Одним из путей экономии жидкого нефтяного топлива и снижения уровня загрязнения окружающей среды является замена (полная или частичная) бензинов и дизельных топлив энергоносителями не нефтяного происхождения. К таким заменителям предъявляется ряд технических требований: они должны обладать физико-химическими свойствами, позволяющими использовать их на транспортных средствах без ухудшения технических параметров или существенного ограничения сферы применения; земные запасы этого топлива или сырья для его получения должны быть достаточно велики; отрицательное воздействие на окружающую среду при добыче, получении, хранении, использовании этих видов топлива должно быть приемлемым по характеру и размерам.
Среди альтернативных типов топлив в настоящее время привлекает внимание ряд продуктов различного происхождения. Это в первую очередь сжатый природный газ, сжиженные газы нефтяного происхождения, различные синтетические спирты, газовые конденсаты, водород, топлива растительного происхождения и т.д.
Сжатый природный газ является смесью углеводородов метанового ряда и неуглеродных компонентов: азота, диоксида углерода, сероводорода и др. Получают его путем сжатия природного газа, который в зависимости от способа производства может быть: собственно природным (из буровых скважин газовых месторождений), попутным (нефтяным, получаемым при расходе нефти), газом газоконденсатных месторождений. Содержание различных компонентов в природном газе зависит от месторождения, но основной составляющей всегда является метан.
Для заправки автомобилей применяется сжатый природный газ двух марок: А и Б. Требования к составу этих газов определены техническими условиями ТУ 51 166–83 «Газ горючий природный сжатый, топливо для газобаллонных автомобилей».
По сравнению с бензином сжатый природный газ в качестве топлива для двигателей обеспечивает: значительное снижение (до 90 %) вредных выбросов, особенно СО с отработавшими газами; увеличение в 1,5 раза межремонтного пробега; увеличение в 2–3 раза срока службы моторного масла благодаря отсутствию его разжижения и уменьшению загрязнения (это ведет к уменьшению расхода масла на 30…40 %).
В то же время применение сжатого природного газа вместо бензина сопровождается снижением мощности двигателя на 18…20 %, уменьшением тягово-динамических качеств автомобиля (на 24…30 % увеличивается время разгона, на 5…6 % уменьшается максимальная скорость, затрудняется эксплуатация автомобиля с прицепом). Газобаллонные автомобили на сжатом природном газе имеют меньший запас хода (не более 200…250 км). Вследствие большой массы толстостенных баллонов для сжатого природного газа (батарея из 8 таких баллонов вместимостью 50 л каждый имеет массу более 0,5 т) на 9…14 % снижается грузоподъемность автомобилей.
Указанные преимущества и недостатки газобаллонных автомобилей, работающих на сжатом природном газе, определяют рациональную область их применения. Это перевозки в крупных городах и прилегающих к ним районах, в частности обслуживание предприятий торговли, связи, быта и др. При этом важнейшее значение имеют вопросы уменьшения загрязнения окружающей среды.
Сжиженные нефтяные газы представляют собой смесь углеводородов, которые при температуре окружающей среды и сравнительно небольшом избыточном давлении (1…2 МПа) переходят из газообразного состояния в жидкое. Основными их компонентами являются пропан, бутан, пентан и близкие к ним непредельные углеводороды (этилен, пропилен, бутилен). На практике обычно используются пропан-бутановые смеси, суммарное количество остальных составляющих не превышает 5…9 %. Получают сжиженные газы при добыче и переработке нефти и попутного газа.
Выпускаются сжиженные газы двух марок: СПБТЗ — смесь пропана и бутана техническая зимняя и СПБТЛ — смесь пропана и бутана техническая летняя. Состав зимней смеси — не менее 75 % пропана и не более 20 % бутана, летней — не более 34 % пропана и не менее 60 % бутана. Эти газы предназначены в основном для бытовых нужд и применяются для газобаллонных автомобилей.
