавили электронный модуль согласования, подключающий по ситуации газовую или бензиновую магистраль. При этом новая система лишилась традиционных проблем с холодным пуском на газе: нет испарения — нет и охлаждения. Правда, стоимость оборудования для моторов с непосредственным впрыском в обоих случаях такова, что окупается оно только при очень больших пробегах.

Кстати, экономическая целесообразность ограничивает применение газобаллонного оборудования в дизелях. Именно из соображений выгоды для моторов с воспламенением от сжатия используют только метановую аппаратуру, причём подходящую по характеристикам лишь двигателям тяжёлой техники, оснащённым традиционными ТНВД. Дело в том, что перевод маленьких экономичных легковых моторов с дизеля на газ себя не окупает, а разработка и техническое воплощение газобаллонной аппаратуры для новейших двигателей с общей топливной рампой (common rail) по нынешним временам считаются экономически неоправданными.

Правда, есть и другой, альтернативный путь перевода дизеля на газ — путём полной конвертации в газовый двигатель с искровым зажиганием. У такого мотора уменьшается до 10—11 единиц степень сжатия, появляются свечи и высоковольтная электрика, и он навсегда прощается с дизельным топливом. Зато начинает безболезненно потреблять бензин.

Условия работы

Старые советские инструкции по переводу бензиновых автомобилей на газ предписывали шлифовать головки блока цилиндров (ГБЦ), чтобы поднять степень сжатия. Оно и понятно: объектом газификации в них выступали силовые агрегаты коммерческого транспорта, работавшие на бензине с октановым числом 76 и ниже. У метана же октановое число 117, а у пропан-бутановых смесей оно около ста. Таким образом, оба вида газового топлива существенно менее склонны к детонации, чем бензин, и позволяют поднять степень сжатия двигателя, чтобы оптимизировать процесс сгорания.

Кроме того, для архаичных карбюраторных моторов, оснащавшихся механическими системами подачи газа, увеличение степени сжатия позволяло компенсировать потерю мощности, возникавшую при переходе на газ. Дело в том, что бензин и газы смешиваются с воздухом во впускном тракте в совершенно разных пропорциях, из-за чего при использовании пропан-бутана, а особенно метана, двигателю приходится работать на существенно более бедной смеси. Как результат — снижение крутящего момента двигателя, приводящее к падению мощности на 5—7% в первом случае и на 18—20% во втором. При этом на графике внешней скоростной характеристики форма кривой крутящего момента каждого конкретного мотора остаётся без изменений. Она просто смещается вниз по «оси ньютон-метров».

Однако для двигателей с электронными системами впрыска, оснащаемых современными системами газового питания, все эти рекомендации и цифры не имеют почти никакого практического значения. Потому что, во-первых, их степень сжатия и так достаточна, и даже для перехода на метан работы по шлифовке ГБЦ совершенно не оправданны экономически. А во-вторых, согласованный с электроникой автомобиля процессор газовой аппаратуры организует подачу топлива таким образом, что как минимум наполовину компенсирует вышеозначенный провал по крутящему моменту. В системах же с непосредственным впрыском и в газодизельных моторах газовое топливо в отдельных диапазонах оборотов и вовсе способно поднимать крутящий момент.

Кроме того, электроника чётко отслеживает необходимое опережение зажигания, которое при переключении на газ должно быть больше, чем для бензина, при прочих равных условиях. Газовое топливо горит медленнее, а значит, и поджигать его нужно раньше. По этой же причине возрастает тепловая нагрузка на клапаны и их сёдла. С другой стороны, меньшей становится ударная нагрузка на цилиндро-поршневую группу. Кроме того, для неё зимний пуск на метане существенно полезнее, чем на бензине: газ не смывает масло со стенок цилиндров. Да и вообще в газовом топливе не содержится катализаторов старения металлов, более полное сгорание топлива уменьшает токсичность выхлопа и нагар в цилиндрах.

Автономное плавание

Пожалуй, наиболее заметным минусом в газовом автомобиле становится его ограниченная автономность. Во-первых, расход газового топлива, если считать по объёму, получается больше, чем бензина и тем более солярки. А во-вторых, газовая машина оказывается привязанной к соответствующим заправкам. Иначе смысл её перевода на альтернативное топливо начинает стремиться к нулю. Особенно сложно тем, кто ездит на метане. Метановых заправок очень мало, и все они привязаны к магистральным газопроводам. Это просто небольшие компрессорные станции на ответвлениях главной трубы. В конце 80-х — начале 90-х годов ХХ века в нашей стране пытались активно переводить транспорт на метан в рамках государственной программы. Именно тогда и возникло большинство метановых заправок. К 1993 году их было построено 368, и с тех пор это число если и выросло, то совсем незначительно. Большинство заправок находится в европейской части страны вблизи федеральных трасс и городов. Но при этом их расположение определяли не столько с точки зрения удобства автомобилистов, сколько с точки зрения газовиков. Поэтому лишь в очень редких случаях газовые заправки оказались непосредственно у шоссе и практически никогда внутри мегаполисов. Почти везде, чтобы заправиться метаном, необходимо сделать крюк на несколько километров в какую-нибудь промзону. Поэтому, планируя дальний маршрут, эти заправки надо искать и запоминать заранее. Единственное, что удобно в такой ситуации, — стабильно высокое качество топлива на любой из метановых станций. Газ из магистрального газопровода весьма проблематично разбавить или испортить. Разве что фильтр или система осушки на какой-то из таких заправок может внезапно выйти из строя.

Пропан-бутан можно перевозить в цистернах, и благодаря этому свойству география заправок для него существенно шире. В некоторых регионах им можно заправиться даже в самом дальнем захолустье. Но изучить наличие пропановых заправок на предстоящем маршруте тоже не помешает, чтобы их внезапное отсутствие на шоссе не стало неприятным сюрпризом. При этом сжиженный газ всегда оставляет долю риска попасть на топливо не по сезону или просто некачественное.

Фото автора.

Октановое число газа.

| Всё о газобаллонном оборудовании (ГБО)

Добиться полного сгорания топлива в бензиновом двигателе невозможно. Именно из-за этого в выхлопе обязательно содержится СО – окись углерода, которая представляет собой вредное для человека вещество. Если сравнивать между собой выбросы газовых и бензиновых двигателей, то на первый взгляд особой разницы между ними не существует: количество углеводородов, поступающих в окружающую среду, и в первом, и во втором случае оказывается примерно одинаковым. Однако опасность представляют не сами углеводороды, а продукты их окисления. В этом плане газовые двигатели имеют несомненное преимущество: выделяемый ими метан отличается от других углеводородов наибольшей устойчивостью к окислению.

Газ превосходит бензин не только по показателю экологичности, но своей энергоэффективностью. В двигателе внутреннего сгорания применяется классический принцип, который основан на использовании четырех циклов. В конечном счете, мощность двигателя зависит от степени сжатия топливной смеси (ее верхний предел ограничивается возможностью детонации, при которой происходит взрыв). Способность топлива противостоять детонации называется октановым числом. Для природного газа этот показатель в среднем равняется 108. О подобном результате любым маркам бензина остается только мечтать.

Еще одно преимущество природного газа перед бензином заключается в том, что его концентрация, необходимая для горения, оказывается более низкой, чем у конкурента. Иными словами, газовый двигатель может обходиться более бедными горючими смесями. Регулируя концентрацию газа в смеси, мы тем самым получаем уникальную возможность управлять мощностью двигателя, который становится заметно более «послушным» по сравнению с бензиновым.

Газовые двигатели примерно в 1,5-2 дольше, чем конкуренты, способны обходиться без ремонта. Это связано с тем, что при сгорании природного газа образуется намного меньше твердых частиц, которые ускоряют процесс износа поршней и цилиндра. Химические свойства газа таковы, что он практически не способствует коррозии металла и не смывает защитную масляную пленку, покрывающую металлические поверхности (в отличие от жидкого топлива).

Справедливости ради следует отметить, что наряду с явными достоинствами у природного газа есть и свои недостатки. Так плотность метана примерно в 1000 раз ниже, чем аналогичный показатель у бензина. Поэтому для того, чтобы в стандартный бак поместилось достаточное количество топлива, его плотность приходится увеличивать искусственно, главным образом – путем сжатия до 200-250 атмосфер. В таком виде метан может храниться лишь в специальных баллонах, устанавливаемых в багажниках автомобилей.

У метана есть одна полезная особенность, которая дает надежду многим автолюбителям. Дело в том, что при низкотемпературном сжижении (температура может опускаться до -1200С) объем этого газа уменьшается примерно в 600 раз. Теперь его можно перевозить в специальных баках, напоминающих бензиновые. Давление в них не будет превышать 6 атмосфер (это примерно соответствует напору воды в домашнем кране). Данная технология не находится на стадии разработки, а уже хорошо освоена и активно используется во многих развитых странах: Японии, США, Норвегии и др. Даже разработаны специальные танкеры, предназначенные для перевозки охлажденного метана.

Добавим также, что это вещество абсолютно безвредно, поскольку при его сгорании образуется лишь углекислый газ и вода.

Альтернативой метану является пропан-бутан – синтетическое топливо, получаемой путем переработки нефти, а также конденсации попутных газов. Чтобы эта смесь оставалась в жидком состоянии, при ее перевозке и хранении необходимо постоянно поддерживать давление в 16 атмосфер.

Конструкция газобаллонного оборудования, работающего на пропан-бутане в целом проще, а заправка такого автомобиля со стороны мало чем отличается от заправки бензином.

Пропанобутановая смесь обладает столь же высоким октановым числом, как и метан, но отличается от него более высокой экономичностью. На 100 км пробега требуется примерно 45 литров пропан-бутана, а метана – примерно в два раза больше.

Пропан бутановая смесь, для чего она предназначена

При использовании газа в оборудовании, где используется сгорание газа, с последующим преобразованием его энергии в механическую. Проще говоря, он сгорает, вращая двигателя, энергоустановки и прочее. Однако, его свойства не всегда близки к показателям обычного бензина, который используется в двигателях внутреннего сгорания, поэтому некоторые показатели, от использования простого пропана в качестве топлива, могут ухудшаться, например компрессия. Но на смену простому пропану пришла смесь пропан-бутан, что же это за смесь и почему она лучше обычного однокомпонентного газа. Что такое пропан бутан, на самом деле ответ лежит на поверхности, это смесь газов в равной доле 50 на 50 пропана и бутана, в котором имеются примеси в незначительных количествах этана, метана. Рекомендуется использовать такую смесь при температурах до -20 градусов Цельсия, при более низких температурах пропана должно быть больше, иначе будет затруднено испарение газа, без использования принудительного испарения. В чем же ее преимущества – заключается они в том, что данная смесь при сгорании наиболее точно совпадает по характеристикам с обычным бензином, при этом сохраняя преимущества перед ним.  Продажа пропан бутана — выгодна, сама по себе смесь не требует особого хранения, как и обычный пропан, емкости используются такие же, техника безопасности полностью совпадает с аналогичной для пропана.

Емкости для пропан бутана в первую очередь подразумевают надежность, способность выдерживать высокие давления, легкость монтажа на оборудование и другие важные моменты. Бутан по многим показателям очень близок к бензину, например октановое число, которое у него равно 93, или удельная теплота испарения и многое другое. Поэтому смесь с пропаном максимально приближает показатели к показателям бензина, а пропан и бутан взаимодополняют друг друга. Возможности такой смеси гораздо большие, чем у простого пропана, хоть он и обладает многими плюсами, но в смеси он гораздо эффективней. Для примера взять октановое число пропана – 120, это слишком много для бензинового двигателя, поэтому бутан позволяет сглаживать такие нюансы. Но также не стоит забывать о технике безопасности, утечки недопустимы, потому что если речь идет о сжиженном газе, то его объем при утечке увеличивается приблизительно в 250 раз, превращаясь во взрывоопасную смесь, он плохо рассеивается и при скоплениях опасен.  Доставка пропана может осуществляться баллонами, специальными машинами и другими известными методами, которые соответствуют нормам и правилам техники безопасности и стандартам. Которые утверждены государством и разными техническими регламентами, а также они должны строго соблюдаться и приниматься во внимание работниками и руководителями, и даже простыми гражданами.

Смесь Пропан-бутан техническая - Топливная компания ООО "НефтьОпт"

Пропан бутановая техническая смесь в основном используется как топливо для автомобилей. В пропан технический (С3Н8) и бутан (С4Н10) для получения смеси добавляют около 1% непредельных углеводородов.

Сжиженный газ может вырабатываться и из конденсатной фракции природного газа, и из нефти. В специальных колоннах абсорбционно-газофракционирующей установки осуществляется разделение на фракции.

Пропан, как и бутан, проходят очистку от сернистых соединений, воды, щелочи, и прочих элементов. И в зависимости от получения необходимой марки пропан бутан техническая смесь делается в определенных пропорциях составляющих.

Пропан бутан техническая смесь имеет следующие свойства:

  • Массовая доля в %: пропана 50±10, непредельных углеродов 6, углероды С4 и жидкий остаток при +40оС отсутствуют;
  • Давление насыщенных паров: при –20 °С: 0,07 МПа, при +45 °С: 1,6 МПа;
  • Массовая доля сернистых соединений и серы не более 0,01%, включая сероводород не более 0,003 %.

Технический пропан бутан имеет октановое число 100-110, и при работе двигателя детонации не возникают, однако характеристики этих видов в определенных случаях отличаются. Технический пропан бутан со средним октановым числом 105, превосходит любую марку бензина. Если октановое число еще выше, то это говорит о меньшей опасности взрывов паров газа, нежели пары бензина.

Технический пропан бутан может использоваться в любых климатических районах, при окружающей температуре емкости не ниже -20°С. Технические характеристики пропана позволяют его использовать в тех климатических районах зимой, где температура земли на необходимой глубине установленной емкости не опускается ниже -20°С или -25°С.

Чтобы весной полностью выработать технический пропан, соответствующий стандарту гост, допустимо его временное использование до -10°С. Если температура будет выше, то давление в резервуаре повышается. В условиях холодного климата пропан бутановая техническая смесь должна содержать большую долю пропана, если газ предназначен для котельного или автомобильного топлива. Поскольку в жидком состоянии пропан остается при температуре ниже — 42оС, а бутан только до -0,5оС.

На станции газозаправки поступает пропан бутан техническая смесь ГОСТ 27578-87 двух марок – летний с содержанием пропана 50±10%, и зимний с содержанием — 90±10%.

Плотность фазы жидкого состояния газа зависит от температурных условий, чем выше температура, тем меньше плотность. Если она составляет 15оС, а атмосферное давление нормальное, то жидкая фаза бутана составляет 0,58 кг/л плотности, а пропана – 0,51 кг/л. Пропановая фаза пара в 1,5 раза тяжелее воздуха, а бутановая – в 2 раза. Бензин начинает кипеть при температуре, которая выше окружающей среды, а технический пропан бутан гост испаряется при таком давлении, которое соответствует температурным условиям окружающей среды. Следовательно, в баке бензин может находиться в жидком состоянии при давлении атмосферы, а пропан бутановая техническая смесь в емкости при давлении, соответствующем температурным условиям окружающей среды.

Пропан бутан техническая смесь легко смешивается с воздухом, равномерно полностью сгорает. Именно поэтому на нагревательных элементах и топках не образуется сажи. Европейская Экономическая Комиссия ООН составила правила, согласно которым необходима установка автоустройства, которое ограничивает наполнение емкости, где должна находиться пропан бутановая техническая смесь до 85% ее объема. Это объяснятся высоким коэффициентом расширения по объему жидкой фазы. Для бутана он составляет 0,002, а для пропана – 0,003 на 1оС повышения газовой температуры. Например, этот коэффициент у бутана в 10 раз, и у пропана в 15 раз выше, чем у воды

Сжиженный газ - ООО"Пропан Сервис"

Исследования опровергли устоявшееся мнение, что использование сжиженного газа вместо бензина — вынужденная мера. Газ, как моторное топливо, не только не уступает бензину, но и превосходит его по своим свойствам.

Двигатель внутреннего сгорания автомобиля на сжиженном газе работает по классическому четырехтактному циклу на смеси воздуха и распыленного топлива. Для воспламенения смеси нужна определенная концентрация топлива. Газ горит при меньших концентрациях, чем бензин, т.е. при более «бедных» смесях.

В случае повышения концентрации газа и обогащения смеси можно добиться увеличения мощности двигателя. Обедняя смесь, наоборот, можно понизить мощность. Возникает возможность изменением состава смеси регулировать мощность двигателя: газ как топливо значительно «послушнее» бензина.

Чем сильнее можно сжать топливо без возникновения детонации(от лат. detonare(прогреметь) — распространение пламени в веществе со скоростью, превышающей скорость звука в данном веществе.), тем больше мощность двигателя. Антидетонационную способность топлива определяют октановым числом. Чем оно выше, тем лучше топливо. Среднее октановое число сжиженного газа – около 100, что недостижимо для любых марок бензина.

Эксплуатация показала, что автомобили на газе более выносливы — в полтора-два раза дольше работают без ремонта. При сгорании газа образуется меньше твердых частиц и золы, вызывающих повышенный износ цилиндров и поршней двигателя. Кроме того, масляная пленка дольше держится на металлических поверхностях — ее не смывает жидкое топливо, и, наконец, газ практически не вызывает коррозию металла.

Пропан-бутан

Пропан-бутан получают из нефти и сконденсированных нефтяных попутных газов. Чтобы эта смесь оставалась жидкой, ее хранят и перевозят под давлением в 1,6 МПа (16 атмосфер).

Основные характеристики пропан-бутана:

 

Плотность 0.525
Массовая доля компонентов, в %:
Сумма метана· 0.77
Сумма этана и этилена· 2.66
Сумма пропана и пропилена· 46. 87
Сумма бутанов и бутадиенов· 49.70
Сумма пентанов 0
Объемная доля жидкого остатка при 20 °C, в % 0
Давление насыщенного пара остаточное при температуре + 45°С, в мПа 1.5
Массовая доля меркаптановой серы, в % (в т. ч. сероводорода) отсуствует
Содержание воды и щелочи отсуствует
Испытание на медной пластине выдерживает

Последнее время использование сжиженного газа стало более популярным, что объясняется в основном дешевизной газа по сравнению с бензином. Однако у сжиженного газа как автомобильного топлива есть и другие преимущества:

  1. Очень важно то, что это экологически более чистое топливо, в выхлопе при работе на газе содержится меньше вредных веществ, в том числе СО (почти в два раза меньше).
  2. Газ имеет более высокое октановое число (порядка 100 и даже выше в зависимости от состава). Соответственно, практически невозможны детонационные повреждения двигателя.
  3. Уменьшается износ цилиндро-поршневой группы. Во-первых при пуске холодного двигателя не образуется пленки из бензина, смывающей смазку. Во вторых, газ сгорает медленнее и давление в цилиндрах нарастает не так быстро — в результате ударные нагрузки на детали двигателя меньше.
  4. Благодаря лучшему смесеобразованию газа с воздухом ,(по с бензином) и тому, что газовая смесь равномернее распределяется по цилиндру — улучшается ХХ двигателя, двигатель работает мягче и тише. Кроме того, после пуска холодного двигателя на газе можно ехать практически сразу, не требуется длительного прогрева как на бензине.
  5. Газ не разжижает моторное масло, поэтому масло можно менять реже, чем при эксплуатации на бензине.
  6. Практически не образуется нагара.
  7. Газ по сравнению с бензином значительно чище, поэтому в карбюратор не попадает грязь.

Газобаллонная аппаратура для сжиженного пропан бутана несколько проще чем при использовании метана. Процесс заправки машин на газозаправочных станциях несложен и очень похож на заправку бензином.

По сравнению с бензином, у газа есть один недостаток: меньшая теплота сгорания. Поэтому при работе на газе мощность двигателя меньше примерно на 5 %.

Еще один недостаток — место в багажнике занимает, хотя современные баллоны тероидальной формы размещаются в отсеке для запасного колеса.

И последнее — на газе нельзя заводится в холодную (минус 10 и ниже). В принципе, двигатель заведется, но это снижает срок службы диафрагмы редуктора. Поэтому лучше пускать на бензине, но уже при температуре двигателя около 40 можно переключаться на газ.

Экологичность ГБО, сравнение выбросов в атмосферу бензина и пропана

Применение сжиженного углеводородного газа (пропан-бутан) в качестве моторного топлива позволяет улучшить экологические характеристики автомобильного транспорта, что особенно важно для крупных городов.

Один из главных источников загрязнения — автомобильный транспорт. Его доля в общем объеме выбросов загрязняющих веществ в атмосферу по России составляет около 42%, что выше, чем доля любой из отраслей промышленности. В крупных городах этот показатель достигает 80-90%. Динамика роста вредных выбросов напрямую связана с увеличением автопарка.

За последние пять лет масса автомобильных выбросов в расчете на одного человека увеличилась на 15% и достигла 110 тыс. тонн загрязняющих веществ в год. Сегодня порядка 70% россиян проживают в экологически неблагоприятных районах. Токсичность выхлопов отечественных автомобилей в 6 раз выше, чем европейских, и в 10 раз выше, чем американских и японских.

