ПЕРСПЕКТИВНІ ВИДИ ПАЛИВА І МОЖЛИВОСТІ ЇХ ВИКОРИСТАННЯ

ПЕРСПЕКТИВНІ ВИДИ ПАЛИВА І МОЖЛИВОСТІ ЇХ ВИКОРИСТАННЯ

Важливим завданням дальшого розвитку автомобільного транспорту і БДМ є економія палива та зниження шкідливих викидів в атмосферу. Одним із перспективних шляхів у цьому відношенні вважається часткова або повна заміна традиційного нафтового палива іншими видами: синтетичними бензинами, спиртами, газовими конденсатами, метилтретиннобутиловим ефіром (МТБЕ), воднем і водопаливними емульсіями (ВПЕ). В одних випадках вирішення проблеми знаходиться на рівні дослідження (водень), в інших – на стадії успішних експериментів (спирти) або (як приклад, при доданні води до палива) на етапі тривалих наукових суперечностей за відсутності єдиної думки щодо впливу цих домішок на потужність, економічність, а також на кількість шкідливих речовин у відпрацьованих газах.

Склались окремі вимоги до перспективних видів палива: вони повинні мати такі фізико-технічні властивості, які не призводили б до корінної зміни конструкції двигуна, паливної апаратури й умов зберігання палива на борту машини, але забезпечувало б підвищення економічної ефективності роботи двигуна або економію бензину. Таким паливом є синтетичні бензини. Сировиною для їх виробництва є нафтові залишки і вугілля. На відміну від нафти та вугілля синтетичний бензин містить багато кисню (до 20 %), сірки, азоту і мінеральних речовин (золи). Тому процес переробки сировини зводиться не тільки до здобуття палива, а й до вилучення небажаних речовин. Це складне, але вирішуване завдання.

Процес проводиться у дві стадії: • спочатку вугілля або смолу розтирають з важкими оливами до утворення пасти, а потім гідрують під тиском 25. . . 70 МПа у присутності каталізатора – заліза; • одержаний нафтоподібний продукт переганяють, а фракції з температурою кипіння вище 325 °С знову піддають гідрогенізації (гідрогенізація – від лат. слова hydrogenium – водень). Цей процес має назву гідрування – приєднання водню до хімічних елементів під впливом каталізатора (металів, оксидів, сульфідів). Залежно від умови проведення процесу продуктами переробки можуть бути тільки бензин або бензин, дизельне паливо і мазут. Октанове число синтетичних бензинів дорівнює 69, 5, яке треба підвищувати. Крім того, виробництво 1 т синтетичного палива потребує 3. . . 6 т вугілля, через що це паливо поки що в 1, 5. . . 2 рази дорожче від бензину і не знайшло практичного застосування.

Метанол та етанол Останнім часом усе більшого значення набувають процеси синтезу рідкого штучного палива, яке за якістю наближається до палива нафтового походження із вугілля, природного газу, вапняку, побутових відходів місцевого господарства (метиловий спирт – метанол), цукрової тростини, буряка, зернових культур та інших продуктів (етиловий спирт – етанол). «Десять тисяч літрів моторного палива з гектара» – такий заголовок усе частіше можна побачити на сторінках зарубіжної преси. Із промислових синтетичних спиртів найцікавішим є метанол. Рівень його світового виробництва досяг 30 млн т. Як сировину використовують нафтові залишки, а найчастіше вугілля. Метиловий спирт одержують методом деструктивної гідрогенізації.

Промисловий синтез метилового спирту (метанолу) грунтується на тому, що оксид вуглеводню у присутності каталізатора (оксиду цинку і хрому) відновлюється воднем до метилового спирту (CO + 2 Н 2 = СН 3 ОН). Процес проходить при високій температурі (близько 450 °С) та тиску 20 МПа. Технологію відпрацьовано і вона не викликає ніяких труднощів. Метанол має такі переваги: можливість використання збіднених сумішей (а = 1, 05. . . 1, 1); суттєво зменшується у відпрацьованих газах уміст оксиду азоту (в 1, 5. . . 2 рази) і вуглеводню (в 1, 3. . . 1, 7 раза); оксиди вуглецю виділяють таку його кількість, як і при роботі на бензині.

