Спиртовые топлива

Из большого числа алифатических спиртов в качестве моторных топлив нашли применение только метанол и этанол. Это обстоятельство обусловлено значительными объемами их производства - десятки миллионов тонн, высокими детонационными свойствами, возможностью экономии нефтяных ресурсов при условии производства этих спиртов из альтернативных источников сырья.

Ограниченность их использования в качестве моторного топлива связана с целым рядом общих недостатков, присущих этим спиртам как моторным топливам.

Среди основных недостатков следует выделить следующие:

- пониженная (почти в 2 раза) по сравнению с углеводородными топливами теплота сгорания, что оказывает отрицательное влияние на мощ-ностные характеристики двигателя;

- низкая энергоплотность спиртов по сравнению с углеводородными топливами (16 МДж/л для метанола и 21 МДж/л для этанола против 32 МДж/л для бензина) приводит к увеличению почти в 2 раза удельного расхода спиртового топлива и требует для обеспечения одинакового запаса хода почти вдвое большего объема топливного бака;

- низкое давление насыщенных паров и высокая теплота испарения, в 4-5 раз превосходящая эти показатели углеводородных топлив, затрудняет, а иногда даже делает невозможным пуск двигателя при низких температурах; запуск карбюраторных двигателей на спиртовых топливах невозможен уже при температуре ниже +10 °С; для устранения этого недостатка в спирты добавляют 6 - 10% изо-пентана или диметилового эфира, что обеспечивает пуск двигателей при температурах до -20-25 °С; возможна также установка специальных подогревателей спиртовых топлив, что усложняет конструкцию двигателя [4] ;

неограниченная растворимость воды в метаноле и этаноле, контакта с которой практически невозможно избежать при хранении, транспортировке, заправке автомобилей и прочих операциях; попадание даже небольшого количества воды резко ухудшает эксплуатационные свойства спиртовых топлив и приводит к вымыванию спиртов из бензина и переходу их в нижний водно-спиртовой слой; высокая коррозионная агрессивность самих спиртов и особенно продуктов их превращений (низкомолекулярные кислоты, альдегиды и т.п.), усиливающаяся в присутствии воды; спирты оказывают отрицательное влияние на резинотехнические и пластмассовые детали оборудования и двигателей, вызывая их набухание (а иногда и растворение), изменение геометриче­ских размеров со всеми вытекающими последствиями;

в отработавших газах при использовании спирто­вых топлив обнаружены альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, содержание которых в 1,5-2 раза выше по сравнению с использованием углеводородных моторных топлив; переход с углеводородных топлив на спиртовые требует существенной модернизации или перерегулировки системы подачи топлива, в частности, соотношения воздух: топливо, которое для спиртовых топлив значительно ниже из-за наличия кислорода в последних, а также изменения степени сжатия и других параметров двигателя.

Для устранения или нивелирования перечисленных недостатков необходимо применять специальные меры, как то:

- ограничение или лучше устранение возможности контакта с водой и водяными парами или прове-­дение осушки спиртов перед заправкой в автомобиль; оба варианта чрезвычайно трудно реализуемы в больших масштабах;

- использование металлов или различных покрытий, не подвергающихся коррозии при контакте со спиртовыми топливами или введение в спирто-­вые топлива специальных антикоррозионных присадок (-ингибиторов коррозии); и тот и другой методы борьбы с коррозионной агрессивностью спиртовых топлив ухудшают экономические показатели их применения;

- замена резинотехнических и пластмассовых изде­лий, подвергающихся воздействию спиртовых топлив на материалы, стойкие к такому воздействию;

- разработка каталитических нейтрализаторов отработавших газов, способных обеспечить окисление альдегидов, кислот и других продуктов неполного сгорания спиртовых топлив до воды и диоксида углерода;

- организация производства двигателей, специально предназначенных для работы на спиртовых то-пливах.

Кроме перечисленных общих недостатков каждому из спиртов присущи и свои недостатки, рассмотренные ниже.

Поэтому значительно большее применение метанол и, особенно, этанол нашли в качестве добавок к углеводородным топливам, решая при этом задачи улучшения эксплуатационных свойств последних - с одной стороны и экономии нефтяных ресурсов - с другой.

К положительным качествам метанола и этанола в первую очередь относятся высокие антидетонационные свойства, что позволяет повысить степень сжатия в камере сгорания до 12-14 и снизить удельный расход энер­гии на единицу мощности (повысить кпд двигателя).

