Одним из важнейших направлений борьбы за сохранение чистоты воздушного бассейна следует признать поиск более «чистого» топлива для транспортных двигателей. В этом отношении наряду с кардинальными предложениями делаются попытки создать присадки и примеси к обычному топливу, которые могли бы снизить токсичность отработавших газов автомобилей.
Прежде всего напомним, что большинство сортов применяемого ныне бензина содержит в качестве антидетонационной присадки тетраэтилсвинец (0,41—0,82 г/л). Бензин с такой присадкой называют этилированным. Необходимость применения этилированных топлив диктуется прежде всего экономическими условиями. Их использование позволяет поднять степень сжатия рабочей смеси в цилиндрах и тем самым повысить топливную экономичность двигателей, т. е. при прочих равных условиях сократить потребление топлива. Но это обстоятельство в определенном смысле отвечает и экологическим требованиям, поскольку сокращение расходе топлива сопровождается и сокращением выбросов других токсических веществ. Однако в присадке содержится соединение свинца, которое в больших концентрациях вредно.
Проблема состоит в том, чтобы отыскать для замены свинца новый «чистый» антидетонатор. Такие исследования ведутся во многих странах мира.
В СССР закончены научные и экспериментальные работы по созданию нового антидетонатора на марганцевой основе. Такая присадка с сокращенным названием ЦТМ в 50 раз менее токсична, чем тетраэтилсвинец. Кроме того, у нее есть еще одно важное достоинство: ЦТМ в отличие от свинцовой присадки не ухудшает работы каталитических нейтрализаторов отработавших газов. Добавка ЦТМ в количестве 2% повышает октановое число бензина А-76 до 93 единиц.
Аналогичные присадки созданы и за рубежом.
Для уменьшения в составе отработавших газов главным образом сажи в дизельное топливо вносят металлоорганические соединения на основе свинца, меди, никеля, хрома или другие вещества. Даже в количествах 0,01% к общей массе топлива эти присадки существенно снижают дымность отработавших газов, а наилучший результат достигается при содержании их в размерах 0,02—0,25%. Такие присадки вносят на стадии подготовки топлива (на нефтеперегонных заводах).
В 70-х годах большой интерес был проявлен к идее использования водо-бензиновых смесей с целью снижения токсичности отработавших газов. Первые опыты добавок воды к горючей смеси относятся к прошлому столетию. В 30-х годах впрыск воды в цилиндры довольно широко применялся в тракторных двигателях для повышения их мощности при работе на низкооктановых сортах топлива. Эта мера использовалась также на некоторых двигателях во время Великой Отечественной войны.
К настоящему времени в ряде стран накоплен некоторый опыт применения этих смесей. Проведенные в СССР эксперименты показали, что водо-бензиновая смесь заслуживает серьезного внимания работников автомобильного и городского транспорта, так как не только снижает содержание токсичных веществ в отработавших газах, но и позволяет экономить топливо.
Водо-бензиновая смесь подается в двигатель в виде тонкой эмульсии, получаемой в процессе перемешивания с помощью небольших добавок поверхностно-активных веществ.
В лабораторных опытах было установлено, что по мере увеличения в смеси воды возрастала мощность двигателя. Максимум этого прироста — 2,5% был достигнут, когда удельный вес воды в эмульсии составлял 25%. Затем по мере дальнейшего увеличения воды в смеси мощность двигателя сокращалась и при содержании 44% воды снизилась до номинала, соответствующего работе двигателя на чистом бензине.
Практические исследования подтвердили реальную возможность использования водо-бензиновых смесей. В отработавших газах грузового автомобиля ЗИЛ-375, работавшего на эмульсии с содержанием 12% воды, было обнаружено в 2 раза меньше окиси углерода по сравнению с автомобилем, работавшим на чистом бензине. Сверх того зафиксирована некоторая экономия топлива, а также отсутствие склонности топлива к детонации, что свидетельствует о повышении октанового числа у таких смесей на 5—10 единиц против бензина А-76, с которым проводился эксперимент. Последнее обстоятельство позволяет повысить степень сжатия (топливную экономичность) у автомобилей и одновременно отказаться от использования свинца как присадки, повышая «чистоту» топлива и одновременно экономя дефицитный свинец.
