CC BY
144Новая концепция применения спиртов в качестве альтернативного моторного топлива
В.И. Ерохов, профессор МГТУ «МАМИ», д.т.н.
В статье изложена современная методология применения спиртов в качестве моторного топлива. Предложен показатель парникового эффекта топлива. Изложены результаты испытаний двигателей при работе на спиртах, а также механизм образования сажи при использовании спиртов. Приведены методы расчета параметров систем подачи спиртов и стратегия нормирования выбросов СО2. Применение спиртов сокращает выброс парникового газа в два с лишним раза. Разработана концепция применения спиртов в бензиновых двигателях и дизелях.
Ключевые слова: биотопливо, показатель парникового эффекта, парниковые газы, метиловый и этиловый спирты, нормирование парниковых газов, эффективность биотоплива.
The new concept of application of spirits as motor fuel
V.I. Erokhov
The modern methodology of application of spirits as motor fuel is stated. The parameter of a hotbed effect of fuel is offered. Results of tests of engines are stated at work on spirits. The mechanism of formation{education} of soot is stated at use of spirits. Methods of calculation of parameters of systems of submission of spirits are resulted{brought}. Strategy of normalization of emissions OD2 is resulted{brought}. Application of spirits reduces emission of hotbed gas in two with superfluous time. The concept of application of spirits in petrol engines and diesel engines is developed.
Keywords: biofuel, a parameter of a hotbed effect, hotbed gases, methyl and ethyl spirits, normalization of hotbed gases, efficiency of biofuel.
Развитие современного двигате-лестроения предопределяется достаточной обеспеченностью первичными энергоресурсами и уровнем их экологических характеристик. Мировые запасы минерального сырья (нефти) для производства жидкого моторного топлива неизбежно сокращаются.
Планируемая с 2012 г. норма выброса парниковых газов СО2 135 г/км, а в недалеком будущем 90 г/км требует принципиально новых технических решений. Выброс СО2 пропорционален расходу топлива и содержанию в
нем углерода. Образование СО2 происходит в соответствии с известной химической реакцией
С + 02 <^>СОг.
При полном сгорании 1 кг углерода в результате химической реакции выделяется 3,67 кг диоксида углерода. Важным условием является применение энергоносителей с низким содержанием углерода в базовом топливе. Применение спиртов, содержащих в два раза меньше углерода, или метанола заметно снижает выброс СО2. Применение спиртов целесообразно рассмотреть с учетом складывающейся
гт
^СоцйК»*
экологической ситуации. Эффективность применяемого биотоплива можно оценить с помощью предложенного показателя парникового эффекта топлива
1/ _ ^СП
пэт ~ ^ ' бт
где К - показатель экологичес-
т пэт
кой эффективности топлива; Ссп - концентрация углерода в спирте, %; Сбт - концентрация углерода в базовом топливе, %.
Показатель парникового эффекта топлива Кпэт изменяется в пределах от 0 до 1% (при 1% содержание углерода достигает - 100 %).
Целью данной работы является разработка современной концепции применения спиртов в бензиновых и дизельных двигателях. В задачу входит определение эффективности производства и применения спиртов, оценка особенности их применения в дизелях и бензиновых двигателях.
Спирты представляют собой простейшие органические соединения, содержащие в молекулах одну или нескольких гидроксильных групп ОН. В зависимости от числа этих групп спирты подразделяются на одноатомные, двухатомные и многоатомные. Метанол обладает высокой морозоустойчивостью. Компонентный состав таких смесей может быть представлен добавкой воды в количестве 5-8% и метанола 10-12%. Использование метанола в сложной смеси позволяет понизить температуру замерзания водной фазы.
Метиловый спирт (метанол) имеет высокое октановое число (ОЧ) и высокий уровень пожароопасности. Он плохо растворяется в бензине. Для предупреждения расслоения смесей добавляют поверхностно-активные спирты-стабилизаторы в виде бута-нола и пропанола. Метанол в виде присадки к бензинам оказывает сложное физико-химическое влияние на детонационную стойкость горючей смеси. ОЧ бензометанольной смеси находится в сложной зависимости в сравнении со смесью изооктана и гептана, имеющей пропорциональную зависимость. Высокое ОЧ исходного бензина снижает эффект применения
метанола. Температура отработавших газов (ОГ) двигателей при работе на бензометанольной смеси на 30-60°С ниже в сравнении с базовыми ДВС.
