Топливо дизельное А-0,4 ГОСТ 305-82. 2 страница

температуре воздуха не ниже -20°С.

Газ СПБТЛ предназначен для применения во всех районах в

летний период с 1 апреля по 1 октября, за исключением северных и

северо-восточных районов, где газ СПБТЛ должен применяться с

1 июня по 1 октября.

Таблица 5.4

Сжиженные газы

Примечание.

При массовой доле меркаптановой серы менее 0,001 % сжиженные газы

должны быть одорированы.

Газ СПБТЗ предназначен для применения в зимний период с 1 октября по

1 апреля во всех районах и с 1 октября по 1 июня в холодной зоне.

6. Перспективные виды топлива для автомобилей

6.1. Топливно-энергетические ресурсы земли

Обобщающим показателем, оценивающим развитость общества

на земле и в отдельных ее регионах, является потребление энергии.

В настоящее время потребление энергии на земном шаре дос-

тигло громадных объемов. Оно оценивается приблизительно и нахо-

дится в интервале 10,8–11,1 миллиарда тонн нефтяного эквивалента в

год. Соответственно потребление нефти достигло 3,5–3,8 миллиарда

тонн нефти в год. Примерные запасы нефти в мире оцениваются в

91,5 миллиарда тонн. Хотя за последние десятилетия и были открыты

новые и сделаны переоценки старых месторождений, но запасы ее на

земном шаре конечны, и полагают, что при сложившихся темпах по-

требления ее хватит на 30–75 лет.

Поэтому последующие годы станут годами перестройки топ-

ливно-энергетических балансов развитых стран, что будет означать

вытеснение нефти там, где это возможно, природным газом, углем,

гидравлической, атомной энергией, возобновляемыми и нетрадици-

онными источниками.

Запасов природного газа на земле хватит примерно на 250–300,

а угля на 600–700 лет. При этом использование угля приводит к зна-

чительным и порою невосполнимым нарушениям экологического

равновесия, как на месте добычи, так и на месте потребления.

Бытовало мнение, что ХХI век будет веком атомной и термо-

ядерной энергетики, особенно в районах с высокой плотностью насе-

ления, как экологически наиболее чистой. Примером такого подхода

может служить Франция, где приблизительно 80 % электроэнергии

вырабатывается атомными электростанциями (АЭС), что составляет

примерно 30–35 % установленной мощности всех атомных электро-

станций в мире. Авария в Чернобыле на некоторое время изменила

отношение человечества к атомной энергетике. Шоковое состояние

уже прошло, и человечество вынуждено в разумных пределах вер-

нуться к атомной энергетике.

Однако заменить нефть и извлекаемые из нее жидкие и сжижае-

мые углеводороды другими энергоносителями удастся далеко не вез-

де и особенно на автомобильном транспорте. Нужно иметь в виду,

что нефть – незаменимое сырье для химической промышленности, и

потребности ее в этой отрасли соизмеримы с потреблением нефте-

продуктов на автомобильном транспорте.

В настоящее время для двигателей внутреннего сгорания широ-

ко используют шесть видов топлива: бензин, дизельное топливо,

сжиженный газ, спиртовое (метанол, этанол), составное (бензин с до-

бавкой спирта и спирт с добавкой бензина), сжатый природный газ.

К настоящему времени известны еще четыре возможных авто-

мобильных топлива: синтетическое жидкое топливо (СЖТ), водород-

ное, азотоводородное (аммиак и гидразин), а также природный газ и

водород в криогенном состоянии. Отношение к перспективным видам

автомобильного топлива не одинаково. В одних случаях подобные ви-

ды топлива уже применялись, как например СЖТ, синтетические спир-

ты, но были вытеснены более дешевыми технологичными бензинами и

дизельными топливами, однако возвращение к ним должно происхо-

дить на новом инженерном и технологическом уровне. В других случа-

ях решение проблемы находится в стадии успешных экспериментов, на

уровне изысканий и предположений, а в ряде случаев на этапах науч-

ных споров и при отсутствии единого мнения.

Основные требования к перспективным автомобильным топли-

вам те же, что и к традиционным видам. Однако сложились опреде-

ленные требования и к ним, основное из которых следующее: новые

виды топлив не должны вызывать коренного изменения конструкции

двигателя, топливной аппаратуры, достаточно длительного хранения

на борту автомобиля; технико-экономические показатели работы

транспортного средства должны изменяться незначительно.

