— использование 20 % рапсового масла в дизтопливе позволяет снизить дымность выхлопа до 40 %, выбросы углеводородов на 25…36 %, а оксида азота до 3,8…10 %.
Биодизель — биотопливо на основе растительных или животных жиров (масел), а также продуктов их этерификации. Применяется на автотранспорте в чистом виде и в виде различных смесей с дизельным топливом.
Однако в последнее время наиболее перспективным объектом для производства биодизеля становятся водоросли. Продуктивность водорослей может достигать фантастических объёмов — 95 тыс. л масла с 1 га водной поверхности, вследствие чего в США, Канаде, ЮАР, Новой Зеландии и Испании начато строительство заводов по производству биодизеля из водорослей.
Применение в качестве биодизеля чистого растительного масла, как и его кустарное производство, практически невозможно, так как требуется строгое соблюдение промышленной технологии (рис. 38).
Рис. 38. Схема получения биодизеля из рапса: 1–6 — виды топлива с разным содержанием биодизеля в качестве добавки
Во — первых, для этерификации используется очень ядовитый и опасный метиловый спирт. Во — вторых, необходима очистка получаемого промежуточного продукта от образующихся жирных кислот, приводящих к омылению и последующему засорению топливных фильтров, а также образованию нагара в цилиндрах дизельного двигателя. В — третьих, требуется удаление остатков влаги, которая может привести не только к повышению водородного изнашивания и коррозии деталей двигателя, но и к интенсивному размножению микроорганизмов и резкому снижению качества биодизеля.
Несмотря на то, что биодизель можно применять и в чистом виде, чаще всего он является своего рода присадкой к классической нефтяной солярке. Так, в США (штат Миннесота) принят закон, обязывающий применять во всем дизельном топливе 2 % биодизеля. В Канаде к 2012 году также планируется введение 2 % биодизеля в состав всего автомобильного и печного топлива, а в Японии с марта 2007 года разрешено 5 %-ное содержание биодизеля в дизельном автомобильном топливе. Более того, в Южной Корее уже в 2006 году доля биодизеля от общего потребления дизельного топлива составляет 0,5 % и в последующие годы неуклонно растет.
В Европейском союзе в 2010 году доля биотоплива (этанола и биодизеля) должна составлять не менее 5,75 %, при этом в Германии уже с 1 января 2007 года его доля составляет 5 %, во Франции на текущий год запланировано 7 %, а в Португалии — 10 %.
Соответствующие программы по производству биотоплива приняты также в Австралии, Бразилии, Китае, Тайване, Индии, Индонезии и других странах.
Биодизель может применяться в качестве смазывающей присадки в объеме 1…2 % к нефтяному дизельному топливу с крайне низким содержанием серы. Смесь биодизеля и дизельного топлива маркируется буквой «В», например, смесь из 20 % биодизеля и 80 % дизтоплива имеет марку В20, служит обычной заменой дизтопливу и является самой распространенной биодизельной смесью в США. При соответствующей подготовке топливной системы дизеля, например установке специальных подогревателей, а также замене уплотнительных материалов и прокладок, контактирующих с топливом, можно использовать в двигателе и чистый биодизель (В100).
Установлено, что биодизель марки В20 ухудшает показатели выброса в пять раз по сравнению с В100, а 2 %-ная смесь биодизеля с соляркой может использоваться как обыкновенная топливная присадка, но, естественно, она меньше всего улучшает показания выхлопа.
Использование биотоплива В100 из бобов сои в двигателях городских автобусов позволило снизить выброс углекислого газа почти на 79 %, но с учетом выбросов, получаемых при производстве биодизеля, этот эффект нивелируется.
При этом все же не нарушается «парниковый» баланс, так как в атмосферу выбрасывается тот углекислый газ, который был взят из воздуха в ближайшем прошлом, а не аккумулированный в нефтепродуктах несколько миллионов лет назад.
В России, несмотря на достаточные запасы традиционных видов топлива, начато строительство заводов по производству биоэтанола в Омской области и по переработке рапса в Татарстане.
На основании вышесказанного, всё более актуальной проблемой становится защита окружающей среды. Во многих странах мира ведутся исследования и разработка альтернативных смазочных материалов и топлива. Очень обнадёживают последние разработки отечественных и японских учёных по использованию в качестве универсального смазочного материала и топлива воды, водно — масляных эмульсий и водорода.
Обладая высокой смазывающей способностью, наивысшей теплоёмкостью (равной единице), доступностью, низкой стоимостью и, что самое главное, высокой экологичностью, вода в обозримом будущем может полностью заменить нефтяные смазочные материалы.
Вопрос. Можно ли заправлять автомобиль чистым биотопливом?
Ответ. Во многих странах на производство и применение биотоплива отводится значительная часть всего используемого в стране автомобильного топлива, для применения которого разработаны специальные адаптеры.
Лидером в этом является Бразилия, которая уже в 2000 году довела содержание этанола в бензинах до 20 % благодаря технологии «Тотал — флекс». Данная технология позволяет непосредственно перед заправкой автомобиля выбирать тип топлива — бензин или спирт. Двигатель адаптируется к виду топлива автоматически, и не важно, в каких соотношениях применяется нефтяной бензин, биоэтанол или их смесь.
В Германии продается специальное устройство «Flex — Тек» для модернизации любого автомобиля в целях использования смеси этанола и бензина (рис. 39). Например, такой системой оборудуются автомобили «Фольксваген», которые поставляются и в Россию.
Рис. 39. Автомобильное устройство «Flex — Тек» для использования смеси этанола и бензина
Для применения биодизеля модернизация двигателя не требуется, но существует ряд ограничений. При отрицательных температурах необходим дополнительный подогрев топлива или применение специальных депрессорных присадок.
Препараты для охлаждающих жидкостей
Как известно, двигатель внутреннего сгорания имеет достаточно низкий коэффициент полезного действия, который не превышает 30 % для бензиновых и 40 % для дизельных двигателей. При этом мощность двигателя в большой мере зависит от работоспособности системы охлаждения двигателя, в том числе применяемых охлаждающих жидкостей.
В соответствии со статистикой отказов двигателя, система охлаждения находится на четвертом месте по их количеству. Следует отметить, что система охлаждения при работе двигателя внутреннего сгорания поглощает до трети всей энергии, выделяющейся при сгорании топлива. Например, при сгорании бензина в карбюраторных двигателях на эффективную работу затрачивается только около 25 % выделившегося тепла, на неполноту сгорания 2…5 %, уносится с отработанными газами 40…50 %, а оставшиеся 14…20 % отводятся охлаждающей жидкостью, маслом и излучаются в окружающее пространство. В случае негерметичности и загрязнения системы охлаждения наблюдается перегрев двигателя, который, в свою очередь, приводит к увеличению изнашивания всех трущихся поверхностей. Значительный перегрев двигателя опасен возникновением задиров поршня и стенок цилиндра и, как следствие, заклиниванием двигателя.
Отложения в системе охлаждения препятствуют нормальному теплообмену, блокируют работу клапанов термостата и механизмов регулировки. При высоких температурах снижается экономичность двигателя, увеличиваются износ деталей и вероятность возникновения отказов, снижаются динамичность и мощность.
Для охлаждения ДВС применяются различные охлаждающие жидкости. Когда температура окружающего воздуха стабильно выше 0 °C, возможно применение чистой (дистиллированной) воды. Вода обладает наибольшей охлаждающей способностью, так как имеет наивысшую теплоемкость (4,19 кДж/кг×°С), имеет небольшую вязкость V 20 = 1 мм2/с, высокую теплопроводность и теплоту испарения. При этом она не довита, пожаробезопасна и относительно дешева.
Однако применение в качестве охлаждающей жидкости обыкновенной или дистиллированной воды при отрицательных температурах недопустимо из‑за её замерзания при температуре ниже 0 °C со значительным увеличением объема (до 10 %), что приводит к разрушению радиатора, головки блока или патрубков системы охлаждения. В то же время температура кипения воды 100 °C, и стабильно удерживать режимы эксплуатации в таком диапазоне практически невозможно. Использование воды приводит к кавитации, образованию накипи, загрязнению радиатора и внутренних полостей, что существенно снижает теплоотвод и приводит к нарушению теплового режима работы двигателя.
Механизм разрушения поверхности при кавитации заключается в следующем (рис. 40). Если давление в какой-либо точке жидкости становится равным давлению насыщенного пара этой жидкости, то жидкость в этом месте испаряется и мгновенно (за ~0,002 с) образуется паровой пузырек (1).
Рис. 40. Взрывное разрушение пузырьков пара в системе охлаждения двигателя при кавитации
Образовавшиеся газопаровые пузырьки размерами до 6 мм в диаметре, перемещаясь вместе с потоком жидкости, попадают в зоны высоких давлений (2 и 3). Пар конденсируется, газы растворяются за время ~0,001 с, и в образующиеся пустоты с огромным ускорением устремляются частицы жидкости, что сопровождается ударным восстановлением равномерности потока (4).
Кавитации подвергаются различные трубопроводы, гильзы цилиндров и другие детали. В результате возникают вибрации, стуки, что в свою очередь приводит к ослаблению крепежных деталей, смятию резьбы, разгерметизации уплотнений и т. д.
В связи с этим чистую воду можно использовать только в каких‑то черезвычайных ситуациях. Автохимической промышленностью выпускаются специальные охлаждающие жидкости — антифризы. Антифриз представляет собой водный раствор моноэтиленгликоля (этиленгликоля, гликоля) в различных концентрациях, обеспечивающий низкотемпературные свойства охлаждающей жидкости. Этиленгликоль в чистом виде — это маслянистая желтовая жидкость без запаха, имеющая температуру кристаллизац