Спиртовые топлива

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. СПИРТОВЫЕ ТОПЛИВА

1.1 Спирты, их производство и физико-химические свойства

Одними из наиболее реальных альтернативных топлив для двигателей внутреннего сгорания являются спирты и их производные - эфиры, получаемые при воздействии неорганических кислот на соответствующие спирты [2,9,38]. Положительными качествами этих топлив являются возможность их получения из любого углеводородного сырья, в том числе из возобновляемых источников энергии (биомасса, отходы сельскохозяйственной и пищевой промышленности и др.), а также наличие в составе этих веществ кислорода, что позволяет значительно улучшить показатели двигателей, работающих на этих альтернативных топливах [20,32,37,43,266].

Спирты применяют в производстве синтетических полимеров, каучуков, пластификаторов, моющих средств, в качестве растворителей и для других целей. Они являются массовой продукцией нефтехимического синтеза, поэтому большое значение для экономики производства спиртов имеют методы их получения и исходное сырьё.

Спирты - органические соединения, характеризующиеся присутствием в их молекуле одной или нескольких гидроксильных групп ОН. В зависимости от числа этих групп спирты подразделяют на одноатомные, двухатомные и многоатомные. Среди одноатомных спиртов в зависимости от положения гидроксильной группы различают первичные RСН2ОН, вторичные RСНОН и третичные спирты RСОН (R - радикал). Наиболее исследованными при использовании в ДВС являются одноатомные первичные спирты - метиловый и этиловый [14,40,52,56]. Перспективны и многоатомные спирты - пропиловый, бутиловый, амиловый, гексиловый, гептиловый, октиловый, дециловый спирты [58].

Метанол (метиловый спирт) -- CH3OH

Простейший из спиртов - метиловый спирт (метанол, карбинол, древесный спирт) - СН3ОН - ядовитая бесцветная легкоподвижная жидкость со слабым спиртовым запахом, подобным запаху этилового спирта. Легко смешивается с водой в любых соотношениях, смешивается со спиртами, бензолом, ацетоном и другими органическими растворителями, не смешивается с алифатическими углеводородами.

Способы получения метилового спирта

Каталитический синтез из оксида углерода CO и водорода H2 (синтез-газа) при следующих условиях:

температура -- 250 °C,

давление -- 7МПа (= 70 Бар = 71,38 кгс/смІ),

катализатор -- смесь ZnO (оксид цинка) и CuO (оксид меди (II))

До промышленного освоения каталитического способа получения метанол получали при сухой перегонке дерева (отсюда его название «древесный спирт»). В данное время этот способ имеет второстепенное значение.

Также известны схемы использования с этой целью отходов нефтепереработки, коксующихся углей.

• CO2 + 3H2 <--> CH3OH + H2O + 49.53 кДж/моль

• H2O + CO <--> CO2 + H2 + 41.2 кДж/моль

В настоящее время метиловый спирт добывают синтетическим способом [1а] из монооксида углерода и водорода (синтез-газа) при температуре 300--400°С и давления 300--500 атм в присутствии катализатора -- смеси оксидов цинка, хрома и др. Сырьем для синтеза метанола служит синтез-газ (CO + H2), обогащенный водородом: :СО+2Н2=СН3ОН

Синтез-газ, в свою очередь, получают при окислении природного газа (рис. 1) или газификации твердого углеродсодержащего сырья - угля (рис. 2), биомассы и др. В частности, метанол может быть получен сухой перегонкой древесины.

Рис. 1 Функциональная схема производства метанола из природного газа

Технологическая схема производства метанола по трехфазному методу на медь-цинковом катализаторе из синтез-газа, полученного газификацией каменного угля показана на рис.2.

Очищенный от соединений серы синтез-газ сжимается в компрессоре 1 до давления 3--10 МПа, подогревается в теплообменнике 5 продуктами синтеза до 200-- 280°С, смешивается с циркуляционным газом и поступает в нижнюю часть реактора 4. Образовавшаяся в реакторе парогазовая смесь, содержащая до 15% метанола, выходит из верхней части реактора, охлаждается последовательно в теплообменниках 5 и 6 и через холодильник-конденсатор 7 поступает в сепаратор 8, в котором от жидкости отделяется циркуляционный газ. Жидкая фаза разделяется в сепараторе на два слоя: углеводородный и метанольный. Жидкие углеводороды перекачиваются насосом 9 в реактор, соединяясь с потоком углеводородов, проходящих через котел-утилизатор 10. Таким образом жидкая углеводородная фаза циркулирует через реактор снизу вверх, поддерживая режим кипящего слоя тонкодисперсного катализатора в нем, и одновременно обеспечивая отвод реакционного тепла. Метанол-сырец из сепаратора 8 поступает на ректификацию или используется непосредственно как топливо или добавка к топливу.

Рис. 2 Технологическая схема производства метанола 1 -- компрессор, 2 -- циркуляционный компрессор, 3,9 -- насосы, 4 - реактор кипящего слоя, 5,6 -- теплообменники, 7 -- холодильник-конденсатор, 8 -- сепаратор, 10 -- котел-утилизатор

Мировое производство метанола составляет около 20 млн. т в год (1980 г.). Метанол является ядовитым веществом: прием внутрь 5-10 мл метанола опасно для жизни, а прием 30 мл может быть смертельно.

Этанол (этиловый спирт)- C2H5OH

Другой характерный представитель спиртов - этиловый спирт (этанол, метилкарбинол, винный спирт) - СН3СН2ОН (или С2Н5ОН) - бесцветная легкоподвижная жидкость со жгучим вкусом и характерным запахом. Смешивается с водой в любых пропорциях. Этиловый спирт является хорошим растворителем смол, жиров и других органических веществ. Это позволяет получать на его основе различные смесевые топлива, приближающиеся по своим свойствам к стандартным дизельным топливам. Синтетический этанол получают гидратацией этилена С2Н4. Широко применяется его получение гидролизом растительных материалов (в частности, древесины) или сбраживанием сахаристых веществ, содержащихся в биомассе. В результате последнего процесса получают винный спирт, используемый при изготовлении спиртных напитков. Обладает наркотическим действием. Применяется для производства ацетальдегида, хлороформа, диэтилового эфира, этилацетата, уксусной кислоты, бутадиена и др. Хороший растворитель смол, жиров, масел, лекарственных средств. До 50 % мировой выработки этанола идет на производство синтетического каучука и на другие технические цели, остальное - для приготовления спиртных напитков. Мировое производство синтетического этанола - 2,5 млн. т в год (1978 г.).

