Чому альтернативні джерела енергії застосовуються у двигунах внутрішнього згоряння

Ресурси нафти на землі обмежені й це, мабуть, головне, що змушує шукати заміну нафтовим паливам, що використовуються у ДВЗ.

Досвід показав можливість застосування великої кількості замінників нафтового палива у ДВЗ. Будь-яке альтернативне паливо має свої переваги й недоліки, серед яких найважливішими є:

• виробничі витрати,

• доступність для споживача,

• вплив на навколишнє середовище,

• необхідність пристосування двигуна до процесу живлення новими видами палива,

• безпека використання,

• схвалення споживачем.

Наприклад, етанол дуже широко застосовується, як суміш за назвою „gasohol", що складається з 90% об'ємної частки бензину й 10% етанолу. Також етанол і природний газ добре прийняті споживачами. У свою чергу водень уважається найбільш «чистим паливом» і дотепер не є досить розповсюдженим, тому що відсутні застосовувані технічні рішення для його використання. Це, зокрема, стосується рішень по розміщенню водню на автомобілі. Невирішеним технічним завданням є також одержання водню в промислових масштабах при досить малих витратах. Ряд існуючих технологій одержання водню ґрунтується на використанні нафти як вихідної сировини. Ця ситуація позбавляє сенсу застосування водню як моторного палива; сенс з'явиться в тому випадку, якщо будуть знайдені економічні способи одержання водню з води або на основі використання поновлюваних джерел енергії. Електричний привод уважається одним із чистих джерел енергії, що використовуються на транспортних засобах, однак вартість електромобілів набагато вище, ніж вартість автомобілів, що заправляють звичайними паливами.

Варто мати також у виді, що при розгляді шкідливих викидів за весь цикл застосування водню, включаючи складову циклу з вироблення електроенергії, що використовується при електролізі води, привабливість застосування водню значною мірою втрачається. Тільки у випадку роботи електростанцій на природному газі, а не на вугіллі, привабливість водню в якості "чистого" палива виявляється беззаперечною. Треба при цьому також мати на увазі, що встановлені потужності ДВЗ на автомобілях на порядок перевершують потужності електричних станцій, що працюють на різних видах палива. Застосування модифікованих бензинів у значній мірі знижує рівень емісії токсичних компонентів газів, що відробили, і дає порівнянні ефекти з охорони навколишнього середовища в порівнянні зі стандартним бензином.

У порівнянні з бензином і дизельним паливом альтернативні палива мають три переваги, які представлені в табл. Таблиця 2.2.

Таблиця 2.2 – Основні критерії оцінки альтернативних палив

№	Критерій	Визначення залежності
1.	Енергетична незалежність	Можливість виробництва із власних викопних ресурсів та сільськогосподарських продуктів
2.	Емісія - смог	Знижується емісія токсичних компонентів відпрацьованих газів
3.	Експлуатаційні витрати	Застосування деяких альтернативних палив забезпечує більше низькі експлуатаційні витрати автомобілів

 

Тому, по-перше:

• власна сировина для виробництва альтернативних видів палив робить державу енергетично незалежною від імпортної нафти й не залежною від політичних проблем (відсутність дипломатичних відносин, воєнний стан і т.п.). Природний метан можна одержати із природного газу або органічних матеріалів, таких як: вугілля, відходи сільського господарства, сміття й т.п. Етанол – із сільськогосподарських продуктів: картоплі, цукрового буряка, цукрового очерету.

Рослинні палива і їхні складні ефіри можна одержати з насіння сої, рапсу, соняшника, льону, плодів кокосової пальми.

Електричну енергію одержують після перетворення теплової енергії, отриманої в результаті згоряння вугілля, природного газу, нафтових продуктів. Електричну енергію роблять також на гідроелектростанціях, вітрових й атомних електростанціях.

Водень можна одержати з води в результаті її електролізу, а також з інших вуглеводів і біомаси.

По-друге:

• альтернативні палива знижують емісію шкідливих речовин, що потрапляють у атмосферу із продуктами згоряння. Це відноситься до всіх альтернативних палив.

На рис. Рисунок 2.1 наведені молекулярні структури декількох палив. Слід зазначити, що молекули метану (із природного газу), пропан-бутану (LPG – liquified petroleum gas), метанолу й етанолу за своєю структурою більше прості в порівнянні з іншими, представленими на рисунку. Інші молекули є типовими супутнього бензину.

