Топлива с ненефтяными добавками

Министерство образования и науки Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Кафедра эксплуатации транспортно-технологических машин и комплексов

 

Реферат

Топлива с ненефтяными добавками

 

 

 

 

Студент группы 1-ЭТМК-3

Канев А.Л.

Руководитель :

к. т. н. Боряев А.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2016

Содержание.

1. Преимущества топлив с ненефтяными добавками………………….3
2. Особенности эксплуатационных свойств метанола………………...4
3. Присадки для стабилизации бензинометанольных смесей……..….6
4. Отечественные разработки…………………………………………...7
5. Зарубежные разработки………………………………………………8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Преимущества топлив с ненефтяными добавками.

 Главным преимуществом топлив с ненефтяными добавками является сопоставимость их моторных свойств со свойствами традиционных топлив. Добавками могут быть различные соединения, в частности спирты.

Высокие антидетонационные свойства метанола в сочетании с возможностью его производства из ненефтяного сырья позволяют рассматривать этот продукт в качестве перспективного высокооктанового компонента автомобильных бензинов, получивших название бензинометанольных смесей. Оптимальная добавка метанола –от 5 до 20%; при таких концентрациях бензиноспиртовая смесь характеризуется удовлетворительными эксплуатационными свойствами и дает заметный экономический эффект. Добавка метанола к бензину снижает теплоту сгорания топлива и стехиометрический коэффициент при незначительных изменениях теплоты сгорания топливовоздушной смеси. Вследствие изменения стехиометрических характеристик использование 15%-й добавки метанола (смесь М15) в стандартной 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 157о-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 бензинометанольных 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Особенности эксплуатационных свойств метанола.

Особенности эксплуатационных свойств метанола проявляются и при его использовании в смеси с бензином. Возрастают, например, эффективный к. п. д. двигателя и его мощность, однако топливная экономичность при этом ухудшается (рис. 4.11). По данным, полученным на одноцилиндровой установке, при е = 8,6 и п = 2000 мин -1 для смеси М20 (20% метанола) в области а=1,0–1,3 эффективный к. п. д. 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 улучшению токсических характеристик автомобиля. Например, в исследованиях, выполненных на группе из 14 автомобилей с пробегом от 5 до 120 тыс. добавка 10% метанола изменяла выброс углеводородов как в сторону повышения на 41%, так и уменьшения на 26%, что в среднем составило 1% увеличения. Выбросы СО и N0; при этом уменьшились в среднем соответственно на 38 и 8% для всей группы автомобилей .

Повышенная испаряемость и проницаемость спиртов з шланги обусловливают увеличение выбросов паров топлива в атмосферу. Например, добавка 10% этанола увеличивает выбросы паров топлива на 5% при движении автомобиля и на 42–48% при его заправке . Испарений можно избежать при тщательной герметизации топливной системы и замене некоторых прокладочных и трубопроводных материалов. Для этой цели разработаны специальные АЗС, емкости которых снабжены улавливателями паров с адсорбентами, а на раздаточных колонках установлены полностью герметичные пистолеты.

Одной из наиболее серьезных проблем, затрудняющих применение добавок метанола, является низкая стабильность бензинометанольных смесей и особенно чувствительность их к воде. Различие плотности бензина и метанола и высокая растворимость последнего в воде приводят к тому, что попадание даже небольших количеств воды в смесь ведет к ее немедленному расслоению и осаждению воднометанольной 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 бензинометанольных смесях:

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Присадки для стабилизации бензинометанольных смесей.

Для стабилизации бензинометанольных смесей используют присадки – пропанол, изопропанол, изобутанол и другие спирты. При содержании воды 600 млн' 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 . На рис. 4.12 показаны зависимости минимальной температуры расслоения бензинометанольных смесей от концентрации в них метанола для стабилизаторов – смеси спиртов с различным соотношением компонентов С4 : Сз : Сг. Как видно, наиболее эффективны пропанол и изопропанол.

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. Согласна 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 метанолу.

 
Рис. 4.12. Изменение температуры расслоения бензино-метанольной смеси I от содержания метанола ССH3OH при концентрации 9% стабилизатора: 
1–4 – содержание воды 0,001, 0,30, 0,50 н 1,0% соответственно; С4 : С3 : С2 – отношение спиртов в стабилизаторе.

4. Отечественные разработки.

В нашей стране разработаны две марки бензино-метанольной смеси: летняя –5% метанола и зимняя–15% метанола + 7% стабилизатора. Летнюю смесь можно использовать наравне с бензином А-76 без конструктивных изменений топливной системы двигателей. Вследствие пониженной теплоты сгорания спиртов и их повышенной агрессивности к металлам и резиновым техническим изделиям для использования зимней смеси необходима установка специальной топливной аппаратуры.