1.2 Способы получения этилового спирта

Получают этиловый спирт тремя способами:

· ферментативным (брожением пищевого сырья или биохимическим),

· химическим (гидролиз растительного сырья)

· синтетическим (гидратация этилена).

В первом случае происходит сбраживание сахара под действием ферментов, дрожжей:

С6Н12О6 > 2С2Н5ОН+2СО2+118кДж

Во втором случае вырабатывают технический спирт из растительного сырья с высоким содержанием клетчатки негидролизуемыми ферментами дрожжевой клетки (древесных опилок, соломы, торфа, мха и т. п.) и из сульфитных щелоков (отходов целлюлозно-бумажного производства), содержащих до 1,5% сахара, химическим способом воздействуя на сырье минеральными кислотами.

В третьем случае получают технический синтетический спирт путем присоединения к этилену воды в присутствии катализатора:

С2Н4+Н2О > С2Н5ОН

В качестве сырья для получения этилового спирта используются как пищевые, так и непищевые продукты в зависимости от назначения получаемого спирта. Пищевой спирт производится только из пищевого сырья. Сырьем для производства спирта являются зерновые - пшеница, рожь, ячмень, овес, кукуруза, просо, а также сахарная свекла, сахарная патока или меласса и картофель. Значительно реже используются плодово-ягодные, виноградные материалы, топинамбур и другое богатое углеводами сырье.

Технический спирт получают из древесины или нефтепродуктов, подвергаемых кислотному гидролизу. Технический спирт содержит повышенное количество вредных примесей, поэтому использование его для пищевых целей запрещено.

Классификация этилового спирта

Виды этилового спирта в зависимости от используемого сырья:

· Пищевой спирт

· Технический спирт

Подвиды:

· Картофельный

· Древесный

· Пшеничный

· Гидролизный

· Ржаной

· Синтетический

· Кукурузный

· Просяной

· Овсяный

· Свекловичный

· Сахарно-мелассовый

Разновидности:

· Сырой спирт

· Спирт-ректификат

Сорта в зависимости от степени очистки:

· Люкс

· Экстра

· Высшей очистки

· 1-й сорт

Выход абсолютного спирта со 100 кг различных видов сырья (с учетом потерь) представлен в таблице 1

Таблица 1 Количество получаемого спирта из 100 кг сырья

Вид сырья	Кол-во получаемого спирта, л/100 кг
Сахар	61
Крахмал	63
Рис	45,5
Кукуруза	36
Пшеница	33
Рожь	31
Ячмень, Просо	30
Сухари	27-31
Каштаны	29
Желуди	26
Картофель (среднекрахмальный)	11,2
Цикорий	11
Сахарная свекла	9
Одуванчик	9
Топинамбур (Земляная груша)	8,8
Полусахарная свекла	6
Кормовая свекла	5
Фрукты	4-9

Производство спирта из сахарсодержащего сырья

В последние годы все большее внимание уделяется производству спирта из сахарсодержащего сырья и использованию его в качестве альтернативного горючего, так называемого, биоэтанола. Обычный топливный этанол, представляющий собой спирт, получают ферментацией сахара, а биоэтанол - ферментацией углеводов, добываемых из возобновляемых источников сырья: сахарной свеклы, пшеницы или ячменя. При сгорании этанола выделяется в несколько раз меньше углекислого газа, чем при сгорании бензина, а углекислый газ - одна из причин парникового эффекта и глобального потепления.

В настоящее время ежегодно в мире производится 330 млн гл спирта, при этом 60% его вырабатывается из сахарсодержащего сырья, 33% - из крахмалсодержащего и только 7% приходится на долю синтетического спирта. 13% производимого спирта используется для пищевых целей, 21 - для промышленных (химическая, косметическая и фармацевтическая промышленности), а остальные 66% - в качестве топлива для двигателей.

Мотивов производства спирта из свеклы в качестве альтернативного источника топлива можно назвать несколько: повышающиеся цены на нефть и газ, а также политические аспекты. Считается, что 1 л этанола эквивалентен примерно 0,67 л бензина.

Согласно расчетам специалистов, энергетическая эффективность производства спирта из сахарной свеклы, с учетом ее выращивания, составляет 173% (отношение произведенной энергии к затраченной).

Производство спирта этилового ректификованного пищевого состоит из следующих этапов:

¦ подготовительного -- очистка сырья от примесей, приготовление солода;

¦ основного -- разваривание крахмалистого сырья, осахаривание крахмала, сбраживание осахаренной массы, перегонка бражки и получение сырого спирта;

¦ завершающего -- ректификация (повторная перегонка с целью очистки этилового спирта от примесей).

Спирт из любого органического сырья

Американская компания Coskata разработала новый процесс производства этилового спирта, позволяющий применять практически любое органическое сырье, включая твердые бытовые отходы, старые покрышки, отходы деревообработки и сельского хозяйства и т.п. [Voegele, E. November 2009. “Waste to ethanol projects move forward”, Ethanol Producer Magazine]

По заявлениям Coskata, стоимость литра спирта, полученного с помощью новой технологии, составит около 26 центов (1 доллар за галлон).

Основным применением технологии должно стать производство спирта для использования в качестве моторного топлива. В настоящее время в США для выпуска спиртового топлива, часто называемого биоэтанолом, используется растительное сырье, прежде всего кукуруза. Однако такой спирт достаточно дорог, кроме того использование посевных площадей для "биотопливных" культур ведет к росту цен на продовольствие. Поэтому все больший интерес проявляется в производству топливного этанола из непищевого сырья.

Основным достижением Coskata стало объединение в одной технологической цепочке традиционной химической и биотехнологии. На первой стадии процесса сырье подвергается газификации - в присутствии катализатора органические молекулы превращаются в синтез-газ - смесь моноксида углерода (СО) и водорода. Синтез-газ давно и достаточно широко используется в химической промышленности, прежде всего для производства другого спирта - метанола. Кроме того, из синтез-газа можно получать углеводороды и другие ценные химические соединения.

В Coskata синтез-газ используется для получения этилового спирта. При этом в компании отказались от традиционных катализаторов и заменили их специально подобранными бактериями - именно в них кроется основное "ноу-хау" процесса, а разработчики называют бактерий не иначе как "проприетарными".

Бактерии, обитающие в биореакторе, питаются синтез-газом и выделяют этанол высокой чистоты, тогда как на традиционных катализаторах обычно получается смесь спиртов, требующая дополнительного разделения и очистки. Кроме того, бактерии не столь чувствительны к каталитическим ядам (например, соединениям серы), что позволяет удешевить процесс, избавившись от стадий очистки сырья.

Разработки Coskata уже привлекли внимание автомобильной отрасли. Поддержку в промышленной реализации процесса начинающей компании окажет концерн General Motors.

