2.6. Экономия бензинов и добавки к ним

С целью экономии нефтяного топлива, повышения октанового числа, улучшения пусковых качеств бензинов можно добавлять разные нетрадиционные добавки: спирты (метанол, этанол, бутанол, изопропанол и др.), эфиры (метилтретиннобутиловый – МТБЭ, метилтретиннопентиловый – МТПЭ), углеводородное газовое топливо, водород и другие добавки. Использование добавок дает возможность получать высокооктановое топливо без использования токсичных антидетонаторов.

Некоторые индивидуальные соединения имеют октановые числа 100 и выше: ацетон толуол – 100/М, бензол – 108/М, триптан – 104/М (табл.27). Невзирая на высокие антидетонационные свойства отдельных соединений, использовать их в чистом виде невозможно, потому что не обеспечиваются другие эксплуатационные требования.

При выборе высокооктановых компонентов следует учитывать температуру воздуха, растворимость в воде и нефтепродукты, гигроскопичность, нагарообразование, коррозийность и некоторые другие свойства. Добавка ароматичных углеводородов (бензола, толуола, триптана, нафталина и др.) связана с повышением нагарообразования, возникновением раскаленного зажигания, повышением токсичности отработанных газов. На нефтезаводах в процессе приготовления товарных бензинов добавляют ароматичные углеводороды в допустимом количестве. Ароматичные углеводороды имеют высокую токсичность, особенно бензол.

Нельзя к бензинам добавлять ацетон, невзирая на высокое октановое число и его растворимость в бензине. Вследствие высокой растворимости воды в ацетоно-бензиновых смесях последние могут стать причиной обледенения карбюратора, расслоения смеси. Ацетон токсичный, имеет высокие коррозийные свойства.

Введение излишних компонентов или добавок к бензину может повредить двигателю и окружающей среде.

Необходимо очень тщательно анализировать некоторые рекомендации в отношении разных добавок и компонентов к топливам, разных приспособлений, которые появляются в периодической литературе, таких как добавки нафталина, магнитная обработка, использование «конусов» и пр. Как правило, такие предложения имеют негативное влияние либо не дают никаких позитивных последствий.

С целью улучшения антидетонационных свойств бензинов и экономии нефтяного топлива как добавки к бензинам можно использовать одноатомные спирты, эфиры. Из вторичных и третичных спиртов как высокооктановые компоненты могут использоваться ВБС и ТБС (вторичный и третичный бутиловый спирт соответственно), смесь спирта с эфиром (МТБЭ).

При добавках спиртов к бензину в двигателях образуется меньше нагара по сравнению с нагарообразованием при использовании бензинов без спирта, в отработанных газах меньше токсичных веществ. Спирты имеют высокую теплоту выпаривания, что позволяет использовать топлива с меньшим октановым числом.

На практике иногда используется не абсолютный спирт, а азеотропная смесь, которая содержит 96% спирта и 4% воды либо 95% спирта и 5% воды. Последняя смесь не растворяется в бензине при температурах ниже 49*С, если её добавить к бензину в количестве больше 20%, а при температурах ниже 38*С – в количестве больше 10%, происходит расслоение бензиново-спиртовых смесей. При температуре 20*С расслоение смесей происходит при содержании воды в спирте.

Содержание спирта в смеси, %	Минимально допустимое содержание воды, % на смесь
3	0,02
10	0,30
25	1,12
50	1,42

Допустимое содержание воды увеличивается с повышением концентрации этанола; оно увеличивается в присутствии ароматичных углеводородов, высших спиртов. При добавлении 10% бензола или толуола к смеси, которая содержит 10% этанола, критическая температура расслоения снижается на 8 - 11*С. Более 70 лет назад была разработана топливная смесь, которая состояла из бензина, этилового спирта и бензола. Следует отметить, что бензол кристаллизуется при температуре +5,5*С (при соответствующей концентрации) и, кроме того, он дефицитный и высокотоксичный. Поэтому была предложена замена бензола толуолом или смесью ароматичных углеводородов.

При использовании этанола как добавки к бензину основной проблемой является стабильность этой смеси при содержании воды, обязательным является введение стабилизаторов (спиртов С₃ и выше; поверхностно-активных веществ; кетонов С₆ – С₈; простых и сложных эфиров, в том числе МТБЭ, ЭТБЭ; ароматичных аминов; сивушного масла и др).

Использование «абсолютного» спирта как высокооктановой добавки к бензину не требует введения стабилизатора. При этом должна быть обеспечена невозможность попадания воды в топливо во время транспортирования или хранения в бак автомобиля.

В практике приготовления товарных бензинов используется добавка ароматичных углеводородов. Индивидуальные ароматичные соединения можно заменять смесью ароматичных углеводородов, образующихся при деструктивной гидрогенизации угля или смол на коксохимических производствах. Эта смесь является стабилизатором спиртово-бензинового топлива. Но и такие смеси расслаиваются при определенных условиях. Повышенное содержание спирта может спровоцировать коррозийные процессы, ароматичных – повышение нагарообразование и токсичности отработанных газов. В Украине используют смешенные топлива, которые состоят их бензина, абсолютного этилового спирта, ароматичных углеводородов. Добавка к бензину смеси этанола с ароматичными углеводородами в соответствующем количестве и соотношении компонентов более эффективно повышает октановое число по сравнению с добавкой такого же количества этих компонентов, введенных отдельно (либо спирт, либо ароматичные углеводороды).

Добавляются и другие компоненты к бензину.

Как альтернативное топливо и добавка к нефтяному топливу может использоваться метиловый спирт (метанол), исходя из технологии получения, наличия сырьевой базы и себестоимости. Метол абсолютный (без воды) растворяется в бензине в неограниченном количестве. Вода, даже в небольшом количестве, приводит к расслоению смеси бензина с метанолом.

