книги / Метанол как топливо для транспортных двигателей

УДК 621.43

Метанол как топливо для транспортных двигателей / В.А. Звонов, В.И. Черных, В.К. Балакин. X .: Изд-во "Основа" при Харьк. ун-те,

1990. - 150 с.

Монография посвящена вопросам разработки и применения перс­ пективных топлив на основе метанола для транспортных двигателей.

Рассмотрены новые технологические процессы производства топливно­

го метанола. Изложены различные варианты использования метанола в качестве моторного топлива, перспективы его применения как жид­

кого носителя водорода. Приведены данные испытаний метанолсодер­

жащих топливных композиций и автомобильных систем газификации ме­ танола.

Для преподавателей, научных и инженерно-технических работ­

ников, занимающихся вопросами разработки и применения моторных топлив.

Рецензент д-р техн. наук проф. Харьковского политехническо­ го института В .Г . Дьяченко

Редакция научно-технической литературы Зав. редакцией Л.А. Гаврилова

вввдение

Вэнергетической программе СССР на длительную перспективу предусматриваются мероприятия по экономии топливно-энергетиче­ ских ресурсов, замещению нефтяных топлив природным газом и дру­

гими альтернативными топливами ненефтяного происхождения, по рас­ ширению использования вторичных и нетрадиционных источников энер­

гии.

Основным потребителем нефтяных топлив в нашей стране явля­ ются двигатели внутреннего сгорания (ДВС) транспортных средств.

Объемы потребления ими топлива настолько велики, что для органи­ зации производства какого-либо альтернативного топлива в необхо­ димых количествах потребуются десятилетия. Поэтому выбор основно­

го или нескольких альтернативных топлив для ДВС целесообразно сделать в ближайшем будущем.

Для обоснования вида альтернативного топлива необходимо учи­ тывать следующие факторы: моторные свойства, наличие сырьевой ба­

зы для его производства в больших объемах в течение длительного времени, наличие крупнотоннажных технологий, системы транспорти­ ровки и распределения на местах потребления, экологические пока­ затели при работе двигателя на данном топливе, стоимость произ­

водства и распределения топлива.

Вкачестве основных альтернативных топлив для замены топлив нефтяного происхождения рассматриваются природный газ, спирты (метиловый и этиловый), водород, аммиак, гидразин, синтетические углеводородные топлива из сланцев и каменного угля. С учетом пе­ речисленных выше факторов наибольший интерес представляют природ­ ный газ (сжатый и сжиженный), водород, метиловый спирт (метанол).

Природный газ нашел широкое применение в двигателях с элек­

трическим зажиганием и внешним смесеобразованием. При сохранении неизменной степени сжатия перевод таких двигателей на газовое топливо приводит к снижению их мощности и экономичности. Уменьше­ ние мощности двигателя объя<5няется увеличением примерно в ? раз объемного содержания природного газа в топливовоздушной смеси по

сравнению с содержанием в ней бензин*. Отмечаются также плохие пусковые свойства двигателя на природном газе.

'на борту автомобиля. Удельные показатели системы хранения сжато-

го природного газа в баллонах из легированной стали превышают соответствующие показатели для системы хранения бензина по массе

плуатация таких автомобилей технически достаточно сложна и связа­

на с потерями газа вследствие испарения.

Преимуществом газовых топлив является существенно меньшее

количество выбросов таких токсичных веществ, как оксид углерода

(и з-за обеднения смеси) и оксиды азо та, полное отсутствие выбро­

сов соединений свинца в атмосферу. Кроме того, у двигателя на га­ зовом топливе на 35...40 % увеличивается моторесурс, на 30...40 % срок службы свечей и в 2-3 раза срок службы масла.

Перспективность применения водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания определяется прежде всего его эко­

логической чистотой, неограниченностью и возобновляемостью сырье­

вой базы, его хорошими моторными свойствами. Вследствие широких

концентрационных пределов воспламенения топлива можно обеспечи­ вать работу водородного двигателя в диапазоне составов смеси от 0 ,5 до 5. Это позволяет повысить эффективный КМ двигателя при

оксиды азота практически не образуются в камере сгорания).

отсутствием системы распределения, сложностью хранения водорода

на борту автомобиля.

Водород на автомобиле может храниться следующим образом: в

сжиженном виде в криогенных емкостях (температура кипения водоро­

да 2 0 ,4 К ), в сжатом и с помощью металлогидридов. По весовым и

объемным показателям первая система является лучшей, но и она на порядок уступает системам хранения бензина.

метанол является одним из важнейших по значению и масшта­

Метанол обладает хорошими моторными свойствами (высокое ок­

тановое число, более широкие, чем у бензина, пределы горения), что способствует повышению мощности и КЦЦ двигателя. Дополнитель­ ное улучшение показателей двигателя достигается благодаря сниже­

нию температуры топливовоздушной смеси на впуске вследствие боль­ шей теплоты парообразования.

Метанол может быть использован в качестве высокооктановой добавки к бензинам, как основное топливо для двигателей с элект­ рическим зажиганием и для дизелей, в условиях раздельной подачи

Метанольный двигатель характеризуется лучшими экологически­

ми показателями: исключаются выбросы свинца при добавке метанола

к бензину, выбросы оксидов азота уменьшаются на 33 %, углеводоро­ дов - на 55 %, оксида углерода - на 43 %.