6.2. Сравнительные оценки видов топлива

Существующие и перспективные автомобильные топлива сравни-

ваются как с точки зрения экологической безопасности, ресурсов, так и

энергетической, экономической эффективности. При этом бензины, ди-

зельное топливо, сжатые и сжиженные газы в этом разделе сравнивать-

ся не будут, так как эти виды топлив были рассмотрены выше.

6.2.1. Спиртовые топлива

На автомобильном транспорте спирты рассматриваются как одно из

перспективных ближайших альтернативных топлив. Практическое при-

менение имеют метиловый – "метанол" и этиловый – "этанол" спирты.

Метанол ( CH3OH ) в настоящее время становится одним из наи-

более выгодных видом топлива, как с позиции производства, так и эко-

логии. Метанол можно получать из природного газа, угля, древесины,

биомассы. Земной шар располагает достаточными запасами этого сы-

рья, часть из них относится к группе возобновляемых ресурсов.

При производстве метанола выделяется большое количество СО2,

что нежелательно из-за "парникового эффекта". Метанол легко смеши-

вается с водой, что может вызвать неприятности при его использова-

нии. Пламя при сгорании метанола почти невидимо. Теплосодержание

метанола на 50 % меньше, чем у бензина, следовательно, почти вдвое

больше его расход. Для сохранения пробега на одной заправке топлив-

ный бак автомобиля должен быть вдвое больше, чем у серийного авто-

мобиля. Высокая внутренняя теплота парообразования существенно об-

легчает задачу охлаждения двигателя. Метанол токсичен и ядовит.

Температура кипения метанола 64°С, что значительно выше темпера-

туры кипения легких фракций зимнего бензина. Запуск двигателя на

метаноле при температуре воздуха ниже –16°С затруднен.

Существенное улучшение физико-химических и эксплуатацион-

ных свойств метилового спирта можно получить, применяя его в со-

ставе составного топлива с добавкой легких фракций бензина в соот-

ношении 85: 15. Составное топливо в США получило распростране-

ние и называется М-85. Такая добавка бензина к метанолу позволяет

осуществлять запуск холодного двигателя при температуре до –18°С, а

в совокупности с совершенными системами топливоподачи и зажига-

ния до –29°С. Октановое число метанола ∼110 по исследовательскому

методу, у составного топлива с добавкой бензина снизится до ∼102,

что значительно выше реально применяемых бензинов. Спиртовое и

составное топлива позволяют увеличить степень сжатия, что улучшит

топливную экономичность двигателя с одновременным увеличением

его мощности до 7 %. Топливо М-85 горит с видимым пламенем. В от-

работавших газах автомобилей, работающих на спиртовом и состав-

ном топливе, хотя и образуются СО, СН, NОх, но в значительно мень-

ших количествах, и они менее активны с точки зрения образования

смога. Все это позволяет считать метанол и составное топливо на его

основе достаточно экологически чистым топливом. Считается, что при

сгорании метанола образуется в 10 раз больше формальдегида, оказы-

вающего раздражающее действие на глаза и дыхательные пути. Есть

предположение, что он канцерогенен.

Препятствием для широкого использования метанола является

его высокая токсичность. Метанол – это яд, действующий на нервно-

сосудистую систему. Отравления возможны при вдыхании паров,

воздействии жидкости на кожу и при попадании в пищевой тракт (за-

Показатели Метанол Этанол о 3 Плотность при 20 С, кг/м     о 2 Вязкость при 20 С, мм /с 0,55 1,76 о Температура, С:     кристаллизации –98 –115

пах напоминает запах питьевого спирта). Смертельная доза 30 мл, а

попадание в организм свыше 10 мл метанола может окончиться тяже-

лым отравлением с неизлечимыми последствиями. Предельно допус-

тимая концентрация (ПДК) паров метанола в воздухе 5 мг/м3,а для

бензина 100 мг/м3. Для уменьшения степени вреда, причиняемого ме-

танолом в качестве автомобильного топлива, необходимо изменение

системы питания автомобиля.

При эндотермическом разложении метанола (СН3ОН) можно по-

лучить смесь газов (СО и Н2), теплота сгорания которых на 20 % выше,

чем у жидкого метанола. На автомобильном бортовом реакторе в при-

сутствии катализатора (меди, цинка, никеля, палладия, платины) при

температуре 220–500°С возможно протекание реакции

СН3ОН → СО + 2Н2.

