Пути экологизации автомобильного топлива

Проблема экологической безопасности автотранспорта – часть проблемы экологической безопасности страны. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от автотранспортных средств увеличиваются в России ежегодно в среднем на 3,1%. В результате ежегодный экологический ущерб от функционирования транспортного комплекса России составляет более 3,5 млрд. долл., и эта сумма продолжает расти.

Вклад автомобилей в загрязнение окружающей среды составляет 60–90% (в Москве – 92%). Автомобильные двигатели сбрасывают в воздух городов более 95% оксида углерода, около 65% углеводородов и 30% оксидов азота. При сгорании 1 кг бензина в атмосферу поступает 465 г угарного газа, 25 г углеводородов, 15 г оксидов азота. Кроме того, для сгорания 1 кг бензина необходимо 14,5 кг воздуха. То есть двигатель внутреннего сгорания (ДВС) в течение часа расходует около 200 л кислорода – в 2,5 раза больше, чем за сутки вдыхает человек. В общем загрязнении атмосферного воздуха токсичными выбросами автомобилей доля двигателей с искровым зажиганием составляет 93–95%, дизельных двигателей – 5–7%. Правда, уровень выбросов сажи у последних в 5–6 раз выше.

Улучшение свойств топлива при помощи присадок

Добавление к топливу определенных присадок может снизить образование оксида углерода, углеводородов, альдегидов, сажи. С целью улучшения эксплуатационных и экологических свойств автомобильных бензинов в их состав вводят моющие и многофункциональные присадки (см. таблицу).

Эффективным способом борьбы с отложениями в карбюраторе и впускной системе стало добавление к бензинам специальных моющих присадок.

Маркирующие присадки вводят в бензин в столь малой концентрации, что они практически не влияют на физико-химические и эксплуатационные характеристики.

В Финляндии разработана добавка к бензину «Футура», которая не содержит свинца и повышает октановое число до 95. Присадка эффективно очищает двигатель, уменьшает загрязнение клапанов, защищает топливную систему от коррозии, повышает морозостойкость карбюратора, обеспечивает равномерный режим сгорания топлива и уменьшает выбросы вредных веществ.

Из отечественных разработок отметим антидетонационную присадку на марганцевой основе ЦТМ, которая в 50 раз менее токсична, чем тетраэтилсвинец, и существенно повышает октановое число. АО «Омский каучук» наладило выпуск метилретичнобутилового эфира (МТБЭ) с высоким октановым числом 110 единиц – добавки к бензинам, существенно улучшающей их качество и экологичность. Его применение снижает содержание в выхлопных газах CO на 10–20%, несгоревших углеводородов – на 5–10% и вредных летучих соединений – на 13–17%.

Использование нетрадиционных видов топлива

Крупнейшие мировые автомобильные концерны инвестируют миллиарды долларов в развитие технологий альтернативных видов моторного топлива и источников энергии для автомобилей. В последнее десятилетие интенсивно ведутся поиски альтернативного топлива, которое было бы дешево и не давало бы вредных выбросов. К альтернативным топливам относят все автомобильные топлива, кроме бензинов, и дизельное топливо.

Метан (сжиженный газ) – особенно перспективный газ в нашей стране для использования в автотранспорте. К его достоинствам относятся большие по сравнению с нефтью ресурсы и менее токсичный выхлоп. Однако существует проблема хранения сжатого газа на борту легковых автомобилей, так как для этого нужны легкие и прочные баллоны, изготовленные из композитных материалов, способных выдерживать давление 20 МПа.

Сжатые газы при нормальной температуре сохраняют газообразное состояние даже при высоком давлении. В жидкое состояние они переходят при температуре ниже –820С и давлении 4,5 МПа. Основной компонент – метан, присутствуют и другие углеводороды, а также углекислый газ, кислород, азот, вода, механические примеси.

Главным недостатком газобаллонной аппаратуры для сжатых газов является ее масса. Баллон из легированной стали емкостью 50 л с газом под давлением 200 МПа весит 62,5 кг, а баллон из углеродистой стали – 93 кг. Полная заправка восьми баллонов, масса которых составляет 14% грузоподъемности автомобиля, обеспечивает 200–280 км пробега. При замене бензина на сжатый природный газ мощность двигателя падает на 18–20%, скорость – на 5-6%, время разгона увеличивается на 24–30%.

Способ повышения эффективности применения сжатого природного газа состоит в увеличении степени сжатия до 10, повышении коэффициента наполнения цилиндров двигателя путем увеличения диаметра впускного трубопровода, устранении подогрева газа на впуске, изменении фаз газораспределения. Все это требует конструкционных переделок двигателя, но запасы природного газа столь значительны по сравнению с нефтью, что делают перспективным его использование. Уменьшить массу баллонов можно путем сжижения газа при низких температурах (–1600С) и хранения его в изотермических баллонах. По энергоемкости такой газ может сравниться с жидким нефтяным топливом.

По сравнению с бензином метан имеет следующие преимущества: он в 1,5–2 раза дешевле, имеет более высокую детонационную стойкость, и двигатель на нем работает мягче, ресурс его увеличивается примерно в 1,5 раза, а срок службы моторного масла возрастает вдвое.

При переводе на сжиженный газ мощность двигателя падает на 3–4%. Этого можно избежать, если смесь охлаждать во впускном тракте или повысить степень сжатия, так как октановое число у газа больше, чем у бензина. Лучше всего использовать высокую детонационную стойкость газа путем увеличения угла опережения зажигания.

Бутан – наиболее калорийная и легкосжимаемая часть топливной смеси. Для создания давления насыщенных паров баллон заправляют не более чем на 90%.

