У цьому номері московський інженер Г. Морозов розповідає про застосування спирто-бензинових сумішей.
У зв'язку з енергетичною кризою в останні роки увагу вчених все більше привертають спирти, ресурси для отримання яких практично необмежені. Удосконалення ж технології вже найближчим часом може дозволити знизити вартість спиртового палива в порівнянні з нафтовими.
У румунських фахівців вже є досвід використання первинних фракцій метанолу, які до недавнього часу були відходами виробництва на комбінатах синтетичних волокон. На їхню думку, метанол має три істотні переваги перед бензином: в п'ять разів дешевше, менш шкідливий для навколишнього середовища, при експлуатації двигуна на метанолі майже не зношуються свічки запалювання. В даний час в Пітешті на новому вигляді пального працюють більше 500 легкових і вантажних автомобілів.
Як повідомляє «Правда» (17.09.83), в Бразилії вже випущений мільйонний легковий автомобіль з двигуном, що працює на спирті. «Спиртові» автомобілі користуються в цій країні великою популярністю головним чином через помірної вартості нового виду палива, яка вдвічі менше, ніж вартість звичайного нафтового бензину. Для виробництва спиртового палива використовується цукрова тростина та інші сільськогосподарські продукти.
Як добре відомо спортсменам-водномоторнікам, завдяки високим Антидетонаційна властивостями і великий прихованої теплоті випаровування спирти застосовуються в якості спеціального палива для гоночних моторів.
Швидке зростання автомобільного парку і маломірного моторного флоту помітно ускладнює екологічну обстановку в деяких районах країни. Застосування ж ефірів і спиртів як антидетонаційних присадок до звичайного бензину дозволяє різко зменшити токсичність вихлопних газів; при цьому ефективна потужність двигуна, як правило, вище, а витрата палива - менше на 5-6%.
Всі ці цікаві аспекти використання спиртів у паливних сумішах розглядаються в опублікованій нижче статті.
Природні запаси нафти, яка є основною сировиною для отримання бензину, не безмежні. У міру того, як вичерпуються джерела нафти, бензин стає все більш дорогим. Це змусило вчених розгорнути інтенсивні пошуки нових більш доступних і дешевих видів палива для карбюраторного ДВС, який зробив такими необхідними для повсякденного життя мільйонів людей автомобіль, моточовни, катер.
Тому не випадково в останні роки зріс інтерес дослідників до проблеми використання в якості моторного палива інших кисневмісних сполук, зокрема спиртів. Зауважимо, що ця проблема аж ніяк не нова: ще в кінці XIX століття робилися спроби використовувати спирт і його компоненти як самостійне паливо для двигунів внутрішнього згоряння. А в 1902 р на міжнародній виставці в Парижі експонувалося понад 70 двигунів, що працюють на «алкогольному» паливі - етанолі і його сумішах з бензином. Етанол - це добре відомий етиловий спирт, який раніше отримували сбраживанием картоплі і зернових культур, а в даний час - гідролізом рослинних матеріалів і гідратацією етилену - газу, що виділяється при крекінгу нафти або коксовании вугілля.
За ступенем впливу на організм людини етанол відноситься до
4-го класу небезпеки, як і простий неетилований бензин. Його гранично допустима концентрація в повітрі досягає 1000 мг / м 3 в робочій зоні і 5 мг / м 3 - в населених місцях.
Ще один варіант замінника бензину для іскрових двигунів - метиловий спирт (метанол). У чистому вигляді він був отриманий в 1834 р в результаті сухої перегонки деревини. Метанол можна виробляти також з будь-якого вуглеводневої сировини: природного газу, вугілля, органічних відходів. Метанол відноситься до 3-го класу небезпеки, т. Е. Він менш небезпечний, ніж тетраетилсвинець, але небезпечніше, ніж бензин і етанол. Відповідно і гранично допустима концентрація метанолу в повітрі значно вище, ніж ТЕС. В якості добавки до бензину метанол стали застосовувати в 30-і роки. У 40-х роках в ряді країн застосовувалися потрійні суміші, що складалися з 65-80% бензину, 5-20% спирту і 10-15% бензолу.
