Мировой топливный кризис, из-за которого подскочили цены на бензин и дизтопливо, вновь заставляет задуматься об иных источниках энергии для транспортных средств. Неплохая альтернатива традиционному топливу - спирт. Чем хорош такой заменитель и что сделать, чтобы автомобильный двигатель смог на нем работать?
Спирт обладает целым рядом преимуществ по сравнению с нефтяным топливом, и только большая стоимость, малая теплоотводность, высокая гигроскопичность и повышенное содержание альдегидов препятствуют его массовому применению в качестве топлива для ДВС. А достоинства спирта следующие.
| Высокие антидетонационные свойства (октановое число - более 100). Введение этанола в бензин обеспечивает повышение октанового числа. Каждые 3% этанола в смеси с бензином обеспечивают повышение октанового числа горючего в среднем на 1 единицу. То есть спирт может быть использован в качестве высокооктановой добавки к топливу. Он повышает и детонационную стойкость горючего, так как температура самовоспламенения чистого бензина составляет 290°С, а его смеси с этанолом - 425°С. | |
| Процесс испарения начинается во впускном трубопроводе и заканчивается в цилиндре при ходе сжатия, обеспечивая охлаждение деталей двигателя - поршней и клапанов - и более полное наполнение цилиндров свежим зарядом (компрессорный эффект с 5-процентным увеличением мощности). | |
| Надежное воспламенение от электрической искры при значительных изменениях состава горючей смеси (диапазон воспламеняемости по коэффициенту избытка воздуха для спирта составляет примерно 0,4…1,7). | |
| КПД двигателя, работающего на чистом спирте, выше, чем при использовании бензина. | |
| Меньшая токсичность отработавших газов. | |
| Низкая пожароопасность. |
Адаптация ДВС
Существуют два способа применения спирта в качестве горючего для автомобильных моторов - при частичной (до 20%) и при полной замене бензина и дизельного топлива. Высокие антидетонационные качества определяют преимущественное использование спирта в двигателях внутреннего сгорания с принудительным (искровым) зажиганием. Стандартный двигатель не нужно переделывать для работы на бензо-спиртовой смеси.
На АО «АвтоВАЗ» были проведены испытания бензина АИ-95 с 10-процентным содержанием этанола на токсичность, расход топлива и обеспечение динамики автомобиля без перерегулировки двигателя. Было установлено, что добавка к бензину 10% спирта приводит к обеднению топливовоздушной смеси и незначительно ухудшает ездовые качества машины практически на всех режимах движения. При переходе на АИ-95Э с 10-процентным содержанием этанола требуется перерегулировка карбюратора.
Согласно результатам стендовых испытаний «АвтоВАЗа», применение бензина АИ-95Э с 5-процентным содержанием спирта не приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик автомобиля и не требует изменения исходных регулировок двигателя.
А вот для работы на чистом спирте требуется увеличение вместимости топливного бака и степени сжатия до 12 - 14 ед. (чтобы полностью использовать детонационную стойкость топлива) и перерегулировка карбюратора или перепрограммирование ЭБУ инжекторного двигателя. Горючую смесь необходимо немного обогатить: для сгорания 1 кг спирта требуется 9 кг воздуха, а для сгорания 1 кг бензина - 14,93 кг.
Низкое давление насыщенных паров и высокая теплота испарения спирта делают практически невозможным запуск бензиновых двигателей уже при температуре окружающей среды ниже +10°С. Для улучшения пусковых качеств в спирт добавляют 4 - 6% изопентана (С5Н12) или 6 - 8% диметилового эфира (СН3-О-СН3 или С2Н6О), что обеспечивает нормальный пуск двигателя при температуре от -25°С и выше. Для этой же цели спиртовые моторы оборудуют специальными пусковыми подогревателями. В случае неустойчивой работы двигателя при повышенных нагрузках (из-за плохого испарения спирта) применяется дополнительный подогрев топливной смеси с помощью, например, отработавших газов.
Дизель и спирт
Адаптировать дизельный мотор для сжигания в его цилиндрах спирта гораздо сложнее. Венским техническим университетом были проведены экспериментальные исследования на 4-цилиндровом тракторном дизеле фирмы Steyr.