Для получения синтетического этанола сырьём служит этилен, который подвергают сернокислотной гидратации или гидратации на твёрдых фосфорно-кислотных катализаторах (прямая гидратация):

С2Н4 + Н2SO4 > C2H5OSO3H + H2O > C2H5OH + Н2SO4

Процесс производства этилового спирта сернокислотной гидратацией этилена показан на рис

Этилсульфаты и серная кислота из абсорбера 1 поступают в гидролизер 6, в который подается вода. В гидролизере при давлении 1 МПа и температуре 70--90 °С происходит гидролиз этилсульфатов:

C2H5OSO3H + H2O > C2H5OH + Н2SO4

Рис. 3 Схема производства этилового спирта сернокислотной гидратацией этилена: 1-- тарельчатый абсорбер; 2, 3 -- скрубберы; 4 -- холодильник; 5 -- колонна; 6 -- гидролизер

Пары спирта и воды далее проходят холодильник 4, где они конденсируются; конденсат поступает в ректификационную колонну 5 для разгонки и очистки от примесей. Разбавленная кислота (50%) выводится из гидролизера, направляется на концентрирование и снова возвращается в процесс. При ректификации концентрация этилового спирта достигает 95--96%. По этому способу из 1 т этилена получают 1,2 т этанола и около 100 кг этилового эфира.

Основные физико-химические свойства метилового и этилового спиртов как топлив приведены в таблице 2.

Таблица 2 Физико-химические свойства основных спиртов как топлив

Показатели	Спирты
	Метанол	Этанол
Обозначение	М	Е
Формула состава	СН3ОН	С2Н5ОН
Молекулярная масса	32,04	46,07
Плотность при 20о С, кг/м3	791,7	790,0
Вязкость кинематическая при 20о С, мм2/с	0,75	1,00
Поверхностное натяжение при 20о С, мН/м	22,1	22,0
Цетановое число	5	8
ОЧ по моторному методу	98	99
ОЧ по исследовательскому методу	112	111
Температура плавления, о С	-97,9	-114,2
Температура кипения, о С	64,5	78,4
Критическая температура, о С	240,1	243,1
Критическое давление, МПа	7,98	6,31
Температура вспышки, о С	10,0	12,2
Температура самовоспламенения, о С	464	426
Концентрационные пределы воспламенения, %	6,7-36,5	3,2-19,0
Теплота сгорания низшая, кДж/кг	19670	26800
Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг	6,49	9,01
Теплота испарения, кДж/кг	1115	870
Давление насыщенных паров при 0,1 МПа и 20о С, кПа	24,6	12,2
Теплоемкость Ср при 0,1 МПа и 20о С, кДж/(кгград)	2,51	2,47
Содержание , % по массе С Н О	37,5 12,6 49,9	52,2 13,1 34,7
Растворимость в воде при 20о С, г/100 г воды	Не ограничена	Не ограничена
ПДК рабочей зоны, мг/м3	5	1000

В ряде стран широкое применение в качестве топлива для ДВС получил газохол - смесь бензина с этанолом в соотношении 9:1) [58,125,158,228]. Он представляет собой жидкость с плотностью с=730-760 кг/м3, пределами выкипания 25-210о С, низшей теплотой сгорания Hu=41900 кДж/кг, теплотой испарения Qисп=465 кДж/кг.

Кроме этанола и метанола в качестве топлив для двигателей внутреннего сгорания могут быть использованы и другие алифатические спирты, имеющие неразветвленную структуру - пропиловый, бутиловый, амиловый (пентанол), а также их изомеры.

2. РАБОТА ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА СПИРТОВЫХ ТОПЛИВАХ

Приведенные выше данные (см. табл. 2) свидетельствуют о том, что метанол и этанол по своим физико-химическим свойствам близки к бензинам. В частности, они имеют повышенную испаряемость, сравнительно невысокие плотность и вязкость, приемлемые для двигателей с принудительным воспламенением октановые числа (91-92 единицы по моторному методу) [16,139,145]. Положительным свойством спиртов является наличие в их молекулах атомов кислорода. Поэтому спирты используются в качестве оксигенатов (кислородсодержащих компонентов), повышающих детонационную стойкость бензинов и способствующих снижению выбросов сажи и монооксида углерода как в бензиновых двигателях, так и в дизелях.

В настоящее время двигатель внутреннего сгорания остается основным типом привода для большинства мобильных и стационарных установок. Но все более увеличивающийся парк ДВС требует и возрастания добычи и производства топлива. Переход к дизельным двигателям, являющимся более экономичными, позволяет лишь частично решить топливную проблему. Поэтому необходимо изыскивать новые альтернативные топлива. Использование альтернативных топлив ставит перед нами задачу предсказания физико-химических свойств новых топлив или стандартного нефтяного топлива при применении присадок и добавок.

При применении стандартных углеводородных топлив с добавками или присадками различных видов альтернативных топлив возникает проблема оптимальной организации рабочего процесса. Даже при использовании стандартного нефтяного топлива достаточно затруднительно предсказать, как и на сколько изменятся параметры рабочего процесса при изменении физико-химических свойств топлива, параметров камеры сгорания (КС), топливоподачи и т.д. Для альтернативных топлив эта область еще более не исследована. Таким образом, использование новых видов топлива ставит задачу оптимизации рабочего процесса двигателя в зависимости от физико-химических свойств используемого альтернативного топлива. Одними из наиболее вероятных видов альтернативных топлив являются спирты.

2.1 Применение спирта в ДВС с искровым зажиганием

Этанол в качестве топлива для ДВС использовали ещё в 1876 году. Это изобретение впервые применил Николаус Отто для четырехтактного двигателя, а в 1908 году некий Генри Форд предложил первую «жестянку Лиззи» - Ford T двигатель которого работал на этаноле, бензине и их смеси.

Спирт (этиловый или метиловый) имеет ряд преимуществ перед бензином. Одно из них -- высокое октановое число и более широкие пределы обеднения горючей смеси, что дает возможность улучшить экономичность и снизить токсичность автомобильных двигателей. К тому же спирт считается возобновляемым источником энергии. Этанол добывают из соломы, кукурузных кочерыжек, сахарной свеклы или тростника, древесины, древесных опилок и т.д. Наиболее экономичное сырье для получения метанола -- природный газ.

Начало массового использования бензинов, содержащих 5-10 % этанола (газохол), 15 % этанола (Е15) и 22 % этанола относится в 1980-м г.г., когда в Бразилии, США, Швеции, Голландии, Франции, Канаде и Колумбии автомобили стали заправлять этим видом топлива. Проведены исследования по использованию в бензиновых двигателях смеси Е85 (85 % этанола) [79,108,124,133,226,283]. Наиболее широкое использование этанола отмечено в Бразилии, где нет нефти, но имеется возможность производства этанола из сахарного тростника [70,102,154,235,254].

