Диссертация (1172993), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Чем выше доляуказанных углеводородов в бензине, тем больше их попадает в атмосферу вместе сотработавшими газами, а также при испарении топлива. Ароматическиеуглеводороды – наиболее токсичные из соединений бензина, а также бензол,который является прекурсором образования бенз-α-пирена – канцерогенноговещества. Олефиновые углеводороды представляют собой смогообразующиевещества.39Биоэтанол не содержит ароматических и олефиновых углеводородов, серы,поэтому его использование в бензине будет приводить к снижению концентрацииуказанных соединений за счёт разбавления.Существует несколько исследований по оценке токсичности отработавшихгазов среднеэтанольных топлив на различных двигателях при разных тестовыхциклах езды [81-84], где особенно показательным является мета-анализ, в которомобобщены и оценены все исследования по этанольным топливам в разныхконцентрациях [85].
Ниже приведены данные по изменению содержания вредныхвеществ в выхлопе до и после нейтрализатора по СО, СН, NOx (рисунок 25-27).Рисунок 25 – Относительное изменение концентрации СО в выхлопе до (слева) ипосле (справа) каталитического нейтрализатора [85]Рисунок 26 – Относительное изменение концентрации СН в выхлопе до (слева) ипосле (справа) каталитического нейтрализатора [85]40Рисунок 27 – Относительное изменение концентрации NOx в выхлопе до (слева) ипосле (справа) каталитического нейтрализатора [85]Как видно из рисунков 25-27 использование среднеэтанольных топлив вбольшинстве случаев снижает концентрацию вредных веществ в выхлопе.Этанол, как и другие спирты, оказывает некоторое отрицательное влияние натоксичность отработавших газов за счёт увеличения в них концентрацииальдегидов (формальдегида и ацетальдегида).
Однако видно (рисунок 28), чтоувеличение количества выбросов альдегидов довольно невелико, и их абсолютныезначения в 120 раз меньше предельной концентрации, установленной для NOxсогласно стандарту Евро-6.0.7Выбросы, мг/км0.60.50.40.30.20.10.0АцетальдегидЕ10Е15ФормальдегидЕ20Рисунок 28 – Изменения выбросов альдегидов (c каталитическимнейтрализатором) [86]41Таким образом, применение этанола, особенно в его средних концентрацияхв составе бензина, положительно сказывается на экологических характеристикахтоплива.В случае разработки нового топлива, помимо его экологических свойств,необходимо оценивать его эксплуатационные характеристики, как, например,показатели мощности и экономичности.
При оценке экономичности работытехники на том или ином топливе, в основном берётся во внимание его теплотасгорания, которая непосредственно связана с его расходом при эксплуатацииавтомобиля. Чем выше теплота сгорания, тем больше энергии выделяется, и,следовательно, ниже расход топлива.Различают низшую и высшую теплоты сгорания. Под высшей понимаютколичество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива, включаятеплоту конденсации паров воды, образующихся в процессе сгорания.
Для расчётанизшей теплоты сгорания из высшей вычитают теплоту конденсации паров воды.Удельная теплота сгорания может быть выражена на единицу массы топлива(массовая теплота) или объёма (объёмная теплота). Для конечного потребителятоплива, автомобилиста, важна объёмная теплота сгорания, поскольку на АЗСбензин продается в единицах объема – литрах.Низшая теплота сгорания топливного биоэтанола составляет 21,3 МДж/л(таблица 7), что существенно меньше теплотворной способности товарногоавтомобильного бензина или различных углеводородных компонентов.Низкая теплота сгорания биоэтанола объясняется наличием в его молекулеатома кислорода. Добавление этанола в бензин снижает теплотворную способностьтоплива и увеличивает его удельный расход.42Таблица 7 – Теплота сгорания бензина и различных компонентовНаименованиеПлотностьпри 15°С, г/см3Удельная низшая теплота сгоранияМДж/л% от бензинаМДж/кг(при 15°С)АИ-9542,532,0100,0Товарный бензин АИ-95*0,752Бензин каталитического0,78442,333,2103,7риформингаТолуол0,86740,635,2110,0Бензин гидрокрекинга0,73043,832,1100,3НК-150Керосин гидрокрекинга0,78844,134,8108,7150-225Монометиланилин0,98038,037,2116,2Этанол0,79026,921,366,5Примечание – Приведено значение низшей теплоты сгорания автомобильного бензинамарки АИ-95-К5, компонентный состав которого соответствует среднему компонентномусоставу бензина данной марки в России в 2018 году.Связь между содержанием этанола и удельным расходом топлива изучаласьв ряде зарубежных работ.