Ввиду того, что цетановое число этанола низкое, двигатель был дополнительно оснащен электронной системой зажигания, а головку цилиндров модернизировали для размещения свечей зажигания. Кроме того, была изменена геометрическая форма камеры сгорания в днище поршня, установлены новые топливный насос высокого давления, форсунки и топливоподкачивающий насос повышенной производительности. Исследования показали, что дизель работает на этаноле практически бездымно. По сравнению с работой на дизельном топливе выброс NOx снижается, что является результатом уменьшения температуры вследствие повышенной теплоты испарения этанола. Выброс СО такой же, как у бензинового ДВС, выброс СН относительно высок, однако может быть радикально снижен при применении простейшего окислительного нейтрализатора. При переходе на дизельное горючее дымность и расход топлива у переоборудованного дизеля значительно выше, чем первоначально. Объемный расход у этанола почти в 2 раза больше, чем у дизельного топлива, что является следствием его более низкой теплоты сгорания, а удельный приведенный расход лишь немногим выше.
Модернизировать двигатель могут не только автопроизводители, но и специализированные фирмы. Например, в США бензиновые двигатели и дизели для работы на альтернативном топливе переоборудует фирма Jasper Engines and Transmissions. Переделываются моторы от 8-цилиндровых V-образных до рядных 6- и 4-цилиндровых. После переоборудования двигатели могут работать на метаноле, этаноле, сжатом и сжиженном природном газах.
| Мировой опыт | |
|
|
| Топливный спирт | |
|
|
| Характеристики рабочего процесса дизеля при работе на смеси дизтоплива с этанолом и при работе на чистой солярке |
| Украинские перспективы | |
|
|
Подготовил Юрий Герасимчук
Фото Сергея Кузьмича
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Синтез метанола из природного газа является одним из наиболее эффективных и экологически безопасных существующих технологических процессов. Современные заводы по превращению природного газа в метанол могут работать с тепловым КПД, превышающим 71%, и почти самодостаточны. Они настолько чисты, что один из поставщиков процесса заявляет, что большая часть выбросов в атмосферу производится бензиновыми и дизельными транспортными грузовиками и автофургонами, обслуживающими завод, нежели самим заводом.
Кроме того, правильно сконфигурированные метаноловые заводы могут принести реальную пользу, потребляя углекислый газ из других источников, которые должны обоснованно повысить их приемлемость для сторонников защиты окружающей среды.
Метанол является вторым наиболее важным химическим промежуточным веществом после этана/этилена. Его значение в последние годы возросло в связи с изменением конфигурации НПЗ, поскольку сырая нефть во всем мире постепенно, но неизбежно становится тяжелее. Метанол очень важен как химическое сырье, но его применение в качестве моторного топлива является более перспективным.
В этой статье мы рассеем два мифа о метаноле как моторном топливе: 1) что метанол обладает более высокой токсичностью, чем другие виды моторного топлива и 2) что меньшая удельная энергия метанола представляет собой серьезную проблему.
Здоровье, безопасность и окружающая среда - преимущества метанола
Некоторые эксперты выделяют метанол как нейротоксин, хотя этанол также является известным нейротоксином, как и некоторые из веществ, обычно присутствующие в бензине. Многие будут удивлены, узнав о том, что и этанол, и бензин обычно смертельны при более низких дозах, чем метанол. Кроме того, метанол, как правило, превосходит по всем другим аспектам здоровья, безопасности и защиты окружающей среды. В грунтовых водах он имеет период полураспада 1-7 дней, что в 10-100 раз меньше, чем у некоторых веществ, содержащихся в бензине.
Метаноловое топливо было принято для гоночных трасс - в основном по причине большей безопасности; их превосходные рабочие характеристики являлись всего лишь дополнительным бонусом. Метанол горит в пять раз медленнее бензина, и его гораздо легче потушить. По оценке Агентства по охране окружающей среды EPA, применение метанола приведет к 95-процентному сокращению числа жертв вследствие возгорания транспортных средств.
