Альтернативное топливо

Кроме рапсового топлива, в качестве добавки к дизельному топливу теоретически возможноииспользование различных масел растительного происхождения: подсолнечного, соевого, пальмового, льняного и др.

При использовании указанных масел в качестве добавки в дизельное топливо наилучшим считается рапсовое масло, так, как с увеличением его концентрации в топливе происходит незначительный прирост выбросов сажи. Льняное и пальмовое масла содействуют увеличению выбросов сажи максимум на 0,8 % [3].

Газовые топлива

Газовое моторное топливо уже получило распространение на автомобильном и морском транспорте, а также на стационарных двигателях внутреннего сгорания. Использование сжиженных нефтяных газов (пропана, бутана и их смесей) и природного газа в двигателях внутреннего сгорания не требует глубокой химической переработки сырья, а связано с физическими методами их подготовки к применению.

Газовые топлива обладают такими достоинствами, как высокие октановые числа, меньшие, чем у бензина и дизельного топлива, выброс вредных веществ с отработавшими газами, более высокий моторесурс двигателя др. Для их применения легко могут быть приспособлены обычные бензиновые и дизельные двигатели. В то же время в обычных условиях эти топлива находятся в газообразном состоянии, т. е. для заправки транспортных средств требуется компримирование или сжижение этих топлив.

Мировое производство сжиженных нефтяных газов в настоящее время превышает 100 млн. т в год, из них более 5 млн.т используется в качестве моторного топлива.

Газовые углеводородные топлива. Применение газовых топлив в тепловых двигателях имеет давнюю историю. Теоретический цикл газового двигателя был описан французским ученым С. Карно еще в 1721 г. Столетие спустя получили практическое распространение двигатели Ленуара, работавшие на светильном газе. Созданные позднее поршневые двигатели Отто также вначале работали на газовом топливе.

В последнее время объективная необходимость экономии ресурсов нефти привела к увеличению числа автомобилей, работающих на газовых топливах. Во многих странах, например в Японии, переход на газовое топливо рассматривается как радикальная мера снижения вредных выбросов автомобилей и оздоровления воздушного бассейна больших городов.

В настоящее время мировой парк автомобилей, эксплуатируемых на газовых топливах, оценивается в 3—3,5 млн. шт. В нашей стране расширяются масштабы применения как сжатого, так и сжиженного газов. С учетом Единой системы газоснабжения, значительных запасов и растущих объемов добычи природного газа наиболее высокими темпами осуществляется перевод автомобилей на сжатый природный газ.

Среди различных видов горючих газов большее практическое применение в качестве моторных топлив нашли смеси газообразных углеводородов, получаемые из природного и попутного нефтяного газов.

Сжиженные газы. Основными компонентами сжиженных пропанобутановых газов, известных на практике под названием сжиженных нефтяных газов, являются пропан и бутан. Кроме того, в них содержится немного этана и пропилена. При 20°С бутан сжижается при давлений 0,103 МПа, а пропан — 0,716 МПа. Поэтому для сохранения жидкого состояния при более высоких температурах (до +45, +50 °С) пропанобутановая смесь находится в топливном баллоне под давлением 1,6 МПа.

По отношению к бензину пропан и бутан имеют более высокую массовую теплоту сгорания и характеризуются высокой детонационной стойкостью. Они являются хорошим топливо: для двигателей внутреннего сгорания с принудительным (искровым) воспламенением. При переводе автомобиля на пропанобутановую смесь его эксплуатационные свойства не только сохраняются, но и по ряду показателей улучшаются в сравнении с базовой (бензиновой) моделью.

Модели газобаллонных автомобилей, предназначены для работы на сжиженных газах. Благодаря отсутствию жидкой фазы (фракций углеводородов) в топливовоздушной смеси обеспечивается большая равномерность ее распределения по цилиндрам двигателя, исключается смывание смазки с их зеркала, а загрязнение масла и нагарообразование значительно снижаются. В результате ресурс работы двигателя, его межремонтный пробег возрастают в 1,4—2, а периодичность смены моторного масла – в 2 – 2,5 раза. При отсутствии необходимых средств допускается запуск двигателя на резервном бензине с переводом после прогрева на газовое топливо. Однако это является исключительной мерой, так как ведет к дополнительному расходу бензина и снижает экономическую эффективность газобаллонного автомобиля.

Природный газ состоит в основном из метана и небольшой примеси других газообразных компонентов.

