Спирты в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания

Введение

Алкоголи, используемые в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания

Различные спирты используются в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Первые четыре алифатических спирта (метанол, этанол, пропанол и бутанол) представляют интерес как топливо, поскольку они могут быть синтезированы химическим или биологическим путем и обладают характеристиками, позволяющими использовать их в двигателях внутреннего сгорания. Общая химическая формула спиртового топлива – CnH2n+1OH. Большая часть метанола производится из природного газа, хотя его также можно получать из биомассы, используя схожие химические процессы. Этанол обычно производится из биологического сырья посредством процессов ферментации. Биобутанол имеет преимущество в двигателях внутреннего сгорания, заключающееся в том, что его энергетическая плотность ближе к бензину, чем у более простых спиртов (при этом он сохраняет более чем на 25% более высокое октановое число); однако в настоящее время производство биобутанола сложнее, чем этанола или метанола. При получении из биологических материалов и/или биологических процессов они известны как биоалкоголи (например, "биоэтанол"). Химических различий между спиртами, произведенными биологическим и химическим способами, нет. Одним из преимуществ, общим для четырех основных видов спиртового топлива, является их высокое октановое число. Это способствует повышению эффективности использования топлива и в значительной степени компенсирует более низкую энергетическую плотность автомобильного спиртового топлива (по сравнению с бензином и дизельным топливом), что обеспечивает сопоставимую "экономичность" в пересчете на расстояние, приходящееся на единицу объема, например, километры на литр или мили на галлон.

