Перспективні види палива і можливості їх використання Загальні відомості. Синтетичні бензини
Важливим завданням дальшого розвитку автомобільного транспорту і БДМ є економія палива та зниження шкідливих викидів в атмосферу. Одним із перспективних шляхів у цьому відношенні вважається часткова або повна заміна традиційного нафтового палива іншими видами: синтетичними бензинами, спиртами, газовими конденсатами, метилтретиннобутиловим ефіром (МТБЕ), воднем і во-допаливними емульсіями (ВПЕ).
В одних випадках вирішення проблеми знаходиться на рівні дослідження (водень), в інших – на стадії успішних експериментів (спирти) або (як приклад, при доданні води до палива) на етапі тривалих наукових суперечностей за відсутності єдиної думки щодо впливу цих домішок на потужність, економічність, а також на кількість шкідливих речовин у відпрацьованих газах.
Склались окремі вимоги до перспективних видів палива: вони повинні мати такі фізико-технічні властивості, які не призводили б до корінної зміни конструкції двигуна, паливної апаратури й умов зберігання палива на борту машини, але забезпечувало б підвищення економічної ефективності роботи двигуна або економію бензину. Таким паливом є синтетичні бензини. Сировиною для їх виробництва є нафтові залишки і вугілля. На відміну від нафти та вугілля синтетичний бензин містить багато кисню (до 20 %), сірки, азоту і мінеральних речовин (золи). Тому процес переробки сировини зводиться не тільки до здобуття палива, а й до вилучення небажаних речовин. Це складне, але вирішуване завдання.
Процес проводиться у дві стадії:
• спочатку вугілля або смолу розтирають з важкими оливами до утворення пасти, а потім гідрують під тиском 25...70 МПа у присутності каталізатора – заліза;
• одержаний нафтоподібний продукт переганяють, а фракції з температурою кипіння вище 325 °С знову піддають гідрогенізації (гідрогенізація – від лат. слова hydrogenium – водень). Цей процес має назву гідрування – приєднання водню до хімічних елементів під впливом каталізатора (металів, оксидів, сульфідів).
Залежно від умови проведення процесу продуктами переробки можуть бути тільки бензин або бензин, дизельне паливо і мазут. Октанове число синтетичних бензинів дорівнює 69,5, яке треба підвищувати. Крім того, виробництво 1 т синтетичного палива потребує 3...6 т вугілля, через що це паливо поки що в 1,5...2 рази дорожче від бензину і не знайшло практичного застосування.
Метанол та етанол
Останнім часом усе більшого значення набувають процеси синтезу рідкого штучного палива, яке за якістю наближається до палива нафтового походження із вугілля, природного газу, вапняку, побутових відходів місцевого господарства (метиловий спирт – метанол), цукрової тростини, буряка, зернових культур та інших продуктів (етиловий спирт – етанол).
«Десять тисяч літрів моторного палива з гектара» – такий заголовок усе частіше можна побачити на сторінках зарубіжної преси.
Із промислових синтетичних спиртів найцікавішим є метанол. Рівень його світового виробництва досяг 30 млн т. Як сировину використовують нафтові залишки, а найчастіше вугілля. Метиловий спирт одержують методом деструктивної гідрогенізації.
Промисловий синтез метилового спирту (метанолу) грунтується на тому, що оксид вуглеводню у присутності каталізатора (оксиду цинку і хрому) відновлюється воднем до метилового спирту (CO + 2Н2 = СН3ОН). Процес проходить при високій температурі (близько 450 °С) та тиску 20 МПа. Технологію відпрацьовано і вона не викликає ніяких труднощів.
Метанол має такі переваги:
можливість використання збіднених сумішей (а = 1,05...1,1);
суттєво зменшується у відпрацьованих газах уміст оксиду азоту (в 1,5...2 рази) і вуглеводню (в 1,3...1,7 раза);
оксиди вуглецю виділяють таку його кількість, як і при роботі на бензині.
Однак перехід, двигуна на метанол потребує деяких конструктивних змін паливної апаратури та самої машини. При цьому необхідно:
• встановити обладнання, яке полегшило б пуск двигуна, особливо при негативних температурах;
збільшити місткість паливного бака;
замінити деякі матеріали системи через агресивність метанолу на більш стійкі;
установити обладнання для підігрівання суміші, оскільки робота на метанолі пов'язана із значними переохолодженнями паливоповітряного тракту.
