Високі антидетонаційні властивості метанолу в поєднанні з можливістю його виробництва з ненафтового сировини дозволяють розглядати цей продукт в якості перспективного високооктанового компонента автомобільних бензинів. Оптимальна добавка метанолу - від 5 до 20%; при таких концентраціях бензино-спиртова суміш характеризується задовільними експлуатаційними властивостями і дає помітний економічний ефект. Добавка метанолу знижує теплоту згоряння палива і стехиометрический коефіцієнт при незначних змінах теплоти згорання суміші.

Внаслідок зміни стехиометрических характеристик використання 15% -й добавки метанолу (суміш М15) в стан¬дартной системі харчування веде до збіднення паливоповітряної суміші приблизно на 7%. У той же час при введенні метанолу підвищується октанове число палива (в середньому на 3-8 одиниць для 15% -й добавки), що дозволяє компенсувати погіршення енергетичних показників за рахунок підвищення ступеня стиснення. Одночасно метанол покращує процес згорання палива завдяки освіті радикалів, які активізують ланцюгові реакції окислення. Дослідження горіння бензино-метанольних сумішей в одноциліндрових двигунах зі стандартною і пошаровим системами сумішоутворення показали, що добавка метанолу скорочує період затримки запалення і тривалість згоряння палива. При цьому тепловідвід із зони реакції знижується, а межа збіднення суміші розширюється і стає максимальним для чистого метанолу.

Особливості експлуатаційних властивостей метанолу проявляються і при його використанні в суміші з бензином. Зростають, наприклад, ефективний ККД двигуна і його потужність, однак паливна економічність при цьому погіршується. За даними, отриманим на одноциліндровою установці, при е = 8,6 і n = 2000 хв-1 для суміші М20 (20% метанолу) в області до = 1, 0-1, 3 ефективний ККД підвищується приблизно на 3%, потужність - на 3-4%, а витрата палива збільшується на 8-10%.

Для холодного запуску двигуна при високому вмісті метанолу в паливній суміші або знижених температурах використовують електропідігрів повітря або паливо-повітряної суміші, часткову рециркуляцію гарячих відпрацьованих газів, добавки до палива летючих компонентів і інші заходи.

Добавки метанолу до бензину в цілому сприяють улуч¬шенію токсичних характеристик автомобіля. Наприклад, в дослідженнях, виконаних на групі з 14 автомобілів з пробігом від 5 до 120 тис. Км, добавка 10% метанолу змінювала викид вуглеводнів як у бік підвищення на 41%, так і зменшення на 26%, що в середньому склало 1% збільшен ¬нія. Викиди СО і NOx при цьому зменшилися в середньому відповідно на 38 і 8% для всієї групи автомобілів.

Однією з найбільш серйозних проблем, що ускладнюють застосування добавок метанолу, є низька стабільність бензино-метанольних сумішей і особливо чутливість їх до води. Різниця щільності бензину і метанолу та висока раство¬рімость останнього в воді призводять до того, що потрапляння навіть невеликої кількості води в суміш веде до її негайного розшарування і осадження водно-метанольной фази. Схильність до розшарування посилюється зі зниженням температури, збільшенням концентрації води і зменшенням вмісту ароматичних сполук в бензині. Наприклад, при вмісті від 0,2 до 1,0% (об.) Води в паливній суміші температура розшаровування підвищується від -20 до + 10 ° С, т. Е. Така суміш практично непридатна для експлуатації. Нижче наведені граничні концентрації води СКР в різних бензино-метанольних сумішах:

Для стабілізації бензино-метанольних сумішей використовують присадки - пропанол, ізопропанол, ізобутанол та інші спирти. При вмісті води 600 млн-1 помутніння звичайної суміші М15 починається вже при -9 ° С, при -17 ° С - суміш розшаровується, а при -20 ° С настає практично повна дестабілізація. Добавка 1% ізопропанолу знижує температуру розшарування майже на 10 ° С, а добавка 25% -зберігає стабільність сумішей М15 навіть з низьким вмістом ароматичних сполук в бензині практично до -40 ° С в широкому діапазоні вмісту води.

