Октановое число спирта


Спирт для бензобака. Коллекция фактов

Китайские ученые применили технологию CRISPR для внедрения мутации устойчивости к ВИЧ в эмбрионы человека. Их работа, в которой метод CRISPR использовался на нежизнеспособных эмбрионах, является уже вторым исследованием, в котором метод генного...

Page 2

Персонализированная медицина возведена в крайнюю степень: противораковые вакцины создаются для каждого пациента в соответствии со специфическими мутациями его опухоли. Первые клинические испытания позволяют надеяться, что крайность однажды станет рутиной, но только если разработчики лекарств смогут увеличить и ускорить производство препаратов по индивидуальному заказу.

Создание индивидуальных противоопухолевых вакцин стало центральной темой на ежегодной встрече Американской Ассоциации Исследования Рака (American Association for Cancer Research, AACR) в Луизиане (США) 16-20 апреля 2016 г. Исследователи представили первые результаты клинических испытаний, позволяющие предположить, что персонализированные вакцины могут запускать иммунный ответ против опухолевых клеток. Инвесторы с оптимизмом смотрят на перенос результатов в практическую медицину на благо пациентов: за последний год венчурные инвесторы вкладывали деньги в биотехнологические стартапы, развивающие это направление.

Однако некоторые исследователи обеспокоены, что ажиотаж слишком велик, поскольку на пути к внедрению метода в клинику еще множество технических проблем.

Таргетная практика

Предложенная концепция вакцин для лечения рака неподдельно привлекательна. Некоторые белки опухоли мутантны или отличаются уровнем экспрессии от нормальных тканей. Это повышает вероятность того, что иммунная система может распознавать такие белки как чужеродные, особенно если их присутствие было предупреждено вакциной, содержащей фрагменты мутантных белков. В таком случае Т-лимфоциты иммунной системы смогут разыскивать и разрушать опухолевые клетки, несущие мутантный белок.

Десятилетия исследований противораковых вакцин до сих пор приводили лишь к разочаровывающим результатам клинических испытаний, однако недавние достижения, включая ряд препаратов, способных усилить действие вакцин, возродили надежду. Кроме того, секвенирование геномов опухолей позволило выявить ошеломляющее разнообразие мутаций, приводящих к синтезу белков, которые могли бы служить «антигенами», активируя иммунную систему.

В 2015 г. исследователи сообщили, что им удалось запустить иммунный ответ у трех пациентов, страдающих меланомой, введя вакцину, созданную против их потенциального опухолевого антигена [1]. Влияние вакцин на рост опухоли еще не выяснено, но к концу 2015 г. несколько компаний заявило о намерении войти в эту область. Калифорнийский стартап Gritstone Oncology получил от инвесторов 102 млн. долларов США на разработку подхода, а Neon Therapeutics (Кэмбридж, Великобритания) – 55 млн. долларов США. Третья компания Caperna, созданная известной биотехнологической компанией Moderna Therapeutics, также находится в Кэмбридже.

Критерии онкологии

Академические исследовательские группы тоже не стоят на месте. На встрече Американской Ассоциации Исследования Рака Роберт Шрайбер (Robert Schreiber) из Вашингтонского Университета в Сент-Луисе (Washington University in St. Louis, США) рассказал о шести текущих исследованиях в его институте, касающихся различных типов рака, от меланомы до рака поджелудочной железы. Онколог-исследователь Кэтрин Ву (Catherine Wu ) из Онкологического Института Даны Фарбер (Dana-Farber Cancer Institute, США) также представила данные об исследовании меланомы, продемонстрировав признаки Т-клеточного ответа на вакцину.

Группе Ву потребовалось около 12 недель для создания вакцины, а команда из Вашингтонского Университета достигла успеха за 8 недель. Это может ограничивать лечение медленно прогрессирующих онкологических заболеваний, отмечает Ву.

Выбор меланомы многими исследователями в качестве подтверждения принципа метода лечения неслучаен. Одной из особенностей меланомы является тенденция к накоплению множества мутаций – иногда тысяч, – что дает исследователям широкую возможность выбора тех, которые могли бы служить антигенами. Некоторые исследователи обеспокоены тем, что опухоли с небольшим количеством мутаций могут не подходить для персонализированных вакцин.

Однако Шрайбер отмечает, что ученым удалось создать вакцину для пациентки с глиобластомой, которая часто несет немного мутаций. Однако в данном случае опухоль имела множество мутаций, часть из которых могла быть вызвана предыдущей противораковой терапией.

Число потенциальных антигенов может быть критично. На встрече AACR Тон Шумахер (Ton Schumacher), иммунолог из Голландского Онкологического Института (Netherlands Cancer Institute), отметил, что многие мутантные белки, найденные его исследовательской группой, не являются необходимыми для выживания опухоли. В результате опухоль может оставаться недоброкачественной, но станет устойчива к вакцине, если белки, использованные для создания вакцины, снова мутируют. «Нам необходимо атаковать опухоли со множества разных сторон», – заявляет исследователь.

Исследователи тестируют персонализированные вакцины для лечения меланомы. (фото: Steve Gschmeissner/Science Photo Library)

По материалам NatureNews

Оригинальная статья: Nature doi:10.1038/nature.2016.19801

Литература:1. Carreno, B. M. et al. Science 348, 803–808 (2015).

Page 3

Одна из крупнейших в мире фармацевтических компаний AstraZeneca запустила крупный проект, целью которого является компиляция геномных и медицинских данных, которые будут получены у двух миллионов человек в течение следующего десятилетия. Благодаря этому AstraZeneca и ее сотрудники надеются выявить редкие генетические варианты, ассоциированные с развитием заболеваний человека и ответом его организма на проводимое лечение.

По словам Рут Мач (Ruth March), вице-президента и руководителя области персонализированной медицины в компании AstraZeneca, это – беспрецедентное число участников для подобных исследований. «Но это – необходимое условие, поскольку мы будем искать очень редкие различия между отдельными людьми», – говорит Мач.

Для достижения этой амбициозной цели компания AstraZeneca будет сотрудничать с научно-исследовательскими институтами, включая Институт Сангера Wellcome Trust (Wellcome Trust Sanger Institute, Великобритания) и биотехнологическую компанию Human Longevity (США), основанную в Сан-Диего пионером в области геномики Крейгом Вентером (Craig Venter). Компания AstraZeneca также надеется получить данные от 500 тыс. пациентов, которые участвуют в клинических испытаниях, проводимых компанией, а также результаты исследования медицинских образцов, накопленных ею в течение 15 лет.

AstraZeneca следует главному тренду в области генетических исследований. На протяжении многих лет генетики изучали распространенные варианты последовательности ДНК человека, ассоциированные с развитием комплексных заболеваний, таких как сахарный диабет и сердечно-сосудистые заболевания. Данный подход позволил получить важные сведения, но выявленные распространенные варианты часто вносят лишь небольшой генетический вклад в развитие заболеваний у отдельных людей.

В настоящее время исследователи все больше внимания уделяют вкладу редких генетических вариантов в развитие заболеваний. По словам Вентера, комбинации этих вариантов могут содержать ключ к уникальным характеристикам человека.

По словам Аарно Палоти (Aarno Palotie), руководителя программы геномики человека в Институте Молекулярной Медицины Финляндии (Institute for Molecular Medicine Finland), поиск важнейших редких вариантов привел к сотрудничеству компании AstraZeneca с институтом, в котором он работает. По словам ученого, поскольку до недавнего времени население Финляндии было географически изолировано, оно обладает уникальными генетическими характеристиками. В результате распространенность некоторых вариантов, которые очень редко встречаются в других популяциях, может быть выше в Финляндии, что облегчает их выявление и исследование.

«Знакомая дорога»

Компания AstraZeneca не раскрывает сумму, которую планируется инвестировать в этот проект. По словам Менеласа Пангалоса (Menelas Pangalos), исполнительного вице-президента по программе инновационных лекарственных препаратов компании, в течение десяти лет компания выделит на исследования «сотни миллионов долларов». По словам Мач, компания намерена использовать эти данные при разработке лекарственных препаратов, направленных на борьбу со всеми основными заболеваниями человека, начиная от сахарного диабета и воспалительных заболеваний и заканчивая раком.

По словам Дэвида Гольдштейна (David Goldstein), исследующего генетику человека в Колумбийском Университете в Нью-Йорке (Columbia University in the City of New-York, США), советника AstraZeneca, это – не первый случай, когда крупная фармацевтическая компания выделяет огромные деньги на исследования в области геномики в надежде повысить эффективность разработки лекарственных препаратов. «Специалисты в области геномики на протяжении десятилетий обещали, что геномика изменит принцип разработки и применения лекарственных препаратов», – говорит ученый.

