Спирт и другие заменители бензина. Теория

    Опыт прошлых лет и современные исследования показали, что заменить бензин и дизельное топливо в двигателях внутреннего сгорания можно тремя видами жидкостей – этиловым или метиловым спиртом, аммиаком и скипидаром. Однако, несмотря на явные преимущества этих топлив по отдельным физическим показателям, ни одно из них не сможет полноценно заменить бензин.
    Для применения в качестве топлива спиртов требует внесения ряда изменений в устройство механизмов подачи топлива: в инжекторных системах потребуется изменение программы дозирования, а в карбюраторах нужно будет увеличить пропускную способность жиклеров и, в случае использования этанола, увеличить их сечение. Последнее изменение необходимо для облегчения прохождения этилового спирта, вязкость которого в 3,5 раза выше вязкостей бензина и метанола. Также придется увеличить объем топливных баков – для этанола в 1,6; для метанола в 2,3 раза. Такая доработка необходима для сохранения запаса хода транспортного средства, ведь температура сгорания спиртов значительно ниже чем у бензина. Следует также учесть, что скрытая теплота испарения спиртов чрезвычайно высока – это значительно затруднит запуск холодного двигателя, и создаст необходимость более сильного подогрева впускного трубопровода. Для улучшения пуcковых свойств спиртов, к ним добавляют небольшое количество диметилового  эфира или других легковоспламеняющихся   соединений, например, того же бензина.
     Кроме всего прочего, спирты очень чувствительны к воде: с одной стороны она улучшает их детонационную стойкость (октановое число), с другой – снижает и без того низкую теплоту сгорания, а также увеличивает коррозию деталей двигателя и топливной аппаратуры. Не следует забывать и о высокой токсичности спиртов для человеческого организма – даже 20-30 мл метанола, попавшие в организм человека, вызывают острые отравления и приводят к полной потере зрения и смертельному исходу.
Впрочем, в использовании спиртов есть и свои плюсы. Так, высокая скрытая теплота испарения, ухудшающая пусковые показатели двигателя, при прогретом двигателе способна увеличить цикловое наполнение цилиндров рабочей смесью до 15%, что при высокой детонационной стойкости спиртов и возможностью повышения степени сжатия, позволяет увеличить литровую мощность двигателя. Это объясняется сильным понижением температуры рабочей смеси, а также увеличением ее плотности. Это свойство спиртов широко используется при подборе топлива для высокофорсированных двигателей на профессиональных гонках.
Спирт в качестве заменителя бензина крайне выгоднее – ведь для его использования нужно принципиально изменять конструкцию обычного бензинового двигателя. И учитывая перечисленные недостатки спиртов, специалисты все чаще используют их как добавки к бензинам. При добавлении к бензину 15% метанола - за рубежом эти смеси называют «газохолом» - стоимость топлива снижается на 30%, при фактическом сохранении качества.
     Особо стоит сказать об износе двигателей при использовании спирта. Особенно ощутимый урон мотору наносится в режиме прогрева, так как при неполном сгорании этанола образуются уксусная и муравьиная кислоты, которые резко увеличивают коррозионно-механическое изнашивание цилиндров. Также спирт интенсивнее разрушает масляную пленку цилиндра, ведь соединяясь с водой, спирт образует устойчивую водомасляную эмульсию, резко понижающую смазывающие свойства масел, чем способствует увеличению износа двигателя. Впрочем, с использованием стойких к образованию эмульсий масел специальных марок эту проблему удалось решить. Стоит отметить что при применении бензина с 20 % спирта в странах с жарким климатом увеличения износа двигателя не наблюдалось. Огромным плюсом использования спиртов в качестве топлива является снижение токсичности отработавших газов – низкая температура сгорания приводит к меньшему образованию оксидов азота и в 20 раз сокращает содержание в выхлопных газах углеводорода.
     Использование аммиака NН3 вместо бензина выгодно, в первую очередь, тем, что сырьевая база для его производства практически неограниченна, поскольку сырьем для получения аммиака являются вода и воздух. В производстве аммиака воздух является источником азота, вода – водорода; побочным продуктом синтеза этих элементов является кислород. При наличии мощного энергетического комплекса, производство этого топлива возможно наладить в любом труднодоступном районе, куда доставка обычного топлива невозможна.
     К положительным свойствам аммиака относится и его исключительно высокая детонационная  стойкость, которая позволяет увеличить степень сжатия до 12 атмосфер, что в значительной мере компенсирует его высокую температуру самовоспламенения и низкую скорость сгорания.
     Для зажигания аммиачной рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания необходимо создание высокой турбулентности заряда и увеличение мощности искрового разряда, к примеру, с использованием плазменного разряда.
     Пожарная опасность аммиака значительно меньше, чем бензина, но его токсичность, особенно при вдыхании паров, требует специальных мер предосторожности. Поэтому гораздо более перспективным является использование аммиака в смеси с ракетным топливом - гидразином. Опыт использования гидразина позволяет прогнозировать более эффективное сгорание бинарного топлива, чем чистого аммиака.
     Токсичность выхлопных газов при работе на азотоводородных топливах, естественно,  меньше, чем на нефтяных или спиртах, ведь продуктами их сгорания являются азот и вода. Детонационная стойкость бинарных (ракетных) топлив меньше, чем чистого аммиака, так как гидразин обладает огромной склонностью к детонации. А высокое октановое число аммиака позволяет добавлять к нему гидразин, без существенного снижения детонационной стойкости смеси.
     Добавление в бинарное топливо воды также способствует удержанию его детонационной стойкости на приемлемом уровне. При этом нужно иметь в виду, что теплота сгорания, которая у аммиака и гидразина почти в 2,5 раза меньше, чем у бензина, может понизиться на столько, что топливо нельзя будет использовать.
    Таким образом, рассмотренные виды топлива, в совокупности показателей уступают бензинам. Поэтому, вероятнее всего, спирты смогут использовать в качестве моторных топлив только в определенных условиях. Использование скипидара и аммиак возможно только в случаях крайней необходимости. Более перспективными видами топлив могут быть синтетические углеводородные топлива, полученные по усовершенствованной и экономически выгодной технологии из каменных углей различных месторождений и кондиций.