4.3. Спирти, водень та інші палива

Найближчими замінниками бензинів та дизельних палив вважа­ють низькомолекулярні спирти: метанол, етанол, більш віддаленим - водень. Ці палива можна використовувати як добавки до нафто­вих палив, а також як самостійні палива. Як паливо чи добавки можна використовувати ізоспирти, ефіри та деякі інші сполуки, але вони дорожче.

Метанол можна одержувати з вугілля, природного газу, вапняку, побутових відходів (міські звалища), відходів лісового господарства та ін. Етанол одержують з цукрової тростини, буряку, зернових куль­тур, картоплі та інших рослинних продуктів, а також із газу. Щодо відновлення сировинної бази етанол є більш перспективним пали­вом, він також менш токсичний порівняно з токсичністю метанолу. Етанол має деякі переваги порівняно з бензином, якщо його викорис­товувати як паливо для двигунів з примусовим запалюванням. Дви­гун на етанолі працює на збіднених сумішах, у відпрацьованих га­зах малий вміст оксидів азоту. Завдяки великому значенню октано­вого числа етанол (в чистому вигляді) доцільно використовувати в двигунах з високим ступенем стиснення. Все це дозволяє досягти високої ефективності роботи двигуна. Бензинові двигуни для вико­ристання чистого етанолу як палива не придатні, потрібні спеціальні "спиртові" двигуни. В Україні етанол використовується як високоок-танова добавка до бензинів.

Недоліком спиртів як палива є менша теплота згоряння порівняно з теплотою згоряння нафтових палив, що вимагає збільшення їх вит­рат на 25...30% і відповідно скорочує радіус дії автомобіля. З іншого боку, високі октанові числа дозволяють збільшити ступінь стиснен­ня двигуна. Високе значення теплоти випаровування сприяє кра­щому наповненню циліндрів. Завдяки наявності кисню в молекулах спиртів останні є хорошими холодоагентами камери згоряння. При роботі на спиртах (порівняно з бензином) вище ео>ективний ККД двигуна, тому що менший тепловідвід у циліндрах, більш низька тем­пература відпрацьованих газів. Усе це дає можливість збільшити потужність двигуна і компенсувати деякі недоліки.

Пуск двигуна на чистому спирті практично неможливий, його забезпечують на бензині. Спирти мають високу корозійність, яка може збільшуватися внаслідок гігроскопічності спиртів: чим більше

вологи, тим вище корозійність. Метанол реагує із свинцем, руйнує бензобак, продукти корозії забивають фільтри, паливопроводи, жик­лери карбюратора. Також метанол активно реагує зі сталлю, цин­ком, магнієм, сплавами на їх основі, руйнує пластмасу, гуму. Етанол реагує із свинцем, магнієм, слабкіше - з алюмінієм.

Спирти впливають на більшість прокладних матеріалів, викли­каючи їх набухання.

Двигун на метанолі може працювати на збіднених сумішах при а = 1.05...1,1, має більшу межу регулювання складу паливо-повітря-ної суміші порівняно з бензиновим двигуном, у відпрацьованих га­зах вміст оксидів азоту зменшується у 1,5...2 рази, вуглеводнів - у 1,3.-1,7 разів, вміст оксидів вуглецю при цьому приблизно однако­вий із вмістом його при роботі двигуна на бензині. Щоб зберегти техніко-економічні показники автомобілів при переведенні двигуна, наприклад, на метанол необхідно встановити пристрої для полег­шення пуску двигуна, особливо при низьких температурах повітря, тому що випаровування метанолу сильно залежить від зниження температури. При температурах нижче від +8 °С треба проводити передпускове прогрівання горючої суміші (при відсутності спеціаль­ного пристрою для полегшення пуску двигуна). Пристрої працюють на бензині або іншому паливі.

