CC BY
9
УДК (14.72:62!.431.73:62-6)(048.8)
Л. М. Лифлянд
ГИГИЕНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА т ДЛЯ АВТОТРАНСПОРТА
ЦОЛИУВ, Москва
Г
Развитие энергетической базы для автомобиль-^ ного транспорта осуществляется во всем мире в условиях нехватки нефтяных ресурсов. Попро-4» гнозу, при сохранении современного уровня потребления нефтепродуктов мировые запасы нефти полностью истощатся к 2050 г. [3]. Высокие цены на моторное топливо, загрязнение атмосферного воздуха в городах отработавшими газами (ОГ) автомобилей привели к тому, что в последние годы поиск оптимальных топлив, способных заменить нефтяные, стал одним из основных направлений исследований во всех странах с развитым автомобильным производством. ^ Поиск новых видов моторного топлива идет в двух направлениях: усовершенствование традиционного и создание нового. Первое направление включает производство основных видов топлива (бензина и дизельного топлива) с добавлением различных компонентов: спиртов, водорода, воды, высокооктановых веществ, различных присадок), второе предусматривает производство синтетического топлива на базе как ненефтяных компонентов горючих ископаемых (горючих сланцев, угля, природного газа), так и нефтяных горючих компонентов, полученных путем конверсии жидких углеводородов. * По мнению специалистов, топливо, которое способно в той или иной мере заменить существующее, должно обладать такими физико-химическими свойствами, которые бы требовали коренного изменения конструкции двигателя и топливной аппаратуры. Исследования последних лет показали, что к топливу — заменителю бензина, наиболее полно удовлетворяющему этому требованию, следует отнести горючие газы — углево-_ дородный (нефтяной) и природный (метан), спирты (метанол и этанол), синтетическое топливо. Как наиболее перспективное топливо будущего рассматривается водород.
Газовое топливо. В СССР Центральным научно-исследовательским автомобильным и автомоторным институтом (НАМИ) проведены сравнительные испытания работы автомобильных двигателей на разном топливе, которые показали, что при использовании газового топлива концентрации окиси углерода в ОГ значительно ниже, ^ чем при применении бензина [17]. В Болгарии сравнительные испытания работы двигателей на сжиженном пропан-бутане и на бензине показали, что по внешней скоростной характеристике мощность их при использовании пропан-бутана уменьшается на 5—9%, расход топлива — на 15—18 %, при этом токсичность ОГ снижается в
2—3 раза. В нашей стране на сжиженном про-пан-бутане работает небольшое число автомобилей. Промышленностью предусмотрен выпуск автомашин ЗИЛ, ГАЗ и автобусов ЛиАЗ и ЛАЗ, работающих на сжиженном пропан-бутане. Однако существует мнение, что применение сжиженных газов для автотранспорта неперспективно ввиду ограниченности их ресурсов и других, более рациональных возможностей их использования [1].
Последние 10 лет заметно возросло использование природного газа в качестве заменителя нефтяного теплива. Наибольший опыт накоплен в Италии, где эксплуатация автомобилей на сжатом природном газе (СПГ) осуществляется в течение 40 лет. В настоящее время там имеется более 300 тыс. автомобилей, функционирующих на СПГ с годовым пробегом 1 млрд. км [22], и действует более 200 автозаправочных газовых станций [19]. В Новой Зеландии в 1985 г. на СПГ будет эксплуатироваться 150 тыс. автомобилей [25]. В Канаде 1982 г. открыта газонаполннтель-ная станция, а к 1990 г. число их возрастет до 500 [22]. В США также начато использование СПГ в качестве автомобильного топлива. В 1985 г. запланирован перевод на СПГ всех автомобильных парков, насчитывающих 10 и более легковых автомобилей, 6 и более грузовых автомобилей малой грузоподъемности. В 1982 г. в США на СПГ работало 5235 автомобилей, к 1987 г. число их должно достичь 17 223. Согласно расчетам, из 104 млн. легковых и грузовых автомобилей США на СПГ могут быть переведены 7—8 млн. [25, 26].
