В этом номере московский инженер Г. Морозов рассказывает о применении спирто-бензиновых смесей.
В связи с энергетическим кризисом в последние годы внимание ученых все более привлекают спирты, ресурсы для получения которых практически неограниченны. Совершенствование же технологии уже в ближайшее время может позволить снизить стоимость спиртового топлива по сравнению с нефтяными.
У румынских специалистов уже есть опыт использования первичных фракций метанола, которые до недавнего времени являлись отходами производства на комбинатах синтетических волокон. По их мнению, метанол обладает тремя существенными преимуществами перед бензином: в пять раз дешевле, менее вреден для окружающей среды, при эксплуатации двигателя на метаноле почти не изнашиваются свечи зажигания. В настоящее время в Питешти на новом виде горючего работают более 500 легковых и грузовых автомобилей.
Как сообщает «Правда» (17.09.83), в Бразилии уже выпущен миллионный легковой автомобиль с двигателем, работающим на спирту. «Спиртовые» автомобили пользуются в этой стране большой популярностью главным образом из-за умеренной стоимости нового вида топлива, которая вдвое меньше, чем стоимость обычного нефтяного бензина. Для производства спиртового топлива используется сахарный тростник и другие сельскохозяйственные продукты.
Как хорошо известно спортсменам-водномоторникам, благодаря высоким антидетонационным свойствам и большой скрытой теплоте испарения спирты применяются в качестве специального топлива для гоночных моторов.
Быстрый рост автомобильного парка и маломерного моторного флота заметно осложняет экологическую обстановку в некоторых районах страны. Применение же эфиров и спиртов в качестве антидетонационных присадок к обычному бензину позволяет резко уменьшить токсичность выхлопных газов; при этом эффективная мощность двигателя, как правило, выше, а расход топлива — меньше на 5—6%.
Все эти интересные аспекты использования спиртов в топливных смесях рассматриваются в публикуемой ниже статье.
Природные запасы нефти, которая является основным сырьем для получения бензина, не беспредельны. По мере того, как иссякают источники нефти, бензин становится все более дорогим. Это заставило ученых развернуть интенсивные поиски новых более доступных и дешевых видов топлива для карбюраторного ДВС, который сделал такими необходимыми для повседневной жизни миллионов людей автомобиль, мотолодку, катер.
Другая причина поисков нового горючего вместо привычного бензина — это постоянно повышающиеся требования к чистоте внешней среды и в первую очередь — чистоте воздушного бассейна. Не секрет, что отработавшие газы бензиновых двигателей, особенно двигателей, работающих на высокооктановых бензинах, в которые вводятся антидетонационные прибавки (чаще всего ТЗС — тетраэтилсвинец), содержат вещества, оказывающие вредное влияние на организм человека и животных. ТЭС относится к 1-му классу вредных веществ, т. е. к самым опасным. По действующим санитарным нормам в 1 м3 воздуха в рабочей зоне (на шоссе или близ двигателя) допускается содержание не более 0,005 мг ТЭС; в пределах населенных мест присутствие ТЭС в воздухе не допускается вообще.
Не случайно поэтому в последние годы возрос интерес исследователей к проблеме использования в качестве моторного топлива других кислородсодержащих соединений, в частности спиртов. Заметим, что эта проблема отнюдь не нова: еще в конце XIX века предпринимались попытки использовать спирт и его компоненты как самостоятельное топливо для двигателей внутреннего сгорания. А в 1902 г. на международной выставке в Париже экспонировалось свыше 70 двигателей, работающих на «алкогольном» топливе — этаноле и его смесях с бензином. Этанол — это хорошо известный этиловый спирт, который ранее получали сбраживанием картофеля и зерновых культур, а в настоящее время — гидролизом растительных материалов и гидратацией этилена — газа, выделяемого при крекинге нефти или коксовании угля.
По степени воздействия на организм человека этанол относится к
4-му классу опасности, как и простой неэтилированный бензин. Его предельно допустимая концентрация в воздухе достигает 1000 мг/м3 в рабочей зоне и 5 мг/м3 — в населенных местах.