Для здоровья человека наиболее опасны выбросы углеводородов, точнее, продукты их окисления.  Двигатель, работающий на бензине, выбрасывает сравнительно легко окисляющиеся вещества — этил и этилен, а газовый двигатель — метан, который из всех предельных углеводородов наиболее устойчив к окислению. Газовое топливо сгорает полнее бензина, и поэтому концентрация окиси углерода в выхлопе автомобиля на газу в несколько раз ниже, чем в выхлопе бензинового автомобиля.


Установлены 5 экологических классов и сроки введения в действие технических нормативов выбросов в отношении автомобильной техники, выпускаемой на территории Российской Федерации:

  1. экологического класса 2 с 2006 года;
  2. экологического класса 3 с 1 января 2008 года;
  3. экологического класса 4 с 1 января 2010 года;
  4. экологического класса 5 с 1 января 2014 года.

Автомобили, работающие на СУГ, уже сейчас соответствуют экологическим нормам Евро-4.

Можно сделать следующие выводы:

  1. СО-показатель газового автомобиля на 66,5% ниже значений бензинового;
  2. Суммарные значения НС + NOx газового автомобиля на 66,4%;
  3. СО2-значения газового автомобиля на 13% ниже значений бензинового.

В то время как бензин продолжает дорожать, возникает вопрос — чем его заменить? Сжиженный нефтяной газ пропан-бутан уже более 50-ти лет является достойной альтернативой бензину. Несмотря на незначительные различия в процессе эксплуатации сжиженный нефтяной газ крайне схож по своим характеристикам с бензином.

Параметр \ топливо Пропан Бутан Бензин
Температура кипения -43 -0,5 30 — 225
Октановое число 111 103 96 — 98
Стехиометрическая смесь (кг/кг) 15,8 15,6 14,7
Нижний предел воспламеняемости 2,40% 1,80% 1,50%
Верхний предел воспламеняемости 9,50% 8,50% 6,00%

Напомним, что для перехода на газ не обязательно покупать битопливный автомобиль от производителя. Вы можете перевести свой бензиновый автомобиль установив дополнительное оборудование в одном из наших сервис-центов в Москве и Петербурге.

Газ или бензин: плюсы и минусы

Аргументов «за» при использовании пропан-бутановой смеси в качестве топлива для автомобилей — великое множество. Но есть и подводные камни. Которые не всегда перечеркиваются дешевизной газа.

О каком газе идёт речь?

Когда речь заходит об использовании газа вместо бензина, то часто возникает путаница, отягощаемая криками, что известный монополист с буквой G и язычком пламени на логотипе и так неплохо на нас наживается. Так вот, этот монополист добывает и продаёт природный газ метан. Этот газ в нормальных условиях может существовать только в газообразном виде и поэтому размещается в баллонах под давлением до 250 атмосфер. Но в таком виде его в баллонах много не поместится (в массовом выражении), поэтому для более-менее приемлемого запаса хода баллонов должно быть много. И в легковом автомобиле разместить их крайне проблематично. Конечно, пытаются делать баллоны из современных композитных материалов, в которых помещается чуть больше газа из-за большего давления, но всё равно, запас хода не достигает и 300 километров. А вот на грузовиках и на крышах автобусов места для баллонов много.

Другое дело — сжиженная смесь пропана и бутана. При относительно небольшом давлении (примерно 10 атмосфер) и при температуре +20°С пропан превращается в жидкость. А для снижения этого давления и для пущей безопасности добавляют бутан. И жидкая фаза — это уже совсем другое дело в плане запаса топлива на борту автомобиля.

Кстати, упомянутый выше монополист к пропан-бутановой смеси не имеет никакого отношения. И именно эта смесь применяется в качестве топлива для легковых автомобилей.

«Плюсы»

Прежде всего — цена за литр топлива. Литр «пропан-бутана» почти всегда в два раза дешевле литра бензина АИ-95. Теплотворная способность этой смеси чуть меньше бензина, и расход его чуть больше. Но выгода всё равно колоссальная. Даже с учётом затрат на установку газобалонного оборудования (ГБО).

Следующий плюс — октановое число газа составляет примерно 105 единиц. Это означает, что возникновение такого вредного и разрушительного явления, как детонация, абсолютно исключено. С высоким октановым числом, правда, связывают и вероятность «прогара» выпускных клапанов из-за меньшей скорости сгорания смеси газа с воздухом. Но на современных моторах эта проблема почти не актуальна.

Третий плюс, который любят подчёркивать установщики ГБО, — газообразное топливо не смывает плёнку масла со стенок цилиндров и не попадает в картер, где портит масло. Но это явление было характерно для карбюраторной системы питания, где тонкость распыла бензина была невысокая. Современные же системы впрыска с форсунками дают очень мелкий распыл, и смыв масляной плёнки уже не актуален.

«Минусы»

Их, по словам тех же установщиков ГБО, совсем немного. Это, прежде всего, уменьшение полезного объёма багажника за счёт размещения там баллона. Ну и чуть меньший ресурс свечей и более высокие требования к их качеству.

Что касается безопасности, то баллоны и их «обвязка» даже безопаснее бензина. Если не верите на слово — погуглите как образуются и взрываются смеси бензина с воздухом и газа с воздухом.

А вот про ещё один «минус» газа вам не расскажут ни в одном установочном центре ГБО. А если и расскажут, то честь им и хвала, которая тут же подкрепляется необходимостью установки так называемого «лубрикатора». За который вы тоже заплатите установщикам. Но обо всём по порядку. И сначала — случай из собственного опыта.

В начале 2005 года появилась у меня «Хонда Торнео». И знакомые газовщики уболтали меня на установку ГБО 4-го поколения. Это то самое поколение, которые имеет электронное управление и подаёт газ в цилиндры при помощи специальных форсунок. Короче, на тот момент — самый передовой писк газовой моды.

Поставили, подключили ноутбук, настроили. Показали графики и таблицы — дозирование газа в идеале на всех возможных режимах движения. Да и по поведению машины было понятно, что всё тип-топ. Начал я ездить на газе и радоваться экономии. Но летом решил податься «на дальняк». И во время возвращения домой мотор моей «Хонды» захандрил. Поначалу это было похоже на «умирание» свечей. Я вкрутил новые, но изменений не последовало. На бензине мотор работал получше, но тоже явно нештатно.

С горем пополам приезжаю к ребятам в проверенный «хондовский» сервис. Там очень быстро вынесли вердикт — «ушли» зазоры… впускных клапанов. Вот так новость! С чего бы это? Ребята предположили, что всему виною… газ.

Клапаны мне отрегулировали по новой, и поехал я к газовщикам. А те, похоже, меня уже ждали. И сразу спросили — клапаны? Я им в ответ — а что, мол, не предупредили заранее, когда ставили ГБО, редиски??? Газовщики покаялись, но рассказали, что по таким случаям ещё не набралась статистика. И мой случай — третий или четвёртый в их практике. И что примечательно — все проблемы связаны с «Хондами». Но при этом у моего хорошего приятеля тоже «Хонда» и тоже на газе, но он ездит и в ус не дует. Но эксплуатирует свою «Хонду» исключительно в городе — это означает частые запуски двигателя, когда тот работает на бензине, и относительно небольшие пробеги на газе. Я же к моменту возникновения проблем отмахал более 8000 километров практически на одном только газе.

И вот что произошло. При работе на бензине его (бензина) микро-капельки, с одной стороны, являются тепловым мостиком, благодаря которому происходит передача избыточного тепла с тарелки клапана на седло. С другой стороны, эти же микро-капельки играют роль, своего рода, амортизаторов при соударении тарелки с седлом. При работе же на газе ничего этого не происходит, и на поверхности седла происходит постоянная эрозия (выкрашивание). Как следствие — ухудшение герметичности и «уход» клапанных зазоров.

Примечательно, что этому явлению, в основном, подвержены моторы «Хонды». В меньшей степени — отдельные моторы «Тойоты» и «Субару». И некоторые другие. Остальные прекрасно работают на газе и вышеозначенных проблем не знают. Не менее примечательно, что «Хонда» на внутренний рынок Японии делает моторы для работы на газе с иной геометрией клапанов и сёдел и с другими материалами, из которых они изготовлены.

Газовщики тут же предложили установить новые клапанные сёдла, которые будут изготовлены из… бериллиевой бронзы. Которую они «достают» через «дырку в заборе» на ближайшем оборонном заводе. Но автомобиль уже готовился к продаже, и ГБО было просто демонтировано.

Так вот, чтобы не происходило выкрашивание сёдел впускных клапанов, устанавливают так называемый «лубрикатор», который впрыскивает во впускной коллектор специальное маловязкое легкосгораемоё масло. Расход этого масла невелик, но выгода от использования газа становится меньше. Ведь нужно потратиться на сам лубрикатор и покупать масло для него. Но всё равно — выгода остаётся. Пускай не двукратная, а полуторакратная.

И повторимся — этой эрозионной напасти подвержены очень немногие моторы. И давно работающие на рынке установщики ГБО прекрасно знают — какие именно. Лично я, когда, наконец, куплю себе большой американский пикап, то точно поставлю на него ГБО. А с лубрикатором или нет — изучу проблематику на профильных форумах и порешаю с газовщиками.

Фото: Caro / Teich/ Globallookpress

AMF

СНГ - зрелое, но довольно нишевое альтернативное топливо, которое может использоваться в специальных двигателях с искровым зажиганием или в качестве вспомогательного топлива в двухтопливных двигателях с воспламенением от сжатия вместе с дизельным маслом. LPG представляет собой смесь пропана и бутана и является побочным продуктом газовой и нефтяной промышленности. Использование сжиженного нефтяного газа на транспорте сосредоточено в нескольких странах (Корея, Турция, Россия и Польша) и в основном используется в двухтопливных легковых автомобилях.

Регулируемые выбросы зависят от типа транспортного средства (OEM или модифицированное, двухтопливное или специализированное, типа впрыска, возраста и т. Д.)), но при правильном проектировании в современных транспортных средствах могут быть достигнуты несколько лучшие показатели выбросов по сравнению с бензиновыми. По сравнению с дизельным двигателем могут быть получены более низкие выбросы NOx и твердых частиц, тогда как выбросы CO и HC обычно выше при использовании сжиженного нефтяного газа (аналогично бензину). По сравнению с природным газом показатели выбросов хуже, но легче распределять и хранить.

Общие

Сжиженный углеводородный газ (СНГ), также известный как автогаз, является широко используемым альтернативным топливом. LPG представляет собой смесь пропана и бутана и производится как побочный продукт при переработке природного газа и нефти. Около 60% от общего количества производимого сжиженного нефтяного газа извлекается непосредственно с нефтяных и газовых месторождений (WLPGA), и в этом случае фактическая переработка не требуется. Остальные 40% образуются в качестве побочного продукта при переработке сырой нефти либо на стадии дистилляции, либо в процессах доочистки (крекинга).

В 2010 году сжиженный нефтяной газ использовался в двигателях более 17 миллионов автомобилей по всему миру. Немногим более 9% мирового потребления сжиженного нефтяного газа используется на транспорте.(WLPGA). Остальной сжиженный нефтяной газ используется, например, для обогрева помещений и воды, приготовления пищи, производства электроэнергии и во многих промышленных процессах. Использование автогаза сосредоточено на небольшом количестве рынков: Корея, Турция, Россия, Польша и Италия составили половину мирового потребления в 2010 году, а страны первой десятки - 75%. В Корее и Японии большая часть сжиженного нефтяного газа используется в такси и других транспортных средствах малой грузоподъемности из-за стимулов и правил. В Европе сжиженный нефтяной газ в основном используется в частном секторе, в автомобилях, которые обычно дооснащаются оборудованием для сжиженного нефтяного газа, в отличие от Кореи, где автомобили, работающие на сжиженном нефтяном газе, производятся на оригинальном оборудовании (OEM).LPG редко используется в большегрузных транспортных средствах. (WLPGA). Тенденцию к увеличению использования автомобильного газа можно увидеть на Рисунке 1.

Рисунок 1. Использование сжиженного нефтяного газа на транспорте (WLPGA).

Стандарты и типовые свойства

СНГ состоит в основном из пропана (C 3 H 8 ) и бутана (C 4 H 10 ), которые легко сжижаются при умеренном давлении. В таблице 1 перечислены основные топливные свойства сжиженного нефтяного газа (пропана / бутана).Химический состав сжиженного нефтяного газа варьируется в зависимости от места и времени года. Например, сжиженный нефтяной газ, продаваемый в Нидерландах, содержит в среднем 60% пропана и 40% бутана, но в северных регионах, таких как Канада, США или Швеция, сжиженный нефтяной газ состоит в основном из пропана. При низких температурах давление паров бутана настолько низкое, что он не выходит из резервуара. СНГ, используемый при транспортировке, должен содержать как можно меньше олефинов (таких как пропен). Олефины имеют низкое октановое число и, как известно, вызывают отложения углерода в двигателях.

ISO имеет два стандарта для нефтепродуктов сжиженный нефтяной газ, но они в основном предназначены для международной торговли, а не специально для использования в транспортных средствах (ISO 8216-3 и ISO 9162). Стандарт ASTM 1835 для сжиженных углеводородных газов охватывает четыре основных типа сжиженного нефтяного газа для использования в таких приложениях, как домашнее и промышленное отопление, а также в качестве моторного топлива. Стандарт CEN EN 589 «Автомобильное топливо - СНГ - Требования и методы испытаний» охватывает использование СНГ в качестве автомобильного топлива. Существуют также другие стандарты для автомобильного сжиженного нефтяного газа.(Ренлунд 2008). Выбранные требования для сжиженного нефтяного газа в соответствии со стандартом EN 589 перечислены в таблице 1.

Таблица 1. Некоторые свойства сжиженного нефтяного газа и требования стандарта EN 589 «Автомобильные топлива - сжиженный нефтяной газ - Требования и методы испытаний» (Verbeek 2008, EN 589).

Совместимость

Двигатели

Подобно природному газу, СНГ легко образует однородную смесь с воздухом. В сочетании с относительно простой химической структурой СНГ он горит чисто и хорошо подходит для двигателей с искровым зажиганием.Для двигателей с воспламенением от сжатия (дизельных) СНГ не подходит в качестве единственного топлива.

автомобилей, работающих на сжиженном нефтяном газе, доступны как OEM-автомобили и как автомобили для модернизации. Обычно OEM-автомобили работают лучше, чем модифицированные. LPG используется в основном в двухтопливных транспортных средствах, которые заводятся на бензине. Двигатели с искровым зажиганием, использующие бензин, можно довольно легко преобразовать в двигатели, работающие на сжиженном нефтяном газе или двухтопливном двигателе, путем изменения топливной системы или добавления параллельной топливной системы для сжиженного нефтяного газа. Жидкий или газообразный СНГ последовательно впрыскивается во впускные отверстия двигателя.Комплект LPG можно использовать практически во всех бензиновых автомобилях. Усовершенствованные автомобили, работающие на сжиженном нефтяном газе, имеют лямбда-контроль, что обеспечивает хорошие характеристики катализатора. (Verbeek et al. 2008).

В двигателях с искровым зажиганием для сжиженного нефтяного газа обычно используются такие же степени сжатия, что и для бензина, даже несмотря на то, что октановое число сжиженного нефтяного газа (112 для пропана, 94 для бутана) выше, чем у бензина. Это связано с тем, что при использовании сжиженного нефтяного газа температура сгорания выше, и это снижает предел детонации, особенно при высоких нагрузках двигателя.Исключением являются двигатели, в которых сжиженный нефтяной газ впрыскивается в жидкой форме. В двухтопливных автомобилях верхний предел степени сжатия ограничивается бензином. КПД двигателей LPG аналогичен бензиновым двигателям.

Когда дизельные двигатели, обычно используемые в автобусах и грузовиках, переводятся на сжиженный газ, необходимо добавить искровое зажигание. Кроме того, необходимо уменьшить степень сжатия, изменить форму камеры сгорания и, конечно же, заменить всю топливную систему. Однако также возможно использовать СНГ в дизельных двигателях в качестве вспомогательного топлива, подобного метану.В так называемых газовых дизелях дизельное топливо необходимо в качестве топлива для зажигания, а газ может быть основным топливом. Газодизельные двигатели работают по дизельному принципу и энергоэффективность хорошая. Двухтопливный газ-дизель сложнее и труднее контролировать в переходных режимах, чем газовые двигатели с искровым зажиганием.

Инфраструктура

Основное различие между обычным топливом и сжиженным нефтяным газом заключается в хранении, поскольку сжиженный нефтяной газ является газообразным при комнатной температуре и атмосферном давлении. Таким образом, резервуары для хранения под давлением необходимы как на заправочных станциях, так и в транспортных средствах.
По сравнению с природным газом, распределение сжиженного нефтяного газа проще, а заправочные станции значительно дешевле из-за того, что сжиженный нефтяной газ является жидким уже при умеренном давлении. На заправочных станциях СНГ обычно транспортируется автоцистернами с давлением менее 25 бар. В транспортных средствах используются резервуары с фиксированным давлением с уровнями давления обычно в диапазоне 5–15 бар (с предохранительным клапаном, установленным на 25 бар). Из-за герметичной конструкции резервуары для сжиженного нефтяного газа несколько дороже, тяжелее и требуют больше места, чем резервуары для бензина или дизельного топлива.

Однако необходимое давление составляет лишь одну десятую от давления, необходимого для сжатого природного газа. Объемная энергия сжиженного нефтяного газа ниже, чем у бензина или дизельного топлива (около 70% от дизельного топлива). Кроме того, дизельный процесс также более эффективен, чем цикл Отто. Поэтому объем цистерн для сжиженного нефтяного газа в транспортных средствах должен быть примерно в два раза больше, чем у автомобилей с дизельным двигателем, чтобы преодолеть такое же расстояние.

Выбросы выхлопных газов

Сертификация и требования к выбросам для автомобилей, работающих на сжиженном нефтяном газе, различаются (Verbeek 2008).Расход топлива и выбросы CO 2 у сжиженного нефтяного газа обычно такие же или немного ниже, чем у бензина. По сравнению с дизельными двигателями, двигатель, работающий на сжиженном нефтяном газе, на 10–15% менее эффективен при работе в оптимальном диапазоне. На практике преобладает доля частичной нагрузки, поэтому «реальная» разница по сравнению с дизелем может быть больше.

В исследовании Tasic et al. (2011) выбросы бензина и сжиженного нефтяного газа сравнивались с использованием современного Opel Zafira с четырехцилиндровым двигателем Ecotec объемом 1800 куб. См в качестве испытательного автомобиля.Он был переоборудован с помощью комплекта Landi Renzo для работы также на сжиженном нефтяном газе. Результаты показали, что выбросы сжиженного нефтяного газа были явно ниже, чем с бензином. Согласно измерениям TNO (Голландская организация прикладных научных исследований), регулируемые выбросы автомобилей, оснащенных сжиженным нефтяным газом, обычно эквивалентны или ниже, чем выбросы автомобилей, работающих на бензине (Рисунок 2, Таблица 2, Verbeek et al. 2008). Дизельные автомобили выделяют меньше CO, HC, NH 3 и CO 2 выбросов по сравнению с LPG, тогда как другие выбросы от LPG автомобилей были ниже, чем для дизельного топлива.Выбросы твердых частиц дизельными автомобилями были высокими по сравнению с автомобилями, работающими на газе. Verbeek et al. (2008) изучали также нерегулируемые выбросы транспортных средств, работающих на сжиженном нефтяном газе (полиароматические углеводороды, альдегиды и отдельные углеводороды). В целом, воздействие сжиженного нефтяного газа с горячим двигателем на здоровье человека было очень низким. Двухтопливные автомобили, работающие на сжиженном нефтяном газе, обычно начинают с бензина. Поэтому во время холодного пуска и прогрева поведение выхлопных газов автомобилей, работающих на сжиженном нефтяном газе, похоже на выбросы бензиновых автомобилей (Hendriksen 2003, Verbeek 2008).

Рис. 2. Выбросы автомобиля, работающего на сжиженном нефтяном газе, по сравнению с автомобилем, работающим на бензине. Бензин = 100%. (Хендриссен 2003).

Таблица 2. Пример выбросов от транспортных средств, работающих на бензине, дизельном топливе и сжиженном нефтяном газе.

Модернизированные автомобили, работающие на сжиженном нефтяном газе, дают более высокие выбросы, чем автомобили, оборудованные производителями сжиженного нефтяного газа, хотя характеристики комплектов для дооснащения улучшились уже в 2003 году (Hendriksen 2003, Verbeek 2008).

Aakko и Nylund (2003) изучали различные альтернативные виды топлива при нормальной температуре +5 и -7 ° C.Автомобиль, работающий на сжиженном нефтяном газе, в этом исследовании был прототипом. Автомобиль, работающий на сжиженном нефтяном газе, производил больше выбросов CO, HC и NO x , чем автомобили с бензиновым двигателем (Рисунок 3). По сравнению с автомобилем, работающим на дизельном топливе, сжиженный нефтяной газ показал более низкие выбросы NO x и твердых частиц. Выбросы формальдегида для автомобилей, работающих на сжиженном нефтяном газе, были выше, чем для автомобилей с бензиновым двигателем, но на том же уровне, что и для автомобилей с дизельным двигателем. Выбросы CO, HC и отдельных углеводородов существенно увеличиваются при низких температурах по сравнению с нормальной температурой, как и в случае с бензиновыми автомобилями.В исследовании Nylund et al. (1996) Автомобиль, работающий на сжиженном нефтяном газе, показал низкие выбросы во всех условиях по сравнению с бензиновыми и дизельными автомобилями того времени.

