Свойства спиртов и спиртовых смесей
Среди многочисленных спиртов наибольший интерес в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания представляют метиловый и этиловый спирты. Эти спирты могут быть использованы как топливо для двигателей в чистом виде, так и в составе многокомпонентных смесей с бензинами и водой.
Физико-химические свойства. Метанол и этанол относят к группе низших первичных спиртов. Основные свойства этих спиртов приведены в табл. 5.1.
Рассматриваемые спирты по плотности идентичны бензинам и имеют высокие низкотемпературные свойства. Низкие температура кипения и давление насыщенных паров обеспечивают высокую испаряемость: скорость испарения метанола и этанола по отношению к бензинам выше соответственно в 1,8 и 2,4 раза.
Высокая вязкость этанола (примерно в два раза выше, чем у метанола и в два с половиной, чем у бензина) создаёт некоторые затруднения при подаче топлива в двигатель, ухудшая прокачиваемость.
На свойства спиртов большое влияние оказывает вода. Помимо специальных добавок, присутствие воды обуславливается высокой гигроскопичностью спиртов, возрастающей при увеличении температуры и влажности воздуха.
Наличие воды в спиртах оказывает негативное влияние на их свойства, при использовании в качестве топлива:
– повышается плотность;
– повышается температура кипения и кристаллизации;
– повышается теплоёмкость и теплопроводность;
– повышается и без того значительная коррозионная активность, особен-но к цветным металлам;
– набухание и разрушение прокладочных материалов.
Спирты являются токсичными веществами, особенно метанол – нервно-сосудистый яд, обладающий способностью накапливаться в организме. Попадание в организм 20–30 мл метанола вызывает потерю зрения, тяжёлое отравление с возможным летальным исходом.
Моторные характеристики. Расчётная теплота сгорания метанола и 95%-ного этанола при 7,84 МПа с учётом диссоциации составляет соответственно 19,96 и 26,9 МДж/кг. Таким образом, массовая энергоёмкость спиртов примерно на 45–60% ниже по сравнению с моторными топливами. В тоже время теплопроизводительность топливных смесей отличается мало, составляя для метанола и этанола соответственно 3,63 и 3,68 МДж/м3 по сравнению с 3,5 МДж/м3 для бензина. Значительно ухудшает энергетические показатели спиртов присутствие в них воды: при содержании 10% воды в метаноле его теплота сгорания снижается на 11%.
Вследствие наличия в молекулах спиртов кислорода, для сгорания 1 кг спирта необходимо меньше воздуха. Стехиометрические коэффициенты для метанола и этанола составляют 6,51 и 9,06 соответственно, а для сгорания 1 кг углеводородного топлива потребность в воздухе возрастает примерно вдвое (для бензина 14,8 кг).
Важнейшей особенностью спиртовых топлив является высокая детонационная стойкость. По данным различных авторов детонационная стойкость спиртов по исследовательскому методу составляет: метанола – 104–115 ед., этанола – около 106 ед. Добавка воды ведёт к возрастанию октанового числа (табл. 5.2).
Высокое значение теплоты испарения метанола способствует повышению коэффициента наполнения цилиндров. Кроме того, при работе на этаноле выше эффективный КПД благодаря меньшему теплоотводу в цилиндрах, более низкой температуре отработавших газов и большей полноте сгорания топливной смеси. Эти факторы в совокупности позволяют не только компенсировать несколько пониженную теплопроизводительность воздушно-метанольных смесей, но и увеличить мощность двигателя при работе на метаноле на 10–15% по сравнению с бензиновым. Вследствие высокой детонационной стойкости метанола мощность двигателя ещё более можно повысить, увеличивая степень сжатия до 12–14 ед.
Таблица 5.2
Изменение октанового числа метанола при добавлении воды
| Октановое число | Содержание воды, % | ||
| По исследовательскому методу, ед. | 109,6 | ||
| По моторному методу, ед. | 87,4 | 89,5 | 92,8 |
Спирты характеризуются более высокой активностью при горении по сравнению с углеводородами. Благодаря этому горение в двигателе протекает устойчивее, что позволяет обеднить смесь. Например, при использовании метанола пропуски зажигания отмечаются при коэффициенте избытка воздуха 
(при работе на бензине – 
). Основная причина устойчивого горения – диссоциация спиртов в условиях высоких температур:
;
.