Этанол обладает высоким октановым числом и в некоторых странах широко применяется в качестве моторного топлива на транспорте. Так, Бразилия в период с 70-х по 90-е годы прошлого столетия ежедневно замещала этанолом до 250 тыс. баррелей импортируемой нефти. Начиная с 1976 г. в этой стране этанолом было замещено около 140 млрд. л бензина, что дало экономический эффект в размере 50 млрд. долл. США. В 90-х г.г. в Бразилии чистый этанол в качестве моторного топлива использовали в более 7 млн. автомобилей и еще в 9 млн. транспортных средств - его смесь с бензином (газохол) [20,183]. Однако в последние годы наметился спад в использовании этанола как моторного топлива.

Вторым мировым лидером по широкомасштабному использованию этанола для нужд автотранспорта является США, где для производства 3,8 млрд. литров этанола в год собирают урожай технических культур с 2 млн. га [20]. В 1994 г. производство этанола оценивалось в 5,3 млрд. л и дополнительно строились новые предприятия для его производства в размере еще 900 млн. л в год. Этанол используется как «экологически чистое» топливо в 21 штате, а этанол-бензиновая смесь составляет 10% топливного рынка США и используется более чем в 100 млн. двигателей. Стоимость этанола до недавнего времени была выше стоимости бензина. Однако, по некоторым оценкам, этанол становится конкурентноспособным при цене нефти в 60 долл. США за баррель [20]. В связи с этим, а также с учетом налоговых льгот на продажу этанола для автотранспорта, действующих в ряде стран, вновь возрос интерес к использованию этанола в качестве моторного топлива.

Приведенные данные свидетельствуют о перспективности использования спиртовых топлив в двигателях с принудительным воспламенением. Следует, однако, отметить, что сжигание спиртовых топлив, причем с лучшей топливной экономичностью, возможно и в дизелях [9,90]. Из данных, приведенных на рис. 4 следует, что дизельные двигатели с неразделенными КС, работающие на метаноле и этаноле, имеют термический КПД зt на 20-35 % выше, чем бензиновые двигатели [255].

Рис. 4 Относительная термическая эффективность использования нефтяных топлив и спирта в бензиновых и дизельных двигателях: - относительный термический КПД (за единицу принят термический КПД бензинового двигателя со степенью сжатия е=8)

Широкое распространение спиртовые топлива получили в Бразилии, Аргентине, Чили, на Кубе, в США, Германии, Франции. Например, около четверти бразильских автомобилей ездят на этиловом спирте, вырабатываемом из сахарного тростника. Используют спирт и североамериканские автолюбители. В штате Миннесота продают бензин Е85, состоящий на 85% из этанола, получаемого из кукурузы. Однако переход на спирт связан как с экономическими (в производстве он вдвое дороже бензина), так и с чисто техническими проблемами: в автомобиле может понадобится кардинально перенастраивать топливную систему.

В 1998 г. в США произведено около 12,5 млрд. л самого массового оксигената - метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ), производимого из метанола. При этом бензин с МТБЭ составляет примерно 30% от всего объема продаж бензина в США [20]. В результате в настоящее время МТБЭ замещает в США большее количество бензина и сырой нефти, чем все другие альтернативные топлива вместе взятые. В России использование метанола в качестве моторного топлива сдерживается его сравнительно высокой стоимостью (500 долл. США за 1 т) [20].

В последнее время в качестве одного из наиболее перспективных топлив для дизелей рассматривается биоэтанол, что объясняется возможностью перевода дизелей на топлива из возобновляемых источников энергии и снижения парникового эффекта [223,231,232,235,238,288]. Проведены многочисленные исследования особенностей его сгорания в КС дизелей, показателей токсичности ОГ дизелей, работающих на этом виде топлива [107,113,165,194,210,237,263]. Положительными качествами этанола являются простота его получения из возобновляемых ресурсов: для получения биоэтанола используются сахарный тростник, сахарная свекла, кукуруза, зерновые, картофель, древесина, биомасса [61,126,140,152,192,279].

Использование кислородсодержащих (спиртовых) добавок в моторном топливе во многих странах заложено в государственные программы улучшения экологической обстановки и использования в производственном цикле возобновляемых источников сырья. Например, в Бразилии используется ежегодно 500 млн, а в США -- до 250 млн декалитров этанола. При этом в латиноамериканской стране наибольшее распространение получило топливо, содержащее 20%, а в США -- 10% этанола.

Одним из наиболее перспективных спиртовых топлив для дизелей является метанол [12,14,200]. Его производство возможно практически из любого сырья, содержащего углерод, но наибольшее количество метанола производится в России из природного газа (в 1986 г. - 87%, в 2000 г. - 96%) [34]. Для производства метанола имеются обширные сырьевые ресурсы, его стоимость по сравнению с другими альтернативными топливами сравнительно невысока. Кроме того, метанол как топливо для дизелей позволяет решить проблему снижения выбросов оксидов азота и, особенно, твердых частиц [185,246,281,289]. Это объясняется тем, что при сгорании метанола не выделяются промежуточные продукты, из которых затем образуются ароматические и ацетиленовые углеводороды, которые способствуют зарождению и росту сажевых частиц. В продуктах сгорания метанола практически нет и сернистых соединений.

Метанол может смешиваться с бензином в любых пропорциях и служить основой для эфирной добавки - метилтретбутилового эфира (МТБЭ). Исследованию работы бензиновых двигателей на смесях бензина с метанолом (М15 - 15 % метанола, М85 - 85 % метанола и др.), а также на чистом метаноле (М100) проведены крупнейшими американскими и европейскими двигателестроительными фирмами - Ford, General Motors, Pontiac, Chrysler, Mercedes-Benz, Volkswagen, Fiat, Chevrolet, Volvo, [73, 74, 141, 144, 162, 188, 219, 230]. В Японии работы в данном направлении проведены фирмами Mitsubishi, Honda, Toyota, Hyundai, Hino Motors [141,156,178,212,216]. Положительные качества метанола - возможность его получения из любого углеводородного сырья (природный газ, уголь, отходы городского мусора, биомасса и др.) и низкая пожароопасность, а недостаток - его высокая токсичность [86,268].