Рис. 3. Регулируемые выбросы для дизельного топлива (TDI, IDI), бензина (MPI, G-DI), E85, CNG и топлива LPG. (Аакко и Найлунд, 2003).

Список литературы

Аакко П. и Нюлунд Н. О.. (2003) Выбросы твердых частиц при умеренных и низких температурах с использованием различных видов топлива. IEA / AMF Приложение XXII.Отчет по проекту PRO3 / P5057 / 03. EN 589: 2008 + A1: 2012, JRC (2007) Комплексный анализ будущих видов автомобильного топлива и силовых агрегатов в европейском контексте, Отчет WELL-to-WHEELS, версия 2c, март 2007 г.

JRC (2008) Полный анализ будущего автомобильного топлива и силовых агрегатов в европейском контексте, Отчет TANK-to-WHEELS, версия 3, октябрь 2008 г.

Hendriksen, P. Vermeulen, R., Rijkeboer, R., Bremmers, D., Smokers, R. и Winkel, R. (2003) Оценка экологических характеристик современных легковых автомобилей, работающих на бензине, дизельном топливе, автомобильном сжиженном нефтяном газе и CNG, TNO-отчет 03.OR.VM.055.1 / PHE.

Нюлунд, Н. О., Иконен, М., Лаппи, М., Кито, М., Вестерхольм, М. и Лаурикко, Дж. (1996) Оценка эффективности альтернативных концепций топлива / двигателей 1990–1995. Заключительный отчет, включая приложение по дизельным автомобилям. Публикации VTT 271. ISBN951-38-4929-5.

Ренлунд, Б. (2008) Перспективы МЭА / AMF по стандартизации альтернативных видов автомобильного топлива на глобальном, региональном и национальном уровнях. Приложение XXVIII Отчет по подзадаче, октябрь 2008 г.

Ташич, Т., Погоревц, П., Брайлих, Т.(2011) Сравнение выбросов выхлопных газов бензина и СНГ, Достижения в области производства и управления, 6 (2011) 2, 87-94, ISSN 1854-6250.

Verbeek, R., Smokers, G., Kadijk, A., Hensema, G.L.M., Passier, E., Rabé, B., Kampman, I.J. и Riemersma, I. (2008) Воздействие биотоплива на выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от дорожных транспортных средств, отчет TNO, MONRPT-033-DTS-2008-01737, июнь 2008 г.

WLPGA, Всемирная ассоциация сжиженного газа, веб-сайт http://www.worldlpgas.com (по состоянию на 15 ноября 2012 г.)

Октановое число

| Институт нефтяного оборудования

Октановое число является мерой устойчивости бензина и других видов топлива к детонации (детонации двигателя) в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием.Высокопроизводительные двигатели обычно имеют более высокую степень сжатия и, следовательно, более подвержены детонации, поэтому для них требуется топливо с более высоким октановым числом. Двигатель с более низкими характеристиками обычно не будет работать лучше с высокооктановым топливом, поскольку степень сжатия фиксируется конструкцией двигателя.

Октановое число топлива измеряется в испытательном двигателе и определяется путем сравнения со смесью изооктана и нормального гептана, которая будет иметь такую ​​же антидетонационную способность, что и тестируемое топливо: процентное содержание по объему, Изооктана в этой смеси является октановым числом топлива.Например, бензин с такими же детонационными характеристиками, что и смесь 90% изооктана и 10% гептана, будет иметь октановое число 90. Поскольку некоторые виды топлива более устойчивы к детонации, чем изооктан, определение было расширено, чтобы позволить для октановых чисел выше 100.

Октановое число топлива для двигателей с искровым зажиганием - это сопротивление детонации (антидетонационная способность) по сравнению со смесью изооктана (2,2,4-триметилпентан, изомер октана) и н-гептана. По определению изооктану присваивается октановое число 100, а гептану - нулевое октановое число.Например, бензин с октановым числом 87 обладает такой же антидетонационной стойкостью, что и смесь 87% (по объему) изооктана и 13% (по объему) н-гептана. Однако это не означает, что бензин действительно содержит эти углеводороды в этих пропорциях. Это просто означает, что она имеет такое же сопротивление детонации, как и описанная смесь.

Октановое число не связано с содержанием энергии в топливе. Это лишь мера того, что топливо склонно гореть, а не взрываться.

Методы измерения


Наиболее распространенным типом октанового числа во всем мире является октановое число по исследовательскому методу.RON определяется путем запуска топлива в испытательном двигателе с переменной степенью сжатия в контролируемых условиях и сравнения результатов с результатами для смесей изооктана и н-гептана.

Существует еще один тип октанового числа, называемый моторным октановым числом или обедненным авиационным октановым числом, который является лучшим показателем того, как топливо ведет себя под нагрузкой. При испытании MON используется двигатель, аналогичный тому, который использовался при испытании RON, но с предварительно нагретой топливной смесью, более высокой частотой вращения двигателя и изменяемой синхронизацией зажигания, чтобы дополнительно усилить сопротивление детонации топлива.В зависимости от состава топлива MON современного бензина будет примерно на 8-10 пунктов ниже, чем RON. Обычно характеристики топлива требуют как минимум RON, так и минимум MON.

В большинстве стран (включая всю Европу и Австралию) "заголовок" октанового числа, отображаемый на насосе, - это RON, но в Соединенных Штатах, Канаде и некоторых других странах заголовок представляет собой среднее значение RON и RON. MON, иногда называемый антидетонационным индексом (AKI), октановым числом дороги (RdON), октановым числом насоса (PON) или (R + M) / 2.Из-за разницы в 8-10 пунктов, указанной выше, октановое число, указанное в Соединенных Штатах, на 4-5 пунктов ниже, чем у того же топлива в других странах: топливо с октановым числом 87, «обычный» бензин в США и Канаде, составляет 91-92 дюйма. Европа. Однако большинство европейских насосов поставляют 95 (RON) как «обычные», что эквивалентно 90-91 US (R + M) / 2, а некоторые даже обеспечивают 98 (RON) или 100 (RON).

Топливо может иметь RON более 100, поскольку изооктан не является наиболее устойчивым к детонации веществом.Гоночное топливо, AvGas, LPG и спиртосодержащие топлива, такие как метанол или этанол, могут иметь октановое число 110 или значительно выше - RON этанола составляет 129 (MON 102, AKI 116). Типичные добавки для повышения октанового числа бензина включают тетраэтилсвинец, МТБЭ и толуол. Тетраэтилсвинец (присадка, используемая в этилированном бензине) легко разлагается на составляющие его радикалы, которые вступают в реакцию с радикалами топлива и кислородом, которые запускают горение, тем самым задерживая воспламенение и приводя к увеличению октанового числа.Однако тетраэтилсвинец и его побочные продукты являются положительными, и использование тетраэтилсвинца создает опасность для окружающей среды. Начиная с 1970-х годов его использование в Соединенных Штатах и ​​большинстве промышленно развитых стран было ограничено. Его использование в настоящее время ограничивается добавкой к авиационному бензину.

Октановое число

- wikidoc

Обзор

Октановое число является мерой устойчивости к самовоспламенению бензина и других видов топлива, используемых в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием.Это мера защиты от детонации бензина или топлива.

Октановое число - это число, дающее объемное процентное содержание изооктана в смеси изооктана и нормального гептана, которое будет иметь такую ​​же антидетонационную способность, что и рассматриваемое топливо. Например, бензин с такими же детонационными характеристиками, что и смесь 90% изооктана и 10% гептана, будет иметь октановое число 90. [1]

Определение октанового числа

Октановое число топлива для двигателей с искровым зажиганием - это детонационная стойкость (антидетонационная способность) по сравнению со смесью изооктана (2,2,4-триметилпентан, изомер октана) и н-гептана.По определению изооктану присваивается октановое число 100, а гептану - нулевое октановое число. Например, бензин с октановым числом 87 обладает такой же антидетонационной стойкостью, что и смесь 87% (по объему) изооктана и 13% (по объему) н-гептана. Однако это не означает, что бензин действительно содержит эти углеводороды в этих пропорциях. Это просто означает, что она имеет такое же сопротивление самовоспламенению, что и описанная смесь.

Высокая склонность к самовоспламенению или низкое октановое число нежелательны для двигателя с искровым зажиганием, но желательны для дизельного двигателя.Стандарт качества сгорания дизельного топлива - цетановое число. Дизельное топливо с высоким цетановым числом имеет высокую склонность к самовоспламенению, что является предпочтительным.

Следует отметить, что октановое число не связано ни с содержанием энергии в топливе (см. Теплотворную способность), ни со скоростью, с которой пламя, инициированное свечой зажигания, распространяется по цилиндру. Это всего лишь мера сопротивления топлива самовоспламенению. Именно по этой причине одна сильно разветвленная форма или изомер октана (2,2,4-триметилпентан) имеет (по определению) октановое число 100, тогда как н-октан (см. Октан), который имеет линейное расположение из 8 атомов углерода имеет октановое число -10, несмотря на то, что два топлива имеют точно такую ​​же химическую формулу и практически идентичные теплотворные способности и скорость пламени.

Методы измерения

Наиболее распространенным типом октанового числа во всем мире является октановое число по исследовательскому методу ( RON ). RON определяется путем запуска топлива в испытательном двигателе с переменной степенью сжатия в контролируемых условиях и сравнения этих результатов с результатами для смесей изооктана и н-гептана.

Существует еще один тип октанового числа, называемый Моторное октановое число ( MON ) или авиационное бедное октановое число, которое является лучшим показателем того, как топливо ведет себя под нагрузкой.При испытании MON используется двигатель, аналогичный тому, который использовался при испытании RON, но с предварительно нагретой топливной смесью, более высокой частотой вращения двигателя и изменяемой синхронизацией зажигания, чтобы дополнительно усилить сопротивление детонации топлива. В зависимости от состава топлива MON современного бензина будет примерно на 8-10 пунктов ниже, чем RON. Обычно характеристики топлива требуют как минимум RON, так и минимум MON.

В большинстве стран (включая всю Европу и Австралию) «заголовок» октанового числа, который будет отображаться на насосе, - это RON, но в США, Канаде и некоторых других странах заголовок представляет собой среднее значение RON и MON, иногда называемый Anti-Knock Index ( AKI ), Road Octane Number ( RdON ), Octane Number ( PON ) или (R + M) / 2 .Из-за разницы в 8-10 баллов, указанной выше, это означает, что октановое число в Соединенных Штатах будет примерно на 4-5 пунктов ниже, чем у того же топлива в других странах: топливо с октановым числом 87, «обычный» бензин в США и Канаде, будет быть 91-92 в Европе. Однако большинство европейских насосов выдают 95 (RON) как «обычные», что эквивалентно 90-91 US (R + M) / 2, и даже 98 (RON) или 100 (RON).

Октановое число также может быть «торговым наименованием», фактическое значение которого выше номинального. [ необходима ссылка ]

Для топлива возможно RON больше 100, потому что изооктан не является наиболее устойчивым к детонации веществом. Гоночные виды топлива, этанол, сжиженный нефтяной газ (LPG) обычно имеют октановое число 110 или значительно выше - этанол с RON составляет 129 (MON 102, AKI 116) [1]. Типичные добавки для повышения октанового числа включают тетраэтилсвинец, МТБЭ и толуол. Тетраэтилсвинец легко разлагается на составляющие его радикалы, которые реагируют с радикалами топлива и кислородом, которые могут начать горение, тем самым задерживая воспламенение.Вот почему этилированный бензин имеет более высокое октановое число, чем неэтилированный.

Примеры октанового числа

Октановое число н-гептана и изооктана по определению равно 0 и 100 соответственно. Для некоторых других углеводородов в следующей таблице [2] [3] даны оценки «AKI».

* Водород представляет собой парадокс. Как топливо, он имеет низкую детонационную стойкость [2] [3] из-за его низкой энергии воспламенения (в первую очередь из-за низкой энергии диссоциации) и чрезвычайно высокой скорости пламени.Однако в качестве второстепенного компонента смеси (т. Е. Двухтопливного транспортного средства) водород повышает общую стойкость к детонации. Скорость пламени ограничена остальными компонентами; водород может уменьшить детонацию за счет своей высокой теплопроводности. Эти свойства очень желательны для ракетных двигателей, но нежелательны для двигателей с циклом Отто.

Влияние октанового числа

Шаблон: Refimprovesect Более высокое октановое число коррелирует с более высокой энергией активации. Энергия активации - это количество энергии, необходимое для начала химической реакции.Поскольку топливо с более высоким октановым числом имеет более высокую энергию активации, маловероятно, что данное сжатие вызовет детонацию. (Обратите внимание, что важно абсолютное давление (сжатие) в камере сгорания, а не степень сжатия. Степень сжатия определяет только максимальное сжатие, которое может быть достигнуто).

Октан Рейтинг не оказывает прямого влияния на горение (горение) топливовоздушной смеси в камере сгорания. Другие свойства бензина и конструкции двигателя определяют способ, при котором происходит горение.Другими словами, скорость пламени нормально воспламеняемой смеси не связана напрямую с октановым числом. Дефлаграция - это тип возгорания, который представляет собой нормальный ожог. Детонация - это другой тип горения, и этого следует избегать в бензиновых двигателях с искровым зажиганием. Октановое число является мерой сопротивления детонации, а не дефлаграционных характеристик.

Может показаться странным, что топливо с более высоким октановым числом менее легко взрывается и, следовательно, является более мощным. Одно простое объяснение этого эффекта заключается в том, что различные виды топлива могут обеспечивать разное тепло (следовательно, энергию) при разных уровнях сжатия.По мере того, как степень сжатия увеличивается на многих видах топлива, увеличивается и количество тепла (энергии) на единицу измерения топлива. Топливо, сжигаемое при нормальном давлении на уровне моря, производит меньше энергии, чем топливо, сжигаемое в точке предварительного воспламенения. Наилучшее энергетическое давление (степень сжатия) для топлива находится в точке, где двигатель "звенит". Каждое топливо со своим сопротивлением преждевременному воспламенению требует своей идеальной степени сжатия. Однако это не всегда то, что требуется для уровней выбросов. Двигатель должен быть сконструирован таким образом, чтобы он работал в пределах степени сжатия топлива и уровней выбросов.

Другое простое объяснение состоит в том, что углерод-углеродные связи содержат больше энергии, чем углерод-водородные связи. Следовательно, топливо с большим количеством углеродных связей будет нести больше энергии независимо от октанового числа. Моторное топливо премиум-класса часто будет иметь как более высокое октановое число, так и большую энергию. Противоположным примером этому правилу является то, что топливо из смеси этанола имеет более высокое октановое число, но имеет более низкое содержание энергии по объему (на литр или галлон). Это связано с тем, что этанол является частично окисленным углеводородом, что можно увидеть, отметив присутствие кислорода в химической формуле: C 2 H 5 OH.Обратите внимание на замену гидроксильной группы ОН на водород H, который превращает газообразный этан (C 2 H 6 ) в этанол. В определенной степени топливо с более высоким содержанием углерода будет более плотным, чем топливо с более низким содержанием углерода. Таким образом, можно создавать высокооктановые топлива, которые переносят меньше энергии на литр, чем топлива с более низким октановым числом. Это, безусловно, относится к топливу из смеси этанола (газохол), однако также возможно использование топлива без этанола и кислорода.

Спиртовое топливо, такое как метанол и этанол, является частично окисленным топливом, и его необходимо использовать с гораздо более богатыми смесями, чем бензин.Как следствие, общий объем топлива, сжигаемого за цикл, уравновешивает более низкую энергию на единицу объема, а чистая энергия, высвобождаемая за цикл, выше. Если бензин работает с предпочтительной максимальной мощностью воздушно-топливной смеси 12,5: 1, он выделяет приблизительно 20 МДж (около 19 000 БТЕ) энергии, тогда как этанол, работающий с его предпочтительной максимальной мощностью смеси 6,5: 1, высвобождает примерно 25,7 МДж. (24 400 БТЕ), а метанол при AFR 4,5: 1 высвобождает около 29,1 МДж (27 650 БТЕ). [ необходима ссылка ] Чтобы учесть эти различия, иногда используется показатель, называемый удельной энергией топлива.Он определяется как энергия, выделяемая при соотношении воздух / топливо.

Использование топлива с более высоким октановым числом позволяет двигателю работать с более высокой степенью сжатия без проблем с детонацией. Фактическое сжатие в камере сгорания определяется степенью сжатия, а также количеством ограниченного воздуха во впускном коллекторе (вакуум во впускном коллекторе), а также барометрическим давлением, которое является функцией высоты над уровнем моря и погодных условий.

Сжатие напрямую связано с мощностью (см. Настройку двигателя), поэтому двигатели, которым требуется более высокое октановое число, обычно обеспечивают большую мощность.Мощность двигателя зависит от топлива, а также от конструкции двигателя и связана с октановым числом топлива. Мощность ограничена максимальным количеством топливовоздушной смеси, которое может быть нагнетено в камеру сгорания. При частичной нагрузке вырабатывается лишь небольшая часть всей доступной мощности, поскольку коллектор работает при давлениях намного ниже атмосферного. В этом случае требуемое октановое число намного ниже, чем имеющееся. Только когда дроссельная заслонка полностью открыта и давление в коллекторе увеличивается до атмосферного (или выше в случае двигателей с наддувом или с турбонаддувом), достигается полное октановое число.

Многие высокопроизводительные двигатели рассчитаны на работу с высокой максимальной степенью сжатия и, следовательно, нуждаются в высококачественном (высокоэнергетическом) топливе, обычно связанном с высокими октановыми числами, и, следовательно, требуют высокооктанового бензина премиум-класса. Этанол с октановым числом 116 мог бы быть высокоэффективным топливом, если бы двигатели были спроектированы со степенью сжатия 14: 1, что, возможно, улучшило бы пробег, чтобы конкурировать с бензином. Двигатель Оффенхаузера имел соотношение 15: 1 и сжигал метанол. Выходная мощность двигателя зависит от содержания энергии в его топливе, и это не имеет простого отношения к октановому числу.Общее понимание, которое может применяться только в ограниченных обстоятельствах среди потребителей бензина, заключается в том, что добавление топлива с более высоким октановым числом в двигатель транспортного средства увеличит его производительность и / или уменьшит его расход топлива; это может быть неверным в большинстве условий - хотя двигатели лучше всего работают при использовании топлива с тем октановым числом, для которого они были разработаны, и любое увеличение производительности за счет использования топлива с другим октановым числом является минимальным или даже мнимым, если только нет горячих точек углерода, засорение топливной форсунки или другие условия, которые могут вызвать бедную ситуацию, которая может вызвать детонацию, которая чаще встречается в транспортных средствах с большим пробегом, что может привести к замедлению синхронизации современных автомобилей, что приведет к потере как отзывчивости, так и экономии топлива.Это также не относится к автомобилям с турбонаддувом, которым при определенных обстоятельствах может быть позволено разгоняться быстрее из-за внешних температур.

Использование высокооктанового топлива для двигателя имеет значение, когда двигатель развивает максимальную мощность или когда он находится под высокой нагрузкой, такой как подъем на большой холм или чрезмерный вес. Это произойдет, когда впускной коллектор не имеет ограничения для воздуха и работает при минимальном вакууме. В зависимости от конструкции двигателя это конкретное обстоятельство может быть где угодно в диапазоне оборотов, но обычно его легко определить, если вы можете изучить распечатку выходной мощности (значений крутящего момента) двигателя.Например, в типичном высокооборотном двигателе мотоцикла максимальная мощность достигается в точке, где движения впускных и выпускных клапанов синхронизируются таким образом, чтобы максимизировать компрессионную нагрузку цилиндра; хотя поршень уже поднимается в то время, когда впускной клапан закрывается, скорость движения заряда, поступающего в цилиндр, достаточно высока, чтобы продолжать загружать топливовоздушную смесь.

В этом случае, если используется топливо с октановым числом ниже рекомендованного, двигатель будет стучать.Современные двигатели имеют антидетонационные средства, встроенные в системы управления, и это обычно достигается за счет динамической корректировки двигателя под нагрузкой за счет увеличения топливно-воздушной смеси и замедления искры. Вот ссылка на официальный документ, в котором приводится пример: [4]. В этом примере максимальная мощность двигателя снижается примерно на 4% при переключении топлива с октанового числа с 93 на 91 (11 л.с., с 291 до 280 л.с.). Если двигатель работает ниже максимальной нагрузки, разница в октановом числе будет иметь еще меньшее влияние.В приведенном примере не указано, на какой высоте проводится испытание или какое атмосферное давление. На каждые 1000 футов высоты атмосферное давление будет падать чуть менее чем на 11 кПа / км (1 дюйм рт. Ст.). Двигатель, которому может потребоваться октановое число 93 на уровне моря, может работать максимально на топливе с октановым числом 91, если высота над уровнем моря превышает, скажем, 1000 футов. См. Также статью APC.

