Перспективные виды топлива

Синтетические спирты

Наиболее близки по качествам к топливам нефтяного происхождения мети­ловый спирт (метанол), получаемый из угля, природного газа, бытовых отбросов, отходов лесного хозяйства, и этиловый спирт (этанол), вырабатываемый из са­харного тростника, свеклы, зерновых и других сельскохозяйственных культур.

При работе двигателя на чистом метаноле увеличивается его мощность, сни­жается тепловая напряженность деталей цилиндро-поршневой группы, нагаро-образование и закоксовывание. Также улучшаются экологические характеристики отработавших газов: содержание окислов азота снижается в 1,5-2,0 раза, уг­леводородов — в 1,3-1,7 раза, а концентрация окиси углерода остается в сред­нем той же, что и при работе на бензине.

Однако применение метанйла в качестве топлива требует изменения конст­рукции топливной аппаратуры, двигателя и в какой-то мере самого автомобиля. Так, например, возникает необходимость оборудовать двигатель устройствами, облегчающими пуск, особенно при отрицательных температурах; увеличивать вместимость топливных баков, так как использование метанола снижает запас хода автомобиля в 2 раза; заменять некоторые материалы системы питания бо­лее стойкими из-за высокой коррозионной агрессивности метанола.

Серьезную проблему применения метанола в качестве топлива представляет его высокая токсичность. Необходимо обеспечивать тщательную герметизацию топливоподающей системы питания двигателя и соблюдать правила техники безопасности. Предельно допустимая концентрация паров метанола в воздухе составляет 5 мг/м3 (метанол менее вреден, чем тетраэтилсвинец).

В то же время использование метанола в качестве добавки к бензину (бензин с добавлением 15 % метанола называют бензометанольной смесью М15) дает следующие положительные результаты:

• нет необходимости вносить изменения в конструкцию двигателя и настрой­ки его топливной аппаратуры;

• при добавлении 3-5 % метанола обеспечивается экономия 2,5% бензина при сохранении мощности двигателя и динамических показателей автомо­биля, а также снижении уровня токсичности отработавших газов;

• создается возможность применять бензин с несколько меньшим октановым числом, заменять этилированный бензин неэтилированным;

• нет необходимости вводить в бензин добавки стабилизационного характера (например, дорогостоящий изобутиловый спирт), так как смесь бензина с метанолом дольше сохраняет стабильность и создает возможность исполь­зования автомобилей в различных климатических поясах (устойчивый пуск холодного двигателя обеспечивается при температуре воздуха -26 °С).

Этанол в качестве автомобильного топлива может применяться как в смеси с бензином, так и самостоятельно. По некоторым показателям этанол как топливо превосходит метанол (см. табл. 1.23).

Использование спиртов в качестве добавки в дизельное топливо снижает его вязкость, уменьшает плотность (спирт имеет более низкую плотность). Од­нако низкая температура самовоспламенения (низкое цетановое число) позво­ляют использовать метанол и этанол для дизелей только при условии констру­ктивных изменений двигателя и в количествах, не превышающих соответствен­но 15 и 20 процентов. Такие смеси сохраняют чистоту и не вызывают коррозии деталей двигателя, но их применение ограничено из-за высокой стоимости присадок.

Метилтретбутиловый эфир

Метилтретбутиловый эфир СН3ОС4Н9 (МТБЭ) также применяют в основном как добавку к бензину. МТБЭ получают синтезом 65 % изобутилена и 36 % мета­нола в присутствии катализаторов. Отличия МТБЭ как моторного топлива от бен­зина по своим физико-химическим свойствам показаны в табл. 1.23.

Топливная смесь бензина с метилтретбутиловым эфиром имеет следующие преимущества:

• смесь получается высокооктановой, но не этилированной (по антидетона­ционным свойствам МТБЭ в 3-4 раза превосходит антидетонационную до­бавку алкилбензин, а также метанол). При добавке 10 % МТБЭ октановое число бензина повышается на 2,1-5,9 ед. (по исследовательскому методу), а при добавке 20 % — на 4,6-12,6 ед.;

• оптимальный состав смеси бензина с МТБЭ не вызывает необходимости дополнительной регулировки топливной аппаратуры;

• облегчается фракционный состав бензинов, в частности, снижается темпе­ратура перегонки 50 % объема топлива (t50o/0). Однако при этом возрастает опасность образования паровых пробок;

• улучшаются мощностные и экономические показатели двигателя во всем диапазоне режимов его работы;

• на 10 % снижается токсичность отработавших газов (в основном за счет уменьшения содержания окиси углерода);

• расход бензина снижается на 3 %;

• добавка 8-11 % МТБЭ в бензин уменьшает интенсивность изнашивания де­талей двигателя, образования на них нагара и лаковых отложений, стабили­зирует физико-химические свойства моторного масла.

Водородное топливо

Отличия физико-химических свойств водорода как моторного топлива от бензина видны из табл. 1.23. При работе двигателя на водороде отработавшие газы не содержат окиси углерода, углеводородов, окислов свинца, а окислы азота присутствуют в меньших количествах, чем при работе на бензине. Однако при этом конструкции системы питания и двигателя в целом значительно услож­няются.