Однак перехід, двигуна на метанол потребує деяких конструктивних змін паливної апаратури та самої машини. При цьому необхідно: • встановити обладнання, яке полегшило б пуск двигуна, особливо при негативних температурах; збільшити місткість паливного бака; замінити деякі матеріали системи через агресивність метанолу на більш стійкі; установити обладнання для підігрівання суміші, оскільки робота на метанолі пов'язана із значними переохолодженнями паливоповітряного тракту.

Ураховуючи зазначені недоліки, метанол в нашій країні рекомендують використовувати як домішку до бензину. В цьому разі досягаються такі позитивні результати: • відпадає необхідність внесення конструктивних змін у двигун і знову регулювати паливну апаратуру; • можна працювати на бензині з трохи меншим октановим числом та замінити етилований бензин на неетилований; • відпадає необхідність у стабілізаторі, оскільки при невеликій домішці суміш зберігає свою стабільність; • при доданні всього 3. . . 5 % метанолу забезпечується економія бензину на 2, 5 % при збереженні потужності, динамічних та економічних показників двигуна, а також рівня токсичності відпрацьованих газів.

Застосування бвнзометанольної суміші з доданням 15% метанолу і 7 % стабілізатора (ізобутилового спирту) дає змогу поліпшити економічні показники автомобіля на 6 %, потужність – на 3. . . 5 % та зменшити викид оксиду азоту на 30. . . 35 %, вуглеводню – на 20 %, одержавши економію бензину до 14 %. Експлуатаційні витрати при роботі двигуна на такій суміші збільшуються (до 10 %), а надійність практично не змінюється. Стійкий пуск холодного двигуна для суміші М 15 (так позначають бензин із 15 % домішкою метанолу) забезпечується при температурі повітря -26 °С. За нижчих температур рекомендується підігрівати повітря при застосуванні паливоповітряної суміші або додавати до палива легкі компоненти.

Крім того, в разі використання суміші треба збільшувати прохідні перерізи паливних жиклерів на 18. . . 20 % й оснащати систему живлення додатковим зливним трубопроводом. І ще одна проблема – розбухають манжети насосів прискорення, через що збільшується кількість їх відмов. Серйозні проблеми пов'язані з низькою стабільністю бензомета-нольних сумішей і чутливістю до води. Так, суміш стає практично непридатною для експлуатації навіть при збільшенні кількості води від 0, 2 до 1 %, оскільки температура розшарування суміші за наявності води зростає від -20 до 10 °С. Бензометанольні суміші стабілізують домішки присадок (гекса-нол, ізопропанол, ізобутанол). Таким чином, процес розшарування активізується в умовах знижених температур, збільшення концентрації води та зменшення кількості спиртових домішок.

Щоб уникнути застосування дорогих дефіцитних стабілізаторів, змішування метанолу з бензином можна здійснювати у відповідних пропорціях безпосередньо в змішувальній камері карбюратора. Для цього на автомобілі потрібно встановити спеціальний карбюратор-змішувач і додатковий бак для метанолу. Карбюратор дасть змогу одержати оптимальні економічні показники роботи двигуна. Крім того, роздільна подача палива виключає розшарування сумішей і полегшує пуск двигуна при низьких температурах. До серйозних та ще мало вивчених проблем, які виникають при використанні метанолу, належить його ядовитість. Вважається, що через високу леткість потрібні більш щільна герметизація паливоподавальної системи й уважне виконання техніки безпеки. Гранична концентрація парів метанолу становить 5 мг/м 3, яка значно вища ніж антидетонаторів (ТЕС, ТМС).