Октановое число было разработано химиком Расселом Маркером из Ethyl Corporation в 1926 году.Выбор n -гептана в качестве нулевой точки шкалы был обусловлен наличием n -гептана очень высокой чистоты, не смешанного с другими изомерами гептана или октана, дистиллированного из смолы Джеффри Пайн. Другие источники гептана, полученные из сырой нефти, содержат смесь различных изомеров с сильно различающимися характеристиками, которые не могут дать точную нулевую точку.

Региональные варианты

Октановое число

может сильно различаться от региона к региону.Например, минимальное октановое число, доступное на большей части территории Соединенных Штатов, составляет 87 AKI, а максимальное - 93. Однако это не означает, что газ отличается.

В штатах Роки-Маунтин (большая высота) октановое число 85 является минимальным октановым числом, а 91 - максимальным октановым числом, доступным в топливе. Причина этого в том, что в высокогорных районах типичный двигатель внутреннего сгорания потребляет меньше воздуха за цикл из-за пониженной плотности атмосферы. Это напрямую приводит к снижению абсолютной компрессии в цилиндре, что предотвращает детонацию.Безопасно заправлять автомобиль карбюратором, который обычно потребляет 87 единиц топлива AKI на уровне моря и 85 единиц топлива AKI в горах, но на уровне моря топливо может вызвать повреждение двигателя. Недостатком этой стратегии является то, что большинство автомобилей с турбонаддувом не могут развивать полную мощность даже при использовании «премиального» топлива 91 AKI. В некоторых штатах восточного побережья доступно до 94 AKI [5]. В некоторых частях Среднего Запада (в основном Миннесота, Иллинойс и Миссури) доступно топливо E-85 на основе этанола с 105 AKI [6].

Заправочные станции в Калифорнии будут предлагать топливо с октановым числом 87, 89 и 91, а на некоторых заправках - топливо с октановым числом 100 и выше, продаваемое как гоночное топливо. До 2003 или 2004 года вместо 91 предлагалось октановое число 92.

Обычно октановое число в Европе выше, чем в Северной Америке и большинстве других частей мира. Это особенно верно при сравнении самого низкого доступного октанового числа в каждой стране. Во многих частях Европы 95 RON (90-91 AKI) является минимальным доступным стандартом, при этом 97/98 является более высокой спецификацией (называется Super Unleaded ).В Германии крупные поставщики, такие как Shell или Aral, предлагают бензин с октановым числом 100 (Shell V-Power, Aral Ultimate) почти на каждой заправке. В Австралии широко распространено «обычное» неэтилированное топливо с октановым числом 91, неэтилированное топливо высшего качества с октановым числом 95 широко распространено. Shell продает бензин с октановым числом 100 на небольшом количестве автозаправочных станций, большинство из которых расположены в столицах. В Малайзии «обычное» неэтилированное топливо имеет RON 92, а «премиальное» топливо - 97 RON. В других странах стоимость «обычного» неэтилированного бензина, если таковой имеется, иногда составляет всего 85 RON (по-прежнему доступно более обычное топливо - 95 и более высокое качество - около 98).В России и странах СНГ 80 RON (76 AKI) - минимально доступный и стандартный.

Следует отметить, что этот более высокий рейтинг, наблюдаемый в Европе, является артефактом другой базовой процедуры измерения. В большинстве стран (включая всю Европу и Австралию) "заголовок" октанового числа, который будет отображаться на насосе, - это RON , но в Соединенных Штатах, Канаде и некоторых других странах заголовочное число является средним для RON. и MON , иногда называемые антидетонационным индексом (AKI), дорожным октановым числом (RdON), октановым числом насоса (PON) или (R + M) / 2.Из-за разницы в 8-10 баллов, указанной выше, это означает, что октановое число в Соединенных Штатах будет примерно на 4-5 пунктов ниже, чем у того же топлива в других странах: топливо с октановым числом 87, «обычный» бензин в США и Канаде, будет быть 91-92 в Европе. Однако большинство европейских насосов поставляют 95 (RON) как «обычные», что эквивалентно 90-91 US (R + M) / 2, и поставляют 98 (RON), 99 или 100 (RON) с маркировкой Super Unleaded .

В Соединенном Королевстве нефтяная компания BP в настоящее время опробует публичные продажи сверхвысокооктанового бензина BP Ultimate Unleaded 102 , который, как следует из названия, имеет октановое число 102.Хотя BP Ultimate Unleaded (с октановым числом 97) и BP Ultimate Diesel широко доступны по всей Великобритании, BP Ultimate Unleaded 102 (по состоянию на октябрь 2007 г.) доступен только на всей территории Великобритании на 10 заправочных станциях.

Список литературы

См. Также

Внешние ссылки

Октановое число некоторых углеводородов

  1. Нефть и уголь
  2. Очистка и испытания бензина

Общая информация

  1. Бензин FAQ
  2. Как работает Octane в HowStuffWorks.com

Кху, Кенни К. Понимание Octane и связанных с ним компонентов. Йеллоунайф: Смитсоновская пресса, 2006.

сотка: رقم أوكتان ca: Índex d'octà cs: Oktanové číslo da: Октанталь de: Oktanzahl el: Αριθμός οκτανίου fa: عدد اکتان hr: Oktanski broj id: Октан это: Numero di ottano lv: Oktānskaitlis hu: Oktánszám мс: Пенарафан октана nl: октаангетальный нет: Октанталл sk: Oktánové číslo fi: Oktaaniluku sv: Октанталь Шаблон: WH Шаблон: WS

Использование бутана в качестве альтернативного топлива - Выбросы из транспортного средства с использованием различных смесей

В этом документе описаны эксперименты, проведенные для определения регулируемых выбросов, озонообразовательных потенциалов, удельной реактивности и поправочных коэффициентов реактивности для восьми смесей альтернативного топлива бутана и пропана, работающих на маломощном транспортном средстве, выбросы которого сертифицированы как переходное транспортное средство с низким уровнем выбросов в Калифорнии. (TLEV) и переоборудован для работы на сжиженном углеводородном газе (LPG).Дублирующиеся испытания EPA FTP на выбросы проводились с каждым топливом. Спецификация углеводородов использовалась для определения выбросов неметановых органических газов (NMOG) с поправкой на реактивность для одного испытания на каждом топливе. Результаты показали, что все восемь видов топлива могут позволить переоборудованному автомобилю соответствовать стандартам NMOG и оксидам азота (NO x ) Калифорнии для транспортных средств со сверхнизкими выбросами (ULEV). Шесть из восьми видов топлива могут позволить автомобилю соответствовать стандартам ULEV по оксиду углерода (CO).

БУТАН был важным компонентом смеси бензинов на протяжении многих лет.Бутан с октановым числом 92 и высоким давлением паров смеси используется для повышения октанового числа бензиновых смесей и для облегчения холодного пуска в зимнее время. Из-за требований к реформулированному бензину для более низкого давления паров топлива промышленность была вынуждена удалять все большее количество бутана из резервуара с бензином. Как ни парадоксально, но бутан - один из самых чистых компонентов бензина при горении. Эта растущая неспособность использовать бутан в моторном топливе представляет собой как экономические, так и экологические потери.

Помимо бензина с измененным составом и чистого дизельного топлива, сжиженный нефтяной газ (СНГ) является наиболее широко используемым альтернативным топливом в Соединенных Штатах. Основным компонентом сжиженного нефтяного газа, используемого для этой цели, является пропан. Пропан имеет множество свойств, которые делают его привлекательным автомобильным топливом. Поскольку это относительно простой вид, двигатели и системы нейтрализации выхлопных газов могут быть спроектированы таким образом, чтобы сжигать его чисто. Он также очень медленно реагирует в атмосфере, поэтому в городах он имеет тенденцию образовывать меньше озона на уровне земли.Пропан также хранится на борту в виде жидкости при температуре окружающей среды в системе под давлением; поэтому, по определению, он не производит выбросов в результате испарения. Как жидкость, он имеет хорошее объемное энергосодержание, поэтому запас хода транспортного средства улучшен по сравнению со многими другими альтернативными видами топлива. Октановое число пропана на дорогах превышает 100, поэтому мощность транспортного средства может быть оптимизирована для транспортных средств, оборудованных для использования этого свойства. Существует также широкая система распределения пропана, поэтому заправка автомобиля осуществляется более легко, чем с большинством альтернатив.

Важно отметить, однако, что существуют препятствия, которые могут препятствовать росту пропана в качестве моторного топлива. Есть и другие развитые, зрелые рынки пропана, такие как его использование в качестве топлива для отопления или химического сырья. Пропан производится как побочный продукт при добыче природного газа или переработке нефти. Дополнительный спрос может вызвать дефицит и / или рост цен, поскольку маловероятно, что любой из этих двух источников будет наращиваться исключительно для производства большего количества пропана. Несмотря на то, что запас хода автомобилей хороший, он остается на три четверти по сравнению с обычными бензиновыми автомобилями.Эти ограничения ограничивают внедрение автомобилей на сжиженном нефтяном газе.

Внимательное рассмотрение использования бутана в качестве моторного топлива показывает, что он должен обладать многими положительными качествами пропана. Бутан также является единственным относительно простым химическим веществом, поэтому теоретически двигатели и катализаторы выхлопных газов могут быть оптимизированы с его использованием для снижения выбросов. Он также имеет относительно низкую реакционную способность в атмосфере и, как пропан, будет храниться на борту в виде жидкости под давлением. Следовательно, транспортное средство, работающее на бутане, также не будет иметь выбросов в результате испарения и также может быть классифицировано как транспортное средство с низким уровнем выбросов (ILEV).Бутан имеет большее объемное энергосодержание, чем пропан, поэтому диапазон транспортного средства может быть расширен по сравнению с пропаном. Поскольку давление хранения бутана ниже, чем у пропана, есть возможность использовать то же оборудование для доставки и заправки бутана, которое в настоящее время используется для пропана.

Бутан, как правило, находится в небольшом избытке на ежегодной основе в США, и этот избыток должен увеличиваться по мере снижения летучести бензина. По прогнозам, в этом году дисбаланс составит 100 000 баррелей в день и увеличится на 20 процентов к 2000 году. (1) * Хотя бутан используется в качестве химического сырья, он не нашел широкого применения в качестве топлива для отопления, как пропан. Как и пропан, производство бутана связано с добычей природного газа и переработкой нефти. Однако производство бутана легче переключить между бензином и чистым продуктом, чем пропаном. Это могло бы позволить поставке бутана более легко уравновесить спрос, чем пропана.

нефтепереработка | Определение, история, процессы и факты

История

Перегонка керосина и нафты

Переработка сырой нефти обязана своим происхождением успешному бурению первых нефтяных скважин в Онтарио, Канада, в 1858 году и в Титусвилле, штат Пенсильвания, США.S., в 1859 году. До этого времени нефть была доступна только в очень малых количествах за счет естественного просачивания подповерхностной нефти в различных областях по всему миру. Однако такая ограниченная доступность ограничивала использование нефти в медицинских и специальных целях. С открытием «каменной нефти» на северо-западе Пенсильвании сырая нефть стала доступной в достаточном количестве, чтобы вдохновить на разработку крупномасштабных систем переработки. На первых нефтеперерабатывающих заводах использовались простые перегонные установки, или «кубы», для разделения различных компонентов нефти путем нагревания смеси сырой нефти в сосуде и конденсации образовавшихся паров в жидкие фракции.Первоначально основным продуктом был керосин, который оказался более распространенным, более чистым ламповым маслом и более стабильным качеством, чем китовый жир или животный жир.

Самым низкокипящим сырьевым продуктом из перегонного куба была прямогонная нафта, предшественник необработанного бензина (бензина). Его первоначальное коммерческое применение было в первую очередь в качестве растворителя. Было обнаружено, что высококипящие материалы эффективны в качестве смазочных материалов и жидкого топлива, но поначалу они были в основном новинками.

Совершенствование техники бурения нефтяных скважин быстро распространилось на Россию, и к 1890 году нефтеперерабатывающие заводы уже производили большое количество керосина и мазута.Развитие двигателя внутреннего сгорания в последние годы 19 века создало небольшой рынок сырой нафты. Но развитие автомобилей на рубеже веков резко увеличило спрос на качественный бензин, и это, наконец, предоставило пристанище нефтяным фракциям, которые были слишком летучими для включения в керосин. По мере роста спроса на автомобильное топливо были разработаны методы непрерывной перегонки сырой нефти.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишись сейчас

Переход на легкое топливо

После 1910 года спрос на автомобильное топливо стал превышать потребности рынка в керосине, и нефтепереработчики были вынуждены разрабатывать новые технологии для увеличения выхода бензина. Самый ранний процесс, называемый термическим крекингом, заключался в нагревании более тяжелых нефтей (для которого требовалось мало рыночных требований) в реакторах под давлением и, таким образом, в крекинге или расщеплении их больших молекул на более мелкие, которые образуют более легкие и более ценные фракции, такие как бензин, керосин и легкое промышленное топливо.Бензин, полученный путем крекинга, лучше работает в автомобильных двигателях, чем бензин, полученный прямой перегонкой сырой нефти. Разработка более мощных авиационных двигателей в конце 1930-х годов вызвала потребность в повышении характеристик сгорания бензина и стимулировала разработку топливных присадок на основе свинца для улучшения характеристик двигателя.

В 1930-е годы и во время Второй мировой войны сложные процессы очистки с использованием катализаторов привели к дальнейшему повышению качества транспортного топлива и дальнейшему увеличению его предложения.Эти усовершенствованные процессы, включая каталитический крекинг тяжелых масел, алкилирование, полимеризацию и изомеризацию, позволили нефтяной промышленности удовлетворить потребности в высокопроизводительных боевых самолетах и, после войны, поставлять все большее количество транспортного топлива.

1950-е и 60-е годы вызвали большой спрос на авиакеросин и высококачественные смазочные масла. Продолжающийся рост спроса на нефтепродукты также усилил потребность в переработке более широкого ассортимента сырой нефти в высококачественные продукты.Каталитический риформинг нафты заменил более ранний процесс термического риформинга и стал ведущим процессом улучшения качества топлива для удовлетворения потребностей двигателей с более высокой степенью сжатия. Гидрокрекинг, процесс каталитического крекинга, проводимый в присутствии водорода, был разработан как универсальный производственный процесс для увеличения выхода бензина или реактивного топлива.

К 1970 году нефтеперерабатывающая промышленность прочно утвердилась во всем мире. Поставка сырой нефти для переработки в нефтепродукты достигла почти 2.3 миллиарда тонн в год (40 миллионов баррелей в день), с основной концентрацией нефтеперерабатывающих заводов в большинстве развитых стран. Однако, когда мир осознал влияние промышленного загрязнения на окружающую среду, нефтеперерабатывающая промышленность стала основным направлением перемен. Нефтепереработчики добавили установки гидроочистки для извлечения сернистых соединений из своих продуктов и начали производить большие количества элементарной серы. Сточные воды и выбросы углеводородов и продуктов сгорания в атмосферу также стали предметом повышенного технического внимания.Кроме того, пристальному вниманию подверглись многие очищенные продукты. Начиная с середины 1970-х годов, нефтепереработчики в Соединенных Штатах, а затем и во всем мире были обязаны разрабатывать технологии производства высококачественного бензина без использования свинцовых присадок, а начиная с 1990-х годов от них требовалось делать значительные инвестиции в полное производство бензина. изменение состава транспортного топлива с целью минимизации выбросов в окружающую среду. Из отрасли, которая когда-то производила единственный продукт (керосин) и утилизировала нежелательные побочные продукты любым возможным способом, нефтепереработка превратилась в одну из наиболее строго регулируемых отраслей обрабатывающей промышленности в мире, тратя значительную часть своих ресурсов на сокращение его влияние на окружающую среду, поскольку он обрабатывает около 4.6 миллиардов тонн сырой нефти в год (примерно 80 миллионов баррелей в день).

В чем разница между сортами бензина?

Обновлено 26 марта 2020 г.

Автор: Rosann Kozlowski

Проверено: Lana Bandoim, B.S.

Обычно на заправке можно увидеть несколько видов топлива, но в чем разница между сортами бензина? Понимание того, почему один тип бензина отличается от другого, разницы в цене между ними и преимуществ для автомобиля, может помочь вам во время следующей поездки на заправку.

Тип бензина

Обычным видом топлива на заправках обычно является обычного, среднего и высшего сорта. Топливо оценивается по маркам и по октановому числу. Это среднее октановое число, указанное ниже:

  • Обычный газ: октановое число 87, среднее значение от 85 до 88
  • Газ среднего или плюсового качества: октановое число 89, среднее значение от 88 до 90
  • Газ премиум-класса: октановое число 92 , в среднем от 91 до 94

Октан Значение и состав бензина

Два основных компонента бензина - это жидкости гептан и изооктан (2,2,4-триметилпентан).Октановое число - это отношение гептана к изооктану. Октановое число 87 составляет 87 процентов изооктана и 13 процентов гептана.

Все марки бензина в основном представляют собой смесь углеводородов и присадок, таких как этанол. Как следует из названия, углеводороды - это молекулы, содержащие как углерод, так и водород.

Точный состав бензина варьируется в зависимости от климата и экологических норм, но приблизительно составляет 15 процентов C 4 - C 8 линейных алканов, 40 процентов C 4 - C 10 разветвленных алканов, 10 процентов циклоалканов, 25 процентов ароматических углеводородов и 10 процентов линейных и циклических алкенов.

Переработка бензина

Весь бензин получают из сырой нефти , образованной из останков растений и животных, находящихся под большим давлением в течение миллионов лет, которая содержит смесь углеводородов с длинной и короткой цепями. От того, как масло обрабатывается и перерабатывается на нефтеперерабатывающем заводе, зависит качество бензинового топлива.

Процесс восстановления этих различных продуктов называется фракционной перегонкой . Здесь сырая нефть закачивается в печь и нагревается до высоких температур (более 600 градусов по Фаренгейту, 316 градусов по Цельсию).Большинство молекул углеводородов испаряются и поднимаются во фракционирующую колонну. Когда испаренные молекулы поднимаются вверх по этой колонне высотой 100 (или более) футов, более тяжелые молекулы будут конденсироваться на более низких уровнях, а более легкие углеводороды будут на более высоких уровнях.

Баррель сырой нефти объемом 42 галлона можно превратить примерно в 20 галлонов автомобильного бензина, 12 галлонов дистиллятного топлива (дизельного топлива), 4 галлона авиакеросина и других продуктов. Дополнительная стоимость бензина с более высоким октановым числом связана с расходами на добавление октановых усилителей или дополнительных фракций разветвленных или ароматических углеводородов.

Влияние класса на автомобили

Октановое число является мерой стабильности топлива и противодетонационной способности . Низкое октановое число может легче воспламеняться при сжатии, что может вызвать стук в двигателе. Стук или стук происходят, когда происходит неравномерное сгорание, вызывающее неравномерные волны давления в цилиндре.

Автомобили со стандартными характеристиками оборудованы таким образом, чтобы использовать правильную степень сжатия для устранения сигналов внутреннего сгорания.Высокопроизводительные автомобили выигрывают от бензина премиум-класса, потому что их двигатели рассчитаны на более высокий уровень сжатия для дополнительной мощности.

Выбор правильной марки

Производитель автомобиля определяет марку бензина , необходимую для конкретного автомобиля. Использование правильного типа бензина поможет автомобилю плавно работать и защитит двигатель от ненужного ремонта.

Однако при нормальных условиях движения, если в качестве топлива предлагается обычный газ, использование премиального газа практически не дает никаких преимуществ.

Исторические заметки о бензине

Первоначально бензин выбрасывали при перегонке керосина. В 1890-х годах, с изобретением автомобиля, бензин считался ценным топливом.

В 1950-х годах свинец добавляли в бензин для улучшения характеристик автомобильных двигателей (в качестве антидетонационного агента). К середине 1990-х годов использование этилированного бензина было прекращено из-за проблем, связанных со здоровьем.

Топлива дизель-бензиновых двигателей и их свойства

\ n

2.Топливо на углеводородной основе

\ n

Топливные соединения, содержащие атомы углерода и водорода в своей основной молекулярной структуре, называются топливами на углеводородной основе. Углеводороды можно разделить на две основные группы: алифатические и ароматические. Алифатические углеводороды делятся на два подкласса: насыщенные и ненасыщенные углеводороды. Атом углерода в углеводороде называется насыщенным, если он связан с четырьмя атомами водорода, и ненасыщенным, если атомы углерода образовали двойные или тройные связи углерод-углерод.Насыщенные углеводороды классифицируются как алканы; непредельные углеводороды классифицируются как алкены или алкины [3, 4]. Углеводороды могут находиться в твердой, жидкой и газовой фазах в зависимости от количества атомов углерода в химической структуре. Обычно углеводороды с 1–4 атомами углерода находятся в газе, 5–19 - в жидкости, а молекулы с 20 и более атомами углерода - в твердой фазе [5]. C n H m - это общая замкнутая химическая формула жидких углеводородов, используемых в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания.Однако углеводороды состоят из водорода и углерода, а также небольших количеств O 2 , H 2 , S, H 2 O и некоторых металлов, содержащих производные сырой нефти [2]. На рисунке 1 представлена ​​классификация соединений углеводородов.