Применение метанола в качестве топлива сопровождается повышенным износом ЦПГ, вызванным попаданием его капель на стенки цилиндра и разрушением смазывающей пленки масла. Для преодоления этого недостатка используют предварительно испаренный метанол [1-3]. Метиловый спирт смешивается во всех соотношениях с водой и большинством органических растворителей. Наиболее простой способ применения метанола - в качестве компонента бензина, к которому он добавляется в количестве 5-30% (по массе).
Этиловый спирт (этанол) (С2Н5ОН) представляет собой бесцветную подвижную жидкость с характерным запахом и жгучим вкусом винного спирта. Этанол имеет высокое ОЧ, обеспечивающее эффективность его применения на АТ.
Бутиловый спирт (С4Н9ОН) представляет собой бесцветную жидкость со спиртовым запахом. Синтетический бутиловый спирт получают из синтез-газа (смеси СО и Н2) в присутствии катализатора.
Спирты обладают высоким ОЧ, имеют меньшую теплотворную способность, низкую упругость паров и температуру кипения в сравнении с бензином. Максимальная скорость горения паровой смеси спирта составляет 0,572 м/с.
Применение метанола обеспечивает расширение пределов эффективного обеднения топливно-воздушной смеси и эффективную работу двигателя на смесях в границах устойчивой работы а = 1,06-1,10. Большая теплота испарения сопровождается значительным охлаждением топливовоз-душного заряда. Добавка 3-5% метанола к бензину практически не влияет на мощностные и экономические характеристики, но позволяет замещать часть базового топлива и работать на бензине с несколько меньшим ОЧ. В этом случае стабилизатор метаноль-но-бензиновой смеси (например, изо-бутиловый спирт) можно исключить.
Малое цетановое число (ЦТ) спиртов характеризует низкие показатели самовоспламенения, вызывающие необходимость использования запальной дозы ДТ. Низкая температура кипения спиртов увеличивает риск возникновения паровых пробок в топливопроводах. Смесь воздуха со спиртом над поверхностью жидкого топлива в баке находится в пределах воспламеняемости. При температуре -20°С доля топлива в воздухе для метанола составляет 1%, а при температуре +40°С достигает 35%. Практические пределы воспламеняемости смеси метанола с воздухом составляют 6,7-35% в пределах температур 9-40°С.
Спирты имеют меньшую в сравнении с бензином теплотворную способность, низкую упругость паров и температуру кипения. Теплота сгорания метанола 24 МДж/кг и заметно меньше в сравнении с бензином (44 МДж/кг). Для сохранения эксплуатационных качеств расход метанола должен быть существенно увеличен.
Экологическиесвойства спиртов
Метиловый спирт наркотически воздействует на центральную нервную систему. Прием его внутрь организма в количестве 5-10 мл опасно для жизни и приводит к тяжелому отравлению, а 30 мл приводят к смерти. Метанол можно хранить и транспортировать в емкостях различными способами, аналогичными бензину. Порог восприятия запаха метанола составляет 30-50 мг/дм3.
Действие паров метанола выражается в раздражении оболочек глаз и более высокой подверженности заболеваниям верхних дыхательных путей, головной боли и расстройстве зрения. Метанол может проникать в организм через неповрежденную кожу.
Этанол представляет собой наркотическое вещество и вызывает алкогольное возбуждение. Применение этанола в больших дозах угнетает функции центральной нервной системы. Он хорошо смешивается с водой, эфиром, ацетоном в любых пропорциях.
Производство спиртов
Первоначально получение метилового спирта было связано с сухой перегонкой древесины. Впервые метанол был обнаружен в древесном спирте в 1661 г., но лишь в 1834 г. был выделен из продуктов сухой перегонки древесины. Метиловый спирт до 20-х гг. прошлого столетия получали как побочный продукт сухой перегонки древесины.
Мировое производство метанола в последние годы составляет свыше 20 млн. т в год. Сырьем для современного производства служит природный, коксовый и другие углеродосодержа-щие газы, из которых получают смесь СО и Н2 в соотношении 1:2. Впервые метод синтеза метанола из СО и H2 разработан в 1913 г. Синтетический способ получения метанола протекает на цинк-хромовом катализаторе при давлении 25-35 МПа и температуре 380°С. Промышленный масштаб получения метанола осуществлен в 1923 г. в Германии.
