Метанол как топливо в двигателях внутреннего сгорания (ДВС)

В отличие от бензина, который является сложной смесью различных углеводородов, содержащей некоторые добавки, метанол - простое химическое соединение. По энергосодержанию он в два раза уступает бензину. Это означает, что 2 л метанола содержат такое же количество энергии, как 1 л бензина. Однако, хотя метанол содержит меньше энергии, чем бензин, его октановое число (100) выше, чем у бензина. Данное число представляет собой среднее из октановых характеристик, полученных по исследовательскому (107) и моторному (92) методам. Это означает, что горючую смесь перед воспламенением можно сжать до меньшего объема. Это позволяет двигателю работать при более высокой степени сжатия (10- 11)/1 [по сравнению с (8-9)/1 для бензинового двигателя] и таким образом повысить эффективность по сравнению с бензиновым двигателем. Эффективность также увеличена за счет повышения «скорости распространения пламени», которая обеспечивает более быстрое и более полное сгорание топлива в цилиндрах. Опираясь на эти факторы, можно объяснить, почему для двигателя одной и той же мощности не нужно брать в два раза больше метанола, чем бензина, хотя по энергетической плотности метанол в два раза хуже бензина. Это правило соблюдается даже и для тех двигателей, которые не были специально сконструированы под метанольное топливо, а представляют собой слегка модифицированные бензиновые двигатели. Тем не менее двигатели, разработанные под метанольное топливо, обеспечивают более значительную экономию топлива . Скрытая теплота испарения метанола приблизительно в 3,7 раза выше, чем у бензина, поэтому при переходе из жидкости в газообразное состояние метанол поглощает намного больше тепла. Это облегчает отвод тепла от двигателя и дает возможность использовать для охлаждения воздушные радиаторы вместо более тяжелых систем с водяными рубашками.

Можно ожидать, что в будущем равноценной заменой автомобилей с бензиновыми двигателями станут машины, спроектированные для работы на метаноле, оснащенные меньшим по размеру и более легким блоком цилиндров. Они будут отличаться более мягкими требованиями к системе охлаждения, лучшим ускорением и дальностью пробега . Кроме того, для транспортных средств, работающих на метаноле, характерна низкая концентрация выбросов в воздух таких загрязнителей, как углеводороды, NO x , S0 2 и твердые частицы.

Некоторые проблемы, вытекающие главным образом из особенностей химических и физических свойств метанола, пока еще ждут своего решения. Метанол, как, впрочем, и этанол, смешивается с водой в любых соотношениях. Он отличается большим дипольным моментом, а также высокой диэлектрической проницаемостью и поэтому является хорошим растворителем для соединений с ионными связями, такими как кислоты, основания, соли (все они усугубляют проблемы коррозии) и некоторые пластмассовые материалы. С другой стороны, надо иметь в виду, что бензин, как мы уже отмечали, представляет собой сложную смесь углеводородов, большинство из которых отличаются низким дипольным моментом, низкой диэлектрической проницаемостью и неспособностью смешиваться с водой. Поэтому бензин является хорошим растворителем для неполярных соединений, образующих ковалентные связи.

Можно с уверенностью сказать, что из-за различий в химических свойствах бензина и метанола некоторые материалы, используемые для заправки и хранения бензина, для изготовления устройств и соединительных элементов, зачастую окажутся неподходящими для работы с метанолом. Так, метанол может вызвать коррозию некоторых металлов, в число которых входит алюминий, цинк и магний, хотя он не действует на сталь или чугун . Метанол может также реагировать с некоторыми изделиями из пластмассы, покрышками и прокладками, в результате чего они размягчаются, вздуваются или становятся ломкими и разрушаются, что в конечном счете приводит к утечкам или нарушениям в работе. Поэтому, системы, спроектированные только для использования метанола, должны отличаться от систем, рассчитанных на работу с бензином, хотя разница в цене вряд ли будет заметна. Уже сейчас существуют некоторые виды масел и смазок для двигателей, которые совместимы с метанолом, но разработки этих материалов должны продолжаться.

