CC BY
106
УДК 621.43:62-631.4
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БЕНЗОСПИРТОВЫХ ТОПЛИВ В УКРАИНЕ
В.П. Мараховский, научн. сотр., В.Н. Бганцев, ст. научн. сотр., к. т. н., Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины
Аннотация. Приведен анализ применения биоэтанола в двигателях внутреннего сгорания, основных свойств бензоэтанольных моторных топлив, показана перспективность их использования автотранспортом Украины.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, этанол, бензоэтанольные моторные топлива, октановое число.
Введение
Бензоэтанольное топливо является для Украины огромным потенциалом снижения потребления светлых нефтепродуктов, защиты окружающей среды, подьема сельскохозяйственного производства и создания рабочих мест. Опыт стран, развивающих производство и потребление бензоэта-нольного топлива, свидетельствует о доходности инвестиций, вкладываемых в производство биоэтанола, увеличении прибылей сельхозпроизводителей, росте налоговых поступлений в бюджет. При благоприятных условиях в Украине в короткие сроки можно наладить выпуск опытных партий бензоэтанольного топлива с различным содержанием этанола, провести испытания двигателей для их адаптации, определения оптимального соотношения бензина с этанолом, с точки зрения экономичности и токсичности, нормативных расходных характеристик, разработать рекомендации по эксплуатации двигателей транспортных средств на бензоэтанольном топливе.
Анализ публикаций
В настоящее время более половины мирового производства этанола используется в качестве добавки к топливам для двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Европейский термин - биоэтанол (БЭ) - этанол из биомассы в смеси с бензином позволяет значительно уменьшить потребление бензина и улучшить экологические характеристики ДВС.
В некоторых странах (Швеция, США) содержание биоэтанола в топливе доведено до 85% (Біапої Е85) [1]. Благодаря государственной дота-
ции, его цена в полтора раза ниже бензина. Фирма Ford продала в Швеции более 15 тыс. автомобилей, адаптированных к такому топливу.
В Бразилии и США более 20 лет используется бензоспиртовое топливо «газохол» с содержанием этанола 10 и 20%, а концерном Volkswagen выпущено более 2 млн. автомобилей с двигателями, адаптированными к бензоспиртовому топливу [2].
Швеция за счет использования этанола уже к 2020 г. планирует полностью отказаться от импорта нефти [3].
В Украине биоэтанол или спирт этиловый обезвоженный из биологически возобновляемого сырья производится из мелясы, зерновых культур, картофеля, фруктов, технических культур и пока практически весь идет на экспорт. Кроме того, Законом Украины №3502-IV от 23.02.06 производителям бензинов моторных смесевых предоставлены льготы в виде снижения акциза с 60 Є за 1000 кг до 30 Є за 1000 кг при содержании добавки на основе биоэтанола от 2% об. или этил-третбутилового эфира (ЭТБЭ) - от 5% об. [4].
Таким образом, в Украине обьективно существуют все предпосылки для стимулирования производства смесевых бензинов на нефтеперерабатывающих предприятиях, имеющих все стадии технологического процесса их изготовления, как этого требует Закон [4].
Цель и постановка задачи
Целью данной работы является разработка рекомендаций, направленных на эффективное исполь-
зование бензоэтанольных смесей в качестве топлива для автотранспорта. В связи с этим проводился сравнительный анализ основных свойств бензоэтанольных топлив и показателей двигателей.
Сравнительный анализ бензоэтанольных топлив
В табл. 1 приведены свойства этанола и бензоэтанольных смесей в сравнении с бензином. Как видно из табл. 1 плотности бензина и этанола отличаются незначительно, следовательно, и масса возимого запаса смесевого топлива практически не увеличивается. По теплотворной способности этанол уступает на 40% бензину, но теплотворная способность бензоэтанольных смесей до 10% по обьему этанола всего на 4,5% ниже, чем бензина. Поэтому, можно прогнозировать увеличение относительного обьемного расхода топлива для выполнения одной и той же работы на 4-5%.
В связи с изменением октанового числа и стехиометрического соотношения «воздух-топливо» для 10%-го бензоэтанола при работе двигателя на таком топливе необходимо несколько откорректировать угол опережения зажигания и незначительно изменить проходные сечения топливных жиклеров карбюратора.
Однако не следует ожидать ощутимого улучшения экономичности двигателя, работающего на бензоэтаноле, без внесения конструктивных изменений.
На графике, построенном по данным [5] (рис. 1), приведена зависимость повышения октанового числа (ОЧ) исходного бензина от объемного содержания в нем этанола.
Рис. 1. Зависимость повышения октанового числа исходного бензина от содержания в нем этанола
Из рис. 1 видно, что чем выше ОЧ исходного бензина, тем на большую величину необходимо увеличить содержание этанола для повышения ОЧ смеси. Следовательно, 10%-я добавка этанола к исходному низкооктановому бензину А-76 (бензоэтанол-10) позволит увеличить ОЧ бензоэтанола до 86 единиц, что аналогично бензину АИ-95, а это, в свою очередь, позволит применять бензоэтанол -10 для двигателей с более высокими степенями сжатия. Кроме того, растет и предел обеднения смеси с а = 1,16 на исходном бензине до а =1,22 на бензоэтаноле-10 (табл. 1).
Поэтому можно ожидать, что работа двигателя на бензоэтаноле позволит повысить его эффективные показатели и снизить токсичность отработавших газов.