Аналогічні властивості має етиловий спирт (етанол). За кількома показниками він перевищує метанол і може застосовуватись у двигунах як у суміші з бензином, так і самостійно. У промислових масштабах етанол може бути здобутий з етилену через етил сірчаної кислоти, а останнім часом усе більшого значення набуває пряма гідротація етилену. Цей спосіб не потребує застосування сірчаної кислоти: суміш етилену та водяної пари пропускають під тиском 6, 5. . . 7, 5 МПа при температурі 280 °С над каталізатором й одержують етиловий спирт. Метанол та етанол можуть як домішка в кількості 15. . . 20 % застосовуватися в суміші з дизельним паливом. При доданні спирту значно знижується в'язкість палива і зменшується його густина, оскільки спирт має меншу питому вагу. Це сприяє кращому сумішоутворенню та горінню і, як наслідок, підвищенню потужності та поліпшенню пуску двигуна при низьких температурах. Суміші не зумовлюють корозію і зберігають чистою всмоктувальну систему дизеля. Однак застосування домішок у вигляді синтетичних спиртів поки обмежено через високу вартість спиртів та присадок, що стабілізують паливоспиртові суміші. Але метанол є сировиною для синтетичних бензинів.

Метилтретиннобутиловий ефір Цей продукт є одним із видів перспективного синтетичного палива. Його одержують при взаємодії метанолу з ізобутиленом у присутності каталізаторів. Порівняльну характеристику МТБЕ з іншими видами палива наведено в табл. 4. 1, з якої випливає, що він має порівняно високу антидетонаційну стійкість і у зв'язку з цим є перспективним компонентом автомобільних бензинів. МТБЕ практично нетоксичний і при доданні в бензин у кількості 15 % не погіршує його фракційний склад та стабільність.

Позитивні якості МТБЕ при доданні до бензину такі: можливим є здобуття неетилованих високооктанових сумішей, оскільки за антидетонаційною ефективністю МТБЕ значно перевершує всі марки бензинів (його октанове число за моторним методом – 100, а за дослідним – 117) і не має необхідності змінювати регулювання паливної апаратури; у МТБЕ висока теплотворна здатність (37 700 к. Дж/кг); домішка 10 % МТБЕ підвищує октанове число бензинів за дослідним методом на 2, 1. . . 5, 9 одиниць, а 20 % – на 4, 6. . . 12, 6 одиниць, що є ефективнішим, ніж використання метанолу; полегшується фракційний склад бензинів, при цьому знижується температура перегонки 50 % фракцій, завдяки чому поліпшуються пускові якості та прийомистість двигуна, хоча збільшується небезпечність створення парових пробок; трохи поліпшуються потужність та економічні показники двигуна в усьому діапазоні навантаження і частоти обертання колінчастого вала; знижується токсичність відпрацьованих газів приблизно на 10 % завдяки зменшенню вмісту оксиду вуглецю; зменшується витрата бензину на 3 %.

Газові конденсати – це рідкі вуглеводні, які знаходяться в підземних пластах під тиском 4, 9. . . 9, 8 МПа та температурі до 150 °С і конденсуються за нормальних умов із природних газів. Усі газові конденсати складаються в основному із нафтенових та парафінових вуглеводнів. Уміст ароматичних вуглеводнів невеликий. Газові конденсати різних місцезнаходжень істотно різняться. Тому рівень їхніх фізико-хімічних й експлуатаційних властивостей близький до дизельного палива. З 1 січня 1981 р. введено в дію ТУ 51 -28– 81 «Топливо газокон-денсатное широкофракционное для бьістроходньїх дизелей (ГКТ)» . Це паливо одержують з уренгойської нафти прямою перегонкою газового конденсату, а також компаундуванням фракцій газового конденсату з товарним дизельним паливом

Газоконденсатне паливо рекомендується при експлуатації дизелів у північних умовах при температурі повітря -45 °С і більше. Це паливо токсичне і вибухонебезпечне, шкідливо діє на центральну нервову систему, подразнює слизові оболонки очей та верхніх дихальних шляхів. Граничною концентрацією парів вуглеводнів у перерахунку на вуглець є 300 мг/м 3. Вибухонебезпечні суміші виникають при вмісті парів газоконденсатного палива у повітрі за об'ємом від 1, 4 до 8 %. Температура запалювання парів становить -5 °С, а самозапалювання -250. . . 370 °С. Цетанове число і густина газоконденсатного палива менші, ніж звичайного дизельного палива, що зумовлює велику затримку запалювання і зменшує його подачу. Якщо регулювання паливної апаратури не міняється, то це призводить до зменшення потужності дизеля приблизно на 7 % порівняно з дизельним паливом. При відповідному регулюванні паливної апаратури дизеля його потужність, а також ефективність та економічність показників роботи практично не змінюється, причому динамічні показники навіть кращі.