Эксплуатационные испытания метанола в качестве добавки к бензину (в частности :в Ворошиловграде) и в качестве основного топ­ лива подтвердили принципиальную возможность и эффективность его применения в ЛВС. Однако при этом были выявлены и недостатки мета­ нола: затрудненный пуск холодного двигателя, образование паровых пробок в системе питания при повышенных температурах, повышенный

выброс альдегидов, сложность получения однородной смеси по цилин­

драм, повышенный износ отдельных деталей, .уменьшение срока службы масла.

Наиболее эффективно использование метанола как жидкого но­

сителя водорода на борту автомобиля. Метанол содержит 12,5 % во-

.порода по массе. При температуре 5 0 0 ...6 7 0 К можно осуществить

каталитическую конверсию метанола в водородсодержащее топливо. Необходимая для данной эндотермической реакции теплота подводит­

ся от отработавших газов двигателя. Теплота сгорания продуктов конверсии, содержащих около 70 % водорода по объему, на 1 0 ...2 0 ?

больше теплоты сгорания метанола вследствие протекания термохи­

мической регенерации теплоты.

Таким образом, среди основных альтернативных топлив мета­ нол наиболее перспективен не только в качестве топлива для дви­ гателей, но и как эффективный носитель водорода при создании экологически чистого водородного двигателя.

В предлагаемой монографии обобщен отечественный и зарубеж­

ный опыт по использованию метанола в качестве моторного топлива. Рассмотрены следующие основные вопросы: оценка применимости раз­

личных альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания;

обоснование перспективности метанола в качестве топлива и техно­ логия его получения;• физико-химические свойства метанола и про­ дуктов его сгорания; методика расчета процесса сгорания метанола

в двигателе; способы применения метанола и смесей на его основе з двигателях с электрическим зажиганием и а дизелях, основные

•технико-экономические и экологические показатели этих двигателей

при различных способах их питания метанолом; конверсия метанола э водородсодержащее топливо и показатели двигателей при работе на этом топливе.

В книге нашли отражение результаты научно-исследовательских

опытно-конструкторских работ, выполненных авторами.

Î. Альтернативные топлива и оценка их применимости в ДВС

Ï.I. Виды и сырьевая база альтернативных топлив

Понятие "альтернативные топлива" охватывает все виды топлив ненефтяного происхождения. Альтернативные топлива подразделяются

на две группы. К первой относятся жидкие натуральные и синтетиче­ ские топлива, близкие по своим физико-химическим свойствам к тра­

диционным нефтяным. Это газовые конденсаты, синтетические бензины и дизельное топливо, основные свойства которых приведены в табл. I.I [ 58 ].

Газовые конденсаты представляют собой ископаемые углеводо­ родные фракции, сходные по своим моторным свойствам с бензинами

и дизельными топливами. Важнейшим их преимуществом является воз­

можность использования в серийных двигателях.

Синтетические бензины представляют собой искусственные уг­

леводородные продукты, идентичные по своим химмотологическим

свойствам природным бензинам. Сырьем для их получения служат пер­ вичные ископаемые энергоисточники и в первую очередь твердые топ­

Переработка (ожижение) твердых топлив производится путем насыщения их водородом, которое может осуществляться перераспре­ делением имеющегося водорода и удалением карбонизированного ос­ татка или добавлением его со стороны. В общем случае процесс пе­

вая газификация с последующей переработкой синтез-газа. Последний процесс позволяет получать не только углеводороды, но и метиловый спирт. КПД процессов получения жидкого топлива из угля - 50...6556 по энергии.

Горючие сланцы - это тонкозернистые горные породы, содержа­

щие органические вещества. Низшая теплота сгорания лежит в преде­ лах 4.. .18 цЦж/кг. Они перерабатываются методом полукоксования с

получением сланцевых смол - синтетических нефтей, отличающихся от

обычных повышенной плотностью, вязкостью и большим количеством непредельных соединений. Из I т сланцев можно получить 0,15 т сланцевой смолы. КПД процесса получения жидкого топлива из нее

достигает 70 %по энергии.

Природные битумы представляют собой углеводороды преимуще­

ственно твердой или вязкой консистенции, свойства их приведены в табл. 1.4 [50]. Они подвергаются замедленному коксованию или парокрекингу. Получаемая в результате синтетическая нефть характе­

ризуется высоким содержанием средних дистиллятов (47%по массе),

что является благоприятным для получения дизельных топлив.

Вторую группу составляют топлива, отличающиеся от нефтяных не только происхождением, но и агрегатным состоянием, химическим составом и энергетическим уровнем. В эту группу входят четыре ви­

да топлив: углеводородные газовые топлива (нефтяной и природный газы, доменный газ, газы коксования, биогаз); водород; азотоводо­ родные топлива (аммиак и гидразин); спирты и сложные эфиры. Иско­

паемые газовые топлива - попутный нефтяной и природный газы -

могут применяться в качестве альтернативных без какой-либо пере­ работки. Теплотехнические характеристики их приведены в табл .1.5

Г 6 ] .

ответствующей эксплуатационным условиям. Высокие моторные качест­

ва СП6Т обеспечивают сохранение технико-экономических показателей автомобиля на уровне бензинового аналога.

Использование СПБТ позволяет также значительно снизить вы­ бросы вредных веществ вместе с отработавшими газами:оксида угле­

рода в 2 оксвдов азота в 1,2г 2. раза [J26 ].