Сжиженный газ (пропан-бутан). В Европе это топливо, получаемое из попутных нефтяных газов, называется LPG (Liqefied petroleum gas – сжиженный бензиновый газ). В то время как сжатый газ (метан) находится в баках под давлением 20 МПа, LPG сжижается уже при 0,6–0,8 МПа. В ЕС сегодня насчитывается около 2,8 млн. машин, работающих на LPG. Фирмы, занимающиеся переоборудованием топливных систем автомобилей под LPG, за свою работу берут около 2 тыс. евро. Кроме того, компания Isuzu в заводских условиях под заказ устанавливает на свою 3,5-литровую модель Trooper 100-литровый баллон под этот газ. В США 80% нефтепродуктов получают уже не из нефти, а из попутных газов – пропана-бутана и этана, в то время как в России из-за устаревших НПЗ, созданных большей частью в 1960-х годах, только присматриваются к переработке попутных нефтяных газов (мы перерабатываем только 72% добываемой нефти, остальное теряем, в то время как в развитых странах перерабатывается до 95% добываемой нефти).

Газоконденсатное топливо – это природная смесь легкокипящих нефтяных углеводородов, находящаяся в газообразном состоянии под давлением 4,9–9,8 МПа при температуре –1500С.

Добавка спиртовых смесей к бензину может уменьшить выбросы токсичных компонентов в отработанных газах в пределах 10–15%, а в Москве, где уже 4,5 млн. автомобилей, такое мероприятие позволит сократить выбросы до 7–10%. Поскольку у этих смесей более низкая фотохимическая реактивность, то уменьшение выбросов составит 15–17%.

Спирты относятся к числу синтетических топлив, из которых наиболее известны метанол и этанол. При содержании в топливе спирта до 10% не требуется изменять конструкцию двигателя, а введение спирта повышает октановое число с 88 до 94 при одновременном снижении содержания оксидов азота и углеводородов в выхлопных газах.

Метанол – метиловый или древесный спирт. Сырьем служат природный газ и нефтяные остатки. Синтез проводится под давлением 25–60 МПа в присутствии катализаторов при температуре 300–4000С. Его стоимость превышает в 1,5–2 раза стоимость бензина. Применение метанола требует изменения конструкции двигателя, так как ухудшается пуск двигателя при низких температурах. Добавка 3–5% метанола позволяет использовать бензин с меньшим октановым числом и заменять этилированный бензин на неэтилированный.

Метиловый спирт не содержит тех углеводородных примесей, которые имеются в бензине, сгорает в двигателе полнее, поэтому в атмосферу попадает гораздо меньше оксида углерода. Кроме того, он менее взрывоопасен при столкновении автомобилей – поэтому его применяют в гонках «Формула-1». Но и недостатков у этого вида топлива достаточно много. Главный из них – плохое смешивание неполярного бензина с высокополярным спиртом. Чтобы преодолеть этот недостаток, в Германии используют третичный бутиловый спирт (СН3)3СОН, растворяющийся в бензине и в метиловом спирте. Другой недостаток – гигроскопичность горючей смеси, насыщенный водяными парами метиловый спирт вызывает коррозию металла. К тому же при его сгорании образуется на 40% энергии меньше, и, значит, чаще придется заправлять автомобиль. Тем не менее с 1990-х годов на метаноле работает общественный транспорт Стокгольма, в результате в 5 раз снизился выброс вредных веществ, уменьшилась и их токсичность.

Этанол – этиловый или винный спирт, вырабатывается из злаков, картофеля, сахарного троcтника и других культур, применяется как в смеси с бензином, так и в чистом виде. Этанол добывается из отходов древесины и сахарного тростника, обеспечивает двигателю высокий КПД и низкий уровень выбросов и особо популярен в теплых странах. Так, Бразилия после своего нефтяного кризиса 1973 года активно использует этанол – в стране более 14 млн. автомобилей ездит на этом топливе. Кроме того, концерн Ford сейчас готовит к производству модель Focus FFV, которая будет заправляться топливом под названием Е 85 – смесью, состоящей из 85% эталона и 15% бензина.

Диметиловый эфир. Представители Renault совместно с французским Агентством по защите окружающей среды успешно работают над проектом использования диметилэфира – жидкого газа, который используется в аэрозолях, а продукты его сгорания малотоксичны. Этот газ можно использовать в автомобилях с дизельным двигателем, так как октановое число у него выше, чем у дизтоплива. Достоинства диметилового эфира состоят в том, что он не содержит ароматических углеводородов и серы, характеризуется полнотой сгорания, не имеет сажи и оксидов азота в выхлопных газах, не требует изменений в конструкции дизельного двигателя (необходима лишь незначительная модернизация системы подачи топлива), обеспечивает хороший старт холодного двигателя, имеет более выгодные условия производства по сравнению с дизельным топливом. Пониженная по сравнению с дизтопливом теплотворная способность частично искупается большей экономичностью двигателя и отсутствием затрат на очистку выхлопа.

Экологизация автотранспорта – сложная социальная проблема, просто и дешево ее не решить. Казавшаяся когда-то близкой перспектива перехода к электромобилям все еще весьма далека от реальности. Достаточно сказать, что уже созданные в развитых странах сотни тысяч таких средств передвижения используются в 90% случаев как тележки для перевозки мелких грузов и продуктов. Таким образом, альтернативы двигателям внутреннего сгорания пока нет и надо искать возможности более широкого применения экологических видов топлива, прежде всего сжатого природного газа и спиртового топлива.