В СССР использование природного газа в качестве автомобильного топлива рассматривается как перспективное, и в 1982 г. организован серийный выпуск автомобилей, работающих на СПГ (метане) [17]. По энергетическим параметрам 1 м3 природного газа эквивалентен 1 л бензина [5]. Газовое топливо имеет более широкие пределы воспламенения по сравнению с бензином, что позволяет на основных эксплуатационных режимах наиболее эффективно обеднять горючую смесь. Применение СПГ в качестве моторного топлива обеспечивает существенное снижение токсичности ОГ на единицу пути по основным контролируемым веществам: окиси углерода в 2—4 раза, окислов азота в 1,2—2 раза, углеводородов в 1,1 —1,4 раза [5].
Оценка эффективности применения природного газа показала, что в настоящее время автомобили, работающие на нем, менее эффективны,
чем использующие бензиновое топливо. Согласно результатам этой оценки, для освоения годового грузооборота, например 94 млн. тонно-километ-ров, потребуется 1000 ЗИЛ-130, а в случае применения СПГ— 1540 ЗИЛ-1Э8А или 1190 газовых автомобилей [2].
В зависимости от источника месторождения содержание метана в природном газе может варьировать до 23 % [5]. В связи с этим, как считают специалисты, разработку технических условий и государственного стандарта, регламентирующих пределы компонентного состава природного газа, содержание влаги и различных примесей, следует отнести к наиболее важным вопросам.
Спирты. Разработка спиртовых добавок к бензиновому и дизельному топливу и использование чистых спиртов в качестве моторного топлива осуществляются во многих странах. Рассматриваются такие кислородсодержащие соединения, как метанол, этанол, изобутанол, бутиловый эфир, метил-тре-бутиловый эфир (МТВЭ). Изучаются и другие спиртобензиновые смеси. Толь-яттинским политехническим институтом совместно с НАМИ проведены исследования моторных свойств топлива, получаемого путем добавления к этилированному бензину АИ-93,5 % и 10 % спиртовой фракции (СФ), являющейся побочным продуктом производства капролактама. При испытаниях автомобиля ВАЗ 2103 содержание окиси углерода в ОГ [16] оказалось следующим: при использовании бензина АИ-93 — от 2,2 до 6,0%, бензина АИ-93 с 5% СФ —от 1,2 до 5 %, бензина АИ-93 с 10 % СФ — от 1,8 до 4 %•
Из спиртового топлива предпочтение отдается метиловому спирту. Интерес к нему проявляется во всем мире, и продиктовано это возможностью не только использования его как компонента моторного топлива, но и применения в чистом виде. Перспективность метанола обусловливается и его доступностью. Важным свойством метанола является его высокая детонационная стойкость, поэтому, добавляя метанол к низкооктановому бензину, можно значительно (до 72—95) повысить его октановое число. Это свойство метанола дает возможность отказаться от применения токсичных антидетонаторов на основе свинца.
В настоящее время во всем мире производится 16,7 млрд. л метилового спирта в год, из них 7,6 млрд. л в Северной Америке [11]. В США метанол в 2 раза дешевле бензина, и нефтеперерабатывающие заводы охотно применяют его в качестве добавки к бензину, при этом допускается добавка до 15 % [21].
В США уже начата эксплуатация автомобилей, пока в ограниченном количестве, с использованием метанола вместо бензина. Фирма «Ford Escort» провела испытания 40 автомобилей. Установлено, что двигатель при работе на метаноле удовлетворяет калифорнийским стандартам токсичности ОГ (1982) в расчете на 1 милю: углеводородов 0,4 г, окиси углерода 7 г, окислов азо-
та 0,4 г. При этом достигнуто значительное снижение количества твердых частиц в ОГ, однако содержание альдегидов увеличилось в 3—6 раз. Последнее объясняется тем, что несгоревшее топливо, попадая в каталитический нейтрализа* тор, окисляется не полностью и переходит в альдегиды. При серийном выпуске в двигатель будут внесены некоторые конструктивные изменения и потребуется ряд мер по защите поверхностей, контактирующих со спиртом [8, 11].