Не отстают в использовании биодобавок к топливу и наши бывшие союзные республики. Правительство Украины в 2000 году приняло программу «Этанол», предусматривающую выпуск кислородсодержащей добавки к бензинам на базе этанола, получаемого из сельскохозяйственного сырья. Экспорт такого горючего в европейские страны позволил получить нашему соседу, по неофициальным данным, только за вторую половину прошлого года прибыль в размере $2,5 млн.

Работы в этом направлении ведутся и в России. К примеру, почти на всех целлюлозно-бумажных предприятиях Карелии производят спирт (биоэтанол), который можно использовать со специальными добавками в дизелях. По данным экспертов республики, работа транспорта на нем в районах лесоразработок, удаленных от городов, экономически выгоднее, чем с применением нефтяных топлив.

Использование спирта в ДВС рассматривается с двух позиций:

· Как присадка повышающая октановое число бензиновой смеси.

· Как заменитель бензина.

Применение различных спиртов для повышения октанового числа бензинов приведено в таблице 3 в виде процентной добавки к базовому бензину для повышения октанового числа на единицу.

Таблица 3 Концентрация спирта для повышения октанового числа бензина на единицу, % масс

Спирт	Эталонное топливо с октановым числом
	70 ед.	92 ед.	66,7 ед.
Метанол	1,19	2,00	2,46
Этанол	1,07	1,44	1,64
Пропанол-1	1,25	2,00	2,14
Пропанол-2	1,24	1,88	--
Бутанол	2,00	5,29	4,11
Изобутанол	1,72	4,11	--
Пентанол	6,77	Снижает октановое число	--
Изопентанол	4,40	5,87	--

Применение спиртов в качестве заменителей бензина оказывает более существенное влияние на экономические и экологические характеристики двигателя, так как доля спирта в топливной смеси уже превышает 10%. Спирт в этом случае подается по традиционной схеме [50а] или применяются различные модификации двигателя.

На рис. 5 представлена схема конструктивной реализации предлагаемого в работе [2а] рабочего процесса. Топливо с небольшим количеством воздуха поступает в полость компрессор-форсунки 6, где происходит предварительная стадия смесеобразования - подогрев, дробление, перемешивание и частичное испарение топлива. Поршень компрессор-форсунки 5 приводится в движение от коленчатого вала двигателя. На такте сжатия за счет движения поршня компрессор-форсунки происходит впрыск топливовоздушной струи в рабочую камеру двигателя, в которой окончательно формируется топливовоздушная смесь. Зажигание смеси осуществляется искровым разрядом от свечи зажигания 7 на периферии топливовоздушного факела.

Результаты испытаний экспериментального двигателя с искровым зажиганием на спиртовых топливах приведены на рисунках 6-12. Работа двигателя на спиртоводных смесях исследовалась на режиме работы двигателя с незначительным обеднением ( ? 1,3).

На рис. 6 приведены значения среднего эффективного давления, удельного эффективного расхода топлива и теплоты в зависимости от содержания этанола в спиртоводном растворе. Обработка индикаторных диаграмм (рис. 6, а) показала, что увеличение концентрации воды в спиртоводном растворе не снижает среднее индикаторное давление двигателя.



Рис. 5 Схема конструкции для реализации унифицированного рабочего процесса: 1 - поршень; 2 - струя топливовоздушной смеси; 3, 4 - устройства дозирования топлива и воздуха; 5 - поршень компрессор-форсунки; 6 - компрессор-форсунка; 7 - свеча зажигания; 8 - привод компрессор-форсунки от вала двигателя (условно); 9 - катушка системы зажигания

Несколько завышенный расход спиртоводных растворов по сравнению с дизельным топливом объясняется меньшей теплотворной способностью этанола. Однако пересчет на энергетический эквивалент (рис. 6, в) показал, что удельный эффективный расход теплоты спиртоводных смесей (величина обратная эффективному кпд) в предложенном рабочем процессе ниже, чем в базовом дизельном варианте.

На рис. 7 приведены зависимость выбросов оксидов азота и изменения содержания оксида и диоксида углерода от содержания воды в спиртоводном растворе. При больших содержаниях воды наблюдается значительное снижение выбросов оксидов азота (рис.7, а), соизмеримое с выбросами в двигателях с гомогенным зарядом, где организуется сжигание бедных предварительно перемешанных смесей. Снижение оксидов азота в описываемом способе не вызывает снижения удельной мощности двигателя.

Исследования подтвердили возможность эффективной работы двигателя на водных растворах этанола с высоким содержанием воды в спиртоводном растворе и показали достижение радикального снижения выбросов оксидов азота при увеличении количества воды в спиртоводной смеси без увеличения выбросов продуктов неполного сгорания.

Рис. 6 Влияние содержания спирта в топливе на мощностные и экономические показатели двигателя: а - изменение среднего эффективного давления; б - изменение удельного эффективного расхода топлива; в - изменение удельного расхода теплоты

С увеличением содержания воды в спиртоводном растворе выбросы СО не увеличиваются (рис. 7, б), следовательно полнота сгорания не ухудшается.

Рис. 7 Влияние содержания спирта в топливе на экологические показатели двигателя: а - изменение оксидов азота NOx; б - изменение монооксида углерода CO и углекислого газа CO2

2.2 Применение спирта в дизелях

Возможные способы подачи спиртового топлива в цилиндры дизельного двигателя представлены на рис. 8 [22,31]. Подача метанола и этанола в дизель возможна несколькими способами: они могут впрыскиваться в чистом виде или в смеси с дизельным топливом в непосредственно цилиндры, подаваться во впускной трубопровод в жидкой фазе или в виде пара [44,50,59,66,117,225,284]. Непосредственное впрыскивание спирта в КС может осуществляться с помощью штатного ТНВД дизеля. Используется также непосредственная подача спирта в КС в виде эмульсии с дизельным топливом. Эффективными являются системы с раздельным впрыскиванием спирта и запальной дозы дизельного топлива в цилиндры дизеля.

Рис. 8 Способы подачи спирта в двигатель

При организации процесса сгорания спиртов в цилиндрах дизеля возникает проблема их воспламенения, поскольку спиртовые топлива имеют низкие цетановые числа. Воспламенение спиртов в условиях КС дизеля возможно с помощью дополнительно установленной свечи зажигания или накаливания. Эффективное воспламенение спиртовых топлив в дизелях достигается при подаче в КС запальной дозы дизельного топлива.