История развития отечественного промышленного синтеза метанола началась в 1934 г. выпуском 30 т/сут. метанола на двух небольших агрегатах Новомосковского химического комбината. Сырьем для производства метанола служат природный газ (ПГ), нефтяные фракции, кокс и уголь. Процесс получения метанола основан на взаимодействии Н2 и СО путем каталитического гидрирования СО синтез-газа (смесь СО и Н2).
В послевоенный период было построено несколько установок производительностью 25-30 тыс. т в год. Технология производства метилового спирта проста и не требует чрезмерных затрат. Метанол получают путем каталитической гидрогенизации СО под высоким давлением экзотермической реакции
2СО + ЗЯ2 о 2СНъОН + 8%МкДж.
Катализатором служит смесь окислов цинка и хрома с добавкой графита и воды. Более перспективен способ получения метанола из ПГ, состоящего почти на 100% из метана. Для получения спирта можно применять любой газ, содержащий СО и Н2. Суммарная реакция получения метанола
на основе синтез-газа представлена уравнением
С02 + ЗЯ2 о СН3ОН + Н20 . В последние годы разработана технология получения этилового спирта из метилового, а также путем прямой конверсии синтез-газа
4Я2 + 2СО, <г-> СН5ОН + Н20. Для получения 1 т спирта требуется 1,5 т угля, а стоимость его производства по действующим технологиям на 20% выше. В ближайшее время технологические способы производства спиртов из угля станут конкурентоспособными. При производстве метилового спирта из древесины (с выходом 1 т из 2,2 т исходного сырья) его стоимость близка к стоимости метилового спирта, полученного при переработке угля, но значительно выше, чем при использовании газа.
В 1930-50 гг. разработано несколько способов синтеза этилового спирта из химического сырья. Перспективен промышленный метод получения этанола путем частичного окисления метана водой. Современный способ получения этанола связан с одностадийной прямой гидратацией этилена СН = СН2 + Н20 <-> С2Н5ОН. Химическая реакция получения этанола протекает на фосфорно-кис-лотном катализаторе при 280-300°С и давлении 0,72-0,83 МПа. Этанол получают также на основе биологических процессов из сахарного тростника, свеклы, зерновых и других растительных культур.
Существующие мощности производства метанола базируются на традиционных технологиях. На первой стадии представляется паровая, парокислородная или углекислотная конверсия метана в присутствии катализатора при температурах 700-900°С и давлении 2-3 МПа. На второй стадии осуществляется конверсия полученного синтез-газа в метанол в каталитических реакторах или проводится процесс Фишера-Тропша с получением моторных топлив дизельной группы.
Мировое производство синтетического этанола превышает 2,5 млн. т в год. В ряде стран широкое применение в качестве моторного топлива получил газохол - смесь бензина с
этанолом, полученным ферментацией различных сельскохозяйственных культур. В ближайшем будущем в нашей стране этанол не получит широкого применения из-за относительно высокой его стоимости и известных преимуществ других видов альтернативного топлива.
Применение спиртов в ДВС с принудительным воспламенением
В Германии с 1930 г. в бензин добавляли 5% этанола, а с 1932 г. уже 10% этанола. Начиная с 1936 г. в качестве смесевого состава топлива применяли метанол с этанолом.
Использование метанола в качестве топлива позволяет существенно обеднять горючую смесь. Применение метанола в смеси с бензином позволяет использовать серийную аппаратуру бензинового двигателя с минимальной степенью модернизации. Пластмассовые детали, соприкасающиеся с метанольной смесью, необходимо заменить на более стойкие элементы. При добавке к бензину 15% метанола и одновременного увеличения степени сжатия мощность ДВС увеличивается на 8-10%. Улучшение смесеобразования повышает экономичность работы ДВС на малых и средних нагрузках на 7 и 3% соответственно. На больших нагрузках расход топлива уменьшается на 1,5-2,0%. При неизменных дозирующих элементах системы питания происходит обеднение горючей смеси до 10%. Небольшие конструктивные изменения связаны с установкой жиклеров увеличенной производительности на 10-15%.