Образующиеся два активных радикала облегчают начало цепной реакции горения и активизируют весь процесс окисления топлива. Расширение диапазона устойчивого сгорания метанола в области бедных смесей, в большинстве случаев соответствующей 
, даёт дополнительный выигрыш в повышении топливной экономичности и снижении токсичности отработавших газов.
Но при использовании метанола в качестве моторного топлива существует серьёзный недостаток: трудность пуска двигателя, даже при положительных температурах. Для решения этой проблемы применяют:
– добавку к метанолу 5–10% растворимых в нём низкокипящих угле-водородных фракций;
– дополнительную систему с пусковым топливом;
– подогрев впускного коллектора или непосредственно топливной смеси;
– установку карбюратора с электроподогревом;
– частичную рециркуляцию горячих отработавших газов.
В качестве пусковых добавок используют сжиженные газы, бутан, изопентан и диметиловый эфир в количестве 5–10%.
В автомобилях с электронной системой впрыска топлива для пуска двигателя применяется небольшой бензобак, соединённый с электроклапаном «холодного пуска».
Положительный эффект даёт организация интенсивной турбулизации топливной смеси.
Применение спиртовых топлив.Наиболее целесообразно использовать на двигателях с принудительным зажиганием. Спирты обладают очень низким цетановым числом и использование их в дизельных двигателях крайне затруднительно. Цетановое число этанола – 8 ед., а метанола – 3. Варианты использования спиртов в дизелях:
– впуск в цилиндр спирто-воздушной смеси и впрыск дизтоплива через форсунку;
– впрыск спирта через дополнительную форсунку;
– пуск дизеля на дизельное топливе с последующей подачей во впускной тракт дизеля эмульсии (до 30%), образуемой в эмульсирующей вставке [7].
Применение спиртов взамен бензинов возможно в следующих основных вариантах:
– в чистом виде;
– в виде водно-спиртовых смесей;
– в виде бензо-спиртовых смесей;
– с преобразованием в газообразное топливо.
Чистые спиртыдля применения в ДВС могут быть представлены метанолом. Это наиболее приемлемое моторное топливо с точки зрения сырьевой базы, производства и стоимости. Этанол обладает повышенной по сравнению с метанолом вязкостью, ухудшающей прокачиваемость. Но при подборе соответствующих жиклёров он также может служить моторным топливом.
Теплота сгорания спиртов по массе и объёму примерно наполовину ниже, чем у бензинов, поэтому для сохранения энерговооруженности автомобиля требуется увеличение объёма бака и расхода топлива в среднем вдвое.
Использование спиртовых топлив позволяет снизить содержание большинства вредных компонентов в отработавших газах автомобиля. Испытания, проведённые на одноцилиндровой установке при степени сжатия 7,5, частоте вращения коленчатого вала 1800 мин-1 и температуре смеси 55 °С показали [11]:
1. Благодаря низким температурам горения спиртов на единицу расходуемой энергии и топлива выделяется значительно меньшее количество NOx, чем у бензина. При этом наибольшее количество окислов азота образуется при коэффициентах избытка воздуха 
.
2. Вследствие улучшения полноты сгорания спиртовых смесей количество СО и СН также уменьшается, особенно при 
> 1,0.
3. Выброс полициклических ароматических углеводородов, часть которых канцерогенные, также на порядок ниже, чем при работе двигателя на бензине.
4. Концентрация альдегидов возрастает, однако это исчезает при повышении степени сжатия. С увеличением 
до 14,0 суммарное количество альдегидов в отработавших газах примерно такое же, как при работе на бензине с 
.
Результаты испытаний, проведённых на автомобиле “Мерседес-Бенц” отражены в табл. 5.3.
