_Улучшение энерго-экологических характеристик автомобилей. Государственный технический
 Скачать 3.39 Mb.
|
|
Особенности использования в качестве автотранспортного топлива Особенности использования СУГ в качестве автомобильного топлива аналогичны особенностям использования ПГ, но в несколько меньшей степени. Так же, как и ПГ, СУГ используется в двухтопливных и монотопливных ДВС. Монотопливные оригинальные (т.е. специально спроектированные и собранные на заводе) модели автомобилей-такси и лёгких коммерческих грузовиков популярны в Корее, Китае и Японии. Двухтопливный вариант на основе ретрофита (переоборудования) базового бензинового ДВС более распространён в Европе и Америке. В настоящее время существует четыре принципиально различных типов систем питания двигателей, работающих на СУГ: система с испарителем и одноточечным (центральным) смесителем Вентури, в котором производится смешение воздуха и газообразного топлива; система с испарителем и многоточечной (распределённой) подачей топлива в газообразном виде (англ. vapor phase injection, VPI); система с многоточечным (распределённым) впрыском топлива в сжиженном виде во впускной трубопровод непосредственно перед впускным клапаном (англ. liquid phase injection, LPI); система с многоточечным (распределённым) впрыском топлива в сжиженном виде непосредственно в цилиндр (англ. liquid phase direct injection, LPDI). Одним из недостатков, присущих системам с центральным смесителем, являлась проблема «обратных вспышек». «Обратная вспышка» представляет собой самопроизвольное воспламенение рабочей смеси во впускном коллекторе на такте впуска, происходящее 148 или от тепла остаточных газов и перегретых выпускных клапанов (что обусловлено низкой скоростью сгорания СУГ), или при сбоях в системе зажигания. В системах питания VPI и LPI с многоточечным распределением топлива форсунки расположены в непосредственной близости от впускных клапанов, а подача (впрыск) топлива осуществляется только в моменты открытия впускных клапанов, что практически исключает вероятность возникновения «обратных вспышек». При этом также увеличены точность дозирования топлива, стабильность, быстродействие и долговечность системы. В системах питания LPI с многоточечным впрыском жидкого пропан- бутанового топлива происходит существенное охлаждение рабочей смеси при регазификации СУГ. Это увеличивает плотность и, соответственно, массу заряда, поступающего в цилиндр, что позволяет повысить мощность ДВС. Однако это может привести к проблемам при запуске холодного двигателя, особенно при низких температурах окружающего воздуха. Поэтому при низкой температуре двигатель пускают на бензине, а после его прогрева водитель переключает систему питания на СУГ. В системах питания LPDI впрыск жидкого пропан-бутанового топлива осуществляется непосредственно в цилиндр двигателя на такте сжатия с использованием штатных бензиновых форсунок и топливного насоса. Охлаждение рабочей смеси позволяет улучшить мощностные, экономические и экологические характеристики ДВС. При низких температурах окружающего воздуха выбросы бензинового ДВС при холодном пуске значительно выше, чем газового. Это вызвано необходимостью обогащения смеси для обеспечения устойчивого пуска, а также длительным периодом прогрева нейтрализатора. Бензин обладает худшей испаряемостью, поэтому смесь необходимо обогащать. Это приводит к росту выбросов СО и СН, снизить которые нейтрализатор не способен из-за низкой температуры. В случае использования СНГ в качестве топлива проблем с испаряемостью не возникает. Как только давление СНГ падает, он немедленно испаряется, поэтому состав смеси остаётся постоянным как при низких, так и при высоких температурах. 149 Расход СУГ на 10…15% выше, чем бензина, из-за меньшей объёмной теплотворности: 1 л бензина будет эквивалентен 1,1…1,15 л СУГ, а в условиях двутопливной модификации системы питания из-за падения мощности двигателя – 1,15…1,3 л СУГ. Выбросы СО 2 при использовании СУГ снижаются примерно на 15% по сравнению с бензином. При сжигании одного литра бензина образуется около 2,35 кг СО 2 , тогда как при сжигании СУГ – 1,64 кг СО 2 . С учётом меньшей плотности СУГ 1 л бензина эквивалентен 1,33 л СУГ. С учётом этого при сжигании эквивалентного количества СУГ выбросы СО 2 составят примерно 2 кг. Результаты оценки жизненного цикла показывают, что автомобили, работающие на СУГ, выбрасывают примерно на 20% меньше СО 2 , чем бензиновые и примерно столько же, сколько дизельные аналоги [83]. Выбросы основных нормируемых