Сжижение природного газа по сравнению с сжатием позволяет уменьшить массу системы хранения в 3—4 и объем в 1,5— З раза. Однако из-за низкой температуры кипения метана (ос­новного компонента природного газа) топливо необходимо хранить в криогенных емкостях с высокоэффективной тепловой изоляцией. Обычно это емкость с двойными стенками, пространство между которыми вакуумируется, а в ряде случаев заполняется теплоизоляционным материалом. Эксплуатация автомобиля па сжиженном газе связана с потерями газа на испарение при заправке и хранении (до нескольких процентов в сутки) и, кроме того, технически достаточно сложна.

Перевод двигателя на газовое топливо ведет к снижению индикаторного к.п.д. и уменьшению максимальных цикловых давлений, т. е. потерям мощности и снижению экономичности.

Указанные недостатки могут быть устранены двумя путями. Простейший способ — использование высокой детонационной стойкости газового топлива, октановое число которого на 20— ЗО ед. выше, чем у товарных бензинов. Этот путь связан с повышением степени сжатия двигателя, что исключает возможность его работы на бензине, т. е. исключается универсальность (двухтопливность) питания газового автомобиля. Второй путь — использование принципиально отличной системы подачи газового топлива: впрыск газа непосредственно в цилиндры двигателя или применение турбонаддува. Такие системы позволяют создать универсальный бензиногазовый двигатель с высокими мощностными характеристиками и топливноэкономическими показателями.

При использовании природного газа в качестве моторного топлива отмечены его плохие пусковые свойства. Предельное значение температуры холодного пуска двигателя (без дополнительных средств подогрева) на природном газе на 3—8 °С выше, чем на пропан-бутане. Трудность пуска объясняется высокой температурой воспламенения метана и тем, что в процессе воспламенения (после нескольких вспышек) на свечах осаждается вода, шунтирующая искровой промежуток.

Важным достоинством газовых топлив в сравнении с нефтяными являются лучшие экологические характеристики и прежде всего уменьшение выбросов вредных веществ с отработавшими газами двигателя.

Спиртовые топлива

Среди различных спиртов и их смесей наибольшее распространение в качестве моторного топлива получили метанол и этанол. Их основными недостатками является пониженная теплота сгорания, высокая теплота испарения и низкое давление насыщенных паров, но в целом по моторным свойствам этанол лучше метанола.

Высокие антидетонационные качества определяют преимущественное использование спиртов в двигателях внутреннего сгорания с принудительным (искровым) зажиганием. При этом основные мероприятия по переводу автомобилей на работу па чистых спиртах сводятся к увеличению вместимости топливного бака (в случае необходимости сохранения беззаправочного пробега), увеличению степени сжатия двигателя до ε = 12—14 с целью полного использования детонационной стойкости топлива и перерегулировки карбюратора па более высокие его расходы (в соответствии со стехиометрическим коэффициентом) и большую степень обеднения смеси. Низкое давление насыщенных паров и высокая теплота испарения спиртов делают практически невозможным запуск карбюраторных двигателей уже при температурах ниже +10 °С. Для улучшения пусковых качеств в спирты добавляют 4—6% изопентана или 6—8% диметилового эфира, что обеспечивает нормальный пуск двигателя при температуре окружающего воздуха от —20 до —25 °С. Для этой же цели спиртовые двигатели оборудуются специальными пусковыми подогревателями. При неустойчивой работе двигателя па повышенных нагрузках из-за плохого испарения спиртов требуется дополнительный подогрев топливной смеси с помощью, например, отработавших газов.

С энергетической точки зрения преимущества спиртов заключаются главным образом в высоком к. п. д. рабочего процесса и высокой детонационной стойкости. Величина к. п. д. спиртового двигателя выше бензинового во всем диапазоне рабочих смесей, благодаря чему удельной расход энергии па единицу мощности (рис. 4.8) снижается. Эти факторы, а также высокий коэффициент наполнения позволяют существенно повысить мощность спиртового двигателя. Например, при работе на метаноле повышение степени сжатия полноразмерного восьмицилиндрового двигателя «Мегсеders Веnz» с 8,9 до 11,0 привело к увеличению его максимальной! мощности на 15% [148]. Одновременно несколько возрастает среднее эффективное давление, пропорциональное крутящему моменту, что являются существенным преимуществом для автомобильного двигателя.

Низкая энергоемкость спиртов ведет к увеличению удельного расхода топлива, в частности для метанола примерно вдвое.