При использовании спиртовых топлив снижается содержание токсичных веществ в отработавших газах. Так, при работе автомобиля «Mercedes Benz» на бензине и метаноле были получены следующие результаты в г/цикл (числитель - по европейскому ездовому циклу, знаменатель - по циклу CVS-2) [4]:

Бензин Метанол

СО 140/22,1 32/9,5

[СН] 6,0/4,5 5,5/2,5

NOX 8,0/5,7 0,7/1,9

Снижение содержания оксидов азота обусловлено ме­ньшей (на 150 °С) температурой горения метанола по сравнению с бензином; более полное сгорание метанола за счет содержания в его молекуле кислорода обеспечиват снижение содержания СО и [СН] в отработавших газах. Высокие антидетонационные свойства спиртов определяют их преимущественное использование в двигателях внутреннего сгорания с принудительным (искровым) зажиганием.

Использование спиртов в дизельных двигателях затрудняется из-за низких цетановых чисел, высокой температуры самовоспламенения (в 1,5-2 раза выше этого показателя для дизельного топлива) и низких смазывающих свойств, ведущих к повышенному износу топливных насосов [4].

Работа дизельных двигателей на спиртовых топливах возможна при следующих условиях:

- введение в спирты присадок, улучшающих их воспламеняемость (повышающих цетановое число); так, введение 20% циклогексилнитрата в этанол и метанол повышает их цетановые числа с 8 и 3 до 60 и 53 единиц соответственно.

- переоборудование дизельного двигателя в двигтель с искровым зажиганием, что требует установки дополнительного электрооборудования;

- добавка спиртов в дизельное топливо с высоким цетановым числом;

- для улучшения смазывающих свойств спиртов требуется введение специальных противоизносных присадок.

Все перечисленные мероприятия приводят к существенному удорожанию спиртовых топлив, к усложнению конструкции двигателя и т.п., и в конечном счете к ухудшению экономических показателей.

При использовании чистых спиртов отмечены повышенные износы деталей цилиндро-поршневой группы в обоих типах двигателей - бензиновом и дизельном. Основными причинами этого являются:

- попадание в камеру сгорания значительного количества неиспарившегося спирта, обусловленное высокой теплотой испарения, и смыв им смазки, приводящие к износу уплотнительных колец и стенок цилиндра;

- попадание спирта в картер двигателя и образование в нем масло-водо-спиртовой эмульсии, обладающей плохими смазывающими свойствами, что при­водит к износу трущихся деталей карданного вала;

- взаимодействие спиртов в картере с присадками, введенными в состав масла и снижение противоизносных свойств масла.

Рассмотренные недостатки чисто спиртовых топлив перекрывают их достоинства при использовании в качестве моторных топлив, и это привело к тому, что спиртовые топлива не применяются в дизельных двигателях и нашли ограниченное применение в двигателях с искровым зажиганием, в основном в спортивных автомобилях.

Поэтому в настоящее время все более широкое применение находят так называемые смесевые топлива, т.е. углеводородные топлива, содержащие низкомолекулярные спирты, чаще этанол, в количествах от нескольких процентов (5-10) до десятков процентов (85-95). В последних углеводородное топливо выполняет роль одоранта.

МЕТАНОЛ И БЕНЗИНО-МЕТАНОЛЬНЫЕ ТОПЛИВА

Метанол (метиловый спирт) или древесный спирт представляет собой бесцветную воспламеняющуюся жидкость со слабым спиртовым и чуть острым запахом. Хорошо смешивается с водой. Физические и химические свойства метанола приведены в табл. 23.

Метанол в России вырабатывается по ГОСТ 2222-95 (метанол технический синтетический) двух марок А и Б; ежегодная выработка метанола в России находится на уровне около 1,8-2,0 млн т.

При практически одинаковых антидетонационных свойствах метанола, этанола, МТБЭ и ТАМЭ наиболее эффективной добавкой в отношении снижения эмиссии СО, СН и NO_X является метанол.

Использование метанола требует переоборудования двигателя и топливной системы: перерегулировки карбюраторов бензиновых двигателей, увеличения объема топливных баков, новых смазочных материалов, замены эластомеров и прокладочных материалов, специальных противокоррозионных топливных баков или применения специальных присадок.

При температурах ниже +10 °С давление насыщен­ных паров метанола настолько низкое, что запустить холодный двигатель на нем очень трудно.