ЗВ с ОГ ДВС, работающих на СУГ, могут быть как меньше, так и больше бензиновых аналогов. Это зависит от типа системы питания (монотопливная/двухтопливная), качества применяемого газобаллонного оборудования и типа его установки на автомобиле (оригинальный/ретрофит). Оригинальные монотопливные модели, как правило, превосходят бензиновые аналоги по экологичности как с позиции выбросов ЗВ, так и с позиции создаваемого шума. В работе [84] приводятся сравнительные данные по уровню выбросов различных автомобилей, работающих на СУГ и традиционных видах топлива. Отмечается, что легковые автомобили уровня Евро-5, работающие на СУГ, выбрасывают NO x примерно в два раза меньше, чем бензиновые аналоги и примерно в 10 раз меньше, чем дизельные. Выбросы ДЧ примерно на 15% меньше, чем у бензиновых аналогов и примерно на 10% меньше, чем у дизельных. Выбросы СН примерно на 30% меньше, чем у бензиновых аналогов и примерно вдвое больше, чем у дизельных. Выбросы СО примерно на 20% больше, чем у бензиновых аналогов и примерно в 4 раза больше, чем у дизельных. В работе [85] отмечается, что уровень выбросов таких ненормируемых ЗВ, как бензол, ацетальдегид, формальдегид и 1,3- бутадиен, у автомобилей, работающих на СУГ, также ниже бензиновых и дизельных аналогов. 150 Ещё одним преимуществом газобаллонных автомобилей, работающих на СУГ, является практически полное отсутствие выбросов углеводородов из системы питания, т.к. она полностью герметична. Оксигенаты и биооксигенаты Оксигенатами называют кислородсодержащие соединения. Оксигенаты могут использоваться в качестве добавок к бензину (спирты: метанол, этанол, трет-бутанол и эфиры: метил-трет-бутиловый эфир ( МТБЭ), этил-трет-бутиловый эфир (ЭТБЭ), диизопропиловый эфир ( ДИПЭ), трет-амил-метиловый эфир (ТАМЭ) и др.) или в качестве самостоятельных топлив (метанол, этанол, бутанол). Сырьём для их производства могут служить ископаемые топлива (нефть, газ, уголь), либо биологическая продукция (сахарный тростник, зерновые, сахарная свёкла и т.д., а также целлюлоза). В случае использования в качестве первичного сырья биопродукции говорят о биооксигенатах, чтобы подчеркнуть возобновляемость и потенциально низкий «углеродный след» таких топлив. Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) — один из представителей простых эфиров. МТБЭ представляет собой прозрачную бесцветную жидкость с характерным эфирным запахом. Получение МТБЭ получают в реакции присоединения метанола к изобутилену. При этом не требуется ни высоких температур, ни высоких давлений. Реакцию осуществляют на специальном катализаторе (чаще всего это ионообменные смолы) с высокой селективностью и почти полной конверсией за проход. В качестве первичного сырья для производства МТБЭ используется нефть или природный газ. В последнее время начали использоваться технологии получения МТБЭ из биологического сырья – биометанола, который, в свою очередь, производят из синтез-газа 1 , получаемого при 1 Синтез-газ – смесь, состоящая преимущественно из СО и Н 2 151 паровой конверсии биометана. Процесс производства МТБЭ является экологически чистым и практически безотходным. Отработанный катализатор подвергается регенерации и повторно используется в производстве МТБЭ. Количество сточных вод незначительно (2…5 кг на 1 т эфира), и они пригодны для подачи на биологические очистные сооружения без какой-либо локальной очистки. В настоящее время потребление МТБЭ в Европе и США сокращается (с темпами порядка 1% в год) по причине реализации политики перехода на биотоплива. Основным инструментом, применяемым в данном случае, являются налоговые льготы, предоставляемые производителям ЭТБЭ и этанола. В Европе, кроме того, из экологических соображений проводится политика постепенного перехода от бензина к дизельному топливу, что в свою очередь также является фактором, обуславливающим тенденцию снижения спроса на МТБЭ в Европе. Несмотря на прогнозируемое снижение мирового спроса, специалисты ожидают роста спроса на МТБЭ в странах Азии, Среднего Востока, Восточной Европы и Индии. Особенности использования в качестве автотранспортного топлива МТБЭ применяется в качестве добавки к моторным топливам, повышающей октановое число бензинов (антидетонатор). При добавлении 10% МТБЭ октановое число полученного бензина повышается на 2,1…5,8 единиц (по исследовательскому методу) в зависимости от углеводородного состава исходного сырья. Предельное содержание МТБЭ ограничено 15%, т.