При использовании спиртовых топлив снижается содержание контролируемых вредных компонентов отработавших газов автомобиля. Благодаря низким температурам горения спиртов на единицу расходуемой энергии й топлива выделяется значительно меньше, чем у бензина оксидов азота. Одновременно вследствие улучшения полноты сгорания спиртовых смесей выбросы СО и [СН]* также уменьшаются. Выбросы канцерогенных ароматических углеводородов также па порядок ниже, чем при работе двигателя на бензине.

Наряду с положительной экологической эффективностью использования спиртовых топлив следует отметить и такие негативные явления, как повышенные выбросы альдегидов и испарения углеводородных соединений. Содержание альдегидов растет с увеличением концентрации спиртов в топливной смеси. Для метанола характерны выбросы формальдегида, в то время как при сгорании этанола образуется преимущественно ацетальдегид. Минимальные выбросы альдегидов соответствуют стехиометрическому составу топливной смеси и возрастают при ее обеднении или обогащении. В среднем выбросы альдегидов при работе на спиртах примерно в 2—4 раза выше, чем при работе двигателя па бензине. Их снижения добиваются при добавке к спиртам воды (до 5%) и присадок к топливу до 0,8% анилина, подогреве воздуха па входе в двигатель.

Использование спиртов в дизелях затрудняется из-за низких цетановых чисел, высокой температуры самовоспламенения и плохих смазывающих свойств, ведущих к повышенному износу топливной аппаратуры. Работа дизелей па спиртовых топливах возможна при использовании смеси спиртов и дизельного топлива с повышенным цетановым числом, введений в топливо активирующих присадок, подаче спиртов в испаренном виде, впрыске запального дизельного топлива, переоборудовании дизеля в двигатель с искровым воспламенением. Из перечисленных вариантов наиболее приемлемой для эксплуатации является добавка к спиртам различных присадок.

Топлива с ненефтяными добавками

Главным преимуществом топлив с ненефтяными добавками является сопоставимость их моторных свойств со свойствами традиционных топлив. Добавками могут быть различные соединения, в частности рассмотренные выше спирты.

Высокие антидетонационные свойства метанола в сочетании с возможностью это производства из неефтяпого сырья позволяют рассматривать этот продукт в качестве перспективного высокооктанового компонента автомобильных бензинов, получивших название бензино-метанольных смесей. Оптимальная добавка метанола — от 5 до 20%; при таких концентрациях бензино-спиртовая смесь характеризуется удовлетворительными эксплуатационными свойствами и даст заметный экономический эффект. В то же время при введений метанола повышается октановое число топлива (в среднем па 3—8 единиц для 15%-й добавки), что позволяет компенсировать ухудшение энергетических показателей за счет повышения степени сжатия. Одновременно метанол улучшает процессе сгорания топлива благодаря образованию радикалов, активизирующих цепные реакции окисления.

Особенности эксплуатационных свойств метанола проявляются и при использовании в смеси с бензином. Возрастают, например, эффективный к. п. д. двигателя и мощность, однако топливная экономичность при этом ухудшается

Добавки метанола к бензину в целом способствуют улучшению токсических характеристик автомобиля.

Повышенная испаряемость и проницаемость спиртов в шланги обусловливают увеличение выбросов паров топлива в атмосферу. Например, добавка 10% этанола увеличивает выбросы паров топлива на 5% при движении автомобиля и на 42—48% при его заправке [158]. Испарений можно избежать при тщательной герметизации топливной системы и замене некоторых прокладочных и трубопроводных материалов. Для этой цели разработаны специальные АЭС, емкости которых снабжены улавливателями паров с адсорбентами, а на раздаточных колонках установлены полностью герметичные пистолеты.

Одной из наиболее серьезных проблем, затрудняющих применение добавок метанола, является низкая стабильность бензо-метанольных смесей и особенно чувствительность их к воде. Различие плотности бензина и метанола и высокая растворимость последнего в воде приводят к тому, что попадание даже небольшого количества воды в смесь ведет к ее немедленному расслоению и осаждению воднометанольной фазы. Склонность к расслоению усиливается с понижением температуры, увеличением концентрации воды и уменьшением содержания ароматических соединений в бензине.

Коррозионная активность бензино-метанольных смесей значительно ниже, чем у чистого метанола, однако в ряде случаев существенна и сильно зависит от присутствия воды. Например, в смесях с содержанием 10—15% метанола сталь, латунь и медь не корродируют, алюминий же корродирует медленно с изменением цвета.