Применение этанола в автомобильных двигателях
Беляев С.В., Давыдков Г.А. (ПетрГУ, г. Петрозаводск, РФ)
Alcohol flexible fuel vehicles, produced commercially today in both the Brazil and USA represent a mature, low-cost technology option for reducing reliance on petroleum transportation fuels.
Увеличение потребления энергоносителей, повышение рисков и стоимости освоения новых месторождений, поиск эффективных альтернативных топлив с каждым годом становится все актуальнее. По прогнозам многих авторитетных международных организаций и исследовательских центров, в недалекой перспективе следует ожидать дальнейшего повышения стоимости барреля нефти.
Решением данной проблемы занимаются многие и давно. И сейчас уже ясно, что наиболее серьезной альтернативой топливам нефтяного происхождения станут так называемые альтернативные топлива - природный и нефтяной газ, которые уже достаточно давно применятся на транспорте и хорошо зарекомендовали себя, как эффективные и экологически чистые топлива. Вместе с тем, в последние годы конкуренцию им стали оказывать биотоплива, получаемые из возобновляемого сырья растительного происхождения - рапса, кукурузы, сахарного тростника и т.п. Среди этих биотоплив особый интерес вызывают спирты. Способствует этому и то, что спирты, прежде всего этанол, при сгорании выделяют значительно меньше экологически вредных веществ, чем нефтяное топливо; для их применения серьезных изменений конструкции ДВС не требуется; технология их получения полностью отработана и по потребительским свойствам они довольно близки к нефтяным топливам. Так, у них примерно на 40% октановое число больше, чем у товарных бензинов, что позволяет повышать степень сжатия ДВС с искровым зажиганием. А это рост (до 5%) мощности и КПД двигателей, что в значительной мере компенсирует основной недостаток того же этанола - вдвое меньшую теплотворную способность [3, 4].
У этанола есть и другие недостатки. Так, высокая скрытая теплота испарения (840кДж/кг) затрудняет холодный пуск двигателя (при температуре 5°С и ниже он становится невозможным); относительно высокая электропроводность в сочетании с более высоким содержанием кислорода требует защиты деталей топливной системы от коррозии; низкая вязкость усложняет проблемы смазки топливной аппаратуры и т.д. Однако способы борьбы с недостатками уже найдены. И главный из них - применение этанола не в чистом виде, а в смеси с бензином (такие товарные топлива, состоящие из смеси бензина и этанола, в Европе и США имеют буквенно-числовое обозначение: буква Е и число. Например, Е85 означает, что смесь состоит из 85% этанола и 15% бензина).
Основы научно обоснованной технологии применения этанолобензиновых смесей создала в 1980-х годах фирма «Форд». Занимались такого рода исследованиями и многие другие фирмы. На основании этих исследований было доказано, что автомобильные двигатели могут работать, используя одни и те же компоненты топливной системы (бак, топливопроводы, топливодозирующие элементы), на смеси бензина и спирта в любой пропорции. В последствии на основе микропроцессорной системы управления режимами работы двигателем с применением датчика кислорода (лямбда-зонда) был разработала блок, анализирующий состав поступающей в цилиндры смеси и управляющий ее составом способный работать на любом сочетании спирта и бензина в баке.
Опыт применения этанола, как топлива для ДВС позволил установить, что бензоэтанольные смеси, содержащие до 10% этанола, могут применяться в любом бензиновом ДВС, а смеси, содержащие более 10..15% этанола, требуют внесения не очень больших изменений в топливную систему и систему управления режимами работы двигателя. В частности, автомобили, работающие на таких топливах, должны иметь повышенную антикоррозионную стойкость общих элементов топливной системы (топливный бак, топливопроводы, фильтрующие элементы), а топливодозирующие элементы (форсунки) - способность работать на повышенном давлении и пропускать большее, чем в случае бензина, количество топлива [6].
Первопроходцем в области массового применения этанола на автомобильном транспорте стала Бразилия [4, 5]. Конечно, на первых этапах эксплуатации не обошлось без проблем. И главными из них были уже упоминавшиеся три - плохие пуск двигателя и карбюрюзация, а также коррозия элементов топливной системы. Но постепенно с ними справились, и применение спирта приобрело довольно широкие масштабы, сначала это были смеси, содержащие 20..25% этанола, а затем (в 1980-е годы) и чистый спирт. Например, в 1984г. доля продаж автомобилей, предназначенных работать на чистом спирте, составила 94,4%.
