Диссертация (1173021), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Однако, здесь важно понимать, что высокометанольные топлива неподпадают под наименование «автомобильный бензин», а это значит, чтосоответствующие требования к качеству для последних должны быть прописаныв иных документах, не имеющих отношение к стандартному автомобильномубензину.Чтокасаетсяавтомобилей,топовсеместноераспространениеуниверсальных транспортных средств (так называемых «FFVs») постепенносведет на нет проблематику использования спиртовых топлив в ДВС.Смеси метанола и бензина неустойчивы к воздействию воды [67], котораяприводит к расслоению топлива на два слоя – верхний бензиновый и нижнийводно-метанольный ввиду сильной гигроскопичности метанола.
Данное явлениесвязано с образованием сильных межмолекулярных водородных связей междумолекулами спирта и воды. Например, в диапазоне от 0,2 до 1 % об. воды втопливной смеси температура расслоения изменяется в диапазоне от -20 до +10◦С[68]. В таблице 6 и на рисунке 11 представлены предельные концентрации воды вбензино-метанольных смесях, при которых происходит расслоение топлив.Таблица 6 - Предельные концентрации воды в бензино-метанольных смесях [68]Содержание метанола, % об.Скр, % (об.):при 0◦Спри 10◦Спри 18◦С5101520250,0540,0630,0720,0750,120,160,110,180,240,130,230,320,160,290,41На температуру помутнения оказывает сильное влияние содержаниеароматических углеводородов в составе базового бензина – склонность красслаиванию повышается при снижении содержания «ароматики».
Так, известно,что бензин с содержанием ароматических углеводородов около 35 % об.неограниченно смешивается с метиловым спиртом [69].Кроме того, следуетобратить внимание на то, что с увеличением содержания спирта в топливеувеличивается водопоглащающая способность топлива, что позволяет снизитьриск расслоения [69].Температура помутнения, °С3418155% метанола1210% метанола915% метанола620% метанола325% метанола000,10,20,30,40,5Объемная доля воды, %Рисунок 11 – Влияние содержания воды в бензино-метанольных смесях натемпературу помутненияСтабильность метанольных бензинов зависит не только от компонентногосостава бензина, количества метанола, но и от содержания воды в их составе.
Длястабилизации бензино-метанольных смесей предлагается использовать высшиеспирты [70, 71]. Так, при добавлении 1 % изопропанола к смеси М15 удаетсяснизить температуру расслоения почти на 10◦С, использование 0,75 %изобутанола позволяет стабилизировать при 20◦С М15 с низким содержаниемароматических углеводородов [72], а если добавить 25 %, то можно достичьустойчивого гомогенного состояния вплоть до -40 ◦С в широком диапазонесодержания воды в топливе [68].В 80-х годах ХХ века в СССР в НАМИ совместно с ВНИИ НП проводилисьиспытания бензина с различным содержанием метанола. Было показано, чтобензин с содержанием метанола 5% обладает температурой помутнения -10◦С.Такой бензин можно использовать в качестве летнего.
Для зимних условийэксплуатации предполагалось вводить в бензин фазовый стабилизатор. В качествепоследнего рассматривались н-амиловый спирт, метилэтилкетон, изопропиловыйи изобутиловый спирты, а также метил-трет-бутиловый эфир. Лучшие результатыпоказал н-амиловый спирт, но от него было решено отказаться в пользу35примененияизобутанолаввидуболеевысокихантидетонационныххарактеристик. Изобутиловый спирт позволял понизить температуру помутнениятоплива вплоть до -60◦С [73]. Также имеются данные о наблюдениисинергетическогоэффектавотношениисовместимостисводойприиспользовании в качестве фазовых стабилизаторов изобутилового и третбутилового спиртов [69].Метанол является агрессивным корродирующим агентом.
В частности,метанол травит алюминий. Однако, это в большей степени относится кметанольным топливам с высокой концентрацией спирта и, в частности, кметанолу-сырцу, содержащему примеси муравьиной кислоты и формальдегида.Технический метанол (ГОСТ 2222-95) уже является более инертным агентом. Втом случае, если метанол выступает в качестве добавки к бензину, токоррозионная активность такой смеси несущественна, и в большой степенизависит от наличия воды [74]. Так, при содержании метанола 10-15% сталь,латунь и медь не подвергаются коррозии, только алюминий способен медленноменять свой цвет [75].
При содержании метилового спирта до 5% результатыиспытаний еще более незначительны.Метиловыйспиртоказываетвлияниенаскоростьизносацилиндропоршневой группы, так как растворяет масляную пленку на стенкахцилиндров [76], а также ускоряет старение масла, что выражается увеличениемкислотности и содержания механических примесей по сравнению с обычнымбензином [77].
С другой стороны, при работе двигателя на метаноле снижаетсятепловая напряженность цилиндропоршневой группы, а также снижаетсякоксообразование в камере сгорания и клапанах.Теплота сгорания метанола ниже таковой величины для МТБЭ и ТАМЭ.Данный факт может означать, что запас хода транспортного средства на одномбаке может снизится. Чтобы понять, какова будет разница в теплотворнойспособности между традиционными бензинами с МТБЭ и бензином с добавкойметанола, обратимся к зависимостям, полученным в источнике [62]. Теплота36сгорания бензина составляет ~ 43 МДж/кг [51], МТБЭ – 35,2 МДж/кг, метанола –22,7 МДж/кг [52].