Институт нефтехимических процессов АН АзССР также провел эксперименты с использованием указанного гидротоплива на автомобиле марки «Жигули» и при 10%-ном содержании сверхчистой воды (практически без солей) зафиксировал снижение в 2 раза окиси углерода и окислов азота.
Зарубежные исследователи, проводившие подобные опыты, пришли в общем к тем же выводам. Однако ряд вопросов научно-технического и экономического характера пока остаются не исследованными. Прежде всего это подготовка и стабильность эмульсий, а также возможность их более или менее длительного хранения, в том числе в условиях отрицательных температур. В Великобритании, например, признали целесообразным готовить эмульсию в составе 30% воды и 70% бензина, для чего на автомобилях установили специальные ультразвуковые реакторы. Важный вопрос — подготовка больших количеств особо чистой дистиллированной воды.
В поисках альтернативных видов топлива особо большие и небезуспешные работы ведутся с газовым топливом, синтетическими спиртами, аммиаком и водородом.
Применение газа как топлива на двигателях внутреннего сгорания имеет давнюю историю. Так, на первом двигателе Ленуара, созданном в 1860 г., в качестве топлива использовался светильный газ. Более поздние модели также работали на газе. Однако к началу XX в. предпочтение было отдано более энергоемкому жидкому топливу, и о газе практически забыли.
В настоящее время внимание конструкторов и инженеров автомобильного транспорта снова привлекает газовое топливо. За последние два десятилетия проведена большая работа по переводу на газовое топливо преимущественно грузовых автомобилей и городских автобусов с карбюраторными двигателями. Сегодня в мире эксплуатируется уже несколько сот тысяч таких автомобилей, причем Советский Союз имеет наиболее длительный опыт их использования, поскольку грузовые газобаллонные автомобили у нас появились еще до Великой Отечественной войны.
В качестве газового топлива наибольшее распространение получила смесь нефтяных газов — пропана и бутана. Октановое число пропан-бутана превышает 100, что позволяет применять высокие степени сжатия. Ценным качеством газового топлива является его высокая экологическая чистота. Опыты показали, что двигатель, работающий на пропан-бутане, на холостом ходу имеет в отработавших газах в 4 раза меньше окиси углерода, а на рабочем режиме — в 10 раз меньше, чем у бензинового. К тому же газ дешевле бензина.
Приспособление автомобилей с бензиновыми двигателями, особенно больших, т. е. грузовых и автобусов, к газовому топливу осуществляется сравнительно просто. Некоторых изменений требует лишь топливная система. Основное — это установка баллонов для сжиженного газа, где поддерживается давление около 1,6 МПа. Если автомобиль предназначается для работы и на бензине, и на газе, то на нем сохраняется обычный бензиновый бак. Такие автомобили в черте города могут работать на газе, а за его пределами — на бензине.
Наиболее серьезную экономическую проблему представляет создание разветвленной сети газозаправочных станций. Вместе с тем приходится мириться и с некоторым утяжелением автомобиля, что имеет наиболее существенное значение для легковых автомобилей. Кроме того, теплотворная способность газа в единице топлива меньше, чем бензина.
Тем не менее в нашей стране взят твердый курс на развитие парка газобаллонных автомобилей. В начале 1976 г. в Москве были испытаны автобусы ЛИАЗ-677 и ЛАЗ-695п на газовом топливе. В 1975 г. Горьковский автозавод создал на базе автомобиля марки «Волга» модификацию такси на газовом топливе — ГАЗ-24-07. На этом автомобиле (рис 7) в глубине багажника размещен баллон вместимостью 90 л с газом, запас которого позволяет иметь пробег до следующей заправки 350—400 км. Грузовые автомобили на сжиженном газе выпускают Горьковский автомобильный завод — ГАЗ-52-07 и 08, ГАЗ-53-07 и Московский — ЗИЛ-138. Уже эксплуатируется несколько тысяч таких автомобилей.