Під час другої світової війни Німеччина, яка не має власних нафтових ресурсів, виробляла штучні рідкі палива з кам'яного вугілля. Тільки в 1943 році було отримано 3,2 млн. Т моторних палив, що в 2,3 рази перевищувало кількість палив з нафти. Після війни в зв'язку з розширенням видобутку нафти і зниженням вартості нафтопродуктів виробництво штучних моторних палив стало згортатися, в 1962 р в ФРН закрився останній завод з їх виробництва.
Надалі метанол знайшов широке застосування в хімічній технології, виробництві розчинників і полімерів. Його виробництво неухильно зростала - зараз метанол займає перше місце серед вторинних нафтохімічних продуктів. При незначного доопрацювання звичайних двигунів метанол можна використовувати в якості добавки (10-20%) до товарного бензину. Таке рішення хоча і не є кардинальним, але дозволяє економити мільйони тонн нафти.
У деяких країнах досліджуються також можливості використання метанолу в якості сировини для отримання бензину. За технологією, розробленою американською фірмою «Мобіл», з метанолу одержують високоякісний автомобільний бензин з октановим числом від 90 до 96. Вартість вироблення бензину з метанолу невисока, але в неї входять витрати на отримання метанолу з синтез-газу. В результаті такої бензин коштує дорожче, ніж нафтової. У той же час, розробки дешевих родовищ вугілля дозволяють зробити виробництво бензину (через метанол) цілком рентабельним. В СРСР, наприклад, вважається за доцільне отримувати бензин з найдешевших в світі вугілля Кансько-Ачинського родовища.
переваги спиртів
У табл. 1 наведені основні фізико-хімічні властивості деяких палив. З неї видно, що спирти мають меншу теплотворну здатність і вимагають менше повітря для згоряння, ніж бензини. Тепло-продуктивність горючих сумішей (мається на увазі суміш палива з повітрям) різниться мало.
Особливістю спиртів є велика прихована теплота випаровування. Завдяки цьому температура горючої суміші під час такту впуску нижча, ніж при використанні бензину. Відповідно, заряд в циліндрі виходить більш щільним, а коефіцієнт наповнення циліндрів робочою сумішшю - вищим. Це явище називається компресорним ефектом спиртових сумішей.
Оскільки для згоряння спирту потрібно менше повітря, то в обсязі циліндра концентрується більшу кількість горючої суміші. Наприклад, в 1 дм 3 при теоретично оптимальному складі суміші міститься 0,085 см3 бензину, або 0,097 см 3 бензолу, або 0,143 см 3 спирту; тому спиртова суміш надає більш ефективне охолоджуючу дію. Збагачення суміші дозволяє форсувати двигун без збільшення октанового числа пального; потужність двигуна підвищується за рахунок зростання середнього ефективного тиску.
Температура спиртової суміші до кінця такту стиснення на 100-200 ° С нижче, ніж у бензоповітряної суміші, максимальна ж температура згоряння - нижче приблизно на 200 ° С. Завдяки цьому знижується теплова напруженість двигуна, він надійніший охолоджується на форсованих режимах роботи.
До переваг спиртів відносяться: наявність в їх молекулах кисню, що сприяє більш повному згорянню; відсутність нагарообразования; менша, ніж у бензину, токсичність відпрацьованих газів. Викиди окису вуглецю і оксидів азоту при використанні спиртобензиновой сумішей знижуються на 5-15%.
Особливістю спиртів є також їх здатність займатися від електричної іскри при зміні складу суміші в широких межах: від багатих сумішей при коефіцієнті надлишку повітря 0,5-0,6 до бідних при 1,5-1,6.
До позитивних якостей спиртів слід віднести і їх здатність розчиняти смоли, що виділяються з бензинів при зберіганні.
