|
Опыт прошлых лет и современные
исследования показали, что практически заменителями бензина могут быть три
вида жидких топлив: спирты (метиловый и этиловый), аммиак, скипидар. Причем
ни одно из перечисленных жидких топлив полноценным заменителем бензина быть
не может, хотя по отдельным показателям качества некоторые из них, например
спирты, превосходят бензины.
В 9 приведены химико-физические свойства спиртов в
сравне- нении с бензином.
Анализируя данные 9, можно сделать вывод, что применение
в качестве топлива спиртов требует прежде всего увеличения пропускной
способности жиклеров в карбюраторе или изменения программы дозирования в
системах питания с электронным управлением. При желании сохранить запас хода
автомобиля необходимо увеличить объем топливных баков примерно в 2,3 раза для
метанола и в 1,6 раза для этанола. Это объясняется существенно меньшей
теплотой сгорания этих топлив по сравнению с бензином. Вязкость метилового
спирта и бензина практически одинакова, а вязкость этилового спирта в 3,5
раза больше, что требует увеличения сечения жиклеров карбюратора. Высокая
скрытая теплота испарения спиртов, особенно метилового, ухудшает пуск
холодного двигателя, вызывая тем самым необходимость более интенсивного
подогрева впускного трубопровода. Для достижения удовлетворительных пу-
сковых свойств к спиртам добавляют небольшое количество диметнлового эфира
или других легковоспламеняющихся соединений (бензина и др.).
Одна из наиболее серьезных проблем, затрудняющих
применение спиртов в качестве автомобильного топлива, заключается в их
чувствительности к воде. Вода несколько улучшает детонационную стойкость
спиртов; например, 04 метанола, по моторному методу равное 90 ед., при
прибавлении к нему 10 % воды увеличивается на 3 ед. Вместе с тем присутствие
в спирте воды снижает и без того низкую его теплоту сгорания, увеличивает
коррозию деталей двигателя и особенно топливной аппаратуры.
Применение спиртов вместо бензинов возможно, но связано с
рядом трудностей, все еще сдерживающих их широкое применение. Особенно
следует иметь в виду высокую токсичность метилового спирта. Даже 20—30 мл
метанола, попавшие в организм человека, вызывают острые отравления, приводят
к полной потере зрения и смертельному исходу.
По ряду показателей спирты приближаются к бензинам и даже
превосходят их. Высокая скрытая теплота испарения, ухудшающая пусковые
показатели двигателя, при прогретом двигателе сущест- ственно (до 15 %)
увеличивает цикловое наполнение цилиндров горючей смесью, что при высокой
детонационной стойкости спиртов и связанной с этим возможностью повышения
степени сжатия до 14 позволяет увеличить литровую мощность двигателя, что
объясняется значительным понижением температуры горючей смеси и увеличением
ее плотности. Возможностью понижения температуры заряда широко пользуются при
подборе топлива для гоночных высокофорсированных двигателей.
В настоящее время в ряде стран спирты начинают применять
как заменители бензина, поскольку для их использования не требуется
принципиальных изменений конструкции обычных бензиновых двигателей, хотя
необходимо учесть отмеченные особенности этих топлив, например высокую
токсичность. Особо следует отметить целесообразность использования спиртов
как добавок к бензинам. Практически добавляют к бензину до 15 % метанола. За
рубежом эти смеси называют газохолом, стоимость их на 30 % ниже стоимости
бензина.
Серьезной проблемой при использовании спиртов является увеличение
износа двигателя, особенно на режимах прогрева, так как образующиеся при
неполном сгорании этанола уксусная и муравьиная кислоты резко увеличивают
коррозионно-механическое изнашивание цилиндров.
Считают также, что спирт, попадая на масляную пленку
цилиндра, разрушает ее интенсивней, чем бензин, так как соединяясь с водой,
спирт быстро образует устойчивую водомасляную эмульсию, которая резко
понижает смазывающие свойства масел и тем самым способствует увеличению
износа двигателя. Применение масел специальных марок, стойких к образованию
эмульсий, показало, что увеличенные износы при применении чистого этанола
прекратились и практически стали равными износам при применении бензина.
Увеличения износов при применении бензина с 20 % спирта в странах с жарким
климатом не наблюдалось.
Токсичность отработавших газов при использовании в
качестве топлива спиртов (например, метанола) несколько снижается. Это прежде
всего объясняется более низкими средними температурами в зоне сгорания, а
следовательно, и меньшим образованием оксидов азота. Кроме того, содержание в
отработавших газах углеводородов снижается в среднем в 20 раз.