Сегодня Бразилия остается крупнейшим производителем топливного этанола. Именно этанол составляет более 20% общего объема топлива, потребляемого в стране и поставляет его за рубеж [1, 5]. Бразильский этанол имеет самую низкую себестоимость в мире. Достаточно сказать, что с гектара плантаций сахарного тростника здесь получают 4–6 тыс. л этанола, а в США «кукурузный» гектар дает всего лишь ~ 2 тыс. л.
Как видим, Бразилия для других стран стала своего рода лабораторией, которая за почти три десятилетия эксплуатации автомобилей на спиртовом топливе решила основные эксплуатационные проблемы и довела автомобильную технику по главным ее характеристикам до уровня, сопоставимого с бензиновыми ДВС.
Правда, у них меньший пробег на одной заправке. Тем не менее, есть все основания утверждать: бензоэтанольные автомобили пользоваться спросом будут не только в Бразилии. Хотя, конечно, это потребует создания соответствующей инфраструктуры и внесения изменений в технологию производства на существующих моторных и автозаводах. Но основным достоинством использования бензоспиртовых автомобилей является то, что топливо для них может выпускать практически любая страна, используя свои внутренние возможности, т.к. в качестве сырья могут быть использована и отходы деревообработки (лесозаготовки) и с/х продукты и отходы с/х производства, отходы пищевой промышленности.
Понятно, что распространение данной технологии будет зависеть от развития сети бензоэтанольных заправочных станций, соотношения стоимости «этанол-бензин» для конечного пользователя и степени ужесточения экологических стандартов в отношении как количественного, так и качественного состава отработавших газов. Однако факты говорят о том, что уже сегодня правительства многих стран (Австралия, Индия, Канада, Китай, США, Таиланд, Швеция, Южная Африка и др.) довольно охотно стимулируют продвижение «смесевых» технологий за счет предоставления субсидий и налоговых льгот производителям. Благодаря этому, например, в США только в 2005 г. более 5 млн автомобилей были оборудованы бензоэтанольными двигателями, а к концу 2006 г. их парк составил уже 6 млн шт. А к 2010 году их обслуживали более 2 тыс. заправочных станций, предлагающих топливо Е85. Процесс перехода на бензоэтанольные технологии продолжается: строятся заводы по производству относительно дешевого топливного этанола, создаются сети заправочных станций, идет обучение персонала, формируется соответствующее общественное мнение и т.д. Есть определенные сдвиги в этом направлении в России. Прежде всего, потому, что для производства топливного спирта в стране имеются достаточно серьезные сырьевая, технологическая и промышленная базы, поскольку он может быть получен из биомассы самого различного происхождения: продуктов сельскохозяйственных производств - таких, как семена масличных культур и культур, богатых сахаром и крахмалом; лигноцеллюлозных продуктов и их отходов; древесной биомассы, не содержащей сахара и крахмала, но состоящей из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, которые могут быть преобразованы в этанол.
Поэтому в 2004 г. и был введен в действие ГОСТ Р 52201-2004 на этаноловое моторное топливо (бензанолы). Кроме того, пять нефтеперерабатывающих заводов провели все необходимые исследования и испытания, результаты которых позволяют наладить выпуск бензина АИ-92, содержащего в своем составе 5% этанола, а Госстандарт РФ дал [2] разрешение на его производство и применение.
Нет особых сомнений, что применение этилового спирта, как топлива, поможет решить целый комплекс социально-экономических задач. В том числе такие, как диверсификация энергоносителей; развитие сельского и лесного хозяйства, деревообработки; повышение занятости населения; оздоровление воздушного бассейна крупных городов; увеличение экспорта нефти и газа. Кроме того, как уже упоминалось у нас, практически неисчерпаемы запасы сырья, из которого его можно получать. Он может использоваться в качестве топлива для мобильных транспортных средств, как в чистом виде, так и в качестве добавок к бензинам; его производство можно организовать практически в любой точке страны; он содержит больше энергии, чем требуется для его производства; он - биоразлагающееся вещество и в воде, и в почве.
1. Swarz A. An Introduction to Fuel Ethanol // Briefimg to the Sao Paulo Sugar Cane Agroindustry Union, Sao Paulo, Brasil, Februery, 2005.
2. «Современная АЗС» http: // Brusstar M. Sustainable Technology Chooses for Alternative Fuels. USAF XV // International symposium on Alcohol Fuels. September 2005. http://www.epa.gov
3. Alternative Fuel in Brazil Flex-Fuel Vehicles http://www.cse.unc.edu
4. E85 as a vehicle Fuel. AEVI. http://www.doe
5. Flexible-fuel vehicle http://en.wikipedia.org/wiki/Flexible-fuel_vehicle
6. Fuel Ethanol. Industry Guidelines, specifications and Procedures. December 2003. Renewable Fuels Association. http://www.ethanolrfa.org