Ураховуючи зазначені недоліки, метанол в нашій країні рекомендують використовувати як домішку до бензину. В цьому разі досягаються такі позитивні результати:
• відпадає необхідність внесення конструктивних змін у двигун і знову регулювати паливну апаратуру;
• можна працювати на бензині з трохи меншим октановим числом та замінити етилований бензин на неетилований;
• відпадає необхідність у стабілізаторі, оскільки при невеликій домішці суміш зберігає свою стабільність;
• при доданні всього 3...5 % метанолу забезпечується економія бензину на 2,5 % при збереженні потужності, динамічних та економічних показників двигуна, а також рівня токсичності відпрацьованих газів.
Застосування бвнзометанольної суміші з доданням 15% метанолу і 7 % стабілізатора (ізобутилового спирту) дає змогу поліпшити економічні показники автомобіля на 6 %, потужність – на 3...5 % та зменшити викид оксиду азоту на 30...35 %, вуглеводню – на 20 %, одержавши економію бензину до 14 %. Експлуатаційні витрати при роботі двигуна на такій суміші збільшуються (до 10 %), а надійність практично не змінюється.
Стійкий пуск холодного двигуна для суміші М15 (так позначають бензин із 15 % домішкою метанолу) забезпечується при температурі повітря -26 °С. За нижчих температур рекомендується підігрівати повітря при застосуванні паливоповітряної суміші або додавати до палива легкі компоненти.
Крім того, в разі використання суміші треба збільшувати прохідні перерізи паливних жиклерів на 18...20 % й оснащати систему живлення додатковим зливним трубопроводом. І ще одна проблема – розбухають манжети насосів прискорення, через що збільшується кількість їх відмов.
Серйозні проблеми пов'язані з низькою стабільністю бензомета-нольних сумішей і чутливістю до води. Так, суміш стає практично непридатною для експлуатації навіть при збільшенні кількості води від 0,2 до 1 %, оскільки температура розшарування суміші за наявності води зростає від -20 до 10 °С.
Бензометанольні суміші стабілізують домішки присадок (гекса-нол, ізопропанол, ізобутанол). Таким чином, процес розшарування активізується в умовах знижених температур, збільшення концентрації води та зменшення кількості спиртових домішок.
Щоб уникнути застосування дорогих дефіцитних стабілізаторів, змішування метанолу з бензином можна здійснювати у відповідних пропорціях безпосередньо в змішувальній камері карбюратора. Для цього на автомобілі потрібно встановити спеціальний карбюратор-змішувач і додатковий бак для метанолу. Карбюратор дасть змогу одержати оптимальні економічні показники роботи двигуна.
Крім того, роздільна подача палива виключає розшарування сумішей і полегшує пуск двигуна при низьких температурах.
До серйозних та ще мало вивчених проблем, які виникають при використанні метанолу, належить його ядовитість.
Вважається, що через високу леткість потрібні більш щільна герметизація паливоподавальної системи й уважне виконання техніки безпеки. Гранична концентрація парів метанолу становить 5 мг/м3, яка значно вища ніж антидетонаторів (ТЕС, ТМС).
Аналогічні властивості має етиловий спирт (етанол). За кількома показниками він перевищує метанол і може застосовуватись у двигунах як у суміші з бензином, так і самостійно.
У промислових масштабах етанол може бути здобутий з етилену через етил сірчаної кислоти, а останнім часом усе більшого значення набуває пряма гідротація етилену. Цей спосіб не потребує застосування сірчаної кислоти: суміш етилену та водяної пари пропускають під тиском 6,5...7,5 МПа при температурі 280 °С над каталізатором й одержують етиловий спирт.
Метанол та етанол можуть як домішка в кількості 15...20 % застосовуватися в суміші з дизельним паливом. При доданні спирту значно знижується в'язкість палива і зменшується його густина, оскільки спирт має меншу питому вагу. Це сприяє кращому сумішоутворенню та горінню і, як наслідок, підвищенню потужності та поліпшенню пуску двигуна при низьких температурах.
Суміші не зумовлюють корозію і зберігають чистою всмоктувальну систему дизеля. Однак застосування домішок у вигляді синтетичних спиртів поки обмежено через високу вартість спиртів та присадок, що стабілізують паливоспиртові суміші. Але метанол є сировиною для синтетичних бензинів.