Водень До недавнього часу водень розглядався лише як потенційне ефективне паливо. Проте стан справи міняється буквально на очах. Постійно з'являються повідомлення про розробки експериментальних моделей автомобілів та інших транспортних засобів, що працюють на рідкому водні. Техніку поводження з ним можна вважати повністю відпрацьованою. На початку 80 -х років XX ст. під керуванням академіка В. С. Струминського був випробуваний дослідний автомобіль РАФ 2203, в кузові якого були встановлені баки з рідким воднем. Аналогічні випробування, включаючи створення дослідних зразків, здійснюються в нашій країні в Інституті проблем машинобудування в м. Харкові. Найбільш характерними властивостями водню є: теплотворна здатність водню дорівнює 118 045 к. Дж/кг і перевищує теплотворну здатність бензину в 2, 7 раза. Проте об'ємна енергоємність його низька через малу густину (водень – найлегший елемент, навіть у рідкому стані він у 14 разів легший за воду).

Швидкість горіння горючої суміші водню з повітрям у 6 разів перевищує швидкість згоряння бензиноповітряної суміші. Для спалювання 1 кг водню потрібно вдвічі більше повітря, ніж для спалювання дизельного палива, але він може моментально змішуватися з іншими газами і, зокрема, з повітрям. Суміш водень-повітря запалюється при вмісті водню від 4 до 74 % і горить при температурі понад 500 °С з утворенням пари дистильованої води. Відпрацьовані гази при роботі двигуна на водні не містять шкідливих домішок, за винятком оксидів азоту, яких дуже мало. Проте водень має дуже низький рівень запалювання. Ці властивості водню зумовлюють порушення нормального проходження робочого процесу: дострокове запалювання робочої суміші в циліндрах, жорстке її згоряння, виникнення детонації, спалахів у впускному трубопроводі. Незважаючи на зазначені недоліки водень є перспективним паливом загалом і для двигуна внутрішнього згоряння зокрема. Нині він цікавий як домішка до рідкого палива для його збагачення висококалорійним компонентом. При цьому двигун не потребує ніяких змін.

Установлено, що домішка водню залежить від режиму роботи двигуна. В режимі холостого ходу, малих і середніх навантажень для забезпечення оптимальних потужнісних та динамічних показників його потрібно близько 20. . . 25 %, а в режимі середнього і повного навантаження (на трасі) – значно менше. Тому бензиноводневі суміші найдоцільніше застосовувати на автомобілях інтенсивного міського руху. Установлено, що в режимі холостого на 100 км пробігу автомобіля замість 12, 2 кг бензину витрачається всього 5, 5 кг бензину та 1, 8 кг водню. Отже, 1, 8 кг водню замінює 6, 7 кг бензину, тобто економиться 50. . . 55 % бензину. Слід ураховувати, що ціна водневого палива не вища від ціни інших видів синтетичного палива. При цьому концентрація оксиду вуглецю у відпрацьованих газах знижується в 13 разів, оксидів азоту – в 5 разів, вуглеводнів на – 30 %.

Для комбінованого постачання бензиноводневої суміші, коли витрата водню невелика (близько 20 % основного палива), водень можна використовувати в стисненому стані. Включення і відключення подачі водню не спричинює труднощі і здійснюється за допомогою електромагнітного клапана. При використанні водню в чистому стані зберігати та застосовувати його доцільно в рідкому стані, але при цьому потрібна надійна теплоізоляція паливного бака, оскільки температура рідкого водню становить -253 °С. Тому для транспортування та зберігання водню слід використовувати кріогенні резервуари з подвійними стінками й ізоляцією між ними. Однак і рідкий водень займає в 3, 5 раза більший об'єм, ніж еквівалентна за енергією кількість бензину. Через це найперспективнішою формою застосування водню вважаються повторні енергоносії, наприклад металогідриди, здатні акумулювати в собі водень. У цьому разі розв'язується проблема безпеки експлуатації водневого палива й забезпечується допустимий енергозапас без необхідності створення високих тисків або кріогенних температур.

