4.3. Топлива на основе воздуха в качестве окислителя (бензины, дизельное топливо, сжиженные газы, спирты)

В поршневых ДВС с внешним смесеобразованием для получения однородной (гомогенной) и однофазной топливовоздушной смеси используют легко испаряющиеся и хорошо перемешивающиеся с воздухом бензиновые фракции. В качестве дизельного горючего используют бензиновые, лигроиновые, соляровые фракции нефти и мазуты.

Для наземного и водного транспорта в поршневых ДВС все большее распространение получают газообразные горючие. Они обладают, во-первых, повышенной детонационной стойкостью (октановое число составляет 80...110), что позволяет использовать газообразные горючие в двигателях с более высокой степенью сжатия. При работе двигателя на газе удается, во-вторых, организовать более совершенное смесеобразование по сравнению с жидким горючим, в-третьих, токсичность отработавших газов снижается в 4 -5 раз. Применение газа уменьшает нагарообразование, исключает возможность конденсации паров горючего на стенках цилиндра, что увеличивает, в конечном, в 1,52 раза срок службы двигателя и периодичность смены масла.

Недостатками газообразного горючего при использовании их в ДВС являются более низкая скорость и меньшая объемная теплота сгорания по сравнению с жидкими нефтяными горючими. В результате этого при переводе поршневых ДВС на газ мощность, в зависимости от вида применяемого газа, уменьшается на 7...12% (при одной и той же степени сжатия), ухудшаются динамические характеристики (увеличивается время разгона), затрудняется пуск холодного двигателя. Кроме того, газообразные углеводородные горючие имеют низкие значения цетановых чисел (ЦЧ). Цетановое число является показателем самовоспламеняемости дизельного (или газообразного) горючего, чем оно ниже, тем хуже самовоспламеняемость. Их применение в дизельных двигателях возможно, главным образом, при осуществлении газо-жидкостного цикла, когда к концу сжатия газо-воздушной смеси в камеру сгорания подается запальная доза дизельного горючего.

Для газобаллонных автомобилей применяют сжатые (природные) и сжиженные (продукты переработки нефти) газы. Сжатые газы состоят в основном из метана, а сжиженные - из пропана и бутана. Физико-технические показатели основных углеводородных газов, входящих в состав газовых топлив, приведены в табл.4.1. Газообразные горючие па основе природных газов широко используются на современных электростанциях и мощных газотурбинных установках для выработки электроэнергии.

Таблица 4.1

Показатель	Метан	Сжиженные нефтяные газы				Бензин (для сравнения)
		Этан	Пропан	Бутан (норм)	Пентан (норм)
Химическая формула	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	Смесь углеводородов
Плотность газовой фазы при 0оС и 101,325 КПа	0,717	1,356	2,019	2,703	3,22	-
Плотность жидкости при Ткип	424	446	509	582	625	720-740
Низкая теплота сгорания:
объемная, МДж/м3	33,7	60,0	85,5	111.5	137,5	-
массовая, МДж/кг	48,7	47,0	45,7	45,4	45,1	43,9
Октановое число	110	108	105	94	70	72-84
Цетановое число	10	-	16	25	30	-
Температура воспламене-ния при 101,325 КПа в оС	640-680	509-605	510-580	475-550	475-510	270-330
Пределы воспламенения, %:
нижний	5,0	3,2	2,4	1,9	1,4	1,5
верхний	14,0	12,5	9,5	8,5	8,0	6,0

Возможными перспективными горючими для поршневых ДВС и воздушно-реактивных двигателей могут стать криогенные (с температурой кипения ниже 120 К) горючие - метан и водород.

Низшая теплота сгорания метана в 1,16 раза, а водорода в 2,8 раза выше, чем у бензинов и керосинов, практически в горючем отсутствует азот и сера, ресурсы природного газа больше, чем нефти. Ресурсы водорода при получении его электролизом воды практически неограниченны. Стоимость сжиженного метана соизмерима со стоимостью керосина, а стоимость жидкого водорода имеет тенденцию к уменьшению по мере совершенствования технологии и увеличения производства. Охлаждающие свойства метана примерно в 3 раза, а водорода в 15 раз превосходят охлаждающие свойства керосинов и могут быть использованы для охлаждения высокотемпературных элементов двигателя и летательного аппарата, что позволит увеличить скорость полета, максимальную температуру цикла двигателя, его эффективность. Недостатком метана и водорода являются их низкие значения плотности: у метана—424 кг/м³; у водорода всего 70,9 кг/м³. Это означает, что при переходе от керосина к водороду для сохранения на борту летательного аппарата равноценного запаса химической энергии, требуется увеличить объем баков более чем в 4 раза. Однако все эксплуатационные трудности, связанные с применением криогенных горючих, не являются непреодолимыми, о чем свидетельствует экспериментальный полет ТУ-155 с использованием в качестве горючего жидкого водорода.

В ряде стран успешно применяются в чистом виде или в качестве добавок к бензинам (до 20%) спирты: этиловый (этанол С₂Н₅ОН) и метиловый (метанол СН₃ОН). Низшая теплота сгорания метанола в 2,2 раза, а этанола в 1,59 раза меньше, чем у бензина, но у спиртов существенно шире концентрационные пределы воспламенения и более высокие значения октановых чисел (около 110 единиц). Высокая детонационная стойкость спиртов позволяет повышать степень сжатия в двигателях с принудительным воспламенением до 12...14 и тем самым компенсировать потери мощности из-за меньшей теплоты сгорания; полнота сгорания спиртов превосходит аналогичный показатель бензина.

Продукты сгорания спиртов содержат значительно меньше экологически опасных веществ. Так, в выхлопных газах метанольного двигателя содержится в 5 раз меньше углекислого газа и в 10 раз меньше различных углеводородов по сравнению с бензиновыми двигателями.

Наиболее широко этиловый спирт в качестве горючего применяют в Бразилии (страна не имеет нефтяных и газовых месторождений). В этой стране этиловый спирт получают в процессе ферментации сахарного тростника - энергоемкого процесса с образованием загрязняющих отходов - сивушных масел. Наиболее распространенная технология получения метанола — комбинированная газификация каменного угля. Такое производство метанола весьма энергоемко, и кроме того, сопровождается выбросами в атмосферу больших количеств углекислого газа. Существуют другие технологии получении метанола, например, конверсией метана, однако они пока не в состоянии конкурировать с освоенными технологиями.