Транспортные средства на метаноловом топливе с более низкой температурой сгорания выделяют немного меньше углекислого газа, значительно меньше углеводородов и гораздо меньше соединений NOx по сравнению с их бензиновыми аналогами. Это особенно привлекает, так как NOx являются самыми жесткими критериями сокращения загрязнений. Метанольное топливо могло бы исключить громоздкие, потребляющие мочевину системы селективного каталитического восстановления, в настоящее время устанавливаемые на большинстве дизельных двигателей.
Удельная энергия
Другой распространенной выдумкой является то, что более низкая удельная энергия метанола предопределяет ему более низкий статус среди потенциальных моторных топлив. При правильной оптимизации систем некоторые виды топлива, в частности метанольного, могут быть преобразованы в механическую энергию с гораздо более высокой эффективностью, чем другие.
Даже те транспортные средства, которые разработаны как бензиновые или многотопливные автомобили, должны отчасти уметь пользоваться преимуществами высокого октанового числа метанола и достигать повышения пробега в большей степени, чем это предполагалось только от энергоемкости. Один гражданин преобразовал свой автомобиль на 100-процентное метаноловое топливо путем корректировки программного обеспечения управления двигателем и замены на 41-центовое топливное уплотнение. Мощность этого автомобиля возросла на 10%, а экономия топлива в долларах на одну милю повысилась на 40% по сравнению с бензином. Соответствующие целевому назначению транспортные средства (то есть не многотопливные или работающие на преобразованном традиционном топливе) должны показать гораздо лучшие результаты.
Некоторые дальнобойщики модернизируют свои транспортные средства метаноло-водяными системами впрыска в немодифицированных иным образом дизельных двигателях, получая значительный рост экономии от 20 до 30% по сравнению с дизельным топливом! Это значительная сумма для автомобилей, которые потребляют примерно 20000 галлонов топлива в год. Измеренная мощность увеличивается до 75%, а крутящий момент на 65%: поистине сногсшибательные цифры.
Специализированные транспортные средства на базе метанола могут работать на 25-30% эффективнее, чем традиционные бензиновые двигатели, и примерно с такой же отдачей, что и дизельные двигатели. Текущие цены на метанол, принимая во внимание четность энергетических уровней, эквивалентны $2,60/галлон оптового бензина. Но если метанол на 25% эффективнее, чем бензин, соответствующая оптовая цена метанола в бензиновом эквиваленте составляет $2,09. На момент написания статьи оптовая цена на бензин составляет $3,10. Но как метанол ведет себя в сравнении с конкурентными видами топлива?
Метанол по сравнению со сжиженным природным газом (СПГ)
СПГ, без сомнения, может приводить в движение транспортные средства. Однако в случае потребительских легковых автомобилей по цене большего веса, более низкого запаса хода, длительного времени заправки, а также более низкой грузоподъемности, значительно большей стоимости автомобиля и крупных доработок и инвестиций, необходимых для инфраструктуры заправки. Переход легковых автомобилей на СПГ почти в 30-40 раз дороже, чем на метанол. Единственный коммерчески доступный легковой автомобиль на базе СПГ - Honda Civic GX продается на $7500 дороже аналогично оснащенного бензинового Civic. Станции заправки СПГ стоят примерно вдвое дороже, чем жидкие заправочные станции.
Метанол по сравнению с этанолом
Этанол сравним с метанолом по своим потребительским транспортным рабочим характеристикам, но нет никакого проверенного процесса превращения газа в этанол, сопоставимого по эффективности с превращением газа в метанол. И общественный энтузиазм, и государственные субсидии на производство этанола на базе кукурузы иссякают.
Компания Celanese объявила о технологии, которая обещает эффективность превращения газа в этанол, сравнимую с существующими технологиями превращения газа в метанол. Но она остается непроверенной в коммерческих масштабах, являясь запатентованной технологией. Между тем высокоэффективная технология превращения газа в метанол доступна у нескольких поставщиков и прошла многолетнюю проверку в коммерческих масштабах.