У зв'язку з високою вартістю і обмеженістю виробництва стабілізаторів бензино-метанольних сумішей запропоновано використовувати суміш спиртів, головним чином ізобутанолу, пропанола і етанолу. Така стабілізуюча присадка може бути отримана в єдиному технологічному циклі спільного виробництва метанолу та вищих спиртів. Добавка навіть невеликих кількостей метанолу змінює фракційний склад палива. В результаті посилюється схильність до утворення парових пробок в паливоподаючі магістралях, хоча при чистому метанолі це практично виключається через його високої теплоти пароутворення. Згідно з розрахунками, для 10% -й суміші метанолу з бензином утворення парових пробок можливо при температурах навколишнього повітря на 8-11 ° С нижче, ніж для базового палива. Коригування фракційного складу базового палива можлива шляхом зниження вмісту легких компонентів з урахуванням подальшої добавки метанолу.

Корозійна активність бензино-метанольних сумішей значно нижче, ніж у чистого метанолу, проте в ряді випадків істотна і сильно залежить від присутності води. Наприклад, в сумішах з вмістом 10-15% метанолу сталь, латунь і мідь кородують, алюміній же кородує повільно зі зміною кольору.

За кордоном в карбюраторних двигунах практичне застосування отримали суміші 10-20% етанолу з нафтовими бензинами, що отримали назву «газохол». Відповідно до стандарту ASTM, розробленим Національною комісією з спиртовим палив США, газохол з 10% етанолу характеризується наступними показниками: щільність 730-760 кг / м3, температурні межі википання 25-210 ° С, теплота згоряння 41,9 МДж / кг, теплота випаровування 465 кДж / кг, тиск наcищенних парів (38 ° С) 55-110 кПа, в'язкість (-40 ° С) 0,6 мм 2 / c, стехиометрический коефіцієнт 14. Таким чином, за більшістю показників газохол відповідає автомобільних бензинів.

При використанні обводненного етанолу в умовах знижених температур навколишнього середовища для запобігання розшарування в суміш необхідно вводити стабілізатори, в якості яких використовують пропанол, втор-пропанол, ізобутанол та ін. Так, добавка 2,5-3,0% ізобутанолу забезпечує стійкість суміші етанолу, що містить 5% води, з бензином при температурі до -20 ° с.

Найбільшого поширення газохол в Бразилії, де з 1975 р здійснюється урядова програма використання поновлюваних джерел рослинної сировини для виробництва етанолу та його вживання в якості автомобільного палива. Число автомобілів, що працюють в цій країні на етанолі і газохол, становило в 1980р. 2411 і 775 тис. Шт. відповідно. До 2000 р з прогнозованого парку легкових автомобілів Бразилії в 19-24 млн. Од. на спиртових паливах має експлуатуватися від 11 до 14 млн .. У США на 1000 колонках в 20 штатах автомобілі заправляються газохол, що містить 10-20% етанолу.

У країнах Європи з обмеженими можливостями виробництва етанолу та його високою вартістю більший інтерес проявляється до використання добавок метанолу. Найбільше використання метанолу в якості моторного палива і його компонентів отримало в ФРН. В рамках трирічної федеральної програми досліджень альтернативних джерел енергії в період 1979-1982 рр. в ФРН експлуатувалися понад 1000 автомобілів на альтернативних паливах, переважно метанолі і бензино-метанольних сумішах. Для роботи на суміші М15 було переобладнано 850 автомобілів, на суміші М100-120 автомобілів і 100 автомобілів на дизельному паливі з добавкою метанолу. Суміш М100 на 95% складається з метанолу, в інші 5% входять легкі бензинові фракції (частіше ізопентан), необхідні для полегшення пуску двигуна. Для зимової експлуатації зміст бензинових фракцій збільшується до 8-9%, при цьому вміст води в суміші допускається не більше 1%.

