Спиртовой двигатель для автомобиля

В чём плюсы и минусы биоэтанола

О том, что для двигателей автомобилей можно использовать растительное топливо, известно ещё со времён первых самоходных тележек. Но лишь в последние годы эта идея вновь стала актуальна. Виной тому неуклонно повышающиеся цены на нефть.

В последнее время в мировой прессе всё чаще публикуются сообщения об опасности и даже вредности массового перевода автомобилей на биоэтанол. Одно авторитетное мнение очень скоро оспаривается другим, не менее авторитетным. Критика настолько жёсткая, что поневоле вызывает недоумение. Как такое может быть: ведущие страны принимают энергетические стратегии, которые, если верить скептикам, совершенно бездумны и являются кратчайшим путём к масштабным экологическим и экономическим катастрофам? Где правда? Попробуем разобраться.

Противники сжигания этанола в двигателях внутреннего сгорания приводят убедительные доводы. Они не опровергают факта, что при использовании этилового спирта выхлоп автомобилей становится намного чище. Это действительно так. Главная же беда — в самом производстве этого вида топлива, когда в атмосферу выбрасываются огромные количества углекислого газа. А значит, вся экологическая эффективность использования спиртосодержащих смесей сводится на нет. И бравые лозунги о борьбе с глобальным потеплением, об изменении климата не только теряют свою актуальность, но даже смешны.

Правы они? И да и нет. Производство этанола действительно насыщает атмосферу парниковыми газами (ещё они называются GHG — от greenhouse gas) в количествах, сопоставимых с выбросами бензиновых двигателей внутреннего сгорания. Но у всякой монеты есть и обратная сторона. Дело в том, что в процессе производства и сжигания 1 литра этанола из растительного сырья в атмосферу попадает ровно столько же CO₂, сколько до этого было поглощено теми же самыми растениями в результате реакции фотосинтеза. По сути производство этилового спирта есть не что иное, как «фотосинтез наоборот», с той лишь разницей, что в одном случае требуется солнечный свет, а в другом — выделяется тепло.

Получается, биоэтанол абсолютно нейтрален в качестве источника парниковых газов. Значит — лучше от него не станет, но и хуже не будет, в отличие от продуктов переработки нефти. Есть у этилового спирта и ещё одно преимущество: положительный энергетический баланс. В зависимости от вида сырья последний может колебаться от 1,24 до 8. То есть при сжигании этанола выделяется в несколько раз больше энергии, чем затрачивается при его производстве. В этом смысле «скандальное топливо» на порядок превосходит бензин или солярку. Только вообразите себе расходы на разведку, добычу, транспортировку, переработку нефти, и вы поймёте, что топливный баланс нефтяных продуктов значительно меньше единицы.

Но и без недостатков у C₂H₅OH не обходится. При сгорании 1 литра этилового спирта выделяется на 34% меньше энергии, чем при сгорании того же объёма бензина. Выходит, что если заправлять автомобиль топливом с содержанием этанола (к примеру, широко пропагандируемой смесью с бензином E85), то расход топлива неизбежно возрастёт вплоть до этих самых 34% — всё будет зависеть от концентрации спирта в каждом конкретном случае. Но с этой печальной картиной столкнутся лишь владельцы машин с двигателями, изначально рассчитанными на традиционный бензин и лишь затем адаптированными под новомодное топливо.

Нельзя забывать, что октановое число этанола равно 105. Это означает, что его можно сжигать в двигателях с куда большей степенью сжатия. Так что, в принципе, двигатели, рассчитанные исключительно на новый источник энергии, должны быть уж никак не хуже нынешних бензиновых или дизельных собратьев. И в плане экономичности, и в плане мощностных характеристик. А уж про экологию и говорить не приходится! Примерно на 80% уменьшаются выбросы углеродных соединений, а конкретно CO₂ снижаются на 30%. Но заливать в такие машины бензин категорически нельзя — детонация мигом убьёт технологичный мотор.

