Потребление кислорода воздуха и выделение продуктов в кг при полном сгорании 1 кг топлива:

Топливо	Потребление О2	Выход продуктов в результате сгорания
		Н2О	N2	СО2
Водород	7,94	8,94	26,41	-
Сжатый природный газ	3,13	2,25	13,28	2,8
Сжиженный нефтяной газ	3,47	1,59	12,0	3,0
Метанол СН3ОН	1,5	1,13	4,98	1,37
Диметилэфир СН3ОСН3	1,92	1,08	-	1,84
Бензин	3,04	1,46	11,74	3,1
Дизельное топливо	3,34	1,29	11,39	3,16

Для автомобильных двигателей наиболее перспективными альтернативными энергоносителями, которые могут быть использованы в качестве самостоятельного вида топлива, являются:

- природный газ;

- диметиловый эфир;

- метанол;

- этанол;

- топлива на основе биологических (растительных) энергоносителей.

Газообразные топлива, применяемые уже относительно давно в автомобильных двигателях, в зависимости от физического состояния делят на две группы - сжатые и сжиженные.

По способу получения газообразные топлива делятся на естественные (природный газ), добываемые из газовых месторождений, и выходящие из нефтяных скважин (попутные нефтяные газы), и искусственные, получаемые при переработке нефти или газификации твердого топлива.

Газы являются экологически чистым видом топлива, обеспечивающим высококачественное сгорание в двигателях автомобилей, снижение токсичности выхлопных газов и шума. При применении газообразного топлива вместо бензина или дизельного топлива улучшаются экологические качества автомобилей. Показатели токсичности выхлопных газов снижаются по окиси углерода в 3…4 раза, по окислам азота 1,2…2 раза, по углеводородам в 1,2…1,4 и более раз. Это позволяет существенно приблизиться к выполнению действующих в России экологических норм.

При применении газообразного топлива улучшаются технические характеристики автомобилей в том числе:

- надежность и ресурс двигателей возрастает на 30-50%;

- срок службы моторного масла увеличивается в 2...3 раза;

- межремонтные пробеги увеличиваются в 1,4…1,5 раза.

В качестве отрицательных характеристик при использовании в автомобилях газообразного топлива можно отметить снижение динамических качеств автомобилей на 5…8% и повышение трудоемкости технических обслуживании и ремонтов на 3…5%.

Основными оценочными характеристиками газообразных топлив являются:

1. Температура воспламенения. Для газов эта температура относительно высока (св. 470°С), что вызывает необходимость применения высокоэффективного зажигания от постороннего источника (электрической искры или запального дизельного топлива).

2. Октановое число. Характеризует антидетонационные свойства. Газообразные топлива имеют октановые числа 90…125, то есть более высокие, чем автомобильные бензины и обеспечивают мягкую работу двигателей.

3. Теплота сгорания газовоздушных смесей несколько ниже, чем бензовоздушных смесей, что снижает энергетические показатели двигателя (7…12%).

4. Содержание влаги в газе. Ухудшает процесс сгорания, вызывает коррозию металлических поверхностей, выводит из строя запальные свечи. Пары влаги из газообразного топлива должны удаляться.

Самый газифицированный автомобильный транспорт в мире имеет на настоящее время Аргентина, затем Италия. Россия занимает пятое место, автомобилей на газе у нас в 13 раз меньше, чем в Аргентине.

Целый ряд фирм в России осуществляет модернизацию автомобилей под газовое топливо. Среди газообразных топлив наиболее перспективным является природный газ, по добыче которого Россия занимает ведущее место в мире.

Природный газ. Основной компонент природного газа (ПГ) – метан. Это углеводород, состоящий из одного атома углерода и четырех атомов водорода.

Благодаря этому, при его сжигании образуется примерно на 25% меньше СО₂ по сравнению с бензином (при расчете на одно и тоже количество энергии). По сравнению с дизельным топливом, ПГ при сжигании в двигателе образует меньшее количество NО_х, а также значительно меньше частиц и соединений серы.