В суміші М15 з 85% бензинових фракцій міститься не менше 45% ароматичних вуглеводнів; зміст тетраетилсвинцю в суміші не перевищує 0,15 г / кг, а води - в межах 0,10% (практично 0,05-0,06%). Суміш М15 містить також антикорозійні присадки.

У ряді країн в якості добавки, що розширює ресурси високооктанових бензинів, використовують метил-трет-бутиловий ефір (МТБЕ). Антидетонаційна ефективність його в порівнянні з алкілбензин в 3-4 рази вище, завдяки чому за допомогою ефіру можна отримати широкий асортимент неетилованих високооктанових бензинів. Метил-трет-бутиловий ефір характеризується наступними показниками: щільність 740 - 750 кг / м3, температура кипіння 48 - 55 ° С, тиск насичених парів (25 ° С) 32,2 кПа, теплота згоряння 35,2 МДж / кг, октанове число 95-110 (моторний метод) і 115-135 (дослідницький метод). Найбільшу антидетонаційну ефективність ефір проявляє в складі бензинів прямої перегонки і каталітичного риформінгу звичайного режиму.

Вітчизняні бензини А-76 і Аі-92 з добавками 8 і 11% метил-трет-бутилового ефіру відповідно задовольняють вимогам ГОСТ 2084-77 за всіма показниками і за комплексом методів кваліфікаційної оцінки показали кращі експлуатаційні властивості. Бензини з добавками ефіру характеризуються хорошими пусковими якостями і при знижених оборотах двигуна мають більш високі фактичні октанові числа в порівнянні з товарними бензинами.

Паливна економічність і показники потужності двигуна при роботі на бензинах з ефіром знаходяться на рівні товарного бензину. Токсичність відпрацьованих газів при цьому дещо знижується, в основному за рахунок зменшення викидів оксиду вуглецю. Змін і порушень в стані і роботі систем двигуна при використанні бензинів з ефіром не спостерігається.

Більш екологічним видом моторного палива міг би стати метиловий спирт. У цій області вже є прецеденти.

Так, на початку 90-х рр. в Стокгольмі проводився експеримент з випробувань цього виду палива на громадському транспорті. Собівартість метанолу менше ніж бензину, а він вимагає мінімальної переналагодження бензинових двигунів (проводиться каталітичним методом з природного газу). Цей вид моторного палива міг би розглядатися з економічної точки зору як вельми перспективний. Екологічний ефект його застосування вимагає уточнення, хоча в ході експерименту в Стокгольмі спостерігалося зниження валового викиду шкідливих речовин майже в 5 разів.

Суттєвою перешкодою до широкого використання метанолу в Росії є висока гігроскопічність метанолу і труднощі з запуском двигуна в холодну пору року. Критики метанолу аргументують свою позицію тим, що при перетворенні природного газу в метанол звільняється така ж кількість вуглекислого газу, як і при згорянні бензину.

Технологія автомобільних силових установок з метанолом досить відома і відпрацьована. Перше широко поширене метано-ловое паливо - це бензин М85 - (суміш 85% метанолу і 15% бензину). Чистий метанол створює проблеми при холодному пуску двигуна, тому додається 15% бензину для підвищення летючості палива і легкості пуску. Паливо М-85 має октанове число 100 (у бензину - 87-95). Більш високе октанове число забезпечує плавне згоряння при більш високого ступеня стиснення, ніж в карбюраторних двигунах (баз детонаційних ударів). Більш висока ступінь стиснення дозволяє отримати ефективну конструкцію двигуна, в якій можна оптимізувати витрати енергії. Не випадково протягом ряду років на гоночних автомобілях застосовується чистий метанол з октановим числом -ПО. Метанол забезпечує також більш високу швидкість поширення фронту полум'я, ніж бензин, що підвищує оборотність двигуна і покращує його ефективність.