При использовании чистого метанола могут возникнуть проблемы с запуском из холодного состояния, потому что в таком топливе отсутствуют легколетучие соединения (бутан, изобутан, пропан), которые содержатся в бензине и которые обеспечивают подачу легковоспламеняющихся паров в двигатель даже в самых холодных условиях . Эту проблему чаще всего решают путем добавления в метанол более летучих компонентов. Так, например, в транспортных средствах с гибкой топливной системой используется смесь М85, содержащая 15% бензина. Содержание паров в ней вполне достаточно для запуска двигателя даже в самых холодных климатических условиях. Другой вариант предусматривает создание дополнительного устройства для испарения или распыления метанола на мельчайшие капельки, которые легче воспламеняются. Технические проблемы всегда возникают при разработке любых новых технологий. Однако технические трудности, стоящие на пути внедрения метанола в качестве компонента топливных смесей или заменителя бензина в транспортных средствах с ДВС, относятся к числу достаточно легко решаемых проблем и, более того, для большинства проблем решения уже найдены.

· Метанол в качестве топлива · Свойства метанола и его реакции · Нахождение в природе · Токсичность · Случаи массового отравления · Близкие статьи · Примечания · Официальный сайт ·

При применении метанола в качестве топлива важно обратить внимание, что объемная и массовая энергоемкость (теплота сгорания) метанола (удельная теплота сгорания = 22,7 МДж/кг) на 40-50 % меньше, чем бензина, в тоже время помимо этого теплопроизводительность спиртовоздушных и бензиновых топливовоздушных смесей при их сгорании в двигателе различается незначительно по той причине, что высокое значение теплоты испарения метанола способствует улучшению наполнения цилиндров двигателя и снижению его теплонапряженности, что приводит к повышению полноты сгорания спиртовоздушной смеси. В результате этого мощность двигателя повышается 7-9%, а крутящий момент на 10-15 %. Двигатели гоночных автомобилей работающих на метаноле с более высоким октановым числом чем бензин имеют степень сжатия, превышающую 15:1, в то время как в обычном ДВС с искровым зажиганием степень сжатия для неэтилированного бензина обычно, не превышает 11,5:1. Метанол может использоваться как в классических двигателях внутреннего сгорания, так и в специальных топливных элементах для получения электричества.

Отдельно следует отметить увеличение индикаторного КПД при работе классического ДВС на метаноле по сравнению с его работой на бензине. Такой прирост вызван снижением тепловых потерь и может достигать единиц процентов.

Недостатки

Метанол травит алюминий. Проблемным является использование алюминиевых карбюраторов и инжекторных систем подачи топлива в ДВС. Это относится в основном к метанолу-сырцу, содержащему значительные количества примесей муравьиной кислоты и формальдегида. Технически чистый метанол, содержащий воду, начинает реагировать с алюминием при температуре выше 50 °C, а с обычной углеродистой сталью не реагирует вовсе.
Гидрофильность. Метанол втягивает воду, что является причиной расслоения топливных смесей бензин-метанол.
Метанол, как и этанол, повышает пропускную способность пластмассовых испарений для некоторых пластмасс (к примеру, плотного полиэтилена). Эта особенность метанола повышает риск увеличения эмиссии летучих органических веществ, что может привести к уменьшению концентрации озона и усилению солнечной радиации.
Уменьшенная летучесть при холодной погоде: моторы, работающие на чистом метаноле, могут иметь проблемы с запуском при температуре ниже +10 °C и отличаться повышенным расходом топлива до достижения рабочей температуры. Данная проблема в тоже время, легко решается добавлением в метанол 10-25 % бензина.

Низкий уровень примесей метанола может быть использован в топливе существующих транспортных средств с использованием надлежащих ингибиторов коррозии. Т. н. европейская директива качества топлива (European Fuel Quality Directive) даёт возможность использовать до 3 % метанола с равным количеством присадок в бензине, продаваемoм в Европе. Сегодня в Китае используется более 1000 млн галлонов метанола в год в качестве транспортного топлива в смесях низкого уровня, используемых в существующих транспортных средств, и кроме этого высокоуровневые смеси в транспортных средствах, предназначенных для использования метанола в качестве топлива.

