ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ ТОПЛИВ В ДВС.

Основной концепцией долгосрочного энергообеспечения авто транспорта является переход на синтетические энергоносители, производимые на базе НЭР и продуктов с достаточными ресур­сами. Среди множества синтезированных веществ только некоторые спирты, водород и аммиак удовлетворяют этим требованиям' и одновременно характеризуются достаточной термодинамической и эксплуатационной совместимостью с автомобильными дви­гателями. Возможность использования этих продуктов в ДВС ис­следовалась еще в начале нашего века, однако лишь современ­ный технологический уровень создал реальные предпосылки для их массового применения в качестве синтетического топлива для автомобиля.

Среди многочисленных спиртов наибольший интерес в качестве топлива для ДВС представляют метиловый и этиловый спир­ты. Эти продукты могут использоваться как в чистом виде, так и в составе многокомпонентных смесей с бензинами и водой.

/Рассматриваемые спирты, имеют среднюю плотность и низкую вязкость, они отличаются хорошими низкотемпературными свойствами. Низкая температура кипения спиртов обусловливает их высокую испаряемостью: скорость испарения метанола и этанола по отношению к бензинам выше соответственно в 1,8 и 2,4 раза.

На свойства спиртов оказывает большое влияние вода. Помимо специальных добавок, присутствие воды обусловливается гроскопичностью спиртов. В последнем случае концентрация воды повышается с увеличением температуры и относительной и повышения влажности воздуха. Разбавление спиртовых топлив водой ведет к повышению плотности, температуры кипения, теплоемкости и теплопроводности. Вода способствует также значительному повышению температур температуры кристаллизации спиртов.

Коррозионная активность рассматриваемых спиртов доволь­но высока и усиливается их гигроскопичностью. Метанол активно реагирует со свинцом, что может привести к разрушению слоя свинцово-оловянной полуды в бензобаке и забиванию фильтров и жиклеров топливной системы образующимися соединениями. Под действием метанола быстро коррозируют такие конструкционные материалы, как сталь, алюминий, магний и сплавы на их основе. Длительный контакт с метанолом вызывает набухание и разрушение ряда эластомеров, применяемых в качестве прокладочных материалов. Этиловый спирт также реагирует со свинцом и магнием, однако алюминий под его действием коррозирует медленно.

Токсикологические свойства спиртов хорошо известны. В то время как токсичность этанола низка, метанол является нервнососудистым ядом, обладающим способностью накапливаться в организме. Поэтому при работе с метанолом необходимо строгое соблюдение правил и инструкций техники безопасности. Предель­но допустимые концентрации алифатических спиртов в воздухе рабочей зоны (ПДКр.з), максимальная разовая (ПДКм.р) и среднесуточная (ПДКс.с) :

ПДК ПДКр.з ПДКм.р ПДКс.с

Этанол, мг/м³ 1000 5 5

Метанол, мг/л³ 5 1 0,5

Важной особенностью спиртовых топлив является высокая антидетонационная стойкость. По данным различных авторов ОЧ метанола по исследовательскому методу оценивается в 104- 115 ед., по моторному — от 87,0 до 94,6 ед. . Для этанола ОЧИ составляет около 106 ед. Добавка воды ведет к возрастанию ОЧ спиртов, которое для метанола изменяется сле­дующим образом :

Топливо....... СН₃ОН СН₃ОН+5%Н₂О СН₃ОН + 10%Н₂О

ОЧИ......... 109,6 110 114

ОЧМ......... 87,4 89,5 92,8

Высокое значение теплоты испарения метанола способствует улучшению наполнения двигателя. Кромё того, при работе на метаноле выше эффективный КПД благодаря меньшему теплоотводу в цилиндрах, более низкой температуре ОГ большей полноте сгорания топливной смеси. Эти факторы в совокупности позволяют не только компенсировать несколько пониженную теплопроизводительность метаноло-воздушных смесей, но и дополнительно увеличить мощность метанольного двигателя на 10— 15% по сравнению с бензиновым. Дальнейшее повышение мощно­сти может быть получено увеличением степени сжатия до 12—14, что возможно благодаря высоким антидетационным качествам метанола .

