Диссертация (1172993), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Это обусловлено целенаправленнойэкологической политикой многих стран по снижению парниковых газов иувеличению топливной экономичности. При этом такой переход со временем будет21экономически выгоден, как для потребителей, так и для производителейавтомобилей и топлива [36,37].В связи с этим, актуальной задачей является разработка биоэтанольноготоплива Е30 на основе дешёвых низкооктановые углеводородных фракций иисследование его физико-химических и эксплуатационных характеристик, с цельюоценки возможности его применения на современной автомобильной технике.1.2Влияние биоэтанола на основные физико-химические иэксплуатационные свойства бензина1.2.1 Детонационная стойкостьОдним из важнейших свойств, как бензинов, так и биоэтанольных топлив длядвигателей внутреннего сгорания с принудительным зажиганием от искрыявляется детонационная стойкость – способность топлива противостоятьдетонационному сгоранию.
Детонационная стойкость бензинов оценивается наодноцилиндровых моторных установках по показателям: октановое число поисследовательскому (ОЧИ) и моторному (ОЧМ) методам.Требования к показателям детонационной стойкости моторных топливформулируются со стороны автопроизводителей. Как уже было отмечено,современные автомобили оснащаются двигателями с высокими степенями сжатия,поэтому автопроизводители предъявляют высокие требования к октановым числамтоплива (рисунок 10) [38].Исследованию влияния этанола на детонационную стойкость бензина внизких концентрациях (5-15 %) посвящено достаточное количество работ [40-44].Согласносуществующимданнымустановлено,чтоантидетонационнаяэффективность этанола зависит от углеводородного состава бензина, при этом ОЧИсмешения составляет от 110 до 120 ед.22Рисунок 10 – Зависимость октанового числа от степени сжатия [39]Исследованию влияния этанола на детонационную стойкость бензина ввысоких и особенно средних концентрациях посвящено меньшее количество работ[45,46].Так, например, в исследовании Американского института нефти API [47]показано влияние этанола на детонационную стойкость различных бензинов(рисунок 11 и 12) в концентрации до 30 %, где очевидно, что антидетонационнаяэффективность этанола практически не падает до 15-20 % (таблица 2) и сильнозависит от самого углеводородного состава базового бензина.
При этом в данномисследовании в качестве базы использованы только углеводородные фракции итоварные бензины с высоким октановым числом. В результате, при добавленииэтанола в концентрации 30 % ОЧИ всех композиций составляет около 100 ед. ивыше.23105100ОЧИ959085этанол, % об.8005Б 93,2101520Б 94,425Б 98,830Б 91,4Рисунок 11 – Зависимости ОЧИ товарных бензинов от концентрацииэтанола [47]92ОЧМ8884этанол, % об.8005Б 82,8Б 83,310Б 88,5Б 80,315Б 86,7Б 80,62025Б 87,5Б 86,430Б 82,1Рисунок 12 – Зависимости ОЧМ товарных бензинов от концентрацииэтанола [47]24Таблица 2 – Октановые числа смешения этанола (ОЧсм) [47]Содержание этанола, % об.ОЧИсмОЧМсм10,0133,9105,612,5132,2101,315,0130,698,520,0127,694,930,0120,991,3Примечание: Октановое число смешения рассчитывается по формуле:ОЧсм = (ОЧопр – ОЧбаза х (1-С)) / С,где ОЧсм — октановое число смешения биоэтанола; ОЧопр — октановое число,определённое на моторной установке; ОЧбаза — октановое число базового топлива; С —массовая концентрация биоэтанола в базовом топливе.В работе [22] исследуется влияние этанола на детонационную стойкостьразличных фракций и товарных бензинов в концентрации до 50 % (рисунок 13),показано, что его антидетонационная эффективность не падает до концентрации20-30 %, и особенно это отмечено для одной низкооктановой фракции с ОЧИ 70 ед.Как видно (таблица 3), при концентрации спирта 30 % ОЧИ всех композицийсоставляет 95-103 ед.