Внешний подвод необходимого количества тепла возможен от от-

работавших газов двигателя. Возможна работа автомобиля на смеси

жидкого метанола и газа, полученного при его разложении. Конструк-

ция бортового реактора в этом случае несколько упрощается.

Этанол С2Н5ОН имеет много сходства с метанолом (табл. 6.1).

Высокое октановое число (ОЧи=100), поглощает влагу, имеет близкий

уровень токсичности отработавших газов; при его производстве так-

же выделяется большое количество СО2. Теплосодержание его выше,

чем у метанола, но меньше на 34 %, чем у бензина.

Этанол получают из возобновляемых природных ресурсов – куку-

рузы, сахарного тростника и др. Для многих государств получение этано-

ла, как автомобильного топлива, неприемлемо из-за низкой урожайности

и больших площадей, изымаемых из продуктового оборота. Более ре-

ально получение гидролизного этилового спирта из отходов древесины.

Температура кипения этанола 78°С, проблемы с запуском двигателя

могут появиться уже при 0°С. Добавка к этанолу 15 % бензина позволяет

сделать летний вид составного автомобильного топлива. В США подоб-

ное топливо получило широкое распространение и называется Е-85.

Таблица 6.1.

Физико-химические и эксплуатационные показатели метанола и этанола

Показатели Бензин Метанол СН3ОН Этанол С2Н5ОН 5% 10% 15% 5% 10% 15% 20% газохол ОЧ/И   92,9 93,8 94,7 92,4 92,8 93,2 93,6 ОЧф< 100 С зимн летн. 77,25 82,1 85,2 84,9 88,3 86,7 81,1 79,9 83,2 82,5 85,3 85,2 87,4 87,8 ОЧф> 100 С зимн. летн.                 КРДС= ОЧ Ф p 100% ОЧ Ф f 100% 0,752 0,75 0,781 0,787 0,811 0,824 0,840 0,860 0,772 0,776 0,792 0,801 0,812 0,827 0,832 0,853 ОЧ/И   81,5 83,0 84,5 81,0 82,0 83,0 84,0 о ОЧф<100 С зимн. летн. 68,4 67,2 72,56 72,18 76,72 77,15 80,88 82,13 71,56 71,00 74,72 74,82 77,88 78,6 81,04 82,45 ОЧф>100 зимн. летн. 90,6 89,6 90,6 89,6 90,6 89,6 90,6 89,6 90,6 89,6 90,6 89,6 90,6 89,6 90,6 89,6

Показатели Метанол Этанол кипения     самовоспламенения     о о Теплоемкость при 20 С, кДж/(кг С) 2,51 2,43 Стехиометрическое количество воздуха, (кг воздуха)/(кг топлива) 6,5 9,0 Теплота парообразования, кДж/кг

Этанол менее токсичен, чем метанол. Предельно допустимая

концентрация его в воздухе 1000 мг/м3. Препятствием для массового

применения этилового спирта в качестве автомобильного топлива яв-

ляется наркотическое действие его на организм человека.

С учетом сырьевой базы и экономических условий изготовления

в настоящее время спирты могут рассматриваться в качестве пер-

спективных добавок к бензинам с целью увеличения эффективного

КПД и мощности и приемистости двигателя. На современном уровне

развития производства метилового и этилового спиртов добавка их к

бензинам может рассматриваться как промежуточный этап перехода

автомобильного транспорта на чистый метанол. Добавка спиртов к

бензинам не только увеличивает фронтальное октановое число со-

ставного топлива, но что особенно важно, существенно улучшает ко-

эффициент распределения детонационной стойкости. Особенно эф-

фективно применение спиртовых добавок к летним бензинам

(табл. 6.2). Оптимальным считается содержание 15 % метанола в бен-

зометанольной смеси (БМС) и обозначается М15.

Таблица 6.2

Расчетные эксплуатационные показатели составного топлива

Показатели Бензин Метанол СН3ОН Этанол С2Н5ОН 5% 10% 15% 5% 10% 15% 20% газохол ОЧ/И 91,8 93,9 96,1 98,4 92,8 93,7 94,5 95,2 ОЧ/М 83,5 84,3 85,1 86,0 84,0 84,5 85,0 85,5

КРДС=

ОЧ Ф p 100%

ОЧ Ф f 100%

0,754

0,75

0,800

0,805

0,846

0,861

0,892

0,916

0,789

0,742

0,824

0,835

0,859

0,877

0,894

0,920

Добавление 15 % метанола к бензину увеличивает эффективный

КПД двигателя на 10 %, мощность на 8 %, уменьшает удельный рас-

ход энергии на единицу мощности на 14 %, концентрацию СО в от-

работавших газах почти в 3 раза. На 12 % возрастает удельный мас-

совый расход при фактической экономии топлива почти на 13 %.