Однако, даже находясь под давлением 20 МПа, сжатый природный газ (СПГ) занимает в 4 раза больший объем, чем такое же (по энергетическому эквиваленту) количество нефтяного топлива. Поэтому для хранения СПГ на транспортном средстве требуются большие, тяжелые баллоны, которые, тем не менее, обеспечивают запас хода всего 200÷250 км. Однако с появлением баллонов, изготовленных из алюминия с покрытием из углеродного волокна, проблема веса потеряла свою остроту.

При эксплуатации двигателей на ПГ повышается ресурс двигателя. Кроме того, нет испарения топлива, не образуются паровоздушные пробки в топливоподающей системе, обеспечиваются устойчивая работа на режиме холостого хода, хорошая приемистость двигателя.

ПГ применяется в дизелях с воспламенением от запальной дозы дизельного топлива (газодизельный цикл) или свечи зажигания. Метод воспламенения ПГ от сжатия не нашел применения из-за высокой температуры воспламенения природного газа, которая требует чрезвычайно высокой степени сжатия. Сдерживает широкое применение ПГ в России неразвитость инфраструктуры.

Спиртовые топлива. Опыт прошлых лет и современные исследования показали, что практически заменителями бензина могут быть два вида спиртовых топлив: метанол и этанол.

Анализ показывает, что примене­ние в качестве топлива спиртов требует, прежде всего, увеличения пропускной способности системы питания и изменения программы дозирования в системах питания с электронным управле­нием. При желании сохранить запас хода автомобиля необходимо увеличить объем топливных баков примерно в 2,3 раза для метанола и в 1,6 раза для этанола. Это объясняется существенно меньшей теплотой сгорания этих топлив по сравнению с бензином.

Вязкость метилового спирта и бензина практически одинакова, а вязкость этилового спирта в 3,5 раза больше. Высокая скрытая теплота испарения спиртов, особенно метилового, ухудшает пуск холодного двигателя, вызывая тем самым необходимость более интенсивного подогрева впускного трубопровода. Для достижения удовлетворительных пусковых свойств к спиртам добавляют небольшое количество диметилового эфира или других легковоспламеняющихся соединений (бензина и др.).

Одна из наиболее серьезных проблем, затрудняющих применение спиртов в качестве автомобильного топлива, заключается в их чувствительности к воде. Вода несколько улучшает детонационную стойкость спиртов; например, ОЧМ метанола, по моторному методу равное 90 ед., при прибавлении к нему 10 % воды увеличивается на 3 ед. Вместе с тем присутствие в спирте воды снижает и без того низкую его теплоту сгорания, увеличивает коррозию деталей дви­гателя и особенно топливной аппаратуры.

По ряду показателей спирты приближаются к бензинам и даже превосходят их. Высокая скрытая теплота испарения, ухудшающая пусковые показатели двигателя, однако, при прогретом двигателе существенно (до 15 %) увеличивает цикловое наполнение цилиндров горючей смесью. С учетом высокой детонационной стойкости спиртов и связанной с этим возможностью повышения степени сжатия до 14 это позволяет увеличить литровую мощность двигателя, что объясняется значительным понижением температуры горючей смеси и увеличением ее плотности. Возможностью понижения температуры заряда широко пользуются при подборе топлива для гоночных вы­сокофорсированных двигателей.

В настоящее время в ряде стран спирты уже находят применение как заменители бензина, поскольку для их использования не требуется принципиальных изменений конструкции обычных бензиновых двигателей, хотя необходимо учесть отмеченные особенности этих топлив.

Особо следует отметить целесообразность использования спиртов как добавок к бензинам. Практически добавляют к бензину до 15…20 % и более метанола (топлива М15, М20). Стоимость этих топлив в ряде зарубежных стран на 30 % ниже стоимости бензина.