Таблица 1 Основные свойства бензина, этанола и бензоэтанольных смесей
Свойства Ед. изм. Бензин Этанол Бензоэтанол (5% об.) Бензоэтанол (10% об.)
Плотность при 20°С кг/м3 740 810 743,5 747
Низшая теплотворная способность кДж/кг 43920 25900 42938 41967
Калорийность стехиометрической смеси кДж/м3 3536 3453 3532 3528
Теплота парообразования кДж/кг 330 850 358 386
Стехиометрическое соотношение воздух-топливо кг/кг 14,9 9 14,6 14,3
Пределы воспламенения смеси с воздухом, а - 0,5-1,16 0,4-1,7 0,5-1,19 0,5-1,22
Октановое число: - по моторному методу - по исследовательскому методу - 76-84 92-100 94 108 81 86 95
Максимальная скорость распространения пламени м/с 37-43 - - м
Температура пламени К 2335-2470 2235 - -
Относительный объемный расход топлива 1 1,7 1,023 1,047
Таблица 2 Расчетные значения минимальной температуры топливовоздушной смеси, обеспечивающей
полное испарение топлива
Содержание этанола в бензоэтанольном топливе (%, объем.) Теоретич. необход. кол-во воздуха (кг/кг) Удельная теплота парообраз. (кДж/кг) Параметры насыщенного пара « * At, °С t ■ ° ‘-mm С
по бензину по этан.
по бензину по этанолу
Р, Па t, °С Р, Па t, °С
Бензин 14,90 330 1730 -11,5 - 18,5 7,0 -
5 14,58 358 1730 -11,5 90 -34,6 21,2 9,7 -13,4
10 14,26 386 1730 -11,5 192 -29,2 23,3 11,8 -5,9
85 9,82 777,7 756 -24 4280 14,7 63,8 39,8 78,5
*А1, °С - понижение температуры топливовоздушной смеси при испарении топлива.
К недостаткам этанола, кроме меньших значений теплотворной способности, относят и более высокую, чем у бензина, теплоту парообразования (табл. 1), что служит причиной возникновения трудностей с пуском двигателя при температурах ниже - 10°С [6].
Проведенный по методике [7] расчет и последующий анализ полученных значений минимальной температуры (/тщ) топливовоздушной смеси, обеспечивающей полное испарение топлива (табл. 2), показывает, что увеличение содержания этанола в бензоэтанольной смеси способствует росту /тш. Однако, при небольших содержаниях этанола в смеси (5-10%), ее рост незначителен и не окажет существенного влияния на пусковые качества двигателя.
Такие недостатки этанола, как обводнение и последующее расслоение бензоэтанольной смеси, а также коррозионная активность к некоторым материалам деталей и узлов топливной системы, успешно преодолены. В бензоэтанольные смеси вводят добавки, препятствующие попаданию воды, а также ингибиторы коррозии. Практикуют замену некоторых деталей топливной системы из меди и цинка на пластмассовые или никелированные.
Выводы
Повышение эффективных и экологических показателей ДВС при использовании моторных смесе-вых топлив с биоэтанолом невозможно без мероприятий по совершенствованию конструкции двигателя, рабочего цикла, систем топливопода-чи, зажигания и др.
Основной эффект от применения смесевых моторных бензинов заключается в снижении обье-мов потребления светлых нефтепродуктов и уменьшении вредных выбросов с отработавшими газами автотранспортом Украины.
Стоимость смесевого моторного топлива по прогнозным оценкам должна быть ниже бензина,
поэтому использование бензоэтанола еще и выгодно экономически.
Неизбежное увеличение содержания биоэтанола в моторном топливе предполагает проведение комплексных исследований состава и состояния автомобильного парка, технических решений по его адаптации к используемому топливу, топливной экономичности, токсичности, эксплуатационной надежности, безопасности и других вопросов, применительно к условиям эксплуатации.
Литература
1. Ну, за экологию // За рулем. - Украина. - 2005.
- №9. - С. 140.
2. Левтеров А.М. Альтернативні палива біологіч-
ного походження - баланс енергії і екології /А.М. Левтеров, В.П. Мараховский, В.Н. Бган-цев // Матеріали IV наук.-практ. конф. «Наука і соціальні проблеми суспільства. Харчування, екологія, демографія». - Харків, 2006.
- Ч. II. - С.119-123.
3. Ильницкая А. Стратегический выбор: энергия
будущего. Этанол как гарантия энергетической безопасности Украины // Товарищ. -2006 . - 28-30 нояб. - №95(885). - С. 3.
4. Закон України № 3502-^від 23 лютого 2006 р.
Про внесення змін до деяких законів України щодо стимулювання виробництва бензинів моторних сумішевих.
5. Макаров В. В. Спирты как добавки к бензинам
/ В.В. Макаров А.А. Петрыкин, В.Е. Емельянов, А.В. Шамонина, В.П. Бараник, С.Н. Онойченко // Автомоб. пром-сть. - 2005. -№8. - С.22-23.
6. Льотко В. и др. Применение альтернативных
топлив в двигателях внутреннего сгорания.
- М.: Моск. автомоб.-дор. ин-т, 2000. - 311 с.
7. Автомобильные двигатели / Под ред. М.С. Хо-
ваха. - М.: Машиностроение, 1977. - 591 с.
Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 15 января 2007 г.