Метанол и этанол

Метанол и этанол могут быть получены из ископаемого топлива, биомассы или из углекислого газа и воды. Этанол чаще всего производится путем ферментации сахаров, а метанол – из синтез-газа, но существуют и более современные способы получения этих видов топлива. Вместо ферментации можно использовать ферменты. Метанол – более простая молекула, и этанол можно получить из метанола. Метанол может быть произведен в промышленных масштабах из практически любой биомассы, включая животные отходы, или из углекислого газа и воды (или пара), предварительно преобразовав биомассу в синтез-газ в газификаторе. Его также можно получить в лаборатории с помощью электролиза или ферментов. Как топливо, метанол и этанол имеют свои преимущества и недостатки по сравнению с бензином и дизельным топливом. В двигателях с искровым зажиганием оба спирта могут работать при значительно более высоких показателях рециркуляции отработавших газов и с более высокими степенями сжатия. Оба спирта обладают высоким октановым числом: этанол – 109 RON (исследовательское октановое число), 90 MON (моторное октановое число) (что эквивалентно 99,5 AKI), а метанол – 109 RON, 89 MON (что эквивалентно 99 AKI). Следует отметить, что AKI обозначает «Антидетонационный индекс», который является средним значением октановых чисел RON и MON ((RON + MON) / 2) и используется на АЗС в США. Типичное европейское бензиновое топливо имеет октановое число 95 RON, 85 MON, что соответствует 90 AKI. В качестве топлива для двигателей с компрессионным зажиганием оба спирта образуют очень мало твердых частиц, но их низкое цетановое число означает, что в топливо необходимо добавлять улучшитель воспламенения, например, гликоль, в количестве примерно 5%. При использовании в двигателях с искровым зажиганием спирты могут снижать выбросы NOx, CO, HC и твердых частиц. Тест с Chevrolet Luminas, работающими на E85, показал снижение NMHC на 20–22%, NOx на 25–32% и CO на 12–24% по сравнению с переработанным бензином. Токсичные выбросы бензола и 1,3-бутадиена также уменьшились, в то время как выбросы альдегидов увеличились (особенно ацетальдегида). Выбросы CO2 из выхлопной трубы также снижаются благодаря более низкому соотношению углерода к водороду в этих спиртах и повышению эффективности двигателя. Топливо на основе метанола и этанола содержит растворимые и нерастворимые примеси. Галогенид-ионы, являющиеся растворимыми примесями, такие как ионы хлорида, оказывают значительное влияние на коррозионную активность спиртового топлива. Галогенид-ионы усиливают коррозию двумя способами: они химически атакуют пассивирующие оксидные пленки на различных металлах, вызывая точечную коррозию, и увеличивают электропроводность топлива. Повышенная электропроводность способствует развитию электрической, гальванической и обычной коррозии в топливной системе. Растворимые примеси, такие как гидроксид алюминия, сам являющийся продуктом коррозии под воздействием галогенид-ионов, со временем засоряют топливную систему. Для предотвращения коррозии топливная система должна быть изготовлена из подходящих материалов, электрические провода должны быть надежно изолированы, а датчик уровня топлива должен быть импульсного типа, магниторезистивным или другого аналогичного бесконтактного типа. Кроме того, высококачественный спирт должен иметь низкую концентрацию примесей и содержать подходящий ингибитор коррозии. Научные данные свидетельствуют о том, что вода является ингибитором коррозии, вызванной этанолом. Эксперименты проводятся с E50, который является более агрессивным и ускоряет коррозионный эффект. Очевидно, что увеличение содержания воды в этанольном топливе может снизить коррозию. При 2% или 20 000 ppm воды в этаноле коррозия прекратилась. В соответствии с наблюдениями в Японии известно, что гидратированный этанол менее коррозионен, чем безводный этанол. Механизм реакции: 3 EtOH + Al > Al(OEt)3 + 3 H2 при низких и средних концентрациях. Когда в топливе присутствует достаточное количество воды, алюминий предпочтительно реагирует с водой, образуя Al2O3, восстанавливая защитный слой оксида алюминия. Алкоксид алюминия не образует плотный оксидный слой; вода необходима для восстановления отверстий в оксидном слое. Метанол и этанол несовместимы с некоторыми полимерами. Спирт реагирует с полимерами, вызывая их набухание, а со временем кислород разрушает углерод-углеродные связи в полимере, что приводит к снижению прочности на растяжение. Однако в последние десятилетия большинство автомобилей спроектированы таким образом, чтобы выдерживать до 10% этанола (E10) без проблем. Это касается как совместимости топливной системы, так и лямбда-компенсации подачи топлива в двигателях с впрыском топлива и замкнутым контуром управления лямбда-зондами. В некоторых двигателях этанол может разрушать некоторые составы пластиковых или резиновых компонентов топливной системы, предназначенные для обычного бензина, а также не обеспечивать правильную лямбда-компенсацию топлива. Автомобили "FlexFuel" оснащены модернизированными компонентами топливной системы и двигателя, рассчитанными на длительный срок службы при использовании E85 или M85, а блок управления двигателем (ECU) может адаптироваться к любой смеси топлива между бензином и E85 или M85. Типичные модернизации включают изменения в: топливных баках, электрической проводке топливных баков, топливных насосах, топливных фильтрах, топливопроводах, заливных горловинах, датчиках уровня топлива, форсунках, уплотнениях, топливных рейках, регуляторах давления топлива, седлах клапанов и впускных клапанах. Автомобили "Total Flex", предназначенные для бразильского рынка, могут использовать E100 (100% этанол). Один литр этанола выделяет 21,1 МДж при сгорании, один литр метанола – 15,8 МДж, а один литр бензина – примерно 32,6 МДж. Другими словами, для получения того же количества энергии, что и в одном литре или галлоне бензина, потребуется 1,6 литра/галлона этанола и 2,1 литра/галлона метанола. Однако приведенные показатели энергии на единицу объема дают вводящие в заблуждение данные о расходе топлива, поскольку двигатели, работающие на спирте, могут быть значительно более энергоэффективными. Большая часть энергии, выделяемой при сгорании литра спиртового топлива, может быть преобразована в полезную работу. Эта разница в эффективности может частично или полностью компенсировать разницу в плотности энергии, в зависимости от сравниваемых двигателей. Метанол рассматривается как перспективное биотопливо, часто как альтернатива водородной экономике. Метанол имеет долгую историю использования в качестве гоночного топлива. В ранних гонках Гран-при использовались смесевые составы, а также чистый метанол. После войны топливо стало широко использоваться в Северной Америке. Однако метанол для гоночных целей в основном производился из синтез-газа, полученного из природного газа, и поэтому этот метанол не считается биотопливом. Метанол может быть биотопливом, если синтез-газ получен из биомассы. Теоретически, метанол также может быть произведен из устойчиво полученной биомассы и, в конечном итоге, из углекислого газа, а также путем электролиза водорода с использованием ядерной энергии, геотермальной энергии или другого возобновляемого источника энергии (см. Carbon Recycling International). По сравнению с биоэтанолом, основным преимуществом метанольного биотоплива является его значительно более высокая эффективность от скважины до колеса. Это особенно актуально в умеренном климате, где для выращивания сахарных или крахмалистых культур для производства этанола требуются удобрения, в то время как метанол можно производить из не удобренной лигноцеллюлозной (древесной) биомассы. Этанол уже широко используется в качестве добавки к топливу, и использование этанола в качестве самостоятельного топлива или в смеси с бензином растет. По сравнению с метанолом его основным преимуществом является меньшая коррозионная активность и нетоксичность, хотя топливо все же выделяет некоторые токсичные выхлопные газы. С 2007 года Indy Racing League использует этанол в качестве единственного топлива, после 40 лет использования метанола. С сентября 2007 года АЗС в штате Новый Южный Уэльс (Австралия) обязаны поставлять весь бензин с содержанием 2% этанола.

