Диссертация (Методы повышения эффективности работы дизеля при использовании этанола в качестве экологической добавки к дизельному топливу), страница 3

1.4.Молекулярные структуры простейших спиртов: С, Н, О – атомы углерода,водорода и кислородаПростейший из спиртов – метиловый спирт (метанол, древесный спирт)СН3ОН легко смешивается с водой в любых соотношениях, смешивается соспиртами, бензолом, ацетоном и другими органическими растворителями, не16смешивается с алифатическими углеводородами. Обладает высоким октановымчислом, поэтому его добавляют в автомобильные бензины. Метанол являетсяядовитым веществом.

Другой характерный представитель спиртов – этиловыйспирт (этанол, винный спирт) СН3СН2ОН (или С2Н5ОН) смешивается с водой влюбых пропорциях. Кроме этих двух простейших спиртов в качествемоторного топлива могут быть использованы и другие спирты – нормальныйпропанол (н-пропанол), изопропанол, нормальный бутанол (н-бутанол), вторбутанол, трет-бутанол, изобутанол и более тяжелые спирты. Свойства этихспиртов приведены в Таблице 1 [13, 63, 76]. В качестве моторных топливиспользуются и смеси этих спиртов с нефтепродуктами, а также с различнымиальтернативными топливами [91, 137]. Так в ряде стран широкое применение вкачестве топлива для ДВС получил газохол – смесь бензина с этанолом всоотношении 9:1) [6]. Он представляет собой жидкость с плотностью ρ=730760 кг/м3, пределами выкипания от 25 до 210°С, низшей теплотой сгоранияHU=41900 кДж/кг, теплотой испарения Qисп=465 кДж/кг.Наиболее привлекательным для использования в ДВС является этанол.

Этообусловлено его хорошими экологическими качествами (предельно допустимаяконцентрацияэтанолав воздухе рабочейзоны– наивысшая средирассматриваемых спиртов, см. Таблицу 1) и возможностью его получения изразличных сырьевых ресурсов. В качестве сырья для получения этанолаиспользуются сахарная свекла, сахарный тростник, кукуруза, пшеница,картофель, сладкое сорго, топинамбур и другие сельхозкультуры (Таблица 2).Цены на мировом рынке этанола даны в Таблице 3 [13, 35]. Около 93% этанолапроизводится с использованием процесса брожения.