Більше проста структура, а також незначні розміри молекул сприяють більш "чистому згорянню" палива.

біодизель

етанол пропан

водень метан

Рисунок 2.1 – Молекулярні структури різних палив [68]

При менш складній структурі й менших молекулах палива, під час згоряння в процесі розпаду, знижується кількість проміжних хімічних сполук, які можуть бути токсичними. Крім того, завдяки зниженню змісту вуглецю стосовно водню, у процесі згоряння альтернативних палив у меншій кількості в порівнянні з бензином утвориться окису вуглецю. Тому метан, пропан, бутан, метанол, етанол і водень під час згоряння менше ніж бензин і дизельне пальне забруднюють повітря [48, 51, 54, 55, 57, 58, 68, 70].

Під час виробництва електричної енергії на електростанції простіше керувати технологічним процесом (беручи до уваги оптимізацію токсичних компонентів відпрацьованих газів), чим в окремих двигунах автомобілів.

По-третє:

• в остаточному розрахунку істотними є витрати на експлуатацію двигунів транспортних засобів. Застосування природного й зрідженого газів знижує вартість експлуатації автомобілів. За виробничими витратами, у випадку масового виробництва, метанол може конкурувати з бензином [27, 28, 30, 31].

Метанол і водень на сьогоднішній день у порівнянні з іншими альтернативними паливами є занадто дорогими паливами, для їх широкого використання на транспортних засобах із ДВЗ. Однак прийняття відповідних законів і застосування певних економічних стимулів (державні дотації, звільнення від оподатковування й т.п.) ціни водню й спиртів можна значно знизити. Останнім часом вартість електромобілів не є конкурентною стосовно цін на автомобілі, що заправляють альтернативними джерелами енергії. Транспортні засоби з електричним приводом будуть більш конкурентні у випадку збільшення ефективності й енергоємності акумуляторів. Застосування альтернативних палив повинне в глобальному розрахунку, завдяки зниженню емісії токсичних компонентів відпрацьованих газів, забезпечити більше низьку вартість експлуатації автомобілів.

Таблиця 2.3 – Аналіз виробничих витрат при використанні альтернативних палив згідно SHELL AG й VEBA AG за станом на 1990 р. [2]

№	Паливо	Ціна на 1990 р. [ДМ]
1.	Бензин	0,27
2.	Дизельне паливо	0,21
3.	Природний газ	0,22
4.	Пропан	0,25
5.	Метанол	0,35
6.	Етанол	1,90
7.	EMKOR	2,20 (без дотації)
8.	Водень	22,66 (при використанні сонячної енергії для забезпечення розпаду води)

* використано порівняльну вартість виробництва енергії з альтернативних палив стосовно базової енергії, отриманої з 1 літра бензину.

 

У табл. Таблиця 2.3 зіставлені виробничі витрати при використанні деяких альтернативних палив. Порівняльні характеристика фізико-хімічних показників палив наведені у табл. Таблиця 2.4.

Із зазначених даних бачимо, що група палив: природний газ, пропан і метан – порівнянні за ціною зі стандартними паливами.

Залежно від політики, що проводиться державою стосовно альтернативних палив, їх ціни в різних країнах відрізняються друг від друга.

Таблиця 2.4 – Порівняльна характеристика фізико-хімічних показників палив

Показники	Оди- ниці вимі- рю- вання	Входять до складу ЗНГ	СПГ (ме­тан)	Бен­зин	Дизе­льне паль­не
етан	про­пан	бутан	пен­тан
Хімічна формула	–	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	СН4	–	–
Молекулярна маса	кг/ кмоль	30,07	44,10	58,12	72,15	16,04	114,0	190,0
Температура займання при атмосферному тиску	°С	508-		475-	475-		470-
Температура кипіння при 760 мм рт. ст.	°С	–88,6	–42,1	–0,5	+36,1	–161,6	–	190-380
Октанове число (за моторним методом) / цитанове число*	–					105-	76-86	40-55*
Нижча теплоздатність (при 15 °С і 760 мм рт. ст.)	МДж/ кг	47,0	45,7	45,4	45,1	48,8	43,9	42,5
Необхідна для згоряння кількість повітря	кг/кг	16,05	15,7	15,35	15,3	17,2	14,5	14,35
Межі займання (по об'єму): нижній верхній	% –//–	3,2 12,5	2,4 9,5	1,9 8,5	1,4 8,0	5,3 14,0	1,5 6,0	0,6 7,5
Коефіцієнт надлишку повітря α, який відповідає нижній (αmax) і верхній (αmin) межам займання: αmax αmin	– –//–	1,82 0,42	1,70 0,40	1,67 0,35	1,84 0,30	1,88 0,65	1,18 0,29	1,5 0,50