По мнению Гольдштейна, прошлые попытки часто заканчивались разочарованием, но теперь ситуация изменилась. Сейчас можно провести секвенирование генома как никогда дешево и быстро, а исследователи вооружены лучшими инструментами биоинформатики для интерпретации полученных данных. Достижения в области биологии стволовых клеток и методов редактирования генома, например, CRISPR-cas9, упрощают работу исследователей, позволяя им определить, каким образом конкретные изменения в последовательности ДНК влияют на живые клетки.

В результате реализации этого проекта будет получено около 5 петабайт данных. По словам Пангалоса, если разместить 5 петабайт данных на DVD, то это в четыре раза превысит высоту небоскреба Шард в Лондоне, высота которого 310 м. «Если поместить эти данные в iPod, то, чтобы прослушать их, нужно потратить около 5 тыс. лет», – комментирует он.

Уточненные прогнозы

Большая часть данных будет поступать из компании Human Longevity. Компания, которая, в конечном счете, планирует получить данные о геномах 10 млн. человек, уже завершила исследование 26 тыс. геномов вместе с анализом медицинских записей участников проекта. В базах данных компании также содержатся дополнительные частичные сведения о последовательностях генома. «В среднем каждые 15 минут мы добавляем в базу данных один клинический случай», – говорит Вентер.

По словам Вентера, теперь сотрудники его компании, используя только сведения о последовательности ДНК человека, могут предсказать его рост, вес, цвет глаз и цвет волос, а также приблизительно нарисовать, как будет выглядеть его лицо. Базы данных компании Human Longevity хранятся с соблюдением беспрецедентного уровня безопасности.

По материалам NatureNews

Оригинальная статья: Nature doi:10.1038/nature.2016.19797

Page 4

Китайские ученые применили технологию CRISPR для внедрения мутации устойчивости к ВИЧ в эмбрионы человека. Их работа [1], в которой метод CRISPR использовался на нежизнеспособных эмбрионах, уничтоженных на третий день, является уже вторым исследованием, в котором метод генного редактирования применялся на человеческих эмбрионах.

В апреле 2015 г. другая научная группа из Китая заявила о модификации гена, связанного с талассемией (заболеванием крови), у эмбрионов человека, которые также были нежизнеспособны и не могли привести к рождению человека [2]. То сообщение, ставшее первым в мире, разожгло международные споры об этике модификации эмбрионов и репродуктивных клеток человека и привело к призывам на запрет даже экспериментальных исследований.

В то же время появилась информация, что и другие исследовательские группы проводят подобные эксперименты. Один из источников в Китае сообщил новостной редакции журнала Nature, что ряд статей подан на публикацию. Последняя статья, опубликованная 6 апреля в Journal of Assisted Reproduction and Genetics, может быть одной из них.

Устойчивость к ВИЧ

В новой публикации Йонг Фан (Yong Fan), сотрудник Медицинского Университета Гуанчжоу (Guangzhou Medical University, Китай), и его научная группа сообщают, что они получили 213 оплодотворенных яйцеклеток человека за период с апреля по сентябрь 2014 г. Оплодотворенные яйцеклетки, предоставленные 87 пациентками, были непригодны для имплантации в ходе цикла вспомогательной репродукции из-за содержания дополнительного набора хромосом.

Группа Фан использовала метод генетического редактирования CRISPR–Cas9 для внедрения в некоторые эмбрионы мутации гена CCR5, активного в иммунных клетках. У некоторых людей эта мутация (CCR5Δ32) встречается естественным образом и обеспечивает устойчивость к ВИЧ из-за изменения белка CCR5, что предотвращает проникновение вируса в Т-лимфоциты при попытке инфекции.

Генетический анализ показал, что 4 из 26 эмбрионов были успешно модифицированы. Однако не все хромосомы этих эмбрионов несли мутацию CCR5Δ32: в некоторых остался немодифицированный ген CCR5, а другие несли иные мутации.

Джордж Дэли (George Daley), специалист по стволовым клеткам Бостонской Детской Больницы (Children’s Hospital Boston, США), считает, что основным достижением работы является факт использования CRISPR для успешного внедрения конкретной генетической модификации.

«Эта статья не выглядит так, будто она предлагает анекдотичное доказательство работы метода на эмбрионах человека, что нам уже известно. Сейчас, конечно, далеко до намеченной цели – человеческого эмбриона, в котором все копии CCR5 инактивированы», – говорит Дэли.

«Это лишь подчеркивает, что точное редактирование клеток эмбриона человека сопровождается множеством технических сложностей», – комментирует Сяо-Джан Ли (Xiao-Jiang Li), нейробиолог из Университета Эмори (Emory University, США). Он считает, что исследователям следует поработать над этой проблемой на нечеловекообразных обезьянах, прежде чем продолжать модифицировать геномы человеческих эмбрионов, используя такой метод как CRISPR.

Этика экспериментов

Тетсуйя Ишии (Tetsuya Ishii), специалист по биоэтике Университета Хоккайдо (Hokkaido University, Япония), не видит проблем со способом проведения экспериментов: местный этический комитет одобрил их, а доноры яйцеклеток дали информированное согласие – однако он задается вопросом насчет необходимости таких экспериментов. «Внедрение мутации CCR5Δ32 и попытка исправления даже нежизнеспособных эмбрионов – это лишь игра с эмбрионами человека», – говорит Ишии.

Группа Фана сообщает в публикации, что важно проводить эксперименты, подтверждающие принцип редактирования эмбрионов человека, а легальные аспекты модификации зародышевых клеток обсуждаемы. «Мы полагаем, что любая попытка создания генетически модифицированных людей путем модификации эмбрионов на ранней стадии должна быть строго запрещена до тех пор, пока мы не сможем решить этические и научные вопросы», – пишут исследователи.

По мнению Дэли, существует очевидная разница между работой Фана и исследованием, одобренным в феврале 2016 г. британскими контролирующими органами, позволившими использовать метод CRISPR для редактирования эмбрионов человека. В тех экспериментах, выполняемых под руководством специалиста по биологии развития Кэти Ниакан (Kathy Niakan) из Института Френсиса Крика (Francis Crick Institute, Великобритания ) для исследования причин прерывания беременности, будут инактивированы гены, участвующие в раннем развитии человека. (Такая работа будет проведена на жизнеспособных эмбрионах, однако, условия требуют остановки экспериментов через 14 дней).

Ранее в этом году специалист по биологии развития Робин Лавелл-Бэдж (Robin Lovell-Badge), также являющийся сотрудником Института Френсиса Крика, сообщил Nature, что, по его мнению, тщательно рассмотренное британскими контролирующими органами одобрение может подтолкнуть других ученых, заинтересованных в продвижении исследований по редактированию эмбрионов. «Если они делают это в Китае, вскоре мы сможем увидеть появление множества публикаций», – говорит ученый.

В то время как работа Ниакан отвечает на фундаментальные вопросы эмбриологии, работа Фана является доказательством принципа того, что необходимо сделать для получения организма с устойчивостью к ВИЧ, отмечает Дэли. «Это означает, что наука движется вперед, не ожидая общего соглашения после споров о медицинской оправданности такого подхода», – поясняет ученый.

Ученые редактировали эмбрионы человека на ранней стадии. (фото: Yorgos Nikas/SPL)

По материалам NatureNews

Оригинальная статья: Nature doi:10.1038/nature.2016.19718

Литература:1. Kang, X. et al. J. Assist. Reprod. Genet. http://dx.doi.org/10.1007/s10815-016-0710-8 (2016).2. Liang, P. et al. Protein Cell 6, 363–372 (2015).

Page 5
Исследователи разрабатывают персонализированные вакцины от рака

Персонализированная медицина возведена в крайнюю степень: противораковые вакцины создаются для каждого пациента в соответствии со специфическими мутациями его опухоли. Первые клинические испытания позволяют надеяться, что крайность однажды станет рутиной, но только если разработчики лекарств смогут увеличить и ускорить производство препаратов по индивидуальному заказу.

Новый высокоэффективный метод лечения рака предстательной железы

Результаты нового исследования, продолжавшегося пять лет, показали, что метод стереотаксической лучевой терапии тела (SBRT) представляет собой высоко эффективный метод лечения рака предстательной железы.

Одна из крупнейших в мире фармацевтических компаний AstraZeneca запустила крупный проект, целью которого является компиляция геномных и медицинских данных, которые будут получены у двух миллионов человек в течение следующего десятилетия. Благодаря этому AstraZeneca и ее сотрудники надеются выявить редкие генетические варианты, ассоциированные с развитием заболеваний человека и ответом его организма на проводимое лечение.

Опухолевые клетки нередко изобретают способ выживания даже при токсичной химиотерапии. Исследовательская группа, возглавляемая учеными из Медицинского центра Beth Israel Deaconess Medical Center (BIDMC, США), обнаружила метод воздействия на процесс, который опухолевые клетки используют для избегания действия стандартных противораковых препаратов.