(разница 8 ед.), тогда как ОЧИ исходных базовых фракцийсоставляет 70-98 (разница 28 ед.).110ОЧИ9580этанол, % об.65010ОЧИ 70ОЧИ 922030ОЧИ 82ОЧИ 93ОЧИ 84ОЧИ 984050ОЧИ 87Рисунок 13 – Зависимости ОЧИ углеводородных баз от концентрацииэтанола [22]25Таблица 3 – Октановые числа смешения этанола в различных базах (расчёт)ОЧИ базы10155,0142,0149,0149,0132,0138,0123,070828487929398ОЧИ смешения при концентрации этанола, % об.203040154,0153,0141,6146,0135,3130,8146,5133,3127,0135,0126,7123,3125,8127,0122,0133,0127,0120,5120,5-50132,0126,0124,0121,2119,0118,2-Интересна работа [48], где в качестве базы для смешения с этаноломиспользованы два бензина газового стабильного (БГС) с октановым числом поисследовательскому методу 70,8 и 71,4 ед., прямогонный бензин (ПБ) с ОЧИ 65,0ед., база для смешения с оксигенатами, применяемая в штате Калифорния(CARBOB) – 85,0 ед., а также н-гептан с ОЧИ равным 0 ед.
(рисунок 14). Посчитаныоктановые числа смешения, которые приведены в таблице 4. Данные по н-гептанукоррелируют с результатами, приведенными в [21].110ОЧИ100908070этанол, % об.60010БГС №12030БГС №240ПБ50CARBOB6070Н-гептанРисунок 14 – Зависимости ОЧИ углеводородных баз от концентрацииэтанола [48]26Таблица 4 – Октановые числа смешения биоэтанола в различных базах (расчёт)КомпонентБГС №1БГС №2ПБCARBOBН-гептанОЧИбазы70,871,465,085,00,010142,8137,4135,0145,075,0ОЧИ смешения при концентрации этанола, % об.2030405060141,8149,1140,8134,2126,8138,4143,4141,4133,2125,7130,0135,0135,0136,0127,5135,0135,0128,8124,0118,367,5200,0187,5172,0155,870119,7118,8119,3114,0144,3Как видно, антидетонационная эффективность этанола не падает, а при 30 %увеличивается в случае низкооктановых баз – БГС и ПБ, достигая максимума, а приконцентрации спирта 50 % качественные характеристики углеводородной фракцииуже не оказывают влияния на октановые числа, что также показано на нормальномгептане, и дальнейшее повышение концентрации спирта приводит к получениютоплив с октановым числом не менее 100 ед., что абсолютно нецелесообразно, какотмечалось в разделе 1.1, в виду отсутствия автотранспорта, рассчитанное на стольвысокое октановое число.
Данные согласуются с результатами, полученными вработе [49].Интересным также будет отметить исследование [50], где показано, чтонаибольшие отклонения от линейного поведения октанового числа при смешениис бензиновой базой (в данном случае с ОЧИ 71,0 ед.) наблюдаются в концентрации20-60 % об., где максимум отклонения приходится на 40 % (рисунок 15).Рисунок 15 – Отклонение от линейного поведения ОЧИ при добавленииоктаноповышающих компонентов27В работах [51, 52] было проанализировано влияние этанола на «модельные»топлива, состоящие из смеси изооктана, н-гептана и толуола, моделирующиекачественный и количественный состав бензинов.
Показано, что парафиновыеуглеводороды синергетически смешиваются с этанолом, в то время какароматические (толуол) – антагонистически (рисунок 16). При снижениисодержания ароматической составляющей топлива, и, соответственно увеличениинормальных и изо-парафиновых углеводородов, наблюдается сильное отклонениеот аддитивности октанового числа, где в случае ОЧМ – максимум приходится на20-40 % об. этанола.