Специалистами НАМИ создаются двигатели и автомобили для работы на чистом метаноле (М100). В настоящее время проходят испытания опытные образцы (ЗИЛ-130 и ГАЭ-53). Уже первые результаты свидетельствуют о том, что мощность двигателей, работающих на чистом метаноле, на 6—7 % выше, а суммарная токсичность выбросов на 30 % ниже, чем при работе на бензине [17].
В связи с касающимися конструкции двигателя трудностями, которые возникают при использовании чистого метанола, пока наиболее перс- # пективным как добавка к бензину считается метанол. В СССР испытания бензометанольной смеси (ВМС) начались в 1978 г. Состав ее разработан Госнииметанолпроект (Северодонецк) и кафедрой двигателей внутреннего сгорания Во-рошиловградского машиностроительного института. ВМС состоит из 74,5—77,5 % бензина А-72 и 14,4—15,5 % метанола, в качестве стабилизатора добавляется 8—10% изобутанола. Лабора-торно-дорожные испытания автомобиля ЭИЛ-130 показали, что при оптимальной регулировке карбюратора концентрации окиси углерода в случа- ж ях применения ВМС и бензина практически равны. При работе на ВМС выброс углеводородов меньше в среднем на 10—12 %, окислов азота — на 8—12 % [7]. Применение нового топлива при сохранении эксплуатационных качеств автомобилей позволяет получить экономию бензина до 18 % и снизить токсичность ОГ [18]. В ФРГ метанол начинает применяться в качестве добавки и к дизельному топливу [29]. В связи с этим большой интерес представляют работы, проводи- щ мые в рамках национальной программы использования новых видов топлива. Испытания автобусов в ФРГ дали следующие результаты, характеризующие токсичность ОГ: окиси углерода 7,14 г/кВт-ч, углеводородов 1,86 г/кВт-ч, окислов азота 10,13 г/кВт-ч, что существенно ниже токсичности обычных дизельных двигателей. Дым и запах при добавке метанола отсутствовали, другие загрязнители обнаруживались в незначительном количестве. В связи с отсутствием сажи в ОГ ^ отпадает необходимость в каталитическом нейтрализаторе ОГ. Несмотря на существенные преимущества метанола, эксплуатация автобусов на нем несколько дороже, чем на дизельном топливе. Фирмой «Daimler Benz» предусмотрено в 1984 г. 70 из 290 автобусов в Кельне перевести на метанол [15].
Таблица 1
Эксплуатационная топливная экономичность и токсичность ОГ автомобилей,
работающих на водородном топливе
Состав ОГ
Топливо Увеличение экономичности окись углерода углеводороды окислы азота
Чистый водород Бензоводородная смесь В 2 раза На 25%, снижение расхода бензина на 35— 50% н/о 0,5 г/км н/о 0,4 г/км Следы 0,1 г/км
Примечание. Здесь и в табл. 2 н/о — не обнаружено.
Согласно зарубежным данным, этанол при использовании в качестве автомобильного топлива практически не отличается от метанола. При работе двигателей на чистом этаноле эмиссия окислов азота снижается до 50 % по сравнению с бензином. Добавка этанола к дизельному топливу пезко уменьшает дымность и общую токсичность ^Г дизелей [20, 28]. Этиловый спирт как моторное топливо нашел применение пока только в Бразилии, где в настоящее время ежегодно поступает в продажу от 250 до 300 тыс. легковых и 13 тыс. грузовых автомобилей, приспособленных для работы на спирте вместо бензина. Производство этилового спирта для автомобильного транспорта достигло в Бразилии 5 млрд. л в год и к 1987 г. должно удвоиться, а к 1990 г. утроиться. Для выполнения такой программы предусматривается расширение площадей для выращивания тростника — сырья для производства ^тилового спирта — и увеличение выпуска последнего на 1,2 млрд. л к 1987 г. и на 1,5 млрд. л к 1990 г. [30].
В последние годы в нашей стране и за рубежом большое значение придается использованию МТБЭ в качестве присадки к бензину [2, 17, 20]. Высокое октановое число этой присадки позволяет применять ее как антидетонатор вместо токсичного тетраэтилсвинца и тем самым исключить выбросы свинца с ОГ автомобилей. В СССР испытания смесей бензина с МТБЭ на двигателях легковых автомобилей показали, что токсичность ОГ значительно уменьшается за счет резкого уменьшения образования окиси углерода при одновременной экономии бензина до 3 % [17].