\ n
Рисунок 1.

Классификация углеводородов [3].

\ n \ n

2.1 Алканы (парафины)

\ n

Алканы - это насыщенные углеводороды с общей замкнутой формулой C n H 2n + 2 , также известные в литературе как парафины, которые добавляют суффикс «-an ”В конце латинских углеродных чисел.Алканы содержат больше водорода в своей химической структуре по сравнению с другими углеводородами, такое большое количество атомов водорода приводит к более высоким тепловым значениям и более низкой плотности, чем другие углеводороды (620–770 кг / м 3 ). По мере увеличения числа атомов углерода в углеводородной цепи свойства алканов, такие как склонность к самовоспламенению, молекулярная масса, а также точки плавления и кипения, увеличиваются. Каждое увеличение числа атомов углерода в углеводородной цепи вызывает повышение температуры кипения примерно на 20–30 ° C.Алканы нерастворимы в воде, потому что они неполярны. Среди неполярных молекул, таких как углеводороды и инертные газы, присутствуют силы Ван-дер-Ваальса, другими словами, силы дисперсии Лондона. Сила дисперсии представляет собой слабую межмолекулярную силу между всеми молекулами посредством временных диполей, индуцированных в атомах или молекулах. Силы рассеивания обычно выражаются как силы Лондона. Число электронов и площадь поверхности молекул являются наиболее важными факторами, влияющими на величину дисперсионных сил.Эти растягивающие силы напрямую влияют на температуру кипения этих материалов. Алканы могут существовать в форме с прямой, разветвленной и циклической цепью в зависимости от расположения атомов углерода. Силы Ван-дер-Ваальса более эффективны, чем разветвленные, потому что молекулярные поверхности алканов с прямой цепью больше контактируют друг с другом. Таким образом, температура кипения алканов с прямой цепью, имеющих одинаковую молекулярную массу, выше, чем у алканов с разветвленной цепью. Другими словами, по мере увеличения разветвления температура кипения уменьшается, потому что разветвленная структура делает молекулу более плотной.Однако увеличение разветвленности привело к сужению площади поверхности молекулы и снижению температуры кипения с уменьшением сил Ван-дер-Ваальса между ней и соседними молекулами. Склонность к воспламенению алканов с прямой цепью обычно выше, чем у алканов с разветвленной цепью, поскольку они легче расщепляются. В отличие от структур с прямой цепью молекул, структуры с разветвленной цепью и кольцами обладают более высокой стойкостью к воспламенению. Следовательно, алканы с прямой цепью больше подходят для использования в качестве дизельного топлива, чем в качестве бензинового топлива.Однако изомеры алканов, которые имеют одинаковую замкнутую формулу, но с разными разветвленными цепями и кольцами, более подходят для использования в качестве топлива для бензиновых двигателей, поскольку они обладают более высокой детонационной стойкостью. Свойство, определяющее, воспламеняется ли топливо самопроизвольно, называется октановым числом. Другими словами, это определяется как сопротивление воспламенению. Топливо с прямой длинной цепью обычно имеет более низкое октановое число, тогда как разветвленная структура имеет более высокое октановое число. Резюмируя это кратко, октановое число обычно обратно пропорционально длине цепи молекул топлива.Чем короче цепная структура молекул топлива, тем выше октановое число. Октановое число прямо пропорционально компонентам разветвленной боковой цепи. Кроме того, кольцевая молекулярная структура топлива приводит к высоким октановым числам. Алканы присутствуют в твердой, жидкой и газообразной форме в зависимости от их углеродного числа. Число углерода 1–4 присутствует в газе, 5–25 - в жидкой форме и более 25 - в твердой форме. Алканы содержат менее 4 атомов углерода в своем природном газе и нефтяных газах, 5–12 атомов в бензине, 12–20 атомов в дизельном топливе и 20–38 атомов в смазочных маслах [1, 2, 3, 4, 5, 6 , 7, 8].На рис. 2 показана молекулярная структура первых четырех алканов.

\ n
Рис. 2.

Молекулярная структура первых четырех алканов [8].

\ n \ n \ n

2.2 Нафтены (циклопарафины)

\ n

Другой тип алканов - это циклические структуры, которые имеют общую формулу C n H 2n . Два атома водорода отсутствуют в нормальных алканах, потому что их структуры имеют циклическую и замкнутую форму. Поскольку количество атомов водорода мало по сравнению с нормальными алканами, они имеют более низкие термические значения, но более высокие плотности (740–790 кг / м 3 ).Циклоалканы трудно разрушить из-за их структуры замкнутого цикла и они имеют более высокую стойкость к воспламенению, чем алканы с прямой цепью. Однако они также подходят как для бензина, так и для дизельного топлива, так как имеют более низкую стойкость к воспламенению, чем разветвленные. Тепловые показатели нафтенов ниже, чем у алканов, и выше, чем у ароматических углеводородов [2]. На рис. 3 показана циклическая молекулярная структура циклогексана.

\ n
Рис. 3.

Циклическая молекулярная структура циклогексана [5].

\ n \ n \ n

2.3 Алкены (олефины)

\ n

Алкены - это ненасыщенные углеводороды, которые имеют двойную связь между атомами углерода, показанную общей формулой C n H 2n . Олефины с одной двойной связью в молекулярной структуре называются моноолефинами (C n H 2n ), а олефины с двумя двойными связями называются диолефинами (C n H 2n-2 ). Название моноолефинов указывается после суффикса «en» или «ilen» в конце числа атомов углерода, тогда как название диолефинов получают путем присоединения суффикса «dien» к корням, показывающим число атомов углерода.Многие изомеры образуются за счет замещения двойных связей алкенов. Тепловые показатели алкенов ниже, чем у алканов, и их плотность составляет от 620 до 820 кг / м 3 из-за того, что отношение атомов углерода к атомам водорода выше в молекулярной структуре алкенов. Алкены обладают высокой стойкостью к возгоранию. Алкены менее устойчивы к окислению, чем алканы, поэтому они могут легко реагировать с кислородом. Таким образом, кислород присоединяется к алкенам и, как следствие, блокирует топливопровод.Алкены содержат двойные связи между атомами углерода, одна из которых сигма ( ), а другая - пи ( ). По этой причине он разрушается труднее, чем алканы с одинарной сигма-связью. Алкены могут использоваться в качестве топлива для бензиновых двигателей из-за высокой стойкости к воспламенению. Кроме того, его можно использовать как дизельное топливо за счет повышения температуры самовоспламенения. Наиболее важные свойства алкенов дают реакции присоединения с соединениями H 2 , X 2 , HX и H 2 O.Атомы углерода алкенов не полностью насыщены водородом. Следовательно, алкены легче ассоциировать с такими элементами, как водород, хлор и бром, поскольку они более химически активны, чем алканы и нафтены. Благодаря такой реакционной структуре они используются в качестве сырья для получения топлива более высокого качества с помощью таких методов, как гидрирование, полимеризация и алкилирование. Хотя алкены присутствуют в сырой нефти в очень малых количествах, обычно они могут быть получены способами термического и каталитического крекинга, которые представляют собой нагревание или катализатор посредством разложения крупномолекулярных продуктов.Алкены присутствуют в больших количествах в бензине, полученном этими методами. Высокая стойкость к воспламенению алкенов делает их хорошим бензиновым моторным топливом, но они также могут быть дизельным моторным топливом за счет увеличения склонности к воспламенению [1, 2, 3, 5, 9]. На рис. 4 показана молекулярная структура некоторых алкенов.

\ n
Рис. 4.

Молекулярная структура некоторых алкенов [5].

\ n \ n \ n

2.4 Алкины (ацетилены)

\ n

Алкины - это соединения, имеющие общую замкнутую формулу C n H 2n − 2 и имеющие по крайней мере одну тройную связь (C☰C) между углеродом атомы.Алкины являются ненасыщенными углеводородами из-за того, что все атомы углерода не имеют достаточного количества связей с водородом. Кроме того, у алкинов есть суффикс «-в», который добавляется в конец соединения и обозначается в соответствии с числом атомов углерода в самой длинной цепи. Самым простым и известным соединением является ацетилен (C 2 H 2 ). Алкины также могут называться производными ацетилена. Алкены более реакционноспособны, чем алканы и нафтены, потому что они ненасыщены. Таким образом, они могут легче реагировать с такими элементами, как водород, хлор и бром, с образованием соединения [3, 5, 9].На рис. 5 представлена ​​молекулярная структура некоторых алкенов.

\ n
Рис. 5.

Молекулярная структура некоторых алкинов [5].

\ n \ n \ n

2.5 Ароматические соединения (производные бензола)

\ n

В конце девятнадцатого века органические соединения были разделены на два класса: алифатические и ароматические. Алифатические соединения означают, что соединения проявляют «липароидное» химическое поведение, тогда как ароматические соединения означают низкое содержание водорода / углерода и «ароматные». Ароматические углеводороды представляют собой ненасыщенные углеводороды, имеющие двойные связи между атомами углерода, которые имеют замкнутую общую формулу C n H 2n-6 .Ароматические соединения связаны друг с другом ароматическими связями, а не одинарными связями. Другими словами, ароматические углеводороды также называют аренами. Хотя ароматические углеводороды являются ненасыщенными соединениями, они имеют другие химические свойства, чем другие алифатические ненасыщенные соединения. В отличие от алкенов и алкинов, ароматические углеводороды не дают реакции присоединения, которая является характерной реакцией для ненасыщенных соединений. Кроме того, ароматические углеводороды проводят реакции замещения, особенно характерные для насыщенных углеводородов. По этим причинам, а ароматические углеводороды более стабильны, чем другие ненасыщенные соединения, ароматические углеводороды были отнесены к отдельному классу углеводородов.Из-за наличия более чем одного атома углерода с двойной связью и циклической структуры они имеют прочную структуру связей и обладают высокой устойчивостью к воспламенению. Плотность ароматических углеводородов составляет от 800 до 850 кг / м 3 . Более высокие плотности в жидком состоянии обуславливают их высокое содержание энергии на единицу объема, но низкую тепловую ценность на единицу массы. Связи между атомами углерода прочные; ароматические углеводороды обладают высокой стойкостью к детонации. Следовательно, из-за высокого октанового числа ароматических углеводородов они могут быть хорошим бензиновым топливом с добавлением бензина для повышения детонационной стойкости, но они не подходят для использования в качестве топлива для дизельных двигателей из-за их низкого цетанового числа.Самым простым ароматическим соединением является бензол с химической формулой C 6 H 6 . Основные структуры других ароматических углеводородов также составляют бензол. Как правило, их можно получить искусственно из угля и использовать в качестве добавки к бензину для улучшения детонационной стойкости бензина. Ароматические углеводороды следует использовать осторожно, поскольку они канцерогены, вызывают загрязнение выхлопных газов, обладают высокой растворимостью и оказывают коррозионное воздействие на системы подачи топлива [1, 2, 3, 5, 6, 9].На рисунке 6 показана молекулярная структура некоторых важных ароматических соединений.

\ n
Рис. 6.

Молекулярная структура некоторых ароматических соединений [5].

\ n \ n \ n

3. Топливо двигателя внутреннего сгорания

\ n

Бензин и дизельное топливо, являющиеся производными сырой нефти, обычно используются в двигателях внутреннего сгорания. Примерная элементная структура средней сырой нефти состоит из 84% углерода, 14% водорода, 1–3% серы и менее 1% азота, атомов кислорода, металлов и солей.Сырая нефть состоит из широкого спектра углеводородных соединений, состоящих из алканов, алкенов, нафтенов и ароматических углеводородов. Это очень маленькие молекулярные структуры, такие как пропан (C 3 H 8 ) и бутан (C 4 H 10 ), но они также могут состоять из смесей различных структур с очень большими молекулами, таких как тяжелые нефти и асфальт. Следовательно, для использования в двигателях внутреннего сгорания сырую нефть необходимо перегонять. В результате тепловой перегонки сырой нефти получаются нефтепродукты, такие как нефтяные газы, реактивное топливо, керосин, бензин, дизельное топливо, тяжелое топливо, машинные масла и асфальт.В общем, перегонка сырой нефти привела к получению в среднем 30% бензина, 20–40% дизельного топлива и 20% мазута, а тяжелых масел получается от 10 до 20% [2, 5].

\ n

При перегонке сырой нефти получается бензин при температуре от 40 до 200 ° C, а дизельное топливо - при температуре от 200 до 425 ° C. Чтобы использовать эти виды топлива в двигателях, необходимо учитывать некоторые важные физические и химические свойства, такие как удельный вес топлива, структурный компонент, тепловая ценность, точка вспышки и температура сгорания, температура самовоспламенения, давление паров, вязкость топлива, поверхностное натяжение, температура замерзания и хладотекучесть.Удельная масса, плотность топлива уменьшается с увеличением содержания водорода в молекуле. Плотность бензина и дизельного топлива обычно указывается в кг / м 3 при 20 ° C. Номер Американского института нефти (API) - это международная система измерения, которая классифицирует сырую нефть по ее вязкости в соответствии с американскими стандартами. Удельный вес можно определить как отношение веса данного объема данного вещества при 15,15 ° C (60 ° F) к весу воды при том же объеме и температуре.Связь между числом API и удельным весом выражается следующим образом [1, 2, 5]:

\ n

\ n \ nУдельный вес \ n \ n \ n \ n15.15 \ n ℃ \ n / \ n15.15 \ n ℃ \ n \ n \ n = \ n \ n \ n \ nρ \ n образец \ n \ n \ n \ n15.15 \ n ℃ \ n \ n \ n \ n \ n \ nρ \ n вода \ n \ n \ n \ n15.15 \ n ℃ \ n \ n \ n \ n \ n \ nE1

\ n

\ n \ nAPI \ n = \ n \ n141,5 \ n \ nУдельный вес \ n \ n \ n \ n15.15 \ n ℃ \ n / \ n15.15 \ n ℃ \ n \ n \ n \ n \ n− \ n131,5 \ n \ nE2

\ n

Согласно номеру API, сырая нефть делится на три группы: тяжелая, средняя и легкая, и по мере увеличения количества API сырая нефть становится более жидкой.Степень API дизельного топлива варьируется от 25 до 45. Вязкость, цвет, основной компонент и определение сырой нефти в соответствии с классом API приведены в Таблице 1 [1, 5].

\ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n
Класс API Определение Вязкость Цвет Состав
0–22,3 ° Тяжелый Слишком вязкий Темный Асфальт
22.3–31,3 ° Средний Средний Коричневый Дизель + бензин
31,3–47 ° Легкий Жидкость Светло-желтый Бензин

Таблица 1.

Классификация сырой нефти по классу API [5].

\ n

В то время как плотность бензина составляет ρ = 700–800 кг / м 3 , она изменяется в пределах ρ = 830–950 кг / м 3 для дизельного топлива.В то время как содержание углерода в алкановом и нафтеновом топливе составляет 86%, для ароматических углеводородов оно составляет около 89%. Помимо атомов углерода и водорода, в бензине и дизельном топливе можно найти серу, асфальт и воду. В частности, сера может вызывать коррозию деталей двигателя, а продукты сгорания серы негативно влияют на окружающую среду. Асфальт прилипает к клапану на поверхностях поршня и вызывает износ. Вода вызывает коррозию и снижает тепловую ценность топлива. Это нежелательные компоненты топлива.Тепловые значения жидкого топлива даны в единицах массовой энергии (кДж / кг или ккал / кг), а тепловые значения газовых топлив - в единицах энергии (кДж / л, кДж / м 3 или ккал / м 3 ). Тепловая ценность топлива выражается двумя способами: более низкая и более высокая теплотворная способность. Если вода в топливе находится в парообразном состоянии в конце измерения, это дает более низкую тепловую ценность этого топлива. Когда вода в топливе конденсируется в конце измерения, она передает системе тепло испарения, а измеренное значение дает более высокую теплотворную способность топлива.В результате однофазный пар получается в капсуле калориметра в результате измерения тепловой величины, так что измеряется более низкая теплотворная способность. Двойная фаза (фаза жидкость-пар) получается так, что измеряется более высокая теплотворная способность. Когда температура топливовоздушной смеси достаточно высока, топливо начинает воспламеняться само без внешнего воспламенения. Эта температура называется температурой самовоспламенения (SIT) топлива, а время задержки сгорания топлива - задержкой воспламенения (ID).Термины SIT и ID являются важными характеристиками моторного топлива. Значения SIT и ID меняются в зависимости от таких переменных, как температура, давление, плотность, турбулентность, вращение, соотношение воздух-топливо и наличие инертных газов. Самовоспламенение - основное правило процесса сгорания в дизельных двигателях. Желательно, чтобы значение SIT было высоким для бензиновых двигателей и низким для дизельных двигателей. Температура самовоспламенения бензина составляет 550 ° С и выше [1, 2, 4].

\ n

В зависимости от типа бензинового или дизельного двигателя желаемые свойства топлива различаются.Наиболее важными свойствами бензиновых топлив являются такие свойства, как летучесть и детонационная стойкость, тогда как дизельные топлива должны обладать такими важными топливными свойствами, как вязкость, поверхностное натяжение и склонность к воспламенению. В бензиновом топливе летучесть и детонационная стойкость являются одними из наиболее важных параметров, влияющих на работу двигателя. Летучесть бензинового топлива влияет на скорость и количество испарения топлива во впускном канале и в цилиндре. Низкая летучесть топлива влияет на формирование достаточного количества воздушно-топливной смеси, но когда она очень летучая, она может препятствовать потоку топлива, создавая пузырьки пара во всасывающем канале при локальном повышении температуры.Когда фронт пламени продвигается во время горения, с увеличением температуры и давления внутри цилиндра, он сжимает воздух-топливо, которого фронт пламени еще не может достичь. Таким образом, топливо может составлять еще один фронт горения из-за того, что топливо самопроизвольно достигает температуры воспламенения из-за тепла и излучения. Скорости горения фронтов пламени в этих различных точках могут составлять 300–350 м / с, а давление в цилиндрах может возвратно-поступательно достигать 9–12 МПа. При таких высоких значениях скорости и давления фронты пламени гасятся, ударяясь друг о друга или о стенки камеры сгорания.Это демпфирование не только вызывает потерю энергии, но и увеличивает локальную теплопроводность. В результате этого ухудшаются характеристики двигателя. В бензиновых двигателях это явление называется детонацией и является нежелательной ситуацией. Химическая структура топлива существенно влияет на температуру самовоспламенения. Октановое число (ON) определяется как свойство топлива к детонационной стойкости или как хорошо воспламеняется само топливо. Октановое число обратно пропорционально длине цепи молекул топлива.Чем короче длина молекулярной цепи топлива, тем выше октановое число. Однако октановое число прямо пропорционально компоненту с разветвленной боковой цепью. Чем выше разветвленность в цепи молекулы, тем выше октановое число топлива. Другими словами, это приводит к более высокой детонационной стойкости топлива. Как правило, увеличение количества атомов углерода в составе топлива обеспечивает более высокую ударопрочность. Однако октановые числа циклических молекул, нафтенов, спиртов и ароматических углеводородов высоки.Для масштабирования октанового числа бензина берутся две реперные точки, которые представляют собой точки 0–100. Октановое число нормального гептана (C 7 H 16 ) принято равным 0, а октановое число изооктана (C 8 H 18 ) принято равным 100. Причина этих двух видов топлива В качестве ориентира можно указать, что оба топливных соединения имеют почти одинаковые значения летучести и температуры кипения. Причина, по которой эти два топлива являются отправной точкой, заключается в том, что оба топливных соединения имеют почти одинаковые значения летучести и температуры кипения.Также доступны виды топлива, такие как спирты и бензолы, с октановым числом выше, чем наивысшее октановое число этого показателя. В бензиновых двигателях используются добавки для повышения детонационной стойкости топлива и предотвращения детонации. Два наиболее часто используемых метода определения октанового числа топлива - это метод двигателя и метод исследования. Октановые числа, определенные этими методами, дают значения моторного октанового числа (MON) и исследовательского октанового числа (RON), соответственно. В таблице 2 приведены условия испытаний для определения октанового числа топлива [1, 2, 4, 5].

\ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n
Свойства RON MON
Двигатель скорость (об / мин) 600 900
Температура всасываемого воздуха (° C) 52 (125 ° F) 149 (300 ° F )
Температура охлаждающей воды (° C) 100 (212 ° F) 100
Температура масла (° C) 57 (135 ° F) 57
Время зажигания 13 ° KMA (до ВМТ) 13–19 ° KMA (до ВМТ)
Диапазон гвоздей свечи зажигания 0.508 (0,020 дюйма) 0,508
Давление всасываемого воздуха Атмосферное давление
Соотношение воздух-топливо Отрегулировано по максимуму детонация
Степень сжатия Отрегулирована для достижения стандартной детонации

Таблица 2.

Условия испытаний для измерения октанового числа [4].

