Топлива с ненефтяными добавками

Главным преимуществом топлив с ненефтяными добавками является сопоставимость их моторных свойств со свойствами традиционных топлив. Добавками могут быть различные соединения, в частности рассмотренные выше спирты.

Высокие антидетонационные свойства метанола в сочетании с возможностью его производства из ненефтяного сырья позволяют рассматривать этот продукт в качестве перспективного высокооктанового компонента автомобильных бензинов, получивших название бензино-метанольных смесей. Оптимальная добавка метанола — от 5 до 20%; при таких концентрациях бензино-спиртовая смесь характеризуется удовлетворительными эксплуатационными свойствами и дает заметный экономический эффект. Добавка метанола к бензину снижает теплоту сгорания топлива и стехиометрический коэффициент при незначительных изменениях теплоты сгорания топливовоздушной смеси. Вследствие изменения стехиометрических характеристик использование 15%-й добавки метанола (смесь М15) в стандартной системе питания ведет к обеднению топливовоздушной смеси примерно на 7%. В то же время при введении метанола повышается октановое число топлива (в среднем на 3—8 единиц для 15%-й добавки), что позволяет компенсировать ухудшение энергетических показателей за счет повышения степени сжатия. Одновременно метанол улучшает процесс сгорания топлива благодаря образованию радикалов, активизирующих цепные реакции окисления. Исследования горения бензино-метанольных смесей в одноцилиндровых двигателях со стандартной и послойной системами смесеобразования показали, что добавка метанола сокращает период задержки воспламенения и продолжительность сгорания топлива. При этом теплоотвод из зоны реакции снижается, а предел обеднения смеси расширяется и становится максимальным для чистого метанола.

Особенности эксплуатационных свойств метанола проявляются и при его использовании в смеси с бензином. Возрастают, например, эффективный к. и. д. двигателя и его мощность, однако топливная экономичность при этом ухудшается (рис. 4.11). По данным, полученным на одноцилиндровой установке, при е = 8,6 и п = 2000 мин _1 для смеси М20 (20% метанола) в области а=1,0—1,3 эффективный к. и. д. повышается примерно на 3%, мощность — на 3—4%, а расход топлива увеличивается на 8—10% [156].

Для холодного запуска двигателя при высоком содержании метанола в топливной смеси или пониженных температурах используют электроподогрев воздуха или топливовоздушной смеси, частичную рециркуляцию горячих отработавших газов, добавки к топливу летучих компонентов и другие меры.

Добавки метанола к бензину в целом способствуют улучшению токсических характеристик автомобиля. Например, в исследованиях, выполненных на группе из 14 автомобилей с пробегом от 5 до 120 тыс. йм, добавка 10% метанола изменяла

Рис. 4.11. Изменение к. п. д. г)э, удельного расхода энергии Ei и топлива мощности Ne при работе одноцилиндрового двигателя ’’Ricardo” на бензине (-), смесях Ml О

(—) и М20 (—)

выброс углеводородов как в сторону повышения на 41%, так и уменьшения на 26%, что в среднем составило 1% увеличения. Выбросы СО и N0* при этом уменьшились в среднем соответственно на 38 и 8% для всей группы автомобилей [157].

Повышенная испаряемость и проницаемость спиртов з шланги обусловливают увеличение выбросов паров топлива в атмосферу. Например, добавка 10% этанола увеличивает выбросы паров топлива на 5% при движении автомобиля и на 42—48% при его заправке [158]. Испарений можно избежать при тщательной герметизации топливной системы и замене некоторых прокладочных и трубопроводных материалов. Для этой цели разработаны специальные АЗС, емкости которых снабжены улавливателями паров с адсорбентами, а на раздаточных колонках установлены полностью герметичные пистолеты.

Одной из наиболее серьезных проблем, затрудняющих применение добавок метанола, является низкая стабильность бен-зино-метанольных смесей и особенно чувствительность их к воде. Различие плотности бензина и метанола и высокая растворимость последнего в воде приводят к тому, что попадание даже небольших количеств воды в смесь ведет к ее немедленно му расслоению и осаждению водно-метанольной фазы. Склонность к расслоению усиливается с понижением температуры, увеличением концентрации воды и уменьшением содержания ароматических соединений в бензине. Например, при содержании от 0,2 до 1,0% (об.) воды в топливной смеси температура расслаивания повышается от —20 до +10°С, т. е. такая смесь практически непригодна для эксплуатации. Ниже приведены предельные концентрации воды Скр в различных бен-зино-метанольных смесях:

Содержание метанола, % (об.) 5

10

15

20

25

СКР> % (об.):

при 0°С 0,054

0,75

0,11

0,13

0,16

при 10°С 0,063

0,12

0,18

0,23

0,29

при 18°С 0,072

0,16

0,24

0,32

0,41

Для стабилизации бензино-метанольных смесей используют присадки — пропанол, изопропанол, изобутанол и другие спирты. При содержании воды 600 млн-1 помутнение обычной смеси М15 начинается уже при —9°С, при —17 °С — смесь расслаивается, а при —20 °С наступает практически полная дестабилизация. Добавка 1% изопропанола снижает температуру расслоения почти на 10°С, а добавка 25% —сохраняет стабильность смесей М15 даже с низким содержанием ароматических соединений в бензине практически до —40 °С в широком: диапазоне содержания воды.

В связи с высокой стоимостью и ограниченностью производства стабилизаторов бензино-метанольных смесей предложено использовать смесь спиртов, главным образом изобутанола, пропанола и этанола. Такая стабилизирующая присадка может быть получена в едином технологическом цикле совместного производства метанола и высших спиртов [159]. На рис. 4.12 показаны зависимости минимальной температуры расслоения бензино-метанольных смесей от концентрации в них метанола для стабилизаторов — смеси спиртов с различным соотношением компонентов С4 : Сз : С2. Как видно, наиболее эффективны пропанол и изопропанол.

Добавка даже небольших количеств метанола изменяет фракционный состав топлива. В результате усиливается склонность к образованию паровых пробок в топливоподающих магистралях, хотя при чистом метаноле это практически исключается из-за его высокой теплоты парообразования. Согласна расчетам, для 10%-й смеси метанола с бензином образование-паровых пробок возможно при температурах окружающего воздуха на 8—11 °С ниже, чем для базового топлива. Корректировка фракционного состава базового топлива возможна путем снижения содержания легких компонентов с учетом Последующей добавки метанол#.

Рис. 4.12. Изменение температуры расслоения бензино-метанольной смеси ? от содержания метанола Ссн3он при концентрации 9% стабилизатора:

Л—4 — содержание воды 0,001, 0,30, 0,50 н 1,0% соответственно; С4 : Сз : С2 — отношение спиртов в стабилизаторе

В нашей стране разработаны две марки бензино-метаноль-ной смеси: летняя — 5% метанола и зимняя—15% метанола + 7% стабилизатора. Летнюю смесь можно использовать наравне с бензином А-76 без конструктивных изменений топливной системы двигателей. Вследствие пониженной теплоты сгорания спиртов и их повышенной агрессивности к металлам и резиновым техническим изделиям для использования зимней смеси необходима установка специальной топливной аппаратуры.

Коррозионная активность бензино-метанольных смесей значительно ниже, чем у чистого метанола, однако в ряде случаев существенна и сильно зависит от присутствия воды. Например, в смесях с содержанием 10—15% метанола сталь, латунь и медь не корродируют, алюминий же корродирует медленно с изменением цвета.

При добавках к смеси незначительных количеств воды сталь начинает корродировать, а коррозия алюминия резко усиливается. Свинцово-оловянная полуда баков подвергается интенсивной коррозии практически во всех ме-танольных смесях с образованием соединений свинца в виде белых аморфных осадков, засоряющих топливные магистрали и фильтры. Цинк также подвержен интенсивной коррозии в метанольных смесях, в связи с чем контакт топлива с оцинкованными деталями не рекомендуется. Полимерные материалы, в частности полиметилметакрилат, при длительном нахождении.в метанольных смесях разлагаются. Большинство прокладочных материалов топливных систем, например нейлон, имеют тенденцию к разбуханию. При работе на метанольных смесях в ряде случаев отмечался выход из строя.диафрагмы топливного насоса.

За рубежом в карбюраторных двигателях практическое применение получили смеси 10—20% этанола с нефтяными бензинами, получившие название «газохол». Согласно стандарту АЭТМ, разработанному национальной комиссией по спиртовым топливам США, газохол с 10% этанола характеризуется следующими показателями: плотность 730—760 кг/м3, температурные пределы выкипания 25—210 °С, теплота сгорания 41,9 МДж/кг, теплота испарения 465 кДж/кг, давление насыщенных паров (38 °С) 55—110 кПа, вязкость (—40аС)

0,6 мм2/с, стехиометрический коэффициент 14. Таким образом, по большинству показателей газохол соответствует автомобильным бензинам.