Новый метод снизит накопление дефектного белка при болезни Хантингтона

Исследование, результаты которого опубликованы в журнале Neuron, предлагает новый метод борьбы с повреждениями, возникающими при болезни Хантингтона.

Новая стратегия лечения повреждений центральной нервной системы

Нейробиологи из Калифорнийского Университета Сан-Диего (США) продемонстрировали, как молекулярные сигналы, которые руководят развитием нервной системы, можно использовать для восстановления после травматического повреждения.

Уникальный анализ крови позволяет оценить степень фиброза печени

Ученые и врачи из Университета Ньюкасла (Великобритания) разработали новый метод генетического анализа крови, который диагностирует фиброз печени еще до появления первых признаков заболевания.

Технологию CRISPR можно использовать для создания устойчивости к ВИЧ

Китайские ученые применили технологию CRISPR для внедрения мутации устойчивости к ВИЧ в эмбрионы человека. Их работа, в которой метод CRISPR использовался на нежизнеспособных эмбрионах, является уже вторым исследованием, в котором метод генного редактирования применялся на человеческих эмбрионах.

Терапия стволовыми клетками не несет риска развития рака

Результаты исследования, полученные учеными из Wellcome Trust Sanger Institute (Великобритания), показали, что терапевтические стволовые клетки можно получить без генетических изменений, связанных с риском развития рака. Полученные данные помогут создать методы регенеративной терапии на основе применения индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) – клеток, получаемых путем репрограммирования здоровых клеток организма в стволовое состояние.

ВИЧ может формировать устойчивость к системе редактирования CRISPR/Cas9

Метод генетического редактирования CRISPR/Cas9 после небольшой доработки можно использовать в качестве эффективного противовирусного средства, сообщается в исследовании, результаты которого опубликованы в журнале Cell Reports.

Применение спирта в ДВС с искровым зажиганием

Этанол в качестве топлива для ДВС использовали ещё в 1876 году. Это изобретение впервые применил Николаус Отто для четырехтактного двигателя, а в 1908 году некий Генри Форд предложил первую «жестянку Лиззи» - Ford T двигатель которого работал на этаноле, бензине и их смеси.

Спирт (этиловый или метиловый) имеет ряд преимуществ перед бензином. Одно из них -- высокое октановое число и более широкие пределы обеднения горючей смеси, что дает возможность улучшить экономичность и снизить токсичность автомобильных двигателей. К тому же спирт считается возобновляемым источником энергии. Этанол добывают из соломы, кукурузных кочерыжек, сахарной свеклы или тростника, древесины, древесных опилок и т.д. Наиболее экономичное сырье для получения метанола -- природный газ.

Начало массового использования бензинов, содержащих 5-10 % этанола (газохол), 15 % этанола (Е15) и 22 % этанола относится в 1980-м г.г., когда в Бразилии, США, Швеции, Голландии, Франции, Канаде и Колумбии автомобили стали заправлять этим видом топлива. Проведены исследования по использованию в бензиновых двигателях смеси Е85 (85 % этанола) [79,108,124,133,226,283]. Наиболее широкое использование этанола отмечено в Бразилии, где нет нефти, но имеется возможность производства этанола из сахарного тростника [70,102,154,235,254].

Этанол обладает высоким октановым числом и в некоторых странах широко применяется в качестве моторного топлива на транспорте. Так, Бразилия в период с 70-х по 90-е годы прошлого столетия ежедневно замещала этанолом до 250 тыс. баррелей импортируемой нефти. Начиная с 1976 г. в этой стране этанолом было замещено около 140 млрд. л бензина, что дало экономический эффект в размере 50 млрд. долл. США. В 90-х г.г. в Бразилии чистый этанол в качестве моторного топлива использовали в более 7 млн. автомобилей и еще в 9 млн. транспортных средств - его смесь с бензином (газохол) [20,183]. Однако в последние годы наметился спад в использовании этанола как моторного топлива.

Вторым мировым лидером по широкомасштабному использованию этанола для нужд автотранспорта является США, где для производства 3,8 млрд. литров этанола в год собирают урожай технических культур с 2 млн. га [20]. В 1994 г. производство этанола оценивалось в 5,3 млрд. л и дополнительно строились новые предприятия для его производства в размере еще 900 млн. л в год. Этанол используется как «экологически чистое» топливо в 21 штате, а этанол-бензиновая смесь составляет 10% топливного рынка США и используется более чем в 100 млн. двигателей. Стоимость этанола до недавнего времени была выше стоимости бензина. Однако, по некоторым оценкам, этанол становится конкурентноспособным при цене нефти в 60 долл. США за баррель [20]. В связи с этим, а также с учетом налоговых льгот на продажу этанола для автотранспорта, действующих в ряде стран, вновь возрос интерес к использованию этанола в качестве моторного топлива.

Приведенные данные свидетельствуют о перспективности использования спиртовых топлив в двигателях с принудительным воспламенением. Следует, однако, отметить, что сжигание спиртовых топлив, причем с лучшей топливной экономичностью, возможно и в дизелях [9,90]. Из данных, приведенных на рис. 4 следует, что дизельные двигатели с неразделенными КС, работающие на метаноле и этаноле, имеют термический КПД зt на 20-35 % выше, чем бензиновые двигатели [255].

Рис. 4 Относительная термическая эффективность использования нефтяных топлив и спирта в бензиновых и дизельных двигателях: - относительный термический КПД (за единицу принят термический КПД бензинового двигателя со степенью сжатия е=8)

Широкое распространение спиртовые топлива получили в Бразилии, Аргентине, Чили, на Кубе, в США, Германии, Франции. Например, около четверти бразильских автомобилей ездят на этиловом спирте, вырабатываемом из сахарного тростника. Используют спирт и североамериканские автолюбители. В штате Миннесота продают бензин Е85, состоящий на 85% из этанола, получаемого из кукурузы. Однако переход на спирт связан как с экономическими (в производстве он вдвое дороже бензина), так и с чисто техническими проблемами: в автомобиле может понадобится кардинально перенастраивать топливную систему.

В 1998 г. в США произведено около 12,5 млрд. л самого массового оксигената - метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ), производимого из метанола. При этом бензин с МТБЭ составляет примерно 30% от всего объема продаж бензина в США [20]. В результате в настоящее время МТБЭ замещает в США большее количество бензина и сырой нефти, чем все другие альтернативные топлива вместе взятые. В России использование метанола в качестве моторного топлива сдерживается его сравнительно высокой стоимостью (500 долл. США за 1 т) [20].

В последнее время в качестве одного из наиболее перспективных топлив для дизелей рассматривается биоэтанол, что объясняется возможностью перевода дизелей на топлива из возобновляемых источников энергии и снижения парникового эффекта [223,231,232,235,238,288]. Проведены многочисленные исследования особенностей его сгорания в КС дизелей, показателей токсичности ОГ дизелей, работающих на этом виде топлива [107,113,165,194,210,237,263]. Положительными качествами этанола являются простота его получения из возобновляемых ресурсов: для получения биоэтанола используются сахарный тростник, сахарная свекла, кукуруза, зерновые, картофель, древесина, биомасса [61,126,140,152,192,279].

Использование кислородсодержащих (спиртовых) добавок в моторном топливе во многих странах заложено в государственные программы улучшения экологической обстановки и использования в производственном цикле возобновляемых источников сырья. Например, в Бразилии используется ежегодно 500 млн, а в США -- до 250 млн декалитров этанола. При этом в латиноамериканской стране наибольшее распространение получило топливо, содержащее 20%, а в США -- 10% этанола.

Одним из наиболее перспективных спиртовых топлив для дизелей является метанол [12,14,200]. Его производство возможно практически из любого сырья, содержащего углерод, но наибольшее количество метанола производится в России из природного газа (в 1986 г. - 87%, в 2000 г. - 96%) [34]. Для производства метанола имеются обширные сырьевые ресурсы, его стоимость по сравнению с другими альтернативными топливами сравнительно невысока. Кроме того, метанол как топливо для дизелей позволяет решить проблему снижения выбросов оксидов азота и, особенно, твердых частиц [185,246,281,289]. Это объясняется тем, что при сгорании метанола не выделяются промежуточные продукты, из которых затем образуются ароматические и ацетиленовые углеводороды, которые способствуют зарождению и росту сажевых частиц. В продуктах сгорания метанола практически нет и сернистых соединений.

Метанол может смешиваться с бензином в любых пропорциях и служить основой для эфирной добавки - метилтретбутилового эфира (МТБЭ). Исследованию работы бензиновых двигателей на смесях бензина с метанолом (М15 - 15 % метанола, М85 - 85 % метанола и др.), а также на чистом метаноле (М100) проведены крупнейшими американскими и европейскими двигателестроительными фирмами - Ford, General Motors, Pontiac, Chrysler, Mercedes-Benz, Volkswagen, Fiat, Chevrolet, Volvo, [73, 74, 141, 144, 162, 188, 219, 230]. В Японии работы в данном направлении проведены фирмами Mitsubishi, Honda, Toyota, Hyundai, Hino Motors [141,156,178,212,216]. Положительные качества метанола - возможность его получения из любого углеводородного сырья (природный газ, уголь, отходы городского мусора, биомасса и др.) и низкая пожароопасность, а недостаток - его высокая токсичность [86,268].