В этом смысле весьма пессимистично выглядят перспективы так называемых многотопливных (чаще всего битопливных) автомобилей. Они могут называться Flex Fuel, Flexifuel, BioFlex, и как угодно ещё — всё зависит от фантазии фирм-производителей. Про такие разработки мы писали уже не раз и не два. Причём если некоторые носят статус концептов, то другие — вполне себе серийные машинки. Но у всех этих автомобилей есть один противный недостаток — этанол там сжигается неэффективно, ведь степень сжатия нельзя изменить, просто нажав кнопку на панели.

Получается забавная ситуация: на бензине Flexifuel-машина едет хорошо, а на E85 (если кто забыл, это коктейль из 85% этанола и 15% бензина), , плохо, а , «жрёт» ощутимо больше. Да, биоэтанол дешевле бензина, но не намного. Зря вы думаете, что с этим топливом сэкономите сколько-нибудь значимую сумму. Может даже случиться и так, что будут одни убытки. Смотря как ездить — на одной лишь «зелёной» ориентации недалеко окажешься. Поэтому не удивляйтесь, что внедрение, казалось бы, перспективной идеи сопровождается законодательным регулированием, например в США и Бразилии.

Стоит тормознуть и поговорить подробнее, ибо в этих странах внедрение биоэтанола зашло очень далеко. Бразильцы очень не любят топливные кризисы c 1973 года. И всячески стараются их предотвратить. Так, с в стране функционирует масштабная биотопливная кампания. Не стоит поэтому удивляться, что 4,5% площади Бразилии заняты плантациями сахарного тростника, а большинство местных автомобилей можно с чистой совестью причислить к заядлым алкоголикам. За год миллион бразильских рабочих производит двадцать с лишним миллиардов (!) литров этанола.

Назвать экономику этой страны зависимой от нефти никак нельзя. Выращивая и перерабатывая сахарный тростник, Бразилия полностью обеспечивает себя топливом и электричеством. Всё это безусловно радует, но даже в бочке спирта нашлось место вездесущему дёгтю. Ради новых плантаций бразильцы вырубают леса Амазонки. Можно назвать это странной и недальновидной политикой, а если сказать прямо — то это настоящий идиотизм. Как жить без «лёгких планеты»?

Похожая ситуация складывается и в США. Президент Буш выдвинул программу «20 за 10», которая должна помочь к 2017 году снизить потребление бензина на 20%. За счёт чего? Разумеется, за счёт этанола. К озвученному сроку власти намерены увеличить его производство до 30 с лишним миллиардов литров. За последние годы инвестиции только в исследования перевалили за 12 миллиардов долларов. И это только начало.

В Америке производят этанола хоть и много, но чуть меньше, чем в Бразилии. Правда, делают его не из тростника (он в Штатах расти не хочет), а из кукурузы. Такой вариант менее эффективен, а стало быть, себестоимость американского эталона выше бразильского. Тем не менее программу активно продвигают власти многих штатов, и губернатор «кукурузного» Иллинойса, кандидат в президенты Барак Обама (Barack Obama), — не исключение. Принимаются новые требования к бензиновому топливу, которое должно содержать 10% этанола (такая пропорция безопасна для традиционных двигателей).

Достигнут ли американцы своих целей? Каково будущее всей этой затеи с биоэтанолом? Пока что всё туманно. Ясно одно — рассчитывать на тотальный переход к спиртовым двигателям нереально. Если предположить стопроцентную эффективность процесса переработки, то для того, чтобы только США перевести с нефти на этанол, нужно 75% сельскохозяйственных земель нашей планеты засеять соответствующими культурами. Грубо говоря, если даже всю Луну засадить тростником, этого окажется недостаточно.

Массовое культивирование культур для производства этанола неизбежно окажет значительное влияние на сельское хозяйство. Фермеры не дураки — раз спрос на кукурузу растёт, они будут её сеять везде, где смогут. А кто при этом подумает о миллионах голодающих жителей Земли? Поэтому многие исследователи и негодуют, утверждая, что «выращивать» биотопливо в то время, когда людям есть нечего, — низкое, подлое и вообще аморальное занятие.

