8.5 Пошук нових видів палива

Поряд з кардинальними рекомендаціями робляться спроби створити присадки і домішки до звичайного палива, які могли б понизити токсичність відпрацьованих газів автомобілів.

В багатьох країнах світу проводяться дослідження в пошуках нового „чистого” антидетонатора для заміни тетраетилсвинцю, у відходах якого знаходиться багато дуже шкідливого для людини свинцю.

В нашій країні закінчені наукові та експериментальні роботи щодо створення нового антидетонатора на марганцевій основі. Така присадка, зі скороченою назвою ЦТМ, в 50 разів менш токсична, ніж тетраетилсвинець. Крім того в неї є ще одна важлива перевага: ЦТМ, на відміну від свинцевої присадки, не погіршує роботу каталітичних нейтралізаторів відпрацьованих газів. Добавка ЦТМ в кількості 2% підвищує октанове число бензину А-80 до 93 одиниць.

Для зменшення в складі відпрацьованих газів, головним чином, сажі в дизельне паливо вносять металоорганічні сполуки на основі свинцю, міді, нікелю, хрому або інших речовин. Навіть в кількості 0,01% до загальної маси палива ці присадки значно знижують димність відпрацьованих газів, а найкращий результат досягається при їх вмістові в розмірах 0,02...0,25%. Такі присадки вносять на стадії підготовки палива (на нафтоперегонних заводах).

Заслуговує уваги використання водобензинової суміші, яка подається в двигун у вигляді тонкої емульсії, що одержується в процесі перемішування з допомогою невеликих домішок поверхнево активних речовин. Лабораторні досліди, а також практичні дослідження довели реальну можливість використання водобензинових сумішей. У відпрацьованих газах вантажного автомобіля ЗІЛ-441510, який працює на емульсії з вмістом 12% води, було виявлено в 2 рази менше окису вуглецю порівняно з автомобілем, який працює на чистому бензині. Крім того зафіксована деяка економія палива, а також відсутність схильності палива до детонації, що свідчить про підвищення октанового числа в таких сумішах на 5...10 одиниць проти бензину А-80, з яким проводився експеримент. Остання обставина дозволяє підвищити ступінь стиску (паливну економічність) в автомобілях і одночасно відмовитися від використання свинцю як присадки, підвищуючи „чистоту” палива і одночасно економлячи дефіцитний свинець.

В пошуках альтернативних видів палива особливо великі роботи ведуться з газовим паливом, синтетичними спиртами, аміаком і воднем.

Як газове паливо найбільше розповсюдження одержала суміш нафтових газів – пропану і бутану. Октанове число пропан-бутану перевищує 100, що дозволяє застосовувати високі ступені стиснення. Цінною якістю газового палива є його висока екологічна чистота. Досліди показали, що двигун, який працює на пропан-бутані, на холостому ході має у відпрацьованих газах в 4 рази менше окису вуглецю, а в робочому режимі – в 10 раз менше, ніж у бензинового.

Пристосування автомобілів з бензиновими двигунами, особливо великих, тобто вантажних і автобусів, до газового палива здійснюється порівняно просто. Деяких змін потребує лише паливна система. Головне – це встановлення балонів для зрідженого газу, де підтримується тиск біля 1,6 МПа. Якщо автомобіль призначається для роботи і на бензині, і на газі, то на ньому зберігається звичайний бензиновий бак. Такі автомобілі в межах міста можуть працювати на газі, а за його межами – на бензині.

Крім стиснутого газу використовується зріджений природний газ. На автомобілі встановлюється кріогенний бак, в якому знаходиться 160 л зрідженого метану з температурою кипіння 160°С. Пробіг становить 300 км.

Відпрацьовані гази автомобіля, який використовує зріджений газ, не мають специфічного для бензинового автомобіля неприємного різкого запаху. Оскільки автомобілі на природному газі за екологічними показниками в 5...6 разів чистіші бензинових або дизельних, проводиться поступове переведення вантажних автомобілів, автобусів, маршрутних таксі та легкових таксомоторів на природний газ.