Метанол по сравнению с традиционными видами моторного топлива
Остается вопрос, способен ли метанол конкурировать с традиционными видами бензинового и дизельного топлива. В нынешних условиях ответом будет безоговорочное "да". Современный интерес к метанолу начался в 1976 году - в качестве замены свинца как октаноповышающей присадки. Один из результатов - Калифорнийская программа автомобилей на базе метанола M85 (85% метанола, 15% добавки, как правило, бензина), которая проходила с 1982 по 2005 год. Вначале это были специализированные транспортные средства на базе метанола (не многотопливные), охватывающие весь ряд от легковых автомобилей до микроавтобусов и автобусов.
Проводились тщательное обслуживание и записи как по транспортным средствам на базе метанола, так и по контрольной группе бензиновых автомобилей. Пробег на метаноле оказался ниже, но характеристики выбросов у транспортных средств на метаноле были на том же уровне или даже лучше.
Метаноловые выбросы оказались менее благоприятны в отношении образования озона. Ускорение транспортных средств на базе метанола от 0 до 100 км/ч происходило почти на одну секунду быстрее, чем у бензиновых транспортных средств, что было значительным улучшением.
Программа была прекращена в 2005 году. Некоторые ссылаются на прекращение Калифорнийской программы как доказательство непригодности метанола в качестве моторного топлива, но на самом деле владельцы транспортных средств были удовлетворены работой своих автомобилей. Их главным возражением был недостаток заправочных станций - на территории всего государства их было установлено только 100. В результате в 1992 году программа переключилась на транспортные средства на базе топлива M85. Без сомнения, было трудно поддержать программу в период, когда цены на нефть шли на убыль или были низкими. Возможно, отсутствие метанола в естественной среде, в отличие от этанола на базе кукурузы, было самым значительным фактором. В 1989 году Агентство по охране окружающей среды EPA поставило метанол в невыгодное положение, отказавшись от требований в отношении выбросов паров этанола, но не метанола. Никаких обоснований этой акции нет.
Технически до 15% метанола можно использовать в бензине без каких-либо модификаций и до 100% при ориентировочной стоимости всего $210 за новые многотопливные автомобили (хотя, как уже упоминалось, то же самое можно делать с гораздо меньшими затратами). Эти скромные затраты, по всей вероятности, были бы незначительными при массовом производстве транспортных средств на базе метанола. Поскольку метанол является жидкостью, как и используемые в настоящее время виды топлива, существующую заправочную инфраструктуру можно преобразовать в метанольную с небольшими модификациями. Новые метаноловые автозаправочные станции, вероятно, будут лишь на толику дороже, чем традиционные.
Хотя данная статья сфокусирована на легковых автомобилях, где метанол явно превалирует над альтернативами, и, по крайней мере, способен конкурировать с традиционными видами топлива, отметим предложения по замене тяжелых дизельных двигателей метаноловыми двигателями внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Исключительно высокое октановое число метанола могло бы двигатели эквивалентного выхода при половине рабочего объема сегодняшних дизельных "бегемотов" привести к экономии в весе и повышению эффективности на дорогах от 4 до 9%.
США и Китай
США в данный момент наращивают производство метанола. Со времени резкого роста цен на природный газ в 2000-х годах американская промышленность метанола когда-то мирового класса в настоящее время импортирует около 80% внутреннего спроса. Но теперь, при самых низких ценах на природный газ за пределами Ближнего Востока, США вновь станут основным производителем метанола. Два завода были запущены вновь, один переместился из Чили, и один крупный потребитель метанола объявил о строительстве нового завода.
К 2015 году США приблизятся к возможности обеспечивать свой собственный спрос. Другие заявления о новых заводах, скорее всего, будут сделаны в ближайшие месяцы, что может привести к тому, что США вновь смогут производить метанол на экспорт.