\ n

Поскольку температура воздуха на входе при использовании метода MON выше, чем при использовании метода RON, температура дожигания достигает более высоких значений.Таким образом, топливо самовозгорается и стучит. Следовательно, октановое число, полученное методом MON, ниже, чем октановое число, полученное методом RON, потому что он работает при более низких степенях сжатия в методе MON. Разница в значениях между этими двумя методами определения октанового числа называется чувствительностью к топливу (FS). Когда число чувствительности к топливу составляет от 0 до 10, указывается, что детонационная характеристика топлива не зависит от геометрии двигателя, а если она выше этих значений, детонационная характеристика топлива сильно зависит от сгорания. геометрия камеры двигателя.YD рассчитывается как в формуле. (3):

\ n

\ n \ nFS \ n = \ nRON \ n− \ nMON \ n \ n \ nE3

\ n

Геометрия камеры сгорания, турбулентность, температура и инертные газы - это параметры, которые влияют на октановое число номер. Октановое число сильно зависит от скорости пламени в воздушно-топливной смеси. По мере увеличения скорости пламени воздушно-топливная смесь выше температуры самовоспламенения сразу же горит во время задержки воспламенения. Таким образом, существует прямая корреляция между скоростью пламени и октановым числом, поскольку скорость пламени позволяет топливу вытекать без детонации.Спирты имеют высокую скорость пламени, поэтому их октановое число высокое. Период ID не зависит от физических свойств топлива, таких как плотность и вязкость в горячем двигателе в установившемся режиме. Это сильно зависит от компонентов химического состава топлива. Поэтому для увеличения октанового числа топлива добавляют такие добавки, как спирты или органические соединения марганца [4, 5]. Можно работать с более высокими степенями сжатия за счет увеличения октанового числа топлива. Таким образом, высокая степень сжатия увеличивает мощность двигателя и обеспечивает экономию топлива [10].

\ n

Дизельное топливо делится на две основные категории: легкое дизельное топливо и тяжелое дизельное топливо. Химическая формула легкого дизельного топлива составляет примерно C 12,3 H 22,2 , в то время как тяжелое дизельное топливо рассматривается как C 14,06 H 24,8 . Молярная масса легких и тяжелых дизелей составляет примерно 170 и 200 г / моль соответственно. Вязкость, поверхностное натяжение и склонность топлива к воспламенению являются важными параметрами свойств дизельного топлива. Легкое дизельное топливо имеет более низкую вязкость и требует меньшего количества прокачки.Поскольку низкая вязкость также снижает поверхностное натяжение топлива, топливо имеет меньший диаметр капель во время распыления. В отличие от бензиновых двигателей в дизельных двигателях желательно иметь высокую склонность к воспламенению, поскольку сгорание в дизельных двигателях основано на самовозгорании топливовоздушной смеси. На этом этапе цетановое число, которое является мерой воспламеняемости топлива, становится характеристикой топлива. Другими словами, это величина, которая количественно определяет период задержки воспламенения.Гексадекан (C 16 H 34 ), топливо с прямой цепью алкановой группы, считается наивысшей точкой отсчета цетанового числа, которое является мерой склонности к воспламенению. Другой контрольной точкой является цетановое число 15 как гептаметилнонан (HMN) C 12 H 34 , или самая низкая контрольная точка была принята за ноль как значение цетанового числа альфа-метилнафталина C 11 H 10 топлива. Прежде всего, топливо с неизвестным цетановым числом перерабатывается в двигателе с регулируемой степенью сжатия.Затем проводится испытание двигателя до тех пор, пока не будет достигнута степень сжатия, при которой начинается первый детонация, для определения степени сжатия топлива. Затем смесь этих двух эталонных топлив в различных соотношениях испытывается при заданной степени сжатия, и эталонные топлива смешиваются до тех пор, пока не начнется детонация. Процент гексадекана в момент детонации в топливной смеси гептаметилнонана или альфа-метилнафталина дает нам цетановое число измеренного топлива. Было разработано несколько эмпирических уравнений с использованием физических свойств топлива, так как испытания двигателя очень трудоемкие и дорогостоящие при определении цетанового числа.Эти методы, которые измеряют склонность топлива к воспламенению, называются цетановым индексом, анилиновой точкой или дизельным индексом. Анилин - ароматическое соединение, которое очень легко смешивается с соединениями своей группы даже при низких температурах, тогда как с алканами (парафинами) сложнее образовывать смеси. Следовательно, гексадекан (C 16 H 34 ), который является алкановой группой и имеет высокую склонность к воспламенению, имеет высокую температуру смешивания с анилином. Смесь пробы топлива с таким же количеством анилина нагревают для определения дизельного индекса.Затем весь анилин растворяется в топливе. После этого смесь охлаждают, чтобы анилин отделился от топлива. Эта температура, при которой анилин отделяется от топлива, называется анилиновой точкой. Индекс дизельного топлива рассчитывается с анилиновой точкой и классом API, указанными в формуле. (4):

\ n

\ n \ nДизельный индекс \ n = \ n \ n \ nАнилиновая точка \ n \ n \ n ° \ nF \ n \ n \ n × \ nAPI \ n \ n \ n \ nat \ n \ n60 \ n ° \ nF \ n \ n \ n \ n100 \ n \ n \ nE4

\ n

Чем выше значение индекса дизельного топлива, тем больше в топливе алкана (в парафиновой структуре) и выше воспламенение. тенденция.Повышенная летучесть дизельного топлива вызывает ускорение испарения топлива и снижение вязкости. Обычно это нежелательно, поскольку топливо вызывает снижение цетанового числа [1, 2, 4].

\ n

Некоторые виды топлива, обычно используемые в двигателях, представлены в таблице 3. Некоторые из важных свойств топлива, такие как замкнутые формулы, молярный вес, более низкая и более высокая теплотворная способность, стехиометрические отношения воздух / топливо и топливо / воздух, Приведены температура испарения, моторное октановое число (MON), исследовательское октановое число (RON) и цетановое число.

\ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n
Топливо Закрытая формула Молярный вес Теплотворная способность Стехиометрический Октановое число Температура испарения (кДж / кг) CN
HHV (кДж / кг) LHV (кДж / кг) (A / F) s (F / A) s MON RON
Бензин C 8 H 15 111 47,300 43,000 14.6 0,068 80–91 92–99 307 -
Легкое дизельное топливо C 12,3 H 22,2 170 44,800 42,500 14,5 0,069 - - 270 40– 55
Тяжелое дизельное топливо C 14,6 H 24,8 200 43,800 41,400 14.5 0,069 - - 230 35–50
Изооктан C 8 H 18 114 47,810 44,300 15,1 0,066 100 100 290 - -
Гептан C 7 H 16 100 48 070 44 560 15.2 0,066 0 0 316 -
Цетан C 16 H 34 226 47280 43,980 15 0,066 - - 292 100
Гептаметилнонан C 12 H 34 178 - - 15 0.063 - - - 15
Альфа-метилнафталин C 11 H 10 142 - - 13,1 0,076 - - - 0
Изодекан C 10 H 22 142 47,590 44,220 15.1 0,066 92 113 - -

Таблица 3.

Обычные виды топлива и их свойства [4] .

\ n

Цетановый индекс можно рассчитать по формуле. (5) что показано при перегонке топлива. Он рассчитывается на основе температур и плотности испарившегося топлива при объемных соотношениях 10, 50 и 90% путем перегонки топлива:

\ n

\ n \ n \ n \ n \ nSI \ n = \ n45. 2 \ n + \ n0.0892 \ n \ n \ n \ nT \ n10 \ n \ n- \ n215 \ n \ n \ n + \ n0.131 \ n \ n \ n \ nT \ n50 \ n \ n– \ n260 \ n \ n \ n + \ n0.523 \ n \ n \ n \ nT \ n90 \ n \ n- \ n310 \ n \ n \ n + \ n0.901 \ nB \ n \ n \ n \ nT \ n50 \ n \ n - \ n260 \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n - \ n0.420 \ nB \ n \ n \ n \ nT \ n90 \ n \ n- \ n310 \ n \ n \ n + \ n0.00049 \ n \ n \ n \ n \ nT \ n10 \ n \ n- \ n215 \ n \ n \ n2 \ n \ n- \ n0.00049 \ n \ n \ n \ n \ nT \ n90 \ n \ n- \ n310 \ n \ n \ n2 \ n \ n + \ n107 \ nB \ n + \ n60 \ n \ nB \ n2 \ n \ n \ n \ n \ n \ nE5

\ n

Значения T 10 , T 50 и T 90 - это температуры, при которых топливо испаряется в объемных соотношениях 10, 50 , и 90% соответственно. B = −exp [−3500 ( ρ - 850)] - 1, где ρ = плотность в кг / м 3 при 15 ° C.Эта формула относится к количеству цетана, если в топливо не добавлены присадки, повышающие цетановое число. В противном случае цетановое число легированного топлива можно измерить с помощью экспериментов по испытанию двигателя. Другой метод, используемый для расчета цетанового индекса, - это эмпирическое уравнение, приведенное в формуле. (6), который рассчитывается с использованием некоторых физических свойств топлива [5]:

\ n

\ n \ nSI \ n = \ n− \ n420.34 \ n + \ n0.016 \ n \ nG \ n2 \ n \ n + \ n0.192 \ nG \ n \ n \ n \ nlog \ n10 \ n \ n \ nT \ ngn \ n \ n \ n \ n + \ n65.01 \ n \ n \ n \ n \ nlog \ n10 \ n \ n \ nT \ ngn \ n \ n \ n \ n2 \ n \ n- \ n0.0001809 \ n \ n \ nT \ ngn \ n \ n2 \ n \ n \ n \ nE6

\ n

, где G = (141,5 / S г ) −131,5 - степень топлива по API. S g и T gn - относительная температура кипения в ° F и относительная плотность, соответственно.

\ n

Полуэмпирическое выражение, которое прогнозирует продолжительность ID на основе цетанового числа и других рабочих параметров, выглядит следующим образом:

\ n

\ n \ nID \ n = \ n \ n \ n0.36 \ n + \ n0.22 \ n \ nU \ np \ n \ n \ n \ nexp \ n \ n \ n \ nE \ nA \ n \ n \ n \ n \ n \ n1 \ n / \ n \ nR \ nu \ n \ n \ nT \ nem \ n \ n \ nε \ n \ nk \ n− \ n1 \ n \ n \ n \ n \ n− \ n \ n \ n1 \ n / \ n17.190 \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n21.2 \ n \ n / \ n \ n \ n \ nP \ nem \ n \ n \ nε \ nk \ n \ n− \ n12.4 \ n \ n \ n \ n \ n0.63 \ n \ n \ n \ n \ n \ nE7

\ n

ID (° CA) - время в углу коленчатого вала, EA = (618,840) / (цетановое число + 25) энергия активации, Ru = 8,314 кДж / кмоль K универсальная газовая постоянная, T em и P em температура в начале времени сжатия, соответственно, (K) и давление (бар), ε = степень сжатия и k = cp / cv = 1.4 - значения, используемые при анализе стандартного цикла воздуха. ID рассчитывается по формуле, приведенной в формуле. (8). Он выражается в миллисекундах для двигателя при n об / мин [4]: ​​

\ n

\ n \ nID \ n \ nms \ n \ n = \ nD \ n \ n \ nº \ nCA \ n \ n \ n / \ n \ n \ n0.006 \ n \ nn \ n \ n \ n \ nE8

\ n

Низкое цетановое число дизельных двигателей приводит к увеличению времени ID, что, в свою очередь, уменьшает время, необходимое для сгорания и CA. Увеличение времени TG приводит к накоплению в камере сгорания большего количества топлива, чем требуется. Таким образом, этот избыток топлива вызывает внезапное повышение высокого давления во время начала сгорания.Такое резкое повышение давления вызывает механические напряжения и тяжелую работу двигателя, известную как детонация дизельного двигателя [2, 4].

\ n

Вкратце, число цетана и число октанового числа относятся к самовозгоранию топлива. Более высокое цетановое число указывает на то, что дизельное топливо быстро и быстро сгорает. Высокое октановое число определяет устойчивость бензина к внезапному возгоранию. Обычно, если цетановое число высокое, октановое число низкое. Между этими двумя свойствами существует обратная зависимость, так что цетановое число низкое, если октановое число высокое [5].

\ n \ n

4. Природный газ и сжиженный нефтяной газ (LPG)

\ n

Природный газ - это газовая смесь, содержащая метан, этан, пропан, пентан и гексан в более легких количествах, чем воздух, без цвета, запаха и т. и вкус. Однако он содержит небольшое количество (0–0,5% по объему) диоксида углерода, азота, гелия и газообразного сероводорода. Как правило, этот газовый состав содержит около 70–90% метана, 0–20% этана и немного меньше пропана, чем этан. Природный газ, используемый на рынке, очищается и отделяется от других газов и используется как почти чистый метановый газ (CH 4 ) [5].Природный газ можно хранить в виде сжатого природного газа (КПГ) при высоком давлении, например 16–25 МПа, или сжиженного природного газа при низких давлениях, например 70–210 кПа, и при очень низких температурах, например, -160 ° C. С помощью этих методов можно хранить природный газ и обычно использовать его в качестве сжатого природного газа (КПГ) в двигателях внутреннего сгорания с системой одноточечного распыления. Система одноточечного распыления позволяет наиболее эффективно использовать природный газ, поскольку обеспечивает более длительное время перемешивания, чем требуется для природного газа [4].В таблице 4 показаны соединения, образующие природный газ, и точки кипения.

\ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n
Состав Точка кипения (° C) Состав Точка кипения (° C )
Метан −161,6 Изопентан 28
Этан - 88,6 n-Пентан 36,1
Пропан −42.1 Гексан 69
Изобутан −11,7 Гептан 98,4
n- Бутан -0,5 \ n \ n

Таблица 4.

Соединения и точки кипения в природном газе [5].

\ n

Есть двухтопливные дизельные двигатели, в которых природный газ и дизельное топливо работают вместе. Природный газ подается в камеру сгорания примерно со скоростью звука.Это приводит к высокой турбулентности и высокой скорости пламени. Природный газ имеет более низкие температуры сгорания, чем дизельное топливо, и при позднем распылении температура в камере сгорания может быть дополнительно снижена. Снижение температуры камеры сгорания значительно снижает образование NO x . Однако низкое содержание углерода в природном газе приводит к меньшим выбросам CO 2 и гораздо меньшему количеству твердых частиц [4].

\ n

Газовые двигатели на самосвале, преобразующие метан в энергию, являются одним из наиболее распространенных применений природного газа.Газы, образующиеся на свалках, обычно содержат от 45 до 65% метана. Помимо метана, эти свалочные газы содержат сильно загрязняющие газы различного качества, такие как фтор, хлор, кремний и твердые частицы. В двигателях должны использоваться специальные материалы для поршней и клапанов, особенно из-за коррозионного и абразивного воздействия этих газов. Тепловая ценность природного газа составляет от 33,4 до 40,9 МДж / м 3 . CO 2 , H 2 O и 891 кДж энергии получают, когда 1 моль газообразного метана полностью сгорает.Уравнение горения 1 моля метана описано в уравнении. (9) следующим образом:

\ n

\ n \ n \ nCH \ n4 \ n \ n \ ng \ n \ n + \ n2 \ n \ nO \ n2 \ n \ n \ ng \ n \ n → \ n \ nCO \ n2 \ n \ n \ ng \ n \ n + \ n2 \ n \ n \ nH \ n2 \ n \ nO \ n \ nl \ n \ n + \ n891 \ n \ nkJ \ n \ n \ nE9

\ n

Высокая скорость пламени и октановое число 120 природного газа позволяют природному газу работать с высокими степенями сжатия. Это гарантирует, что природный газ является хорошим топливом для бензиновых двигателей. Кроме того, у природного газа низкие выбросы выхлопных газов. Кроме того, наиболее важным преимуществом топлива из природного газа является то, что природный газ можно добывать из такого источника, как уголь, который имеет большие запасы по всему миру.Однако, поскольку природный газ имеет низкую энергоемкость, его низкий объемный КПД приводит к снижению производительности двигателя. Недостатки этого топлива в том, что для природного газа требуются резервуары для хранения топлива под высоким давлением; дозаправка требует времени и имеет переменные компоненты топлива в составе природного газа [4]. В таблице 5 представлены свойства природного газа и его сравнение с другими видами топлива в виде тепловых значений.

\ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n
Свойства Природный газ Виды топлива Теплотворная способность (ккал / кг)
Объем по составу (%) 95–98 1 кг дизельного топлива 10,200
Молярная масса (кг / моль) 16.04 1 кг нет: шесть мазутов 9200
Плотность (кг / м 3 ) 0,82 1 кг СНГ 11000
Тепловая ценность (МДж / м 3 ) 36,14 1 кг импортного бурого угля 4700/6500
Максимальная скорость пламени (м / с) 0,39 1 м 3 природный газ 8250

Таблица 5.

Свойства природного газа и его сравнение с другими видами топлива [11].

\ n

СНГ, сжиженный нефтяной газ, производится как побочный продукт в процессах производства природного газа или при перегонке нефти на нефтеперерабатывающих заводах. Как правило, он содержит 90% пропана, 2,5% бутана и небольшое количество этана и пропилена с тяжелыми углеводородами. Эти газовые соотношения пропана и бутана в сжиженном нефтяном газе могут варьироваться в зависимости от регионов и областей использования [5]. В последние годы смеси пропана и бутана в различных соотношениях (80% пропана / 20% бутана, 70% пропана / 30% бутана, 50% пропана / 0% бутана) были испытаны в качестве топлива в транспортных средствах.Сжиженный нефтяной газ, используемый в Турции, состоит на 30% из пропана и на 70% из бутана. СНГ является наиболее предпочтительным видом топлива после бензина и дизельного топлива, поскольку его намного легче хранить и транспортировать, чем природный газ [1, 4].

\ n

СУГ - это нетоксичный и легко воспламеняющийся газ без цвета, запаха и запаха. LPG представляет собой смесь газа пропана и бутана, который является газом при нормальном давлении и температуре. Однако сжиженный нефтяной газ - это жидкость при умеренном давлении. Кроме того, он вдвое тяжелее воздуха и вдвое тяжелее воды. Таким образом, в случае утечки сжиженный нефтяной газ течет на пол.Сжиженный нефтяной газ в жидком состоянии расширяется примерно в 273 раза по сравнению с объемом жидкости. Это называется внезапным расширением и охлаждением резкого перепада температуры с очень быстрым испарением жидкого топлива, когда оно переходит в газообразное состояние. Так как это может вызвать холодные ожоги, нельзя прикасаться к газу голыми руками. Хотя сжиженный нефтяной газ - некоррозионный газ, он может плавить краску и масло, а также раздувать материалы из натурального каучука, что приводит к потере их свойств. Поэтому использование материалов, совместимых со сжиженным нефтяным газом, в автогазовых системах, использующих сжиженный нефтяной газ, очень важно для безопасности [1, 5].Система LPG широко используется в автомобилях с бензиновым двигателем. В связи с этим в таблице 6 приведено сравнение физических и химических свойств пропана и бутана, которые являются компонентами СНГ и бензинового топлива.

\ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n
Свойства Пропан Бутан Бензин
Объемная масса при 15 ° C (кг / л) 0,508 0,584 0.73–0,78
Давление газа при 37,8 ° C (бар) 12,1 2,6 0,5–0,9
Кипение температура (° C) −42 0,5 30–225
RON 111 103 96– 98
MON 97 89 85–87
Нижняя теплотворная способность (МДж / кг) 46.1 45,46 44,03
Нижняя теплотворная способность (МДж / л) 23,4 26,5 32,3
Стехиометрическое соотношение 15,8 15,6 14,7

Таблица 6.

Свойства сжиженного нефтяного газа и бензина [1].

\ n \ n

1. Введение

\ n \ n

1.1 Солнечная энергия как альтернатива возобновляемой энергии

\ n

Энергетические и экологические проблемы, такие как загрязнение и глобальное потепление, являются наиболее серьезными проблемами, с которыми человечество столкнется в следующем 50 лет.В последнее время глобальный спрос на энергию, в первую очередь на традиционные энергоресурсы, такие как ископаемое топливо, уголь и природный газ, растет по мере роста населения и промышленного развития. До сих пор более 80% энергопотребления покрывается за счет ископаемого топлива, которое вызывает проблемы глобального потепления и загрязнения окружающей среды. Более того, они невозобновляемы и в конечном итоге будут исчерпаны в будущем. В связи с растущим интересом к возобновляемым источникам энергии неизбежные исследования сосредоточены на получении энергии из природных ресурсов.Среди различных вариантов использование солнечного света для производства энергии и восстановления окружающей среды является важнейшей областью исследований двадцать первого века.

\ n

Совершенным возобновляемым источником энергии является солнце. Солнечный свет - самый богатый источник энергии, доступный человечеству. Солнце излучает большое количество энергии (примерно 32 × 1024 джоулей в год), что намного превышает мировую потребность. Он широко доступен, и только 0,01% его использования может удовлетворить мировые потребности в энергии [1].В этом контексте фотоэлектрические (PV) технологии считаются одним из идеальных кандидатов, поскольку они преобразуют солнечную энергию непосредственно в электричество. Следовательно, эффективное преобразование солнечной энергии непосредственно в электричество было многообещающим решением энергетических проблем [2]. С точки зрения защиты окружающей среды и энергосбережения необходимо производить электричество из солнечной энергии с помощью фотоэлектрических устройств или солнечных элементов.

