Диметиловый эфир (Часть 1)
Надежды конструкторов, водителей и экологов

В. Васильев

Главной причиной ухудшающейся с каждым годом экологической ситуации в нашей стране, особенно в городах, стал неуклонный рост численности автомобильного парка. В настоящее время лишь в России он составляет 37 млн. ед., из которых на долю грузовиков и автобусов приходится около 6 млн. К 2010 г., по оценке экспертов, табун стальных «лошадей» увеличится еще в полтора раза. За этими цифрами кроются серьезные общегосударственные проблемы. Функционирование автотранспорта дает до 95% загрязнений воздуха, почти половину издаваемого шума и около 70% вредных воздействий на климат планеты. Ежегодно на жителей России обрушивается порядка 15 млн. т токсичных веществ, изрыгаемых выхлопными трубами автомобилей. Экологи не зря бьют тревогу. В масштабах страны доля автотранспорта в суммарных выбросах загрязняющих веществ в атмосферу всеми техногенными источниками достигает в среднем 40%, в выбросах парниковых газов – порядка 10%, в массе промышленных отходов – 2%, в сбросах вредных веществ со сточными водами – около 3%, в потреблении озоноразрушающих веществ – около 5%.

В некоторых российских мегаполисах, таких как Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Самара, Екатеринбург, загрязнение воздушного бассейна достигло критического уровня и стало главной причиной высокой заболеваемости, низкой продолжительности жизни и деградации окружающей природы. Не случайно проблема загрязнения атмосферы приобрела серьезную социальную и политическую окраску. Не лишним будет добавить, что прямой ущерб от работы автотранспортного комплекса России составляет свыше 4 млрд. USD в год, или около 2% валового национального продукта государства. Факты, как видим, совсем нерадостные.

Такая ситуация требует адекватных мер, и одна из наиболее действенных – применение альтернативных экологически более чистых видов моторного топлива и источников энергии, гибридных силовых установок автомобилей и автобусов. Это наиболее эффективный путь снизить негативное влияние автомобиля на экологию окружающей среды. Активно работают в этом направлении сегодня во многих развитых странах. Ведущие мировые автомобильные концерны инвестируют миллиарды в развитие транспорта и технологий альтернативного моторного топлива и источников энергии.

Вообще топливо для автотранспорта можно рассматривать как альтернативное при выполнении нескольких условий. Первое – это наличие и доступность сырьевых ресурсов, в будущем предпочтение будет отдаваться топливу, вырабатываемому из возобновляемых источников энергии. Второе – технология и оборудование для производства топлива в коммерческих объемах должны обеспечивать максимально низкую его стоимость, в том числе в процессе транспортировки, хранения и распределения. Третье. Топливо должно обеспечить автомобилю высокие потребительские качества, в частности, речь идет о мощностных и экономических параметрах двигателя. Четвертое – топливо должно быть экологически безопасным при производстве, транспортировке, хранении, заправке и при сжигании в двигателях.

В России наиболее предпочтительным представляется частичное замещение традиционных видов моторного топлива синтетическими жидкими углеводородами, получаемыми из природного газа, в силу низкой себестоимости и практической неограниченности их ресурсов в стране.

Из числа видов перспективного топлива для двигателей внутреннего сгорания особого внимания заслуживает химически инертный диметиловый эфир CH₃-O-CH₃ (ДМЭ), который удовлетворяет перечисленным требованиям. В настоящее время это единственное синтетическое топливо, которое обеспечит полную замену традиционного дизельного. Интерес к диметиловому эфиру объясняется и тем, что в последние годы отечественная химическая промышленность разработала новые технологии его получения из метана. Достижения московских нефтехимических научно-исследовательских институтов и предприятий позволяют впервые в стране приступить к целенаправленным работам по практическому внедрению диметилового эфира в качестве альтернативы дизельному топливу и начать эксплуатацию дизельного автотранспорта на этом экологически чистом виде топлива. Для заправки транспортных средств может применяться автогазозаправочное оборудование и газозаправочные комплексы, используемые для заправки автомобилей пропан-бутаном.

ДМЭ известен достаточно давно, но раньше его применяли лишь в парфюмерии для создания давления в баллонах с лаками и дезодорантами. Там он заменил вредные газы – фреоны, бутан и пропан. Использовался диметиловый эфир также как хладагент и растворитель. В последнее десятилетие XX века австрийские, датские и американские исследователи предложили использовать ДМЭ в качестве альтернативы дизельному топливу. Сегодня общественный транспорт Швеции и Дании полностью переведен на ДМЭ. Аналогичные мероприятия в сфере грузового автотранспорта проводит Япония. Согласно прогнозам аналитиков, через 15...20 лет весь тяжелый и среднетоннажный автотранспорт в мире полностью переведут на ДМЭ.