Таблица 5.3
Результаты испытаний автомобиля «Мерседес-Бенц»
(двигатель V8 - 4,5л, 
)
| Топливо | Состав отработавших газов, г/цикл | ||
| СО | СН | NOx | |
| Топливо | |||
| Метанол | 5,5 | 0,7 |
В отличие от такого топлива, как водород, использование спиртов требует лишь незначительной модификации автомобиля. Основные мероприятия по переводу двигателя с бензина на спирт:
– увеличение объёма топливных баков (в случае необходимости сохране-ния запаса хода);
– увеличение проходных сечений жиклёров;
– установка устройства, обеспечивающего запуск двигателя при понижен-ных температурах (при сохранении системы питания бензином не требуется);
– замена некоторых цветных сплавов и прокладок, контактирующих со спиртом (в частности, бака для хранения спирта).
Как указывалось выше, метанол – чрезвычайно ядовитый продукт. Из-за высокой летучести метанола требуется более тщательная герметизация топливоподающей системы автомобиля, усиленный контроль за герметич-ностью в процессе эксплуатации и соблюдение соответствующих мер безопасности.
Водно-спиртовые смеси. Почти всегда в спирте присутствует вода. Это объясняется его высокой гигроскопичностью. Присутствие воды в общем негативно сказывается на рабочем процессе двигателя, но имеется один очень важный положительный аспект – повышение детонационной стойкости (табл. 5.2). Поэтому недостатки могут быть с избытком компенсированы повышением степени сжатия. Например, при содержании в метаноле 5% воды, при 
получено улучшение энергетической экономичности на 10–15% в сравнении с чистым метанолом. Кроме того, присутствие воды в метаноле снижает содержание в отработавших газах NOx и CO (последнего незначительно).
Так, при повышении степени сжатия с 7,82 до 12 добавка к метанолу 5% воды полностью прекращает рост образования NOx. Что касается альдегидов, то на их содержание в отработанных газах добавка воды до 10% практически не оказывает влияния.
Бензо-спиртовые смеси применяются в основном за рубежом. Добавка метанола к бензинам позволяет решить вопросы экономии бензинов и снижения загрязнения окружающей среды вредными компонентами отработанных газов. Практически во всех странах, особенно в Германии и США ведутся работы по исследованию процесса работы различных двигателей на бензо-метанольной смеси.
Оптимальными являются добавки 10–15% метанола, при этом бензо-спиртовая смесь характеризуется удовлетворительными эксплуатационными показателями.
Пожалуй, самая существенная проблема – низкая стабильность бензо- метанольной смеси, а также чувствительность этой смеси к воде. Различие плотности бензина и метанола и высокая растворимость спирта в воде приводит к тому, что попадание в смесь даже небольших количеств воды ведёт к расслоению топлива на бензин и водно-спиртовой раствор. Этот процесс интенсифицируется с понижением температуры, увеличением концентрации воды и уменьшением содержания спиртовой добавки. Например, увеличение содержания воды с 0,2 до 1% по объёму в смеси метанола с распространёнными бензинами (около 36% ароматических углеводородов) ведёт к повышению температуры расслаивания (Ткр) от минус 20 до 10 °С, т. е. смесь становится непригодной к использованию. Но с повышением содержания ароматики водоустойчивость смеси растёт. При фиксированном количестве воды (0,132%), и содержании 15% метанола в смеси объём ароматики так влияет на Ткр [табл. 5.4]:
Таблица 5.4
Влияние ароматики на критическую температуру
| Содержание ароматики, % | ||||||
| Ткр, °С | + 15 | + 9,5 | + 3 | –3,5 | –9 | –5 |
Для стабилизации бензо-метанольных смесей применяют присадки: гексанол, изопропанол, изобутанол и др. Рабочее состояние смеси можно поддерживать при непрерывном перемешивании смеси в баке. Это и происходит, когда машина находится в постоянной эксплуатации.
При использовании бензо-метанольных смеси повышается возможность образования паровых пробок, хотя чистый метанол к этому не склонен из-за его высокой теплоты испарения.
Смесь не так коррозионно агрессивна, как чистый метанол, однако в ряде случаев коррозия значительна и сильно зависит от присутствия воды, возрастая с увеличением объёма воды в смеси.
С целью снижения влияния метанольных смесей на прокладочные материалы, в качестве последних применяют вместо резин различные каучуки; полуду баков заменяют на пластмассовое покрытие.