В то время как США терпят фиаско с этанолом на базе кукурузы, Китай движется вперед быстрыми темпами в производстве метанолового моторного топлива. Доступны метаноловые смеси от M5 до M100, M15 из них наиболее популярная. В 2007 году насчитывалось 770 метаноловых автозаправочных станций; текущие показатели, вероятно, во много раз превышают это число. Рост обеспечен малыми и региональными компаниями - PetroChina и Sinopec не проявляют большого интереса ввиду избытка у них перерабатывающих мощностей. Но фактические объемы, по всей вероятности, намного превышают официальный спрос на метанольное моторное топливо, поскольку экономика топливных метаноловых смесей является очень привлекательной. Общеизвестно, что свободный рынок в Китае является живым и здоровым. Плохо, что в США метанол загнан в угол из-за пристрастия к этанолу и возведения преград перед ним. Несмотря на достаточно прохладное отношение, а, возможно, и неприятие со стороны местных крупных компаний, в Китае, наиболее быстро растущем рынке моторных топлив в мире, были внедрены стандарты M15 и M85.
Другие преимущества. Будущее
Каков потенциал того, что метанол, получаемый из природного газа, нанесет существенный удар по американскому импорту жидких углеводородов? Отдавая 17% добываемого в текущее время природного газа на производство метанола, можно избавиться от 10% американского импорта жидкостей. Это потребовало бы строительство 43 метаноловых заводов на сумму около $53 млрд. Бюджет капиталовложений США в перерабатывающую промышленность за период 2005-2010 годов составил порядка $53 млрд. Но в отличие от транспортных средств на базе возобновляемых источников энергии или СПГ, при нынешних ценах на бензин, метанол и природный газ нет необходимости обращаться за субсидиями, и заводы могут окупиться за период от 3 до 5 лет, продолжая получать прекрасную прибыль за предполагаемый 30-летний срок своей службы. И это без учета всех сопутствующих расходов, связанных с нефтедобычей на Ближнем Востоке.
Метаноловое моторное топливо, получаемое из природного газа, - это наше настоящее, а в перспективе могут быть и другие варианты. Метанол в основном производится из природного газа, но его можно получать и из биомассы - значительно эффективнее, чем этанол. Выбросы в эквиваленте углекислого газа для производства метанола из биомассы оцениваются в одну десятую кукурузного этанола. Транспортные средства на базе топливных элементов в последнее время стали рассматриваться как спасители рынка моторных топлив.
Широко известно, что самой большой проблемой автомобилей на базе топливных элементов является очень сложный и трудный переход к инфраструктуре водородной заправки. Но метанол является прекрасным носителем энергии для топливных элементов, и инфраструктуру для заправки им намного легче организовать. Будущее топливных элементов, возможно, не так далеко, но получение метанола из природного газа сегодня уже существует.
Метанол как топливо в двигателях внутреннего сгорания (ДВС)
В отличие от бензина, который является сложной смесью различных углеводородов, содержащей некоторые добавки, метанол - простое химическое соединение. По энергосодержанию он в два раза уступает бензину. Это означает, что 2 л метанола содержат такое же количество энергии, как 1 л бензина. Однако, хотя метанол содержит меньше энергии, чем бензин, его октановое число (100) выше, чем у бензина. Данное число представляет собой среднее из октановых характеристик, полученных по исследовательскому (107) и моторному (92) методам. Это означает, что горючую смесь перед воспламенением можно сжать до меньшего объема. Это позволяет двигателю работать при более высокой степени сжатия (10- 11)/1 [по сравнению с (8-9)/1 для бензинового двигателя] и таким образом повысить эффективность по сравнению с бензиновым двигателем. Эффективность также увеличена за счет повышения «скорости распространения пламени», которая обеспечивает более быстрое и более полное сгорание топлива в цилиндрах. Опираясь на эти факторы, можно объяснить, почему для двигателя одной и той же мощности не нужно брать в два раза больше метанола, чем бензина, хотя по энергетической плотности метанол в два раза хуже бензина. Это правило соблюдается даже и для тех двигателей, которые не были специально сконструированы под метанольное топливо, а представляют собой слегка модифицированные бензиновые двигатели. Тем не менее двигатели, разработанные под метанольное топливо, обеспечивают более значительную экономию топлива . Скрытая теплота испарения метанола приблизительно в 3,7 раза выше, чем у бензина, поэтому при переходе из жидкости в газообразное состояние метанол поглощает намного больше тепла. Это облегчает отвод тепла от двигателя и дает возможность использовать для охлаждения воздушные радиаторы вместо более тяжелых систем с водяными рубашками.