У зв'язку з тим, що метанол має високу теплоту випаровування, робота на ньому веде до значного переохолодження двигуна, якщо він не переобладнанний на роботу на спирті. Переохолодження паливо-повітряної суміші викликає, в свою чергу, нерівномірність розподілу палива по циліндрах. Для уникнення цього явища слід підігрівати повітря, яке надходить для приготування горючої суміші. Пари метанолу і рідкий метанол набагато шкідливіші для здоров'я людини, ніж пари бензину. Проте ряд країн проводять дослідження і використовують метанол в бензинових двигунах і дизелях. Вико­ристання спиртів у дизелях може бути здійснене у вигляді зазда­легідь приготовленої суміші спирту з дизельним паливом, а також шляхом переобладнання дизеля для роботи його на чистому спирті. При цьому дизель втрачає свої переваги подібно переведенню ди­зеля на роботу на чистому вуглеводневому газовому паливі.

Паливно-енергетичні ресурси виснажуються. Спирти можуть і повинні використовуватись як добавки до нафтових палив. Етанол як можливе паливо для двигунів відомий дуже давно. Як добавка до бензинів (з метою підвищення октанового числа і економії на­фтового палива) він використовувався, наприклад, для виготовлен­ня палива під назвою "газахол" (бензин + спирт); для виготовлення сумішевих палив (бензин + етанол).

Е танол - низькомолекулярний спирт. Низькомолекулярні спир­ти С, - С₃ Мають високі октанові числа, але вони змішуються з во­дою в любих співвідношеннях. Це є причиною розшарування бен-зино-спиртових сумішей у випадках наявності води в паливній суміші. Тому при добавках етанолу (чи метанолу) до бензинів вводять стабі­лізатори, які б забезпечували однорідність сумішевого палива. Як стабілізатори можна використовувати сивушну олію, аліфатичні спирти С₃ - С₁₂ розгалуженої і нормальної будови, феноли, алкіла-цетони, прості та складні ефіри, алкилкарбонати, аліфатичні кисло­ти та інші сполуки, їх суміші. Сивушна олія і ефір МТБЕ забезпечу­ють стабільність бензино-спиртових сумішей до температур, ниж­чих за мінус ЗО °С. Як свідчать дослідження, якщо в складі палива є високооктанові добавки, що містять азот (наприклад, похідні анілі­ну), і спирт в кількості більше 2,5...5%, стабільність сумішевого па­лива погіршується. Чим нижче октанове число вихідного бензину, до якого додається спирт, тим більший антидетонаційний ефект (табл. 50).

Можливе використання як добавок до палива третинних і вто­ринних спиртів (наприклад, вторинного бутилового спирту - ВБС), метилтретинного бутилового ефіру - МТБЕ, їх сумішей тощо. На відміну від метанолу та етанолу ці сполуки практично не розшаро­вуються у сумішах з бензинами, мають високі октанові числа та теп­лоту згоряння.

Теоретично як паливо можна застосовувати аміак, азот, ацетон та деякі інші сполуки. Виходячи з вартості сировини і готової про­дукції, експлуатаційних та екологічних властивостей, вони не набу­ли практичного застосування.

Використання водню як палива вимагає більш тривалого часу для вирішення ряду проблем. Це, передусім, розміщення водню на автомобілі. Використання водню в газоподібному стані вимагає мати балони великої маси і великого об'єму. Водень у рідинному стані мо­же зберігатися в кріогенних апаратах при температурах мінус 252,8 °С і нижче. Для забезпечення пробігу автомобіля в 450...500 км маса бензинового баку складає приблизно 13... 15 кг (для зберігання 50...55 кг бензину), а для зберігання 13,4 кг стисненого водню маса системи складає 1361 кг, рідкого водню - 181 кг. Зберігання водню в безпеч­них металогідридних акумуляторах (магнієво-нікелевих, залізо-ти-танових тощо) не дає можливості накопичувати його в достатній кількості, бо ємність акумуляторів мала при загальній великій масі. Наприклад, маса магнієво-нікелевого акумулятора становить близь­ко 300 кг і забезпечує пробіг автомобіля 200 км.

Водень має здатність проникнення через товщу металу і руйнує його.

