Новый этап – диметиловый эфир

Если для бензинового двигателя экономичной заменой в ближайшей перспективе может стать двигатель, работающий на природном газе (или другом виде газа), то для дизеля проблема намного сложнее. Она связана с тем, что конвертация дизельного двигателя на природный газ требует, в отличие от бензинового, его коренной, а потому дорогостоящей перестройки. Проще всего поэтому переводить дизель не на природный газ, а на его производную – диметиловый эфир (ДМЭ). Подобная перестройка требует лишь изменения некоторых узлов и обходится гораздо дешевле, чем перевод на природный газ. Однако это уже само по себе ограничивает круг потребителей диметилового эфира. Другими словами, он может применяться там, где много природного газа. Лидерами по разработке подобных двигателей на сегодня являются Россия, США и Япония. Однако в практическом применении нового вида топлива Россия далеко обогнала и США, и Японию.

В марте 2002 года правительство Москвы приняло решение о целевой программе использования альтернативных видов топлива на автомобильном транспорте. Одним из направлений реализации этой программы явилось использование на грузовых автомашинах диметилового эфира. Подобный шаг был вынужденным, потому что выбросы азотных соединений от дизельных двигателей грузовиков превышают нормы ПДК более чем в 2 раза. Диметиловый эфир используется как раз на грузовом транспорте, потому что дизельный двигатель по своей конструкции наиболее отвечает применению именно этого вида альтернативного топлива – его просто не надо существенно переделывать. Проблема состоит в изменении конструкции топливной аппаратуры. И через 2 года примерно 30 «бычков» стали бороздить московские улицы на ДМЭ. По мнению эксперта отдела нефтепродуктообеспечения и экологии на транспорте правительства Москвы Александра Грачева, эксперимент себя полностью оправдал и выбросы окислов азота уменьшились в 3 раза. Получилось, что «бычки» на ДМЭ сразу достигли уровня экологичности евро-3 только за счет применения нового вида топлива.

Преимущества и недостатки

Для дизельных двигателей топливом будущего в России, США и Японии считается ДМЭ, для производства которого имеется широкая сырьевая база, в том числе из возобновляемых ресурсов. Однако сегодня его в основном получают путем переработки природного газа.

На первом этапе технологического процесса природный газ в процессе реформинга преобразуется в синтез-газ. Затем синтез-газ превращается в метанол. И только потом в результате экзотермической реакции дегидратации метанола получают ДМЭ. Этот процесс предполагает небольшие капиталовложения, но зато высокую стоимость конечного продукта. Другой вариант – прямой процесс конвертации синтез-газа в метанол. Но он связан с большими инвестициями при меньшей стоимости продукта. Из сопоставления физико-химических свойств ДМЭ и дизельного топлива можно оценить его преимущества и недостатки.

Какие отличия свойств формируют преимущества ДМЭ

Прежде всего отсутствие связей «углерод–углерод» в молекуле; большое содержание кислорода; исключительно хорошее распыление при впрыскивании ДМЭ в среду с температурой выше температуры кипения ДМЭ, что ведет к эффективному сгоранию топлива; высокое цетановое число ДМЭ, снижающее период задержки воспламенения и улучшающее сгорание. Это обуславливает принципиально другой, более низкий уровень выбросов частиц и окислов азота. Во-вторых, снижение уровня шума, снижение загрязнения масла сажей с повышением надежности двигателя. Наконец, поскольку ДМЭ практически не содержит серы, то уровень выбросов ее окислов исключительно низок.

Кроме описанных выше преимуществ физико-химические свойства ДМЭ (высокое цетановое число и низкая температура кипения) обеспечивают: быстрое и качественное смесеобразование (за счет практически мгновенного испарения топлива при поступлении в цилиндр); существенное уменьшение периода задержки воспламенения; исключительно хорошие пусковые характеристики в холодное время. ДМЭ имеет более низкий уровень опасности при авариях по сравнению с сжиженным нефтяным газом, который, в свою очередь, ниже, чем у бензина. Это объясняют большей теплотой испарения ДМЭ и более высокой его концентрацией в воздухе для образования взрывоопасной смеси, чем у сжиженного нефтяного газа.

К недостаткам ДМЭ относятся меньшая теплота сгорания и меньшая плотность, что приводит к увеличению объемного расхода ДМЭ по сравнению с дизельным топливом и снижению запаса хода автомобиля, низкая кинематическая вязкость (склонность к утечкам) и очень плохие смазывающие свойства. Существует также проблема уплотнений, так как ДМЭ – сильный растворитель для большинства эластомеров. Чистый ДМЭ не вызывает коррозии, однако неизвестно, как он поведет себя при наличии примесей метанола и воды. Эти обстоятельства увеличивают стоимость доработки топливной аппаратуры для автомашин с дизельными двигателями.

Тем не менее приведенные положительные характеристики ДМЭ ставят его на одно из первых мест в списке альтернативного топлива для дизельных двигателей. Однако возникает ряд вопросов, на которые необходимо будет ответить перед тем, как отдать преимущество именно ДМЭ. Для эффективного использования этого вида топлива в автомобильных двигателях необходимо решить ряд технических задач, в частности по обеспечению ресурса, надежности, герметичности и безопасности системы питания двигателя.

Основной проблемой при переводе дизеля на ДМЭ является создание достаточно простой и надежной топливной системы. Поскольку ДМЭ при сгорании образует мало сажи и испаряется непосредственно при его подаче в цилиндр, то нет необходимости в высоком давлении впрыска. Необходимое давление впрыска составляет примерно пятую часть давления, требуемого для достижения низкого выброса твердых частиц в традиционных дизельных двигателях. Более низкое давление впрыска позволит создать более легкую и дешевую конструкцию системы впрыска.

В результате практического перевода дизельного двигателя на ДМЭ, впервые опробованного в России, были получены практически идентичные мощностные показатели дизеля по сравнению с работой на дизельном топливе. Переход на ДМЭ позволил снизить эмиссию NOx в 2 раза, а дымность отработавших газов – в среднем в 4 раза. Уровень шума снижается на 8 дБ.

Таким образом, потенциальные преимущества ДМЭ можно реализовать без существенных затрат. Нет принципиальных препятствий для создания надежной конструкции ДМЭ-автомобиля на основе существующих систем питания. Однако для эффективной реализации преимуществ ДМЭ необходимо создать монотопливный ДМЭ-автомобиль со своим рабочим процессом, своей более дешевой топливной аппаратурой.

Источник: Государственный научный центр РФ, Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт Изображение в полный размер

Источник: Государственный научный центр РФ, Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт Изображение в полный размер