Низкая упругость паров и высокая теплота испарения метанола обуславливает трудность пуска двигателя даже при повышенных температурах окружающей среды. Для решения этой серьезной проблемы используются такие мероприятия, как добавка к метанолу 5—10% растворимых в нем низкокипящих углеводородных фракций, применение дополнительной системой с пусковым топливом, подогрев впускного коллектора или непосредственно топливной смеси, установка карбюраторов с электроподогревом, частичная рециркуляция горячих ОГ и др. В качестве пусковых добавок находят применение сжиженные газы бутана, изопентан и диметиловый эфир в количестве от 5 до 20%автомобилях с электронной системой впрыска топлива для запуска двигателя применяется небольшой бензобак, соединенный с элсктроклапаном «холодного пуска». Положительный эффект дает организация интенсивной турбулизации топливной смеси. Спирты характеризуются более высокой активностью при горении сравнению с углеводородами. Благодаря этому горение в двигателе протекает устойчивее, а предел воспламенения смещен в более бедную область. Например, при использовании метанола пропуски зажигания отмечаются при время как при работе на бензине они соответствуют

Расширение диапазона устойчивого сгорания метанола области бедных смесей, в большинстве случаев соответст­вующей а =1,44-1,45, дает дополнительный выигрыш в улучшении топливной экономичности и снижении токсичности ОГ.

Спиртовые топлива целесообразно использовать главным образом в двигателях с принудительным воспламенением, так какч, организовать работу дизеля в этом случае затруднительно из-за низких значений цетановых чисел спиртов. Применение спиртов как основного топлива взамен бензинов возможно в следующих основных вариантах: в чистом виде; в виде водно-спиртовых смесей; с конверсией в газообразное топливо.

Чистые спирты. С точки зрения сырьевой базы, получения и стоимости наиболее приемлемым моторным топливом среди спиртов служит метанол. Кроме того, в отдельных случаях целе­сообразно также применение этанола. Теплота сгорания данных

Рис. 64,. Изменение эффективного КПД двигателя «Фольксваген-1600»:

1 — при работе на метаноле, 8=14; 2— то же, 8 = 9,7; Я — при работе на бензине, 8 = 9,7; А — граница устойчивой' работы

спиртов по массе и объему примерно наполовину ниже, чем бензинов.

Поэтому для сохранения энерговооруженности автомобиле требуется увеличение объема бака и расхода топлива в ере' нем вдвое, что и является основным недостатком синтетически спиртов как автомобильного топлива.

С энергетической точки зрения преимущества спиртов заключаются главным образом в высоком КПД рабочего процесса высокой антидетонационной стойкости. Величина КПД спиртового двигателя выше бензинового во всем диапазоне рабочей смесей (рис. 64), благодаря чему удельный расход энергии на единицу мощности (рис. 65) снижается . Использование метанола в четырехцилиндровом двигателе «Фольксваген-1600: совместно с повышением степени сжатия до 14,0 позволила увеличить максимальное значение эффективного КПД от 31 до37% . Эти факторы, а также высокий коэффициент наполнения позволяют существенно увеличить мощность спиртового двигателя. Например, при работе на метаноле повышение степени сжатия полноразмерного восьмицилиндрового двигателе Мерседес-Бенц (Mercedes-Benz) с 8,9 до 11 приводит к увеличению максимальной мощности на15% . Одновременно несколько возрастает среднеэффективное давление пропорциональное крутящиму моменту Ре, что является существенным преимуществом автомобильного двигателя Таким образом, метанол служит хорошим топливом для двигателей с принудительным вменением, где может использоваться при высоких степень сжатия, благодаря чему обеспечиваются значения КПД двигателя, близкие к величине КПД дизеля.

Рис: 65. Изменение топливной эконо­мичности автомобиля при работе:

/ — на метаноле;

2 — на бензине

Низкая энергоемкость спир­тов ведет к увеличению удель­ного расхода топлива, в част­ности для метанола примерно вдвое (рис. 65). Например, при дорожных испытаниях лег­кового автомобиля «Шевроле» выпуска 1972 г. с двигателем рабочим объемом 5,7 л и расход метанола в режи­ме а = 1,2 изменялся от 21,8 л при скорости 48 км/ч до 31,4 л при 112 км/ч . Данные по энергетической и топливной экономичности этого при скорости движения 80 км/ч и а = 0,99:

Топливо.......... бензин метанол

Экономичность, л/100 км 13,66 26,74

МДж/км 3,61 3,45

В отличие от таких синтетических топлив, как водород и ам­миак, использование спиртов требует сравнительно небольшой модификации автомобиля. Основные мероприятия сводятся к увеличению объема топливных баков (в случае необходимости; сохранения беззаправочного пробега), увеличению проходных; усечений жиклеров карбюратора и установке устройства, обеспе­чивающего стабильный запуск двигателя в диапазоне темпера­тур, достаточном для эксплуатации автомобиля в любое время года. Кроме того, потребуется замена некоторых цветных спла­вов и прокладочных материалов, в частности, облицовка пласт­массой метанольного бака, Технико-экономические показатели метанольного топлива с учетом затрат на доработку автомобиля приведены в табл. 6.