Введение метанола повышает ОЧ на 3-8 ед. для 15%-ной добавки метанола, что позволяет компенсировать ухудшение энергетических показателей за счет повышения степени сжатия. Применение метанола улучшает процесс сгорания топлива из-за образования радикалов, активизирующих цепные реакции окисления. Добавка метанола сокращает период задержки воспламенения и продолжительность сгорания топлива. Теп-лоотвод из зоны реакции горения снижается, а предел обеднения смеси
расширяется и становится максимальным для чистого метанола.
При работе двигателя на метаноле снижается тепловая напряженность деталей ЦПГ, уменьшается закоксо-вывание и образование нагара ЦПГ, увеличивается срок службы масла. Недостаток способа связан с невозможностью работы топливной системы на непрогретом ДВС и опасностью конденсации метанола на стенках впускного трубопровода (ВТ), сопровождающейся повышенным износом ЦПГ.
Испытание автомобиля «Волга» ГАЗ-3110 на бензо-метанольной смеси БСМ-15, состоящей из 78% бензина А-76, 7% изобутана и 15% метанола обеспечивает снижение расхода бензина на 14% в сравнении с бензиновым вариантом (А-76). Попадание воды в бензиновую метанольную смесь сопровождается ее расслоением. Высокая теплота испарения обеспечивает возможность повышения коэффициента наполнения и применения высокой степени сжатия. Антидетонационный эффект добавки метанола в бензин выше в сравнении с простым подмешиванием высокооктанового топлива. Подобный эффект можно объяснить легкостью разложения метанола в двигателе при высоких температурах.
При добавлении к бензину 15% метанола и одновременном увеличении степени сжатия мощность двигателя увеличивается на 8-10%. Содержание СО в этом случае понижается до 4050%, но при некотором увеличении содержания N0^ Применение бензиновой метанольной смеси, содержащей 15% спирта, не требует существенных конструктивных изменений ДВС и его систем. Изменение конструкции связано с установкой жиклеров увеличенной на 10-15% пропускной способности. При е = 8,6, п =2000 мин-1 для смеси М20 (20% метанола) в области а = 1-1,3 эффективный КПД повышается на 3%, мощность на 3-4%, а расход топлива увеличивается на 8-10%. Добавки метанола к бензину способствуют снижению выбросов СО и NО на 38 и 8% соответственно.
х
При работе ДВС на спирте расход топлива увеличивается из-за его
"ТЭО—I
300— £
800
1200
1600
2000
2400
2800
3200 п, мин
-I
Рис. 1. Внешняя скоростная характеристика двигателя ЗМЗ-513 при работе на метаноле и бензине: х---х - спирт; o---o - бензин
низкой теплотворной способности: этанола - на 66%, метанола - на 120%. Для сохранения запаса хода автомобиля необходимо увеличить вместимость топливного бака, проходные сечения топливных трубопроводов и размеры поплавковой камеры.
Высокая теплота испарения спиртов сопровождается образованием
конденсата на электродах свечей. Холодный пуск вызывает затруднение. Для облегчения запуска применяют высокооктановые бензины или эфиры, а затем переходят на спирт. Целесообразно применение более холодных свечей зажигания. Низкое давление насыщенных паров и высокая теплота испарения спиртов
Таблица
Сравнительная оценка ОГ на различных видах моторного топлива
Топливо Вредные примеси, г/км Расход топлива,
СО С Н m п ^2 л (кг)/100 км
Бензин 57,0 6,2 6,9 338 15,0/10,8 кг
БСМ-15 50,0 5,6 6,2 318 16,1/12,2 кг
Метанол 35,5 4,2 5,8 246 22,5/18,0 кг
практически исключают запуск карбюраторных двигателей при температуре ниже +10°С. Улучшение пусковых качеств спирта обеспечивают путем добавки 4-6% изопентана или ДМЭ, обеспечивающих пуск холодного двигателя при температуре от -20°С до 25°С.
Различие плотности бензина и метанола и высокая растворимость последнего в воде приводят к расслоению и осаждению водно-метанольной фазы. Склонность к расслоению усиливается с понижением температуры, увеличением концентрации воды и уменьшением содержания ароматических соединений в бензине. При содержании от 0,2 до 1,0% воды в смеси температура расслоения повышается от -20°С до +10°С.