Аналогичные меры осуществляются во многих зарубежных странах, в частности в Венгрии, Болгарии и других странах — членах СЭВ, а также в Италии, Великобритании, США, Японии. Наиболее значительные работы в этом отношении проведены в Японии, которая, по данным печати, уже в 1970 г. имела около 300 тыс. автомобилей на газовом топливе, и Италии — 500 тыс. автомобилей.
В СССР и ряде других стран изучаются технические и экономические аспекты использования природного газа. Природный газ, состоящий на 90—98% из метана с примесью этана, существенно отличается по своим свойствам от пропан-бутана и, в частности, требует для сжижения низких температур. По теплотворной способности природный газ близок к пропан-бутану, но октановое число его выше, что позволяет значительно поднять степень сжатия и, следовательно, экономичность и мощность двигателя. Оборудование на автомобилях, работающих на сжиженном природном газе, более сложно и дорого, поскольку для хранения газа требуются криогенные баки. Однако эксперименты с использованием природного газа на автомобилях расширяются. Так, в течение ряда лет в ФРГ проводятся испытания автобуса, оборудованного криогенными баками, где сжиженный газ находится при температуре минус 160°С. По стоимости такой автобус дороже на 10%, но в эксплуатации он экономичнее. Токсичность его отработавших газов ниже на 60—90%, чем у традиционного автобуса.
Применение сжатого природного газа не требует значительных переделок двигателя и сложного дополнительного оборудования. В 1981—1982 гг. у нас в стране была изготовлена опытная партия газобаллонных автомобилей ЗИЛ-138-А и ГАЗ-52-27, работающих на сжатом природном газе. Выпущены экспериментальные автомобили ГАЗ-53-27 и автобусы ЛАЗ-695-НГ. К концу 80-х годов парк автомобилей на природном газе будет насчитывать сотни тысяч. Особенность конструкции таких автомобилей заключается в большом количестве баллонов (до 8 шт.), устанавливаемых на один автомобиль. Газ в баллонах находится под давлением 20 МПа. По данным Научно-исследовательского института автомобильного транспорта, при применении сжатого природного газа существенно уменьшается токсичность отработавших газов: по СО — в 2—4 раза, СН — в 1,1—1,4 раза, NOx — в 1,2—2 раза.
В Венгрии проводятся научно-экспериментальные работы по применению природного газа в качестве топлива на легковых автомобилях, в частности на такси марки «Жигули».
Синтетические спирты использовались в двигателях внутреннего сгорания уже в самом начале XX в. Любопытно, что тогда же ставился вопрос о перспективности синтетических спиртов в связи с неизбежным истощением нефтяных ресурсов. Сегодня этот прогноз частично оправдывается. Но к названным опасениям прибавились новые экологические условия, заставившие вернуться к почти забытому спиртовому топливу. Наибольший интерес исследователей и конструкторов автомобилей привлекли метанол и этанол.
Метанол, или метиловый спирт, получаемый из угля, сланцев, древесины и используемый для производства пластмасс, формалина и других целей, рассматривается как возможный заменитель бензина для автомобилей. Он несколько тяжелее бензина, а энергоемкость его в 2 раза меньше. Следовательно, для сохранения дальности пробега по топливу бак для метанола должен быть в 2 раза больше. Запуск двигателя на чистом метаноле, особенно зимой, затруднен. По некоторым данным, метанол усиливает коррозию всех видов металла, особенно в присутствии воды. В настоящий момент стоимость метанола выше стоимости бензина. И тем не менее у нас и во многих зарубежных странах, особенно не обладающих собственными ресурсами нефти, развернуты научно-экспериментальные и практические работы по изысканию экономичного производства и использования метанола на автомобильном транспорте.