Помимо применения метанола в качестве альтернативы бензина существует технология применения метанола для создания на его базе угольной суспензии которая в США имеет коммерческое наименование «метакол» (methacoal). Такое топливо предлагается как альтернатива мазута, широко используемого для отопления зданий (Топочный мазут). Такая суспензия в отличие от водоуглеродного топлива не требует специальных котлов и имеет более высокую энергоемкость. С экологической точки зрения такое топливо имеет меньший «углеродный след», чем традиционные варианты синтетического топлива получаемого из угля с использованием процессов, где часть угля сжигается во время производства жидкого топлива.

5. Нахождение в природе
6. Здравоохранение
7.

При применении метанола в качестве топлива следует отметить, что объемная и массовая энергоемкость метанола на 40-50 % меньше, чем бензина, однако при этом теплопроизводительность спиртовоздушных и бензиновых топливовоздушных смесей при их сгорании в двигателе различается незначительно по той причине, что высокое значение теплоты испарения метанола способствует улучшению наполнения цилиндров двигателя и снижению его теплонапряженности, что приводит к повышению полноты сгорания спиртовоздушной смеси. В результате этого рост мощности двигателя повышается на 10-15 %. Двигатели гоночных автомобилей работающих на метаноле с более высоким октановым числом чем бензин имеют степень сжатия, превышающую 15:1, в то время как в обычном ДВС с искровым зажиганием степень сжатия для неэтилированного бензина как правило, не превышает 11.5:1. Метанол может использоваться как в классических двигателях внутреннего сгорания, так и в специальных топливных элементах для получения электричества.

Недостатки:

метанол травит алюминий. Проблемным является использование алюминиевых карбюраторов и инжекторных систем подачи топлива в ДВС.
гидрофильность. Метанол втягивает воду, что является причиной засорения систем подачи топлива в виде желеобразных ядовитых отложений.
метанол , как и этанол, повышает пропускную способность пластмассовых испарений для некоторых пластмасс. Эта особенность метанола повышает риск увеличения эмиссии летучих органических веществ, что может привести к уменьшению концентрации озона и усилению солнечной радиации.
уменьшенная летучесть при холодной погоде: Моторы, работающие на метаноле, могут иметь проблемы с запуском и отличаться повышенным расходом топлива до достижения рабочей температуры.

Низкий уровень примесей метанола может быть использован в топливе существующих транспортных средств с использованием надлежащих ингибиторов коррозии. Т. н. европейская директива качества топлива позволяет использовать до 3 % метанола с равным количеством присадок в бензине, продаваемoм в Европе. Сегодня в Китае используется более 1000 миллионов галлонов метанола в год в качестве транспортного топлива в смесях низкого уровня, используемых в существующих транспортных средств, а также высоко- уровневые смеси в транспортных средствах, предназначенных для использования метанола в качестве топлива. Помимо применения метанола в качестве альтернативы бензина существует технология применения метанола для создания на его базе угольной суспензии которая в США имеет коммерческое наименование «метакол». Такое топливо предлагается как альтернатива мазута, широко используемого для отопления зданий. Такая суспензия в отличие от водоуглеродного топлива не требует специальных котлов и имеет более высокую энергоемкость. С экологической точки зрения такое топливо имеет меньший «углеродный след», чем традиционные варианты синтетического топлива получаемого из угля с использованием процессов, где часть угля сжигается во время производства жидкого топлива.

Более экологичным видом моторного топлива мог бы стать метиловый спирт. В этой области уже есть прецеденты.

Так, в начале 90-х гг. в Стокгольме проводился эксперимент по испытаниям этого вида топлива на общественном транспорте. Себестоимость метанола меньше чем бензина, а он требует минимальной переналадки бензиновых двигателей (производится каталитическим методом из природного газа). Этот вид моторного топлива мог бы рассматриваться с экономической точки зрения как весьма перспективный. Экологический эффект его применения нуждается в уточнении, хотя в ходе эксперимента в Стокгольме наблюдалось снижение валового выброса вредных веществ почти в 5 раз.