При использовании обводненного этанола в условиях пониженных температур окружающей среды для предотвращения расслоения в смесь необходимо ввести стабилизаторы, в качестве которых используют пропанол, втор-пропанол, изобутанол и др. Так, добавка 2,5—3,0% изобутанола обеспечивает устойчивость смеси этанола, содержащего 5% воды, с бензином при температуре до —20 °С.

Фирмой «Ве11» (США) были изучены эксплуатационные свойства газохода [149]. В процессе рядовой эксплуатации легковых и грузовых автомобилей различных моделей и годов выпуска установлена приемлемость замены неэтилированного бензина газоходом при условии обеспечения содержания воды в топливной аппаратуре не выше допустимых норм для эксплуатационного диапазона температур. При длительной эксплуатации автомобилей на газоходе в некоторых случаях наблюдалось разрушение резинового уплотнения плунжера насоса-ускорителя и резиновых шлангов, что потребовало замены соответствующих материалов. В топливных насосах с электроприводами, охлаждаемых топливом, происходило вымывание электроизоляции и забивание ее частицами жиклеров карбюратора. Поплавки, изготовленные из фенольной смолы, из-за интенсивного поглощения газохода утяжелялись, что вело к переполнению поплавковой камеры карбюратора. При испытаниях по городскому циклу для грузовых автомобилей расход газохода был близким к расходу бензина и несколько увеличился при уменьшении массы автомобиля, однако не более чем на 5% для отдельных легковых автомобилей. При этом выбросы вредных компонентов снижались в среднем по оксиду углерода на 26,3%, суммарным углеводородам — 4,5% и оксидам азота — 5,7%. Показатели работавших масел на газоходе и бензине почти одинаковы, за исключением некоторого увеличения содержания меди:

Металл

Медь

Железо

Хром

Алюминий

Содержание в масле при работе, млн-1: на бензине

7,5

180,5

4,95

14,8

на газохоле

11,37 *

174,3

5,6

13,86

В отличие от бензинов, смешивающихся с безводными спиртами практически в любом соотношении, для получения устойчивых смесей спиртов с дизельными топливами необходимо введение стабилизаторов, в качестве которых используют различные поверхностно-активные вещества. Так, фирмой «Volkswagen» для дизельных двигателей предложена смесь, содержащая 70% дизельного топлива, 25% этанола и 5% стабилизатора марки MA, обеспечивающего устойчивость смеси при температурах до —15°С. Для компенсации ухудшения воспламеняемости топлива (из-за добавки этанола) в смесь вводят 0,5—10% продукта «Керобризол» при температуре ниже 10 °С. Испытания такого топлива на четырехцилиндровом дизеле с рабочим объемом 1,5 л показали, что по сравнению с дизельным топливом мощность двигателя повышается на 2%, расход топлива — на 8%. В то же время удельный расход энергии при работе автомобиля на спиртовой смеси ниже во всем диапазоне скоростей движения.

Для стабилизации смесей обводненного метанола с дизельным топливом можно использовать их в виде эмульсий. Стабильность эмульсии может обеспечиваться, например, введением 0,25% натриевой соли дибутилового эфира сульфоянтар-ной кислоты [160]. Могут также использоваться добавки бутанола в соотношении к метанолу не менее 2:1, что, однако, значительно удорожает топливо.

Наибольшее распространение получили топливные смеси газоход. В настоящее время это топливо широко применяют в Бразилии, где с 1975 г. осуществляется правительственная программа использования возобновляемых источников растительного сырья для производства этанола и его употребления в качестве автомобильного топлива. Число автомобилей, работающих в этой стране на этаноле и газохоле, составляло в 1980 г. 2411 и 775 тыс. шт. соответственно. К 2000 г. из прогнозируемого парка легковых автомобилей Бразилии в 19—24 млн. ед. на спиртовых топливах должно эксплуатироваться от 11 до 14 млн. [161]. В США на 1000 колонках в 20 штатах автомобили заправляются газохолом, содержащим 10—20% этанола. Доля этанолсодержащих топлив от общего потребления авто- J мобильных топлив к 1990 г. составит в Бразилии 40—50% и США—10% [155, 162].