Внешняя скоростная характеристика двигателя ЗМЗ-513 при работе на метаноле и бензине приведена на рис. 1. Использование метанола сопровождается увеличением эффективного КПД двигателя и его мощности, но ведет к ухудшению топливной экономичности. При работе ДВС со степенью сжатия, равной 8,5, на метаноле мощностные показатели возросли на 4%, а расход топлива в весовом отношении возрос в два раза.
В дорожных условиях массовый расход метанола автомобиля ГАЗ-33075 при движении с установившейся скоростью 60 км/ч составил 37,5 л/100 км против 25 л/100 км при работе на бензине. Метанол позволяет применять его в качестве топлива без присадок бензина. В этом случае необходимо увеличить подогрев горючей смеси, улучшить пусковые характеристики холодного двигателя, изменить состав смеси. Сравнительные испытания двигателя на бензине и метаноле приведены в таблице.
Уменьшение пропусков зажигания из-за способности двигателя эффективно работать на обедненной до 25% горючей смеси сопровождается снижением температуры ОГ на 100°С, а также позволяет использовать более поздние углы опережения зажигания. Применение метанола в качестве компонента к бензину повышает топливную экономичность на 5-14%,
уменьшает содержание СО в ОГ на 7-14%, понижает температуру ОГ на 5-10% и улучшает динамику автомобиля на 5-7%. Эффективный КПД возрастает при добавке метанола на 35-40%.
Устойчивая работа двигателя на бензиновой метанольной смеси, содержащая 20% метанола, имеет место при изменении а от 1,02 до 1,1. Если увеличить содержание метанола до 50%, то такая смесь станет обедненной, вызывая перебои в работе двигателя из-за пропусков воспламенения. Изменяя а, можно обеспечить состав горючей смеси близким к максимальной воспламеняемости рабочей смеси.
Компонентный состав таких смесей может быть получен добавкой воды 5-8% и метанола 10-12%. В этом случае ОЧ повышается на три пункта. Работа бензинового двигателя на вод-но-метанольной смеси обеспечивает улучшение топливной экономичности на 3-5%. Содержание метанола в смеси в пределах 4-5% по объему не требует проведения конструктивных мероприятий. Оптимальной величиной является добавка метанола в количестве 10-15% путем коррекции регулировок элементов систем питания.
Смесь бензина, содержащая 15% метанола и 7% изобутилового спирта, добавляемого в качестве стабилизатора, обеспечивает повышение на 6% динамических качеств автомобиля, большую на 3-5% мощность двигателя, меньший выброс N0 и С Н на
1 х т п
30-35% и 20% соответственно при одновременной экономии бензина до 14%. При работе на такой смеси необходимо увеличить проходные сечения топливных жиклеров на 18-20% и оборудовать систему питания дополнительным сливным трубопроводом, увеличить в два раза вместимость топливного бака, а также уточнить регулировку топливной аппаратуры. Наиболее пригодна бензо-метанольная смесь с содержанием метанола 15 и 30% (БМС-15 и БМС-30) в бензине Аи-95.
Перевод двигателей на чистые спирты позволяет увеличить степень сжатия до 12-14 ед. Применение спиртов обеспечивает высокую детонационную стойкость во всем диапазоне
рабочих смесей. Эффективный КПД возрастает при добавке метанола до 35-40%.
Повышение неравномерности распределения горючей смеси сопровождается уменьшением КПД на 6-7%. Интенсивный подогрев воздуха, поступающего в карбюратор, обеспечивает улучшение показателей работы ДВС на спиртах. Величина 5% неравномерности не влияет на показатели работы двигателя.
При работе на бензо-метанольной смеси температура воздуха должна быть 310-315К, а на чистом метаноле 320-330К. Интенсивность подогрева впускного трубопровода должна быть увеличена в 2-5 раз. Мощность жидкостного подогрева недостаточна для эффективной работы. Применение газового подогрева ВТ обеспечивает эффективность применения метанола [4].
Низкая температура горения спиртов сопровождается снижением выделения N0x в 1,5-2 раза на единицу расходуемой энергии и топлива в сравнении с бензином. Улучшение полноты сгорания спиртовых смесей сопровождается заметным снижением СтНп - в 1,3-1,7 раза. Содержание СО остается на уровне бензина. Выбросы канцерогенных ароматических углеводородов на порядок ниже базового двигателя на бензине.