Не отстают в использовании биодобавок к топливу и наши бывшие союзные республики. Правительство Украины в 2000 году приняло программу «Этанол», предусматривающую выпуск кислородсодержащей добавки к бензинам на базе этанола, получаемого из сельскохозяйственного сырья. Экспорт такого горючего в европейские страны позволил получить нашему соседу, по неофициальным данным, только за вторую половину прошлого года прибыль в размере $2,5 млн.

Работы в этом направлении ведутся и в России. К примеру, почти на всех целлюлозно-бумажных предприятиях Карелии производят спирт (биоэтанол), который можно использовать со специальными добавками в дизелях. По данным экспертов республики, работа транспорта на нем в районах лесоразработок, удаленных от городов, экономически выгоднее, чем с применением нефтяных топлив.

Использование спирта в ДВС рассматривается с двух позиций:

  • · Как присадка повышающая октановое число бензиновой смеси.
  • · Как заменитель бензина.

Применение различных спиртов для повышения октанового числа бензинов приведено в таблице 3 в виде процентной добавки к базовому бензину для повышения октанового числа на единицу.

Таблица 3 Концентрация спирта для повышения октанового числа бензина на единицу, % масс

Спирт

Эталонное топливо с октановым числом

70 ед.

92 ед.

66,7 ед.

Метанол

1,19

2,00

2,46

Этанол

1,07

1,44

1,64

Пропанол-1

1,25

2,00

2,14

Пропанол-2

1,24

1,88

--

Бутанол

2,00

5,29

4,11

Изобутанол

1,72

4,11

--

Пентанол

6,77

Снижает октановое число

--

Изопентанол

4,40

5,87

--

Page 2

Возможные способы подачи спиртового топлива в цилиндры дизельного двигателя представлены на рис. 8 [22,31]. Подача метанола и этанола в дизель возможна несколькими способами: они могут впрыскиваться в чистом виде или в смеси с дизельным топливом в непосредственно цилиндры, подаваться во впускной трубопровод в жидкой фазе или в виде пара [44,50,59,66,117,225,284]. Непосредственное впрыскивание спирта в КС может осуществляться с помощью штатного ТНВД дизеля. Используется также непосредственная подача спирта в КС в виде эмульсии с дизельным топливом. Эффективными являются системы с раздельным впрыскиванием спирта и запальной дозы дизельного топлива в цилиндры дизеля.

Рис. 8 Способы подачи спирта в двигатель

При организации процесса сгорания спиртов в цилиндрах дизеля возникает проблема их воспламенения, поскольку спиртовые топлива имеют низкие цетановые числа. Воспламенение спиртов в условиях КС дизеля возможно с помощью дополнительно установленной свечи зажигания или накаливания. Эффективное воспламенение спиртовых топлив в дизелях достигается при подаче в КС запальной дозы дизельного топлива.

Исследовательские работы по адаптации дизелей для работы на метаноле и этаноле проведены крупнейшими двигателестроительными фирмами - Ford, General Motors, Detroit Diesel, Navistar, MAN, Daimler-Benz, Deutz, MWM, Volkswagen, Fiat, Volvo, Nissan Diesel, Mitsubishi, Isuzu, Hino Diesel, Toyota [1,80,82,93,112,130,151,153]. В СССР и России работы в данном направлении проведены в МАДИ [18,19, 35,36,47,48,53,54], НАМИ [11,12,13,50], Кировском Сельскохозяйственном институте [25-31,44,45], МИИТ [33,34], МГТУ им. Н.Э. Баумана [17], РУДН [6], Волгоградском политехническом институте [15]. Ряд исследований выполнено на Украине [10]. Рассмотрим некоторые результаты указанных исследований.

Подача спирта в двигатель в жидкой фазе

Следует отметить, что различия характеристик впрыскивания и распыливания дизельного топлива, спиртов и эфиров при их подаче в КС штатной топливной системой дизеля оказывает заметное влияние на характер протекания последующих процессов смесеобразования и сгорания [9,67,131,155,260]. Это обусловлено различиями физико-химических свойств дизельного топлива, спиртовых топлив (см. табл. 2). Для улучшения воспламенения спиртов в цилиндре дизеля применяют различные способы:

  • - используют присадки к спиртовым топливам;
  • - подают запальную порцию дизельного топлива;
  • - устанавливают дополнительную свечу накаливания;
  • - подают смесь дизельного топлива со спиртом в виде эмульсии;
  • - подают спирт в двигатель в газообразной фазе на впуске.

Использование присадки к топливу рассматривается в работе [150] где исследуются дизели фирмы Mercedes-Benz (Германия) на биоэтаноле. Испытаны автомобильные дизели моделей OM 352 и OM355/50, работающие на этаноле с присадкой TE6DN, изготовленной бразильской фирмой Britanite und Explo на основе триэтиленгликольденитрата. Эта присадка улучшает самовоспламенение этанола до требуемого уровня при ее добавке 4,5 % (об.). Результаты исследований показали, что при работе дизелей на этаноле с присадкой износы деталей одинаковы или даже ниже износов при работе на дизельном топливе. Рассмотрены методы определения самовоспламеняемости спиртовых топлив. Отмечено, что в Бразилии ведутся работы по практическому использованию спиртов, получаемых из сахарного тростника, в качестве спиртового топлива для дизелей. Отмечено также, что малый объем производства спиртов в ФРГ ограничивает исследовательские работы в этой стране в указанном направлении.

В работе [275] рассмотрена возможность перевода дизелей междугородных автобусов с дизелями фирмы Detroit Diesel на работу на метаноле с присадками, улучшающими воспламеняемость спирта и последующий процесс сгорания. Испытаны различные присадки, среди которых наилучшие результаты показала присадка Avocet, выпускаемая фирмой ICI America Inc. Определено оптимальное соотношение метанола и присадки и проведено оценочное сравнение токсичности ОГ при работе на метаноле с присадкой и на дизельном топливе. На основании результатов исследования двухтактный дизель без наддува типа 8V-71 фирмы Detroit Diesel был конвертирован на работу на метаноле. Модификация дизеля свелась к замене форсунок, повышению давления впрыскивания и изменению угла опережения впрыскивания топлива. При этом мощность дизеля возросла вследствие возможности уменьшения коэффициента избытка воздуха б. Характеристики сгорания и токсичность ОГ остались такими же, как и при работе на дизельном топливе. Существенно снизились уровень дымности ОГ и выбросы твердых частиц.

Воспламенение спиртов от запальной дозы дизельного топлива рассмотрено в работах [29,31] на модернизированном дизеле воздушного охлаждения Д-21А1 (2 Ч 10,5/12), схема топливоподачи которого представлена на рис. 9. В этой схеме топливоподачи дизельный двигатель работает одновременно на двух видах топлива (дизельном и альтернативном), т.е. становится двухтопливным. Причем, различие физических свойств дизельного и альтернативного топлив вынуждают применять двойную систему топливоподачи, содержащую две автономные топливоподающие системы. Метанол из бака 11 (рис. 9) через топливопровод 10 поступает к ТНВД 8, который через топливопровод 6 подает спирт к форсунке 5. Такая же топливоподающая система, содержащая бак 12, ТНВД 2, топливопроводы 13, 3 и форсунку 4, использована для подачи запальной дозы дизельного топлива. Вначале в камеру сгорания через форсунку 4 впрыскивается запальное дизельное топливо. После его воспламенения в факел распыленного дизельного топлива через форсунку 5 впрыскивается метанол. Причем, мощность дизеля регулируется изменением подачи метанола, а подача дизельного топлива постоянна и составляет 1 кг/ч при n=1800 мин-1. Такая организация рабочего процесса обеспечивает надежное воспламенение метанола в КС дизеля.