При хранении смесей с условием постоянства температуры качество топлива не ухудшается, а содержание воды даже снижается за счёт коррозионных процессов.
Энергетические показатели бензо-метанольной смеси по отношению к бензину изменяются незначительно. Добавление 15% метанола (смесь М15) снижает теплопроизводительность всего на 8%. Несмотря на облегчение фракционного состава топлива, при добавке метанола пусковые качества топливной смеси снижаются. У смеси М15 энергозатраты на испарение 10% фракций по сравнению с бензином повышаются примерно на 7%. В связи с этим для устойчивого запуска двигателя на метанольной смеси требуется увеличение теплоподвода в зону смесеобразования, пропорциональное концентрации метанола в смеси. При умеренных температурах окружающей среды пусковые свойства сохраняются на приемлемом уровне, однако при отрицательных температурах рекомендуется организация горячего запуска двигателя, как при использовании чистых спиртов.
Высокая детонационная стойкость спиртов положительно влияет на изменение октанового числа смеси [табл. 5.5], а также расширяет предел обеднения смеси.
Таблица 5.5
Изменение октанового числа товарного неэтилированного бензина
при добавке метанола
| Октановое число | Бензин | Бензин + 5% СН3ОН | Бензин + 10% СН3ОН |
| ОЧИ | 91,8 | 93,9 | 96,1 |
| ОЧМ | 83,5 | 84,9 | 85,1 |
Как и в случае применения чистого метанола, использование бензо-спиртовой смеси улучшает состав отработанных газов двигателя. Замена бензина смесью М15 уменьшает выбросы СО в среднем в 3 раза. Образование СН также снижается, причём в основном за счёт полициклических ароматических углеводородов. Снижается и содержание в выбросах окислов азота.
В процессе применения добавок спиртов к бензину целесообразно использовать дозирующую аппаратуру и при заправке автомобилей подавать в поток бензина спиртовую добавку. Этим достигается качественное перемешивание и исключается расслоение смеси и при хранении её на заправочных пунктах в условиях колебаний температуры.
Применение спиртов с переработкой их в газ.
Большой интерес вызывает использование спиртов в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания с предварительной переработкой их в водородосодержащий газ [11]. Термическое разложение метанола происходит по реакции:
В случае водного раствора метанола тепловой эффект эндотермической реакции частично компенсируется выделением тепла при реакции с водяным паром:
При давлении в реакторе в пределах 3,0 МПа в результате реакции образуется:
– окись углерода СО – 7–8%;
– углекислый газ СО2 – 16–17%;
– вода Н2О – 7–8%;
– водород Н2 
.
Такое высокое содержание водорода позволяет значительно расширить границы эффективного обеднения топливных смесей. Кроме того, при организации эндотермического процесса разложения спирта за счёт регенерации тепла отработавших газов, теплотворная способность конечных продуктов может быть повышена на 8–20%, что даёт возможность улучшить экономические показатели процесса энергоиспользования.
Разложение метанола возможно и при давлении, близком к атмосферному. Поступающий из бака метанол испаряется в теплообменнике, где циркулирует горячая жидкость из системы охлаждения двигателя. Затем метанол в парообразном состоянии поступает в каталитическую камеру. Для разложения спирта в камере необходимо поддерживать температуру 230…340 °С. Это может быть обеспечено за счёт остаточного тепла отработа-вших газов. При этих условиях разлагается около 5% метанола, поэтому должно быть обеспечено его многократное прохождение через камеру (рециркуляция).
Недостатком такого топлива является увеличение содержания в отработавших газах окислов азота, которые образуются вследствие повышенного температурного режима горения водородосодержащего газа. Эффективная мощность снижается из-за уменьшения энергоплотности топливной смеси. Более подробно процесс использования водорода как топлива рассмотрен ниже.
Для оптимизации работы двигателя на продуктах разложения метанола можно применять те же мероприятия, что и для водородного топлива – непосредственный впрыск топлива в цилиндры, снижение цикловых температур путём впрыска воды или рециркуляции отработавших газов и др. Хорошие результаты даёт совместное регулируемое питание двигателя метанолом и продуктами его частичного разложения.
Дата добавления: 2015-03-26; просмотров: 6844;