Серьезной проблемой при использовании спиртов является уве­личение износа двигателя, особенно на режимах прогрева, так как образующиеся при неполном сгорании этанола уксусная и муравьиная кислоты резко увеличивают коррозионно-механическое изнашивание цилиндров.

Считают также, что спирт, попадая на масляную пленку цилиндра, разрушает ее интенсивней, чем бензин, так как, соединяясь с водой, спирт быстро образует устойчивую водомасляную эмульсию, которая резко понижает смазывающие свойства масел и тем самым способствует увеличению износа двигателя. Применение масел специальных марок, стойких к образованию эмульсий, показало, что увеличенные износы при применении чистого этанола прекратились и практически стали равными износам при применении бензина. Увеличения износов при применении бензина с 20 % спирта в странах с жарким климатом не наблюдалось.

Токсичность отработавших газов при использовании в качестве топлива спиртов снижается. Это, прежде всего, объясняется более низкими средними температурами в зоне сгорания, а следовательно, и меньшим образованием оксидов азота. Кроме того, содержание в отработавших газах углеводородов снижается в среднем в 20 раз.

Оксид углерода СО при применении спиртов и коэффициенте избытка воздуха α < 1 сохраняется на том же уровне, что и при работе на бензине. В зоне стехиометрического состава горючей смеси (а = 1) наблюдается резкое сокращение СО, и при самом незначительном дальнейшем обеднении смеси (α = 1,01) — полное его исчезновение. Существенно уменьшается содержание в отработавших газах ароматических и особенно полициклических углеводородов, обладающих канцерогенными свойствами.

Применение спиртов при относительно невысокой степени сжатия двигателей увеличивает содержание альдегидов почти в 2 раза, а при повышении степени сжатия до 10…14 их содержание в отработавших газах снижается.

Все приведенные данные о применении спиртов в качестве топлива получены на поршневых бензиновых двигателях, не созданных специально для применения этого вида топлив.

При учете специфических свойств спиртовых топлив и, главным образом, их высокой теплоты парообразования, коррозионной активности показатели двигателей будут несколько лучше. Но во всех, даже самых совершенных двигателях, сконструированных специально для спиртовых топлив, такой их недостаток, как низкая теплота сгорания, всегда проявляется в увеличении расхода топлива.

Метанол как топливо для дизелей. Особое место среди спиртовых топлив отводится метанолу как частичному или полному заменителю дизельного топлива. Метанол (метиловый спирт, СН₃ОН) может быть получен из любого сырья, содержащего углерод, например, природного газа, угля или биомассы, а также из СО₂, которые имеются в довольно больших количествах. Имеются отлаженные технологии производства с удовлетворительными технико-экономическими показателями. Однако метанол обладает в два раза меньшей теплотой сгорания по сравнению с дизельным топливом, вызывает коррозию металлов, образует при сгорании альдегиды.

Метанол по сравнению с традиционным дизельным топливом имеет следующие особенности:

- низкое цетановое число;

- в метаноле содержится 50 % кислорода по массе;

- большую (примерно в 4 раза) скрытую теплоту парообразования и значительно большее снижение температуры стехиометрической смеси метанол-воздух при испарении метанола;

- более низкую температуру сгорания;

- при сгорании в дизелях не образуются частицы, а выбросы оксидов азота существенно ниже, чем при работе на дизельном топливе.

Распространено мнение, что метанол нельзя использовать в качестве топлива, потому что он является ядом. В соответствии с действующим в России ПДК относительная агрессивность метанола составляет 5,9 усл. т/т, бензина с преобладанием непредельных и ароматических углеводородов – 17,5, дизельного топлива – 2,1, то есть токсичность паров метанола примерно в 3 раза ниже, чем у бензина и примерно в 3 раза выше, чем у дизельного топлива.

За рубежом накоплен огромный опыт эксплуатации метанольных двигателей, который показывает, что при соблюдении техники безопасности и правил эксплуатации транспортного средства опасность использования метанола не превышает опасности использования традиционных нефтяных топлив.