Важное качество метанола состоит в том, что в отработавших газах в 2—3 раза меньше токсичных компонентов, чем при использовании бензина. Однако отмеченные выше недостатки и малые ресурсы метанола практически не позволяют использовать его сегодня как самостоятельное топливо. Поэтому его применяют в качестве добавки к бензину. В экспериментах использовались смеси с содержанием метанола от 5 до 30%. При этом концентрация окиси углерода в отработавших газах снижается на 14—72%. Смесь метанол-бензин несколько снижает мощностные характеристики двигателей. Но следует иметь в виду, что добавка метанола, например, в количестве 15% повышает октановое число смеси с 88 до 95,8. При соответствующей переделке двигателя с целью повышения на нем степени сжатия можно получить даже экономию на расходе топлива.
В качестве недостатков смеси как топлива отмечают склонность ее к расслоению, в особенности при попадании в смесь воды и при понижении температуры. Метанол ядовит.
Производство метанола в настоящее время невелико. Но имеются предположения, что в ближайшей перспективе производство его увеличится с 1—2% по отношению к выпуску бензина до 15%. Особенно большие надежды на метанол возлагаются в странах, имеющих большие ресурсы растительной биомассы. Так, в Бразилии уже теперь все автомобили работают на смесях с содержанием метанола в количестве 2—10%. Существуют предположения, что удельный вес метанола в автомобильном топливе Бразилии будет непрерывно возрастать и уже в ближайшее время в этой стране достигнет в среднем 20%, а к 2000 г. автомобильное топливо на 75% будет состоять из метанола. Совершенствование технологии и массовость производства должны существенно снизить стоимость метанола, и ожидают, что он станет дешевле бензина.
Этанол, или этиловый спирт, при той же плотности, что и метанол, имеет энергоемкость на 25—30% выше и, следовательно, требует пропорционально менее вместительного топливного бака. Экологические характеристики этанола близки к метанолу. Однако у двигателей, работающих на этаноле, в отработавших газах еще меньше выделяется углеводородов.
В связи с многочисленными публикациями в печати о проектах использования для производства горючего сахарного тростника, картофеля, подсолнухов и других ресурсов растительного мира следует заметить, что эти предложения в долгосрочном плане нельзя признать рациональными, имея в виду, что названные ресурсы должны направляться прежде всего на пищевые цели. Более разумным и перспективным следует считать путь получения синтетического горючего из угля.
Аммиак в обычных условиях представляет собой токсичный газ с резким запахом. Однако при его сгорании образуется только один токсичный компонент — окислы азота, причем в значительно меньших количествах, чем при сгорании других видов углеводородного топлива. Это объясняется существенно более низкой температурой рабочего процесса.
Сырьевые ресурсы для производства аммиака велики, а стоимость его невысока. Но для работы на этом топливе двигатели должны быть изменены в связи с необходимостью повышения степени сжатия, усиления системы зажигания и подогрева рабочей смеси во впускном коллекторе. Для активизации процесса в некоторых опытах применялся впрыск запального топлива, факел которого ускоряет поджигание основной аммиачной смеси и ее горение. К недостаткам аммиака следует отнести то, что он как щелочь агрессивен в отношении меди, бронзы и некоторых других металлов, сплавов и материалов, попадая в атмосферу, он сам является загрязнителем воздуха.
Водород с точки зрения сохранения окружающей среды представляет идеальное топливо. Сгорая в чистом кислороде, он превращается в воду. Если его получать из воды путем электролиза, то процесс замыкается: вода — водород — вода. Ресурсы этого топлива колоссальны и постоянно восстанавливаются. Водород может стать универсальным топливом, вот почему его называют топливом будущего.
Опыт использования водорода в качестве топлива ракетных двигателей существенно облегчает решение некоторых научно-технических задач, связанных с применением его на автомобилях, самолетах, судах и других транспортных средствах, хотя на пути осуществления этой идеи стоят еще огромные технико-экономические трудности.