Основной проблемой эксплуатации метанольного топлива яв­ляется его ядовитость, однако роль этого фактора пока еще изучена слабо. По-видимому, из-за высокой летучести метанола потребуется более тщательная герметизация топливоподающей: системы автомобиля и соблюдения соответствующих мероприятий техники безопасности

Таблица 6. Технико-экономические показатели топлив (применительно к автомобилю

«Фольксваген»)

В то же время предельно допустимая концентрация паров метанола в воздухе рабочей зоны составляемая 5 мг/м³, что значительно выше по сравнению с такими известным антидетонаторами, как ТЭС (0,005), ТМС (0,075), ЦТМ (0,1).

Аммиак

Перспективность аммиака как автомобильного топлива обу­словливается его доступностью, относительно низкой стоимостью И практически неограниченной сырьевой базой. При полном сгорании аммиака образуется только один вредный компонент NOх, причем и его содержание незначительно вследствие низкой температуры горения аммиачно-воздушных смесей.

Уже сейчас аммиак производится в широких масштабах химической промышленностью из водорода и азота воздуха. В будущем аммиак может использоваться в качестве вторичного энергоносителя, позволяющего осуществить конвертаци водорода в некриогенную и более безопасную форму.

Аммиак обладает щелочными свойствами, вследствие чего большинство цветных металлов (медь, бронза, латунь и другие сплавы) подвергаются значительной коррозии при его действии. Относительно стойки сталь, чугун, алюминий, монель-металл, ни­кель, титан. Углеродистая сталь практически не корродирует при контакте со сжиженным аммиаком, поэтому из нее изготавлива­ют трубопроводы и резервуары для перекачивания и хранения аммиака. Длительные испытания на двигателе- GFR показали, что при работе на аммиаке повышенный износ наблюдается толь­ко у деталей, изготовленных из цветных металлов, в особенности меди и ее сплавов. Из прокладочных материалов стойкими к ам­миаку являются фторопласты и некоторые сорта резины. Боль­шинство нефтяных и синтетических масел почти не изменяют свои свойства при контакте с аммиаком. При этом отмечаются лишь незначительные колебания вязкости и некоторое снижение эффёктивности антиокислительных присадок,.

Сжиженный аммиак характеризуется умеренными энергетическими показателями: его теплота сгорания с учетом диссоциации ( Р_и = 7,84 МПа) составляет 17,13 МДж/кг или 11.64*10³МДж/м³. Таким образом, массовая энергоемкость аммиака по отношению к бензину, метанолу и водороду ниже соответст­венно примерно в 2,5, 1,1 и 7 раз. Однако если по энергоплотно­сти он уступает бензину и метанолу (примерно в 3 и 1,3 раза), то благодаря относительно высокой плотности превосходит по этому показателю жидкий водород. Аммиак характеризуется экс­тремальной антидетонационной стойкостью: его октановое число по моторному методу составляет примерно 111 ед., по исследовательскому — около 130 ед. . \

Содержание аммиака в воздухе рабочих помещений и насе-i ленных мест ограничивается следующими концентрациями: ПДК_Р.з = 20; ПДКм._Р = 0,2; ПДК_с.с = 0,2 мг/м³ .Таким образом предельно допустимые концентрации паров аммиака в воздухе рабочей зоны в 4 раза выше по сравнению с метанолом. Действие аммиака прежде всего сказывается па слизистых оболочках рта, носа, дыхательных путей, вызывая их раздражение и кашель. Однако опасность аммиака в значительной степени снижается его резким специфическим запахом, благодаря которому аммиак обнаруживается уже при концентрациях паров 5*10'² мг/м³.

Транспортирование и хранение аммиака осуществляется в стальных баллонах под давлением до 0,6 МПа. В некоторых слу­чаях жидкий аммиак транспортируют и хранят в танках с ,тепло­изоляцией, используя для этого сухой лед или переохлаждение массы. .