 

 

Природний газ

Стиснений природний газ метан (CNG – сompressed natural gas), а також зріджений нафтовий газ (LNG – liquified petroleum gas) є привабливими альтернативними паливами для двигунів внутрішнього згоряння. Сьогодні природний газ використовують приблизно 1 200 тис. автомобілів в усім світі, з них – 40 тис. у США [68]. Природний газ (GN – natural gas), забезпечує більше чисте згоряння, є широко розповсюдженим і більше дешевим, чим бензин або етанол. Його ресурси по всьому світу є дуже значними. Навіть значне збільшення попиту тільки в невеликому ступені зменшить ці ресурси. Двигуни, що використовують GN, характеризуються дуже низькою емісією реактивних вуглеводнів, СО і твердих часток. Основним компонентом GN є метан (85...95%). До інших компонентів варто віднести складні вуглеводи, азот і воду. Об'ємні й масові частки окремих компонентів в GN представлені в табл. Таблиця 2.4. Через те, що молекули метану окисляються без проміжних продуктів, ефективне згоряння й низький рівень емісії токсичних компонентів можливі у випадку згоряння при достатній кількості повітря. В ідеальних умовах згоряння відпрацьовані гази, містять тільки чотири компоненти: водяна пара, СО₂, азот і надлишковий кисень.

У реальному процесі згоряння відпрацьовані гази, містять незгоріле або частково окислене паливо, окис вуглецю (СО), окис сірки, окис азоту (NO), двоокис азоту (NО₂), які зазвичай представляються як NO_x, a також тверді частки РМ, що утворяться внаслідок потрапляння в камеру згоряння мастила.

Головною складовою, що забруднює навколишнє середовище в процесі згоряння GN, є незгорілий метан, причиною появи якого є неправильні пропорції складових паливоповітряної суміші, а також неповне перемішування реагентів. Тому що відпрацьовані гази, що утворяться при згорянні метану, хімічно менш активні, ніж гази, що містять важкі вуглеводи, що виникають у процесі згоряння бензину й дизельного палива, вони незначно забруднюють повітря. Проблемою, як у процесі згоряння метану, так й у випадку згоряння бензину або дизельного палива є емісія NO_x. Надлишок повітря, що утвориться при згорянні збідненої суміші, приводить до зниження емісії NO_x. У процесі згоряння збіднених сумішей знижується ефективність окисних нейтралізаторів через низьку температуру відпрацьованих газів, надлишку речовини, що окисляє (О₂) і відсутності компонентів, що відновлюють NO – СО і Н₂ у відпрацьованих газах, які є необхідними для відновлення молекули NO_x. У двигунах, що живлять GN, зі згорянням стехіометричних сумішей для контролю за вмістом NO_x застосовується трьохкомпонентні нейтралізатори зі зворотним зв'язком і рециркуляцією продуктів згоряння. Емісія NO_x виникає в результаті окислювання азоту повітря за участю хімічно активних сполук. Чим вище температура згоряння, тим вище рівень емісії NO_x. Тому що двигуни, що живляться GN, характеризуються високим ступенем стиску, проблема зниження емісії NO_x вирішується часто шляхом зниження температури згоряння, у результаті додавання газоподібного продукту, що має високу теплоємність. Досягається це за допомогою рециркуляції продуктів згоряння (EGR – Exhaust gas recirculation). Можливо це, однак, тільки на часткових режимах, тому що на режимах повного навантаження рециркуляція продуктів згоряння знижує потужність двигуна. Викиди NO_x на відміну від незгорілого метану є безпосередньою причиною забруднення повітря, тому слід вжити заходів з метою зменшення його кількості. Існує прямий зв'язок між емісією NO_x і вуглеводнів (НС) у двигунах з іскровим запалюванням. Мінімальна емісія НС має місце тоді, коли коефіцієнт надлишку повітря близький до стехіометричного показника. У цих умовах температура згоряння близька до свого максимального значення й тому емісія NO_x досягає максимуму.

