Спиртовые топлива

Среди различных спиртов и их смесей наибольшее распространение в качестве! моторного топлива получили метанол и этанол. Их основными недостатками являются пониженная теплота сгорания, высокая тепдота испарения и низкое давление насыщенных паров (см. табл. 4.1), но в целом по моторным свойствам этанол лучше метанола.

Высокие антидетонационные качества определяют преимущественное использование спиртов в двигателях внутреннего сгорания с принудительным (искровым) зажиганием. При этом основные мероприятия по переводу автомобилей на работу на чистых спиртах сводятся к увеличению вместимости топливного бака (в случае необходимости сохранения беззаправочного пробега), увеличению степени сжатия двигателя до е = 12—14 с целью полного использования детонационной стойкости топлива и перерегулировки карбюратора на более высокие его расходы (в соответствии со стехиометрическим коэффициентом) и большую степень обеднения смеси. Низкое давление насыщенных паров и высокая теплота испарения спиртов делают практически невозможным запуск карбюраторных двигателей уже при температурах ниже +10 °С. Для улучшения пусковых качеств в спирты добавляют 4—6% изопентана или 6—8% диметилового эфира, что обеспечивает нормальный пуск двигателя при температуре окружающего воздуха от —20 до —25 °С. Для этой же цели спиртовые двигатели оборудуются специальными пусковыми подогревателями. При неустойчивой работе двигателя на повышенных нагрузках из-за плохого испарения спиртов требуется дополнительный подогрев топливной смеси с помощью, например, отработавших газов.

С энергетической точки зрения преимущества спиртов заключаются главным образом в высоком к. п. д. рабочего процесса и высокой детонационной стойкости. Величина к.п.д. спиртового двигателя выше бензинового во всем диапазоне рабочих смесей, благодаря чему удельный расход энергии на единицу мощности (рис. 4.8) снижается [147]. Использование метанола в четырехцилиндровом двигателе «Volkswagen 1600» совместно с повышением степени сжатия до 14,0 позволило увеличить максимальное значение эффективного к. п. д. на 5—7% [147]. Эти факторы, а также высокий коэффициент наполнения позволяют существенно повысить мощность спиртового двигателя. Например, при работе на метаноле повышение степени сжатия полноразмерного восьмицилиндрового двигателя «Mercedes Benz», с 8,9 до 11,0 привело к увеличению его максимальной мощности на 15% [148]. Одновременно несколько возрастает среднее эффективное давление, пропорциональное крутящему моменту, что является существенным преимуществом для автомобильного двигателя.

Низкая энергоемкость спиртов ведет к увеличению удельного расхода топлива, в частности для метанола примерно вдвое (рис. 4.9). Так, при дорожных испытаниях легкового автомобиля «Chevrolet» с двигателем рабочим объемом 5,7 л и е = 7,5 расход метанола изменялся от 21,8 л при скорости

Изменение индикаторного расхода энергии Е[, удельных выбросов оксидов азота N0* и суммарных углеводородов [СН] при работе двигателя на изооктане (-), этаноле

Рис. 4.8. Изменение индикаторного расхода энергии Е[, удельных выбросов оксидов азота N0* и суммарных углеводородов [СН] при работе двигателя на изооктане (-), этаноле

(—• • —) и метаноле (---)

Рис. 4.9. Изменение топливной экономичности автомобиля С при работе на бензине (-)

и метаноле (— ---)

48 км/ч до 31,4 л при 112 км/ч [149]. Энергетическая и топливная экономичность этого автомобиля при скорости движения 80 ( км/ч составляют: на бензине 13,66 лII00 км и 3,61 МДж/км, а на метаноле 26,74 лII00 км и 3,45 МДж/км.

При использовании спиртовых топлив снижается содержание контролируемых вредных компонентов отработавших газов автомобиля. Благодаря низким температурам горения спиртов на единицу расходуемой энергии и топлива выделяется значительно меньше, чем у бензина оксидов азота. Одновременно вследствие улучшения полноты сгорания спиртовых смесей выбросы СО и [СН]* также уменьшаются. Выбросы канцерогенных ароматических углеводородов также на порядок ниже, чем при работе двигателя на бензине. Сравнительные данные по вредным выбросам при работе автомобиля «Mercedes Benz» на бензине и метаноле (числитель — по европейскому ездовому циклу, знаменатель — по циклу CVS-2; г/цикл) [150]:

СО [СН] ыож

Бензин 140/22,1 6,0/4,5 8,0/5,7

Метанол 32/9,5 5,5/2,5 0,7II,9

* Условное обозначение выбр'осов углеводородов.

Токсические и экономические показатели метанольного двигателя значительно улучшаются при горячем пуске. При испытаниях автомобиля «Volkswagen Passat» по европейскому ездовому циклу организация горячего пуска снизила по сравнению с холодным выбросом выбросы СО со 102 до 36, а [СН] —с 12 до 5,7 г/цикл [151]. При этом подогрев метаноль-но-воздушной смеси во впускном патрубке до 60 °С уменьшил содержание альдегидов в отработавших газах в области стехиометрических смесей почти на порядок, а в богатой и бедной — примерно вдвое; топливная же экономичность улучшилась почти на 25%.