Крім того, володіючи більш високою температурою випаровування, метанол дозволяє двигуну охолоджуватися швидше, завдяки чому звичайний радіатор рідинного охолодження може бути замінений на повітряний, що дає економію маси.

В як проміжна ланка при вирішенні питання заміни палива можна розглядати кислородсодержащие добавки до бензину. Хоча вони дещо знижують теплотворну здатність палива, але це компенсується підвищенням октанового числа і зменшенням викиду в навколишнє середовище шкідливих речовин. До числа таких добавок відносяться метанол (метиловий спирт СН3ОН) і метил-трет-бутиловий ефір (МТБЕ - СН3ОС (СН 3) 3). Завдяки впровадженню кисневмісних добавок в США обсяг реалізації свинець-яке містить бензину знизився з 45% в 1983 р до 5% в 1990 році.

У будь-якій сучасній машині можна без всяких переробок використовувати суміш з 90% бензину і 10% метилового спирту - так званий газохол, який не поступається високоякісному етилованого бензину, при менших обсягах викиду забруднюючих речовин.

Етанол. Паливо, отримане ферментацією різних сільськогосподарських культур. Через відносно високу вартість і переваг інших альтернативних палив етанол навряд чи стане широко застосовуватися в майбутньому.

Як і метанол, етанол має високе октанове число і може застосовуватися для підвищення продуктивності двигунів.
В останні 10 років етанол широко застосовується в США і використовується в якості 10% -ної добавки до бензину. У Бразилії застосовується етанол, вироблений з цукрового очерету. Він відомий під назвою Б-100 і потребує деяких добавках бензину при застосуванні в умовах більш холодного, ніж в Бразилії, клімату.

В майбутньому етанол, можливо, буде проводитися з води, якщо технологія забезпечить прийнятні витрати.

При застосуванні метанолу в якості палива слід зазначити, що об'ємна і масова енергоємність (теплота згоряння) метанолу (питома теплота згоряння = 22,7 МДж / кг) на 40-50% менше, ніж бензину, однак при цьому теплова спіртовоздушних і бензинових топлівовоздушних сумішей при їх згоранні в двигуні різниться незначно з тієї причини, що високе значення теплоти випаровування метанолу сприяє поліпшенню наповнення циліндрів двигуна і зниження його теплонапряженности, що призводить до підвищення повноти згоряння спіртовоздушной суміші. В результаті цього потужність двигуна підвищується 7-9%, а крутний момент на 10-15%. Двигуни гоночних автомобілів працюють на метанолі з вищим октановим числом ніж бензин мають ступінь стиснення, що перевищує 15: 1 [ Джерело не вказано 380 днів], В той час як в обичномДВС з іскровим запалюванням ступінь стиснення для неетильованого бензину як правило, не перевищує 11,5: 1. Метанол може використовуватися як в класичних двигунах внутрішнього згоряння, так і в спеціальних паливних елементах для отримання електрики.

Окремо слід відзначити збільшення індикаторного ККД при роботі класичного ДВС на метанолі в порівнянні з його роботою на бензині. Такий приріст викликаний зниженням теплових втрат і може досягати одиниць відсотків

недоліки

Метанол травіталюміній. Проблемним є використання алюмініевихкарбюраторовіінжекторних систем подачі топлівавДВС. Це відноситься в основному до метанолу-сирцю, який містить значні кількості домішок мурашиної кислоти і формальдегіду. Технічно чистий метанол, що містить воду, починає реагувати з алюмінієм при температурі вище 50 ° C, а зі звичайною вуглецевою сталлю не реагує зовсім.

Гідрофільність. Метанол втягіваетводу, що є причиною розшарування паливних сумішей бензин-метанол.

Метанол, як і етанол, підвищує пропускну здатність пластмасових випарів для деяких пластмас (наприклад, плотногополіетілена). Ця особливість метанолу підвищує ризик збільшення еміссіілетучіх органічних речовин, що може привести до зменшення концентрацііозонаі усіленіюсолнечной радіації.