Еще один вариант заменителя бензина для искровых двигателей — метиловый спирт (метанол). В чистом виде он был получен в 1834 г. в результате сухой перегонки древесины. Метанол можно вырабатывать также из любого углеводородного сырья: природного газа, угля, органических отходов. Метанол относится к 3-му классу опасности, т. е. он менее опасен, чем тетраэтилсвинец, но опаснее, чем бензин и этанол. Соответственно и предельно допустимая концентрация метанола в воздухе значительно выше, чем ТЭС. В качестве добавки к бензину метанол стали применять в 30-е годы. В 40-х годах в ряде стран применялись тройные смеси, состоявшие из 65—80% бензина, 5—20% спирта и 10—15% бензола.
Во время второй мировой войны Германия, не имеющая собственных нефтяных ресурсов, производила искусственные жидкие топлива из каменного угля. Только в 1943 г. было получено 3,2 млн. т моторных топлив, что в 2,3 раза превышало количество топлив из нефти. После войны в связи с расширением добычи нефти и снижением стоимости нефтепродуктов производство искусственных моторных топлив стало сворачиваться, в 1962 г. в ФРГ закрылся последний завод по их производству.
В дальнейшем метанол нашел широкое применение в химической технологии, производстве растворителей и полимеров. Его производство неуклонно возрастало — сейчас метанол занимает первое место среди вторичных нефтехимических продуктов. При незначительной доработке обычных двигателей метанол можно использовать в качестве добавки (10—20%) к товарному бензину. Такое решение хотя и не является кардинальным, но позволяет экономить миллионы тонн нефти.
В ряде стран спирто-бензиновые смеси уже применяют. В ФРГ, например, используют смесь бензина с 5% метанола; в Бразилии — газохол, содержащий до 20% этанола. Во Франции предполагают, что к 1990 г. 25—50% моторного топлива будет состоять из синтетических спиртов, метанола и этанола, получаемого из отходов сельскохозяйственного производства. В СССР проводятся широкие эксплуатационные испытания автомобилей семейства «ЗИЛ-130», работающих на бензо-метанольных смесях, содержащих до 25% спиртов — метанола и изобутанола.
В некоторых странах исследуются также возможности использования метанола в качестве сырья для получения бензина. По технологии, разработанной американской фирмой «Мобил», из метанола получают высококачественный автомобильный бензин с октановым числом от 90 до 96. Стоимость выработки бензина из метанола невысока, но в нее входят затраты на получение метанола из синтез-газа. В результате такой бензин обходится дороже, чем нефтяной. В то же время, разработки дешевых месторождений угля позволяют сделать производство бензина (через метанол) вполне рентабельным. В СССР, например, считается целесообразным получать бензин из самых дешевых в мире углей Канско-Ачинского месторождения.
Преимущества спиртов
В табл. 1 приведены основные физико-химические свойства некоторых топлив. Из нее видно, что спирты имеют меньшую теплотворную способность и требуют меньше воздуха для сгорания, чем бензины. Тепло-производительность горючих смесей (имеется в виду смесь топлива с воздухом) различается мало.
Особенностью спиртов является большая скрытая теплота испарения. Благодаря этому температура горючей смеси во время такта впуска более низкая, чем при использовании бензина. Соответственно, заряд в цилиндре получается более плотным, а коэффициент наполнения цилиндров рабочей смесью — более высоким. Это явление называется компрессорным эффектом спиртовых смесей.
Поскольку для сгорания спирта требуется меньше воздуха, то в объеме цилиндра концентрируется большее количество горючей смеси. Например, в 1 дм3 при теоретически оптимальном составе смеси содержится 0,085 см3 бензина, либо 0,097 см3 бензола, либо 0,143 см3 спирта; поэтому спиртовая смесь оказывает более эффективное охлаждающее действие. Обогащение смеси позволяет форсировать двигатель без увеличения октанового числа горючего; мощность двигателя повышается за счет роста среднего эффективного давления.
Температура спиртовой смеси к концу такта сжатия на 100—200° С ниже, чем у бензовоздушной смеси, максимальная же температура сгорания — ниже приблизительно на 200° С. Благодаря этому снижается тепловая напряженность двигателя, он надежнее охлаждается на форсированных режимах работы.