В странах Европы с ограниченными возможностями производства этанола и его высокой стоимостью больший интерес проявляется к использованию добавок метанола. Наибольшее использование метанола в качестве моторного топлива него компонентов получило в ФРГ. В рамках трехлетней федеральной программы исследований альтернативных источников энергии в период 1979—1982 гг. в ФРГ эксплуатировались свыше 1000 автомобилей на альтернативных топливах, преимущественно метаноле и бензино-метанольных смесях [157]. Для работы на смеси М15 было переоборудовано 850 автомобилей, на смеси М100—120 автомобилей и 100 автомобилей на дизельном топливе с добавкой метанола. Смесь М100 на 95% состоит из метанола, в остальные 5% входят легкие бензиновые фракции (чаще изопентан), необходимые для облегчения пуска двигателя. Для зимней эксплуатации содержание бензиновых фракций увеличивается до 8—9%, при этом содержание воды в смеси допускается не более 1 % ¦

В смеси М15 из 85% бензиновых фракций содержится не менее 45% ароматических углеводородов; содержание тетраэтилсвинца в смеси не превышает 0,15 г/кг, а воды — в пределах 0,10% (практически 0,05—0,06%). Смесь М15 содержит также антикоррозионные присадки.

Для обеспечения эксплуатации автомобилей на метанольных топливах в городах ФРГ функционирует 30 АЗС на топливе М15 н 16 АЗС — на М100. Транспортируют метанольные топлива на обычных бензозаправщиках, у которых материалы соответствующих узлов и агрегатов заменены на стойкие к воздействию метанола. Для предотвращения перелива топлива в корпусах заправочных пистолетов топливораздаточных колонок имеются мембранные отсечные устройства. В целом правила эксплуатации на топливах М15 и М100 не отличаются от правил эксплуатации на этилированных бензинах. При эксплуатации автомобилей отрицательного воздействия на зд<> ровье водителей не отмечалось, а некоторые жалобы носили субъективный характер [157].

В последнее время расширяются опыты по использованию метанола и его добавок в дизельных двигателях. Так, с 1981г. несколько городских автобусов фирмы «Daimler Benz», оснащенных специальным газовым вариантом базового дизельного двигателя с воспламенением от свечи зажигания, находятся в рядовой эксплуатации на метаноле. В г. Кельне (ФРГ) проведены двухлетние испытания в условиях городской эксплуатации автобусов «Magirus», оснащенных двигателями «Deiz», работающих на метаноле. Комплекс работ, выполненный фирмой по созданию дизельного двигателя на метаноле, завершился введением в эксплуатацию автобуса К200. Общий пробег автобуса составил 73 тыс. км [157].

В ряде стран в качестве добавки, расширяющей ресурсы высокооктановых бензинов, используют трет-бутилметиловый эфир. Антидетонационная эффективность его по сравнению с алкилбензином в 3—4 раза выше, благодаря чему с помощью эфира можно получить широкий ассортимент неэтилированных высокооктановых бензинов, трет-Бутилметиловый эфир характеризуется следующими показателями: плотность 740—

750 кг/м3, температура кипения 48—55°С, давление насыщенных паров (25 °С) 32,2 кПа, теплота сгорания 35,2 МДж/кг, октановое число 95—ПО (моторный метод) и 115—135 (исследовательский метод). Наибольшую антидетонационную эффек-

Рис. 4.13. Изменение октанового числа автомобильных бензинов (о. ч.) в зависимости от концентрации трет-бутилметилового эфира:

1 — каталитический риформинг жесткого режима; 2 — каталитический крекинг; 3 — каталитический риформинг; 4 — прямая перегонка; — —исследовательский метод;

—-— моторный метод

Рис. 4.14. Скоростные характеристики двигателя ВАЗ-2101 при работе на товарном бензине АИ-93 (-) и бензине с грет-бутил метиловым эфиром (—)

тивность эфир проявляет в составе бензинов прямой перегонки и каталитического риформинга обычного режима (рис. 4.13) [1631.

Отечественные бензины А-76 и АИ-93 с добавками 8 и 11% грег-бутилметилового эфира соответственно удовлетворяют требованиям ГОСТ 2084—77 по всем показателям и по комплексу методов квалификационной оценки показали лучшие эксплуатационные свойства. Бензины с добавками эфира характеризуются хорошими пусковыми качествами и при пониженных оборотах двигателя имеют более высокие фактические октановые числа по сравнению с товарными бензинами.

Топливная экономичность и мощностные показатели двига-теля при работе на бензинах с эфиром находятся на уровне I товарного бензина. Токсичность отработавших газов при этом * несколько снижается, в основном за счет уменьшения выбросов оксида углерода (рис. 4.14). Изменений и нарушений в состоянии и работе систем двигателя при использовании бензи- | нов с эфиром не наблюдается.

Спиртовые топлива | Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов | Топлива с добавками воды

Добавить комментарий