В ряде научных организаций в СССР и за рубежом уже созданы, вернее приспособлены, опытные автомобили для работы на водороде. Один из экспериментов был проведен еще в 1968 г. в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения АН СССР, где испытывался двигатель автомобиля ГАЗ-52. Современные карбюраторные двигатели оказались вполне пригодными для использования нового вида топлива и требуют практически незначительных переделок. В 1978 г. в Харькове испытывались автомобили ВАЗ-2101, «Москвич-412» и «Волга», подготовленные сотрудниками Института проблем машиностроения АН УССР. Проводят испытания микроавтобуса на бензиноводородном топливе специалисты НАМИ.
Приспособление автомобиля для использования водорода в качестве топлива заключается в основном в снижении степени сжатия, изменении фаз газораспределения и углов опережения зажигания, установке двухступенчатого редуктора для снижения давления водорода и др. Установлено, что динамика автомобиля несколько снижается. В отработавших газах присутствуют лишь окислы азота (поскольку сгорание идет в присутствии воздуха), но в количествах существенно ниже нормы. Типичные для обыкновенных топлив окись углерода и углеводороды, естественно, отсутствуют.
Препятствия к использованию водорода в качестве топлива состоят в том, что он значительно дороже бензина. В настоящее время водород добывается в основном из природного газа, реже из нефти и угля и в очень незначительном количестве из воды, поскольку процесс электролиза более дорог и требует больших энергетических затрат, чем само энергосодержание полученного водорода.
Серьезную техническую и экономическую проблему представляет и размещение водорода на автомобиле. Для того чтобы обеспечить межзаправочный пробег таким же, как на бензине, на автомобиле вместо бака вместимостью 60—75 л потребуется разместить баллоны со сжатым газом общей вместимостью 1500—1800 л с общей массой 1,5—2 т.
В жидком виде водород примерно в 10 раз легче бензина, поэтому криогенные (—253°С) баки на автомобиле должны быть по вместимости в 3—4 раза больше, чем бензиновые, поскольку водород более энергоемок.
В последнее время наметилось еще одно направление для получения водорода непосредственно на автомобиле.
Плотность «упаковки» водорода в гидридах выше, чем плотность чистого жидкого водорода, поэтому объем реакторов может быть меньше, чем объем криогенных баков, но они получаются более тяжелыми и все же громоздкими.
Сложности создания автомобиля на чистом водороде привели к решению использовать водород в качестве добавки к бензину. Эксперимент с водородно-бензиновой смесью, проведенный в СССР на переоборудованном микроавтобусе РАФ-2203, показал, что 5—10%-ная добавка водорода существенно (на 40—45%) повышает топливную экономичность двигателя и более чем в 100 раз снижает окись углерода в отработавших газах. Запас жидкого водорода в количестве 5,6 кг хранится на автобусе в двух криогенных баках общей вместимостью 80 л.
В одном из аналогичных экспериментов, осуществленных в США, водород на автомобиле хранился в тяжелом баллоне в виде газа под давлением около 14 МПа. При добавке водорода в размере 10% в отработавших газах резко снижалось содержание окислов азота и окиси углерода при росте топливной экономичности двигателя на 20—25%.
В другом эксперименте водородно-бензиновый двигатель дополнен водородным генератором, в котором из бензина и паров воды выделяется водород. Образуемая горючая смесь из газообразного водорода, паров воды, бензина и воздуха дает достаточно чистый выхлоп. Такой автомобиль, кроме обычных бензиновых баков, должен иметь емкости для воды и специальную аппаратуру для приготовления рабочей смеси.
В 1983 г. фирма «Даймлер-Бенц» объявила о выпуске 15 автомобилей марки «Мерседес-Т-комби» с низкотемпературным металлогидридным аккумулятором водорода, который будет использоваться в качестве добавки к бензину и обеспечивать экономию его в размере 20% от номинала. Указывается, что зарядка аккумулятора водородом занимает 10 мин.
Пока еще не найдено надежного и экономичного пути использования водорода, но, несмотря на большие сложности и трудности, разработкой этой проблемы заняты значительные научно-инженерные силы во всем мире.
Источник: И.Я. Аксенов, В.И. Аксенов. Транспорт и охрана окружающей среды. Изд-во «Транспорт». Москва. 1986