При этом 60% спиртаполучают из сахара и 40% – из зерна. Примерно 7% этанола вырабатываетсяхимическим синтезом (преимущественно из природного газа). Сегодняосновная часть биоэтанола производится в Северной и Южной Америке, амировыми лидерами в его производстве являются США и Бразилия (Рис. 1.5)[86].17Таблица 1.Физико-химические свойства простейших спиртовСпиртыПоказателиметанолнизопропропапанолнолС2Н5ОН С3Н7ОH С3Н7ОH46,0760,1060,10789,0803,5785,11,002,813,09этанолФормула составаСН3ОНМолекулярная масса32,04Плотность при 20°С, кг/м3791,7Вязкость кинематическая0,75при 20о С, мм2/сПоверхностное натяжение22,122,023,821,7при 20о С, мН/мЦетановое число58ОЧ по моторному методу989990ОЧпо112111110исследовательскомуметодуТемпература плавления,-97,8-114,6-126,2-89,5°СТемпература кипения, °С64,778,497,282,4Критическая температура, 249,4243,7263,7235,6°СКритическоедавление,8,026,385,105,38МпаТемпература вспышки, °С10,012,223,013,0Температура464426371самовоспламенения, °СКонцентрационные6,7-36,5 3,2-19,0 2,1-13,5 2,2-13,0пределы воспламенения,%Теплота сгорания низшая, 19670268003070032800кДж/кгКоличествовоздуха,6,499,0110,3610,36необходимоедлясгорания 1 кг вещества, кгТеплотаиспарения,1115870749670кДж/кгДавлениенасыщенных24,612,22,05,2паров при 0,1 МПа и20°С, кПаТеплоемкость Ср при 0,12,512,472,452,68МПа и 20°С, Дж/(кгград)Содержание, % по массеС37,552,260,060,0Н12,613,113,413,4О49,934,726,626,6ненехороша хорошаРастворимость в воде приогранич ограничеяя20°С, г/100 г водыенанаПДК рабочей зоны, мг/м35100010980нвтортретизобутабутанол бутанол бутанолнолС4Н9ОН74,12809,83,60С4Н9ОH74,12806,05,22С4Н9ОH74,12788,74,20С4Н9ОH74,12802,14,5024,223,0-22,11887-1121595-94113-89,8-114,725,5-108,0117,5288,699,5264,082,9235,0108,4271,04,684,534,964,5834,034524,0-10,048028,03901,8-12,01,9-7,9-1,8-7,333100--3298011,2011,2011,2011,20591,2562,4535,4578,40,82,45,61,22,432,73-2,3864,813,621,610,064,813,621,612,564,813,621,611,11015064,813,621,6неограничена300150Примечание: ОЧ – октановое число; ПДК – предельно допустимаяконцентрация18Таблица 2.Показатели процесса производства этанола из различного сырьяСырьеСахарная свеклаСахарный тростникКукурузаПшеницаКартофельСладкое соргоКассаваСинтетический спиртУрожайность, т/га2,5 – 3,03,5 – 5,02,5 – 3,00,5 – 2,01,2 – 2,73,0 – 5,01,5 – 6,0–Стоимость, долл./м3300 – 400160250 – 400380 – 400800 – 900200 – 300700540Таблица 3.Цены на этанол на мировом рынкеСтранаБразилияБразилия (безводный спирт)США (безводный спирт)Европа (безводный спирт из сахарной свеклы)Импорт спирта в ЕвропуЦена (евро/м3)160220250350 – 450190Рис.

1.5.Динамика мирового производства биоэтанола: США (1); Бразилия (2);страны ЕС (3); Китай (4); Канада (5); остальные страны (6)19Как отмечено выше, современное мировое производство этаноласоставляет 80 млн. тонн в год, из них 10 млн. тонн приходится на пищевойэтанол, 20 млн. тонн – на этанол для химической промышленности и 50 млн.тонн – на топливный этанол.

В то же время мировая потенциальнаяпотребность в этом спирте достигает 2 млрд. тонн в год. Топливный этанолиспользуется различным образом: около 26% его смешивают с бензином, около3% применяется в качестве топлива для дизелей [13, 35]. В США длябензиновых двигателей используются, в основном, топливо E-85, содержащее85 % этанола в смеси с автомобильным бензином. Цены на бензин и смесевоетопливо E-85 приведены на Рис. 1.6 [86].

Следует отметить, что в странах ЕСна автозаправочных станциях (АЗС) отпускается смесевое топливо E-90 (смесь90% этанола и 10% бензина). Данные по количеству АЗС, реализующихтопливо Е90 в ряде европейских стран, приведены на Рис. 1.7 [86].Рис. 1.6.Сравнительная стоимость бензина (1) и смесевого биотоплива E-85 (2) в США20Рис. 1.7.Количество АЗС, реализующих топливо E-90 в странах ЕСВ некоторых странах уже действуют стандарты на биоэтанол. Всоответствии с этими стандартами требования к выпускаемому этанолу вразличных странах различаются, но эти отличия незначительны (Таблица 4)[13]. Только в США допустимым является содержание этанола 92,1% в смеси сводой и денатурирующими веществами.

То есть, по сути, допускаетсяприменение азеотропной смеси, с регулированием содержания воды припомощиденатурирующихприсадок.Вдругихстранахэтанолдляавтотранспорта должен быть безводным, т.е. абсолютным спиртом.Этанол используется в качестве топлив в двигателях с принудительнымвоспламенением. Следует, однако, отметить, что сжигание спиртовых топлив,причем с лучшей топливной экономичностью, возможно и в дизелях [13, 138,140].