По сравнению с бензином газообразное топливо равномернее перемешивается с воздухом и распределяется по цилиндрам, жидкая фаза топливовоздушной смеси, поступающей в цилиндры, отсутствует, вследствие чего исключается смывание смазки с зеркала цилиндра, намного меньше разжижается и загрязняется масло. В результате уменьшаются износ деталей цилиндропоршневой группы, нагарообразование, улучшаются условия работы свечей зажигания, в 2,0–2,5 раза увеличивается срок смены масла в картере двигателя.
Синтетические спирты получают в результате синтеза из различного сырья. Наибольшее практическое применение находят метиловый и этиловый спирты. В качестве сырья для метанола используют уголь, природный газ, известняк, бытовые отбросы, отходы лесного хозяйства. Этанол получают из сахарного тростника, свеклы, зерновых культур, различных сельскохозяйственных отходов.
Основным преимуществом спиртов является их высокая детонационная стойкость, что позволяет повышать степень сжатия в двигателе и соответственно его КПД. При работе на метаноле имеет место снижение теплонапряженности деталей цилиндропоршневой группы, коксования и нагарообразования. Кроме того, двигатель может работать на сильно обедненной смеси с большим избытком воздуха, что повышает его топливную экономичность. При этом отработавшие газы менее токсичны, чем при работе на бензине: содержание оксидов азота уменьшается в 1,5–2,0 раза, углеводородов — в 1,3–1,7 раза.
Обладая высоким октановым числом, спирты имеют меньшую, чем бензин, удельную теплоту сгорания, низкую упругость паров и температуру кипения. При работе на спиртах вдвое снижается запас хода автомобиля, ухудшаются пусковые качества двигателя. Газовые конденсаты представляют собой жидкие углеводороды, конденсирующиеся при нормальных давлении и температуре из природных газов, находящихся в подземных пластах под давлением 4,9…9,8 МПа при температуре до 150 °С. По составу газовые конденсаты разделяются на группы: тяжелые газовые конденсаты относительно узкого фракционного состава и легкие более широкого фракционного состава. Тяжелые конденсаты по своим основным свойствам незначительно отличаются от зимних и арктических дизельных топлив, легкие конденсаты имеют плотность, вязкость, температуру вспышки и застывания меньше, чем у дизельных топлив.
При использовании в качестве топлива для дизеля жидкого газового конденсата широкого фракционного состава для получения мощностных и экономических показателей двигателя, таких же, как и на дизельном топливе, требуется регулировка топливной аппаратуры.
Наиболее целесообразным считается использование газовых конденсатов в качестве топлива для дизелей в местах их добычи без сложной переработки.
Проблема применения водорода в качестве транспортного топлива уже длительное время привлекает внимание. Объясняется это тем, что водород имеет наиболее высокую теплоту сгорания, хорошо воспламеняется, быстро и полностью сгорает, продукты сгорания даже при использовании в качестве окислителя атмосферного воздуха могут быть практически безвредными в экологическом отношении. Запасы водорода в природе практически неограниченны.
Однако применение водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей вследствие ряда его физико-химических свойств серьезно затрудняется. Водород имеет низкую плотность. И несмотря на то, что в единице массы водорода содержится почти в 3 раза больше тепловой энергии, чем в известных ископаемых топливах, острой является проблема размещения необходимого количества водородного топлива на автомобиле: требуется большой объем тары (1 м3 водорода в нормальном состоянии имеет массу всего 90 г). При использовании сжиженного водорода (1 м3 сжиженного водорода имеет массу уже 80 кг) для получения количества тепловой энергии, эквивалентного количеству энергии, полученной при сжигании 75 л бензина, потребуется изотермический баллон вместимостью 275 л (масса водорода при этом составит 20 кг).
Одной из проблем применения жидкого водорода является обеспечение низких температур, при которых он должен храниться (-253 °С).
Трудно решается вопрос исключения утечки жидкого водорода при хранении.