Исследовательские работы по адаптации дизелей для работы на метаноле и этаноле проведены крупнейшими двигателестроительными фирмами - Ford, General Motors, Detroit Diesel, Navistar, MAN, Daimler-Benz, Deutz, MWM, Volkswagen, Fiat, Volvo, Nissan Diesel, Mitsubishi, Isuzu, Hino Diesel, Toyota [1,80,82,93,112,130,151,153]. В СССР и России работы в данном направлении проведены в МАДИ [18,19, 35,36,47,48,53,54], НАМИ [11,12,13,50], Кировском Сельскохозяйственном институте [25-31,44,45], МИИТ [33,34], МГТУ им. Н.Э. Баумана [17], РУДН [6], Волгоградском политехническом институте [15]. Ряд исследований выполнено на Украине [10]. Рассмотрим некоторые результаты указанных исследований.

Подача спирта в двигатель в жидкой фазе

Следует отметить, что различия характеристик впрыскивания и распыливания дизельного топлива, спиртов и эфиров при их подаче в КС штатной топливной системой дизеля оказывает заметное влияние на характер протекания последующих процессов смесеобразования и сгорания [9,67,131,155,260]. Это обусловлено различиями физико-химических свойств дизельного топлива, спиртовых топлив (см. табл. 2). Для улучшения воспламенения спиртов в цилиндре дизеля применяют различные способы:

- используют присадки к спиртовым топливам;

- подают запальную порцию дизельного топлива;

- устанавливают дополнительную свечу накаливания;

- подают смесь дизельного топлива со спиртом в виде эмульсии;

- подают спирт в двигатель в газообразной фазе на впуске.

Использование присадки к топливу рассматривается в работе [150] где исследуются дизели фирмы Mercedes-Benz (Германия) на биоэтаноле. Испытаны автомобильные дизели моделей OM 352 и OM355/50, работающие на этаноле с присадкой TE6DN, изготовленной бразильской фирмой Britanite und Explo на основе триэтиленгликольденитрата. Эта присадка улучшает самовоспламенение этанола до требуемого уровня при ее добавке 4,5 % (об.). Результаты исследований показали, что при работе дизелей на этаноле с присадкой износы деталей одинаковы или даже ниже износов при работе на дизельном топливе. Рассмотрены методы определения самовоспламеняемости спиртовых топлив. Отмечено, что в Бразилии ведутся работы по практическому использованию спиртов, получаемых из сахарного тростника, в качестве спиртового топлива для дизелей. Отмечено также, что малый объем производства спиртов в ФРГ ограничивает исследовательские работы в этой стране в указанном направлении.

В работе [275] рассмотрена возможность перевода дизелей междугородных автобусов с дизелями фирмы Detroit Diesel на работу на метаноле с присадками, улучшающими воспламеняемость спирта и последующий процесс сгорания. Испытаны различные присадки, среди которых наилучшие результаты показала присадка Avocet, выпускаемая фирмой ICI America Inc. Определено оптимальное соотношение метанола и присадки и проведено оценочное сравнение токсичности ОГ при работе на метаноле с присадкой и на дизельном топливе. На основании результатов исследования двухтактный дизель без наддува типа 8V-71 фирмы Detroit Diesel был конвертирован на работу на метаноле. Модификация дизеля свелась к замене форсунок, повышению давления впрыскивания и изменению угла опережения впрыскивания топлива. При этом мощность дизеля возросла вследствие возможности уменьшения коэффициента избытка воздуха б. Характеристики сгорания и токсичность ОГ остались такими же, как и при работе на дизельном топливе. Существенно снизились уровень дымности ОГ и выбросы твердых частиц.

Воспламенение спиртов от запальной дозы дизельного топлива рассмотрено в работах [29,31] на модернизированном дизеле воздушного охлаждения Д-21А1 (2 Ч 10,5/12), схема топливоподачи которого представлена на рис. 9. В этой схеме топливоподачи дизельный двигатель работает одновременно на двух видах топлива (дизельном и альтернативном), т.е. становится двухтопливным. Причем, различие физических свойств дизельного и альтернативного топлив вынуждают применять двойную систему топливоподачи, содержащую две автономные топливоподающие системы. Метанол из бака 11 (рис. 9) через топливопровод 10 поступает к ТНВД 8, который через топливопровод 6 подает спирт к форсунке 5. Такая же топливоподающая система, содержащая бак 12, ТНВД 2, топливопроводы 13, 3 и форсунку 4, использована для подачи запальной дозы дизельного топлива. Вначале в камеру сгорания через форсунку 4 впрыскивается запальное дизельное топливо. После его воспламенения в факел распыленного дизельного топлива через форсунку 5 впрыскивается метанол. Причем, мощность дизеля регулируется изменением подачи метанола, а подача дизельного топлива постоянна и составляет 1 кг/ч при n=1800 мин-1. Такая организация рабочего процесса обеспечивает надежное воспламенение метанола в КС дизеля.

Рис. 9 Схема системы подачи в камеру сгорания дизеля метанола и запальной дозы дизельного топлива: 1, 9 - автоматические регуляторы; 2, 8 - ТНВД для подачи дизельного топлива и метанола; 3, 6 - топливопроводы высокого давления; 4, 5 - форсунки для впрыскивания дизельного топлива и метанола; 7 - камера сгорания; 10, 13 - топливопроводы низкого давления; 11, 12 - баки с метанолом и дизельным топливом

Результаты исследований дизеля Д-21А1 с описанной системой топливоподачи представлены на рис. 10. Следует отметить значительно меньшие концентрации в отработавших газах (ОГ) оксидов азота NOх при работе дизеля на метаноле. В широком диапазоне нагрузочных режимов содержание NOx в ОГ снижается в 3-4 раза. Для сгорания метанола характерно и существенное снижение дымности ОГ, равное 40-50 % на режимах с полной нагрузкой. Кроме указанных выше причин это обусловлено также меньшим содержанием в метаноле углерода и большим содержанием кислорода. В то же время следует отметить, что при работе дизеля на метаноле на режимах с неполной нагрузкой наблюдается некоторое увеличение эмиссии других токсичных компонентов - углеводородов СHx и монооксида углерода СО. Отмечается также увеличение удельного эффективного расхода gе спиртового топлива. На режиме наилучшей экономичности переход с дизельного топлива на метанол сопровождается повышением ge с 240 до 470 г/(кВтч), что связано с низкой теплотой сгорания метанола (19670 против 42500 кДж/кг у дизельного топлива Л).

В работе [80] представлены результаты аналогичных экспериментальных исследований автомобильного дизеля фирмы Volvo с двумя системами впрыскивания для раздельной подачи основного спиртового топлива и запального дизельного топлива. Испытан шестицилиндровый рядный дизель с турбонаддувом типа TD100A с рабочим объемом iVh=10 л и степенью сжатия е=15.