В нашей стране и за рубежом были проведены оценки риска здоровью человека и безопасности при применении метанола, включающие: взрыв; утечки из топливного бака; характеристики сгорания топлива; токсическое действие топлива на человека при попадании внутрь, вдыхании, попадании на кожу или контакте с глазами. Результаты этой оценки (см. рисунок) указывают на то, что риск при использовании метанола (М100) и его смесей с топливом (М92 и М85) значительно ниже, чем при применении бензина и несколько выше, чем при использовании дизельного топлива.

Применение метанола как топлива связано также с преодолением его серьезных отличий от свойств традиционного топлива, что потребует известных конструктивных изменений двигателя.

Рисунок. Результаты оценки риска для здоровья и безопасности

использования различных топлив

Теплота сгорания метанола вдвое меньше теплоты сгорания дизельного топлива. Следовательно, для сохранения запаса хода, топливные баки транспортного средства должны быть увеличены. Недостаточно высокая испаряемость метанола приводит к затрудненному запуску двигателя при температуре ниже 8⁰С. В зимний период такое топливо потребует подогрева. В противном случае придется прибегнуть к впрыскиванию в цилиндры двигателя легкоиспаряющегося горючего при его запуске.

Метанол, который неограниченно смешивается с водой, вызывает коррозию таких металлов как алюминий, магний, цинк. Следовательно, для его использования детали, изготовленные из указанных металлов, необходимо заменять на детали, изготовленные из коррозионно-устойчивых металлов. В контакте с метанолом разрушаются прокладочные, уплотнительные и другие изделия из поливинилхлорида, неопрена, нейлона. Такие изделия должны производиться из полиэтилена и полипропилена.

Способы возможного применения метанола в дизелях можно разделить на две группы:

- способы частичной замены дизельного топлива с сохранением возможности работы на чистом дизельном топливе (они не требуют существенного изменения конструкции двигателя и могут быть реализованы на существующих дизелях):

- применение эмульсий;

- использование продуктов каталитического разложения метанола;

- подача испаренного метанола на впуск;

- способы полной замены дизельного топлива (требуют для их реализации разработки новых двигателей);

- применение искрового зажигания;

- использование инициирующих присадок;

- воспламенение метанола свечей накаливания или от нагретой поверхности;

- применение двойного впрыскивания топлива.

На практике применение метанола чаще всего реализуется способами: при частичной замене – подачей испаренного метанола на впуск; при полной замене – впрыскиванием в цилиндр и воспламенением топливовоздушной смеси свечей зажигания или накаливания.

В настоящее время ведутся работы по применению гомогенного смесеобразования и сгорания в дизелях с высоким коэффициентом избытка воздуха. В этом случае способ полной замены дизельного топлива метанолом может быть реализован с инициирующими воспламенение от сжатия присадками.

Наиболее перспективным направлением на автомобильном транспорте является использование метанола в качестве жидкого носителя водорода. Продукты химического преобразования (разложения) метанола, используемые в качестве моторного топлива, обладают высокими экологическими и кинетическими характеристиками сгорания, способствующими совершенствованию показателей работы двигателя.

Аммиак. Применение вместо бензина аммиака NH₃ выгодно тем, что сырьевая база для его производства практически неограниченна, поскольку сырьем для получения аммиака являются вода и воздух. Это открывает большие возможности автономного получения аммиака на специализированных установках. Технологию его получения можно представить следующим образом. Из воздуха получают азот, из воды — водород. Далее идет синтез целевого продукта. Побочным продуктом является кислород. Такие установки могут быть доставлены и смонтированы в любом труднодоступном районе, куда доставка обычного топлива невозможна.

К положительным свойствам аммиака как топлива для двигателей внутреннего сгорания следует отнести исключительно высокую детонационную стойкость (ОЧМ-111, ОЧИ-132), позволяющую увеличить степень сжатия до 12, что дает возможность в значительной мере компенсировать его высокую температуру самовоспламенения и низкую скорость сгорания.