к. эта присадка имеет низкую теплоту сгорания, что снижает мощность двигателя. Кроме того, эфиры в большой концентрации становятся коррозионноактивными, и такое топливо начинает разъедать резину и пластмассы. Давление насыщенных паров у эфиров ниже, чем у спиртов, что более благоприятно для формирования эксплуатационных характеристик бензинов. Кроме того, эфиры в отличие от спиртов не оказывают 152 азеотропного эффекта 1 на кривую перегонки товарного бензина, что позволяет точно предвидеть последствия их добавления в бензин. Топливная экономичность и мощностные показатели двигателя при работе на бензинах с 15% МТБЭ находятся на уровне товарного бензина. Токсичность отработавших газов при этом несколько снижается, в основном за счёт уменьшения выбросов СО (на 30…50%), СН (на ≈13%) и NO x (на ≈8%). По данным Агентства по охране окружающей среды (US EPA ), применение оксигенатов в топливах позволило уменьшить концентрацию СО в атмосферном воздухе городов, где реализовались программы использования подобных топлив, в среднем на 14% [86]. Кроме того, US EPA отмечает, что использование оксигенатов позволило сократить выбросы твёрдых частиц на 25…30%, а также привело к сокращению формирования приземного озона – одного из компонентов фотохимического смога [87]. Изменений и нарушений в состоянии и работе систем двигателя при использовании бензинов с МТБЭ не наблюдается. При добавлении к бензинам МТБЭ растворимость воды в бензине возрастает незначительно. При хранении бензинов с МТБЭ их низкотемпературные свойства практически не ухудшаются − их температура помутнения не превышает −50°С. Гарантийный срок хранения МТБЭ − 1 год со дня изготовления. Воздействие на здоровье населения и состояние окружающей среды МТБЭ действует угнетающе на центральную нервную систему. Действие обратимое. Через неповрежденную кожу практически не проникает. Местное действие на кожу − лёгкое раздражающее. Попадание в глаза жидкого продукта вызывает лёгкое раздражение конъюнктивы, на роговицу не действует. В организме не накапливается. Метил-трет-бутиловый эфир при попадании в окружающую среду способен оказывать отравляющее действие на биологические объекты. МТБЭ хуже связывается почвой (адсорбируется), чем другие компоненты бензина, поэтому распространяется быстрее и на бóльшие 1 Азеотро́пная смесь — смесь двух или более жидкостей, которые при данном давлении не могут быть разделены перегонкой. 153 расстояния, чем бензин. Кроме того, МТБЭ меньше подвержен биодеградации, чем бензин. Некоторые исследования подземных вод показывают, что концентрация МТБЭ сохраняется практически неизменной в течение нескольких лет. Именно неприятный запах и вкус питьевой воды явился одной из причин запрета МТБЭ в США. Напротив, исследования поверхностных водоёмов показывают, что МТБЭ, из-за своей высокой летучести, достаточно быстро удалятся из воды [88]. Согласно мнению исследователей из США, которые изучали эффекты, связанные с применением бензина с присадкой оксигенатов, МТБЭ не рассматривается как вещество, способное причинить серьёзный вред населению, однако отмечается, что данных, описывающих возможные негативные эффекты потребления МТБЭ с питьевой водой накоплено ещё не достаточно. При попадании в организм человека высоких доз МТБЭ отмечались (в США) случаи возникновения канцерогенных заболеваний. Однако Международное агентство по исследованию раковых заболеваний в 1998 году пришло к выводу, что «нет доказательств, подтверждающих канцерогенный риск МТБЭ для человека» [89]. В ноябре 2000 г. Рабочая группа по классификации и маркировке опасных веществ Европейского союза пришла к выводу об отсутствии у МТБЭ канцерогенных, мутагенных и тератогенных свойств. В рекомендациях Агентства по защите окружающей среды США (EPA US ) указывается, что «существует вероятность того, что МТБЭ не вызывает неблагоприятных последствий для человека (неприятный «скипидарный» вкус и запах питьевой воды) при концентрациях ниже 20 …40 млрд -1 ». При этом токсическое действие МТБЭ на человека проявляется при концентрациях в 20000…100000 раз более высоких. В этом смысле, наличие сильного запаха и привкуса МТБЭ можно считать гарантией своевременного обнаружения этого загрязнителя в воде и отказе от её употребления. В настоящее время US EPA включило МТБЭ в список приоритетных загрязняющих веществ, для которых ведутся работы по установлению предельно допустимых норм. Большинство крупных источников централизованного водоснабжения оборудованы системами мониторинга МТБЭ в воде [90]. 