Рис. 10 Зависимость содержания в ОГ оксидов азота СNOx, монооксида СCO и диоксида СCO2 углерода, углеводородов CCHx, дымности ОГ Kx от нагрузочного режима (среднего эффективного давления pе) дизеля Д-21А1, работающего на дизельном топливе (1) и на метаноле с запальной дозой дизельного топлива (2) на режиме с n=1800 мин-1

При работе на спирте снижаются дымность и температура ОГ перед турбиной. Повышенная интенсивность сгорания метанола приводит к увеличению максимального давления сгорания рz и индикаторный КПД зi. Максимальная подача топлива на режиме Ме max не ограничивается повышенной дымностью ОГ, как в обычном дизеле. При работе на режимах внешней скоростной характеристики во всем скоростном диапазоне выброс СНх с ОГ оказался ниже, чем в обычном дизеле. Добавление к метанолу 15 % воды не влияет на мощность дизеля, однако для достижения максимальной мощности необходимо увеличение цикловой подачи топлива с целью компенсации пониженной теплоты сгорания смеси. Испытания на этаноле с добавлением различного количества воды показали, что мощность дизеля сохраняется на одном уровне при содержании воды в этаноле до 50 %, а при большем содержании воды мощность дизеля снижалась. При содержании воды около 80 % воспламенение этанола становилось невозможным.

Длительные стендовые испытания дизеля на метаноле, проведенные в два этапа (каждый по 1000 ч), показали, что износ деталей двигателя и топливной аппаратуры соответствует износам, характерным для серийных дизелей, а износ гильз цилиндров был меньше. Для уменьшения износа топливной аппаратуры к метанолу добавлялось касторовое масло в количестве 1 % (об). Эксплуатационные испытания описанной двухтопливной системы проведены на большегрузном автомобиле с прицепом общей массой 42 т. Расход метанола составил 65 л на 100 км, запального дизельного топлива - 13 л. Износ деталей дизеля и топливной аппаратуры в течение 30000 км пробега автомобиля не превысил обычный. Аналогичные результаты испытаний подобных систем приводятся в работах [81,120,122,123,197,200,225,227,270]. Недостатком описанной системы топливоподачи является усложнение головки цилиндров, в которой необходимо разместить две форсунки.

Японская фирма Isuzu разработала систему подачи дизельного топлива и этанола одной форсункой в неразделенную КС дизеля легкового автомобиля (рис. 11) [111,127]. Дизельное топливо подается к форсунке 9 от ТНВД 1 через нагнетательный клапан 2, топливопровод 12 и воздействует на запорную иглу 10 форсунки, поднимая ее. При посадке нагнетательного клапана на седло происходит отсечка топлива, а разгружающий поясок клапана создает отсасывающий эффект и вызывает разрежение в полости нагнетания. Это разрежение открывает клапан 8, и спирт из емкости 3 по магистрали 4 подкачивающим насосом 5 через фильтр 7 подается в канал 11 форсунки 9. Спиртовое топливо находится под избыточным давлением в магистрали между насосом 5 и клапаном 8, определяемым перепускным клапаном в магистрали 6. Смешение топлив происходит в канале 11 форсунки 9, поэтому ТНВД защищен от работы на маловязком спиртовом топливе. Разработчики описанной системы топливоподачи утверждают, что она позволяет осуществить подачу любого жидкого альтернативного топлива, включая растительные масла.

Рис. 11 Схема системы подачи спиртового и дизельного топлив в дизель легкового автомобиля фирмы Isuzu: 1 - ТНВД; 2 - нагнетательный клапан; 3 - емкость со спиртовым топливом; 4,6 - магистрали; 5 - подкачивающий насос; 7 - фильтр; 8 - клапан; 9 - форсунка; 10 - запорная игла; 11 - канал; 12 - топливопровод

Проведенные экспериментальные исследования представленной системы топливоподачи показаны на рис. 12.

По результатам испытаний отмечено значительное снижение дымности ОГ при переводе двигателя с дизельного на смесевое топливо. На режимах с полной нагрузкой (при ре=0,7-0,8 МПа) дымность ОГ снизилась в два раза, что объясняется улучшением качества процесса смесеобразования при работе на смеси дизельного и спиртового топлив, а также содержанием в молекулах спиртового топлива значительного количества кислорода.



Рис. 12 Зависимость объемного содержания этанола в смесевом топливе Cэт, дымности отработавших газов Kх и выделившейся при сгорании топлива энергии Qвыд от нагрузки (среднего эффективного давления ре) на скоростных режимах n=1000 мин-1 (а) и n=2100 мин-1 (б) дизеля легкового автомобиля фирмы Isuzu: 1 - смесевое топливо; 2 - дизельное топливо

Аналогичная подача этанола и дизельного топлива в КС дизеля через одну форсунку осуществляется и топливной системой, разработанной в ГТУ «МАДИ» [35,36,47,48]. Эта система в начале впрыскивания обеспечивает преимущественную подачу дизельного топлива (до 80 %), а окончание подачи смесевого топлива в КС происходит с преимущественным содержанием этанола (до 60 %). Испытания дизеля Д-120 (2 Ч 10,5/12), укомплектованного этой топливной системой, подтвердили ее эффективность при улучшении показателей токсичности ОГ. В частности, на режиме максимального крутящего момента дымность ОГ снизилась в 1,5-2,0 раза по сравнению с работой на чистом дизельном топливе.

Воспламенение спиртов от свечи накаливания использовано для адаптации транспортных дизелей к работе на спиртовых топливах предлагается фирмой Detroit Diesel (США) [92,105,115,173,174,176,198,234,269,282]. Всего фирмой рассмотрено десять вариантов питания при переводе дизелей транзитных автобусов на метанол, среди которых как работа на чистом метаноле, так и использование метанола в сочетании с дизельным топливом. Из этих вариантов выбран впрыск метанола под высоким давлением и его воспламенение от свечей накаливания. Это обусловлено тем, что надежное воспламенение метанола происходит при температурах порядка 700о С, что на режимах с малыми нагрузками почти на 200о С выше действительной аппаратуры.

При исследовании дизеля 6V-92TA [198], работающего на метаноле, получено снижение выбросов с ОГ оксидов азота NOх в 2 раза при одновременном уменьшении эффективного КПД дизеля на 5-7 % по сравнению с работой на дизельном топливе. Одновременно имело место некоторое увеличение выбросов продуктов неполного сгорания топлива - монооксида углерода СО и углеводородов СНх. В то же время показаны возможности снижения эмиссии этих токсичных компонентов.