Выбросы альдегидов при работе на спиртовых смесях в 2-4 раза выше в сравнении с работой на бензине. Для метанола характерен повышенный выброс формальдегида, а при сгорании этанола образуется преимущественно ацетальдегид. Снижение альдегидов обеспечивают путем добавки к спиртам воды (до 5%) и различных присадок к топливу до 0,8%, подогрева воздуха на входе в двигатель.
Широко распространен бензин М85 - (смесь 85% метанола и 15% бензина). Применение чистого метанола создает определенные проблемы при холодном пуске двигателя, поэтому добавляют 15% бензина для повышения пусковых качеств. Топливная смесь М85 имеет ОЧ 100 ед. Более высокое ОЧ обеспечивает плавное сгорание при более высокой степени
ГШ
^СоцйК»*
сжатия в сравнении с бензином. Более высокая степень сжатия позволяет получить эффективную конструкцию двигателя, в которой можно оптимизировать расход энергии.
Добавка метанола сокращает период задержки воспламенения и продолжительность сгорания топлива. Теплоотвод из зоны реакции снижается, а предел обеднения смеси расширяется и становится максимальным для чистого метанола. Эксплуатационные свойства метанола хорошо проявляются при его использовании в смеси с бензином. Эффективность холодного пуска двигателя при высоком содержании метанола в топливной смеси или пониженных температурах обеспечивается путем электрического подогрева воздуха, топливовоздуш-ной смеси или добавки к топливу летучих компонентов. При содержании воды 600 млн-1 помутнение обычной смеси М15 начинается уже при -9°С, при -17°С смесь расслаивается, а при -20°С наступает практически полная дестабилизация. Добавка 1% изоп-ропанола снижает температуру расслоения почти на 10°С, а добавка 25% сохраняет стабильность смесей М15 даже с низким содержанием ароматических соединений в бензине практически до -40°С в широком диапазоне содержания воды.
Высокая стоимость и ограниченность производства стабилизаторов бензино-метанольных смесей предполагает использование бутанола, пропанола и этанола. Стабилизирующая присадка может быть получена в едином технологическом цикле совместного производства метанола и высших спиртов. Добавка спиртов изменяет фракционный состав базового топлива. В результате усиливается склонность к образованию паровых пробок в топливоподающих магистралях. Для 10% смеси метанола с бензином образование паровых пробок возможно при температуре окружающего воздуха на 8-11°С ниже, чем при использовании базового топлива. Содержание 10-15% метанола не вызывает коррозии стали, латуни и меди, а алюминий окисляется медленно с изменением цвета.
Добавка 2,5-3,0% бутанола обеспечивает устойчивость смеси этанола, содержащего 5% воды, с бензином при температуре до -20°С. Для зимней эксплуатации содержание бензиновых фракций увеличивается до 8-9%. Содержание воды в смеси допускается не более 1%. В смеси М15 из 85% бензиновых фракций содержится не менее 45% ароматических С Н.
1 т п
Актуальным является оптимальная организация подогрева впускного трубопровода или подогрева входящего воздуха.
Применение метилового спирта в дизелях
Спирты в сравнении с ДТ имеют пониженное самовоспламенение (ЦТ 3-10 ед.). Работа дизеля на смесевых составах может быть реализована без существенных конструктивных изменений двигателя.
Использование спирта в качестве моторного топлива в дизелях возможно благодаря низкой склонности к дымлению (высокое содержание О2),
высокому ЦЧ и небольшой задержке самовоспламенения. Улучшение экологических показателей дизеля сопровождается улучшением до 5% экономических его показателей в сравнении с работой на ДТ.
Метиловый спирт получил применение в качестве моторного топлива в транспортных дизелях. Испарение метанола со стенок камеры сгорания и его последующее выгорание происходит путем теплоизлучения в результате интенсивного теплового потока в объеме камеры сгорания. Пусковые качества двигателя при работе на трудно испаряемом метаноле хорошо обеспечиваются до температуры -20°С. Метанол, имея в своем составе кислород, интенсивно выгорает. Образующиеся на стадии быстрого сгорания N0х в ОГ эквивалентны работе двигателя на ДТ. В составе ОГ практически отсутствует сажа. Очень низкая в них концентрация СтНп и СО, сульфаты и твердые частицы отсутствуют.