Оксид углерода при применении спиртов и а < 1
сохраняется на том же уровне, что и при работе на бензине. Только в зоне
стехио- метрического состава горючей смеси (а = 1) наблюдается резкое
сокращение СО и при самом незначительном дальнейшем обеднении смеси (а -=
1,01) — полное его исчезновение. Существенно уменьшается содержание в
отработавших газах ароматических и особенно полициклических углеводородов,
обладающих канцерогенными свойствами.
Применение спиртов при относительно невысокой степени
сжатия двигателей увеличивает содержание альдегидов почти в 2 раза, а при
повышении степени сжатия до 10—14 их содержание в отработавших газах снижается.
Использование спиртов (метанола и этанола) для
автомобильных ГТД показало, что главным их преимуществом является снижение
количества оксидов азота в отработавших газах. По всем другим показателям они
примерно равноценны аналогичным показателям дизельного топлива. На режимах
полной мощности содержание оксида углерода и углеводородов на метаноле
несколько выше, чем при использовании нефтяного топлива.
Так же как и в поршневых двигателях, благодаря низкой
теплоте сгорания спиртов их расход при одинаковой мощности более чем в два
раза превышает расход нефтяного топлива. Если пуск поршневых двигателей
(особенно при низких температурах) на метаноле затруднителен и требует
принятия специальных мер, то на автомобильных газотурбинных двигателях
пусковые свойства метанола и нефтяного топлива благодаря интенсивному
распыливанию топлив форсунками практически были одинаковы, но токсичность
отработавших газов при пуске была меньше на нефтяном топливе.
Все приведенные данные о применении спиртов в качестве
топлива получены на поршневых бензиновых или газотурбинных двигателях, не
созданных специально для применения этого вида топлив.
При учете специфических свойств спиртовых топлив и,
главным образом, их высокой теплоты парообразования, коррозионной активности
показатели двигателей будут несколько лучше. Но во всех, даже самых
совершенных двигателях, сконструированных специально для спиртовых топлив,
такой их недостаток, как низкая теплота сгорания, всегда проявляется в
увеличении расхода топлива.
Применение вместо бензина аммиака NH3 выгодно тем, что
сырьевая база для его производства практически неограниченна, поскольку
сырьем для получения аммиака являются вода и воздух. Это открывает большие
возможности автономного получения аммиака на специализированных установках с
мощным ядерным энергетическим комплексом. Технологию его получения можно
представить следующим образом. Из воздуха получают азот, из воды — водород.
Далее идет синтез целевого продукта. Побочным продуктом является кислород.
Такие установки могут быть доставлены и смонтированы в любом труднодоступном
районе, куда доставка обычного топлива невозможна.
К положительным свойствам аммиака как топлива для
двигателей внутреннего сгорания следует отнести исключительно высокую
детонационную стойкость (ОЧМ-111, ОЧИ-132), позволяющую увеличить степень
сжатия до 12, что дает возможность в значительной мере компенсировать его
высокую температуру самовоспламенения и низкую скорость сгорания.
В двигателях, в которых предполагается применять в
качестве топлива аммиак, должна быть создана высокая турбулентность заряда и
повышена мощность искрового разряда (например, с использованием плазменного
разряда).
Пожарная опасность аммиака значительно меньше, чем
бензина, но токсичность, особенно при вдыхании паров, требует при обращении с
ним специальных мер предосторожности. Более перспективно использовать аммиак
не в чистом виде, а в смеси с гидразином N2H4. Опыт использования гидразина
позволяет прогнозировать более эффективное сгорание бинарного топлива, чем
чистого аммиака.
Токсичность отработавших газов при работе на
азотоводородных топливах меньше, чем на нефтяных и спиртах, так как
продуктами их сгорания являются азот и вода.
Детонационная стойкость бинарных топлив меньше, чем
чистого аммиака, так как гидразин обладает большой склонностью к детонации.
Высокое 04 аммиака позволяет добавлять к нему гидразин, не снижая существенно
детонационную стойкость смеси.
Добавление в бинарное топливо воды также
способствует удержанию его детонационной стойкости на приемлемом уровне. При
этом следует иметь в виду, что теплота сгорания, которая у аммиака и
гидразина почти в 2,5 раза меньше, чем у бензина, может стать неприемлемо
низкой (значительно ниже, чем у спиртов).
Таким образом, рассмотренные виды топлива, если учесть всю
совокупность их показателей, уступают бензинам. Поэтому, вероятнее всего, в
определенных условиях спирты получат применение в качестве моторных топлив,
но равноценными заменителями бензина они стать не смогут. Скипидар и аммиак
могут использоваться только в случае крайней необходимости. Более
перспективными видами топлив окажутся синтетические углеводородные топлива,
полученные по усовершенствованной и экономически выгодной тех- нологии из
каменных углей различных месторождений и кондиций.
|