§ 4.3. Спирты

В транспортной энергетике спирты рассматривают как одно из основных альтернативных топлив для ДВС. Практическое значение имеют спирты метиловый (условное наименование «метанол») и этиловый (условное наименовение «этанол»). Эти топлива по своим термохимическим и эксплуатационным показателям наиболее полно удовлетворяют характерным особенностям современных поршневых ДВС. Спирты обладают высоким 04 и низким ЦЧ, вследствие чего их целесообразно использовать в качестве топлива для двигателей с принудительным воспламенением. В табл, 4.13 приведены основные свойства метанола и этанола.

Таблица 4.13

Спирты обладают высокой гигроскопичностью (они неограниченно вмешиваются с водой), что оказывает существенное отрицательное илияние на их эксплуатационные свойства. Увеличение концент­рации воды повышает плотность, температуры кипения и кристаллизации, теплоемкость и теплопроводность топлива при одновременном ухудшении его энергетических показателей и значительном усилении коррозионной агрессивности (в особенности мо отношению к сплавам, содержащим свинец и алюминии). Метанол вступает в химическую реакцию с водой с выделением водорода. Теплота сгорания спиртов приблизительно в 2 раза меньше, чем нефтяных топлив, поэтому при практически одинаковых энергетических затратах ДВС, работающие на спирте, имеют по срав­нению с бензином большие массовые расходы топлива «пропорционально отношению теплот сгорания). Спирты по срав­нению с нефтяными топливами характеризуются более устойчивым сгоранием. Благодаря этому расширяется диапазон устойчивого го­рения на бедных смесях (до а- 1,5— 1,6).

Сгорание спиртов по сравнению с бензинами характеризуется меньшими задержками воспламенения и большими скоростями го­рения, более низкими температурами и большей полнотой сгорания. Нее это обеспечивает меньший теплоотвод из зоны реакции, пониженную теплонапряженность деталей цилиндропоршневой груп­пы, уменьшение нагарообразования, повышенный индикаторный КПД, уменьшенный удельный расход энергии на единицу мощности и меньшую токсичность отработавших газов по СО, С_nН_т и оксидам азота. В табл. 4.14 приведены результаты испытаний двигателя i=8, V_h=4,5 л, e=8,9 по европейскому ездовому циклу.

Таблица 4.14

Высокое значение теплоты испарения спиртов обусловливает снижение температуры заряда, следовательно, повышение ко­эффициента наполнения. Сочетание перечисленных факторов позволяет увеличить мощность двигателя при переходе на спирт на 10—15 % (по сравнению с бензином). Использование высоких антидетонационных качеств спиртов позволяет дополнительно увеличить мощность двигателя путем увеличения степени сжатия. Большая теплота испарения спиртов затрудняет пуск двигателя и ухудшает условия внешнего смесеобразования (ухудшается гомогенизация смеси во впускном тракте и увеличивается неравномерность ее распределения по цилиндрам). Для устранения этого недостатка применяют добавку растворимых в спиртах легкокипящих I углеводородов (до 20 % бутана, изопентана, диметилового эфира и др.) интенсивный подогрев впускного тракта и карбюратора, частичную рециркуляцию отработавших газов, а также вводят 1 специальные пусковые системы. Характерной особенностью спиртов I является малое сажеобразование (метанол практически не дает I сажи).

Коррозионная агрессивность спиртов и бензоспиртовых смесей проявляется в воздействии на сталь, алюминий, магний, цинк и сплавы на их основе. В присутствии воды коррозия значительно возрастает. Спирты интенсивно реагируют со свинцом, образуя аморфные соединения, забивающие топливные фильтры и жиклеры. Большинство прокладочных материалов имеет склонность к набу­ханию при контакте со спиртами.

При работе на спиртах возможен повышенный износ двигателя, что объясняется разрушающим действием спирта на масляную плен­ку, находящуюся на поверхностях трения (это действие усиливается в присутствии воды). Помимо этого при неполном сгорании этанола образуются органические кислоты, интенсифицирующие кор­розионный износ пар трения. Явление повышенного износа наиболее сильно проявляется при низкотемпературных режимах работы двига­теля (например, в режиме прогрева).

Токсичность отработавших газов ДВС, работающих на спиртах, характеризуется следующими показателями; концентрация СО при а < 1 соответствует бензиновым двигателям; с увеличением а свыше 0,98—1,0 наблюдается резкое падение с последующим, по мере дальнейшего обеднения смеси, практически полным отсутствием содер­жания оксида углерода в отработавших газах; концентрация углеводородов в 10—20 раз, а оксидов азота в 1,5—2 раза меньше, чем в бензиновых двигателях на соответственных режимах работы (концентрация СО и СН в двигателях, работающих на этаноле, несколько выше, чем при метаноле).

Использование спиртов и бензоспиртовых смесей на транспортном средстве обусловливает выполнение следующих доработок его конст­рукции: увеличивается объем топливных баков (при необходимости сохранения заданной величины пробега между заправками топливом); вводятся системы, обеспечинаюшие запуск холодного двигателя; изменяется тарировка топливодозирующих устройств с учетом повышенного массового расхода топлива и заменяются ма­териалы, обладающие пониженной стойкостью к спиртам. Целесооб­разна также установка свечей зажигания с большим калильным числом и усиление подогрева впускного тракта.

Реальным препятствием для широкого практического использо­вания метанола является его высокая токсичность. Метанол — яд, действующий на нервно-сосудистую систему. Отравления возможны при попадании метанола в пищеварительный тракт и при вдыхании или воздействии жидкости на кожу человека. Предельно допустимая концентрация паров метанола в воздухе 5 мг/м³ (для бензина — 100 мг/м³ ). Попадание в организм свыше 10 мл метанола может окончиться тяжелым отравлением. Смертельная доза 30 мл. При длительных контактах с метанолом возможно хроническое отрав­ление, сопровождающееся нервными расстройствами. Для ограни­чения связанных с этим опасностей необходима надежная герметизация топливных баков и топливоподающей системы.

Этанол менее токсичен, ПДК паров этанола в воздухе 1 г/м³_. Препятствием для массового использования этанола является его наркотическое действие на организм человека.

Проводятся опытно-конструкторские работы по использованию в качестве топлива смеси газов (СО + Н₂), получаемых путем термо­каталитического разложения метанола в устанавливаемом на авто­мобиле бортовом реакторе. Эндотермическая реакция разложения СН₃ОН  2Н₂+ СО — 4000 кДж/кг протекает при температуре 220— 500 °С на катализаторе (платина, палладий, медь, цинк, никель). Теплота сгорания получаемых продуктов на 18—20 % выше, чем у жидкого метанола (с учетом скрытой теплоты его парообразования). Необходимый для протекания реакции внешний подвод теплоты обеспечивается отработавшими газами двигателя. Наиболее сложной задачей в этом случае является разработка катализатора и реактора, обеспечивающих устойчивое разложение метанола в эксплуа­тационном диапазоне температур отработавших газов и нагрузок двигателя. В качестве паллиативного решения этой задачи рас­сматривается работа ДВС на смеси жидкого метанола и газа, полу­ченного при разложении метанола.

Получаемый при разложении метанола газ может быть исполь­зован в дизелях, работающих по газожидкостному циклу.