Метанол улучшает процесс сгорания топлива благодаря образованию
Рис. 2. Зависимость содержания выбросов ВВ от нагрузочного режима при работе на метаноле с запальной дозой и ДТ: 1 - ДТ; 2 - метанол + ДТ; п = 1800 мин-1
радикалов, активизирующих цепные реакции окисления.
Зависимость содержания выбросов вредных веществ (ВВ) от нагрузочного режима дизеля 2Ч 10,5/12, работающего на метаноле с запальной дозой и ДТ, приведена на рис. 2. Результаты испытаний дизеля показали, что при работе дизеля на метаноле (кривая 2) содержание NОх снижается в 3-4 раза, что объясняется существенно меньшими скоростями тепловыделения и нарастания давления в дизеле [5].
Для сгорания метанола характерно существенное снижение дымнос-ти, равное 40-50% на режимах полной нагрузки. Это обусловлено меньшим содержанием в метаноле углерода и большим содержанием кислорода. При работе дизеля на метаноле с неполной нагрузкой наблюдается некоторое увеличение СтНп и СО, в ОГ также повышается содержание СО2 и альдегидов. Отмечено увеличение эффективного удельного расхода спиртового топлива. На режиме наилучшей экономичности переход с ДТ на метанол сопровождается повышением де с 240 до 470 г/кВт^ч, что связано с низкой теплотой сгорания метанола (19,67 против 42,5 МДж/кг у ДТ).
Для сохранения исходных характеристик свойств биодизеля, работающего на спирте, необходимо удвоить подачу топлива. Для сгорания ДТ, обладающего большей теплотой сгорания в сравнении со спиртами, нужно большее количество воздуха, что уравнивает значения теплоты сгорания стехиометрической смеси ДТ и спирта. Метанол и этанол имеют меньшую плотность и вязкость и высокую теплоту испарения в сравнении с ДТ.
Выбросы оксидов серы полностью определяются содержанием серы в топливе. При работе дизеля с подачей спиртов содержание серы в топливе пропорционально величине запальной дозы, так как в составе спирта серы не содержится. На режиме Рен при работе на спиртах достигается сокращение С5о2 в 3,3 раза. При работе дизеля без подачи спиртов с ростом Ре увеличивается температура в цилиндре, что приводит к экспоненциальному увеличению скорости образования N0 .
На больших нагрузках этот рост перекрывается снижением образования N0x из-за уменьшения концентрации в цилиндре дизеля свободного кислорода из-за снижения а. Низкие значения СN0x в ОГ исследуемого дизеля 0,5-0,7 г/м3 при работе без подачи спиртов объясняются конструкцией дизеля. В вихрекамерных дизелях начальные стадии сгорания происходят в вихревой камере при значениях а существенно меньше 1,0. Содержание N0x ограничено недостатком свободного О2, а процесс догорания происходит в объеме цилиндра во время расширения при относительно низких температурах.
Снижение С^ при подаче спиртов происходит из-за введения части энергоносителя в ВТ и впрыскивания спирта в цилиндр дизеля. Первое мероприятие, приводящее к понижению температуры и увеличению гомогенности заряда, обеспечивает равномерное сгорание. При сгорании метилового спирта повышение концентрации свободного О2 за счет содержания его в спирте не оказывает решающей роли на образование NОх в сравнении со значительным снижением температуры. На режимах Ре/Рен = 75-100% Сы. снижается в 3,5-4,15 раза. Метанол имеет большую (до 4,42 раза) скрытую теплоту испарения, являющуюся одной из причин плохого самовоспламенения.
В случае изобутилового спирта концентрационный фактор играет важную роль в сравнении с температурным, и в том же диапазоне Ре имеет место снижение на 3-10%. СО, об-
NОx '
разующийся при сгорании в вихревой камере дизеля без подачи спирта в условиях недостатка кислорода, успевает догореть в цилиндре в процессе расширения при а > 1.