Дуже велика швидкість згоряння водню викликає великі теплові і механічні навантаження в деталях двигуна. Мала енергія, необхід­на для займання, може викликати некероване самозаймання пали­ва. Водень спроможний проникати через товщу металу, з підвищен­ням температури і тиску дифузія водню в метали підвищується. Рідкий водень може викликати розклад деяких металів. Воднево-повітряна суміш має велику межу займання (4...75% об.) і вибухо-небезпечності (18,3...74% об.).

В одень - самий легкий з усіх газів, він майже в 134,5 рази лег­ший повітря. Водень дуже відрізняється від традиційних палив за фізико-хімічними показниками якості (табл. 51).

надлишку повітря 10, тому водень забезпечує сталу роботу двигуна на всіх швидкісних режимах при складі суміші від а = 0,2 до а = 5. Згоряння воднево-повітряних сумішей відбувається практично при постійному об'ємі (в стехіометричній області); високі швидкості зго­ряння різко підвищують тиск. Це іноді провокує зворотні проскоки полум'я у впускний трубопровід, передчасне займання паливних сумішей. Вдосконалення паливоподаючої системи може ліквідува­ти ці недоліки. Для зменшення температури робочого циклу необхід­не вдосконалення конструкції самого водневого двигуна.

Відпрацьовані гази водневих двигунів мають значно меншу кількість токсичних сполук порівняно з токсичністю відпрацьованих газів бензинових двигунів. Одним з недоліків водневого палива є підвищений вміст оксидів азоту у відпрацьованих газах. Іншим недо­ліком водневих двигунів є можливість утворення пероксиду водню Н₂0₂ при згорянні водню. Пероксид водню у відпрацьованих газах додатково забруднює оточуюче середовище. Для його розкладу до води та кисню на автомобілях необхідно монтувати додаткові пере­творювачі (термічні чи хімічні).

З метою виготовлення палив як сировина може використовува­тись синтез-газ (суміш оксиду вуглецю та водню), що утворюється при деяких нафтохімічних процесах. Бензини синтезу з синтезгазу потребують подальшої переробки з метою підвищення октанового числа; дизельна фракція може використовуватись як високоцета-новий компонент палива (дизельна фракція має високу температу­ру застигання, на що необхідно звертати увагу при виготовлені то­варного палива).

Гази нафтопереробних та нафтохімічних заводів містять насиче­ні та ненасичені вуглеводні. Методами синтезів таких газів одержу­ють рідкі палива, зокрема, високооктанові компоненти: алкілати, ароматичні вуглеводні, метилтретичноалкілові ефіри (метил-трет-бутиловий з октановим числом 105УМ та 118/Д і метил-трет-аміловий з октановим числом 99/М та 112/Д); бензин з октановим числом 81/М та 96/Д, полімер-бензин з октановим числом 82...85/М та 95...98/Д.

Використання високооктанових бензинів вимагає збільшення виготовлення високооктанових компонентів, а виснаження природ­них копалин вимагає все більшого застосування різних добавок до нафтових палив.

До альтернативних палив можна віднести і електрику. Електро­мобілі, що використовують метало-кислотні, метало-лужні акумуля­тори, незважаючи на позитивне вирішення екологічної проблеми порівняно з бензиновими та дизельними двигунами, не знайдуть широкого використання внаслідок недостатньої енергії (енергоєм ності). Виготовлення акумуляторів потребує великих паливно-енер­гетичних витрат.

Перспективне використання біогазу, який можна одержувати з біомаси, наприклад, відходів сільськогосподарського виробництва. Теплотворна здатність біогазу становить 20...25 МДж/кг Зношуван­ня двигунів, що працюють на біогазі, менше порівняно із зношуван­ням двигунів, що працюють на бензині.

Знаходить використання біопаливо дизелів, яке отримують із ріпакової олії і одноатомних спиртів, зокрема, етилового.

При розробці і використанні альтернативних палив слід врахо­вувати економічні, екологічні питання, а також проводити хімотоло-гічне обґрунтування їх ефективного застосування.