Спиртові палива

Для живлення двигунів внутрішнього згоряння можна застосовувати: метиловий спирт (метанол) (СН₃ОН), етиловий спирт (етанол) (С₂Н₅ОН), а також бутанол (С₄Н₃ОН). Вони можуть бути основними паливами двигуна, або застосовуватися як присадки до стандартних палив. Зацікавленість у споживанні метанолу у двигунах внутрішнього згоряння є дуже великою в державах, що мають власні ресурси кам'яного вугілля й недостатні запаси нафти.

Етиловий спирт можна одержати за допомогою синтезу етилену або ацетону.

Родовища як природного, зрідженого пропан-бутанового газів та нафти не відновляються. Метанол можна видобувати із природного газу, вугілля, біомаси або міських відходів. У США метанол в основному виробляється з природного газу. Однак під час виробництва метанолу мають місце великі енергетичні витрати й тому рішення проблеми таким способом не є найкращим. Більш ощадливим є виробництво метанолу з вугілля, причому й цей процес вимагає певних енергетичних витрат. При виробництві метанолу з вугілля утворяться значна кількість СО₂ – більше, ніж при виробництві бензину.

Енергетичний коефіцієнт корисної дії виробництва метанолу з вугілля становить приблизно 45...50% тобто він досить близький до значення 40%, характерному для виробництва дизельного палива й бензину методом Fischera-Tropscha. У випадку виробництва метанолу з дерева цей коефіцієнт коливається в межах 42...50%, а отриманого із природного газу – 60...70% [31].

Метанол є чудовим паливом для двигунів внутрішнього згоряння, має високе значення октанового числа й забезпечує бездимне згоряння. Як паливо застосовується в основному суміш М85 (85% метанолу й 15% вуглеводнів), а також чистий метанол М100 (100% метанолу). При застосуванні метанолу коефіцієнт корисної дії двигуна зростає на 5...10% у порівнянні із двигуном, що працює на бензині. Можливості одержання метанолу з біомаси або міського сміття можуть сприяти більш широкому його застосуванню як альтернативного палива.

Найважливішою проблемою, пов'язаної із процесом згоряння метанолу, є утворення альдегідів, в основному формальдегіду. Двигуни, що працюють на метанолі, викидають в атмосферу незгорілий метанол, що менш реактивний, ніж суміш незгорілих вуглеводнів, що викидають бензиновими й дизельними двигунами.

При низьких температурах навколишнього середовища висока теплота паротворення є недоліком метанолу й етанолу в порівнянні із природними й зрідженим нафтовим газами.

Слід зазначити, що при температурах нижче -7°С дуже складно випарувати метанол. Метанол не придатний для живлення немодифікованих двигунів із запаленням від стиску. Через погану займистість у дизелях виникає необхідність застосування додаткових заходів, що забезпечують запалення. Недоліком метанолу є також мала його поширеність і доступність для споживачів.

Етанол також є спиртом і має властивості, близькі до властивостей метанолу. У США його в основному одержують в процесі ферментації (бродіння) зерен кукурудзи. Етанол застосовується для живлення автомобілів у вигляді суміші, під назвою "gazohol" (90% бензину й 10% етанолу). Економічною проблемою, що обмежує використання етанолу як палива, є те, що під час його виробництва витрачається більше енергії, чим вивільнюється у процесі його згоряння.

Етанол може зберігатися в баках і подаватися у двигун за допомогою устаткування, аналогічного застосовуваному для бензину. Однак це устаткування повинне бути стійким до корозії.

Як й у випадку метанолу, проблемою при застосуванні етанолу є викид з відпрацьованими газами, альдегідів, в основному ацетальдегіду. Автомобілі, що живляться етанолом, викидають в атмосферу незгорілий етанол. При низьких температурах, як й у випадку метанолу, з'являється проблема, пов'язана з високою теплотою паротворення. Етанол має меншу теплоту згоряння. У порівнянні з бензином етанолу витрачається на подолання однакової відстані в 1,5 рази більше й ще більше це справедливо у випадку метанолу.