Пожарная опасность аммиака значительно меньше, чем бензина, но токсичность, особенно при вдыхании паров, требует при обращении с ним специальных мер предосторожности. Более перспективно использовать аммиак не в чистом виде, а в смеси с гидразином N₂H₄. Опыт использования гидразина позволяет прогнозировать более эффективное сгорание бинарного топлива, чем чистого аммиака.

Таким образом, рассмотренные виды жидких топлив, если учесть всю совокупность их показателей, уступают бензинам. Поэтому, вероятнее всего, в определенных условиях спирты получат применение в качестве моторных топлив, но равноценными заменителями бензина они стать не смогут. Аммиак может использоваться только в случае крайней необходимости. Более перспективными видами топлив окажутся синтетические углеводородные топлива, полученные по усовершенствованной и экономически выгодной технологии из каменных углей различных месторождений и кондиций.

Диметиловый эфир. Диметиловый эфир (ДМЭ) является простейшим эфиром, он не токсичен и не загрязняет окружающую среду. При нормальных условиях ДМЭ находится в газообразном состоянии, однако легко сжижается при давлении 0,5 МПа (при температуре 20⁰С). По своим физическим свойствам он очень сходен со сжиженным нефтяным газом. Сырьевая база для производства ДМЭ огромна. Он может быть произведен из любого углеродсодержащего сырья: природного газа, отходов деревообрабатывающей промышленности или другого биосырья.

ДМЭ по сравнению с традиционным дизельным топливом имеет следующие преимущества:

- возможна реализация в двигателе с воспламенением от сжатия эффективного процесса сгорания с низким уровнем дымности, выбросов вредных веществ и шума;

- хорошие пусковые характеристики двигателя в холодное время;

- повышенная надежность, поскольку практически исключено загрязнение масла сажей.

Приведенные положительные характеристики ДМЭ ставят его на одно из первых мест в списке альтернативных топлив для дизелей. Однако возникает ряд проблем, которые необходимо решить перед тем, как отдать преимущество именно этому топливу. Эти проблемы связаны с:

- выбором сырья и технологии производства, конечной стоимостью для потребителя;

- организацией системы распределения ДМЭ и заправочных станций;

- необходимостью внесения изменений в конструкцию двигателя и его системы питания для работы на ДМЭ;

- невозможностью использования одной топливной аппаратуры как для работы на дизельном топливе, так и на ДМЭ;

- увеличением емкости топливных баков транспортного средства, поскольку теплота сгорания ДМЭ составляет 27,6…28,8 МДж/кг.

Метиловый эфир рапсового масла. Из всех имеющихся в распоряжении человечества «солнечных энергетических источников» самым эффективным является масличное растение. Оно уникальным образом решает проблему аккумулирования энергии в содержащих масло зернах.

Мировой опыт убедительно свидетельствует о том, что наиболее перспективным альтернативным нефтяному топливу является топливо на основе рапсового масла (биотопливо), как наиболее распространенного в почвенно-климатических условиях Европы и России типа растительного масла.

Промышленный интерес представляет технический рапс, из масла которого путем этерификации можно получать метиловые эфиры жирных кислот рапсового масла (МЭРМ). Данные эфиры, как в чистом виде, так и в смеси могут быть использованы в качестве топлива дизелей. Данный вид топлива из производных рапсового масла имеет следующие рабочие названия: в России – биодизель, во Франции – diester, в Германии – biodiesel, в Польше – біонафта, біопаливо и др.

Применение МЭРМ связано, в первую очередь, со значительным снижением эмиссии вредных веществ в отработанных газах (на 25…50%), улучшением экологической обстановки в регионах интенсивного использования дизелей (города, открытые разработки угля, парники, фермы и т.д.).

Топливо (метиловый эфир), полученное из рапсового масла на основе его химической переработки (переэтерификации), очень близко по комплексу физико-химических и моторных свойств к дизельному топливу (см. таблицу) и поэтому не требует ни модернизации дизеля, ни дублирования системы питания.