Дизельный двигатель, в котором осуществляется непосредственное впрыскивание метанола в КС в поршне (рис. 13) и его воспламенение от свечи зажигания, разработан фирмой Navistar (США) [77,78]. Испытания дизеля Navistar DT-466 размерности S/D=135,9/109,2 с рабочим объемом iVh=7,64 л, степенью сжатия е=18,6 и турбонаддувом на метаноле показали возможность улучшения экологических показателей двигателя и удовлетворения норм Калифорнийского стандарта США 1994 г. на токсичность ОГ по всем нормируемым токсичным компонентам.



Рис. 13 Установка форсунки и свечи зажигания в головке двигателя Navistar DT-466: 1 - горячая поверхность свечи; 2 - свеча зажигания; 3 - электрический разъем; 4 - форсунка

Работы по адаптации дизелей к работе на метаноле и этаноле проведены фирмой Ford (США) [191,262,263]. Применение спиртовых топлив потребовало увеличения степени сжатия до е=19,0, а также проведения дополнительных исследований по оптимизации положения свечей накаливания. Использование спиртовых топлив позволило увеличить мощность дизеля на 9-15 %, повысить эффективный кпд на 2 % (при испытаниях по 13-ступенчатому испытательному циклу США), а также уменьшить выброс оксидов азота NOх с ОГ на 4 %. Уровень дымности ОГ практически не изменился. Указывается на то, что для снижения выброса углеводородов СНх и альдегидов необходимо применение каталитических нейтрализаторов. Требуют решения вопросы эрозионного изнашивания системы принудительного воспламенения топлива вследствие высокого уровня подводимой электрической мощности и разработки более простых ее вариантов, пригодных для серийного производства.

Фирмой Volkswagen (Германия) исследовано несколько способов использования спиртовых топлив в дизельных двигателях как с разделенными, так и с неразделенными КС [91,121,157,195,196,284]. Разработан и испытан вариант подачи метанола и этанола в КС дизеля Wolkswagen TDI 1.9L с воспламенением рабочей смеси свечей (рис. 14).

Рис. 14 Схема подачи спиртового топлива в камеру сгорания дизеля Wolkswagen TDI 1.9L: 1 - поршень; 2 - распылитель форсунки; 3 - головка цилиндров; 4 - свеча зажигания

При испытаниях дизеля 1.9L отмечено, что термический кпд двигателя, работающего на метаноле и этаноле, сохранился на уровне как и на дизельном топливе (рис. 15).

Рис. 15 Характеристики термического кпд дизеля Volkswagen TDI 1.9L, работающего на дизельном топливе (а), метаноле (б) и этаноле (в)

На рис. 16 представлены характеристики удельных выбросов оксидов азота еNOx и несгоревших углеводородов еCHx дизеля Volkswagen TDI 1.9L, работающего на метаноле. Организация процесса регулируемой рециркуляции ОГ в сочетании с более медленным выделением теплоты при сгорании метанола обеспечили низкий уровень выбросов оксидов азота, не превышающий на большинстве эксплуатационных режимов уровня еNOx=0,1-0,2 г/(кВт·ч) (рис. 16, а).

Рис. 16 Удельные выбросы дизеля TDI 1.9L при работе на метаноле: а - оксидов азота еNOx; б - несгоревших углеводородов еCHx

Использование системы каталитической нейтрализации ОГ в дизеле Volkswagen TDI 1.9L позволило достичь сравнительно низкого уровня выбросов несгоревших углеводородов, не превышающего значения еСНx=0,2 г/(кВт·ч) в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов (рис. 16, б). Характеристики удельных выбросов монооксида углерода в работе [91] не приведены, поскольку во всем поле исследованных режимов эти выбросы были очень незначительны и не превышали уровня еСО=0,2 г/(кВт·ч). Выбросы твердых частиц и альдегидов при испытаниях дизеля Volkswagen TDI 1.9L не определялись. Однако, ранее проведенные исследования работы [90] подтвердили возможность их доведения до очень низкого уровня с использованием системы очистки ОГ и их каталитической нейтрализации.

Подача метанола и этанола в дизель в виде смеси или эмульсии с дизельным топливом штатной системой топливоподачи затруднена из-за их разных физических свойств. Для повышения стабильности эмульсии используют поверхностно-активные вещества (эмульгаторы). Топливные эмульсии подаются в цилиндры дизеля штатной системой топливоподачи и не требует серьезных переделок двигателя.

Из данных, представленных на рис. 17, следует, что при работе исследуемого дизеля Д-21А1 на эмульсии дизельного топлива с метанолом (МТЭ) содержание оксидов азота в ОГ уменьшилось почти в 2 раза [45].

спирт топливо дизель двигатель

Рис. 17 Зависимость содержания в ОГ оксидов азота СNOx, монооксида СCO и диоксида СCO2 углерода, углеводородов CCHx, дымности ОГ Kx от нагрузочного режима (среднего эффективного давления pе) дизеля Д-21А1, работающего по дизельному циклу (1) и с подачей в КС метаноло-топливной эмульсии с содержанием метанола 10% (2), 20% (3) и 30% (4) на режиме с n = 1800 мин-1

Содержание сажи в ОГ (дымность Kx) также снижается, так как спирты обладают меньшей склонностью к дымлению из-за наличия в их молекулах значительного количества атомов кислорода. Причем, значительное снижение дымности ОГ отмечается практически на всех нагрузочных режимах работы дизеля.

Содержание в ОГ исследуемого дизеля Д-21А1, работающего на МТЭ, других токсичных компонентов незначительно отличается от аналогичных показателей при работе на дизельном топливе. Таким образом, применение МТЭ в дизелях значительно снижает суммарную токсичность их ОГ, не требует значительных конструктивных изменений и является одним из перспективных методов улучшения экологических показателей дизелей.

Существенным недостатком перевода двигателя на работу со спиртосодержащими эмульсиями является их нестабильность, которая может привести к полному расслоению эмульсии и разделению ее на две самостоятельные фазы [37,109,132]. Для стабилизации метаноло-топливных эмульсий в них добавляют высшие спирты (изопропанол, гексанол и др.), используют различные поверхностно-активные вещества (эмульгаторы): нефтяной сульфонат, эдималь, амикром, сукцинимид [3,26,258].

Лучшей смешиваемостью с дизельным топливом обладает этанол. Фирмой Cummins (США) разработан шестицилиндровый четырехтактный дизель сельскохозяйственного назначения, работающий на смеси дизельного топлива (88,7 %), этанола (10 %), эмульгаторов (1,3 %) и присадок, повышающих цетановое число смеси (0,001 %) [194]. Дизель Cummins С8.3 размерности S/D =135/114 с рабочим объемом iVh=8,27 л и турбонаддувом имел мощность Nе=224 кВт при n=2200 мин-1. Испытания дизеля подтвердили улучшение экологических показателей двигателя при работе на смесевом топливе.

...