Газоподібне паливо - єдиний вид альтернативного палива, для якого в Росії вирішені технічні та екологічні проблеми використання. Основні труднощі переходу автомобільного транспорту на газове паливо полягає в необхідності створення відповідної інфраструктури: заводів, сховищ, заправних станцій. Доводиться враховувати і психологію споживача, з упередженням ставиться до незвичного газоподібному паливу.
Стиснений природний газ. за складом представляє собою переважно метан, може використовуватися як моторне паливо після порівняно нескладної переробки двигуна і автомобіля, яка полягає в установці балонів, розрахованих на тиск приблизно 20 МПа, і внесення змін у конструкцію системи подачі палива. Завдяки високому значенню октанового числа, природний газ є відмінним паливом для двигунів, що працюють за циклом Отто. Використання природного газу в дизельних двигунах ускладнюється через його порівняно високої температури самозаймання і відповідно низького цетанового числа. Щоб подолати це утруднення, використовують так звану двопаливного систему - невелика кількість дизельного палива впорскується в камеру згоряння в якості запального заряду, а потім подається стиснений природний газ.
Внаслідок більш низького вмісту вуглецю, ніж в нафтових паливах (75% в метані проти 80- 90% в бензинах), при згорянні природного газу утворюється менше СО2. наприклад, в порівнянні з бензинами - в 1,22 рази. З цієї ж причини, а також завдяки повній відсутності в природному газі ароматичних вуглеводнів в камері згоряння відкладається менше нагару.
Паливноповітряна суміш, приготована на основі природного газу, не містить рідкої фази, а, отже, рівномірніше розподіляється по циліндрах двигуна і не змиває з їх поверхні мастило. Завдяки цьому, як показали експлуатаційні випробування, моторесурс двигуна і термін служби свічок запалювання збільшується на 30-40%, а термін служби масла - в 2-3 рази.
На відміну від рідких палив досить повне згоряння метану відбувається при більшому надлишку повітря, що сприяє зниженню емісії оксидів азоту і продуктів неповного згоряння. У табл. 6 наведено порівняльну оцінку питомих викидів токсичних речовин, що утворюються при роботі двигуна легкового автомобіля загальною масою 1,5 т при використанні різних видів палива.
Відзначимо недоліки, які проявляються при експлуатації автомобілів на стиснутому природному газі.
-Встановлюються на автомобілі масивні газові балони збільшують його масу і знижують вантажопідйомність.
-Запас ходу при одній заправці порівняно невеликий, становить близько 250-300 км.
-На 7-8% збільшується трудомісткість обслуговування і ремонту автомобіля. Зниження до 20% потужності двигуна, внаслідок якого на 5-6% зменшується максимальна швидкість, на 24-30% збільшується тривалість розгону, автомобіль погано долає круті підйоми. - Відзначається також, що утрудняється пуск двигуна.
Зріджений нафтовий газ на 90-95% є сумішшю пропану і бутану з домішкою більш важких вуглеводнів. За забезпечуваним потужносним і екологічними характеристиками двигунів зріджений нафтовий газ близький до стиснутого природного газу. З встановлюваних на автомобілі балонів зі зрідженим нафтовим газом (під тиском близько 1,6 МПа) газ через випарник дозується в двигун. Основні недоліки цього виду палива: процес випаровування кілька погіршує його пускові властивості, для роботи двигуна при низьких температурах повітря потрібна установка спеціальних підігрівачів або пуск і прогрів двигуна виробляються з використанням стандартного бензину.
Спирти мають давню традицію застосування в двигунах внутрішнього згоряння. В даний час вони в основному використовуються як паливо для гоночних автомобілів, оскільки збільшують потужність двигуна при одночасному зниженні температури в камері згоряння. Завдяки більш низькій температурі відпрацьованих газів, інтенсивному теплоотводу з циліндрів і більш повному згорянню, ефективний ККД двигуна, що працює на спиртах, вище, ніж при роботі на нафтовому паливі. При використанні спиртів знижується емісія продуктів неповного згоряння палива, зменшується сажеобразование і тим самим підвищується чистота деталей двигуна і паливної апаратури. Однак одночасно зростають викиди альдегідів, можливе збільшення емісії оксидів азоту.