Можно ожидать, что в будущем равноценной заменой автомобилей с бензиновыми двигателями станут машины, спроектированные для работы на метаноле, оснащенные меньшим по размеру и более легким блоком цилиндров. Они будут отличаться более мягкими требованиями к системе охлаждения, лучшим ускорением и дальностью пробега . Кроме того, для транспортных средств, работающих на метаноле, характерна низкая концентрация выбросов в воздух таких загрязнителей, как углеводороды, NO x , S0 2 и твердые частицы.
Некоторые проблемы, вытекающие главным образом из особенностей химических и физических свойств метанола, пока еще ждут своего решения. Метанол, как, впрочем, и этанол, смешивается с водой в любых соотношениях. Он отличается большим дипольным моментом, а также высокой диэлектрической проницаемостью и поэтому является хорошим растворителем для соединений с ионными связями, такими как кислоты, основания, соли (все они усугубляют проблемы коррозии) и некоторые пластмассовые материалы. С другой стороны, надо иметь в виду, что бензин, как мы уже отмечали, представляет собой сложную смесь углеводородов, большинство из которых отличаются низким дипольным моментом, низкой диэлектрической проницаемостью и неспособностью смешиваться с водой. Поэтому бензин является хорошим растворителем для неполярных соединений, образующих ковалентные связи.
Можно с уверенностью сказать, что из-за различий в химических свойствах бензина и метанола некоторые материалы, используемые для заправки и хранения бензина, для изготовления устройств и соединительных элементов, зачастую окажутся неподходящими для работы с метанолом. Так, метанол может вызвать коррозию некоторых металлов, в число которых входит алюминий, цинк и магний, хотя он не действует на сталь или чугун . Метанол может также реагировать с некоторыми изделиями из пластмассы, покрышками и прокладками, в результате чего они размягчаются, вздуваются или становятся ломкими и разрушаются, что в конечном счете приводит к утечкам или нарушениям в работе. Поэтому, системы, спроектированные только для использования метанола, должны отличаться от систем, рассчитанных на работу с бензином, хотя разница в цене вряд ли будет заметна. Уже сейчас существуют некоторые виды масел и смазок для двигателей, которые совместимы с метанолом, но разработки этих материалов должны продолжаться.
При использовании чистого метанола могут возникнуть проблемы с запуском из холодного состояния, потому что в таком топливе отсутствуют легколетучие соединения (бутан, изобутан, пропан), которые содержатся в бензине и которые обеспечивают подачу легковоспламеняющихся паров в двигатель даже в самых холодных условиях . Эту проблему чаще всего решают путем добавления в метанол более летучих компонентов. Так, например, в транспортных средствах с гибкой топливной системой используется смесь М85, содержащая 15% бензина. Содержание паров в ней вполне достаточно для запуска двигателя даже в самых холодных климатических условиях. Другой вариант предусматривает создание дополнительного устройства для испарения или распыления метанола на мельчайшие капельки, которые легче воспламеняются. Технические проблемы всегда возникают при разработке любых новых технологий. Однако технические трудности, стоящие на пути внедрения метанола в качестве компонента топливных смесей или заменителя бензина в транспортных средствах с ДВС, относятся к числу достаточно легко решаемых проблем и, более того, для большинства проблем решения уже найдены.
Высокие антидетонационные свойства метанола в сочетании с возможностью его производства из ненефтяного сырья позволяют рассматривать этот продукт в качестве перспективного высокооктанового компонента автомобильных бензинов. Оптимальная добавка метанола — от 5 до 20%; при таких концентрациях бензино-спиртовая смесь характеризуется удовлетворительными эксплуатационными свойствами и дает заметный экономический эффект. Добавка метанола снижает теплоту сгорания топлива и стехиометрический коэффициент при незначительных изменениях теплоты сгорания смеси.
