Любой автомобиль можно назвать химическим реактором на колёсах. Орда этих непрерывно-периодических реакторов передвигается по поверхности нашей зелёной планеты. Они легко забираются в любые, самые дальние её уголки и загрязняют их отходами своей жизнедеятельности. Имя им – миллиард. Бензины и дизельное топливо, которыми они чаще всего «питаются», дают сотни видов «вредностей». Главные продукты работы реактора внутреннего сгорания – это диоксид углерода, он же углекислый газ, вода, а также твёрдые частицы сажи нано, микро- и даже миллиразмеров. Вдыхание таких частиц приводит к астме, раку лёгких, сердечно-сосудистым заболеваниям.

Основная причина загрязнения воздуха выхлопными газами – это неполное сгорание, то есть окисление углеводородного топлива. Часть неокисленного топлива может реагировать с прочими продуктами сгорания, порождая гидроуглероды, формальдегиды и прочие отсутствующие изначально вещества. Образуется моноксид углерода, он же угарный газ, а также бензол, бутадиен, продукты химических превращений разнообразных примесей и топливных присадок.

К побочным продуктам принадлежат и вредные для жизни оксиды азота, моно- и диоксиды примесной топливной серы. В атмосфере они могут стать кислотой, в массовых количествах выпасть кислотным дождём. Дополнительный загрязнитель – это и несгоревшее топливо, доля которого существенно меняется в зависимости от режимов работы двигателя и состава топливной смеси.

Как в любом химическом реакторе, изменение пропорций реагентов меняет выход реакции. Увеличение доли воздуха в топливовоздушной смеси снижает количество некоторых загрязнителей, но усиливает реакции соединения кислорода и азота воздуха с образованием оксидов азота. Под действием солнечного света автомобильный выхлоп даёт приземный озон. Это очень активное и вредное в больших концентрациях соединение трёх атомов кислорода, в свою очередь, разрушает оксиды азота и снижает их долю в загрязнении воздуха.

Свобода выбора

Все автомобильные загрязнители воздуха давно изучены медиками, установлены законодательные ограничения на предельно допустимые концентрации вредных веществ. Но твёрдые частицы сажи, бензол и бутадиен опасны в любых, самых минимальных количествах. Содержание этих выхлопных токсинов определяется не только конструкцией двигателя и режимами его работы, но и составом топлива. Поэтому комбинированием топлива разного вида можно в несколько, а то и в десяток раз снизить токсичность выхлопов, а значит, и воздуха, который вдыхает большинство урбанизированного человечества.

К счастью, свобода выбора здесь велика, так как двигатель универсален по топливу и допускает широкий диапазон вариаций. В высокотемпературных камерах сгорания моторов окисляются жидкие углеводороды, аммиак, природный метан и попутные газы нефтяного производства, спирты (метанол, этанол, пропанол, бутанол), солярка, парафины, растительные масла, животные жиры и пр. А также смеси названных веществ.

Рис. 1. Гибридный автомобиль GM Equinox
на водородной заправочной станции в городе
Лексингтон, штат Кентукки, США.

В некотором смысле особняком среди моторных топлив стоит самый лёгкий газ нашей планеты – водород, чрезвычайно привлекательное топливо. Продукт выхлопа для него – вода. Что может быть экологичнее? Да и неполное сгорание и выброс водорода, по-видимому, не критичны для атмосферы. Она постоянно «продувается» водородом из земных недр, непрерывно уходящим в космос. Правда, некоторые учёные полагают, что водород вызывает утончение озонового слоя.

Но есть одна существенная деталь. Водород как энергоноситель требует технологий безопасного производства, хранения, перемещения и заправки. Фактически он требует создания новой водородной энергетики. Задача автомобильная лишь отчасти. Ещё столетие назад появлялись проекты транспортировки водорода по трубам как альтернатива передаче электроэнергии. Но человечество пока не пошло по этому пути.

Современная органическая каталитическая химия достигла такого уровня развития, что принципиальных технологических границ между разными видами топлива фактически не стало. К примеру, ещё во времена Второй мировой войны немецкие учёные научились получать бензин из угля, тогда каталитический процесс Фишера-Тропша вносил существенный вклад в военную мощь вермахта. Вопрос преобразования одного топлива в другое определяется лишь экономической выгодой.

Рюмка на пол-литра

Традиционное топливо – это бензин и дизтопливо. Бензин используют в двигателях с принудительным зажиганием. Он представляет собой смесь лёгких фракций перегонки нефти. Это углеводороды с малыми добавками, основная задача которых – повысить детонационную стойкость. Дизтопливо, смесь более тяжёлых фракций, применяют в моторах с самопроизвольным воспламенением смеси под давлением. Плотность бензинов составляет от 70 до 79 процентов плотности воды, дизтоплива – от 80 до 86 процентов. Температурный диапазон испарения дизельного топлива сдвинут в сторону более высоких температур относительно бензинов.