В США и Канаде под названием " Газохол " применяют бензоэта-

нольные смеси (БЭС), содержащие до 20 % этилового спирта (Е20).

Из-за большой гигроскопичности спиртов бензоспиртовые сме-

си обладают склонностью к расслоению. Расслоения бензоспиртовых

смесей можно избежать, добавляя к ним 5–7 % бутанола (изопропа-

нола, гексанола и др.), при этом расслоения не будет происходить,

пока температура воздуха не понизится до –30°С.

Таблица 6.3

Дорожное октановое число смеси бензина с метанолом и этанолом

6.2.2. Синтетическое жидкое топливо

Перед человечеством неоднократно вставал вопрос о производ-

стве синтетического жидкого топлива (СЖТ) или синтетического бен-

зина. В начале ХХ века в Эстонии из-за отсутствия нефти получали

СЖТ из горючих сланцев, а в Германии – из бурого угля. Германия к

концу тридцатых и началу сороковых годов имела 20 заводов с сум-

марной мощностью 6 млн т/г. Пятидесятые и шестидесятые годы ха-

рактеризовались дешевой нефтью, поскольку были открыты новые

крупные месторождения как в нашей стране, так и в странах Ближнего

Востока. Это привело к неглубокой поверхностной переработке нефти,

снижению добычи угля. К концу шестидесятых и началу семидесятых

годов в развитых капиталистических странах разразился крупный

энергетический кризис, цены на нефть поднялись в 19 раз. С этого

времени начинается бурное производство малолитражных автомоби-

лей. В семидесятые годы вновь вспомнили о СЖТ, но технология ста-

рых заводов сложна, дорога и малопроизводительна. Она основыва-

лась на насыщении угля водородом, и в определенных термодинами-

о Температуры, С, при 0,1 МПа Кипения -253 Застывания -259 Критическая -240 Сгорания стехиометрической топливно-воздушной смеси   Самовоспламенения 550-600 Критическое давление, МПа 1,27 Плотность, кг/м, при 0,1 МПа   о при +20 С (газ) 0,088 при температуре кипения   при температуре застывания   Теплота:

ческих условиях происходила так называемая деструктивная гидроге-

низация. Измельченный уголь до 0,1 мм смешивали с водой и полу-

ченную смесь нагревали до 400–500°С при давлении до 30 МПа в при-

сутствии катализатора. В результате гидрогенизации образуется ком-

позиция, состоящая из жидкости и газа. В зависимости от условий

проведения процесса конечными продуктами могут быть бензин, ди-

зельное топливо, мазут. По теплотворной способности синтезирован-

ное топливо равноценно бензину. Для получения 1 т синтетического

топлива необходимо 4–5 т каменного угля или 10 т бурого угля.

В эти годы начали вкладывать деньги в работы по поиску новых

технологий получения СЖТ и даже осуществлять финансирование

строительства современных заводов. Однако в начале восьмидесятых

годов на мировом рынке произошло снижение цен на нефть, что при-

вело к переориентации капиталистических стран в вопросах СЖТ, и

финансирование научных исследований, как и строительство заводов,

было прекращено.

В настоящее время сегодняшние цены на нефть, ее качество, за-

пасы могут привести к тому, что для некоторых районов и даже ряда

государств могут сложиться условия для достаточно эффективного

замещения нефти моторным топливом из угля.

6.2.3. Водородное топливо

Водород (Н2) является самым чистым в экологическом отноше-

нии автомобильным топливом (табл. 6.4). При сгорании водородо-

воздушной смеси в двигателях внутреннего сгорания образуются во-

да и незначительное количество NОх из-за окисления азота воздуха.