Тому, і метанол й етанол не занадто придатні для застосування в дизелях без попереднього їхнього пристосування для роботи на цих паливах.

З аналізу основних фізико-хімічних властивостей метилового спирту (метанолу) і етилового (етанолу) (табл. Таблиця 2 .7) бачимо, що вони мають близьку за значенням теплотворну здатність стехіометричної суміші. Температура спалаху метилового спирту становить 743...773 К, тобто вище, ніж етилового спирту – 665 К. Тому метиловий спирт більше прийнятний для живлення двигунів із примусовим запалюванням при більше високому ступені стиску. Більше високе Значення нижньої межі займистості суміші метанолу з повітрям (= 1,91 у порівнянні з = 1,7 для етанолу) забезпечує можливість використання більш збідненої суміші. Більш низька температура кипіння метанолу T_w = 338 К у порівнянні з температурою кипіння етанолу T_w = 351 К, забезпечує більш швидкий перехід метанолу в газоподібний стан. Варто підкреслити, що повний випар бензину або дизельного палива вимагає значно більше високих температур (табл. Таблиця 2 .7 і рис. Рисунок 2 .4Рисунок 1 .1).

Рисунок 2.4 – Зіставлення меж википання фракцій дизельного палива й бензину з температурами кипіння метанолу й етанолу [31]

Із кривій рівноваги рідина-пар метанолу (рис. Рисунок 2 .5) бачимо, що при надлишковому тиску, що становить приблизно 0,103...0,152 МПа, температура кипіння метанолу коливається в межах 80...87°С (353...360 К), тобто метанол може бути повністю випаруваний за рахунок теплоти системи охолодження двигуна.

Варто також звернути увагу на більше високу теплоту перетворення метанолу (1102 кДж/кг), чим в етилового спирту (850 кДж/кг), а також у бензину (330 кДж/кг) і в дизельного палива (250...270 кДж/кг), що в ряді випадків забезпечує позитивні ефекти. Наприклад, забезпечується зниження температури "свіжої" порції палива й підвищується наповнення двигуна. Також знижується максимальна температура циклу, що позитивно впливає на зниження емісії NO_x. Обидва спирти характеризуються більше високим, ніж у бензину, октановим числом і низьким цетановим числом [44].

Таблиця 2.7 – Основні властивості деяких палив [5, 13, 26, 30, 31, 44, 72]

Властивість	Оди­ниці вимі­рюва­ння	Рідке паливо
		бензин	дизельне паливо	метанол	етанол
Щільність при 20°С	[кг/м^3]	740	800-850	791	810
Нижча теплотворна здатність	[МДж/кг] [МДж/м^3]	43,3-44,0 32500	40,2-42,9 35700	19,5-19,945 15780	25,0-26,8 20255
Калорійність суміші з повітрям, стехіометричної	[кДж/м^3]	3439-3910	3475-3830	3175-3860	3850
Теплота паротворення	[кДж/кг]	330	250-270	1104	850
Температура кипіння	[К]	303-478	443-633	338	351
Температура спалаху	[К]	753-823	603-623	743-773	665
Тиск пари при 20°С	[кПа]	60-90	-	37	15,8
Стехіометрична потреба повітря в процесі згоряння	[кг возд./ кг палив.] [кмоль возд/кг палив.]	14,9 0,512	14,5 0,495	6,52 0,223	9 -
Нижня межа запалення суміші з повітрям	-	1,16	0,975	1,92	1,7
Октанове число: - по моторному методу LOM - за дослідницьким методом LOB	-	82-84	-	87-95	94
	-	92-100	~3	106-135	108
Цетанове число	-	3-14	45-55	3-5	8
Мах швидкість полум'я	[м/с]	37-43	-	55	-
Температура полум'я в повітрі	[К]	2335-2470	-	2185	2235