Для стехиометрического горения метанола требуется в два раза меньше воздуха, чем для бензина, поэтому объем подачи метанола должен быть увеличен в два ра­за по сравнению с бензином. Однако современные дви­гатели и их модификации смогут хорошо работать на метаноле, при этом технические характеристики двигателя улучшаются: повышается кпд, благодаря внутрен­нему охлаждению и повышению степени сжатия.

Применение метанола в качестве топлива обеспечивает снижение до 50% концентрации токсичных веществ в отработавших газах, однако возможно увеличение в них концентрации альдегидов.

Объем производства метанола в мире составляет 30-32 млн т в год, что составляет всего около 3% от объема производства бензина; таким образом, метанол не может заменить бензин в полном объеме и может рассматриваться в лучшем случае как возможный компонент автомобильных бензинов.

Безводный метанол при обычных температурах хорошо смешивается с бензином в любых соотношениях, но даже малейшее попадание воды вызывает расслаивание смеси [22]. Стабилизация бензино-метанольных смесей может быть осуществлена введением высокомолекулярных спиртов С₄-С₈ в количестве, сравнимом или вдвое меньшем метанола в смеси, что приводит к удорожанию топлива и не решает проблемы стабилизации до конца.

В России в качестве добавки разрешено вводить до 3% метанола с обязательным введением стабилизатора. За рубежом (в США) в сравнительно небольших количествах используется топливо М-85, содержащее 85% метанола и 15% бензина и в значительно меньших объемах топливо М-100, т.е. «чистый» метанол, в основном в гоночных автомобилях. Последнее объясняется высо­ким октановым числом метанола (111 и 94 по исследовательскому и моторному методу соответственно), позволяющим повысить степень сжатия до 12-14 и тем самым увеличить мощность двигателя, что особенно важно для участия в гонках.

Для вовлечения в состав моторного топлива в США используется всего около 170 тыс. т метанола, что соста­вляет около 0,04% от выработки бензина в США; в странах Западной Европы для этих целей расходуется около 2 млн т [24].

Метанол используется на автотранспорте в ФРГ: бен-зометанольные смеси (до 15% метанола) M15 и M100 - метанол с добавкой до 5% низкокипящих бензиновых фракций.

В Китае проводятся длительные (в течение почти 20 лет) широкомасштабные испытания бензино-мета­нольных смесей на различных марках автомобилей, в разных условиях, с определением эксплуатационных свойств, выявлением оптимальных составов, уточни ются экономические и экологические аспекты примене­ния таких топлив [19].

В Японии с 1993 г. допущены к коммерческой эк­сплуатации автомобили, использующие в качестве то­плива бензин М-85 с содержанием метанола 85%.

В США была проведена сравнительная оценка безопасности использования пяти топлив: М85, М92, M100, бензина и дизельного топлива [40]. Эта оценка основы­валась на расчете риска здоровью и безопасности и включала: утечки из топливного бака; характеристики сгорания топлива (воспламенение, вспышка, видимость пламени, передача теплоты излучением); токсическое действие на человека при попадании внутрь, вдыхании, попадание на кожу и в глаза. Результаты этой оценки представлены на рис. 8.

Как видно из представленных данных, полный риск для здоровья и безопасности у топлив М85, М92 и M100 приблизительно одинаков, и риск использования метанольных смесей (М85 и М92) и чистого метанола (М100) расположен между бензином и дизельным топливом.

Рис. 8. Токсичные и пожароопасные свойства топлива

В середине 80-х гг. прошлого столетия в СССР проводились длительные и всесторонние испытания бензино-метанольных смесей, содержащих 5 и 15% метанола - БМС-5 и ВМС-15, которые наряду с положительными результатами имели много недостатков, что не позволило рекомендовать их к широкому применению.

В России на основе метанола разработаны рецептуры нескольких октаноповышающих добавок к бензинам, в частности добавка «ОДЭ-М» (ТУ 0258-080-11726438-2000), содержащая стабилизатор, моющую присадку и ингибитор коррозии.

Наряду с отмеченными недостатками широкому использованию метанола в качестве моторного топлива или его компонентов препятствуют экономические показатели. Так, по расчетам специалистов стоимость производства 1 галлона (3,785 л) метанола составляет 2,34 и 1,19 долларов при получении синтез-газа из угля и природного газа соответственно, а производство эквивалентного количества бензина (около 2 л) в пределах 0,5-0,7 долл.