В качестве перспективного варианта использования водорода рассматривается вариант, связанный с аккумулированием его в составе металлогидридов (как способ хранения) с последующим высвобождением его перед употреблением. Этот способ основан на способности некоторых металлов накапливать водород (атомы последнего внедряются между атомами металла, не образуя прочных химических соединений); при этом может достигаться довольно высокая плотность хранения водорода. Например, у гидрида титана плотность водорода при достаточном насыщении может быть вдвое выше, чем у жидкого водорода. Для того, чтобы гидрид начал отдавать водород, его необходимо подогреть: для гидрида титана необходимая для обеспечения интенсивной отдачи водорода температура составляет 350…400 °С; сплав титана с железом отдает водород уже при 80 °С, но массовый его выход его при этом низкий. Недостатком систем с использованием гидридов является их большая масса.
Водород обладает способностью хорошо смешиваться с другими газами, в частности с воздухом. Смесь газообразного водорода с кислородом воздуха в широком диапазоне концентраций взрывоопасна, поэтому требуется полная герметизация топливоподающей системы и специальная система, исключающая утечку водорода при заправке автомобиля.
Для современных конструкций двигателей наиболее эффективно использование водорода в качестве добавки к бензино-воздушной смеси. При этом не требуется серьезных изменений в конструкции топливной системы и системы двигателя в целом. С другой стороны, добавка водорода в широких пределах активизирует рабочий процесс в двигателе.
При работе двигателя на холостом ходу практически исключается выброс токсичных веществ с отработавшими газами.
В последнее время в Европе сильно возрос интерес к использованию в качестве топлива для дизелей масел растительного происхождения. Они получаются путем переработки различных растений: рапса, подсолнечника, арахиса, сои, эвкалипта, хлопка и т.п.
В климатических условиях Беларуси и Европы наиболее подходящим растением для производства топлива является рапс (относительно зимостойек и неприхотлив), урожайность составляет 2,5…4,0 т/га).
Процесс изготовления рапсового масла состоит из первичного отжима из семян и вторичного — из жмыха. При этом потери составляют не более 5 %. С помощью последующего экстрагирования остаточное содержание масла в жмыхе может быть понижено. Продукты переработки рапсовых семян (жмых и шрот) используются в животноводстве в качестве кормовых добавок, так как они имеют высокое содержание белка.
Физико-химические свойства рапсового масла незначительно отличаются от свойств дизельного топлива: теплота сгорания меньше на 7…10 %, цетановое число ниже на 5…7 единиц. Основными проблемами, возникающими при применении чистых рапсовых масел в дизелях, являются: высокая вязкость, которая при температуре 20 °С в 15 раз выше вязкости дизельного топлива; ухудшение распыливания и увеличение периода задержки самовоспламенения, что приводит к увеличению жесткости процесса сгорания и шумности работы дизеля; ухудшение пусковых качеств дизелей при пониженных температурах; загрязнение топливных фильтров и минерального смазочного масла; коксование распылителей; повышенные углеродистые отложения на стенках камеры сгорания, нарушение подвижности поршневых колец. Решить эти проблемы можно путем модификации дизельного двигателя с целью максимального снижения влияния негативных свойств рапсового масла на его работу.
Другим способом применения рапсовых масел является их этерификация до кондиций дизельного топлива. В результате получается новое топливо — рапсовый метиловый эфир (РМЭ). Под названием Biodisel в настоящее время оно отпускается на многих заправочных станциях стран Европы. По сравнению с рапсовым маслом при использовании РМЭ снижаются нагароотложения на деталях двигателей. РМЭ имеет низкую стабильность при хранении и оказывает отрицательное влияние на моторное масло. Он является агрессивной жидкостью, поэтому детали, соприкасающиеся с РМЭ, должны иметь специальное исполнение.
При работе на рапсовом масле или РМЭ по сравнению с традиционным дизельным топливом снижаются выбросы сажи, однако выбросы окислов азота увеличиваются до 10 %.