У випадку живлення спиртовими паливами дизельних двигунів, необхідне застосування спеціальних свічок накалювання для інтенсифікації процесу запалення. Спирти, зокрема, метиловий спирт, агресивно впливають на елементи двигуна, виготовлені з легких сплавів і неметалічних матеріалів. Тому в ряді випадків потрібна спеціальна система живлення. Двигуни, що працюють на спиртах, утворюють менш токсичних компонентів в відпрацьованих газах, ніж у випадку застосування бензину. Крім того спиртові двигуни характеризуються меншою реакційною здатністю стосовно озону, що утвориться під впливом сонячного випромінювання. Тому знижується можливість виникнення смогу. Спиртові палива виготовляються з біомаси (відновлювальна сировина): їхнє застосування забезпечує зниження парникового ефекту. При малому навантаженні двигуна знижується емісія окислів азоту й сажі. Концерн Фольксваген випустив біля 2 млн. автомобілів, що заправляють етиловим спиртом.

Рисунок 2.5 – Криві випари метанолу й етанолу: 1 - область випару, 2 - робоча область за редуктором тиску [5]

На рис. Рисунок 2 .6 наведений вплив процентної сполуки суміші метилового спирту й бензину на емісію НС, СО й NO_x. Збільшення процентного вмісту метилового спирту в суміші приводить до зниження емісії вищевказаних токсичних компонентів.

Спирти як добавки до основного палива поліпшують процес згоряння у двигуні (табл. Таблиця 2 .8). У рамках програми поширення неетилірованих бензинів проводяться дослідження й експлуатаційні випробування по застосуванню паливних присадок, що містять кисень (наприклад, спиртів, ефірів) для того, щоб поліпшити фізико-хімічні властивості цих палив. Результати проведених досліджень підтверджують доцільність застосування добавок до базового палива при одночасному збереженні необхідної динаміки руху, рівнів емісії токсичних складових і паливної економічності. Крім Німеччини, інтенсивні дослідження в області застосування суміші метилового спирту з етилірованим бензином проводяться в Австрії, Новій Зеландії, Судані, Індії, Росії, країнах Південної Африки

Рисунок 2.6 – Вплив суміші метилового спирту й етилірованого бензину на емісію токсичних компонентів в відпрацьованих газах, [2]

Таблиця 2.8 – Максимальні об'ємні частки присадок до палив (етилірованим бензинам), з врахуванням їхнього корозійного впливу на двигун [2]

№	Присадка	Максимальна об'ємна частка присадки [%]
1.	Метиловий спирт	3
2.	Етиловий спирт	5
3.	Ізопропанол	5-10
4.	Трьохрядний бутанол	7
5.	Ізобутанол	7-10
6.	Ефіри	10-15
7.	Інші моноспирти	7-10

До найефективнішим, серед досліджуваних присадок, варто віднести добавки:

• 5% об'ємної частки метилового спирту до бензину (двигуни з іскровим запалюванням ZI),

• 15% об'ємної частки метилового спирту до бензину (паливо М15) двигун з ZI,

• 15% об'ємної частки метилового спирту або 20% об'ємної частки етилового спирту до дизельного палива (двигун з ZI),

• до 40% об'ємної частки рослинних масел (сурепного, соєвого, соняшникового й пальмового масел) або їхніх ефірів до дизельного палива (двигун із запаленням від стиску ZS),

• води до дизельного палива (емульсія), (двигун з ZS).

Ці присадки поліпшують умови процесу згоряння відносно основних палив, однак їхня висока вартість і значні витрати, пов'язані з модернізацією системи живлення двигуна, обмежують їхнє використання.

Проблему присадок до основних палив регулює європейська директива EC 85/536/EWG.

Прогресивний розвиток конструкції двигунів внутрішнього згоряння з безпосереднім упорскуванням у якості палива чистого метилового спирту (M100) у камеру згоряння, у значній мірі обмежує емісію токсичних компонентів відпрацьованих газів.

Схема такого рішення зі свічками накалювання наведена на рис. Рисунок 2 .7.