Молекула метану містить один атом вуглецю й чотири атоми водню, що є низьким співвідношенням у порівнянні з іншими паливами.

У результаті цього GN називають паливом «збідненим вуглецем», що є причиною виникнення в малій кількості СО і СО₂. У двигунів, що працюють на стехіометричній суміші – емісія СО із двигунів, що заправляють GN, є більше високою, ніж у працюючих на бідній суміші, але меншою чим у випадку використання бензину або дизельного палива. Невелика кількість сірки в GN (приблизно 8-30 ррm) вміщується, в основному, у пахучих речовинах, що додають із метою визначення нещільностей системи живлення. Сірка окислена в процесі згоряння і її окис є одним із продуктів згоряння.

Конвертовані двигуни, що живлять GN, характеризуються більше високим коефіцієнтом корисної дії, чим двигуни, що працюють на бензині, а к.к.д. двигунів, пристосованих до згоряння бідної суміші, близький до к.к.д. дизельного двигуна [24, 46]. Октанове число метану, що є основним компонентом GN, визначене за дослідницьким методом (LOB), дорівнює 130, тому він має чудовими антидетонаційні властивості, завдяки чому можна значно збільшити ступінь стиску двигуна, а це у свою чергу приводить до зростання економічності.

Однак у біпаливних двигунах, розроблених на основі бензинових і пристосованих для використання GN, у залежності від системи живлення базового двигуна потужність знижується на 10-20%. Важливим параметром, що впливає на роботу двигунів, що працюють GN, є число Вобба. Цей параметр визначає температуру газу після редукування його тиску. Газодизелі не знайшли широкого поширення. При такій системі живлення GN запалюється у двигуні за допомогою запальної порції дизельного палива. Двигуни, що живляться двома паливами використовують при малій вихідній потужності приблизно 90... 100% дизельного палива, і при більших потужностях – 80% GN й 20% дизельного палива [1, 10, 11, 24, 61, 62, 68]. Важливим є те, щоб тиск у циліндрі після переводу двигуна на газ не був вище, ніж припустимий тиск. GN як паливо не повинне випаровуватися з метою його запалення, що є необхідним у випадку застосування рідких палив, тому відсутня проблема холодного запуску. Можливість застосування при низьких температурах є значною перевагою GN у порівнянні, наприклад, зі спиртовими паливами. Проблемою є його розміщення на автомобілі. Для того щоб зберігати GN у рідкому стані (LNG), потрібне застосування низьких температур (-126 °С при 0,1 МПа). Вплив теплової енергії з навколишнього середовища на паливний бак, у якому зберігається GN, приводить до зростання в ньому тиску, у результаті чого газ виходить через нещільності в навколишнє середовище або попадає у двигун. Інтенсивна експлуатація автомобілів знижує втрати, що виникають в результаті випаровування. Якщо автомобіль, що працює на LNG, зберігається на стоянці більше двох тижнів, клапан системи відкривається, що приводить до великої втрати палива. Великими проблемами є доступність LNG, а також вірогідність вибуху під час автомобільної катастрофи або ушкодження бака. Кращі перспективи має застосування як паливо CNG, чим LNG. GN є більше безпечним. Через те, що стислий природний газ легше, ніж повітря, воно швидко розсіюється в атмосфері. Температура спалаху GN дорівнює 648 °С, що значно вище, ніж температура спалаху бензину. Вона характеризується також вузькою межею займання, що перешкоджає випадковому загорянню. Відповідно до публікації [68], не відзначено випадків загоряння й інших катастрофічних наслідків при використанні CNG, частіше чим при використанні бензину. Єдиною проблемою, пов'язаної з безпекою, є необхідність ставити автомобіль на стоянку під відкритим повітрям, а не в замкнутих приміщеннях.

Імовірно, найбільшою проблемою, пов'язаної з GN, є автомобільні газонаповнювальні компресорні станції – АГНКС, устаткування яких є дуже дорогим.

GN є сумішшю декількох газів, зазначених у табл. Таблиця 2.5.