Впрочем, к любой критике надо относиться со здоровой долей скептицизма. Сами по себе биотопливные программы вполне разумны и при грамотной реализации способны принести ощутимую пользу. Стоит только иметь в виду, что повсеместное внедрение этанола окажет ощутимое влияние на мировую экономику. И, разумеется, найдутся те, чьи интересы пострадают. Пример: так называемый саммит «табачных королей» 1988 года, где боссы крупнейших компаний обсуждали, как бы нейтрализовать политику ВОЗ по борьбе с курением. И есть ли гарантия, что подобные действия не предпринимают сейчас все те, кто почувствовал угрозу нефтяному бизнесу? , как ни крути, а внедрение биотоплива — это вопрос не столько научный и экономический. Здесь вступает в дело большая политика.

Источник статьи: http://www.drive.ru/technic/4efb331a00f11713001e3994.html

Спирт в качестве топлива: Автомобили-алкоголики

Мировой топливный кризис, из-за которого подскочили цены на бензин и дизтопливо, вновь заставляет задуматься об иных источниках энергии для транспортных средств. Неплохая альтернатива традиционному топливу – спирт. Чем хорош такой заменитель и что сделать, чтобы автомобильный двигатель смог на нем работать?

Мировой топливный кризис, из-за которого подскочили цены на бензин и дизтопливо, вновь заставляет задуматься об иных источниках энергии для транспортных средств. Неплохая альтернатива традиционному топливу – спирт. Чем хорош такой заменитель и что сделать, чтобы автомобильный двигатель смог на нем работать?

Мировой топливный кризис, из-за которого подскочили цены на бензин и дизтопливо, вновь заставляет задуматься об иных источниках энергии для транспортных средств. Неплохая альтернатива традиционному топливу – спирт. Чем хорош такой заменитель и что сделать, чтобы автомобильный двигатель смог на нем работать?

Спирт обладает целым рядом преимуществ по сравнению с нефтяным топливом, и только большая стоимость, малая теплоотводность, высокая гигроскопичность и повышенное содержание альдегидов препятствуют его массовому применению в качестве топлива для ДВС. А достоинства спирта следующие.

	Высокие антидетонационные свойства (октановое число – более 100). Введение этанола в бензин обеспечивает повышение октанового числа. Каждые 3% этанола в смеси с бензином обеспечивают повышение октанового числа горючего в среднем на 1 единицу. То есть спирт может быть использован в качестве высокооктановой добавки к топливу. Он повышает и детонационную стойкость горючего, так как температура самовоспламенения чистого бензина составляет 290°С, а его смеси с этанолом – 425°С.
	Процесс испарения начинается во впускном трубопроводе и заканчивается в цилиндре при ходе сжатия, обеспечивая охлаждение деталей двигателя – поршней и клапанов – и более полное наполнение цилиндров свежим зарядом (компрессорный эффект с 5-процентным увеличением мощности).
	Надежное воспламенение от электрической искры при значительных изменениях состава горючей смеси (диапазон воспламеняемости по коэффициенту избытка воздуха для спирта составляет примерно 0,4…1,7).
	КПД двигателя, работающего на чистом спирте, выше, чем при использовании бензина.
	Меньшая токсичность отработавших газов.
	Низкая пожароопасность.

Адаптация ДВС

Существуют два способа применения спирта в качестве горючего для автомобильных моторов – при частичной (до 20%) и при полной замене бензина и дизельного топлива. Высокие антидетонационные качества определяют преимущественное использование спирта в двигателях внутреннего сгорания с принудительным (искровым) зажиганием. Стандартный двигатель не нужно переделывать для работы на бензо-спиртовой смеси.

На АО «АвтоВАЗ» были проведены испытания бензина АИ-95 с 10-процентным содержанием этанола на токсичность, расход топлива и обеспечение динамики автомобиля без перерегулировки двигателя. Было установлено, что добавка к бензину 10% спирта приводит к обеднению топливовоздушной смеси и незначительно ухудшает ездовые качества машины практически на всех режимах движения. При переходе на АИ-95Э с 10-процентным содержанием этанола требуется перерегулировка карбюратора.

Согласно результатам стендовых испытаний «АвтоВАЗа», применение бензина АИ-95Э с 5-процентным содержанием спирта не приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик автомобиля и не требует изменения исходных регулировок двигателя.