Существенным препятствием к широкому использованию метанола в России является высокая гигроскопичность метанола и трудности с запуском двигателя в холодное время года. Критики метанола аргументируют свою позицию тем, что при преобразовании природного газа в метанол освобождается такое же количество углекислого газа, как и при сгорании бензина.

Технология автомобильных силовых установок с метанолом достаточно известна и отработана. Первое широко распространенное метано-ловое топливо — это бензин М85 — (смесь 85% метанола и 15% бензина). Чистый метанол создает проблемы при холодном пуске двигателя, поэтому добавляется 15% бензина для повышения летучести топлива и легкости пуска. Топливо М-85 имеет октановое число 100 (у бензина — 87-95). Более высокое октановое число обеспечивает плавное сгорание при более высокой степени сжатия, чем в карбюраторных двигателях (баз детонационных ударов). Более высокая степень сжатия позволяет получить эффективную конструкцию двигателя, в которой можно оптимизировать расход энергии. Не случайно в течение ряда лет на гоночных автомобилях применяется чистый метанол с октановым числом -ПО. Метанол обеспечивает также более высокую скорость распространения фронта пламени, чем бензин, что повышает оборотность двигателя и улучшает его эффективность.

Кроме того, обладая более высокой температурой испарения, метанол позволяет двигателю охлаждаться быстрее, благодаря чему обыкновенный радиатор жидкостного охлаждения может быть заменен на воздушный, дающий экономию массы.

В качестве промежуточного звена при решении вопроса замены топлива можно рассматривать кислородсодержащие добавки к бензину. Хотя они несколько снижают теплотворную способность топлива, но это компенсируется повышением октанового числа и уменьшением выброса в окружающую среду вредных веществ. К числу таких добавок относятся метанол (метиловый спирт СН3ОН) и метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ — СН3ОС (СН3 )3). Благодаря внедрению кислородсодержащих добавок в США объем реализации свинец-содержащего бензина снизился с 45% в 1983 г. до 5% в 1990 году.

В любой современной автомашине можно без всяких переделок использовать смесь из 90% бензина и 10% метилового спирта — так называемый газохол, который не уступает высококачественному этилированному бензину, при меньших объемах выброса загрязняющих веществ.

Этанол. Топливо, полученное ферментацией различных сельскохозяйственных культур. Из-за относительно высокой стоимости и преимуществ других альтернативных топлив этанол вряд ли станет широко применяться в будущем.

Как и метанол, этанол имеет высокое октановое число и может применяться для повышения производительности двигателей.
В последние 10 лет этанол широко применяется в США и используется в качестве 10%-ной добавки к бензину. В Бразилии применяется этанол, произведенный из сахарного тростника. Он известен под названием Б-100 и нуждается в некоторых добавках бензина при применении в условиях более холодного, чем в Бразили, климата.

В будущем этанол, возможно, будет производиться из воды, если технология обеспечит приемлемые расходы.

Высокие антидетонационные свойства метанола в сочетании с возможностью его производства из ненефтяного сырья позволяют рассматривать этот продукт в качестве перспективного высокооктанового компонента автомобильных бензинов. Оптимальная добавка метанола — от 5 до 20%; при таких концентрациях бензино-спиртовая смесь характеризуется удовлетворительными эксплуатационными свойствами и дает заметный экономический эффект. Добавка метанола снижает теплоту сгорания топлива и стехиометрический коэффициент при незначительных изменениях теплоты сгорания смеси.

Вследствие изменения стехиометрических характеристик использование 15%-й добавки метанола (смесь М15) в стан¬дартной системе питания ведет к обеднению топливовоздушной смеси примерно на 7%. В то же время при введении метанола повышается октановое число топлива (в среднем на 3—8 единиц для 15%-й добавки), что позволяет компенсировать ухудшение энергетических показателей за счет повышения степени сжатия. Одновременно метанол улучшает процесс сгорания топлива благодаря образованию радикалов, активизирующих цепные реакции окисления. Исследования горения бензино-метанольных смесей в одноцилиндровых двигателях со стандартной и послойной системами смесеобразования показали, что добавка метанола сокращает период задержки воспламенения и продолжительность сгорания топлива. При этом теплоотвод из зоны реакции снижается, а предел обеднения смеси расширяется и становится максимальным для чистого метанола.

