Топлива с не нефтяными добавками

Топлива с не нефтяными 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 бензинометанольных
смесей. Оптимальная добавка метанола –от 5 до 20%; при таких концентрациях бензиноспиртовая
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 157о-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 бензинометанольных 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.
собенности эксплуатационных свойств метанола проявляются и при его использовании в смеси с
бензином. Возрастают, например, эффективный к. п. 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. п. д. 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 улучшению токсических
характеристик автомобиля. Например, в исследованиях, выполненных на группе из 14 автомобилей с
пробегом от 5 до 120 тыс. 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
N0; при этом уменьшились в среднем соответственно на 38 и 8% для всей группы автомобилей .
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 . 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 бензинометанольных 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 немедленному расслоению и
осаждению воднометанольной 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 бензинометанольных смесях:
Для стабилизации бензинометанольных смесей используют присадки – пропанол, изопропанол,
изобутанол и другие спирты. При содержании воды 600 млн' 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 . На рис. 4.12 показаны зависимости минимальной
температуры расслоения бензинометанольных смесей от концентрации в них метанола для
стабилизаторов – смеси спиртов с различным соотношением компонентов С4 : Сз : Сг. 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 метанолу.
Рис. 4.12. Изменение температуры расслоения бензино-метанольной смеси I от содержания
метанола ССH3OH при концентрации 9% стабилизатора:
1–4 – содержание воды 0,001, 0,30, 0,50 н 1,0% соответственно; С4 : С3 : С2 – отношение
спиртов в стабилизаторе
В нашей стране разработаны две марки бензино-метанольной 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 метанольных 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 А5ТМ, разработанному
национальной комиссией по спиртовым топливам США, газохол с 10% этанола характеризуется
следующими показателями; плотность 730–760 кг/м\ 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 (–40°С) 0,6 мм/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 и смесь необходимо ввести стабилизаторы, в качестве которых
используют пропанол, вторпропанол, изобутанол и др. Так, добавка 2,5–3,0% изобутанола
обеспечивает устойчивость смеси этанола, содержащего 5% воды, с бензином при температуре до –20
°С.
(США) были изучены эксплуатационные свойства газохола . 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 газохоле 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 газохола утяжелялись,
что вело к переполнению поплавковой камеры карбюратора. При испытаниях по городскому циклу для
грузовых автомобилей расход газохола 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 газохоле
и бензине почти одинаковы, за исключением некоторого увеличения содержания меди;
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 «Уо1к8\уаёеп» для дизельных двигателей предложена смесь, содержащая 70% дизельного
топлива, 25% этанола и 5% стабилизатора марки МА, 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, введе-нием 0,25%
натриевой соли дибутилового эфира сульфоянтарной кислоты . Могут также использоваться добавки
бутанола в соотношении к метанолу не менее 2:1, что, однако, значительно удорожает топливо.
Наибольшее распространение получили топливные смеси газохол. 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. . В США на 1000 колонках в 20 штатах автомобили
заправляются газохолом, содержащим 10–20% этанола. Доля этанолсодержащих топлив от общего
потребления автомобильных топлив к 1990 г. составит в Бразилии 40–50% и США – 10%
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 . Для работы на смеси М15 было переоборудовано 850
автомобилей, на смеси МЮО–120 автомобилей и 100 автомобилей на дизельном топливе с добавкой
метанола. Смесь МЮО 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.
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 топлнвораздаточных колонок
имеются мембранные отсечные устройства. В целом правила эксплуатации на топливах М15 и МЮО
не отличаются от правил эксплуатации на этилированных бензинах. При эксплуатации автомобилей
отрицательного воздействия на здоровье водителей не отмечалось, а некоторые жалобы носили
субъективный характер .
В последнее время расширяются опыты по использованию метанола и его добавок в дизельных
двигателях. Так, с 1981 г. несколько городских автобусов фирмы 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 ,оснащенных двигателями , 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 .
В ряде стран в качестве добавки, расширяющей ресурсы высокооктановых бензинов, используют третбутилметиловый 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/м\ 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). Наибольпую антидетонационную эффективность эфир проявляет в
составе бензинов прямой перегонки и каталитического риформинга обычного режима (рис. 4.13) .
Рис. 4.13. Изменение октанового числа автомобильных бензинов (о. ч.) в зависимости от
концентрации трет-бутилметилового эфира:
1 –каталитический риформииг жесткого режима; 2 – каталитический крекинг; 3 – каталитический
риформинг; 4 – прямая перегонка; -5 –исследовательский метод;
-----моторный метод
Рис. 4.14. Скоростные характеристики двигателя ВАЗ-2101 при работе на товарном бензине АИ93 (-) и бензине с трет-бутилметиловым эфиром (---)
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 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 (рис. 4.14). Изменений и
нарушений в состоянии и работе систем двигателя при использовании бензинов с эфиром не
наблюдается.