А вот для работы на чистом спирте требуется увеличение вместимости топливного бака и степени сжатия до 12 – 14 ед. (чтобы полностью использовать детонационную стойкость топлива) и перерегулировка карбюратора или перепрограммирование ЭБУ инжекторного двигателя. Горючую смесь необходимо немного обогатить: для сгорания 1 кг спирта требуется 9 кг воздуха, а для сгорания 1 кг бензина – 14,93 кг.

Низкое давление насыщенных паров и высокая теплота испарения спирта делают практически невозможным запуск бензиновых двигателей уже при температуре окружающей среды ниже +10°С. Для улучшения пусковых качеств в спирт добавляют 4 – 6% изопентана (С5Н12) или 6 – 8% диметилового эфира (СН3-О-СН3 или С2Н6О), что обеспечивает нормальный пуск двигателя при температуре от –25°С и выше. Для этой же цели спиртовые моторы оборудуют специальными пусковыми подогревателями. В случае неустойчивой работы двигателя при повышенных нагрузках (из-за плохого испарения спирта) применяется дополнительный подогрев топливной смеси с помощью, например, отработавших газов.

Дизель и спирт

Адаптировать дизельный мотор для сжигания в его цилиндрах спирта гораздо сложнее. Венским техническим университетом были проведены экспериментальные исследования на 4-цилиндровом тракторном дизеле фирмы Steyr.

Ввиду того, что цетановое число этанола низкое, двигатель был дополнительно оснащен электронной системой зажигания, а головку цилиндров модернизировали для размещения свечей зажигания. Кроме того, была изменена геометрическая форма камеры сгорания в днище поршня, установлены новые топливный насос высокого давления, форсунки и топливоподкачивающий насос повышенной производительности. Исследования показали, что дизель работает на этаноле практически бездымно. По сравнению с работой на дизельном топливе выброс NOx снижается, что является результатом уменьшения температуры вследствие повышенной теплоты испарения этанола. Выброс СО такой же, как у бензинового ДВС, выброс СН относительно высок, однако может быть радикально снижен при применении простейшего окислительного нейтрализатора. При переходе на дизельное горючее дымность и расход топлива у переоборудованного дизеля значительно выше, чем первоначально. Объемный расход у этанола почти в 2 раза больше, чем у дизельного топлива, что является следствием его более низкой теплоты сгорания, а удельный приведенный расход лишь немногим выше.

Модернизировать двигатель могут не только автопроизводители, но и специализированные фирмы. Например, в США бензиновые двигатели и дизели для работы на альтернативном топливе переоборудует фирма Jasper Engines and Transmissions. Переделываются моторы от 8-цилиндровых V-образных до рядных 6- и 4-цилиндровых. После переоборудования двигатели могут работать на метаноле, этаноле, сжатом и сжиженном природном газах.

Мировой опыт

Идея использования спирта в качестве топлива не нова. Самый богатый опыт его применения в ДВС имеет Бразилия. После мирового нефтяного кризиса 1973 – 75 годов в этой стране в начале 80-х приняли программу «Топливо на основе этанола». В результате здесь до конца прошлого столетия этанол ежедневно заменял до 250 тыс. баррелей импортируемой нефти. В 90-х годах в Бразилии этиловый спирт служил горючим более чем для 7 млн. машин, а его смесь с бензином (газохол) – для еще 9 млн. авто. Этанол в этой стране изготавливают из сахарного тростника, а продают через заправочную сеть, насчитывающую 25 тысяч станций. Вторым мировым лидером по использованию этанола в автотранспорте являются США. Здесь также реализуется программа замены бензина спиртом, который получают при переработке излишков кукурузы и других зерновых культур. Чистый этанол в этой стране используется как горючее в 21 штате, а на бензоэтаноловую смесь приходятся 10% топливного рынка США. Раньше заинтересованность в использовании более дорогого этанола ($60 за баррель) в качестве моторного горючего за рубежом была обусловлена налоговыми льготами. В США они компенсируют продавцам убыток в случае, если те продают этанол по цене бензина. Сейчас, после скачка цен на нефть ($40 – 50 за баррель), с учетом переработки сырья для получения бензина, стоимость этих видов топлива практически сравнялась. Поэтому использование спирта оказалось еще целесообразнее. Применение спирта в качестве топлива получило поддержку и в некоторых европейских странах – в частности, Франции и Швеции. 7 ноября 2001 года две комиссии ЕС приняли так называемые биодирективы относительно использования биотоплива в странах Евросоюза. Они предусматривают обязательное применение этого горючего как добавки к бензину в будущем.