Водород. Водород рассматривается как наиболее перспективный энергоноситель, решающий многие технические и экологические проблемы применительно к прогнозирующим условиям на первое десятилетие XXI века [2, 6, 10, 13, 23]. ^Водород и получаемое на его основе синтетическое топливо обладают многими положительными качествами. Запасы сырья для получения водорода и производимого на его основе синтетического топлива не ограничены. При сжигании искусственного топлива на основе водорода образуется значительно меньше вредных веществ, чем при
сжигании природного жидкого и газообразного, а при сжигании водорода они вообще практически отсутствуют. Водород и топливо на его основе (например, метанол) могут использоваться в современных автомобильных в авиационных двигателях без значительных конструктивных изменений.
В мире производится 30 млн. т водорода в год, на 2000 г. (при настоящей структуре потребления) предусматривается увеличение производства до 60 млн. т в год. По прогнозам, в 1990— 2000 гг. в связи с истощением дешевых ресурсов нефти и газа ситуация коренным образом изменится. Уже в 90-х годах в США и странах Западной Европы будут готовы к промышленному внедрению установки для крупномасштабного производства относительно дешевого водорода из воды с помощью атомной энергии, электролиза и путем газификации углей [12]. Применение водорода в качестве топлива для поршневых двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей изучается в двух направлениях: использование водорода как самостоятельного топлива и в смеси с углеводородным топливом [4]. СССР проведены лабораторные и дорожно-эксплуата-ционные испытания опытных образцов автомобилей, работающих на водородном топливе [12]. Полученные результаты представлены в табл.1.
Эксплуатация дизельного двигателя с нсполь-
Таблица 2
Сравнительная характеристика работы автомобильных двигателей на разных видах топлива по содержанию окиси углерода в отработавших газах
Внд топлива
Окись углерода, %
Бензин Газовое:
сниженный и углеводородный газ сжиженный и сжатый природный газ
Чистый метанол БМС (5-15%) Бензин+МТБЭ (8—10%)
100
35
35 90 97—95 н/о
зованием добавки водорода (5—10%) дала положительные результаты в отношении снижения дымности ОГ и выброса канцерогенных веществ, однако работы в этом направлении еще не получили достаточного развития [10]. Испытания газотурбинных двигателей показали, что добавка в камеру сгорания водорода в количестве 5 % от расходуемой массы углеводородного топлива сокращает выброс окиси углерода в 2 раза, а бенз(а)пирена — в 8 раз [12]. Существует мнение, что применение водорода в газотурбинных двигателях в качестве дополнительного топлива позволяет снизить эмиссию нормируемых веществ без изменения габаритов камеры сгорания, т. е. создания новых сложных камер [10, 14]. В СССР в 1983 г. были предусмотрены ввод опытно-промышленной установки термохимического цикла на промышленном объединении «Азот» производительностью 500 м3 водорода в час, а также ввод 2 электролитических блоков на Кольской АЭС [12].
Способ хранения водорода является темой дискуссий и исследований в СССР и за рубежом. В настоящее время существуют два технически возможных спосбба его хранения применительно к условиям использования водорода в автомобильном транспорте: в виде криогенной жидкости и гидридов металлов. Начиная с 1975 г. в США, Великобритании и ФРГ ведется широкая разработка систем хранения водорода в виде гидрида металлов. Этот способ имеет большие возможности, но, как отмечается [24, 27], свойства гидридов металлов еще до конца не изучены. Хранение водорода в виде криогенной жидкости (криогенный способ) также имеет преимущества и недостатки. На научно-практическом семинаре на ВДНХ СССР «Применение водорода для снижения выброса в атмосферу токсичных веществ» (1984) этот способ хранения водорода был выделен.