154 В 2002 году опубликован финальный отчёт по оценке риска использования МТБЭ в Европейском Союзе, выполненный Институтом по защите здоровья и прав потребителей под эгидой Европейского химического бюро [91]. Отмечается, что необходимо разработать мероприятия по снижению существующего уровня риска для водных экосистем и подземных вод. Кроме того, необходимы дальнейшие исследования влияния МТБЭ на водных обитателей − гидробионтов. Население не подвергается чрезмерному риску токсического воздействия МТБЭ, однако рабочие автопредприятий и автосервисов, часто контактирующие с МТБЭ, должны быть дополнительно защищены от воздействия этого вещества на кожу. Общий риск населения связан с изменением вкуса и запаха загрязнённой МТБЭ питьевой воды. Здесь также требуется разработка дополнительных мероприятий. Основываясь на физико-химических свойствах МТБЭ, предполагается следующее распределение данного вещества в компонентах окружающей среды: атмосфера – 93,9%; гидросфера – 6,045%; почва – 0,054%; донные осадки – 0,001%. Данное распределение получено для 20°С. При более низких температурах, вследствие увеличения растворимости МТБЭ в воде и уменьшения давления насыщенных паров, доля содержания МТБЭ в воде увеличится, а доля содержания МТБЭ в воздухе уменьшится. Этил-трет-бутиловый эфир (ЭТБЭ) Этил-трет-бутиловый эфир (ЭТБЭ) − бесцветная или бледно- жёлтая, прозрачная, подвижная, легковоспламеняющаяся жидкость с эфирным запахом. Получение Синтез ЭТБЭ осуществляется из этанола (47% об.) и изобутилена (53% об.) в присутствии кислотных катализаторов при температуре 40 …90°С. Этиловый спирт производится из биологического сырья, а изобутилен – из нефти или газа. 155 Особенности использования в качестве автотранспортного топлива По своим свойствам ЭТБЭ практически идентичен МТБЭ, поэтому введение этого вещества в состав бензина приводит к аналогичным последствиям. ЭТБЭ имеет несколько лучшие октановые характеристики, имеет более высокую температуру кипения (т.е. низкое давление паров), и его максимально-допустимое содержание в бензине больше. В бюллетене фирмы Дюпон (Dupont) «Предотвращение утечек реформулированного топлива и оксигенатов», опубликованного в 1992 году, отмечается, что ЭТБЭ «обладает наименьшей из всех эфиров агрессивностью по отношению к эластомерам». Хотя ЭТБЭ имеет низкую растворимость в воде, рекомендуется предохранять его от влаги, т.к. чистый ЭТБЭ может растворить в себе до 5% воды. Кроме того, в отличие от МТБЭ, ЭТБЭ реагируя с окислителями (например, с кислородом воздуха), может образовывать пероксиды. Эта реакция в нормальных условиях протекает медленно, однако заметно ускоряется под воздействием ультрафиолетового облучения. Пероксиды в составе ЭТБЭ даже в малых концентрациях резко уменьшают его октановое число. Высокие концентрации пероксидов приводят к образованию смолистых отложений и коррозионно активных кислот. Кроме того, пероксиды взрывоопасны. Поэтому при хранении чистого ЭТБЭ в него добавляют антиоксидант, например, фенилендиамин. Хранение бензинов, содержащих ЭТБЭ, однако, не требует введения дополнительных антиоксидантов. Основной минус – стоимость этанола, как сырья. Цена этанола почти в три раза выше, чем у метанола. Следовательно, и стоимость ЭТБЭ будет значительно выше, чем стоимость МТБЭ. Без государственных дотаций для производителей бензина ЭТБЭ будет, по- видимому, не интересен. Воздействие на здоровье населения и состояние окружающей среды ЭТБЭ является веществом, угнетающе действующим на центральную нервную систему, действие обратимое. ЭТБЭ не относится к канцерогенным, мутагенным и тератогенным веществам. ЭТБЭ не накапливается в организмах. Исследования воздействия высоких доз 156 ЭТБЭ на животных показали возможность заболеваний желудочно- кишечного тракта и почек, однако эти последствия полагают маловероятными для человека. В 2005 году опубликован предварительный отчёт по оценке риска использования ЭТБЭ в Европейском Союзе, выполненный Институтом по защите здоровья и прав потребителей под эгидой Европейского химического бюро. В нём указывается на эквивалентность риска использования ЭТБЭ и МТБЭ. ЭТБЭ может быть токсичным для морских беспозвоночных. В анаэробных условиях биодеградация ЭТБЭ практически не протекает. В присутствии специфических аэробных бактерий ЭТБЭ быстро биодеградирует. В почве и донных осадках не накапливается. Благодаря своей высокой летучести, ЭТБЭ при утечках, главным образом, загрязняет атмосферу, откуда может вымываться дождями и попадать в грунтовые воды. Время полураспада (англ. half-life) ЭТБЭ в воздухе составляет около 2 дней. |