Таблица 6.4

Основные физические показатели водорода

плавления, МДж/моль 0,0965 испарения МДж/моль 0,903 низшая сгорания МДж/кг (МДж/м) 120 (10,2) сгорания стехиометрической топливно-воздушной смеси, МДж/м 3,037 Концентрационный диапазон воспламеняемости с воздухом, % по объему (по коэффициенту избытка воздуха) 4-75 (0,14-9,8) Минимальная энергия воспламенения, МДж/кг 0,011 3 3 Стехиометрическое количество воздуха, кг/кг (м /м) 27,7 (2,38)

Сырье Полученное топливо Отношение А Нефть Бензин, дизельное топливо 90-98 Уголь Бензин, дизельное топливо, метанол 67-85 Горючие сланцы Бензин, дизельное топливо 63-75 Промышленные газы Горючие газы, метанол 95-100 Биомасса Этанол 25-35

гтЭ

В отработанных газах автомобиля полностью отсутствуют СО и

СО2, поскольку углерод не участвует в горении. Ресурсы водорода

огромны, так как он входит в состав воды Мирового океана, но на се-

годняшний день процесс ее разделения на водород и кислород весьма

энергоемкий. Вероятнее всего водород как энергоноситель будет ис-

пользоваться при развитой атомной и термоядерной энергетике.

Важным и объективным показателем, характеризующим труд-

ность переработки сырья и получения топлива, является отношение А.

Á = ⋅100,

Эгт + Эпт

где Эгт – энергия горения топлива; Эпт – энергия получения топлива.

В табл. 6.5 представлено отношение А для некоторых видов то-

плива и сырья. Водород, скорее всего, будет автомобильным топли-

вом к середине ХХI века. Для его использования надо развить энерге-

тику и водородную промышленность, преодолеть ряд трудностей его

применения. Во-вторых, необходимо создать новый двигатель. В

смеси с воздухом водород имеет низкую способность к детонации, и

в классическом двигателе Дизеля он не воспламеняется даже при сте-

пени сжатия 29. А в карбюраторном двигателе, наоборот, водород

легко воспламеняется от несгоревших и раскаленных частиц преды-

дущего заряда. Скорее всего, водород на автомобиле будет накапли-

ваться в связанном абсорбированном виде в металлогидридных нако-

пителях или в сжиженном виде в криогенных накопителях.

Таблица 6.5

Отношение А для некоторых видов топлива и сырья

Показатели Бензин Сжатый водород Сжиженный водород Гидрид Масса топлива, кг 53,5 13,4 13,4 13,4 Объем топлива, м 0,07 1,0 0,1 --- Масса бака, кг 13,6     213,6 Полная масса топливной системы, кг

Сырье Полученное топливо Отношение А Вода, воздух, ядерная энергия Водород, азотоводородные соедине- ния 17-20

Во-первых, необходимо обеспечить безопасность хранения, за-

правки, перевозки водорода. Теплота сгорания водорода в 2,5 раза

больше бензина и в 4 раза больше спиртов. Но он легок, поэтому да-

же при давлении 20 МПа его баллоны займут объем в 120 раз больше,

чем штатный бензобак автомобиля, масса накопленного водорода бу-

дет составлять 1 % массы баллонов. В сжатом виде водород исполь-

зоваться не будет (табл. 6.6).

Металлогидридные накопители основаны на принципе поглоще-

ния водорода сплавами с образованием химических соединений – гид-

ридов. Процесс связывания идет с выделением тепла, для использова-

ния водорода накопитель надо нагревать. К достоинствам следует отне-

сти отсутствие утечек, простоту заправки, меньший, чем у сжатого во-

дорода, объем. К недостаткам надо отнести следующее: даже наилуч-

ший железо-титановый гидрид дает только 2 % массы водорода.

Таблица 6.6

Сравнительные характеристики разных накопителей водорода,

обеспечивающие равный пробег автомобилю

Гораздо лучшие объемно-массовые показатели дает применение

криогенной емкости с жидким водородом. Чтобы достичь той же

плотности энергии, что и в бензобаке, такой баллон должен быть

только вдвое тяжелее его. Водород переходит в жидкое состояние

при температуре –253°С (природный газ приблизительно при –

196°С). Утечки из баллона, представляющего собой термос, доста-

точно велики, но не превышают 2 % в день при давлении в баке 0,4

МПа.

Литровая мощность двигателя, работающего на водороде, ниже,

чем на бензине. У воздушно-водородной смеси очень широкие пре-

делы воспламенения от 5 до 75 % водорода. Поэтому двигатели могут

устойчиво работать как на бедной, так и на богатой смеси.

Работа на богатой смеси позволяет получить приемлемую мощ-

ность двигателя, а следовательно, скорость и грузоподъемность. Одна-

ко смесь самопроизвольно воспламеняется от нагретых деталей и час-