Рис. 9 Схема системы подачи в камеру сгорания дизеля метанола и запальной дозы дизельного топлива: 1, 9 - автоматические регуляторы; 2, 8 - ТНВД для подачи дизельного топлива и метанола; 3, 6 - топливопроводы высокого давления; 4, 5 - форсунки для впрыскивания дизельного топлива и метанола; 7 - камера сгорания; 10, 13 - топливопроводы низкого давления; 11, 12 - баки с метанолом и дизельным топливом

Результаты исследований дизеля Д-21А1 с описанной системой топливоподачи представлены на рис. 10. Следует отметить значительно меньшие концентрации в отработавших газах (ОГ) оксидов азота NOх при работе дизеля на метаноле. В широком диапазоне нагрузочных режимов содержание NOx в ОГ снижается в 3-4 раза. Для сгорания метанола характерно и существенное снижение дымности ОГ, равное 40-50 % на режимах с полной нагрузкой. Кроме указанных выше причин это обусловлено также меньшим содержанием в метаноле углерода и большим содержанием кислорода. В то же время следует отметить, что при работе дизеля на метаноле на режимах с неполной нагрузкой наблюдается некоторое увеличение эмиссии других токсичных компонентов - углеводородов СHx и монооксида углерода СО. Отмечается также увеличение удельного эффективного расхода gе спиртового топлива. На режиме наилучшей экономичности переход с дизельного топлива на метанол сопровождается повышением ge с 240 до 470 г/(кВтч), что связано с низкой теплотой сгорания метанола (19670 против 42500 кДж/кг у дизельного топлива Л).

В работе [80] представлены результаты аналогичных экспериментальных исследований автомобильного дизеля фирмы Volvo с двумя системами впрыскивания для раздельной подачи основного спиртового топлива и запального дизельного топлива. Испытан шестицилиндровый рядный дизель с турбонаддувом типа TD100A с рабочим объемом iVh=10 л и степенью сжатия е=15.

Рис. 10 Зависимость содержания в ОГ оксидов азота СNOx, монооксида СCO и диоксида СCO2 углерода, углеводородов CCHx, дымности ОГ Kx от нагрузочного режима (среднего эффективного давления pе) дизеля Д-21А1, работающего на дизельном топливе (1) и на метаноле с запальной дозой дизельного топлива (2) на режиме с n=1800 мин-1

При работе на спирте снижаются дымность и температура ОГ перед турбиной. Повышенная интенсивность сгорания метанола приводит к увеличению максимального давления сгорания рz и индикаторный КПД зi. Максимальная подача топлива на режиме Ме max не ограничивается повышенной дымностью ОГ, как в обычном дизеле. При работе на режимах внешней скоростной характеристики во всем скоростном диапазоне выброс СНх с ОГ оказался ниже, чем в обычном дизеле. Добавление к метанолу 15 % воды не влияет на мощность дизеля, однако для достижения максимальной мощности необходимо увеличение цикловой подачи топлива с целью компенсации пониженной теплоты сгорания смеси. Испытания на этаноле с добавлением различного количества воды показали, что мощность дизеля сохраняется на одном уровне при содержании воды в этаноле до 50 %, а при большем содержании воды мощность дизеля снижалась. При содержании воды около 80 % воспламенение этанола становилось невозможным.

Длительные стендовые испытания дизеля на метаноле, проведенные в два этапа (каждый по 1000 ч), показали, что износ деталей двигателя и топливной аппаратуры соответствует износам, характерным для серийных дизелей, а износ гильз цилиндров был меньше. Для уменьшения износа топливной аппаратуры к метанолу добавлялось касторовое масло в количестве 1 % (об). Эксплуатационные испытания описанной двухтопливной системы проведены на большегрузном автомобиле с прицепом общей массой 42 т. Расход метанола составил 65 л на 100 км, запального дизельного топлива - 13 л. Износ деталей дизеля и топливной аппаратуры в течение 30000 км пробега автомобиля не превысил обычный. Аналогичные результаты испытаний подобных систем приводятся в работах [81,120,122,123,197,200,225,227,270]. Недостатком описанной системы топливоподачи является усложнение головки цилиндров, в которой необходимо разместить две форсунки.

Японская фирма Isuzu разработала систему подачи дизельного топлива и этанола одной форсункой в неразделенную КС дизеля легкового автомобиля (рис. 11) [111,127]. Дизельное топливо подается к форсунке 9 от ТНВД 1 через нагнетательный клапан 2, топливопровод 12 и воздействует на запорную иглу 10 форсунки, поднимая ее. При посадке нагнетательного клапана на седло происходит отсечка топлива, а разгружающий поясок клапана создает отсасывающий эффект и вызывает разрежение в полости нагнетания. Это разрежение открывает клапан 8, и спирт из емкости 3 по магистрали 4 подкачивающим насосом 5 через фильтр 7 подается в канал 11 форсунки 9. Спиртовое топливо находится под избыточным давлением в магистрали между насосом 5 и клапаном 8, определяемым перепускным клапаном в магистрали 6. Смешение топлив происходит в канале 11 форсунки 9, поэтому ТНВД защищен от работы на маловязком спиртовом топливе. Разработчики описанной системы топливоподачи утверждают, что она позволяет осуществить подачу любого жидкого альтернативного топлива, включая растительные масла.

Рис. 11 Схема системы подачи спиртового и дизельного топлив в дизель легкового автомобиля фирмы Isuzu: 1 - ТНВД; 2 - нагнетательный клапан; 3 - емкость со спиртовым топливом; 4,6 - магистрали; 5 - подкачивающий насос; 7 - фильтр; 8 - клапан; 9 - форсунка; 10 - запорная игла; 11 - канал; 12 - топливопровод

Проведенные экспериментальные исследования представленной системы топливоподачи показаны на рис. 12.

По результатам испытаний отмечено значительное снижение дымности ОГ при переводе двигателя с дизельного на смесевое топливо. На режимах с полной нагрузкой (при ре=0,7-0,8 МПа) дымность ОГ снизилась в два раза, что объясняется улучшением качества процесса смесеобразования при работе на смеси дизельного и спиртового топлив, а также содержанием в молекулах спиртового топлива значительного количества кислорода.

Рис. 12 Зависимость объемного содержания этанола в смесевом топливе Cэт, дымности отработавших газов Kх и выделившейся при сгорании топлива энергии Qвыд от нагрузки (среднего эффективного давления ре) на скоростных режимах n=1000 мин-1 (а) и n=2100 мин-1 (б) дизеля легкового автомобиля фирмы Isuzu: 1 - смесевое топливо; 2 - дизельное топливо

Аналогичная подача этанола и дизельного топлива в КС дизеля через одну форсунку осуществляется и топливной системой, разработанной в ГТУ «МАДИ» [35,36,47,48]. Эта система в начале впрыскивания обеспечивает преимущественную подачу дизельного топлива (до 80 %), а окончание подачи смесевого топлива в КС происходит с преимущественным содержанием этанола (до 60 %). Испытания дизеля Д-120 (2 Ч 10,5/12), укомплектованного этой топливной системой, подтвердили ее эффективность при улучшении показателей токсичности ОГ. В частности, на режиме максимального крутящего момента дымность ОГ снизилась в 1,5-2,0 раза по сравнению с работой на чистом дизельном топливе.

Воспламенение спиртов от свечи накаливания использовано для адаптации транспортных дизелей к работе на спиртовых топливах предлагается фирмой Detroit Diesel (США) [92,105,115,173,174,176,198,234,269,282]. Всего фирмой рассмотрено десять вариантов питания при переводе дизелей транзитных автобусов на метанол, среди которых как работа на чистом метаноле, так и использование метанола в сочетании с дизельным топливом. Из этих вариантов выбран впрыск метанола под высоким давлением и его воспламенение от свечей накаливания. Это обусловлено тем, что надежное воспламенение метанола происходит при температурах порядка 700о С, что на режимах с малыми нагрузками почти на 200о С выше действительной аппаратуры.

При исследовании дизеля 6V-92TA [198], работающего на метаноле, получено снижение выбросов с ОГ оксидов азота NOх в 2 раза при одновременном уменьшении эффективного КПД дизеля на 5-7 % по сравнению с работой на дизельном топливе. Одновременно имело место некоторое увеличение выбросов продуктов неполного сгорания топлива - монооксида углерода СО и углеводородов СНх. В то же время показаны возможности снижения эмиссии этих токсичных компонентов.

Дизельный двигатель, в котором осуществляется непосредственное впрыскивание метанола в КС в поршне (рис. 13) и его воспламенение от свечи зажигания, разработан фирмой Navistar (США) [77,78]. Испытания дизеля Navistar DT-466 размерности S/D=135,9/109,2 с рабочим объемом iVh=7,64 л, степенью сжатия е=18,6 и турбонаддувом на метаноле показали возможность улучшения экологических показателей двигателя и удовлетворения норм Калифорнийского стандарта США 1994 г. на токсичность ОГ по всем нормируемым токсичным компонентам.

Рис. 13 Установка форсунки и свечи зажигания в головке двигателя Navistar DT-466: 1 - горячая поверхность свечи; 2 - свеча зажигания; 3 - электрический разъем; 4 - форсунка

Работы по адаптации дизелей к работе на метаноле и этаноле проведены фирмой Ford (США) [191,262,263]. Применение спиртовых топлив потребовало увеличения степени сжатия до е=19,0, а также проведения дополнительных исследований по оптимизации положения свечей накаливания. Использование спиртовых топлив позволило увеличить мощность дизеля на 9-15 %, повысить эффективный кпд на 2 % (при испытаниях по 13-ступенчатому испытательному циклу США), а также уменьшить выброс оксидов азота NOх с ОГ на 4 %. Уровень дымности ОГ практически не изменился. Указывается на то, что для снижения выброса углеводородов СНх и альдегидов необходимо применение каталитических нейтрализаторов. Требуют решения вопросы эрозионного изнашивания системы принудительного воспламенения топлива вследствие высокого уровня подводимой электрической мощности и разработки более простых ее вариантов, пригодных для серийного производства.