Нові екологічні умови змусили повернутися до спиртового палива, яке використовувалося в двигунах внутрішнього згорання вже на початку XX ст. Найбільш перспективні – метанол і етанол.

Метанол або метиловий спирт отримують з вугілля, сланців, деревини і використовують для виробництва пластмас, формаліну та в інших цілях. Він трохи важчий бензину, а енергоємність його в 2 рази менша. Тому для збереження дальності пробігу за паливом бак для метанолу повинен бути в 2 рази більший. Запуск двигуна на чистому метанолі, особливо зимою, утруднений.

Важлива якість метанолу полягає в тому, що у відпрацьованих газах в 2...З рази менше токсичних компонентів, ніж при використанні бензину.

Етанол або етиловий спирт при тій же густині, що і метанол, має енергоємність на 25...30% вищу і, отже, потребує пропорційно меншої ємності паливного бака. Екологічні характеристики етанолу близькі до метанолу. Проте у двигунів, які працюють на етанолі, у відпрацьованих газах ще менше виділяється вуглеводнів.

Аміак в звичайних умовах – це токсичний газ з різким запахом. Проте при його згоранні утворюється тільки один токсичний компонент – окис азоту, причому в значно меншій кількості, ніж при згоранні інших видів вуглеводневого палива. Це пояснюється значно нижчою температурою робочого процесу.

Для роботи на цьому паливі двигуни повинні бути змінені в зв’язку з необхідністю підвищення ступеня стиску, посилення системи запалювання і підігрівання робочої суміші у випускному колекторі. Для активізації процесу в деяких дослідах застосовувалось вприскування запалювального палива, факел якого прискорює запалювання основної аміачної суміші та її горіння.

Водень, з точки зору збереження навколишнього середовища, це ідеальне паливо. Згораючи в чистому кисні, він перетворюється у воду. Якщо його одержувати з води шляхом електролізу, то процес замикається: вода-водень-вода. Ресурси цього палива колосальні й постійно відновлюються. Водень може стати універсальним паливом, ось чому його називають паливом майбутнього. Для одержання водню можуть бути застосовані різні термохімічні, електрохімічні чи біохімічні методи з використанням енергії Сонця, атомних і гідравлічних електростанцій тощо.

Газоподібний, навіть сильно стиснутий водень невигідний, тому що для його зберігання потрібні балони великої маси. Більш реальний варіант – використання рідкого водню, але для цього необхідно встановлювати дорогі кріогенні баки зі спеціальною термоізоляцією.

Можлива ще одна форма зберігання водню – в твердій фазі в складі деяких металогідридів (наприклад, залізотитанового або магнієвого). Водень виділяється з гідриду, якщо його підігрівати, наприклад, відпра-цьованими газами або гарячою водою з системи охолодження.

В нашій країні і за рубежем уже створені експериментальні автомобілі, які використовують водень у рідкому вигляді та в складі металогідридів як основне паливо або в суміші з бензином. Так, домішка 5...10% водню зменшує витрати палива; при цьому значно скорочуються шкідливі викиди.

Бензоводнева суміш дозволяє економити на 100 км пробігу більше 5 л дефіцитного бензину. На цьому перспективному пальному здатний працювати принципово новий двигун, створений вченими інституту проблем машинобудування АН України. Він обладнаний металогідридним акумулятором і спеціальною паливною апаратурою. Дослідна партія мікроавтобусів РАФ з новим двигуном випущена в 1984 р.

Водень і паливо на його основі можуть використовуватися і в сучасних автомобільних двигунах без значних конструктивних змін останніх.

При спалюванні бензоводневої суміші немає отруйних відходів. Чистий вихлоп автомобілів обумовлений різким збільшенням ступеня згорання бензину. Якщо в звичайних умовах частина бензину не згорає через нестачу повітря і переходить в продукти неповного згорання, в отруйні речовини, то водень, відіграючи роль чистильника, перетворює паливно-повітряну суміш з величини постійної в змінну з оптимальним співвідношенням повітря і палива на тих чи інших режимах роботи. Це забезпечує мінімальну токсичність відпрацьованих газів і максимальну паливну економічність двигуна. 10…15%-на домішка водню знижує загальні витрати бензину наполовину.