Для предупреждения расслоения бензиново-метанольной смеси в её состав вводят 5-10% изо-бутанола.

Вторичные и третичные спирты, эфиры и их смеси при добавлении к бензинам не расслаиваются, значительно уменьшается токсичность отработанных газов. Так, при добавках к бензину 12% метилтретиннобутилового эфира (МТБЭ) и вторичного бутилового спирта (ВБС) в одинаковом соотношении значительно уменьшаются выбросы оксида углерода (на 15-30%), углеводородов (на 4-11%), улучшаются мощностные и экономные показатели двигателя.

При использовании высокооктановых добавок, которые содержат в своем составе кислород, увеличиваются выбросы альдегидов в отработанных газах. Ограничение содержания кислородных соединений (по массе кислорода) в бензинах особенно важно для двигателей с непосредственным впрыскиванием топлива (с инжекторными системами), для которых является обязательным использование каталитичных нейтрализаторов.

В соответствии с государственным стандартом Украины в составе бензинов ограничены:

- массовое содержание кислорода,

- массовая часть кислородных соединений (одноатомных спиртов, например, метанола, этанола; эфиров и пр.),

- содержание ароматичных углеводородов,

- бензола.

Как добавку к бензину можно использовать углеводородное газовое топливо. Добавка газового топлива (метана, пропана, бутана) повышает октановое число бензина, уменьшает токсичность отработанных газов, экономит жидкое нефтяное топливо. Газовые топлива имеют высокие октановые числа: для природных газов и газов нефтеперерабатывающих заводов они составляют 95-105 (по исследовательскому методу). Использование газовых добавок требует использования более сложной и дорогой двух топливной системы питания. Использование газовых добавок к бензинам дает возможность использовать дешевые низкооктановые бензины, компенсируя этот недостаток высокими антидетонационными свойствами газов. С использованием двух топливной системы (бензин + газ) можно заменить от 15 до 80% бензина газовым топливом.

При использовании газовых углеводородных топлив особой актуальности приобретает герметичность всей топливной аппаратуры. Утечка газового топлива может привести к опасным последствиям: отравления людей, пожары, взрывы.

Границы взрыва (% об.) смеси индивидуальных углеводородов и некоторых веществ с воздухом:

Метан от 5,0 до 15,0; Ацетилен от 2,5 до 81,0;

Этан от 2,9 до 5,0; Циклогексан от1,2 до 10,6;

Пропан от 2,1 до 9,5; Бензол от 1,4 до 7,1;

Бутан от 1,8 до 9,1; Толуол от 1,3 до 6,7;

Пентан от 1,4 до 7,8; Оксид углерода от12,5 до 74,0;

Гексан от 1,2 до 7,5; Водород от 4,0 до 75,0;

Этилен от 3,0 до 32,0; Этиловый спирт от 3,6 до 19,0.

Пропилен от 2,2 до 10,3;

Наиболее взрывоопасен ацетилен, оксид углерода и водород.

Как добавку к бензинам можно использовать водород. При его добавлении значительно экономится нефтяное топливо, улучшается экологическая обстановка. Водород является наиболее энергоемким из всех видов топлива: его нижняя теплота горения составляет 120,16 МДЖ/кг, т.е. почти в 3 раза выше теплоты сгорания бензина. При нормальных условиях водород – легкий газ с густотой 9х10^-5 г/см³. Температура кипения водорода составляет минус 253*С, а критическая – минус 240*С. Добавка 5% водорода в топливно-воздушную смесь снижает расход бензина (либо дизельного топлива) до 25-30%, токсичность отработанных газов, потому что двигатель работает на обедневших смесях (α = 1,05), увеличивает мощность двигателя.

Одним из трудностей использования водорода как топлива и добавки к нефтяным топливам является создание легкой, малообъемной и безопасной системы сохранения водорода в автомобиле и другой технике. Водород может храниться в сжатом, сжиженном состоянии либо во вторичных энергоносителях.

В связи с широким диапазоном воспламенения (4-75% об.), хранение водорода в газовом и жидком состоянии опасно. Его можно хранить в металлогидридных аккумуляторах. Аккумулирование водорода в металлогидридных аккумуляторах лежит во временном связывании его с некоторыми твердыми химическими элементами (гидридами жидкостно-земельных металлов, например, натрием), полученные на этой основе нестабильные соединения, которые снова выделяют водород при нагревании их до температуры 80-100*С. Масса аккумуляторов значительна, а масса водорода в нем – незначительна. Например, гидридный аккумулятор (FeTiH₂) массой 400 кг обеспечивается сохранение 6,4 кг водорода.

Возможны добавки водорода к бензину методом его растворения в бензине. Один литр бензина при давлении 1,5-2,0 МПА может поглотить 140-190 дм³ водорода, что приводит к повышению октанового числа бензина на 15-17 единиц. Но возникает проблема образования излишнего давления. Использование водорода как добавки к нефтяному топливу и как отдельного топлива связано также с экономичной стороной.

Экономия бензина, охрана окружающей среды зависят от исключения вытекания, разлива, порчи бензина на местах и его повышенного выпаривания; надлежащего технического состояния автомобилей, умелого использования разных нетрадиционных добавок в условиях эксплуатации и т.д. Образование смол, выпаривание легкой части бензина приводит к перерасходу не только топлива, но и масла. При этом снижается надежность двигателя, повышается загрязнение окружающей среды. Важным в вопросе экономии бензина является использование соответствующих (а не случайных) марок бензина, моторных и трансмиссионных масел, охлаждающих жидкостей, смазок.