Особенности эксплуатационных свойств метанола проявляются и при его использовании в смеси с бензином. Возрастают, например, эффективный КПД двигателя и его мощность, однако топливная экономичность при этом ухудшается. По данным, полученным на одноцилиндровой установке, при е=8,6 и n=2000 мин-1 для смеси М20 (20% метанола) в области к = 1, 0—1, 3 эффективный КПД повышается примерно на 3%, мощность — на 3—4%, а расход топлива увеличивается на 8—10%.

Для холодного запуска двигателя при высоком содержании метанола в топливной смеси или пониженных температурах используют электроподогрев воздуха или топливовоздушной смеси, частичную рециркуляцию горячих отработавших газов, добавки к топливу летучих компонентов и другие меры.

Добавки метанола к бензину в целом способствуют улуч¬шению токсических характеристик автомобиля. Например, в исследованиях, выполненных на группе из 14 автомобилей с пробегом от 5 до 120 тыс. км, добавка 10% метанола изменяла выброс углеводородов как в сторону повышения на 41%, так и уменьшения на 26%, что в среднем составило 1% увеличе¬ния. Выбросы СО и NOx при этом уменьшились в среднем соответственно на 38 и 8% для всей группы автомобилей.

Одной из наиболее серьезных проблем, затрудняющих применение добавок метанола, является низкая стабильность бензино-метанольных смесей и особенно чувствительность их к воде. Различие плотности бензина и метанола и высокая раство¬римость последнего в воде приводят к тому, что попадание даже небольших количеств воды в смесь ведет к ее немедленному расслоению и осаждению водно-метанольной фазы. Склонность к расслоению усиливается с понижением температуры, увеличением концентрации воды и уменьшением содержания ароматических соединений в бензине. Например, при содержании от 0,2 до 1,0% (об.) воды в топливной смеси температура расслаивания повышается от —20 до +10°С, т. е. такая смесь практически непригодна для эксплуатации. Ниже приведены предельные концентрации воды Скр в различных бензино-метанольных смесях:

Для стабилизации бензино-метанольных смесей используют присадки — пропанол, изопропанол, изобутанол и другие спирты. При содержании воды 600 млн-1 помутнение обычной смеси М15 начинается уже при —9°С, при —17°С — смесь расслаивается, а при —20°С наступает практически полная дестабилизация. Добавка 1% изопропанола снижает температуру расслоения почти на 10°С, а добавка 25% —сохраняет стабильность смесей М15 даже с низким содержанием ароматических соединений в бензине практически до —40°С в широком диапазоне содержания воды.

В связи с высокой стоимостью и ограниченностью производства стабилизаторов бензино-метанольных смесей предложено использовать смесь спиртов, главным образом изобутанола, пропанола и этанола. Такая стабилизирующая присадка может быть получена в едином технологическом цикле совместного производства метанола и высших спиртов. Добавка даже небольших количеств метанола изменяет фракционный состав топлива. В результате усиливается склонность к образованию паровых пробок в топливоподающих магистралях, хотя при чистом метаноле это практически исключается из-за его высокой теплоты парообразования. Согласно расчетам, для 10%-й смеси метанола с бензином образование паровых пробок возможно при температурах окружающего воздуха на 8—11°С ниже, чем для базового топлива. Корректировка фракционного состава базового топлива возможна путем снижения содержания легких компонентов с учетом последующей добавки метанола.

Коррозионная активность бензино-метанольных смесей значительно ниже, чем у чистого метанола, однако в ряде случаев существенна и сильно зависит от присутствия воды. Например, в смесях с содержанием 10—15% метанола сталь, латунь и медь не корродируют, алюминий же корродирует медленно с изменением цвета.

За рубежом в карбюраторных двигателях практическое применение получили смеси 10—20% этанола с нефтяными бензинами, получившие название «газохол». Согласно стандарту ASTM, разработанному национальной комиссией по спиртовым топливам США, газохол с 10% этанола характеризуется следующими показателями: плотность 730—760 кг/м3, температурные пределы выкипания 25—210°С, теплота сгорания 41,9 МДж/кг, теплота испарения 465 кДж/кг, давление наcыщенных паров (38°С) 55—110 кПа, вязкость (—40°С) 0,6 мм2/c, стехиометрический коэффициент 14. Таким образом, по большинству показателей газохол соответствует автомобильным бензинам.