Концентрация СО в ОГ невысока и при Ре/Рен< 90% колеблется в пределах 0,5-0,7 г/м3. С ростом Ре происходит уменьшение концентрации свободного кислорода, а также из-за роста Т увеличивается диссоциация СО2, приводящая к возрастанию Ссо = 2 г/м3 на режиме Рен. Увеличение выбросов СО на 35 и 15% при подаче метилового и бутилового спиртов соответственно
объясняется кинетикой окисления спиртов, уменьшением скорости выгорания СО из-за понижения температуры процесса.
При работе на спиртах на малых Ре общее количество подаваемого в цилиндр энергоносителя велико. Суммарный аЕ близок к 1, и из-за недостатка О2, необходимого для полного окисления топлива, наблюдаются повышенные выбросы СО. По мере роста Ре происходит некоторое увеличение аЕ, а затем его уменьшение, вызывая понижение и последующий
р°ст Ссо.
Содержание сажи в ОГ является результатом протекания двух определяющих процессов - обрыву и окислению сажи. При сильном нагревании (выше 1300-1800К) в зоне КС с недостатком кислорода наблюдается разложение углеводородного топлива с образованием сажи
СлНт^пС + 0,5Н2.
Разложение метана происходит по формуле СЯ4 <-»иС + 2Я2.
Выделение сажи зависит от процесса ее образования и выгорания. Содержание сажи в значительной степени определяет температура сгорания. При работе дизеля без подачи спирта с увеличением Ре наблюдается пропорциональное росту t^ увеличение дымности r. Низкие значения К (при 50 < Ре/Рен<100%, К = 1,5-4 ед. «Bosch») объясняются, как в случае образования N0^ особенностью вихревой камеры дизеля. Концентрация сажи возрастает по мере роста углеродного соотношения C/H. Механизм образования сажи в случае термического разложения спиртов имеет вид
ся2л+1+оя+е,=
= СО + (п + 1)Я2 + (и - 1)С;
(и + 1)Я2 + СО + Q2 =
= СО + (п +1 )Я2 + 0,502 + С.
Первая стадия для метилового спирта не выделяет сажу (n = 1), а для изобутилового спирта (n = 4) выделяет сажу. Во второй стадии для метанола с учетом того, что Q1 = 1267 кДж/кг, величина Q2 = 3846,4 кДж/кг маловероятна.
При работе дизеля на метаноль-но-топливной эмульсии содержание
N0x в ОГ уменьшилось в два раза. Это связано со снижением локальных температур и средней температуры процесса сгорания из-за сильного охлаждения топливовоздушной смеси при испарении метанола. При работе дизеля на МТБЭ содержание сажи (дымность, К) снижается, так как спирты обладают меньшей склонностью к дымлению из-за наличия в молекулах значительного количества атомов кислорода. Заметное снижение дымности ОГ характерно для всех нагрузочных режимов работы дизеля.
Выводы
Разработана концепция применения спиртов в бензиновых двигателях и дизелях. Впервые предложен показатель парникового эффекта топлива, позволяющий на стадии создания современных транспортных средств оценить экологическую эффективность биотоплив. Разработана методология оценки топлива по парниковому эффекту. Приведена стратегия снижения выбросов парникового газа (СО2). Применение спиртов сокращает выброс парникового газа в два с лишним раза. Приведены результаты испытаний бензиновых двигателей и дизелей при работе на спиртах.
Литература
1. Двигатель с искровым зажиганием, работающий на испаренных спиртах. Поршн. и газотурбин . двиг. Экспересс-ин-форм. ВИНИТИ. - 1983, № 44. - С. 7-13.
2. Звонов В.А., Корнилов Г.С., Козлов А.В., Червенчук И.И. Сравнительная оценка различных типов испарителей топлива для питания автомобильных двигателей. - Проблемы конструкции двигателей: Сб. научн. тр. НАМИ. - М. - 1998. -С. 239-254.
3. Naman T.M., Striegler B.C. Engine and filed test. Evolution of methanol as an automotive fuel. - SAE paper. - 1983, № 831703. - 17 p.
4. Лукшо В.А., Шатров Е.В. Пути улучшения показателей карбюраторного двигателя, работающего на метаноле и бензометанольных смесях. Автомобильн. промышл. - 1983, № 11. - С. 5-11.
5. Малов Р.В., Ксенофонтов И.В. Некоторые особенности применения метанола в дизелях. - Двигателестроение. - 1989, № 8. - С. 30-31.