З спиртів переважне застосування як паливо отримали метанол і етанол. Вищі спирти можуть служити в якості стабілізуючих добавок. Метанол і етанол мають майже вдвічі нижчою теплотворною здатністю в порівнянні з нафтовими паливами, що означає подвоєний витрата їх для забезпечення однієї і тієї ж роботи двигуна. Крім того, спирти гігроскопічні, мають погані змащувальні властивості, корозійно агресивні (за рахунок окислення до відповідних кислот), погано поєднуються з конструкційними матеріалами. Безпосереднє їх використання вимагає внесення деяких змін в конструкцію двигуна. Зазвичай нижчі спирти використовують як добавки до базового палива з метою часткової його заміни. Однак допустима кількість додаються спиртів невелика. Так, ГОСТ Р.51866 і Всесвітня паливна хартія вводять такі кількісні обмеження на додавання спиртів в автобензини: метанолу - 3% (об.), Етанолу - 5, інших спиртів - 7-10%. Введення спиртів в бензини дозволяє підвищити їх октанові числа. Цетанові числа спиртів, навпаки, дуже низькі, і з цим пов'язані серйозні труднощі в застосуванні спиртів в дизельних двигунах. Проте до проблеми використання спиртів як палив для дизелів проявляється великий інтерес.
Метанол - вельми ефективне паливо для двигунів з примусовим запалюванням завдяки його високому октановим числом. Метанол може бути використаний як самостійний паливо, так і в якості добавки до бензину. У всіх випадках його застосування дозволяє знизити токсичність вихлопних газів двигуна. Нижче представлені дані щодо токсичних викидів (г / цикл), отримані при випробуванні автомобіля «Мерседес-Бенц», що працює на бензині і метанолі за європейським циклом:
СО Вуглеводні Оксиди азоту
Бензин 140 6,0 8,0
Метанол 32 5,5 0,7
Застосування 100% -ного метанолу обмежується внаслідок його високу токсичність і агресивності по відношенню до конструкційних матеріалів. Як показали дослідження сумішей метанолу та вуглеводневих палив, в бензин можна вводити до 5% безводного метанолу, при цьому бензометанольная суміш (БМС) залишається гомогенної, якщо в неї не потрапляє волога. У бензометанольной суміші може розчинитися не більше 0,1% (мас.) Води, при великих її концентраціях суміш розшаровується, причому обсяг воднометанольной фази перевищує обсяг доданої води. При охолодженні бензометанольная суміш спочатку каламутніє, потім розшаровується. Тому існує мінімальна температура, при якій ця суміш може використовуватися в якості палива. Для запобігання розшаровування в бензометанольние суміші вводять в якості стабілізаторів вищі спирти, наприклад ізобутіловий, що, втім, допомагає мало.
Однією з особливостей метанолу, що обмежують його застосування, є здатність легко дифундувати через деякі полімери, що викликає необхідність спеціального підбору матеріалів для паливопроводів.
Існують дві групи методів, які передбачають часткову і повну заміну нафтового палива. При частковій заміні метанол подмешивается до палива в кількості 10-40%. Можуть бути використані готові метанолу-паливні емульсії або ж метанол у вигляді пари подається у вхідну лінію. В останньому випадку, щоправда, збільшуються викиди СО і вуглеводнів. Але є і перевага - виключається проблема стабільності метанолу, яка виникає при використанні метанолу-паливних сумішей. Однак через низьку займистості парів метанолу в нього доводиться вводити до 20% алкілнітратов або оснащувати двигун свічкою запалювання. Як добавки, що підвищує цетанове число метанолу, можуть бути використані також диметиловий і діетиловий ефіри.