недоліки спиртів
Витрата палива обернено пропорційний його теплотворної здатності, тому питома витрата спиртів при їх низькій теплотворної здатності досить великий. Якщо при роботі двигуна на бензині його витрата прийняти за 100% »то етанолу буде потрібно на 66% більше, а метанолу - на 122%. Таким чином, для збереження тієї ж автономності плавання при переході з бензину на метанол треба мати на катері подвійний запас палива. При роботі на спиртах доводиться збільшувати прохідні перетини паливних трубопроводів, форсунок та розміри поплавкової камери карбюраторів.
Спирти випаровуються гірше, ніж бензин, на електродах свічок утворюється конденсат, тому холодний двигун на спирті запустити важче, ніж на бензині. Для полегшення запуску доводиться застосовувати високооктановий бензин або ефір, а після прогріву перемикати двигун на харчування спиртом або спирто-бен-Зиновій сумішшю.
Серйозним недоліком спіртоз, особливо при використанні на катерах, є їх гігроскопічність. Спирт, вільний від води, змішується з бензином в будь-яких співвідношеннях, але через різної щільності бензину і спирту, а також з-за високої розчинності спиртів у воді ці суміші можуть розшаровуватися і випадати в осад. Зі зниженням температури і підвищенням концентрації води це посилюється. Наприклад, 15% -ва бензино-метанол-ва суміш при вмісті води більше 0,11% розшаровується при 0 ° С, при вмісті води більше 0,24% - при 20 ° С. Цей недолік можна частково виправити, якщо додати до суміші етиловий, бензольними або ізобутіловий спирт.
Метанол активно реагує зі свинцем, т. Е. Агресивно діє на свинцево-олов'янистими полуду бензобаків. При цьому утворюється аморфний білий осад, засмічує бензопроводи і фільтри. Бензо-метанольні суміші менш активні. У безводних сумішах, що містять 10-15% метанолу, сталь, латунь і мідь взагалі не піддаються корозії, а алюміній кородує повільно. Присутність в суміші води, навіть в невеликих кількостях, прискорює корозію алюмінію і викликає початкову корозію стали. У метанолі і сумішах з ним кородує цинк, а при тривалому контакті розкладаються деякі полімери, зокрема, прокладки - полімерних-тілметакрілат. Етиловий спирт реагує зі свинцем і магнієм, але на алюміній діє значно слабше.
Паливо гоночних моторів
Оскільки гоночні мотори на скутерах, глісерах, автомобілях працюють з високими ступенями стиснення або з високим наддувом при помірних ступенях стиснення, то в них створюються сприятливі умови для виникнення детонації, - розвиваються підвищені тиску і температури в циліндрах. У цих умовах слабкі антидетонатори (бензол, толуол і ксилол) не дають великого ефекту, а добавка до бензину сильних свинцевих антидетонаторов понад декілька десятих часток відсотка марна, так як це вже не підвищує октанове число палива.
Завдяки високій антідетонаці-ційної стійкості і великий прихованої теплоті випаровування спирти служать основою гоночних палив. При однаковій мірі стиснення застосування спиртів і їх сумішей замість бензінобензольних сумішей дозволяє підвищувати потужність двигунів на 15-20%.
Деякі склади паливних сумішей для високих ступенів стиснення наведені в табл. 2. Дуже поширена суміш, що складається з 70% бензину і 30% етанолу, а також суміш «дінамін» (20% етанолу, 30% бензолу, 49% бензину, 1% касторової олії); під цією ж назвою застосовувалася суміш, до складу якої входили 98% метанолу, 2% води з додаванням 0,3% касторової олії (вода необхідна для посилення внутрішнього охолодження двигуна).