Фирмой Volkswagen (Германия) исследовано несколько способов использования спиртовых топлив в дизельных двигателях как с разделенными, так и с неразделенными КС [91,121,157,195,196,284]. Разработан и испытан вариант подачи метанола и этанола в КС дизеля Wolkswagen TDI 1.9L с воспламенением рабочей смеси свечей (рис. 14).

Рис. 14 Схема подачи спиртового топлива в камеру сгорания дизеля Wolkswagen TDI 1.9L: 1 - поршень; 2 - распылитель форсунки; 3 - головка цилиндров; 4 - свеча зажигания

При испытаниях дизеля 1.9L отмечено, что термический кпд двигателя, работающего на метаноле и этаноле, сохранился на уровне как и на дизельном топливе (рис. 15).

Рис. 15 Характеристики термического кпд дизеля Volkswagen TDI 1.9L, работающего на дизельном топливе (а), метаноле (б) и этаноле (в)

На рис. 16 представлены характеристики удельных выбросов оксидов азота еNOx и несгоревших углеводородов еCHx дизеля Volkswagen TDI 1.9L, работающего на метаноле. Организация процесса регулируемой рециркуляции ОГ в сочетании с более медленным выделением теплоты при сгорании метанола обеспечили низкий уровень выбросов оксидов азота, не превышающий на большинстве эксплуатационных режимов уровня еNOx=0,1-0,2 г/(кВт·ч) (рис. 16, а).

Рис. 16 Удельные выбросы дизеля TDI 1.9L при работе на метаноле: а - оксидов азота еNOx; б - несгоревших углеводородов еCHx

Использование системы каталитической нейтрализации ОГ в дизеле Volkswagen TDI 1.9L позволило достичь сравнительно низкого уровня выбросов несгоревших углеводородов, не превышающего значения еСНx=0,2 г/(кВт·ч) в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов (рис. 16, б). Характеристики удельных выбросов монооксида углерода в работе [91] не приведены, поскольку во всем поле исследованных режимов эти выбросы были очень незначительны и не превышали уровня еСО=0,2 г/(кВт·ч). Выбросы твердых частиц и альдегидов при испытаниях дизеля Volkswagen TDI 1.9L не определялись. Однако, ранее проведенные исследования работы [90] подтвердили возможность их доведения до очень низкого уровня с использованием системы очистки ОГ и их каталитической нейтрализации.

Подача метанола и этанола в дизель в виде смеси или эмульсии с дизельным топливом штатной системой топливоподачи затруднена из-за их разных физических свойств. Для повышения стабильности эмульсии используют поверхностно-активные вещества (эмульгаторы). Топливные эмульсии подаются в цилиндры дизеля штатной системой топливоподачи и не требует серьезных переделок двигателя.

Из данных, представленных на рис. 17, следует, что при работе исследуемого дизеля Д-21А1 на эмульсии дизельного топлива с метанолом (МТЭ) содержание оксидов азота в ОГ уменьшилось почти в 2 раза [45].

спирт топливо дизель двигатель

Рис. 17 Зависимость содержания в ОГ оксидов азота СNOx, монооксида СCO и диоксида СCO2 углерода, углеводородов CCHx, дымности ОГ Kx от нагрузочного режима (среднего эффективного давления pе) дизеля Д-21А1, работающего по дизельному циклу (1) и с подачей в КС метаноло-топливной эмульсии с содержанием метанола 10% (2), 20% (3) и 30% (4) на режиме с n = 1800 мин-1

Содержание сажи в ОГ (дымность Kx) также снижается, так как спирты обладают меньшей склонностью к дымлению из-за наличия в их молекулах значительного количества атомов кислорода. Причем, значительное снижение дымности ОГ отмечается практически на всех нагрузочных режимах работы дизеля.

Содержание в ОГ исследуемого дизеля Д-21А1, работающего на МТЭ, других токсичных компонентов незначительно отличается от аналогичных показателей при работе на дизельном топливе. Таким образом, применение МТЭ в дизелях значительно снижает суммарную токсичность их ОГ, не требует значительных конструктивных изменений и является одним из перспективных методов улучшения экологических показателей дизелей.

Существенным недостатком перевода двигателя на работу со спиртосодержащими эмульсиями является их нестабильность, которая может привести к полному расслоению эмульсии и разделению ее на две самостоятельные фазы [37,109,132]. Для стабилизации метаноло-топливных эмульсий в них добавляют высшие спирты (изопропанол, гексанол и др.), используют различные поверхностно-активные вещества (эмульгаторы): нефтяной сульфонат, эдималь, амикром, сукцинимид [3,26,258].

Рис. 18 Схема экспериментальной установки для исследования влияния добавки парообразного этанола во впускную систему дизеля на показатели его работы: 1 - воздушный манометр; 2 - бак спиртового топлива; 3 - фильтр; 4 - водяной холодильник; 5 - вентиль; 6 - ротаметр; 7 - подогреватель; 8 - распылитель спиртового топлива; 9 - впускной коллектор; 10 - двигатель; 11 - турбокомпрессор

Рис. 19 Зависимость эффективного КПД е и удельного эффективного расхода топлива gе дизельного топлива (а) и этанола (б) от его относительной подачи во впускной коллектор Cэт (от энергии, выделенной этанолом Qэт) при работе дизеля на режимах с частотой вращения n=2100 мин-1 и нагрузкой (эффективной мощностью Nе): 1 - 84,7…96,9 кВт; 2 - 55,7…56,6 кВт; 3 - 27,6…28,0 кВт

Подача этанола во впускной коллектор дизеля проводилась с целью к замещению части дизельного топлива спиртом. При этом экономия дизельного топлива (снижение его удельного эффективного расхода gе) на режимах с полной нагрузкой достигала 50 % (кривая 1).

Дымность, замеренная по методике фирмы Bosch и выбросы оксидов азота в ОГ при увеличении подачи этанола уменьшались. Количество несгоревших углеводородов, напротив, возрастало, что объясняется присутствием углеводородов во впускном воздухе и гашением пламени в пристеночной области из-за пониженного температурного уровня деталей КС. Другой причиной повышенного содержания несгоревших углеводородов в ОГ является попадание части испарившегося спирта в выпускную систему во время периода продувки.

Недостатком рассмотренной организации работы дизеля на дизельном топливе и этаноле является наличие двух отдельных систем подачи указанных топлив. Необходимость использования в двухтопливном дизеле двух форсунок существенно усложняет его конструкцию, требует размещения дополнительных элементов на двигателе. Кроме того, при такой организации рабочего процесса необходимо решить проблему нестабильной работы двигателя на режимах с малыми частотами вращения [95].

Сравнение различных способов подачи спирта на впуск дизеля, проведенное в работе [240], показано, что наилучшие характеристики получены при распределенном впрыскивании (многоточечном) на каждом цикле работы дизеля.

Широкое применение метанола и этанола в качестве моторных топлив для дизелей сдерживается тем обстоятельством, что по ряду физико-химических свойств они существенно отличаются от дизельных топлив. Основным недостатком спиртов является их плохая воспламеняемость в цилиндрах дизелей, что требует использования различных мероприятий для их принудительного воспламенения. Этот недостаток усугубляется высокой испаряемостью спиртов и, как следствие, переохлаждением спиртовоздушной смеси. В частности, теплота испарения метанола в 4,4 раза больше теплоты испарения дизельного топлива (соответственно 1115 и 250 кДж/кг) при низкой температуре кипения, что обуславливает чрезмерное охлаждение воздушного заряда при испарении спирта и при низких ЦЧ и высоких температурах самовоспламенения спиртов приводит к их плохому воспламенению в КС дизеля и повышенной жесткости их сгорания. Поэтому при использовании спиртов в качестве топлива для дизелей необходима реализация мероприятий по улучшению их воспламеняемости в условиях КС: рациональный выбор формы КС, повышение степени сжатия, повышение температурного уровня деталей КС и их теплоизоляция, регулирование угла опережения впрыскивания топлива, организация рециркуляции ОГ, подогрев воздуха на впуске. Для улучшения самовоспламеняемости в метанол и этанол добавляют легковоспламеняющиеся присадки, например гексилнитрат и октилнитрат. Для этой же цели используются катализаторы (оксиды металлов NiO, Cr2O3, CuO и благородные металлы), снижающие температуру воспламенения спирта и ускоряющих реакцию его горения. Используется и принудительное воспламенение спиртовых топлив свечей накаливания.