Водородный привод вследствие полного отсутствия токсичных веществ в ОГ и существенно более высокого КПД двигателя уже в 1985— 1990 гг. может найти применение в городском транспорте, а путем поэтапного ввода смешанной эксплуатации на смеси нефтяного топлива с водородом можно значительно облегчить переход на водородную технологию.
В заключение можно привести сравнительные данные (табл. 2), иллюстрирующие роль различных видов топлива в снижении токсичности выбросов автомобилей [17].
Таким образом, представленные в обзоре данные свидетельствуют о перспективности работ по
созданию новых видов топлива, обеспечивающих снижение токсичности ОГ.
Литература
1. Великанов Д. П., Белова А. М., Малышенко С Л и др. —Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт,
1981, № 1, с. 164—169. '
2. Великанов Д. П. — Там же, 1984, № 5, с. 127—132. ^
3. Гасанов Р. М. — В кн.: Социально-экономические факторы повышения эффективности автомобильного транс- А порта в международных перевозках. М., 1982, с. 94— "
4. Защита воздушного бассейна от загрязнения токсичными выбросами транспортных средств. Всесоюзная науч. конф. Тезисы докладов. Харьков, 1981.
5. Иванов А. А., Малышенко С. П.. Никешичев Ю. Н. — Теплоэнергетика, 1980, № 3, с. 74—76.
6. Иванов В., Ерохов В. — Автомобил. транспорт, 1983 № 6, с. 43—46.
7. Игнатович С., Фрумин И., Шатров Е. и др.— Там же. № 8, с. 47—50.
8. Каллаген Дж. — Автомобил. пром-сть США, 1984, № 2, с. 11.
9. Канило П. М. — Пробл. машиностроения (Киев), 1983 №2. с. 66-70.
10. Магидович J1. £., Румянцев В. В. — Двигателестроеннс. 1984, № 6, с. 54—55. *
11. НИИНАВТОПРОМ. Экспресс-информ. Сер. конструкция автомобилей, 1983, № 6, с. 54—56.
12. Подгорный А. Н. — Пробл. машиностроения (Киев), 1983, №20, с. 5-10.
13. Подгорный А. М., Мищенко А. Н., Талда Г Б. — Там же с. 20-24.
14. Подгорный А. М., Христич В. А., Канило П. М. — Там же, с. 59—62.
15. Применение метанола в качестве топлива на автобусах с дизельными двигателями в ФРГ. — НИИНАВТОПРОМ. Экспресс-информ. Сер. Конституция автомобилей, 1983, № 3, с. 48.
16. Сизов В. П., Кудрявцев А. И., Мирошников С. Н . Чу-диновских A. JI. — Автомобил. пр-во. Науч.-техн ни-форм. сб., 1984, № 6, с. 12—13. \
17. Шатров Е. В. Автомобил. пром-сть, 1984, № 12. с. 30— 32.
18. Широков А. — Автомобил. транспорт, 1983, № 6, с. 36.
19. van Akkeren R. — Gas. (Ned.), 1984, vol. 104, p. 2—8.
20. Alcohols As Motor Fuels. Warrendale, Pa, 1980.
21. Automotive Industr., 1984, N 2, p. 27.
22. Buchanan J. — In: Gastech 82. Rickmansworth, 1983, p. 99-100.
23. Buchner H. — In: Hydrogen Energy Prognosis. Oxford,
1982, vol. 1, p. 2—29.
24. Buchner H. — Int. Hydrogen Energy, 1984, vol. 9, p. 501-514. g
25. Cote R. — In: Gastech 82. Rickmansworth, 1983, p. 89— 98.
26. Fleming R„ Bechtold R. — SAE Techn. Pap. Ser., 1982, N 82959, p. 1—11.
27. Knowllon R. — Int. J. Hydrogen Energy, 1984, vol. 9, p. 129-136.
28. Shi Run-chang, Zheng Fei, Yin Zhi-xiang et al. — Clin. Int. Combust. Engine. Eng., 1983, N 3, p. 1—6.
29. Rev. automobile (Suiss), 1983, N 18, p. 22.
30. Some Research in Germany on Methanol as a Diesel Fuel. —Int. Power Generat., 1984, vol. 7, N 3, p. 23.
Поступила 2l.06.tt