Methanol and ethanol can both be derived from fossil fuels, biomass, or from carbon dioxide and water. Ethanol has most commonly been produced through fermentation of sugars, and methanol has most commonly been produced from synthesis gas, but there are more modern ways to obtain these fuels. Enzymes can be used instead of fermentation. Methanol is the simpler molecule, and ethanol can be made from methanol. Methanol can be produced industrially from nearly any biomass, including animal waste, or from carbon dioxide and water or steam by first converting the biomass to synthesis gas in a gasifier. It can also be produced in a laboratory using electrolysis or enzymes. As a fuel, methanol and ethanol both have advantages and disadvantages over fuels such as petrol (gasoline) and diesel fuel. In spark ignition engines, both alcohols can run at much higher exhaust gas recirculation rates and with higher compression ratios. Both alcohols have a high octane rating, with ethanol at 109 RON (Research Octane Number), 90 MON (Motor Octane Number), (which equates to 99.5 AKI) and methanol at 109 RON, 89 MON (which equates to 99 AKI). Note that AKI refers to 'Anti Knock Index' which averages the RON and MON ratings (RON+MON)/2, and is used on U. S. gas station pumps. Ordinary European petrol is typically 95 RON, 85 MON, equal to 90 AKI. As a compression ignition engine fuel, both alcohols create very few particulates, but their low cetane number means that an ignition improver like glycol must be mixed into the fuel at approx. 5%. When used in spark ignition engines alcohols have the potential to reduce NOx, CO, HC and particulates. A test with E85 fueled Chevrolet Luminas showed that NMHC went down by 20 22%, NOx by 25 32% and CO by 12 24% compared to reformulated gasoline. Toxic emissions of benzene and 1,3 butadiene also decreased while aldehyde emissions increased, (acetaldehyde in particular). Tailpipe emissions of CO2 also decrease due to the lower carbon to hydrogen ratio of these alcohols, and improved engine efficiency. Methanol and ethanol fuels contain soluble and insoluble contaminants. Halide ions, which are soluble contaminants, such as chloride ions, have a large effect on the corrosivity of alcohol fuels. Halide ions increase corrosion in two ways: they chemically attack passivating oxide films on several metals causing pitting corrosion, and they increase the conductivity of the fuel. Increased electrical conductivity promotes electrical, galvanic and ordinary corrosion in the fuel system. Soluble contaminants such as aluminum hydroxide, itself a product of corrosion by halide ions, clog the fuel system over time. To prevent corrosion the fuel system must be made of suitable materials, electrical wires must be properly insulated and the fuel level sensor must be of pulse and hold type, magneto resistive or other similar non contact type. In addition, high quality alcohol should have a low concentration of contaminants and have a suitable corrosion inhibitor added. Scientific evidence reveals that water is an inhibitor for corrosion by ethanol. The experiments are done with E50, which is more aggressive and speeds up the corrosion effect. It is very clear that by increasing the amount of water in fuel ethanol one can reduce corrosion. At 2% or 20,000 ppm water in the ethanol fuel the corrosion stopped. In line with the observations in Japan, hydrous ethanol is known to be less corrosive than anhydrous ethanol. The reaction mechanism is 3 EtOH + Al > Al(OEt)3 + 3 2/ H2 at lower mid blends. When enough water is present in the fuel, aluminum will react preferably with water to produce Al2O3, repairing the protective aluminum oxide layer. The aluminum alkoxide does not make a tight oxide layer; water is essential to repair the holes in the oxide layer. Methanol and ethanol are incompatible with some polymers. The alcohol reacts with the polymers causing swelling, and over time oxygen breaks down the carbon carbon bonds in the polymer causing a reduction in tensile strength. For the past few decades though, most cars have been designed to tolerate up to 10% ethanol (E10) without problem. This includes both fuel system compatibility and lambda compensation of fuel delivery with fuel injection engines featuring closed loop lambda control. In some engines ethanol may degrade some compositions of plastic or rubber fuel delivery components designed for conventional petrol, and also be unable to lambda compensate the fuel properly. "FlexFuel" vehicles have upgraded fuel system and engine components which are designed for long life using E85 or M85, and the ECU can adapt to any fuel blend between gasoline and E85 or M85. Typical upgrades include modifications to: fuel tanks, fuel tank electrical wiring, fuel pumps, fuel filters, fuel lines, filler tubes, fuel level sensors, fuel injectors, seals, fuel rails, fuel pressure regulators, valve seats and inlet valves. "Total Flex" autos destined for the Brazilian market can use E100 (100% ethanol). One liter of ethanol releases 21.1 MJ in combustion, a liter of methanol 15.8 MJ and a liter of gasoline approximately 32.6 MJ. In other words, for the same energy content as one liter or one gallon of gasoline, one needs 1.6 liters/gallons of ethanol and 2.1 liters/gallons of methanol. The raw energy per volume numbers produce misleading fuel consumption numbers, however, because alcohol fueled engines can be made substantially more energy efficient. A larger percentage of the energy released by combustion of a liter of alcohol fuel can be converted to useful work. This difference in efficiency can partially or totally balance out the energy density difference, depending on the particular engines being compared. Methanol fuel has been proposed as a future biofuel, often as an alternative to the hydrogen economy. Methanol has a long history as a racing fuel. Early Grand Prix Racing used blended mixtures as well as pure methanol. The fuel was primarily used in North America after the war. However, methanol for racing purposes has largely been based on methanol produced from syngas derived from natural gas and therefore this methanol would not be considered a biofuel. Methanol is a possible biofuel, however, when the syngas is derived from biomass. In theory, methanol can also be produced from sustainably sourced biomass and ultimately carbon dioxide, and by hydrogen electrolysis using nuclear power, geothermal power or some other renewable energy source (see Carbon Recycling International). Compared to bioethanol, the primary advantage of methanol biofuel is its much greater well to wheel efficiency. This is particularly relevant in temperate climates where fertilizers are needed to grow sugar or starch crops to make ethanol, whereas methanol can be produced from unfertilized lignocellulose (woody) biomass. Ethanol is already being used extensively as a fuel additive, and the use of ethanol fuel alone or as part of a mix with gasoline is increasing. Compared to methanol its primary advantage is that it is less corrosive and non toxic, although the fuel will produce some toxic exhaust emissions. Since 2007, the Indy Racing League has used ethanol as its exclusive fuel, after 40 years of using methanol. Since September 2007 petrol stations in NSW, Australia have been mandated to supply all their petrol with 2% ethanol content