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.

При добавках к смеси незначительных количеств воды сталь начинает корродировать, а коррозия алюминия резко усиливается. Свинцово-оловянная полуда баков подвергается интенсивной коррозии практически во всех метанольных смесях с образованием соединений свинца в виде белых аморфных осадков, засоряющих топливные магистрали и фильтры. Цинк также подвержен интенсивной коррозии в метанольных смесях, в связи с чем контакт топлива с оцинкованными деталями не рекомендуется. Полимерные материалы, в частности полиметилметакрилат, при длительном нахождении: в метанольных смесях разлагаются. Большинство прокладочных материалов топливных систем, например, нейлон, имеют тенденцию к разбуханию. При работе на метанольных смесях в ряде случаев отмечался выход из строя диафрагмы топливного насоса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Зарубежные разработки

 За рубежом в карбюраторных двигателях практическое применение получили смеси 10–20% этанола с нефтяными бензинами, получившие название «газохол». Согласно стандарту А5ТМ, разработанному национальной комиссией по спиртовым топливам США, газохол с 10% этанола характеризуется следующими показателями; плотность 730–760 кг/м\ температурные пределы выкипания 25–210 °С, теплота сгорания 41,9 МДж/кг, теплота испарения 465 кДж/кг, давление насыщенных паров (38 °С) 55–110 кПа, вязкость (–40°С) 0,6 мм/с, 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 и смесь необходимо ввести стабилизаторы, в качестве которых используют пропанол, вторпропанол, изобутанол и др. Так, добавка 2,5–3,0% изобутанола обеспечивает устойчивость смеси этанола, содержащего 5% воды, с бензином при температуре до –20 °С. 
(США) были изучены эксплуатационные свойства газохола. В процессе рядовой эксплуатации легковых и грузовых автомобилей различных моделей и годов выпуска установлена приемлемость замены неэтилированного бензина газоходом при условии обеспечения содержания воды в топливной аппаратуре не выше допустимых норм для эксплуатационного диапазона температур. При длительной эксплуатации автомобилей на газохоле в некоторых случаях наблюдалось разрушение резинового уплотнения плунжера насоса-ускорителя и резиновых шлангов, что потребовало замены соответствующих материалов. В топливных насосах с электроприводами, охлаждаемых топливом, происходило вымывание электроизоляции и забивание ее частицами жиклеров карбюратора. Поплавки, изготовленные из фенольной смолы, из-за интенсивного поглощения газохола утяжелялись, что вело к переполнению поплавковой камеры карбюратора. При испытаниях по городскому циклу для грузовых автомобилей расход газохола был близким к расходу бензина и несколько увеличился при уменьшении массы автомобиля, однако не более чем на 5% для отдельных легковых автомобилей. При этом выбросы вредных компонентов снижались в среднем по оксиду углерода на 26,3%, суммарным углеводородам – 4,5% и оксидам азота – 5,7%. Показатели работавших масел на газохоле и бензине почти одинаковы, за исключением некоторого увеличения содержания меди;

В отличие от бензинов, смешивающихся с безводными спиртами практически в любом соотношении, для получения устойчивых смесей спиртов с дизельными топливами необходимо введение стабилизаторов, в качестве которых используют различные поверхностно-активные вещества. Для дизельных двигателей предложена смесь, содержащая 70% дизельного топлива, 25% этанола и 5% стабилизатора марки МА, обеспечивающего устойчивость смеси при температурах до –15°С. Для компенсации ухудшения воспламеняемости топлива (из-за добавки этанола) в смесь вводят 0,5–10% продукта «Керобризол» при температуре ниже 10 °С. Испытания такого топлива на четырехцилиндровом дизеле с рабочим объемом 1,5 л показали, что по сравнению с * дизельным топливом мощность двигателя повышается на 2%, расход топлива –на 8%. В то же время удельный расход энергии при работе автомобиля на спиртовой смеси ниже во всем диапазоне скоростей движения.

Для стабилизации смесей обводненного метанола с дизельным топливом можно использовать их в виде эмульсий. Стабильность эмульсии может обеспечиваться, например, введением 0,25% натриевой соли дибутилового  эфира сульфоянтарной кислоты. Могут также использоваться добавки бутанола в соотношении к метанолу не менее 2:1, что, однако, значительно удорожает топливо.

Наибольшее распространение получили топливные смеси газохол. В настоящее время это топливо широко применяют 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 1980 г. 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. Доля этанолсодержащих топлив от общего потребления автомобильных топлив к 1990 г. составит в Бразилии 40–50% и США – 10%

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 него 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 МЮО–120 автомобилей и 100 автомобилей на дизельном топливе с добавкой метанола. Смесь МЮО 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 % •