Диметиловый эфир производится из природного газа, угля или биотоплива. Это производная метанола, которая получается в процессе преобразования газа в жидкое состояние. Сегодня в мире потребление диметилового эфира составляет около 150 тыс. т в год. Существует два типа ДМЭ: высший сорт – содержание диметилового эфира не менее 99,5%, используется в парфюмерии, а в качестве моторного топлива применяется низший сорт – содержание ДМЭ на уровне 95%.

Исследования показывают, что применение диметилового эфира в качестве моторного топлива для дизелей становится поводом для весьма оптимистичных прогнозов. Действительно, у ДМЭ есть ряд преимуществ по сравнению с дизельным топливом и другими альтернативными видами топлива. Он является газообразным. В нормальных условиях это газ, и его молекулы не имеют химических связей углерод–углерод, что исключает образование в пламени радикалов С₂, способствующих сажеобразованию при сгорании. При этом снимется главная проблема дизеля – карбонизация значительной части топлива с последующим замедлением скорости выгорания дисперсного углерода. К благоприятным физико-химическим параметрам ДМЭ относят повышенную испаряемость, что снижает требования к дисперсности распыления, позволяет понизить давление впрыска и обеспечивает хорошее смесеобразование. Отличная самовоспламеняемость в дизельном двигателе (у ДМЭ цетановое число ЦЧ=55...60 по сравнению с ЦЧ=45...50 для дизельного топлива) улучшает пусковые качества и способствует «мягкому» сгоранию. Высокое содержание в ДМЭ связанного кислорода (35%) повышает равномерность распределения в камере сгорания, препятствуя образованию NOх, наиболее агрессивного компонента дизельного топлива. Использование диметилэфира – это практически полное отсутствие дымности отработавших газов и значительное снижение шума от двигателя.

Немаловажно и то, что по физическим свойствам ДМЭ подобен пропан-бутановым газам, нашедшим широкое применение в качестве альтернативного топлива для двигателей внутреннего сгорания. В частности, ДМЭ имеет близкие значения параметров насыщения: температура перехода в жидкую фазу минус 25°C (у пропана – минус 50°C), давление насыщенных паров 5,1 кгс/см² (у пропана – 8 кгс/см²) при температуре 20°С. Как пропан и бутан, ДМЭ следует хранить в сжиженном состоянии в газовом баллоне под давлением. Технология работы со сжиженными газами достаточно хорошо отработана, поэтому упомянутое свойство диметилового эфира не является препятствием для его практического применения.

Результаты испытаний дизелей, работающих на диметиловом эфире, показали реальную возможность значительно снизить уровень вредных выбросов отработавших газов. Так, в 3...4 раза отмечено снижение окислов азота NO_х при практически бездымной работе двигателя на всех режимах. Кроме того, при работе на ДМЭ выявлено сохранение, а на некоторых режимах и улучшение до 5% экономичности дизеля, повышение его эффективного к.п.д. по сравнению с работой на дизельном топливе.

Основным недостатком ДМЭ является малая кинематическая вязкость (на порядок меньше, чем дизельного топлива), в результате чего затрудняется герметизация подвижных узлов уплотнения топливной аппаратуры, а также повышается склонность к задирам прецизионных трущихся пар. По сравнению со сжиженным природным газом теплотворная способность на тонну диметилэфира на 45% ниже теплотворности на тонну сжиженного природного газа. Для производства диметилэфира требуется не только более высокий уровень предварительных капиталовложений, но и больший объем сырьевого газа для производства продукта с эквивалентной теплотворной способностью. Для снижения выбросов СО и СН необходимо предусмотреть дополнительные меры конструкционного характера.

Адаптация обычных дизелей для работы на диметиловом эфире заключается в модернизации существующей топливоподающей аппаратуры. Поскольку плотность ДМЭ на 20%, а удельная массовая теплотворность на 32% ниже, чем дизельного топлива, для сохранения энергоемкости объемная подача ДМЭ в цилиндры двигателя должна быть значительно большей (объемная теплотворная способность ДМЭ составляет 18,2 МДж/л). Для устранения склонности к задирам прецизионных трущихся пар в конструкции топливоподающей аппаратуры принимаются специальные меры, например, подвод к плунжерным парам масла под давлением с целью их уплотнения, а также подмешивание к ДМЭ специальной противозадирной присадки. По зарубежным данным, этот компонент способствует увеличению кинематической вязкости ДМЭ до уровня дизельного топлива.

Поскольку при течении по тракту топливной аппаратуры значение локальной скорости может возрастать до 100 м/с (например, при истечении топлива отсечки из плунжерных пар топливного насоса), из-за снижения локального статического давления в потоке может происходить вскипание ДМЭ, образование паровых пробок и запирание топливной аппаратуры. Поэтому давление на входе в топливный насос высокого давления (ТНВД) должно быть повышено. Наряду с этим вводятся элементы безопасности, топливные баки заменяют баллонами низкого давления, по конструкции аналогичными тем, что применяют на автомобилях, работающих на сжиженном нефтяном газе, или устанавливают дополнительные баллоны с диметиловым эфиром.