Оскільки гарне пальне - половина успіху, гонщики і тренери, як правило, тримають в секреті точний хімічний склад «тигра в моторі». Більш того, бажаючи збити конкурентів з пантелику, зарубіжні фахівці додають в гоночне паливо камфору і ароматики. Однак деякі з цих секретів були розкриті. Наприклад, гоночні двигуни «Феррарі» працювали на суміші: 40% метанолу, 30% бензолу, 30% авіабензину з додаванням води і касторової олії. У двигунах дорожньо-гоночних автомобілів «Мазератті» використовувалася суміш: 14% нітрометану, 12% ізобутилового спирту, 33% метанолу, 40% бензину з октановим числом 100 і 1% води.
У рекордних заїздах зазвичай застосовують чистий метанол і метанольні суміші, наприклад суміш метанолу і нітрометану. Додавання в гоночні суміші азотистих палив нітрометану, нітробензолу і нітропропану підвищує потужність двигунів до 40% за рахунок кращого окислення палива киснем, які звільняються з цих речовин при горінні.
В якості сильного окислювача до суміші палив додавали перекис водню, до нітрометаном - трохи концентрованої азотної кислоти (за умови негайної промивки паливної системи після змагань).
Сильний короткочасний форсує ефект - до 40% підвищення потужності - досягали в результаті впорскування «звеселяючого газу», що містить кисню на 50% більше, ніж повітря.
Карбюратори гоночних двигунів реагують на збагачену суміш (α = 0,5-0,7). Така суміш хоча і не згорає повністю, але дає в процесі стиснення значний охолоджуючий ефект. У зв'язку з цим питома витрата палива збільшується. Наприклад, гоночні двигуни з турбонаддувом мають питома витрата 280 г / е. л. с. · ч; двигуни з двоступінчастим приводним нагнітачем витрачають 560-700 г / е. л. с. · ч метанолу; у малолітражних двигунів з наддувом питома витрата спиртових сумішей доходить до 1800 г / е. л. С.Ч.
У гоночних двигунах найбільш повно використовуються переваги спиртів, що дозволяють розвивати високі швидкості. Недоліки спиртів тут не мають великого значення, так як пальне готується в невеликих кількостях і зберігається недовго.
замінник ТЕС
Протягом більше 50 років, поки застосовується ТЕС, не припинялися пошуки менш шкідливих антидетонаторов. Було запропоновано безліч різних сполук на основі олова, талію, вісмуту, селену, телуру, заліза, кобальту, міді, хрому, марганцю, карбонилов, внутрішньокомплексних солей і з'єднань «сендвічеве» типу, проте всі ці присадки поступалися свинцю за своїми Антидетонаційна або експлуатаційними властивостями .
В даний час замінник ТЕС знайдений. Це метілтретічно-бутиловий ефір (МТБЕ), що утворюється при взаємодії метанолу з ізобутіленом в присутності іонообмінних смол. МТБЕ - безбарвна рідина з різким запахом і температурою кипіння 55 ° С, розчиняється в воді в невеликій концентрації (до 4,8 г на 100 г води). Проводяться в нашій країні експлуатаційні випробування бензину А-76, який містить 8% МТБЕ, показали, що поряд з економією бензину токсичність відпрацьованих газів знижується в середньому на 20%. Завдяки застосуванню МТБЕ в США і Італії освоєний випуск неетилованих бензинів.
Таким чином, пробледли економії нафти, зниження токсичності товарних бензинів в результаті відмови від свинцевих антидетонаторов і зменшення шкідливих викидів з відпрацьованими газами вже недалекі від практичного вирішення. Але для масового випуску спирто-бензинових моторних палив і МТБЕ необхідна серйозна перебудова нафтохімічного виробництва, а це вимагає значних капіталовкладень і часу.
література
- 1. Агатів А. А. Легкі палива для спортивних двигунів. М. изд-во ДОСААФ, 1962.
- 2. Бекман В. В. Гоночні автомобілі. М. «Машинобудування», 1980.
- 3. Гуреєв А. А. Жоров Ю. М. Смідович Е. В. Виробництво високооктанових бензинів. М. «Хімія», 1981.
- 4. Смаль Ф. B. Арсенов Е. Е. Перспективні палива для автомобілів. М. «Транспорт», 1979.