Рисунок 2.7 – Схема двигуна з упорскуванням чистого метилового спирту (М100): 1- форсунка 2 - свіча накалювання [2]

Вартість спиртових палив занадто велика стосовно відносно основних палив. Щорічне виробництво метилового спирту у вісімдесятих роках досягло 12•10⁶ т, тобто приблизно в сто разів менше, ніж споживання транспортними засобами основних палив. Етилового спирту отриманого з рослинної сировини, приблизно 4•10⁶ т. У США в продажу є паливо "gazohol" – воно містить 10% етилового спирту до бензину. Дослідження, проведені в Польщі, підтверджують, що 5% присадка етилового спирту до бензину Е94Е знижує емісію СО у відпрацьованих газах, у порівнянні з використанням чистого бензину. Зниження рівня емісії СО у двигунах автомобілів, виготовлених у Польщі: Cinquecento, PP 126FL й FSO Polonez у середньому досягло 19%, а рівні емісій СН й NO_x порівнянні із двигунами, що працюють на бензинах Е94 й Е94Е [22,52]. У Бразилії 20% присадка етилового спирту додається до всіх бензинів. Дев'яносто відсотків нових автомобілів, що купують в країні, споживають етиловий спирт. Спирти характеризуються високим значенням октанового числа, тому їх можна додавати до неетилірованих бензинів. Недоліком такого палива є те, що воно адсорбує вологу, а хімічні сполуки, що виникають в результаті цього, осаджуючись на дно паливного бака, викликають корозію, і при дуже низькій температурі навколишнього середовища можуть бути причиною виникнення труднощів, пов'язаних з пуском двигуна. Прихована теплота випаровування спирту в 8-9 разів більше, ніж у бензину, що є причиною виникнення труднощів з пуском двигуна при температурах нижче – 10°С. Цей недолік можна подолати, додаючи 5,5% ізопентану.

За прогнозами фахівців зі США щодо виробничих витрат і відпускної ціни на метиловий спирт прийшли до висновку, що збільшення виробництва знизить його собівартість, і вона може бути нижче собівартості палив, що одержуються з нафти [58]. Ресурси кам'яного вугілля в Польщі стимулюють дослідників до пошуку раціональних способів застосування метилового спирту як паливо для двигунів з ZS [13,26,44].

Останнім часом проводяться дослідження із застосування діетилового ефіру (DEE - dieethylether) як добавки до дизельного палива з метою поліпшення його пускових характеристик [16, 18].

Порівняльний аналіз робочого процесу дизеля при використанні DEE і раніше застосовувалося діетилгликоля (Beraid) виявив, що DEE забезпечує збільшення цетанового числа. Розроблено спеціальну систему живлення на основі пульверизації DEE-EtOH (етанол) і Н₂О. Суміш, що складається з невеликої кількості DEE, етанолу й води, безпосередньо подається у впускний колектор двигуна Вольво АН10А245. Така система подачі палива розроблена з метою уникнути проблем, пов'язаних із тривалою затримкою запалення, при живленні його сумішшю DEE-EtOH. Застосування такої системи живлення скорочує час затримки запалення й забезпечує меншу тривалість горіння (рис. Рисунок 2 .8). Таким чином отримане більше низьке значення максимальної швидкості тепловиділення. Робота двигуна була більше "м'якою".

Відносно викидів NO_x, величина яких залежить в основному від значення температури згоряння в циліндрі, слід зазначити, що сполука суміші DEE-EtOH була оптимізована, що дало зниження рівня емісії NO_x. Замічено, що вміст НС і СО зростає зі збільшенням витрати суміші при збільшенні навантаження. Виявлено також, що скорочення кута перекриття клапанів, отриманого за допомогою оптимізації профілю кулачка розподільного вала, значно зменшило викиди токсичних компонентів відпрацьованих газів, і знизило витрату палива.