Таблиця 2.5 – Компоненти природного газу [37]

Компонент	Об'ємна частка [%]	Масова концентрація [ %]
Метан	92.29	84.37
Етан	3.60	6.23
Пропан	0.80	2.06
Бутан	0.29	0.99
Пентан	0.13	0.53
Гексан	0.08	0.39
СО2	1.00	2.52
Водень	1.80	2.89
Вода	0.01	0.01
Всього	100.00	100.00

 

Пропорції міжданими компонентами залежать від джерела родовища, а також від сполук газу, що додається, що видобувається з іншого джерела. Зміна сполук GN приводить до зміни калорійності й деяких паливних характеристик. У результаті цього необхідним є зміна кількості повітря, що додається, з метою забезпечення стехіометричного складу. Отже, виникають додаткові проблеми, пов'язані з управлінням двигуна.

Рисунок 2.2 – Схема автозаправної станції для LNG:

1 - бак з насиченим паливом, 2 - бак з ненасиченим паливом, 3 - випарник, 4 - криогенний насос, 5 - паливний дозатор [65]

 

Надлишок води в GN може бути причиною виникнення корозії циліндрів і паливної системи двигуна.

Заправлення автомобілів, що працюють на LNG, є чистим, безпечним й швидким в порівнянні із заправленням автомобілів дизельним паливом. Під час заправлення дозуючий клапан, що підключений до криогенного бака, утворить із ним повністю герметичну систему, що виключає можливість витоку, який неминучий при заправленні дизельним паливом. Для заправлення приблизно 450 літрів палива необхідно від 3 до 5 хвилин, тобто менше, ніж у випадку заправлення традиційних палив.

Слід зазначити, що автозаправні станції LNG відрізняються друг від друга конструктивними рішеннями. Зразкове оснащення такої автозаправної станції, з урахуванням сучасних досягнень у цій області, представлене на рис. Рисунок 2.2

Нижче представлені різні варіанти пристосування двигунів для живлення їх стислим природним газом:

1. Конвертація існуючих двигунів, проведена шляхом зміни або вставки нових елементі, що створює можливість використання як паливо CNG. В основному, виробник автомобіля не дає гарантії на такі двигуни.

2. Нові двигуни – це ставиться до двигунів, випущеним на заводі й у заводських умовах, пристосованих до живлення CNG.

3. Спеціальні двигуни, пристосовані винятково для живлення CNG. Ними можуть бути модернізовані або нові двигуни.

4. Двопаливний двигун, відкрита система керування ставиться винятково до конвертації дизелів. У цьому двигуні збережені існуюча паливна система й додана паливна система CNG. Застосовуються два палива, і їхні взаємні пропорції змінюються залежно від режиму роботи двигуна. Можливим є 100%-ве споживання дизельного палива, але 100%-ве споживання CNG неможливо.

5. Двопаливний двигун із замкнутою системою керування – модифікація двигуна, що живиться двома паливами. Об'ємна доля дизельного палива невелика й обмежується величиною запальної порції для запалення CNG. Двигун, що живиться винятково дизельним паливом, може працювати па холостому ході, але не може досягти повної потужності.

6. Двигуни, що працюють поперемінно на двох паливах. Вибір палива здійснюється за допомогою механічного або автоматичного перемикача.

Пропан-бутан

Зріджений газ, пропан-бутановий газ LPG (Liquified Petroleum Gas), що є сумішшю нафтового газу й природних газів, перебуває в рідкому стані при температурі навколишнього середовища й тиску нижче 1,4 МПа. Застосовується як паливо в автомобілях понад 60 років. Є найпоширенішим паливом серед всіх альтернативних палив – сьогодні 3,9 млн. автомобілів по всьому світі використають його як паливо. Потрібні такі ж конструктивні зміни у двигуні з іскровим запалюванням, як й у двигунах, що працюють на стисненому природному газі (CNG). Додатково застосовується випарник для перетворення рідини в пару до моменту її подачі в паливо-повітряний змішувач. У газоподібному стані LPG має у два рази більшу щільність, чим CNG. LPG характеризується високим значенням октанового числа, у зв'язку із цим можливо сконструювати двигун що живить LPG, к.к.д. якого буде вище, ніж у бензиновому двигуні з іскровим запалюванням. Тому що LPG зберігається в рідкому стані, його можна значно більше заправити в автомобіль, чим CNG. Паливні баки, у яких зберігається LPG, запроектовані на робочий тиск приблизно рівне 1,7 МПа. Для того, щоб мати таку ж кількість енергії, як в автомобілях, що живлять бензином, паливні баки автомобілів, що живляться LPG повинні за об'ємом бути на 45% більше, ніж бензинові.