При использовании обводненного этанола в условиях пониженных температур окружающей среды для предотвращения расслоения в смесь необходимо вводить стабилизаторы, в качестве которых используют пропанол, втор-пропанол, изобутанол и др. Так, добавка 2,5—3,0% изобутанола обеспечивает устойчивость смеси этанола, содержащего 5% воды, с бензином при температуре до —20°С.

Наибольшее распространение газохол в Бразилии, где с 1975 г. осуществляется правительственная программа использования возобновляемых источников растительного сырья для производства этанола и его употребления в качестве автомобильного топлива. Число автомобилей, работающих в этой стране на этаноле и газохоле, составляло в 1980г. 2411 и 775 тыс. шт. соответственно. К 2000 г. из прогнозируемого парка легковых автомобилей Бразилии в 19—24 млн. ед. на спиртовых топливах должно эксплуатироваться от 11 до 14 млн.. В США на 1000 колонках в 20 штатах автомобили заправляются газохолом, содержащим 10—20% этанола.

В странах Европы с ограниченными возможностями производства этанола и его высокой стоимостью больший интерес проявляется к использованию добавок метанола. Наибольшее использование метанола в качестве моторного топлива и его компонентов получило в ФРГ. В рамках трехлетней федеральной программы исследований альтернативных источников энергии в период 1979—1982 гг. в ФРГ эксплуатировались свыше 1000 автомобилей на альтернативных топливах, преимущественно метаноле и бензино-метанольных смесях. Для работы на смеси М15 было переоборудовано 850 автомобилей, на смеси М100—120 автомобилей и 100 автомобилей на дизельном топливе с добавкой метанола. Смесь М100 на 95% состоит из метанола, в остальные 5% входят легкие бензиновые фракции (чаще изопентан), необходимые для облегчения пуска двигателя. Для зимней эксплуатации содержание бензиновых фракций увеличивается до 8—9%, при этом содержание воды в смеси допускается не более 1%.

В смеси М15 из 85% бензиновых фракций содержится не менее 45% ароматических углеводородов; содержание тетраэтилсвинца в смеси не превышает 0,15 г/кг, а воды — в пределах 0,10% (практически 0,05—0,06%). Смесь М15 содержит также антикоррозионные присадки.

В ряде стран в качестве добавки, расширяющей ресурсы высокооктановых бензинов, используют метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ). Антидетонационная эффективность его по сравнению с алкилбензином в 3—4 раза выше, благодаря чему с помощью эфира можно получить широкий ассортимент неэтилированных высокооктановых бензинов. Метил-трет-бутиловый эфир характеризуется следующими показателями: плотность 740 — 750 кг/м3, температура кипения 48 — 55°С, давление насыщенных паров (25°С) 32,2 кПа, теплота сгорания 35,2 МДж/кг, октановое число 95—110 (моторный метод) и 115—135 (исследовательский метод). Наибольшую антидетонационную эффективность эфир проявляет в составе бензинов прямой перегонки и каталитического риформинга обычного режима.

Отечественные бензины А-76 и Аи-92 с добавками 8 и 11% метил-трет-бутилового эфира соответственно удовлетворяют требованиям ГОСТ 2084—77 по всем показателям и по комплексу методов квалификационной оценки показали лучшие эксплуатационные свойства. Бензины с добавками эфира характеризуются хорошими пусковыми качествами и при пониженных оборотах двигателя имеют более высокие фактические октановые числа по сравнению с товарными бензинами.

Топливная экономичность и мощностные показатели двигателя при работе на бензинах с эфиром находятся на уровне товарного бензина. Токсичность отработавших газов при этом несколько снижается, в основном за счет уменьшения выбросов оксида углерода. Изменений и нарушений в состоянии и работе систем двигателя при использовании бензинов с эфиром не наблюдается.