Среди различных спиртов и их смесей наибольшее распространение в качестве моторного топлива получили метанол и этанол. Их основными недостатками являются пониженная теплота сгорания, высокая теплота испарения и низкое давление насыщенных паров, 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 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 снижается.

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.

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, подогреве 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. Такие топлива получили название смесевых спиртовых топлив. Испытания одной из композиций смесевого топлива 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.

2.ОКСИГЕНАТЫ КАК ДОБАВКИ К НЕФТЯНЫМ ТОПЛИВАМ

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 меси. Вследствие изменения стехиометрических характеристик использование 15%-й добавки метанола (смесь М15) в стандартной системе питания ведет к обеднению топливовоздушной смеси примерно на 7%. В тоже время при введении метанола повышается октановое число топлива (в среднем на3—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 КПД двигателя и его мощность, однако топливная экономичность при этом ухудшается. По данным, полученным на одноцилиндровой установке, при е=8,6 иn=2000 мин^-1 для смеси М20 (20% метанола) в области к = 1, 0—1, 3 эффективный КПД 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 120тыс. км, добавка 10% метанола изменяла выброс углеводородов как в сторону повышения на 41%, так и уменьшения на 26%, что в среднем составило 1% увеличения. Выбросы СО и NO_x при этом уменьшились в среднем соответственно на 38 и 8% для всей группы автомобилей.

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. 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. Согласно 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 метанола.

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.

За рубежом в карбюраторных двигателях практическое применение получили смеси 10—20%этанола с нефтяными бензинами, получившие название «газохол». Согласно стандарту ASTM, разработанному национальной комиссией по спиртовым топливам США, газохолс 10% этанола характеризуется следующими показателями: плотность 730—760кг/м3, температурные пределы выкипания 25—210°С, теплота сгорания 41,9МДж/кг, теплота испарения 465 кДж/кг, давление наcыщенных паров (38°С) 55—110кПа, вязкость (—40°С) 0,6 мм2/c, 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 вводить 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.

Наибольшее распространение газохол 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 в1980г. 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.. В США на 1000 колонках в 20 штатах автомобили заправляются газохолом, содержащим 10—20% этанола.

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 и его 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. 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 смесиМ15 из 85% бензиновых фракций содержится не менее 45% ароматических углеводородов; содержание тетраэтилсвинца в смеси не превышает 0,15 г/кг, аводы — в пределах 0,10% (практически 0,05—0,06%). Смесь М15 содержит также антикоррозионные присадки.

В ряде стран в качестве добавки, расширяющей ресурсы высокооктановых бензинов, используют метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ). Антидетонационная эффективность его по сравнению с алкилбензином в3—4 раза выше, благодаря чему с помощью эфира можно получить широкий ассортимент неэтилированных высокооктановых бензинов. Метил-трет-бутиловый эфир характеризуется следующими показателями: плотность 740 — 750 кг/м3, температура кипения 48 — 55°С, давление насыщенных паров (25°С) 32,2 кПа, теплота сгорания35,2 МДж/кг, октановое число 95—110 (моторный метод) и 115—135 (исследовательский метод). Наибольшую антидетонационную эффективность эфир проявляет в составе бензинов прямой перегонки и каталитического риформинга обычного режима.

Отечественные бензины А-76 и Аи-92с добавками 8 и 11% метил-трет-бутилового 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 двигателя при работе на бензинах с эфиром находятся на уровне товарного бензина. Токсичность отработавших газов при этом несколько снижается, в основном за счет уменьшения выбросов оксида углерода. Изменений и нарушений в состоянии и работе систем двигателя при использовании бензинов с эфиром не наблюдается.

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка метанола можно познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок метанола в России».

www.newchemistry.ru