\ n \ n \ n

1.2 Солнечные элементы

\ n

Солнечные элементы, вероятно, внесут наибольший вклад в удовлетворение будущих потребностей в энергии.Было предложено несколько подходов к изготовлению солнечных элементов. Обычно солнечные элементы классифицируются как солнечные элементы первого, второго и третьего поколения. Солнечные элементы первого поколения (1G) также называются обычными, традиционными или пластинчатыми элементами и включают кремниевые солнечные элементы (поликремний и монокристаллический) [3]. Эффективность преобразования энергии (КПЭ) солнечных элементов из кристаллического кремния достигла 26,6%. КСЭ с долей более 90% в настоящее время лидируют на коммерческих фотоэлектрических рынках.Однако для них характерны тяжелые условия приготовления и высокая стоимость [4, 5]. Затем были исследованы солнечные элементы второго поколения (2G), тонкопленочные солнечные элементы, которые включают полупроводники с прямой запрещенной зоной. К ним относятся теллурид кадмия (CdTe), арсенид галлия (GaAs), сульфид меди, цинка и олова (CZTS) и тонкопленочные солнечные элементы из селенида меди, индия и галлия (CIGS) [4]. Хотя тонкопленочные солнечные элементы привели к снижению стоимости по сравнению с кремниевыми солнечными элементами, они требуют процессов высокотемпературного и вакуумного осаждения из паровой фазы.Кроме того, они в основном содержат токсичные и редкие элементы, что ограничивает их широкое применение [6, 7]. Чтобы преодолеть эти проблемы, были разработаны солнечные элементы третьего поколения (3G), обработанные на основе растворов, которые включают органические солнечные элементы (OSC), солнечные элементы, сенсибилизированные квантовыми точками (QDSC), сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSSC) и перовскитные солнечные элементы. клетки (PSCs) [8]. Некоторые фотоэлектрические технологии постоянно развиваются для удовлетворения мирового спроса на энергию; в этой главе, однако, мы сосредоточим наше обсуждение на появляющихся фотоэлектрических устройствах, т.е.е. сенсибилизированные красителем солнечные элементы и солнечные элементы из перовскита.

\ n

Производительность солнечного элемента можно измерить по его эффективности преобразования энергии (PCE), стоимости и стабильности. Эффективность солнечного элемента - это «мера его выходной мощности на единицу интенсивности падающего света». Основное измерение для контроля эффективности солнечного элемента - это ток (I) и потенциал (V), измеренные по внешнему сопротивлению и при интенсивности падающего света. ВАХ можно получить с помощью прибора Keithley SourceMeter SMU.Измерения I-V были проведены, чтобы получить важные сведения о параметрах солнечного элемента для его производительности. Типичное условие освещения, используемое для измерения солнечного элемента, составляет 100 мВт.см −2 (интенсивность падающего света), что распознается как одно солнце или воздушная масса (AM) 1.5. Это солнечный свет, который достигает поверхности Земли через воздушную массу под углом 42,8 ° . В лабораториях имитатор солнечного излучения достигает этого стандартного условия освещения [9]. Рассчитанные таким образом фотоэлектрические параметры - это напряжение холостого хода (VOC), ток короткого замыкания (I SC ), коэффициент заполнения (FF) и эффективность преобразования энергии.В 2016 году значения эффективности преобразования энергии, сертифицированные Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (NREL), лучшего исследованного сенсибилизированного красителем солнечного элемента, органического фотоэлектрического элемента (OPV) и перовскитного солнечного элемента, составили 11,9, 11,5 и 22,1% соответственно [ 10].

\ n \ n \ n

1.3 Оксид графена

\ n

Изучение инновационных материалов с индивидуализированными наноструктурами и желаемыми свойствами для применения в энергии - это недавняя область исследований. С этой целью графен имеет отличительные преимущества по сравнению с обычными наноматериалами, и были предприняты значительные усилия для использования его ценных свойств для создания эффективных энергетических устройств.Углеродные наноматериалы, такие как графен и УНТ, из-за их большого количества, низкой стоимости, хорошей электропроводности и высокой химической стабильности были применены в солнечных элементах 3G [11, 12].

\ n

Графен представляет собой единый толстый лист sp 2 -гибридизованных атомов углерода, организованных в гексагональную решетку [13]. Графен, впервые обнаруженный в 2004 году, стал восходящей звездой в области материаловедения. Лауреат Нобелевской премии 2010 года Гейм и Новоселов открыл бесконечные новые возможности для графена, и в последнее время во всем мире было приложено много усилий, чтобы представить материалы, связанные с графеном, во многих отраслях [14].Графен обладает исключительными свойствами, такими как высокая электропроводность (108 См / м), хорошая теплопроводность (5000 Вт / мК), большая площадь поверхности (2630 м 2 г -1 ) и подвижность электронов (250 000 см 2 ). / VS), отличной механической прочности, квантового эффекта Холла при комнатной температуре, настраиваемой запрещенной зоны и хорошей биосовместимости [15, 16]. Графен - чрезвычайно оптически прозрачный материал, имеющий поглощение (<2,3%), пропускание (более 97,7%) и незначительное отражение (<0.1%) [11].

\ n

Благодаря этим интересным свойствам, графен, GO и rGO стали пользоваться все большей популярностью для использования в оптоэлектронике (светодиоды, фотодетекторы, сенсорные экраны и т. Д.), Преобразовании энергии (фотокаталитическое расщепление воды, фотоэлектрохимическое (PEC) расщепление воды и фотоэлектрические элементы), накопители энергии (батареи и конденсаторы) и приложения для защиты окружающей среды (газовые датчики, фотокаталитическое разложение загрязняющих веществ и удаление тяжелых металлов) [17, 18, 19].

\ n

Гейм и его коллеги впервые выделили двухмерный однослойный графен из графита методом отслаивания в 2004 году в Манчестерском университете, получившем название метода скотча [20].Это привело к взрыву интереса, и было проведено несколько исследований структуры и свойств GO. Поэтому был использован ряд подходов для получения высококачественного оксида графена с большой площадью поверхности. Эти подходы подразделяются на два основных типа: восходящий и нисходящий.

\ n \ n
1.3.1 Восходящий
\ n

Восходящий подход прост и представляет собой отслоение графенового слоя от графита. Однако он требует высокой температуры и дает графен со сравнительно большим количеством дефектов, чем при подходе сверху вниз.Химическое осаждение из паровой фазы (CVD), эпитаксиальный рост на монокристаллическом SiC и карбонизация являются типичными восходящими методами. CVD - отличительный метод, используемый для синтеза листов графена большой площади на подложках из металлической фольги [20, 21, 22]. Однако из-за сложности, высокой температуры и стоимости металлических подложек эти методы не получили широкого распространения [22].

\ n \ n \ n
1.3.2 Нисходящий
\ n

Нисходящий метод включает образование оксида графена с использованием материалов на основе углерода. Нисходящий метод имеет такие преимущества, как высокий выход, простота эксплуатации и технологичность, основанная на решении [12, 23].Этот подход включает химическое расслоение графита, термическое расслоение, электрохимическое расслоение и стратегию химического восстановления. Типичный метод, используемый для синтеза ОГ, был разработан Хаммером с сотрудниками, который включает окисление графита серной кислотой и перманганатом калия [18, 20].

\ n

Оксид графена (GO) - важное производное графена, которое можно синтезировать непосредственно из оксида графита. GO состоит из двумерной сети атомов углерода, связанных sp 2 и sp 3 .Исключительная атомная и электронная структура GO открывает возможности для новых функций. GO - это сильно окисленный лист графена, содержащий множество кислородсодержащих функциональных групп, таких как карбоновая кислота, гидроксильные, эпоксидные и карбонильные группы. Благодаря наличию этих кислородсодержащих функциональных групп оксид графена легко диспергируется в воде и других органических растворителях [16, 23]. Эти функциональные группы являются выдающимися реактивными центрами для различных реакций функционализации, зарождения и роста наночастиц [24].Восстановленный оксид графена (rGO) представляет собой промежуточную фазу между GO и графеном, обладающую различными кислородсодержащими функциональными группами и дефектами поверхности решетки, которые вызывают электрокаталитический центр в металлических наночастицах. Таким образом, rGO показал лучшие характеристики, чем полностью восстановленный бездефектный графен [12].

\ n

GO действует как полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,7 эВ при комнатной температуре. GO - амбиполярный материал, поскольку он может действовать как проводники n- и p-типа. Следовательно, они могут использоваться как в качестве ETL, так и HTL, в зависимости от кислородсодержащих функциональных групп в их структуре.Оксид графена, благодаря своей уникальной структуре и свойствам, показал множество преимуществ перед редкими металлами, оксидом олова, легированным фтором (FTO) и оксидом индия-олова (ITO) в оптоэлектронике, такой как солнечные элементы и светодиоды, как показано на рисунке 1. [12, 15, 25].

\ n
Рисунок 1.

Применение оксида графена в электронике.

\ n

Оксид графена имеет тенденцию к агломерации из-за Ван-дер-Ваальсова взаимодействия между слоями графена, что препятствует его применению в нескольких областях, хотя этого недостатка можно избежать путем гибридизации графена с УНТ, оксидами металлов и полимерами [11].Для дальнейшего изучения возможностей применения материалов на основе графена все больший интерес вызывают графеновые нанокомпозиты (рис. 2).

\ n
Рис. 2.

Применение композита на основе графена.

\ n \ n \ n
1.3.3 Графеновые нанокомпозиты
\ n

Графеновые нанокомпозиты появляются как класс интересных материалов, которые обещают многообещающее применение. Обычно композиты на основе графена формируются путем включения в графен наночастиц полимера, керамики или металла.Включение таких материалов в графен очень желательно для настройки морфологии поверхности, электронной структуры и фундаментальных свойств графена. Улучшенные свойства композитов на основе GO обусловлены превосходными физическими и химическими свойствами GO и внедренных наночастиц [26].

\ n

Функциональные группы ГО, такие как эпоксидная, гидроксильная, карбонильная и карбоксильная группы, обеспечивают точки прикрепления наночастиц. Большая площадь поверхности и проводящая структура графена облегчают перенос заряда и окислительно-восстановительную реакцию, а также усиливают механическую прочность композитов.Хотя графеновые листы естественным образом складываются в многослойные, и, следовательно, их большая площадь поверхности и основные физические и химические свойства теряются, однако, когда наночастицы включаются в него, графеновые листы могут использоваться в качестве поддерживающих материалов для их закрепления и улучшения свойств GO [24]. .

\ n

Нанокомпозиты на основе GO в настоящее время являются горячими точками исследований из-за их крупномасштабного производства и синергетического эффекта. Недавно сообщалось о значительных усилиях по украшению графена наночастицами оксидов металлов.На сегодняшний день существует несколько видов оксидов металлов, таких как TiO 2 , ZnO, SnO 2 , MnO 2 , Co 3 O 4 , Fe 3 O 3 , Fe 2 O 3 , NiO и Cu 2 O введены в GO [16, 27]. Рост наночастиц на листах графена является важным подходом к созданию нанокомпозитов или наногибридов, поскольку контролируемое зародышеобразование и рост обеспечивают оптимальные химические взаимодействия и связь между листами графена и наночастицами, что приводит к очень сильному электрическому и механическому взаимодействию внутри нанокомпозита.Нанокомпозиты оксида металла GO-оксида были обнаружены как перспективные материалы для литиевых батарей, сенсоров, солнечных элементов, топливных элементов, фотокатализа и органического синтеза [16, 17, 24].

\ n

В последнее время нанокомпозиты на основе графена и графена были широко исследованы в новых солнечных элементах 3G, особенно в DSSC и PSC. Графен и его производные широко используются в качестве прозрачных проводящих электродов, материалов донора или акцептора электронов и противоэлектродов, играя существенную роль в увеличении переноса заряда, уменьшении рекомбинации заряда и, таким образом, улучшении характеристик солнечного элемента.

\ n \ n \ n \ n

2. Применение графена в солнечных элементах

\ n \ n

2.1 Применение графена в DSSC

\ n

Сенсибилизированный красителем солнечный элемент (DSSC или DYSC) представляет собой недорогой солнечный элемент , изобретенная швейцарскими учеными Майклом Гретзелем и доктором Брайаном О'Реганом в 1991 году и часто называемая клеткой Гретцеля (G-клетка) [3]. DSSC привлекли значительное внимание в поисках замены кремниевым и тонкопленочным солнечным элементам из-за их экологичности, низкой стоимости изготовления и простого процесса подготовки, а также замечательного преобразования солнечной энергии в электричество [28].DSSC - это фотоэлектрохимическая система, состоящая из (а) прозрачного проводящего рабочего электрода (фотоанода), (б) сенсибилизатора красителя, (в) противоэлектрода (катода) и (г) электролита [28, 29]. Его принцип действия подобен естественному процессу фотосинтеза у растений. Монослой сенсибилизатора красителя поглощает падающий свет (например, хлорофилл), создавая положительные и отрицательные носители в клетке. При освещении электроны красителя возбуждаются с самой высокой занятой молекулярной орбитали (ВЗМО) на самую низкую незанятую молекулярную орбиталь (НСМО).Затем они переносятся в зону проводимости (CB) полупроводника (TiO 2 ) и диффундируют через полупроводник, собираясь на прозрачном проводящем оксиде (TCO). Раствор электролита, который обычно содержит окислительно-восстановительную пару йодид / трииодид (I - / I 3 \ n - ), обеспечивает электроны для регенерации окисленного красителя. В конце концов, электроны переходят на противоэлектрод (Pt) через внешнюю цепь и восстанавливают ионы трииодида I 3 \ n - обратно до иодида I - , чтобы завершить цикл преобразования фотонов в электричество (рис. ) [12, 30, 31].

\ n
Рис. 3.

Принципиальная схема сенсибилизированных красителем солнечных элементов [12].

\ n

Фотоанод является ключевым компонентом, поскольку он сильно влияет на фотоэдс (В), коэффициент заполнения (FF) и эффективность преобразования падающих фотонов в ток (IPCE) [12]. Он служит основным центром преобразования энергии, преобразуя фотоны в электрическую энергию, таким образом играя важную роль в DSSC [25]. Предполагается, что хороший фотоэлектрод обеспечивает хорошее использование света, хорошую инжекцию электронов и хороший сбор электронов.Различные полупроводниковые (с широкой запрещенной зоной) материалы, такие как TiO 2 , ZnO, SnO 2 , CdS и Nb 2 O 5 , успешно используются в качестве фотоанода в DSSC [28, 32]. Среди них наиболее широко используется TiO 2 , поскольку он нетоксичен, дешев, химически инертен и легко синтезируется [33]. Кроме того, TiO 2 имеют широкую запрещенную зону 3,2 эВ; преобладающие химические, электрические и оптические свойства; низкая скорость рекомбинации пары дырка-электрон; и отличные абсорбционные свойства [12, 28].На характеристики DSSC существенно влияют такие свойства, как размер частиц, пористость и толщина пленки TiO 2 .

\ n

Платина (Pt) - наиболее широко используемый противоэлектрод (CE) в DSSC. Хотя Pt очень активно катализирует восстановление трииодида, существуют проблемы со стабильностью коррозионных электролитов и ее высокой стоимостью. Было предпринято несколько попыток заменить его менее дорогими материалами, такими как углеродные материалы и проводящие полимеры [34]. Материалы на основе углерода, такие как графит, углеродные нанотрубки, углеродная сажа, наноуглерод и, совсем недавно, графен, были серьезно обнаружены в качестве альтернативного электрокатализатора для DSSC [17, 31].

\ n

Из-за исключительных механических, электрических и оптических свойств графен или сильно восстановленный графен более подходят в качестве прозрачных электродов, части электролита, светособирающего красителя и противоэлектрода [17]. Кроме того, рассчитанные значения работы выхода графена и rGO составляют 4,4–4,5 эВ, что близко к оксиду олова, легированному фтором (FTO 4,4 эВ) [25]. Таким образом, регулируемая ширина запрещенной зоны GO и его способность поглощать фотоны в видимой и инфракрасной областях спектра позволяют использовать его в качестве потенциально сенсибилизирующего материала.О первом применении графена в DSSC в качестве прозрачной проводящей подложки сообщили Wang et al. [35] в 2008 г. Они изготовили пленки GO термическим восстановлением в потоке Ar и / или h3 из вспученного оксида графита. Эти пленки показали прозрачность более 70% и более высокую проводимость 550 См / см [35]. Впоследствии в DSSC были широко исследованы другие роли GO.

\ n \ n
2.1.1 Нанокомпозит G / металл в качестве фотоанода в DSSC
\ n

Среди широко используемых полупроводников TiO 2 обладает наибольшей длиной диффузии и наименьшей эффективной массой заряда, но рекомбинация электронов и дырок остается значительной выпуск [30].Следовательно, чтобы уменьшить рекомбинацию электронов и повысить стабильность DSSC, графен и материалы на его основе в качестве фотоанодов в последние несколько лет вызывают большой интерес.

\ n

Идея использования графена в фотоаноде DSSC возникла в результате новаторской работы Jang et al. [36]. Это привело к открытию интересной области для исследователей, быстро распространившейся на графен и его производные. Очаровательные свойства графена, такие как высокая прозрачность и модуль Юнга, делают его хорошим кандидатом для прозрачных проводящих подложек.Полуметаллические свойства и сверхбыстрая подвижность электронов позволяют графену служить носителем заряда и переносчиком внутри слоя оксида полупроводника в фотоаноде.

\ n

Казми и др. [31] использовали нанокомпозиты графен-TiO 2 в качестве фотоанода для DSSC. Они синтезировали Gr-TiO 2 с разной концентрацией графена. Наночастицы графена были синтезированы модифицированным методом Хаммера, тогда как наночастицы TiO 2 были приобретены у Sigma Aldrich.Было обнаружено, что ширина запрещенной зоны уменьшается с 3,16 до 2,2 эВ с увеличением концентрации GO. Кроме того, проводимость увеличивается с концентрацией графена, что хорошо согласуется с уменьшением ширины запрещенной зоны. PCE DSSC был усилен добавлением графена, и оптимальные результаты были найдены для 3,0 мас.% Концентрации графена.

\ n

Нури и др. [30] сообщили о нанокомпозитных фотоанодах из диоксида титана с восстановленным оксидом графена rGO для DSSC. Они провели сравнительное исследование двух легирования ex situ и одного in situ TiO 2 rGO.Структурные, оптические и электрические характеристики нанокомпозитов TiO 2 / RGO и фотоэлектрические характеристики DSSC были изучены с помощью нескольких методов. УФ-видимая спектроскопия показала, что существование rGO приводит к сужению запрещенной зоны и поглощению видимого света, особенно в сольвотермическом in situ TiO 2 / RGO, представляющем химическую связь между листами графена и наночастицами TiO 2 . Это химическое связывание было подтверждено методами РФЭС и рамановской спектроскопии.Легирование TiO 2 на месте RGO оказало наибольшее положительное влияние на характеристики устройств DSSC, давая самые высокие значения Voc, Jsc, η и IPCE. Это было в первую очередь приписано роли RGO в пленках TiO 2 для облегчения переноса электронов и уменьшения рекомбинации электронов и дырок.

\ n

Канта и др. [10] провели сравнительное исследование промотирующих эффектов графена в фотоанодах TiO 2 . Они исследовали влияние типов и концентрации rGO на структурные и фотоэлектрические свойства электродов на основе TiO 2 .ГО был синтезирован модифицированным методом Хаммера. Синтез rGO проводили двумя разными методами: химическим восстановлением витамином С и термическим восстановлением. Метод термического восстановления проводился на месте во время процессов изготовления и термообработки DSSC. Было обнаружено, что DSSC, содержащие фотоанод GO / TiO 2 (rGO путем термического восстановления на месте), показали более высокие фотоэлектрические характеристики, чем rGO / TiO 2 . Также было обнаружено, что PCE DSSC изменяются с концентрацией графена нелинейным образом.0,01 мас.% GO / TiO 2 показали самые высокие значения PCE (3,69%), тогда как для DSSC на основе rGO 0,03 мас.% RGO / TiO 2 показали максимальное значение PCE (2,90%).

\ n

Сюй и др. [22] синтезировали нанокомпозиты TiO 2 -RGO методом восстановления с помощью ультразвука с использованием GO в растворе прекурсора TiO 2 . Восстановление ОГ и образование кристаллов TiO 2 проводили одновременно. TiO 2 -RGO характеризовали методами SEM-EDX, FTIR, XRD, комбинационного рассеяния света, XPS, УФ-видимой и электрохимической импедансной спектроскопии.Благодаря введению RGO поглощение света октаэдрическим TiO 2 было заметно улучшено. Между тем было обнаружено, что PCE DSSC, содержащего фотоанод TiO 2 -RGO, также значительно улучшился.