На рисунке 29 представлены результаты исследованийэкономичности этанольных топлив с содержанием спирта до 30 % (Е0, Е10, Е20,Е30) [87]. Из приведённых данных видно, что, хотя расход меняется неравномернов зависимости от марки автомобиля, на котором проводилось испытание, в среднемс увеличением доли этилового спирта расход растёт.11.00л/ 100 км10.00Е0E10E20E309.008.007.00Chevrolet Impala Toyota Camry 4 Ford Taurus 3.0 L3.4 L 2005cyl 20052005СреднееРисунок 29 – Расход биоэтанольных топлив при испытании автомобилейразличных марок [87]43Исследования свойств смесей бензина с этиловом спиртом при концентрации10–20 % [88] показали, что на каждые 10 % экономичность падает приблизительнона 3,5 %. В работах [89-91] исследуется влияние биоэтанола в различнойконцентрации на эксплуатационные характеристики топлива, где отмечаетсяувеличение расхода от 2,9 до 3,5 % на каждые 10 % спирта.
Увеличение расходапри добавлении этанола в целом коррелирует со снижением теплоты сгорания,однако, как правило, несколько меньше, чем расчётное увеличение расхода,пропорциональное доле спирта, что, вероятно, связано с более полным и быстрымсгоранием топлива в присутствии этилового спирта из-за связанного кислорода вего молекуле.Пониженная теплотворная способность этанола, как и других оксигенатов,является одной из основных причин ограничения их максимальной концентрациив автомобильном бензине. Кроме того, пониженная теплота сгорания и, какследствие, более высокий расход увеличивает затраты потребителя на покупкубиоэтанольного топлива по сравнению с автомобильным бензином.
Если принять,что расход топлива пропорционален его удельной теплоте сгорания, то для того,чтобы покупка биоэтанольного топлива для конечного потребителя была выгоднойпо сравнению с автомобильным бензином, должно выполняться условие:Цэт.т < Цбенз*(Qэт.т / Qбенз ),(2)где Цэт.т – лимитная стоимость биоэтанольного топлива, руб./л – подразумевается такаямаксимальная стоимость, при которой удельные затраты конечного потребителя на покупкуэтого топлива с учётом его расхода на 1 км пробега будут меньше затрат на автомобильныйбензин;Цбенз – рыночная стоимость стандартного автомобильного бензина, руб./л.Qэт.т – удельная низшая теплота сгорания биоэтанольного топлива Е30, МДж/л;Qбенз – удельная низшая теплота сгорания автомобильного бензина, МДж/л.Таким образом, важной научно-практической задачей является разработкабиоэтанольноготопливаЕ30сулучшеннымиэкологическимииэксплуатационными свойствами, с теплотворной способностью, позволяющейприменять такое топливо в качестве альтернативы бензину в автомобилях безмодификаций.
Расчёт лимитной стоимости позволит оценить, при каких условиях44приобретение такого топлива будет экономически выгодно для потребителя всравнении с автомобильным бензином.1.2.5 Совместимость с материаламиТоплива, используемые в автомобилях (а также в резервуарах и заправочныхколонках), не должны оказывать влияния на материалы (металлические инеметаллические), из которых изготовлены детали, контактирующие с топливом иего парами.Оценке совместимости этанольных топлив с различными материаламипосвящено значительное количество исследований. В ряде работ [92-96] изучалосьвлияние биоэтанола на коррозионную агрессивность бензина в отношенииразличных металлов и сплавов. В результате установлено, что только некоторыевиды металлов (цинк, свинец, алюминий) и их сплавы не совместимы с бензином,содержащим менее 30 % этанола.
Большинство металлов, используемых дляизготовления деталей автомобилей, трубопроводов и резервуаров, вступающих вконтакт с топливом, оказались совместимы с этанольным топливом.Однако в перечисленных работах исследовалась коррозионная агрессивностьтоплива без присутствия воды, то есть изучалось непосредственное химическоевзаимодействие спирта с металлами. На практике серьёзную проблемупредставляет коррозионное воздействие топлива на металлы в присутствии воды,которая вступает в контакт с металлом и вызывает его коррозию, а также такиефакторы, как наличие кислотных или щелочных примесей и пр.
Поскольку наличиеэтилового спирта может приводить к отделению водного слоя, оценка влияниябиоэтанола на коррозионную агрессивность топлива в присутствии водыпредставляет значительный практический интерес.Для снижения коррозионного воздействия разрабатываемого биоэтанольноготоплива Е30 на металлы в его состав будет введена специальная антикоррозионнаяприсадка, выбор и подбор эффективной концентрации которой описан вэкспериментальной части работы.45Необходимым также представляется возможность оценить воздействиетоплива Е30 на резинотехнические изделия (РТИ), применяемые в системетопливоподачиираспределенияавтомобиля.Способностьсохранятьгерметичность вне зависимости от используемого топлива является их основнойзадачей, что в свою очередь обеспечивает правильную работу клапанов,внутренних измерительных приборов и датчиков системы автомобиля [97].Совместимость эластомеров со среднеэтанольными топливами представляетсобой главный предмет беспокойства автопроизводителей, несмотря на то, что нарынке уже давно существуют транспортные средства с гибкой системойпотребления топлива, предназначенные для использования бензинов с высокимсодержанием этанола (Е85, Е100).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