Япония

Первое алкогольное топливо в Японии появилось с GAIAX в 1999 году. GAIAX был разработан в Южной Корее и импортирован в Японию. Основным компонентом был метанол. Поскольку GAIAX не являлся бензином, он не подлежал налогообложению акцизом на топливо в Японии. Однако, в результате, использование GAIAX стало рассматриваться правительством и нефтяной промышленностью Японии как контрабанда. Розничная продажа GAIAX осуществлялась с целью избежать критики за уклонение от уплаты налогов путем самостоятельной уплаты налога на дизельное топливо в рамках действующих правовых норм. Около 2000 года, когда обсуждение уклонения от уплаты налогов практически завершилось, начали поступать сообщения о случайных возгораниях транспортных средств при заправке GAIAX. Японская автомобильная промышленность критиковала GAIAX, утверждая, что "пожары возникали из-за коррозии топливопроводов высококонцентрированным спиртом". GAIAX был назван "алкогольным топливом высокой концентрации", и была развернута кампания по его долгосрочному исключению с рынка. В конечном итоге, к этой кампании присоединилось и Министерство экономики, торговли и промышленности. В 2003 году методика оценки качества бензина была пересмотрена под предлогом соображений безопасности. Это запретило производство и продажу "алкогольного топлива высокой концентрации" и ввело существенный запрет на продажу GAIAX. В результате изменения законодательства производителям топлива запрещено добавлять в бензин 3% и более спирта. Это изменение закона является основанием для невозможности продажи в Японии алкогольного топлива с содержанием спирта выше E3. Нефтяная промышленность Японии в настоящее время ведет исследования и разработки оригинального спиртового топлива, отличающегося от GAIAX. Однако коммерческое производство и продажа любого нового топлива могут быть запрещены действующим законами, которые в настоящее время исключают GAIAX с рынка. Более того, сильное неприятие японскими потребителями алкогольного топлива высокой концентрации любого типа может помешать коммерческому успеху любого нового топлива.