Зменшена летючість при холодній погоді: мотори, що працюють на чистому метанолі, можуть мати проблеми з запуском при температурі нижче +10 ° C і відрізнятися підвищеною витратою палива до досягнення робочої температури. Дана проблема проте, легко вирішується додаванням в метанол 10-25% бензину.

Низький рівень домішок метанолу може бути використаний в паливі існуючих транспортних засобів з використанням належних інгібіторів корозії. Т. н. європейська директива якості палива (European Fuel Quality Directive) дозволяє використовувати до 3% метанолу з рівною кількістю присадок в бензині, продаваемoм в Європі. Сьогодні в Китаї використовується більше 1000 млн галлоновметанола в рік в якості транспортного палива в сумішах низького рівня, використовуваних в існуючих транспортних засобів, а також високорівневі суміші в транспортних засобах, призначених для використання метанолу в якості палива.

Крім застосування метанолу в якості альтернативи бензінасуществует технологія застосування метанолу для створення на його базеугольнойсуспензіі яка в США має комерційне найменування «Метакол» (methacoal). Таке паливо пропонується як альтернатива мазуту, широко використовуваного для опалення будівель (Топковий мазут). Такаясуспензіяв відміну отводоуглеродного топліване вимагає спеціальних котлів і має більш високу енергоємність. З екологічної точки зору таке паливо має менший «вуглецевий слід», ніж традиційні варіанти синтетичного топліваполучаемого з вугілля з використанням процесів, де частина вугілля спалюється під час виробництва рідкого палива.

Порівняння фізико-хімічних властивостей метанолу і бензинів

Метанол як моторне паливо має високу октанове число і низьку пожежонебезпека. На даний момент найбільшого поширення цей вид палива отримав в США. Вже багато років тут випускається найбільш поширена марка М-85 (85% суміш з бензином), а також М-100 (чистий метанол).

Питанням використання метанолу в якості палива в нашій країні приділяється підвищена увага ще з часів Л.А. Кастандова, який спеціально для вивчення цієї проблеми створив самостійний інститут «ГосНІІметанолпроект». Однак при використанні метанолу в якості палива виникає ряд проблем технічного характеру, пов'язаних з істотними відмінностями властивостей метанолу і бензинів.

Теплота згоряння метанолу в 2,24 рази менше, ніж у бензину. Метанол має більш високу приховану теплоту випаровування, низьку пружність пари, низьку температуру кипіння, підвищену гігроскопічність і підвищену схильність до утворення з деякими складовими бензину азеотропних сумішей, а також підвищену схильність до калильному спалюванню.

Крім цього, метанол має підвищеної корозійної агресивністю до металів і деяким пластмасам. Пари метанолу більш токсична парів бензину і викликають сильні отруєння при попаданні в організм людини, сліпоту і навіть летальний результат.

Таким чином, використання чистого метанолу в якості палива (паливо М-100) для двигунів внутрішнього згоряння вимагає суттєвої реконструкції двигуна транспортного засобу і обережності в поводженні.

Як позитивних властивостей метанолу можна вказати його високу детонаційну стійкість і більш високі швидкості згоряння топлівовоздушних сумішей. При цьому низька теплота згоряння не знижує потужних показників двигуна, так як їх визначальним фактором є не теплота згоряння палива, а теплота згоряння одиниці маси топлівообразующей суміші, яка у метаноловоздушних сумішей на 3-5% вище, ніж у бензинів. Варто сказати, що при цьому і метанолу потрібно в 2,3 рази більше.

Висока прихована теплота випаровування метанолу (в 3,66 рази вище, ніж у бензину) надає якісне вплив на процес сумішоутворення. В першу чергу, цей факт є причиною гірших пускових якостей холодного двигуна при низьких температурах. З іншого боку, це властивість метанолу веде до зменшення теплонапряженности деталей двигуна і збільшення вагового наповнення циліндрів свіжим зарядом, що сприяє збільшенню потужності двигуна.

