Производство экологического топлива

В последние годы стремительно увеличивающийся спрос на высокооктановый бензин  связан в первую очередь с быстрым ростом парка легковых автомобилей. Основные продажи приходятся на бензин марки АИ-92 при все большем спросе на марки АИ-95 и АИ-98.

Запрет на применение тетраэтилсвинца (самой дешевой октаноповышающей присадки) и увеличение спроса на высокооктановый бензин создали большой дефицит по высокооктановым компонентам этого продукта. Большинство производителей пошло по самому дешевому, но не экологичному пути наращивания октановых характеристик бензина – увеличению объема риформатов и применению октаноповышающих присадок на основе марганца и железа.

В западных странах экологические требования к продуктам сгорания автомобильных двигателей привели к развитию производств реформулированного (экологически чистого) бензина с кислородсодержащим компонентом – оксигенатом (спирт, простой эфир).

Обращает на себя внимание, что в 90-х годах в производстве бензина в США около 70% оксигената составлял спирт С1-С4. Использование этилового спирта в США – результат государственной политики по производству топлива из возобновляемого сырья (кукуруза – основное сырье для производства этилового спирта).

Из спиртов можно рассмотреть метанол CH3OH, этанол C2H5OH и изопропанол C3H7OH. Основным их достоинством является высокое октановое число.

Из таблицы 1 видно, что использование спирта в качестве добавок к бензину позволяет повысить его октановое число.
Вторым преимуществом спирта является его достаточно простая молекулярная структура по сравнению с остальными составляющими бензина. Это позволяет улучшить экологические характеристики топлива как за счет увеличения полноты сгорания топлива, так и за счет того, что продукты сгорания спирта содержат меньше загрязняющих веществ.
В качестве примера можно рассмотреть влияние доли спирта (метанола и этанола) на состав и свойства продуктов сгорания спиртово-бензиновой смеси.

Из таблицы 2 видно, что температура сгорания спирта на воздухе примерно на 5% ниже, чем у бензина (при расчетах не учитывалось повышение температуры топливной смеси при сжатии до зажигания). Однако произведение RT, характеризующее максимальную работу, которую может совершить рабочее тело (продукты сгорания) при расширении, для спирта ниже всего на 1,2-1,5%, что объясняется более высокой газовой постоянной.

Однако, несмотря на то, что добавление спиртов в бензин снижает адиабатную температуру сгорания топлива, оно также приводит к повышению октанового числа бензина, что позволяет использовать более высокую степень сжатия в двигателе, что в свою очередь дает возможность повысить КПД двигателя за счет более полного использования теплоты продуктов сгорания.
КПД ДВС при некоторых допущениях можно определить по следующей формуле:

где     T – температура сгорания топлива в цилиндре;
T_a – температура окончания расширения.

Температура сгорания топлива в цилиндре практически не зависит от давления в нем, в то же время температура окончания расширения Ta зависит от перепада давления (от максимума до атмосферного).

Таким образом, повышение степени сжатия на 20-25% с 8 (10) до 10 (12) за счет повышения октанового числа бензина приведет к аналогичному повышению максимального давления в цилиндре с 4(5) до 5(6) МПа. Подобное увеличение перепада давления приводит к увеличению КПД двигателя на 2-3%.

Основными достоинствами спирта по сравнению с углеводородами, входящими в состав бензина, является его более полное сгорание и то, что в составе его продуктов сгорания содержится значительно меньше загрязняющих веществ, таких как угарный газ и оксиды азота.

На рис. 1, 2 представлено содержание угарного газа и оксида азота в продуктах сгорания в зависимости от весовой доли спирта в спиртобензиновой смеси. Из графиков видно, что содержание угарного газа CO в продуктах сгорания при добавлении до 30% спирта в горючее уменьшается на 20-30%, а содержание оксидов азота NO – на 10-15%. Следует отметить, что при использовании метанола содержание вредных веществ в продуктах сгорания ниже, чем при использовании этанола.

Зависимость температуры продуктов сгорания от доли спиртов в спиртово-бензиновой смеси приведена на рис. 3. Из графиков видно, что при добавлении до 30% спиртов температура понижается не более чем на 50 градусов, или на 2%.

Рис.1 Содержание СО, NO  при добавлении эталона

Рис.2 Содержание СО, NO при добавлении метанола

Рис.3 Температура продуктов сгорания в зависимости от доли спирта