Для правильного сравнения необходимо рассчитать удельнуютеплотусгоранияобеспечивающихбензиновыходинаковыйсмесейсприростоксигенатамиоктановоговколичествах,числа.Результатыпредставлены в таблице 7.Таблица 7 - Сравнение теплотворной способности бензинов с МТБЭ и метаноломкислорода,Компонент Содержание% мас.Метанол1,75МТБЭ1НизкаятеплотасгоранияСодержаниеоксигената, % мас.3,495,50метанолаУдельная теплота сгоранияаддитивная, МДж/кг42,2942,42компенсируетсяуменьшеннымсодержанием в смеси, что обеспечит весьма несущественный проигрышаддитивной теплоты сгорания топлива.
Кроме того, присутствие метиловогоспиртавтопливеположительноповлияетнатеплопроизводительностьтопливовоздушных смесей – высокое значение теплоты испарения метаноласнижает теплонапряженность цилиндра и улучшает полноту сгорания топлива. Вто же время, регулировка двигателя на потребление высокооктановогометанольного топлива путем увеличения степени сжатия позволяет добиться дажеснижения расхода топлива [67]. Кислород, содержащийся в молекуле, уменьшаетколичество воздуха, необходимого для полного сгорания, поэтому в равныхобъемах воздуха метанола можно сжечь в 2,31 раза больше, чем бензина.
Этимотчастиобъясняетсятотфакт,чтомощностьдвигателясправильноотрегулированной топливной аппаратурой при работе на метаноле выше, чем приработе на бензине [78-80].Согласно данным из источников [81, 82] метиловый спирт способеноказывать негативное влияние на резино-технические изделия. В 25 НИИ МО РФбыло исследовано влияние бензина А-76, в котором содержались метанол иМТБЭ, на целый ряд каучуков и резин на их основе.
В результате исследованийвыявлено, что метанол, в отличии от МТБЭ, ухудшает свойства резин. Это влечет37за собой повышенный износ двигателей и ухудшение самого топлива за счетрастворения в нем продуктов взаимодействия РТИ и спирта. Установлено, что квоздействию метанола устойчивы фторсодержащие каучуки. НАМИ также былоустановлено, что при использовании бензина А-76 с 5% метанола наблюдаетсядеформация пластмассового смотрового окна карбюратора одноцилиндровойустановки НАМИ-1М, но без нарушения герметичности [77]. В связи с этим нерекомендуется использовать более 3-5% метанола в бензине в стандартныхавтомобилях.Известно, что бензины с метанолом отличаются низкой химическойстабильностью [73].
При испытании бензина А-76 с метиловым спиртом насоответствие ГОСТ 2084-77 было выявлено, что фактическое содержание смолоказалось выше нормы (5 мг на 100 мл). В следствие этого норму содержаниясмол повысили до 10 мг на 100 мл. В то же время, в отчете указано, что дляметанольных бензинов это не имело принципиального значения, так как он нерекомендовался к длительному хранению. Важно отметить, что бензин А-76является этилированным, что также вносит свой вклад в обеспечение большогоколичества смолистых веществ в топливе.
Таким образом, важной задачейэкспериментальной части будет являться проверка химической стабильностиметанольных топлив.Метиловый спирт способствует повышает давление насыщенных паров[69]. Так, в концентрации до 5% об. метанол способствует росту давлениянасыщенных паров на 20 кПа [62]. Для топлива М10 образование паровых пробокв двигателе возможно при температуре на 8-11◦С ниже, чем для обычного бензина[68].
Поэтому необходимо учитывать факт повышения испаряемости бензиновпри сезонном приготовлении продукции.Следующим немаловажным физическим свойством метанола являетсятеплота испарения, практически втрое превышающая аналогичную величину длябензина (1,2 МДж против 0,3 МДж соответственно [49]). Так как количествовоздуха, необходимое для создания стехиометрической смеси, при использовании38метанола составляет 45 % от соответствующего количества для бензина, то прииспарении воздух теряет значительное количество теплоты. Именно этимобъясняется отказ двигателя к запуску при температурах ниже +10◦С [69, 83].
Вцелях улучшения пусковых свойств двигателей при работе на топливах сметанолом рекомендуется использовать 4-6 % об. изопентана, 6-8 % об.диметилового эфира, а также бутан и сжиженные газы [53, 68, 84]. Подобныедобавки делают возможным пуск двигателя даже при -20◦С.Также для улучшения холодного запуска при высоком содержанииметилового спирта применяются электроподогрев топливовоздушной смеси иливоздуха, частичная рециркуляция отработавших газов [68].
Компания ДаймлерБенц разработала несколько собственных способов улучшения холодного пускадвигателя [53]:Подогреврабочейсмесивовпускномколлектореспомощьютерморезисторов. Для топлива М100 это позволяет снизить температуру пускадвигателя в интервале от -25 до -35◦С;Подогрев форсунок до температуры около 200◦С, которое осуществляетсястандартной стержневой свечой накаливания, связанной термически с форсункой.В результате подогрева кипящее топливо впрыскивается в холодный воздух,который конденсируется до тонкого тумана и поступает в камеру сгорания. Спомощью данной меры надежный пуск двигателя возможен в интервале от -10 до-15◦С.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