К преимуществам спиртов относятся: наличие в их молекулах кислорода, что способствует более полному сгоранию; отсутствие нагарообразования; меньшая, чем у бензина, токсичность продуктов сгорания. Выбросы окиси углерода и окислов азота при использовании спиртобензиновых смесей снижаются на 5—-15%.
Особенностью спиртов является также их способность воспламеняться от электрической искры при изменении состава смеси в широких пределах: от богатых смесей при коэффициенте избытка воздуха 0,5—0,6 до бедных при 1,5—1,6.
К положительным качествам спиртов следует отнести и их способность растворять смолы, выделяющиеся из бензинов при хранении.
Недостатки спиртов
Расход топлива обратно пропорционален его теплотворной способности, поэтому удельный расход спиртов при их низкой теплотворной способности довольно большой. Если при работе двигателя на бензине его расход принять за 100%» то этанола потребуется на 66% больше, а метанола — на 122%. Таким образом, для сохранения той же автономности плавания при переходе с бензина на метанол надо иметь на катере двойной запас топлива. При работе на спиртах приходится увеличивать проходные сечения топливных трубопроводов, жиклеров и размеры поплавковых камер карбюраторов.
Спирты испаряются хуже, чем бензин, на электродах свечей образуется конденсат, поэтому холодный двигатель на спирте запустить труднее, чем на бензине. Для облегчения запуска приходится применять высокооктановый бензин или эфир, а после прогрева переключать двигатель на питание спиртом или спирто-бен-зиновой смесью.
Серьезным недостатком спиртоз, особенно при использовании на катерах, является их гигроскопичность. Спирт, свободный от воды, смешивается с бензином в любых соотношениях, но из-за разной плотности бензина и спирта, а также из-за высокой растворимости спиртов в воде эти смеси могут расслаиваться и выпадать в осадок. С понижением температуры и повышением концентрации воды это усугубляется. Например, 15%-ная бензино-метаноль-ная смесь при содержании воды более 0,11% расслаивается при 0° С, при содержании воды более 0,24% — при 20° С. Этот недостаток можно частично исправить, если добавить к смеси этиловый, бензоловый или изобутиловый спирт.
Метанол активно реагирует со свинцом, т. е. агрессивно действует на свинцово-оловянистую полуду бензобаков. При этом образуется аморфный белый осадок, засоряющий бензопроводы и фильтры. Бензо-метанольные смеси менее активны. В безводных смесях, содержащих 10—15% метанола, сталь, латунь и медь вообще не корродируют, а алюминий корродирует медленно. Присутствие в смеси воды, даже в небольших количествах, ускоряет коррозию алюминия и вызывает начальную коррозию стали. В метаноле и смесях с ним корродирует цинк, а при длительном контакте разлагаются некоторые полимеры, в частности, прокладочный материал — полиме-тилметакрилат. Этиловый спирт реагирует со свинцом и магнием, но на алюминий действует значительно слабее.
Топливо гоночных моторов
Поскольку гоночные моторы на скутерах, глиссерах, автомобилях работают с высокими степенями сжатия или с высоким наддувом при умеренных степенях сжатия, то в них создаются благоприятные условия для возникновения детонации, — развиваются повышенные давления и температуры в цилиндрах. В этих условиях слабые антидетонаторы (бензол, толуол и ксилол) не дают большого эффекта, а добавка к бензину сильных свинцовых антидетонаторов свыше нескольких десятых долей процента бесполезна, так как это уже не повышает октановое число топлива.
Благодаря высокой антидетонаци-онной стойкости и большой скрытой теплоте испарения спирты служат основой гоночных топлив. При одинаковой степени сжатия применение спиртов и их смесей вместо бензинобензольных смесей позволяет повышать мощность двигателей на 15—20%.
Некоторые составы топливных смесей для высоких степеней сжатия приведены в табл. 2. Весьма распространена смесь, состоящая из 70% бензина и 30% этанола, а также смесь «динамин» (20% этанола, 30% бензола, 49% бензина, 1% касторового масла); под этим же названием применялась смесь, в состав которой входили 98% метанола, 2% воды с добавлением 0,3% касторового масла (вода необходима для усиления внутреннего охлаждения двигателя).