Виділення водню відбувається при підігріванні гідридів гарячою рідиною із системи охолодження або відпрацьованими газами. При цьому об'ємна енергоємність кращих гідридів наближається до рівня рідкого водню, у зв'язку з чим об'єм гідридного бака може бути меншим від об'єму кріогенного бака для рідкого водню, але сумарна маса бака з паливом порівнянна з сумарною масою рідководневих паливних баків. Гідридний акумулятор не потребує суттєвого догляду, швидко заряджається, собівартість його нижча, а термін експлуатації більший, ніж кислотних акумуляторних батарей. Тому вони можуть відмінно конкурувати зі звичайними автомобілями й електромобілями. З огляду перспектив застосування водневої енергетики в майбутньому на перший план виступають сировинні та економічні чинники. В цьому відношенні водень як енергоносій не має конкурентів. Сировинні ресурси для здобуття водню необмежені, а відповідні енер-говитрати у вільному стані можуть бути забезпечені використанням ядерної енергетики, у більш далекому майбутньому – термоядерного синтезу.

В екологічному відношенні застосування водню має перевагу, тому що теоретично небажані речовини мають бути відсутні, а практично вони є, що пов'язано зі згорянням моторної оливи (кількісно їх у десятки разів менше, ніж при роботі двигуна на бензині). Поки ще в значній кількості рідкий водень використовують для запуску американських космічних ракет і проведення експериментів в авіації. Однак недалеко той день, коли й наземний транспорт перейде на застосування цього ефективного та привабливого палива. Етапом до такого переходу буде масштабне використання метану. Звикнуть до баків-термосів, кріогенних ізольованих цистерн для перевезення цього виду палива. Кріогенні баки для перевезення метану через кілька десятиліть зійдуть із сцени, поступившись місцем своєму більш низькотемпературному спадкоємцю – рідкому водню. Однак це відбудеться лише тоді, коли буде істотно вдосконалений спосіб зберігання в такому стані, наприклад, гідридів деяких металів. Отже, широке використання водню як палива в близькому майбутньому важкодоступне не тільки через перелічені вище недоліки, а й через високу вартість його виробництва. Тільки за умови забезпечення енергетичної та економічної технології, коли витрати енергії на здобуття водню будуть компенсовані його енергетичним потенціалом і загальним економічним ефектом, це паливо займе чільне місце в загальному енергетичному балансі.

Вода як домішка до палива З метою економії бензину та більш раціонального використання низькооктанових бензинів останнім часом активно ведуться роботи щодо використання води як домішки до палива. Механізм дії води на робочий процес у двигунах внутрішнього згоряння вивчений не повністю, але вважається, що при доданні води збільшується октанове число палива, завдяки чому зростає потужність і поліпшується економічність роботи машини. На думку фахівців, ця дія зумовлюється в основному трьома чинниками: • охолодженням заряду робочої суміші; • охолодженням деталей камери згоряння; • дією водяної пари як інертного середовища, що регулює процес згоряння суміші. Деякі фахівці вважають, що вода виступає не тільки в ролі каталізатора, а й бере безпосередньо участь у процесі горіння суміші.

Вода може подаватися безпосереднім впорскуванням у циліндри або впускну систему двигуна, а також у вигляді водобензинової емульсії (ВБЕ), приготовленої раніше. Використання ВБЕ пов'язано з рішенням низки практичних завдань: • створенням ВБЕ, що забезпечують потрібну стабільність; • розробкою ефективних ПАР, які знижують поверхневий натяг води; • створенням раціональної системи здобуття і використання ВБЕ в господарствах. Практика показала, що через підвищену в'язкість ВБЕ в її склад можна вводити не більш як 10 % води. Інакше потрібно збільшувати прохідний переріз жиклерів карбюратора. Другим недоліком є те, що відомі ПАР не дають змоги утворювати стабільну ВБЕ, особливо на основі етилованих бензинів.