Использование водорода в качестве добавки ктопливовоздушной смеси не требует таких изменений. Если водород вводить в горючую смесь на режиме холостого хода, а также при малых и средних нагрузках, то это обеспечит опти­мальные мощностные и динамические показатели автомобиля при снижении расхода бензина с 12,2 кг/100 км до 5,5 кг/100 км (расход водорода составит всего 1,8 кг). Следовательно, 6,7 кг бензина заменяются 1,8 кг водорода, что позволяет сэкономить 50-55 % топлива. При этом концентрация окиси углеро­да в отработавших газах снижается в 13 раз, окислов азота — в 5 раз, углево­дородов — на 30 процентов.

При городском режиме работы автомобиля основным топливом должен слу­жить водород, а бензин — использоваться как добавка для стабилизации горе­ния воздушноводородной смеси на режиме холостого хода, малых и средних на­грузках.

ХРАНЕНИЕ ТОПЛИВА

Как известно, испарение топлива, особенно бензинов, уве­личивается с повышением температуры и при неполном заполне­нии емкости, в которой оно хранится. Более интенсивно испаря­ются легкокипящие фракции, что ухудшает фракционный состав топлива. Поэтому во время хранения необходимо применять ме-РЬ1, исключающие его нагревание (устройство заглубленных в Фунт хранилищ, навесов или укрытие тары брезентом).

Хотя в полностью заполненной таре топливо испаряется меньше, однако во избежание утечки в результате увеличения его объема при нагревании рекомендуется оставлять некоторое свободное от топлива пространство, зависящее от размеров и объема резервуара.

В процессе хранения происходит окисление непредельных углеводородов и их превращение в смолы. Образовавшиеся в небольшом количестве смолистые вещества воздействуют на углеводороды как катализаторы, т. е. ускоряют процесс их окис­ления. Эффективным способом снижения скорости окисления является уменьшение температуры резервуара (окраска, заглуб­ление). Через два-три дня после каждого наполнения необходи­мо удалять отстой через водогрязеспускные пробки или специ­альные задвижки. Ежедневно резервуар следует очищать.

Значительное ухудшение качества топлива происходит при загрязнении механическими примесями и водой. Механические примеси состоят в основном из пыли и песка. При их попадании в топливоподающую систему возрастает скорость изнашивания плунжерных пар, образуются риски, царапины. При засорении отверстий распылителей форсунок может произойти обрыв голо­вки. Если в бензине примеси отстаиваются быстро, то в более вязком дизельном топливе этот процесс значительно медленнее.

В случае если топливо по тем или иным причинам стано­вится некондиционным, их качество можно исправить. Топливо, выпускаемое с заводов промышленности, имеет некоторый за­пас качества. По некоторым же показателям, наиболее значи­тельно изменяющимся при хранении, такой запас качества пре­дусмотрен техническими условиями на тот или иной продукт.

Запас качества топлива по основным изменяющимся пока­зателям и скорость изменения этих показателей определяют до­пустимый срок их хранения.

Основными способами восстановления качества топлив, потерявших кондиционность, является смешение их со свежи­ми, имеющими запас качества. Смешением бензинов можно улучшить такие показатели, как фракционный состав, октановое число, содержание смол и кислотность. Смешением дизельного топлива можно снизить кислотность.

Вследствие испарения легких фракций бензина при хра­нении происходит утяжеление фракционного состава, сопрово­ждающееся повышением температуры перегонки 10 % бензина. Для улучшения фракционного состава до 10 %-ной точки дан­ный бензин смешивают с бензином, имеющим запас качества по этому показателю.

При выборе соотношения бензинов для смешения следует брать избыток хорошего бензина, так как фракционный состав смеси двух бензинов не является средней арифметической вели­чиной между фракционными составами бензинов, взятых для смешения.

Исправить антидетонационные свойства бензина можно смешением с высокооктановым компонентом либо с бензином более высокого сорта, имеющим большее октановое число, так как бензины, выпускаемые заводами, не имеют запаса качества по октановому числу. Для расчетов соотношения бензинов, не­обходимых для смешения, можно принять, что октановое число смеси является средним арифметическим между октановыми числами бензинов, взятых для смешения.

Антидетонационные свойства бензинов можно также вос­станавливать добавлением этиловой жидкости, причем это ре­комендуется делать только на складах и базах, имеющих специ­альное смесительное оборудование.

В случае снижения октанового числа бензина вследствие разложения ТЭС бензин перед восстановлением тщательно профильтровывается для отделения его от осадка свинцовых соединений.

Восстановление качества топлива по содержанию факти­ческих смол и кислотности может быть достигнуто только сме­шением их со свежими, имеющими большой запас качества по этим показателям. Содержание смол и кислотность смеси топ­лива являются средними величинами этих показателей горюче­го, взятого для смешения. Восстановленное горючее использу­ется в первую очередь, поскольку начавшийся процесс окисле­ния быстро приведет к накоплению новых смолистых веществ и кислых продуктов. По таким показателям, как температура вспышки и застывания, восстановление невозможно, так как они остаются такими же, как у некачественного продукта.

В общем случае количество свежего топлива, имеющего запас качества, необходимого для исправления некондиционно­го, определяется по формуле

где: М2 - масса продукта, имеющего запас качества, кг;

М, - масса продукта, подлежащего исправлению, кг;

Н - норма показателя, соответствующая стандарту;

Я, - значение показателя продукта, подлежащего исправле­нию;

Н2- значение показателя продукта, имеющего запас каче­ства.