Вследствие изменения стехиометрических характеристик использование 15%-й добавки метанола (смесь М15) в стан¬дартной 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 КПД двигателя и его мощность, однако топливная экономичность при этом ухудшается. По данным, полученным на одноцилиндровой установке, при е=8,6 и n=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%.
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 улуч¬шению токсических характеристик автомобиля. Например, в исследованиях, выполненных на группе из 14 автомобилей с пробегом от 5 до 120 тыс. км, добавка 10% метанола изменяла выброс углеводородов как в сторону повышения на 41%, так и уменьшения на 26%, что в среднем составило 1% увеличе¬ния. Выбросы СО и NOx при этом уменьшились в среднем соответственно на 38 и 8% для всей группы автомобилей.
Одной из наиболее серьезных проблем, затрудняющих применение добавок метанола, является низкая стабильность бензино-метанольных смесей и особенно чувствительность их к воде. Различие плотности бензина и метанола и высокая раство¬римость последнего в воде приводят к тому, что попадание даже небольших количеств воды в смесь ведет к ее немедленному 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 бензино-метанольных смесях:
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, 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 наcыщенных паров (38°С) 55—110 кПа, 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 в 1980г. 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 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.
В ряде стран в качестве добавки, расширяющей ресурсы высокооктановых бензинов, используют метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ). Антидетонационная эффективность его по сравнению с алкилбензином в 3—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 сгорания 35,2 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-92 с 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.
5. Нахождение в природе
6. Здравоохранение
7.
При применении метанола в качестве топлива следует отметить, что объемная и массовая энергоемкость метанола на 40-50 % меньше, чем бензина, однако при этом теплопроизводительность спиртовоздушных и бензиновых топливовоздушных смесей при их сгорании в двигателе различается незначительно по той причине, что высокое значение теплоты испарения метанола способствует улучшению наполнения цилиндров двигателя и снижению его теплонапряженности, что приводит к повышению полноты сгорания спиртовоздушной смеси. В результате этого рост мощности двигателя повышается на 10-15 %. Двигатели гоночных автомобилей работающих на метаноле с более высоким октановым числом чем бензин имеют степень сжатия, превышающую 15:1, в то время как в обычном ДВС с искровым зажиганием степень сжатия для неэтилированного бензина как правило, не превышает 11.5:1. Метанол может использоваться как в классических двигателях внутреннего сгорания, так и в специальных топливных элементах для получения электричества.
Недостатки:
- метанол травит алюминий. Проблемным является использование алюминиевых карбюраторов и инжекторных систем подачи топлива в ДВС.
- гидрофильность. Метанол втягивает воду, что является причиной засорения систем подачи топлива в виде желеобразных ядовитых отложений.
- метанол , как и этанол, повышает пропускную способность пластмассовых испарений для некоторых пластмасс. Эта особенность метанола повышает риск увеличения эмиссии летучих органических веществ, что может привести к уменьшению концентрации озона и усилению солнечной радиации.
- уменьшенная летучесть при холодной погоде: Моторы, работающие на метаноле, могут иметь проблемы с запуском и отличаться повышенным расходом топлива до достижения рабочей температуры.
Низкий уровень примесей метанола может быть использован в топливе существующих транспортных средств с использованием надлежащих ингибиторов коррозии. Т. н. европейская директива качества топлива позволяет использовать до 3 % метанола с равным количеством присадок в бензине, продаваемoм в Европе. Сегодня в Китае используется более 1000 миллионов галлонов метанола в год в качестве транспортного топлива в смесях низкого уровня, используемых в существующих транспортных средств, а также высоко- уровневые смеси в транспортных средствах, предназначенных для использования метанола в качестве топлива. Помимо применения метанола в качестве альтернативы бензина существует технология применения метанола для создания на его базе угольной суспензии которая в США имеет коммерческое наименование «метакол». Такое топливо предлагается как альтернатива мазута, широко используемого для отопления зданий. Такая суспензия в отличие от водоуглеродного топлива не требует специальных котлов и имеет более высокую энергоемкость. С экологической точки зрения такое топливо имеет меньший «углеродный след», чем традиционные варианты синтетического топлива получаемого из угля с использованием процессов, где часть угля сжигается во время производства жидкого топлива.