Из данных, приведенных на Рис. 1.8, следует, что дизели снеразделенными камерами сгорания (КС), работающие на этаноле, имеюттермический КПД ηt на 20-35% выше, чем бензиновые двигатели [13, 76]. В тоже время, этот спирт обладает рядом недостатков, которые препятствуют егоширокому использованию в качестве топлив для дизелей. Это, в первуюочередь, его плохая самовоспламеняемость (низкое цетановое число – ЦЧ).21Таблица 4.Требования к составу этанола в различных странахПараметрыБразилияКанадаСШАГермания99,8Украина99,3ПольшаОбъемнаяконцентрацияэтанола, %, не менее99,398,792,1Воды, %, не более-Концентрация альдегидов, врасчете на ацетальдегид, г/лбезводного этанола, не болееОбъемнаяконцентрацияметанола, % об., не болееКонцентрациякислотвпересчете на уксусную, г/лбезводного этанола, не болееКонцентрацияэфироввпересчете на этилацетат, г/лбезводного этанола, не болееСухой остаток, г/л безводногоэтанола, не болееСодержание меди, мг/кг, неболееДенатурирующие вещества,% (об.)-0,1 %(масс.)-7,9 %(об.)-0,0040,02 %(об.)-0,4 %(об.)0,20--0,50---0,030,030,07(об.)--0,03---0,002-0,20--0,05--0,020,070,100,10--0,103,01лбензинана 100 лэтанола1,96 –4,76---99,6Рис.

1.8.Относительная термическая эффективность использования нефтяных топлив ипростейших спиртов в бензиновых и дизельных двигателях: t –относительный термический КПД (за единицу принят термический КПДбензинового двигателя со степенью сжатия ε=8)22При организации процесса сгорания простейших спиртов в цилиндрахдизеля возникает проблема их воспламенения, поскольку эти спиртовыетоплива имеют низкие цетановые числа (Рис. 1.9) [13, 76].

При этомиспользуются различные методы улучшения воспламенения низкоцетановыхспиртов. Для улучшения воспламеняемости этанола в дизелях используютсяувеличениестепенисжатия,повышение давлениянаддува, установкаподогревателей воздуха на впуске, теплоизоляция деталей КС и др. При этом,наиболеераспространеннымиспособамивоспламененияявляетсявоспламенение этанола от запальной дозы нефтяного дизельного топлива (ДТ),от свечи зажигания и с использованием присадок к топливу.Рис. 1.9.Применимость топлив с разными цетановыми числами: 1 – нормальная работадизеля; 2 – работа возможна, но с пониженной топливной экономичностью,повышенной шумностью, с затрудненным холодным пуском; 3 – работавозможна только с присадками к топливу и со средствами, облегчающимисамовоспламенение и сгорание топливаВозможные способы подачи спиртового топлива в КС дизелейпредставлены на Рис. 1.10 [13, 76]. Подача этанола и метанола в дизельвозможна несколькими способами: они могут впрыскиваться в чистом виде или23в смеси с дизельным топливом в непосредственно цилиндры, подаваться вовпускной трубопровод в жидкой фазе или в виде пара.

Непосредственноевпрыскивание спирта в КС может осуществляться с помощью штатноготопливного насоса высокого давления (ТНВД) дизеля. Используется такженепосредственная подача спирта в КС в виде эмульсии с дизельным топливом.Эффективными являются системы с раздельным впрыскиванием спирта изапальной дозы ДТ в цилиндры дизеля. Кроме представленных на Рис. 1.10способов использования метанола и этанола в дизелях, возможно разложениеих с получением синтез-газ (смеси монооксида углерода СО и водорода Н) ипоследующей его подачей в цилиндры двигателя или использование спиртов вкачестве энергоносителя для топливных элементов [5, 13].Рис.