\ n

Джамиль и др. [28] изготовили DSSC с использованием фотоанода G-Nb 2 O 5 . Привлекает внимание Nb 2 O 5 из-за более высокого края зоны проводимости и напряжения холостого хода. Чтобы уменьшить рекомбинацию заряда и повысить эффективность сбора заряда, был использован электропроводящий углеродный материал, такой как графен.Характеристики материала и DSSC были охарактеризованы с помощью дифракции рентгеновских лучей, SEM, FTIR, спектроскопии диффузного отражения UV-Vis и потенциостата. Исследования показали, что введение графена увеличивает поглощение и уменьшает ширину запрещенной зоны, что приводит к увеличению электропроводности и снижению скорости рекомбинации зарядов. Более того, измерения IV клеток G-Nb 2 O 5 показали увеличение коэффициента заполнения на 68% и повышение эффективности (PCE) на 52% по сравнению с клетками, использующими наночастицы Nb 2 O 5 в качестве фотоанод.

\ n

Effendi et al. [37] изготовили нанокомпозитный фотоанод Gr-ZnO для DSSC методом электроосаждения. DSSC на основе нанокомпозита Gr-ZnO были изучены с помощью спектроскопии электрохимического импеданса (EIS), спектроскопии диффузного отражения в УФ-видимом диапазоне (УФ-видимый) и кривых J-V для фотоэлектрических характеристик. EIS показал, что меньшая постоянная времени переноса заряда возникает в DSSC на основе нанокомпозита Gr-ZnO по сравнению с ZnO. Это повысило эффективность сбора электронов, что привело к высокому напряжению холостого хода.Более того, нанокомпозит Gr-ZnO продемонстрировал эффективное фотоиндуцированное разделение и транспортировку заряда, таким образом демонстрируя максимальный отклик фототока по сравнению с ZnO. Более того, кривые J-V продемонстрировали, что включение графена в фотоанод ZnO может позволить устройствам DSSC работать более эффективно. Нанокомпозит Gr-ZnO показал максимальную эффективность преобразования энергии 7,01%, что вдвое больше, чем у фотоанода из чистого ZnO.

\ n

Chou et al. [32] изготовили GO-TiO 2 и нанопроволоки оксида цинка (ZNW) в качестве фотоэлектродного слоя DSSC.Морфология и эффекты ZNW / GO-TiO 2 были исследованы с помощью автоэмиссионной сканирующей электронной микроскопии (FESEM), УФ-видимого спектрометра и симулятора солнечного излучения. Улучшение фотоэлектрических характеристик DSSC было связано с высокой удельной поверхностью GO и высокой подвижностью электронов ZnO. Кроме того, электрохимические свойства двойной структуры GO-TiO 2 / ZNW были исследованы методом спектроскопии электрохимического импеданса. Большая площадь поверхности GO и высокая подвижность электронов ZnO могут улучшить фотоэлектрические характеристики DSSC.По сравнению с различными композитными пленками ZNW / GO-TiO 2 , очевидно, показали более высокую загрузку красителя. Оптимальные 3,82% PCE были достигнуты в DSSC, когда композитная пленка ZNWs / GO-TiO 2 была модифицирована 1,5 мл раствора GO, что на 70,09% больше, чем DSSC на основе TiO 2 (3,82%).

\ n

Батмунх и др. [38] использовали SnO 2 и восстановленный SnO 2 -RGO в качестве фотоанода в DSSC, синтезированных микроволновым методом. Включение RGO в SnO 2 привело к большему переносу электронов, таким образом увеличивая PCE устройства на 91.5%. Повышение эффективности можно отнести к увеличению содержания красителя, добавлению подходящих уровней энергии и усилению транспорта электронов фотоанода (таблица 1).

\ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n
Фотоанод V OC (V) J SC (мА / см 2 ) FF (%) PCE% Каталожный номер
TiO 2 \ n 0.71 6,27 60,2 2,68 [10]
TiO 2 -2% G \ n \ n 67,1 7,68 [31]
TiO 2 -SnO 2 -RGO (0,45) 0,67 10,185 46,1 3,16 [38]
FLG 1% -SnO 2 \ n 0,54 12,21 45 .6 3,02 [39]
G-ZnO / CdS 0,38 8,35 29 0,94 [26]
G-ZnO 0,91 10,89 66 7,01 [37]
G-Nb 2 O 5 \ n 0,196 0,363 42 0,11 [28]
Ti на 1% GO 0.68 8,42 63,9 3,69 [10]

Таблица 1.

Фотоэлектрические параметры различных материалов фотоанодов в DSSC.

\ n

Bykkam et al. [39] использовали нанокомпозит многослойный графен (FLG) / SnO 2 в качестве фотоанода для DSSC. FLG варьировался от 1 до 3 мас.%, И их влияние было исследовано на PCE. Рентгенограммы подтвердили существование наночастиц FLG и SnO 2 в нанокомпозитах FLG / SnO 2 .Ширина запрещенной зоны наночастиц SnO 2 составила ~ 4,239, 4,237, 4,210 и 4,172 эВ для нанокомпозитов ФЛГ (1,0, 2,0 и 3,0 мас.%) / SnO 2 соответственно. Повышенное содержание PCE на 3,02% наблюдалось для нанокомпозита FLG / SnO 2 с 1 мас.% По сравнению с чистым SnO 2 НЧ. Эти результаты подтверждают, что подходящее соотношение (1 вес.%) FLG в SnO 2 выполняет роль блокирующего слоя для уменьшения обратной электронно-дырочной рекомбинации в DSSC и, таким образом, для увеличения PCE, хотя более высокий весовой% FLG вызывает экранирование. FLG, что приводит к снижению эффективности DSSC.

\ n \ n \ n \ n

2.2 Применение графена в PSC

\ n

Открытие металлоорганического перовскита CH 3 NH 3 PbX 3 (X = галоген) в качестве высокоэффективного поглотителя света в обоих Фотоэлектрохимические и фотоэлектрические элементы проливают новый свет на появляющиеся более дешевые и высокоэффективные солнечные элементы нового поколения, обрабатываемые на основе растворов [7, 40]. Солнечные элементы на основе перовскита - новый многообещающий заменитель солнечных элементов, синтезированных из кремния и красителей [2, 8]. PSC стали наиболее перспективной фотоэлектрической технологией из-за их высокой эффективности (сертифицировано 22.1%) и низкая стоимость менее чем за 8 лет разработки [4, 41, 42]. Этот необычайный темп развития привлек много внимания и привлек в эту область многих инженеров и ученых.

\ n

Перовскит назван в честь российского ученого «Перовски», который первым предложил кристаллическую структуру типа ABX 3 (например, CaTiO 3 ) для перовскитов. Для применения в солнечных элементах недавно был представлен новый класс перовскитного материала - тригалогенид металлоорганического соединения. В перовскитах, содержащих тригалогениды металлов, «А» представляет собой «органический одновалентный катион» (например,грамм. CH 3 NH 3 \ n + ), «B» представляет собой «двухвалентный катион металла» (например, Sn 2+ или Pb 2+ ) и «X» представляет собой «галогенид-анион» ( например, Cl - , Br - или I - ) [5, 41, 43].

\ n

Перовскитные материалы обладают исключительными свойствами, такими как подходящая запрещенная зона, высокая подвижность носителей, широкополосное поглощение света, большая длина диффузии носителей и амбиполярный перенос, благодаря чему они были исследованы как материалы, переносящие заряд и поглощающие свет в фотоэлектрических системах. устройства [41, 43].Большим преимуществом PSC является то, что они могут реагировать со светом различной длины волны, преобразовывая больше солнечного света в электричество и обеспечивая высокую эффективность. Кроме того, они легкие, гибкие и полупрозрачные. Первый сенсибилизированный красителем солнечный элемент на основе перовскита CH 3 NH 3 PbBr 3 / TiO 2 был разработан в 2009 году, в котором было получено PCE 3,13%, с тех пор PSC добились выдающегося прогресса, и в за 8 лет показатель PCE был улучшен примерно до 23% (22.1% сертифицирован) [6, 44]. Тем не менее, PSC по-прежнему сталкиваются с проблемами окружающей среды и стабильности, которые необходимо улучшить.

\ n

Обычно PSC с регулярной конфигурацией (Рисунок 4) состоят из трех основных слоев:

  • Слой переноса электронов (ETL)

  • Слой абсорбера перовскита

  • Слой переноса дырок (HTL)

\ n \ n
Рисунок 4.

Типичная архитектура PSC.

\ n

Основная функция ETL - извлечение фотогенерированных электронов из перовскита и их перенос на электроды.ETL также действует как слой, блокирующий отверстия (HBL) [45]. Основная предпосылка для идеального ETL - высокая проводимость, отличная подвижность электронов, высокий оптический коэффициент пропускания и соответствующая работа выхода [8, 44, 46]. Что касается PSC, это различные ETL, такие как TiO 2 , SnO 2 , Nb 2 O 5 , ZnO, Zn 2 SO 4 , In 2 S 3 и BaSnO 3 успешно использовались различными методами [46].

\ n

HTL находится в центре солнечного элемента между металлическим электродом и перовскитом.Он играет жизненно важную роль в структурах PSC и извлекает положительные заряды (дырки) из перовскита и переносит их на верхний электрод. Это предотвращает прямой контакт перовскита и верхнего электрода [47]. Наиболее широко используемым материалом для переноса отверстий является Spiro-OMeTAD. Другими материалами, используемыми в качестве HTL, являются PEDOT: PSS, P3HT, PTAA, NiO, CuSCN и др. [41, 47].

\ n

PSC включает в себя соединение со структурой перовскита (ABX 3 ) в качестве светособирающего активного слоя, чаще всего органический-неорганический материал на основе галогенида свинца.Перовскиты, обычно используемые в качестве активного слоя, представляют собой трииодид свинца метиламмония (CH 3 NH 3 PbI 3 ) и трииодид свинца формамидиния (CH 3 (NH 2 ) 2 PbI 3 ) [4 , 48]. Перовскит имеет кубическую кристаллическую структуру (рис. 5) с трехмерным (3D) каркасом и разделяет октаэдр BX 6 с ионом A, помещенным в октаэдрические промежутки [4, 5, 47, 48]. Перовскит обладает уникальными амбиполярными свойствами генерировать и переносить как фотогенерированные дырки, так и электроны.Они действуют как эффективные поглотители света и как носители заряда [47].

\ n
Рис. 5.

Кристаллическая структура перовскита Ch4Nh4PbI3.

\ n

Теоретически принцип работы фотоэлектрических устройств включает четыре основных процесса, представленных на рисунке 6.

  1. Поглощение света

  2. Разделение зарядов

  3. Транспортировка заряда

  4. Сбор заряда

\ n \ n
Рисунок 6.

Принцип работы PSC [9].

\ n

При световом освещении материал перовскита подвергается фотовозбуждению и разделению заряда. Фотовозбуждение генерирует электронно-дырочную пару в материале перовскита. Затем происходит диффузия электронов и дырок к границам раздела перовскиты / заряженно-селективные слои соответственно. После извлечения носителей заряда (электронов и дырок) в слои с селективным зарядом электроны и дырки диффундируют в ETM и HTM, соответственно, к соответствующим электродам для сбора заряда.Эти носители заряда создают разность потенциалов на заднем и переднем контактах PSC и могут генерировать электрический ток [4, 41].

\ n

В 2009 году MAPbI 3 был впервые использован в качестве сенсибилизатора Миясакой и его коллегами в DSSC в жидком состоянии с PCE 3,81% [49]. В 2011 г. для сенсибилизированных перовскитом DSSC, в которых квантовые точки перовскита использовались в качестве сенсибилизаторов, было сообщено о PCE 6,5% [50]. Однако в 2012 году был достигнут значительный прогресс в использовании сенсибилизаторов перовскита на основе металлорганических галогенидов в твердотельных DSSC (или PSC) на основе перовскита и 9 PCE.Было получено 7 и 10,9% [4]. Позже, в течение короткого периода времени с 2012 по 2015 год, были сделаны более захватывающие открытия и достижения в области PSC, и был достигнут PCE в 22,1% [4].

\ n \ n
2.2.1 Графен / оксид металла в качестве слоя, переносящего электроны в PSC
\ n

Хотя самая высокая эффективность в PSC, обрабатываемых в растворе, была достигнута с использованием слоя, переносящего электроны из оксида металла, эти электроды требуют спекания при более высоких температурах. до 500 ° C, что неэкономично и неблагоприятно для изготовления ПСФ на пластиковых подложках.Кроме того, рекомбинация носителей заряда на границе раздела оксид металла / перовскита является еще одним критическим фактором в PSC, который задерживает перенос заряда и снижает PCE устройства. Чтобы сообщить об этой проблеме, графен и его производные, а также нанокомпозиты графен / оксид металла были обозначены как ETL [51]. В последнее время некоторые нанокомпозиты графен / оксид металла, такие как G / ZnO, G / TiO 2 , G / SnO 2 и т. Д., Были успешно использованы в качестве фотоанода в PSC.

\ n

Графеновый нанокомпозит с TiO 2 в качестве недорогого, низкотемпературного собирающего слоя в мезоструктурированных PSC был изготовлен Wang et al.[52]. Наночешки графена обеспечивают больший сбор заряда в нанокомпозитах, что позволяет изготавливать устройства при более низких температурах (150 ° C). Эти устройства показали выдающиеся фотоэлектрические характеристики с максимальным PCE до 15,6%. Таким образом, нанокомпозиты G / TiO 2 продемонстрировали свою возможность внести значительный вклад в развитие дешевых солнечных элементов.

\ n

Хан и др. [53] сообщили о восстановленном оксиде графена / мезопористом (mp) -TiO 2 нанокомпозитных мезоструктурированных ПСФ, которые продемонстрировали улучшенные свойства переноса электронов из-за пониженного межфазного сопротивления.Было оптимизировано количество rGO, добавленного к наночастицам TiO 2 , и исследовано их влияние на диффузию электронов, удельное сопротивление пленки, время рекомбинации и фотоэлектрические характеристики. Пленка rGO / mp-TiO 2 снижает межфазное сопротивление по сравнению с пленкой mp-TiO 2 и, таким образом, повышает эффективность сбора заряда. Этот эффект значительно увеличивает содержание ЛОС и ISC. Нанокомпозитная пленка rGO / mp-TiO 2 с оптимальным содержанием rGO 0,4 об.% Показала PCE на 18% выше, чем PSC с наночастицами TiO 2 .

\ n

Saleem et al. [33] сообщили о новом подходе к низкотемпературной обработке раствора с использованием композитного материала rGO-TiO 2 для электронно-транспортного слоя PSC. ГО синтезирован модифицированным методом Хаммера, наночастицы TiO 2 - гидротермальным методом. Тонкие пленки GO-TiO 2 были изготовлены с различным вес.% GO на подложке из оксида индия и олова (ITO) методом центрифугирования с последующим отжигом при 150 ° C. Ширина запрещенной зоны чистой тонкой пленки TiO 2 была рассчитана равной 3.5 эВ, которая была снижена до 2,9 эВ для нанокомпозитов GO-TiO 2 с красным смещением в сторону большей длины волны. Кроме того, термический пост-отжиг при 400 ° C повысил прозрачность в видимой области и снизил сопротивление листа. Исследование I-V показало омический контакт с подложкой ITO.

\ n

Чандрасекар и Комарала [51] изготовили ПСЭ с использованием нанокомпозита графен / ZnO (НК G / ZnO) в качестве слоя, переносящего электроны. Пленки ZnO и G / ZnO NC были разработаны с помощью нового метода напыления, совместимого с методами обработки больших площадей для осаждения нетронутых материалов.Изучено влияние количества концентрации графена, при этом количество GO варьировалось от 0 до 1 мас.% В пленках G / ZnO NC. Было обнаружено, что концентрация GO в пленках G / ZnO NC 0,75 мас.% Дает наилучшие характеристики PSC, при этом ISC и PCE повышаются с 15,54 до 19,97 мА · см −2 и от 7,01 до 10,34%, соответственно, по сравнению с исходными. ZnO. Улучшение характеристик PV приписывается более высокому росту тонкой пленки перовскита и улучшенному переносу / извлечению электронов за счет использования количества графена в NC.

\ n

Xie et al. [54] улучшили электронные свойства SnO 2 , добавив небольшое количество графеновых квантовых точек (GQD), и сообщили об улучшении электронных свойств SnO 2 . Фотогенерированные электроны в GQD могут быть легко перенесены в зону проводимости SnO 2 , тем самым увеличивая проводимость SnO 2 и уменьшая рекомбинацию зарядов на границе раздела. Солнечный элемент, изготовленный из SnO 2 / GQD, показал низкий гистерезис и среднее значение PCE, равное 19.2%.

\ n

Xiaojuan et al. [55] попытались внедрить химически модифицированный (2D нафталиндиимид) графен в нанокристалл SnO 2 в качестве ETL для высокоэффективных PSC. Они модифицировали SnO 2 двумерным диимид-графеном нафталина, который может увеличивать гидрофобность поверхности и отвечает за ван-дер-ваальсовы взаимодействия между поверхностно-активным веществом и перовскитом. Таким образом, были изготовлены высокоэффективные PSC с максимальным PCE 20,2% и повышенным коэффициентом заполнения 82%, что можно отнести к улучшенной способности извлечения электронов, подвижности электронов и уменьшенной рекомбинации носителей, что привело к увеличению FF.Эта работа обеспечивает важное направление для дальнейших поисков в использовании углеродсодержащих материалов для низкотемпературных обработанных на растворе планарных PSCs (Таблица 2).

\ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n
Слой, переносящий электроны VOC (V) J SC (мА / см 2 ) FF (%) PCE (%) Каталожный номер
TiO 2 НП 1.0 17,7 61,0 10,1 [52]
высокотемпературный спеченный TiO 2 \ n 1,00 21,4 70,0 14,1 [52]
SnO 2 \ n 1,10 22,1 73,6 17,91 [54]
SnO 2 - спеченный свободный 0,91 20.73 64,2 12.10 [42]
SnO 2 наноленты 1.08 22.46 66.0 16.02 [46]
SnO 2 / GQDs 1.134 23.05 77.8 20.31 [54]
G-SnO 2 \ n 1,84 22,66 82.1 20,16 [55]
(0,4 об.%) RGO / mp-TiO 2 \ n 0,91 21,0 70,8 13,5 [53]
TiO 2 + графен 1,04 21,9 73,1 15,6 [52]
0,75 вес.% G / ZnO 0,926 19,97 56,3 10.34 [51]

Таблица 2.

Фотоэлектрические параметры различных электронно-транспортных материалов в PSC.

\ n \ n \ n \ n

4. Футуристические аспекты / перспективы нанокомпозитов на основе оксида металла и графена

\ n

Материалы на основе графена интересны как с точки зрения фундаментальной науки, так и с точки зрения технологий из-за их нетоксичности, химической и термической стабильности и механическая сила. Хотя нанокомпозиты на основе оксида металла и графена могут использоваться для повышения КПД солнечных элементов 3G с помощью различных методов оптимизации, производство высокоэффективных и стабильных солнечных элементов является сложной задачей.Кроме того, необходимо проделать большую практическую работу, чтобы получить оптимальную производительность. С точки зрения будущего необходим механизм физико-химического взаимодействия этих нанокомпозитов в разных слоях солнечных элементов.

\ n

С энергетической точки зрения нанокомпозиты из оксида металла графена могут использоваться для устройств хранения и преобразования энергии, таких как солнечные элементы, топливные элементы, батареи, конденсаторы и т. Д. Уникальные свойства графена, такие как высокая проводимость и прозрачность, обеспечивают заменить ITO, которому не хватает гибкости и надежности в гибких солнечных элементах, светодиодах, сенсорных экранах и дисплеях.Нанокомпозиты графен / оксид металла могут использоваться для повышения долговечности потенциальных оптоэлектронных устройств. Нанокомпозиты графен / оксид металла являются многообещающими заменителями для уменьшения недостатков использования только наночастиц оксида металла в различных приложениях, таких как анодные материалы в литий-ионных батареях (LIB), сенсоры, фотокатализаторы, удаление органических загрязнителей и т. Д. нанокомпозиты показали большую универсальность в качестве улучшенных материалов для изготовления электрохимических сенсоров и биосенсоров.

\ n

Графен, благодаря его антибактериальной, антиагрегантной и противоопухолевой активности, делает его потенциальным кандидатом для биологических и биомедицинских применений, а нанокомпозиты графен / оксид металла могут использоваться в терапии рака, доставке лекарств, биоимиджинге, тканевой инженерии и т. Д. Синтез, токсичность, биосовместимость и биомедицинские применения нанокомпозитов графен / оксид металла - важные вопросы, требующие тщательного исследования в любых приложениях, связанных с благосостоянием человека.

\ n

Несмотря на значительный прогресс в синтезе нанокомпозитов на основе графена, существуют проблемы в их применении в промышленных масштабах. Например, передовые применения нанокомпозитов графен / оксид металла требуют широких исследований, чтобы понять взаимодействия между поверхностью графена и наноматериалами, которые будут иметь прямое влияние на свойства этих нанокомпозитов. Правильное понимание этих взаимодействий, несомненно, расширит возможности применения нанокомпозитов в различных областях, таких как катализ, биосенсор, доставка лекарств, визуализация и т. Д.Таким образом, композиты на основе оксида металла графена обладают огромным потенциалом для многих промышленных применений, и они коммерчески возможны по сравнению с нанокомпозитами на углеродной основе.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *