ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭТАНОЛА И БУТАНОЛА В КАЧЕСТВЕ ДОБАВКИ К БЕНЗИНОВОМУ ТОПЛИВУ, ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ

Воздействие моторного топлива на окружающую среду колоссально значительно, потому как, автотранспорт является один из основных потребителей энергии и сжигает массовое количество продуктов, полученных в результате переработки нефти. Выхлопные, отработанные газы автомобильного транспорта, являются источниками негативных процессов: загрязнение атмосферы вредными и токсичными газами, образование кислотных дождей, фотохимического смога, и конечно глобальное потепление, результатом которого является газы, образующие парниковый эффект. С другой стороны, выхлопные газы являются негативными для организма человека, которые при вдыхании больших концентраций могут вызвать неблагоприятные последствия для людей [1].

В ходе эксплуатации автомобилей различной категории, оснащённые двигателями внутреннего сгорания (ДВС), вредными источниками, загрязняющие биосферу являются: отработанные, моторные газы, газы из системы Кратера, испарение рабочей смеси из систем питания. В выхлопных газах автотранспорта, содержится некоторое количество токсичного свинца, который с различными солями металлов широкого диапазона, проникает в почву, в поверхностные водоёмы, в подземные воды, который позднее поглощается растительностью, которые употребляет человек повседневно. Загрязнения водоёмов, осуществляется в процессе выпадения кислотных дождей, причиной которых является вступлению в реакцию с водой оксидов азота и углекислого газа. Также, стоит отметить, что основная угроза, которая исходит от отработанных токсичных газов – это истощение озонового слоя, который защищает нашу планету от проникновения ультрафиолетовых лучей на Землю. Эти лучи, обладают способностью вызывать большое количество заболеваний. Углеводороды, вступая в реакцию с оксидами азота, образуют так называемый околоземный или тропосферный озон, который также в незначительных концентрациях негативно отражается на здоровье людей.

Поэтому, в связи с ужесточением экологических характеристик традиционного авто-топлива, реализуются различные проекты в Азербайджане и странах СНГ, основной целью которых является снижение содержания вредных веществ в бензине и дизельном топливе, перехода на качество, соответствующее Евро стандартам. Реальной целью является сокращение в топливе различных гетерогенных примесей: содержание полициклических ароматических углеводородов, бензола, являющиеся канцерогенными веществами; содержание серы, меркаптановых соединений; замена углеводородов ароматического ряда на некоторые кислородосодержащие присадки, алкилаты, изомеризаты. В 2011 году, в США были введены новые нормативы на содержание бензола до 0,95-0,97 % об, а уже с 2016 года в силу вступили новые ограничения на содержание бензола в автомобильном бензине до 0,63% об.

В современное время, основными компонентами авто-топлива, понижающие количество отработанных, выхлопных газов являются оксигенаты. Оксигенаты – присадки, обогащённые кислородом в своих молекулярных строениях. К ним относятся: спирты (этанол, бутанол, метанол); эфиры (МТБЭ, ЭТБЭ). При добавлении оксидосодержащих добавок в топливную моторную смесь в размере 9-15 % содержание угарного газа (СО), углеводородов, уменьшается в результате полного сгорания, за счёт наличие кислорода в топливной смеси. Содержание диоксида углерода увеличивается, так данный газ является продуктом полного сгорания. Используя МТБЭ, количество оксидов азота также увеличивается на незначительное количество, концентрации которых не несут негативные последствия [2].

Основное реальное исследование проводилось для сравнения состава выхлопных газов ДВС, при использовании чистого бензина и смеси традиционного топлива, содержащего в качестве добавки – 2% мас., этанола и бутанола.

Опыты проводились на четырёхцилиндровом, четырёхтактном двигателе с водяным охлаждением автомобиля. Состав выхлопных газов определяли с помощью газоанализатора Stargas/898 [3, 4].

Смесь, состоящая из бензина и биотопливных добавок в заданной концентрации, готовили перемешиванием на центрифуге при комнатной температуре в течение 8 часового рабочего дня лаборатории, каждые 2 часа по 10-15 минут.

Смесь, содержащую 2% добавки биотоплива тестировали на стабильность и устойчивость к фазовому расслоению. Исследование проводилось при следующих условиях: температура топлива – 60⁰С, объем образца бензина – 300мл, относительная влажность – 50/55%, средняя температура внешней среды в лаборатории – 22⁰С.

Исследования проводились в две стадии:

Образец готовили следующим образом: к чистому бензину, добавляли этанол 2% масс., исследовали стабильность полученной по фазовому разделению при температуре в диапазоне 25-30⁰С. Состояние смеси контролировали визуально каждые 2 часа в течение 10 дней. Смесь бензина и бутанола исследовали по той же методике. Состав выхлопных газов контролировали по содержанию CO, HC, CO_2, NO_X. Механическое смешение смеси происходило непосредственно в топливном насосе. Состояние форсунки проверяли визуально, значительного сажевого осадка не наблюдалось.

При измерении химических компонентов выхлопных газов условия окружающей среды должны быть в следующих пределах:

1. Температура окружающей среды – от минус 10 до 35⁰С;
2. Атмосферное давление – от 91,5 до 102,4 кПа (650-790 мм ртутного столба).

Предварительная подготовка к измерениям. Проверка системы, обеспечивающая сокращение токсичных выбросов автомобиля проводится визуально. В случае отсутствия фактической комплектации установленной производителем, измерения не проводятся. Перед измерением температура двигателя не должна быть меньше 60⁰С, а также следует нагреть до заданной температуры, если рабочая температура масла и охлаждающей жидкости не соответствует требованиям, указанным в ремонтном инструктаже автомобиля [5, 6].

После нагревания двигателя автомобиль готовится для измерений в следующем порядке:

1. Коробка передач скорости устанавливается на нейтральный режим;
2. Автомобиль останавливают при помощи колодок стояночного тормоза и отключают двигатель;
3. Устанавливаются сенсоры тахометра и датчика, определяющего температуру масла двигателя;
4. Вводят пробоотборный зонд газоанализатора в выпускную трубу автомобиля на глубину не менее 300 мм от наиболее заглубленной точки среза трубы.

Для определения количества монооксида углерода и углеводородов автомобильных средств при работе двигателя в нейтральном положении, измерения проводятся при минимальной (n_мин) и повышенной (n_пов) частоте вращения коленчатого вала, установленные производителем [7].

Измерение выхлопных газов транспортных средств, работающих на бензине:

1. Коробка передач скорости автомобиля устанавливается на нейтральное положение;
2. Автомобиль приостанавливается посредством тормозов;
3. Двигатель отключается;
4. Открывается капот агрегата, расположенного на двигателе;
5. Устанавливается тахометр;
6. Зонд газоанализатора берущий пробу, устанавливается в поперечном сечении газовой трубы до 300 мм в глубину, (при неисправности глушителя в виде деформации, глубина рассчитывается с короткой части поперечного сечения);
7. Воздушная крышка карбюратора открывается полностью;
8. Для определения количество оборотов мотора, на выходы аккумулятора устанавливаются специальные кабеля;
9. Для измерения температуры и количества выхлопных газов на выходящую трубу глушителя устанавливают зонды, определяющие температуру и количество отработанных газов;
10. Мотор заводится; частота вращения вала мотора повышается на n число оборотов и в этом режиме продолжает оставаться в рабочем состоянии не менее 15 секунд;
11. Определяется минимальная частота вращения вала мотора и через 20 секунд минимум, измеряется количество оксида углерода и углеводородов;
12. При n число оборотов вала мотора, определяется частота вращения вала и через 30 секунд минимум, измеряется количество оксида углерода и углеводородов;
13. При минимальном количестве оборотов двигателя, полученные результаты отражаются на экране прибора и далее распечатываются на бумаге.

Методика измерения отработанных токсичных газов транспортных средств с системой нейтрализации. Перед началом измерений проверяются визуально и сбрасываются показания CO, CH, CO₂ на газо-детекторе. Измерения осуществляются в нижеуказанном порядке:

1. Заводится двигатель, нажимая на педаль управления, увеличиваем частоту вращения коленчатого вала до n_пов и двигатель работает в этом режиме в течение 2-3 минут. Стоит отметить, при температуре окружающей среды ниже 0⁰С 4-5 минут. После стабилизации параметров, определяется количество CO, CH.
2. Далее обеспечиваем минимальную частоту коленчатого вала n_мин и измеряем вновь количество оксида углерода и углеводородов. Проведение измерений при n_мин должны проводится не позднее 30 сек после режима n_пов.
3. Перед началом измерений отработанных газов автомобилей с встроенной трехкомпонентной системой нейтрализации, необходимо осуществлять проверку этой системы по диагностическому индикатору, установленного на панели приборов [8].

Измерения выхлопных газов производились при помощи газоанализатора Stargas/898.

Измерения проводились в следующем порядке:

1. Использование в качестве топлива чистого бензина марки АИ-92 без добавок;
2. Топливная смесь бензина и этанола;
3. Топливная смесь бензина и бутанола.

Результаты измерений записываются в том же порядке в нижеуказанной таблице 1.

Таблица 1 – Результаты экспериментальных измерений отработанных газов

Показатели результатов при сравнении оксидосодержащих добавок представлены в следующей таблице 2.

Таблица 2 – Сравнение показателей выхлопных газов смеси бензина с добавкой этанола и смеси бензина с н-бутанолом

Выводы

Снижение выбросов СO, HC NO объясняется большим содержанием кислорода в топливной смеси за счет кислородосодержащих добавок, таких как этанол и бутанол, которые способствуют более полному сгоранию. Отсюда следует увеличение выбросов СO₂ за счет полного сгорания образующегося оксида углерода CO [9].

Также стоит отметить, что на выхлопные газы автомобильных средств влияют целый ряд технических неисправностей самих транспортных средств.

1. Соломин В.А., Шабанов А.В., Шабанов А.А., Килюшник В.М., Младенский А.В. Анализ методов и средств экологического контроля выбросов вредных веществ отработавших газов автомобилей // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. — 2016. — № 4(30). — С. 82-89.
2. Williams PRD. Risk-benefit analysis of ethanol fuel blends in the U.S. Int Sugar J 2004;106(1263):151–66.
3. Da Silva MLB, Alvarez PJJ. Effects of ethanol versus MTBE on benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene natural attenuation in aquifer columns. J Environ., Eng—ASCE 2002;128(9):862–7.
4. Г.С. Яицких, П.А. Вахрушин, К.Э.Колесников. – Сравнение экологических показателей всех видов авто-топлива – http://chemtech.ru/eshhe-raz-pro-gaz/.
5. Tami, C. Bond Climate Science and Major Sources / C. Tami // U.S. EPA Region 9 –Black Carbon Symposium. – November 14, 2012.
6. Данилов А.М. Применение присадок в топливах. М., Мир, 2005. – 288 с.
7. Анализатор газов для контроля промышленных и транспортных выбросов, “STARGAS-898”. Общие технические условия – 2010 г.
8. ГОСТ Р 51866-2002. Топлива моторные. Бензин неэтилированный. Технические условия.
9. Ложкин В.Н., Шкрабак В.С. Автомобильный транспорт как источник загрязнения окружающей природной среды. СПб.: Изд. НПК «Атмосфера», 2004. – 307с.

Все статьи автора «Aygun»