Меньшие значения низшей теплоты сгорания по сравнению с дизельным топливом (соответственно 19670 и 42500 кДж/кг) приводят к необходимости корректирования цикловой подачи топлива для сохранения мощностных показателей дизеля. Для предотвращения падения мощности двигателя из-за меньшей весовой подачи спирта (вызванной, в основном, его меньшей плотностью) и его пониженной теплотворной способностью, требуется увеличение количества подаваемого топлива: метанола - примерно в 2,3 раза, этанола - в 1,7 раза, т.е. корректирование топливоподачи.

Таким образом, применение спиртов в дизелях в чистом виде требует конструктивных изменений двигателя. В частности, с целью улучшения воспламенения спиртов используются двухтопливные системы питания, которые наряду с подачей спирта обеспечивают подачу запальной дозы дизельного топлива. Подача же смесей спирта с дизельным топливом с помощью традиционной дизельной топливной аппаратуры затруднена из-за плохой смешиваемости этих двух видов топлив. При этом следует отметить, что этанол смешивается с дизельным топливом ограниченно, т.е. получение их стабильных смесей затруднено, а метанол с дизельным топливом вообще их не образуют. Получение таких смесей возможно лишь при добавлении в смеси этих спиртов и дизельных топлив различных стабилизаторов.

Плохие смазывающие свойства и высокая гигроскопичность спиртов приводят к повышенным износам прецизионных пар ТНВД и форсунок, других деталей двигателя. Возникающие проблемы с организацией смазки деталей двигателя вызваны коагуляцией присадок моторного масла при попадании в него спиртовых топлив и значительным ухудшением смазывающих свойств моторных масел. Отрицательное влияние спиртовых топлив на износ связано с его влиянием на смазывающие свойства моторных масел: нарушается прочность масляной пленки, возможно растворение в них противоизносных и других присадок, содержащихся в моторных маслах; при работе на метаноле отмечается более высокая интенсивность изнашивания, чем на этаноле. Поэтому при выборе масел для дизелей, работающих на метаноле и этаноле. Необходимо учитывать возможность попадания спиртов в масляную систему дизеля и образованию отложений.

Еще одной проблемой, которую необходимо решить при адаптации дизелей к работе на метаноле и этаноле - их коррозионное воздействие практически на все металлы (железо, алюминий, медь, никель, хром, молибден, кадмий и др.), особенно на цинковые и магниевые сплавы, а также на пластмассы, тефлоновые, резиновые и лакокрасочные покрытия. Это обусловлено тем, что эти спирты являются кислородсодержащими соединениями, поэтому требуется подбор материалов, совместимых со спиртовыми топливами. Следует отметить и повышенную токсичность спиртов. В частности, токсичность паров метанола в воздухе в три раза превышает токсичность паров бензина той же концентрации. Однако с учетом уменьшения запасов нефти, удорожания нефтепродуктов и возможности использования возобновляемых сырьевых ресурсов при производстве спиртов их следует рассматривать в качестве одного из перспективных энергоносителей.

Следует также отметить высокое давление насыщенных паров метанола и этанола. Поэтому при их подаче в цилиндры дизелей штатной топливоподающей аппаратурой для предотвращения образования паровоздушных пробок и обеспечения требуемых параметров топливоподачи необходимо повышать давление подкачки. Кроме того, возможные утечки паров этих спиртовых топлив повышают пожаро- и взрывоопасность.

Таблица 45. Октановые числа спиртов-кислородсодержащих добавок в регулярном и премиальном бензинах США, не содержащих свинцовые соединения

Добавка

Регулярный бензин *

Премиальный бензин

ИОЧ

МОЧ

ИОЧ

МОЧ

Базовый бензин

91.5

82,5

98,0

88,0

Метанол

136,7

97.3

120,5

89,0

Этанол

129,5

101,3

121,6

95,0

изо-Пропанол

119,1

97,7

116,3

95,4

н-Пропанол

117,9

91,3

114,2

88,2

мзо-Бутанол

110,0

89,4

108,0

84,0

н-Бутанол

95,0

78,6

-

-

мзо-Пентанол '

108,0

84,7

108,6

88,2

мзо-Гексанол >

96,0

81,7

100,6

89,2 ;

н-Гексанол

55,0

46,0

-

-

н-Октанол , ,;j

22,4

24,3

-

— ;

* ИОЧ - октановое число, полученное исследовательским методом; МОЧ-октановое число, полученное моторным методом.

концентрации кислорода в бензине обусловливает предельное количество озона в воздухе, что вредно для здоровья человека.

Кроме спиртов в качестве кислородсодержащих добавок ши­роко применяются эфиры.

Ниже приведены октановые числа эфиров, вводимых в регу­лярные бензины в США:

ИОЧ

МОЧ

7г (Иоч + моч)

Базовый бензин

91,5

82,5

87

Метил-т/>ет-бутиловый эфир

118

100

109

Этил-я1/>ет-бутиловый эфир '

118

102

110

Метил-т/>ети-амиловый эфир .

111

98

104,5

Диизопропиловый эфир ,

110

99

104,5

Метилфениловый эфир

112

108

110

Метил-т/?ет-гексиловый эфир

93

85

89

Изопропил-т/>ет-бутиловый эфир

■• 105

96

• 100,5

Как можно отметить, наибольшим октановым числом обла­дают первые два эфира, однако метил-трет-бутиловый эфир имеет наибольшее применение как добавка к бензину вследствие большей дешевизны и более легкого способа получения. Хоте­лось бы обратить внимание читателя на третью колонку, где приведена полусумма октановых чисел, определенных по иссле­довательскому и моторному методам. Дело в том, что в США в отличие от России применяется в быту только этот показатель. В соответствии с этим, если на российских автозаправочных станциях указано, что продается бензин АИ-93, это не значит, что его октановое число соответствует октановому числу американ­ского премиального бензина. Бензин АИ-93 расшифровывается как «бензин автомобильный с октановым числом 93, измеренным по исследовательскому методу». Обычно исследовательский ме­

тод дает значения приблизительно на 3-4 выше, чем среднее октановое число бензина в США, т. е. АИ-93 будет соответство­вать в Америке бензину с октановым числом 89-90.

Итак, законодательство США в настоящее время определяет перспективы развития нефтеперерабатывающей промышлен­ности. С учетом этих особенностей рассмотрим структуру нефте­перерабатывающих заводов США, их будущее.

Спирт в качестве топлива: Автомобили-алкоголики - Автоцентр.ua

Технологии

Мировой топливный кризис, из-за которого подскочили цены на бензин и дизтопливо, вновь заставляет задуматься об иных источниках энергии для транспортных средств. Неплохая альтернатива традиционному топливу – спирт. Чем хорош такой заменитель и что сделать, чтобы автомобильный двигатель смог на нем работать? 

Мировой топливный кризис, из-за которого подскочили цены на бензин и дизтопливо, вновь заставляет задуматься об иных источниках энергии для транспортных средств. Неплохая альтернатива традиционному топливу – спирт. Чем хорош такой заменитель и что сделать, чтобы автомобильный двигатель смог на нем работать?

Спирт обладает целым рядом преимуществ по сравнению с нефтяным топливом, и только большая стоимость, малая теплоотводность, высокая гигроскопичность и повышенное содержание альдегидов препятствуют его массовому применению в качестве топлива для ДВС. А достоинства спирта следующие.

Высокие антидетонационные свойства (октановое число – более 100). Введение этанола в бензин обеспечивает повышение октанового числа. Каждые 3% этанола в смеси с бензином обеспечивают повышение октанового числа горючего в среднем на 1 единицу. То есть спирт может быть использован в качестве высокооктановой добавки к топливу. Он повышает и детонационную стойкость горючего, так как температура самовоспламенения чистого бензина составляет 290°С, а его смеси с этанолом – 425°С.
Процесс испарения начинается во впускном трубопроводе и заканчивается в цилиндре при ходе сжатия, обеспечивая охлаждение деталей двигателя – поршней и клапанов – и более полное наполнение цилиндров свежим зарядом (компрессорный эффект с 5-процентным увеличением мощности).
Надежное воспламенение от электрической искры при значительных изменениях состава горючей смеси (диапазон воспламеняемости по коэффициенту избытка воздуха для спирта составляет примерно 0,4…1,7).
КПД двигателя, работающего на чистом спирте, выше, чем при использовании бензина.
Меньшая токсичность отработавших газов.
Низкая пожароопасность.

Адаптация ДВС

Существуют два способа применения спирта в качестве горючего для автомобильных моторов – при частичной (до 20%) и при полной замене бензина и дизельного топлива. Высокие антидетонационные качества определяют преимущественное использование спирта в двигателях внутреннего сгорания с принудительным (искровым) зажиганием. Стандартный двигатель не нужно переделывать для работы на бензо-спиртовой смеси.