Емісія у двигунах внутрішнього згоряння що живлять LPG, порівнянна з емісією двигунів, що використають CNG. Пропан (С₃Н₈), головний компонент LPG, більше здатний до хімічної реакції з озоном, ніж метан (головний компонент природного газу), що приводить до утворення смогу. Однак, ця властивість, проявляється в меншому ступені, ніж при використанні інших вуглеводнів. Молекула пропану має більше складну структуру, чим молекула метану й тому у випадку неповного згоряння пропану виникає більша кількість шкідливих продуктів, що викидають із відпрацьованими газами, але менше чим у процесах згоряння бензину й дизельного палива.

Відпрацьовані гази, після згоряння як LPG, так і природного газу, містять незначні кількості СО і твердих часток. Емісія NO_x може бути незначно вище для LPG, чим для бензину, що викликано більше високою температурою згоряння. Однак її рівень можна контролювати за допомогою нейтралізаторів. Нижня межа калорійності пропану приблизно дорівнює природному газу й незначно вище, ніж у бензину. Двигуни, що живлять LPG, повинні бути більше економічними, чим бензинові. Об'ємний вміст енергії палива LPG значно нижче, ніж у бензину (0,73:1). LPG – газ більше важкий, чим повітря й тому може більш часто служити причиною виникнення пожеж, чим CNG. Типові компоненти LPG зазначені в табл. Таблиця 2.6. Всупереч загальній думці гази LPG й CNG є більше безпечними, чим бензин [5, 14, 29, 61, 68].

Таблиця 2.6 – Типові компоненти LPG [68]

Компоненти	Комерційний клас HD-5	Комерційний пропан	Комерційні суміші Б/п
Пропан	90% об'ємної частки рідини (min)	В основному пропан й/або пропилен	В основному суміші бутанов й/або бутанолов із пропаном й/або пропиленом
Пропилен	% по об'єму рідини (max)	–	–
Бутан і більше складні НС	2,5% рідини ASTMD-2163-82	2,5 %рідини ASTM...	–
Зміст вологи	Повинен пройти тест NGPA	Повинен пройти тест NGPA	–
Залишки	0,05 моль ASTMD-2158-80	0,5 моль ASTM...	–
Пентан і більше складні НС	–	–	2,5 % по об'єму рідини (max) ASTM...
Зміст сірки	123 PPMW ASTM...	185 PPMW	140 PPMW

 

LPG застосовується як паливо в газодизельних двигунах, у яких пари палива змішуються із засмоктуваним повітрям і двигун, живиться двома паливами: LPG і дизельним паливом, при більших його навантаженнях. Запалення викликається невеликою запальною порцією дизельного палива.

Сполука суміші пропану й бутану в паливі LPG залежить від кліматичних умов, у яких LPG використовується. У Польщі дане паливо містить влітку 40% пропану й 60% бутану, а взимку пропорція є протилежною. Це пов'язане з тим, що тиск парів бутану нижче (при 37,8°С дорівнює 0,26 МПа), стосовно тиску парів пропану (при 37,8°С – 1,2 МПа), що впливає на здатність переходу цих палив у газовий стан.

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 2.3).

Рисунок 2.3 – Зіставлення меж википання фракцій дизельного палива й бензину з температурами кипіння метанолу й етанолу [31]

Із кривій рівноваги рідина-пар метанолу (рис. Рисунок 2.4) 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]		800-850
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
Теплота паротворення	[кДж/кг]		250-270
Температура кипіння	[К]	303-478	443-633
Температура спалаху	[К]	753-823	603-623	743-773
Тиск пари при 20°С	[кПа]	60-90	-		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	-
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
-	92-100	~3	106-135
Цетанове число	-	3-14	45-55	3-5
Мах швидкість полум'я	[м/с]	37-43	-		-
Температура полум'я в повітрі	[К]	2335-2470	-

 

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

На рис. Рисунок 2.5 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 2.5 – 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]