Для холодного запуску двигуна при високому вмісті метанолу в паливній суміші або знижених температурах використовують електропідігрів повітря або паливо-повітряної суміші, часткову рециркуляцію гарячих відпрацьованих газів, добавки до палива летючих компонентів і інші заходи.
Добавки метанолу до бензину в цілому сприяють поліпшенню токсичних характеристик автомобіля. Наприклад, в дослідженнях, виконаних на групі з 14 автомобілів з пробігом від 5 до 120 тис. Км, добавка 10% метанолу змінювала викид вуглеводнів як у бік підвищення на 41%, так і зменшення на 26%, що в середньому склало 1% збільшення . Викиди СО і NOx при цьому зменшилися в середньому відповідно на 38 і 8% для всієї групи автомобілів.
На закінчення слід зазначити, що метанол розглядається як перспективний джерело енергії для паливних елементів, які забезпечують «нульовий викид» для використовують їх автомобілів. Припускають, що при серійному виробництві паливних елементів вартість вироблюваної ними електроенергії буде прийнятною для масового споживача.
Етанол в якості добавки до палив більш ефективний, ніж метанол, так як він краще розчиняється у вуглеводнях і менш гігроскопічний. Широко відомо застосування газохолу (суміш бензину з 10 20% етанолу) в США, а також в Бразилії, яка має великі внутрішні ресурси спирту, що виробляється з цукрової тростини. Взагалі, етанол представляє особливий інтерес в якості добавки до палива в країнах, багатих рослинними ресурсами, наприклад, на Україні. У Росії ВНДІ НП спільно з АвтоВАЗом проведені випробування автобензинів типу АІ-95 з 5-10% етанолу. Показано, що добавка 5% етанолу до бензину не погіршує експлуатаційних характеристик двигуна і не вимагає попереднього регулювання карбюратора. Що стосується екологічності цього палива, то відзначається істотне зниження викидів СО і невелике - вуглеводнів, емісія альдегідів і оксидів азоту дещо зростає. Збільшення концентрації етанолу в бензині до 10%, що веде до збіднення бензоповітряної суміші, погіршує експлуатаційні характеристики автомобіля практично при всіх його режимах роботи. Фазова стабільність етанолотоплівних сумішей вище, ніж метанол-паливних, але все одно потрібно їх стабілізація. Найбільш ефективними стабілізаторами є аліфатичні спирти С4-C5, сивушні масла, оксіетілірованние ПАР.
Прості ефіри як паливо мають ту перевагу перед спиртами, що вони краще розчиняються в паливах, менш гігроскопічні і менш корозійно агресивні. Ефіри традиційно додають в автомобільні бензини. В останні роки намітився інтерес до діметоксіметану, диметиловий і діетилового ефіру як до компонентів дизельного палива. У великій мірі це пояснюється їх доброю воспламеняемостью в двигуні і, отже, високими цетанове число.
Диметиловий ефір може безпосередньо впорскується в камеру згоряння двигуна або використовуватися в якості добавки до скрапленого газу, метанолу або стандартному дизельному паливу. Для операції впорскування диметилового ефіру, що є при звичайних умовах газом, потрібна спеціальна система подачі палива, оскільки даний ефір має поганими змащувальні властивості, має дуже низьку в'язкість і, подібно всім газам, легко стискається. При використанні диметилового ефіру в якості добавки до базового палива проблема уприскування спрощується, і одночасно вирішуються інші проблеми. Так, наприклад, диметиловий ефір підвищує цетанове число метанолу. Як показали випробування, при роботі двигунів на диметиловому ефірі практично повністю відсутня сажеобразование. Однак зростає емісія оксидів азоту, що вимагає обладнання двигуна каталітичними нейтралізаторами.
Діетиловий ефір ще більш зручний в застосуванні і ефективний, так як він є рідиною (хоча і низькокиплячих) і його цетанове число перевищує 125 (за деякими відомостями досягає 160). Добавка 10% діетилового ефіру в дизельне паливо підвищує його цетанове число в середньому на 4 од. що дозволяє відмовитися від застосування токсичних і вибухонебезпечних алкілнітратов.