На АО «АвтоВАЗ» были проведены испытания бензина АИ-95 с 10-процентным содержанием этанола на токсичность, расход топлива и обеспечение динамики автомобиля без перерегулировки двигателя. Было установлено, что добавка к бензину 10% спирта приводит к обеднению топливовоздушной смеси и незначительно ухудшает ездовые качества машины практически на всех режимах движения. При переходе на АИ-95Э с 10-процентным содержанием этанола требуется перерегулировка карбюратора.

Согласно результатам стендовых испытаний «АвтоВАЗа», применение бензина АИ-95Э с 5-процентным содержанием спирта не приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик автомобиля и не требует изменения исходных регулировок двигателя.

А вот для работы на чистом спирте требуется увеличение вместимости топливного бака и степени сжатия до 12 – 14 ед. (чтобы полностью использовать детонационную стойкость топлива) и перерегулировка карбюратора или перепрограммирование ЭБУ инжекторного двигателя. Горючую смесь необходимо немного обогатить: для сгорания 1 кг спирта требуется 9 кг воздуха, а для сгорания 1 кг бензина – 14,93 кг.

Низкое давление насыщенных паров и высокая теплота испарения спирта делают практически невозможным запуск бензиновых двигателей уже при температуре окружающей среды ниже +10°С. Для улучшения пусковых качеств в спирт добавляют 4 – 6% изопентана (С5Н12) или 6 – 8% диметилового эфира (СН3-О-СН3 или С2Н6О), что обеспечивает нормальный пуск двигателя при температуре от –25°С и выше. Для этой же цели спиртовые моторы оборудуют специальными пусковыми подогревателями. В случае неустойчивой работы двигателя при повышенных нагрузках (из-за плохого испарения спирта) применяется дополнительный подогрев топливной смеси с помощью, например, отработавших газов.

Дизель и спирт

Адаптировать дизельный мотор для сжигания в его цилиндрах спирта гораздо сложнее. Венским техническим университетом были проведены экспериментальные исследования на 4-цилиндровом тракторном дизеле фирмы Steyr.

Ввиду того, что цетановое число этанола низкое, двигатель был дополнительно оснащен электронной системой зажигания, а головку цилиндров модернизировали для размещения свечей зажигания. Кроме того, была изменена геометрическая форма камеры сгорания в днище поршня, установлены новые топливный насос высокого давления, форсунки и топливоподкачивающий насос повышенной производительности. Исследования показали, что дизель работает на этаноле практически бездымно. По сравнению с работой на дизельном топливе выброс NOx снижается, что является результатом уменьшения температуры вследствие повышенной теплоты испарения этанола. Выброс СО такой же, как у бензинового ДВС, выброс СН относительно высок, однако может быть радикально снижен при применении простейшего окислительного нейтрализатора. При переходе на дизельное горючее дымность и расход топлива у переоборудованного дизеля значительно выше, чем первоначально. Объемный расход у этанола почти в 2 раза больше, чем у дизельного топлива, что является следствием его более низкой теплоты сгорания, а удельный приведенный расход лишь немногим выше.

Модернизировать двигатель могут не только автопроизводители, но и специализированные фирмы. Например, в США бензиновые двигатели и дизели для работы на альтернативном топливе переоборудует фирма Jasper Engines and Transmissions. Переделываются моторы от 8-цилиндровых V-образных до рядных 6- и 4-цилиндровых. После переоборудования двигатели могут работать на метаноле, этаноле, сжатом и сжиженном природном газах.

 Мировой опыт

Идея использования спирта в качестве топлива не нова. Самый богатый опыт его применения в ДВС имеет Бразилия. После мирового нефтяного кризиса 1973 – 75 годов в этой стране в начале 80-х приняли программу «Топливо на основе этанола». В результате здесь до конца прошлого столетия этанол ежедневно заменял до 250 тыс. баррелей импортируемой нефти. В 90-х годах в Бразилии этиловый спирт служил горючим более чем для 7 млн. машин, а его смесь с бензином (газохол) – для еще 9 млн. авто. Этанол в этой стране изготавливают из сахарного тростника, а продают через заправочную сеть, насчитывающую 25 тысяч станций.

Вторым мировым лидером по использованию этанола в автотранспорте являются США. Здесь также реализуется программа замены бензина спиртом, который получают при переработке излишков кукурузы и других зерновых культур. Чистый этанол в этой стране используется как горючее в 21 штате, а на бензоэтаноловую смесь приходятся 10% топливного рынка США.

Раньше заинтересованность в использовании более дорогого этанола ($60 за баррель) в качестве моторного горючего за рубежом была обусловлена налоговыми льготами. В США они компенсируют продавцам убыток в случае, если те продают этанол по цене бензина. Сейчас, после скачка цен на нефть ($40 – 50 за баррель), с учетом переработки сырья для получения бензина, стоимость этих видов топлива практически сравнялась. Поэтому использование спирта оказалось еще целесообразнее.

Применение спирта в качестве топлива получило поддержку и в некоторых европейских странах – в частности, Франции и Швеции. 7 ноября 2001 года две комиссии ЕС приняли так называемые биодирективы относительно использования биотоплива в странах Евросоюза. Они предусматривают обязательное применение этого горючего как добавки к бензину в будущем.

 Топливный спирт

Этанол (С2Н5ОН) – винный, или питьевой спирт, являющийся важнейшим представителем одноатомных спиртов. Эта бесцветная жидкость, которая смешивается в любых соотношениях с водой, спиртами, эфирами, глицерином, бензином и другими органическими растворителями, горит бесцветным пламенем. Этанол, обладая высоким октановым числом и энергетической ценностью, является отличным моторным топливом. Для получения бензина АИ-95 требуется добавить в бензин АИ-92 около 10% этанола.

Метанол (СН3ОН), или древесный спирт – простейший представитель предельных одноатомных спиртов, бесцветная подвижная жидкость с характерным запахом. Смешивается с водой во всех соотношениях, а также с другими спиртами, бензолом, ацетоном и другими органическими растворителями. Основной способ производства метанола – синтез из водорода и оксида углерода. Сырьем для этого служат природный, коксовый и другие газы, содержащие углеводороды (например, синтез-газ), а также кокс, бурый уголь, древесина, сланцы, биомасса и др.

 Характеристики рабочего процесса дизеля при работе на смеси дизтоплива с этанолом и при работе на чистой солярке

Из приведенных данных хорошо видно, что введение спирта в дизельное топливо приводит к росту давления (Р) в ВМТ более чем на 20%. Резко увеличивается скорость нарастания давления, т. е. возрастает жесткость работы двигателя. Горение этанольного топлива начинается раньше. При этом момент на валу двигателя снижается. Иными словами, введение этилового спирта в дизельное топливо ухудшает его технико-экономические показатели. Однако при этом несколько улучшаются экологические показатели работы мотора. Для получения максимального эффекта от введения спирта в дизельное топливо необходимо провести регулировку двигателя.

 Украинские перспективы

В конце июня 2000 года Правительственный комитет по реформированию аграрного комплекса и проблемам экологии одобрил проект государственной программы «Этанол: 2000 – 2010», а также «Программу государственной поддержки развития нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и малой гидро- и теплоэнергетики», разработанной в соответствии с Указом Президента Украины № 285 от 2 апреля 1997 года. Кабинет Министров Украины постановлением № 1044 от 4.07.2000 года программу «Этанол» утвердил. Документ предусматривает ускоренный перевод примерно трети автопарка на газохол и этанол.

Ресурсы по производству этанола в нашей стране практически неисчерпаемы: из отходов сельского хозяйства, главным образом свекловодства, и переработки импортного тростникового сахара-сырца ежегодно производится свыше 5,5 миллиона декалитров этанола и 300 – 310 тысяч декалитров технических спиртов. Мощности украинских предприятий позволяют выпускать 66 миллионов декалитров таких спиртов в год. В середине июня этого года Украина договорилась с Кубой об увеличении бартерных (в обмен на промышленные изделия) поставок тростникового сырца. По оценкам кубинских специалистов, около 25% этого сырья может использоваться исключительно для производства спиртового и спирто-нефтяного топлива. Программа «Этанол» предусматривает, в частности, перепрофилирование более трети мощностей украинских спиртовых и смежных (перерабатывающих сахарное сырье) заводов на выпуск высокооктановых кислородосодержащих добавок к бензину и техническому спирту – в основном из сельскохозяйственного сырья. Эксперты оценивают это как наиболее перспективное и экономически выгодное решение.

Подготовил Юрий Герасимчук Фото Сергея Кузьмича

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.


Смотрите также


Интересующую Вас информацию Вы можете уточнить у наших специалистов, заполнив форму, приведенную ниже. Мы с радостью Вас проконсультируем!
Почта:
Ваше Имя:
Сообщение:
30+5