Незважаючи на перелічені недоліки, практика показує, що при роботі двигуна на ВБЕ з умістом 10. . . 30 % води питома вага палива знижується на 12. . . 22 % при повних навантаженнях і на 7. . . 10 % при середніх. Крім того, приблизно в 2. . . 6 разів зменшується вміст оксиду вуглецю у випускних газах двигуна. Найефективнішим способом подачі води є її безпосереднє впорскування у всмоктувальний колектор двигуна. Цей спосіб забезпечує подачу води у впускний колектор на режимах середніх і максимальних навантажень, тобто коли вимоги до збільшеного октанового числа палива підвищуються. Це здійснюється за допомогою порівняно нескладного обладнання. Установлено, що впорскування води (близько 10 % відносно бензину) еквівалентно підвищенню октанового числа на 8. . . 10 одиниць, що дає змогу застосовувати бензин з меншим октановим числом. При цьому потужність та економічні показники двигуна зберігаються, а іноді й поліпшуються.

У дизелях можна також застосовувати обводнене дизельне паливо – водопаливну емульсію (ВПЕ), що характеризується вищою фізичною стабільністю і для її приготування потрібно значно менше ПАР. Однією з вимог має бути використання емульгаторів, які не спричинюють схильність палива до відкладання небажаних речовин та корозії. При використанні в дизелях ВПЕ питома витрата палива може бути знижена на 2. . . 6 %. Димність відпрацьованих газів при цьому знижується завдяки впливу водяних парів на процес газифікації вуглецю (сажі). Обводнене дизельне паливо характеризується зниженням цетано-вого числа і великим періодом затримки самозапалювання. Однак наявність «мікровибухів» капель емульсії та вплив на згоряння хімічних чинників (присутності води) призводить до інтенсифікації тепловиділення і скорочення тривалості згоряння палива, що сприяє зниженню його витрати.

Сфера застосування перспективних видів палива На думку фахівців, передусім доцільно використовувати МТБЕ як домішку до бензину. Для роботи на бензині з доданням МТБЕ двигун і паливна апаратура не потребують якихось конструктивних переробок і зміни регулювань. Застосування МТБЕ дає змогу виключити (або скоротити) випуск етилованих бензинів й у перспективі використовувати для очистки відпрацьованих газів каталітичні нейтралізатори. Широкого застосування може набути бензометанольна суміш з умістом 3. . . 5 % метанолу. Така суміш також не потребує якихось переробок двигуна і регулювання паливної апаратури та додання до неї спеціальних стабілізаторів (робота двигуна на бензометанольній суміші забезпечує економію бензину на 1, 5. . . З %). Бензометанольна суміш з умістом 15 % метанолу здатна забезпечити нормальну роботу машини й економію бензину до 14 %. Однак складність застосування зазначених сумішей полягає в тому, що потрібні перерегулювання карбюратора й установлення допоміжних трубопроводів для звільнення парових пробок.

Наступний етап упровадження метанолу – роздільна подача метанолу і бензину. При цьому економія бензину досягає 20 %. Крім того, молена використовувати низькооктанові сорти без використання дорогого стабілізатора. В економічно виправданих реакторах метанол застосовується в чистому вигляді, без домішок бензину. Двигун при малих навантаженнях працюватиме на сумішах водню та оксиду вуглецю, а на режимах, близьких до повного навантаження і частково при розгоні, – з доданням рідкого метанолу. Водень як паливо для автомобілів широке застосування дістане вже в середині нинішнього століття. Додання води до бензину з утворенням ВБЕ, а також роздільна подача бензину і води не дає прямої економії бензину. Впровадження цього методу потребує, перш за все, встановлення на двигуні додаткової системи живлення або створення таких ВБЕ, які дадуть змогу рідше використовувати стабілізатори, що дорого коштують.