Наряду с положительной экологической эффективностью использования спиртовых топлив следует отметить и такие негативные явления, как повышенные выбросы альдегидов и испарения углеводородных соединений. Содержание альдегидов растет с увеличением концентрации спиртов в топливной смеси. Для метанола характерны выбросы формальдегида, в то время как при сгорании этанола образуется преимущественно ацетальдегид. Минимальные выбросы альдегидов соответствуют стехиометрическому составу топливной смеси и возрастают при ее обеднении или обогащении. В среднем выбросы альдегидов при работе на спиртах примерно в 2—4 раза выше, чем при работе двигателя на бензине. Их снижения добиваются при добавке к спиртам воды (до 5%) и присадок к топливу до 0,8% анилина, подогреву воздуха на входе в двигатель.

Эксплуатационные свойства метанольного топлива, и в первую очередь энергетические показатели и пусковые качества, улучшаются при дополнительном вводе высших спиртов и эфиров [152, 153]. Такие топлива получили название смесевых спиртовых топлив. Испытания одной из композиций смесевого топлива, проведенные в НИИАТе, показали увеличение мощности двигателя на 4—7% и улучшение топливной экономичности (в сравнении с чистым метанолом)—на 10—15%, при этом содержание в отработавших газах оксидов азота снижается на 25—30% в сравнении с работой на бензине (рис. 4.10).

Использование спиртов в дизелях затрудняется из-за низких цетановых чисел, высокой температуры самовоспламенения и плохих смазывающих свойств, ведущих к повышенному износу топливной аппаратуры. Работа дизелей на спиртовых топливах возможна при использовании смеси спиртов и дизельного топлива с повышенным цетановым числом, введении в топливо активирующих присадок, подаче спиртов в испаренном виде, впрыске запального дизельного топлива, переоборудовании дизеля в двигатель с искровым воспламенением. Из перечисленных вариантов наиболее приемлемой для эксплуатации является добавка к спиртам различных присадок. В качестве присадок, улучшающих воспламеняемость спиртов, ис-

Внешние скоростные характеристики (а) и содержание в отработавших газах оксидов углерода СО и азота N0* (б) при работе двигателя ЗМЗ-24 на бензине (1), метаноле (2) и смесевом топливе (3)

Рис. 4.10. Внешние скоростные характеристики (а) и содержание в отработавших газах оксидов углерода СО и азота N0* (б) при работе двигателя ЗМЗ-24 на бензине (1), метаноле (2) и смесевом топливе (3)

пользуют изопропилнитрат, пентилнитрат и др. Наиболее эффективен циклогексанолнитрат, при добавке которого цетановое число спиртов изменяется следующим образом:

Содержание присадки, % (об.)

Цетановое число:

5

10

15

20

этанола

15,5

30

45,6

60

метанола

7,5

20

37

53

Для улучшения смазывающих свойств в спиртовые топлива обычно вводят до 1% касторового масла. Исследование этанола с присадкой 12% гексилнитрата, проведенные на дизеле «Экаша Д5-11» (1Д=11 л, Л^=176 кВт), показали, что при перерегулировке топливного насоса на повышенные расходы в соответствии с теплотой сгорания этанола характеристики двигателя близки к параметрам работы на обычном дизельном топливе [154]. Состав отработавших газов несколько улучшается благодаря снижению содержания оксидов азота и полному устранению дымления, хотя на холостом ходу наблюдаются повышенные выбросы шесгоревшего этанола и ацетальде гида. Добавка присадки увеличила стоимость топлива на 10— 15%.

Рабочий процесс по схеме предварительного испарения спирта, не требующий введения специальных присадок, разработан фирмой «Daimler Benz». В качестве базового двигателя использован газовый вариант дизеля со свечой зажигания, предназначенный для работы на природном газе и пропан-бу-тановой смеси. С 1981 г. несколько городских автобусов, оснащенных таким двигателем, находится в эксплуатации на метаноле.

При использовании чистых спиртов как в карбюраторных, так и в дизельных двигателях отмечены повышенные износы деталей цилиндропоршневой группы. Увеличение износа при работе двигателя на спиртах возможно по ряду причин, основные из которых: попадание в цилиндры значительного количества неиспарившегося спирта и смыв им смазки, ухудшение смазки из-за образования на трущихся поверхностях спирто-водно-масляной эмульсии, взаимодействие спиртов с присадками масел и снижение их эффективности. Кроме того, спирты и их коррозионно-агрессивные продукты сгорания (формальдегид, ацетальдегид, муравьиная кислота) воздействуют на такие металлы, как алюминий и сплавы свинца и меди. Как показали исследования, наибольший износ двигателя наблюдается при использовании метанола. При эксплуатации двигателя на этаноле при нормальных температурах износ ниже, однако он значительно увеличивается на низкотемпературных режимах работы.

Для обеспечения надежной эксплуатации двигателей и снижения износа при работе на чистых спиртах необходимы специальные моторные масла. Для этой цели разработаны масла марок ELA-5046 и ELA-5048, содержащие сверхщелочной сульфонат кальция, диалкилдитиофосфат цинка и модификатор трения. Оба масла испытаны в таксомоторном парке (г. Сан-Пауло, Бразилия) со сроком смены 20 и 10 тыс. км пробега для первой и второй марки масла соответственно. Использование указанных масел обеспечило безотказную работу двигателей на чистом этаноле: после пробега 60 тыс. км повышенного износа отмечено не было [155].

Основной проблемой при эксплуатации двигателя на метаноле является токсичность топлива. Роль этого фактора изучена пока недостаточно. В любом случае из-за высокой летучести метанола требуется тщательная герметизация топливоподающей системы автомобиля. Кроме того, необходимо исключить попадание отработавших газов двигателя в кабину водителя, в частности оборудовать двигатель замкнутой системой вентиляции картера.

Газовые углеводородные топлива | Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов | Топлива с ненефтяными добавками