Топливный спирт

Этанол (С2Н5ОН) – винный, или питьевой спирт, являющийся важнейшим представителем одноатомных спиртов. Эта бесцветная жидкость, которая смешивается в любых соотношениях с водой, спиртами, эфирами, глицерином, бензином и другими органическими растворителями, горит бесцветным пламенем. Этанол, обладая высоким октановым числом и энергетической ценностью, является отличным моторным топливом. Для получения бензина АИ-95 требуется добавить в бензин АИ-92 около 10% этанола. Метанол (СН3ОН), или древесный спирт – простейший представитель предельных одноатомных спиртов, бесцветная подвижная жидкость с характерным запахом. Смешивается с водой во всех соотношениях, а также с другими спиртами, бензолом, ацетоном и другими органическими растворителями. Основной способ производства метанола – синтез из водорода и оксида углерода. Сырьем для этого служат природный, коксовый и другие газы, содержащие углеводороды (например, синтез-газ), а также кокс, бурый уголь, древесина, сланцы, биомасса и др.

Характеристики рабочего процесса дизеля при работе на смеси дизтоплива с этанолом и при работе на чистой солярке

Из приведенных данных хорошо видно, что введение спирта в дизельное топливо приводит к росту давления (Р) в ВМТ более чем на 20%. Резко увеличивается скорость нарастания давления, т. е. возрастает жесткость работы двигателя. Горение этанольного топлива начинается раньше. При этом момент на валу двигателя снижается. Иными словами, введение этилового спирта в дизельное топливо ухудшает его технико-экономические показатели. Однако при этом несколько улучшаются экологические показатели работы мотора. Для получения максимального эффекта от введения спирта в дизельное топливо необходимо провести регулировку двигателя.

Украинские перспективы

В конце июня 2000 года Правительственный комитет по реформированию аграрного комплекса и проблемам экологии одобрил проект государственной программы «Этанол: 2000 – 2010», а также «Программу государственной поддержки развития нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и малой гидро- и теплоэнергетики», разработанной в соответствии с Указом Президента Украины № 285 от 2 апреля 1997 года. Кабинет Министров Украины постановлением № 1044 от 4.07.2000 года программу «Этанол» утвердил. Документ предусматривает ускоренный перевод примерно трети автопарка на газохол и этанол. Ресурсы по производству этанола в нашей стране практически неисчерпаемы: из отходов сельского хозяйства, главным образом свекловодства, и переработки импортного тростникового сахара-сырца ежегодно производится свыше 5,5 миллиона декалитров этанола и 300 – 310 тысяч декалитров технических спиртов. Мощности украинских предприятий позволяют выпускать 66 миллионов декалитров таких спиртов в год. В середине июня этого года Украина договорилась с Кубой об увеличении бартерных (в обмен на промышленные изделия) поставок тростникового сырца. По оценкам кубинских специалистов, около 25% этого сырья может использоваться исключительно для производства спиртового и спирто-нефтяного топлива. Программа «Этанол» предусматривает, в частности, перепрофилирование более трети мощностей украинских спиртовых и смежных (перерабатывающих сахарное сырье) заводов на выпуск высокооктановых кислородосодержащих добавок к бензину и техническому спирту – в основном из сельскохозяйственного сырья. Эксперты оценивают это как наиболее перспективное и экономически выгодное решение.

Подготовил Юрий Герасимчук
Фото Сергея Кузьмича

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник статьи: http://www.autocentre.ua/opyt/tehnologii/spirt-v-kachestve-topliva-avtomobilialkogoliki-289906.html