Данное исследование даёт основание предполагать, чтонаибольший антидетонационный эффект этанола будет реализован в такихуглеводородных фракциях, где содержание ароматики – минимально.Рисунок 16 – Октановые числа (ОЧИ и ОЧМ) смесей изооктана, н-гептана,толуола и этанола (слева – % об., справа – моль) [51]28Таким образом, исходя из проанализированных источников, можнозаключить,чтонаиболееэффективнымпооктановомучислуявляетсяиспользование этанола именно в его средних концентрациях [53], и особенно внизкооктановых базах.
При этом важной научной задачей является исследованиеего влияния на детонационную стойкость низкооктановых углеводородныхфракций и индивидуальных углеводородов, а практической – анализ и выбороптимальных базовых низкооктановых компонентов для биоэтанольного топливаЕ30.1.2.2 ИспаряемостьОдной из основных характеристик автомобильного бензина является егоиспаряемость, которая определяет такие рабочие характеристики двигателя, какпуск при низких температурах, образование паровых пробок, приемистость,скорость прогрева двигателя, а также износ цилиндро-поршневой группы.
Крометого, испаряемость бензинов оказывает влияние на эффективность процессовсмесеобразования в двигателе, а также возможные потери бензина при егопроизводстве, хранении, транспортировании и эксплуатации. Испаряемостьопределяется показателями фракционного состава и давлением насыщенных паров(ДНП) [54].Поскольку испаряемость топлива является не только эксплуатационным, нои экологическим свойством, исследованию влияние этанола на ДНП ифракционный состав бензина посвящено значительное количество работ как вРоссии, так и за рубежом.Из многочисленных исследований известно [55-63], что при добавленииэтанола в бензин, его давление резко возрастает, достигая максимума приконцентрации этилового спирта 5-10 %, а при дальнейшем увеличении егоконцентрации – падает.
Пример подобной зависимости представлен на рисунке 17.Причина экстремального характера влияния этанола на ДНП бензина обусловленамежмолекулярными взаимодействиями системы спирт-бензин: при добавлении29этанола в бензин происходит разрушение водородных связей между молекуламиДНП, кПаспирта, и, кроме того, образование азеотропов углеводородов бензина со спиртом.807876747270686664этанол, % об.01020304050Рисунок 17 – Зависимость ДНП этанольного топлива от содержанияспирта [56]Образующиесяазеотропы(вбольшинствеположительные)имеюттемпературы кипения ниже, а давление пара – выше [38, 64, 65], чем исходныйуглеводород.
Таким образом, давление паров при смешении может быть в 15–20раз выше, чем у исходных компонентов, что в итоге влияет на летучесть топлива.Нелинейное поведение системы этанол-бензин (отклонение от закона Рауля)проявляется также при высокой концентрации этанола. На рисунке 18 приведеназависимость ДНП спиртового топлива от концентрации этанола (от 0 до 100 %), гдев качестве базы взяты различные углеводородные фракции.
Как видно, добавлениепервых 15 % мас. этанола резко повышает ДНП топлива, дальнейшее увеличениеконцентрации углеводородов незначительно повышает ДНП.30100ДНП, кПа80604020этанол, % мас.0020Изомеризат40Регуляр-926080100Прямогонная фракцияРисунок 18 – Зависимость ДНП этанольного топлива от содержания спирта и видауглеводородной фракции [21]При этом, в исследованиях [61, 66] отмечается, что экстремальное поведениеДНП в концентрации 10 % меньше в бензинах с более высоким давлением паров,чем для бензинов с более низким давлением паров (рисунок 19). Как описано влитературе, это явление связано с тем, что фракция парциального давления,генерируемая мольной фракцией этанола, является постоянной для даннойтемпературы независимо от того, сколько парциального давления обеспечиваетсябензином.Рисунок 19 – Зависимость изменения ДНП при добавлении этанола от исходногозначения ДНП бензинов31Как уже было отмечено, не только концентрация спирта, но и самиуглеводородные фракции оказывают неодинаковое влияние на ДНП конечногоэтанольного топлива, при этом характер кривых также разнится.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