На рис. Рисунок 2 .9 показаний вплив навантаження двигуна й об'ємної частки DEE у паливі на емісію NO_x. Емісія NO_x є мінімальною при низьких навантаженнях двигуна. За результатами досліджень ECER49 виявлений вплив кута початку упорскування на емісію токсичних складових (табл. ). Більше пізнє упорскування суміші значно знижує вміст NО_х і СО у відпрацьованих газах.

Рисунок 2.8 – Вплив виду палива на швидкість тепловиділення в дизелі, що живиться сумішами: етанолу й етиленгликолю "Beraid", етанолу й діетилового ефіру DEE при куті початку упорскування = 12 [°OWK] [21]

Таблиця 2.9 – Вплив кута початку упорскування на емісію токсичних компонентів відпрацьованих газів, за результатами тесту ЕСЕ R49 [21]

Емісія	Кут початку упорскування		Одиниця
	12°	9°
NOx	5,01	3,68	[г/кВт • ч]
НС	0,27	0,33	[г/кВт • ч]
СО	7,98	3,04	[г/кВт • ч]

Подача етанолу із присадкою DEE через систему пульверизації у двигун з i турбонадувом, раніше пристосований до живлення етанолом з 7%-вою домішкою "Beraid", показало поліпшення характеристик дизеля Вольво (безпосереднє упорскування в камеру згоряння в поршні, М_оmax, = 1040 Нм при об/хв, N_emax= 180 кВт при об/хв, , S/D = 104,78/140 мм) [21].

Таблиця 2.10 – Класифікація застосованих рішень у поршневих двигунах внутрішнього згоряння, що працюють на метиловому спиртовому паливі [44]

Запалення від стиску, упорскування метилового спирту в камеру згоряння	Примусове запалення, упорскування метилового спирту в камеру згоряння	Іскрове запалювання суміші метилового спирту й повітря або суміші спирту, бензину й повітря підготовленої до подачі у камеру згоряння	Запалення від невеликої порції дизельного палива. Суміш метилового спирту й повітря підготовлена до подачі в камеру згоряння
А
Упорскування чистого спирту в камеру згоряння, дуже високий ступінь стиску	Упорскування спирту в камеру згоряння, запалення від свічі запалювання	Суміш підготовлена в карбюраторі й стисла в ході стиску; іскрове запалювання	Суміш підготовлена методом упорскування у впускний колектор або в карбюратор; стисла в ході стиску; запалення від порції дизельного палива
Б
Упорскування спирту із присадками, що поліпшують запалення, або упорскування чистого спирту в стислий у камері згоряння повітря, змішаний із присадками, що полегшують запалення	Упорскування спирту в камеру згоряння, запалення від калільної свічки або гарячої вставки	Суміш підготовлена шляхом упорскування спирту у впускний колектор і далі стисла в ході стиску; іскрове запалювання	Суміш випаруваного метилового спирту й повітря, стисла в ході стиску; запалення від порції дизельного палива [44]
В
Упорскування метилового спирту, змішаного з дизельним паливом у камеру згоряння	Упорскування спирту в камеру згоряння, запалення від порції дизельного палива	Суміш підготовлена у випарнику й стисла в ході стиску; іскрове запалювання

У табл. Таблиця 2 .10 представлена класифікація способів застосування метанолу в поршневих двигунах внутрішнього згоряння. Кожне із запропонованих рішень має свої недоліки й переваги, які пов'язані з виробничими витратами, масштабом виробництва палива, доступністю, міцністю й надійністю форсунки й двигуна, пуском двигуна при низьких температурах навколишнього середовища тощо.

Як показали дослідження дизельного двигуна 1НС.102, що живиться парами метанолу й із запаленням від невеликої порції дизельного палива, максимальний к.к.д. отриманий при приблизно 50%-вій частці метилового спирту в суміші [44].

Рисунок 2.9 – Залежності концентрації NO_x від навантаження при 1250 [об/хв] дизелі Вольво АН 10А245, що живиться сумішами: етанолу й етиленгликоля - EtOH-"Beraid", етанолу й DEE 50%, етанолу й DEE 60% [20]