Крім усього іншого, при використанні метанолу істотно нижче забруднення атмосфери, нижче нагарообразование на робочих поверхнях камери згоряння і менше закоксованность деталей циліндропоршневої групи.

Рівень викидів шкідливих речовин, при використанні в якості палива бензину, М-85 і М-100

Викиди, мг / км	бензин	M85	M100
ΣУглеводороди (THC)	161,59	111,87	124,30
CO	733,37	683,65	870,11
NOx	490,99	379,12	285,89
бензол	7,79	4,38	0,32
толуол	33,66	8,66	2,11
1-3 бутадієн	0,19-0,50	0,44	2,05
формальдегід	4,78	13,87	21,76
ацетальдегід	0,94	10,02	0,27

Для використання метанолу в якості палива необхідно, щоб ціни на нього були прийнятні. Зараз на внутрішньому і світовому ринку спостерігаються вкрай високі ціни на метанол. Це не сприяє широкому його застосуванню в цій області.

5. Знаходження в природі
6. Охорона здоров'я
7.

При застосуванні метанолу в якості палива слід зазначити, що об'ємна і масова енергоємність метанолу на 40-50% менше, ніж бензину, однак при цьому теплова спіртовоздушних і бензинових топлівовоздушних сумішей при їх згоранні в двигуні різниться незначно з тієї причини, що високе значення теплоти випаровування метанолу сприяє поліпшенню наповнення циліндрів двигуна і зниження його теплонапряженности, що призводить до підвищення повноти згоряння спіртовоздушной суміші. В результаті цього зростання потужності двигуна підвищується на 10-15%. Двигуни гоночних автомобілів працюють на метанолі з вищим октановим числом ніж бензин мають ступінь стиснення, що перевищує 15: 1, в той час як в звичайному ДВС з іскровим запалюванням ступінь стиснення для неетильованого бензину як правило, не перевищує 11.5: 1. метанолможе використовуватися як в класичних двигунах внутрішнього згоряння, так і в спеціальних паливних елементах для отримання електрики.

недоліки:

• метанолтруїть алюміній. Проблемним є використання алюмінієвих карбюраторів і інжекторних систем подачі палива в ДВС.
• гідрофільність. метанолвтягує воду, що є причиною засмічення систем подачі палива в вигляді желеподібних отруйних відкладень.
• метанол, Як і етанол, підвищує пропускну здатність пластмасових випарів для деяких пластмас. Ця особливість метанолу підвищує ризик збільшення емісії летких органічних речовин, що може привести до зменшення концентрації озону і посилення сонячної радіації.
• зменшена летючість при холодній погоді: Мотори, що працюють на метанолі, можуть мати проблеми з запуском і відрізнятися підвищеною витратою палива до досягнення робочої температури.

Низький рівень домішок метанолу може бути використаний в паливі існуючих транспортних засобів з використанням належних інгібіторів корозії. Т. н. європейська директива якості палива дозволяє використовувати до 3% метанолу з рівною кількістю присадок в бензині, продаваемoм в Європі. Сьогодні в Китаї використовується більше 1000 мільйонів галонів метанолу в рік в якості транспортного палива в сумішах низького рівня, використовуваних в існуючих транспортних засобів, а також високо рівневі суміші в транспортних засобах, призначених для використання метанолу в якості палива. Крім застосування метанолу в якості альтернативи бензину існує технологія застосування метанолу для створення на його базі вугільної суспензії яка в США має комерційне найменування «Метакол». Таке паливо пропонується як альтернатива мазуту, широко використовуваного для опалення будівель. Така суспензія на відміну від водоуглеродного палива не вимагає спеціальних котлів і має більш високу енергоємність. З екологічної точки зору таке паливо має менший «вуглецевий слід», ніж традиційні варіанти синтетичного палива одержуваного з вугілля з використанням процесів, де частина вугілля спалюється під час виробництва рідкого палива.