Поскольку хорошее горючее — половина успеха, гонщики и тренеры, как правило, держат в секрете точный химический состав «тигра в моторе». Более того, желая сбить конкурентов с толку, зарубежные специалисты добавляют в гоночное топливо камфору и ароматики. Однако некоторые из этих секретов были раскрыты. Например, гоночные двигатели «Феррари» работали на смеси: 40% метанола, 30% бензола, 30% авиабензина с добавлением воды и касторового масла. В двигателях дорожно-гоночных автомобилей «Мазератти» использовалась смесь: 14% нитрометана, 12% изобутилового спирта, 33% метанола, 40% бензина с октановым числом 100 и 1% воды.
В рекордных заездах обычно применяют чистый метанол и метанольные смеси, например смесь метанола и нитрометана. Добавление в гоночные смеси азотистых топлив нитрометана, нитробензола и нитропропана повышает мощность двигателей до 40% за счет лучшего окисления топлива кислородом, освобождающимся из этих веществ при горении.
В качестве сильного окислителя к смеси топлив добавляли перекись водорода, к нитрометану — немного концентрированной азотной кислоты (при условии немедленной промывки топливной системы после соревнований).
Сильный кратковременный форсирующий эффект — до 40% повышения мощности — достигали в результате впрыскивания «веселящего газа», содержащего кислорода на 50% больше, чем воздух.
Карбюраторы гоночных двигателей реагируют на обогащенную смесь (α=0,5—0,7). Такая смесь хотя и не сгорает полностью, но дает в процессе сжатия значительный охлаждающий эффект. В связи с этим удельный расход топлива увеличивается. Например, гоночные двигатели с турбонаддувом имеют удельный расход 280 г/э. л. с.·ч; двигатели с двухступенчатым приводным нагнетателем расходуют 560—700 г/э. л. с.·ч метанола; у малолитражных двигателей с наддувом удельный расход спиртовых смесей доходит до 1800 г/э. л. с.ч.
В гоночных двигателях наиболее полно используются преимущества спиртов, позволяющие развивать высокие скорости. Недостатки спиртов здесь не имеют большого значения, так как горючее приготавливается в небольших количествах и хранится недолго.
Заменитель ТЭС
В течение более 50 лет, пока применяется ТЭС, не прекращались поиски менее вредных антидетонаторов. Было предложено множество различных соединений на основе олова, таллия, висмута, селена, теллура, железа, кобальта, меди, хрома, марганца, карбонилов, внутрикомплексных солей и соединений «сэндвичевого» типа, однако все эти присадки уступали свинцу по своим антидетонационным или эксплуатационным свойствам.
В настоящее время заменитель ТЭС найден. Это метилтретично-бутиловый эфир (МТБЭ), образующийся при взаимодействии метанола с изобутиленом в присутствии ионообменных смол. МТБЭ — бесцветная жидкость с резким запахом и температурой кипения 55° С, растворяется в воде в небольшой концентрации (до 4,8 г на 100 г воды). Проводящиеся в нашей стране эксплуатационные испытания бензина А76, который содержит 8% МТБЭ, показали, что наряду с экономией бензина токсичность отработавших газов снижается в среднем на 20%. Благодаря применению МТБЭ в США и Италии освоен выпуск неэтилированных бензинов.
Таким образом, пробледлы экономии нефти, снижения токсичности товарных бензинов в результате отказа от свинцовых антидетонаторов и уменьшения вредных выбросов с отработавшими газами уже недалеки от практического решения. Но для массового выпуска спирто-бензиновых моторных топлив и МТБЭ необходима серьезная перестройка нефтехимического производства, а это требует значительных капиталовложений и времени.
Литература
- 1. Агатов А. А. Легкие топлива для спортивных двигателей. М., изд-во ДОСААФ, 1962.
- 2. Бекман В. В. Гоночные автомобили. М., «Машиностроение», 1980.
- 3. Гуреев А. А., Жоров Ю. М., Смидович Е. В. Производство высокооктановых бензинов. М., «Химия», 1981.
- 4. Смаль Ф. B., Арсенов Е. Е. Перспективные топлива для автомобилей. М., «Транспорт», 1979.