Экологизацию автотранспорта во второй половине прошлого века в передовых странах начинали с устранения максимально вредных для здоровья человека топливных примесей и добавок, в первую очередь канцерогенов. Именно поэтому было запрещено применение этилированного бензина, содержащего примесь свинца. Замена его на другие антидетонаторы позволяет резко снизить загрязнение окружающей среды этим тяжёлым металлом. Кстати говоря, каталитические нейтрализаторы западных автомобилей этилированный бензин категорически «не переваривают» и мгновенно выходят из строя.

Полутрадиционным топливом сегодня можно назвать газ и спирт. Когда-то, на рубеже XIX и XX веков, они были популярнее бензина, продававшегося в аптеках в качестве лекарства. С тех пор эти разновидности топлива сохраняли свою значимость, но по разным причинам никогда не составляли существенной доли в автомобильных энергоносителях. Их применение часто было вынужденным, вызванным локальными экономическими условиями или форсмажорными обстоятельствами.

К альтернативному биотопливу относят твёрдые, жидкие и газообразные вещества, которые могут быть получены из возобновляемой биомассы растений и животных. Получение новых топливных смесей введением биотоплива – сегодня один из основных способов «оздоровления» выхлопа. За рубежом в бензин и дизтопливо часто добавляют 10–20 процентов спирта. Англия несколько лет назад даже законодательно установила обязательность пятипроцентного содержания биодобавок в любом углеводородном топливе. Такие пропорции позволяют не вносить изменения в регулировки двигателей.

Бразилия – страна зелёных…

Спирты как топливо стойки к детонации (октановое число 90) и дают меньше нагара в камере сгорания. Вредность их выхлопов снижена. Минус спиртов – это недостаток лёгких фракций, облегчающих запуск мотора, и низкая теплота сгорания. Они также провоцируют коррозию металла. Энергосодержание этанола в единице объёма примерно на треть ниже, чем у бензина.

Метанол, кроме этого, очень токсичен. Многие автомобилисты знают, как болит голова, если в салон попадают пары купленной у обочины «левой незамерзайки». Приём внутрь этого по запаху неотличимого от обычного алкоголя спирта гарантирует тяжёлую поездку на вечную стоянку.

Метанол получают из природного или биогаза, этанол – ферментацией сахаров и крахмалов, иногда целлюлозы. Бутанол изготовляют в основном из водорослей, размножающихся на солнечном свету. Его вырабатывают после извлечения из них масел, идущих на биодизельное топливо. Энергосодержание бутанола всего на десяток процентов ниже бензинов, поэтому его иногда называют биобензином. Его можно сразу заливать в бак обычного авто.

Самые известные «спиртовые» страны – это государства обеих Америк. В Латинской Америке биотопливо выгодно благодаря поддерживаемому государством производству спиртов из сахарного тростника. Широкое их использование в Бразилии определяется и несколькими десятками тысяч продающих его АЗС. В этой стране с 1993 года законодательно даже запрещена продажа чистого бензина, но в соседних государствах он есть. В США, производящих больше всех в мире сельхозпродукции, государство реализует целевые программы, поддерживающие производителей биотоплива.

Флексы

Сегодня, когда массовые автомобили часто изготовляют по модульному принципу и на одну модель приходится несколько вариантов мотора, от инженеров не требуется особых усилий по адаптации двигателя под экотопливо. Цена вопроса – пара сотен долларов. Для автомобилей, которые потребляют смеси двух видов топлива в разных пропорциях, существует специальный термин FFV (flexible fuel vehicles), означающий гибкие по топливу средства передвижения. Бензобак у них один-единственный, но в него можно заливать разные смеси. Управляющая электроника автоматически установит задержку зажигания топливной смеси и режимы её инжекции по данным электронного лямбда зонда о пропорции смеси.

В именах моделей крупных автопроизводителей обычно в том или ином варианте встречается слово flex (звучит как «флекс»). Это Flexifuel от Volvo, Total Flex от Volksvagen, Flex Power от Chevrolet, Hi-Flex от Renault, Flexifuel для европейского или Flex для бразильского варианта Ford Focus. Флекс может потреблять чистый бензин, чистый этанол Е100, а также смеси этих топлив в любой пропорции.

Рис. 2. Заправочная колонка Е85 для Flex-автомобилей,
округ Колумбия, США.

Флексы внешне никак не отличаются от традиционных автомобилей. В связи с этим известен следующий курьёз. Ещё пять лет назад две трети их владельцев в США просто не знали, чем владеют, – разницы-то в цене нет. Только три года назад продавцы стали маркировать кузова особыми шильдиками, а бензобаки – жёлтыми крышками с названиями топлива, например «E85/бензин». Буквы и цифры обозначают вид и процентную долю спиртов, например М85 содержит 85 процентов метанола в бензине. В среднем же в мире в качестве топлива наиболее популярен хорошо всем знакомый алкоголь, этанол.

В США и Европе флексы оптимизированы для доли бензина не менее 15 процентов (топливо E85). Это позволяет надёжно запускать мотор при пониженных температурах. Зимой применяют 70–75 процентов смеси. В тёплой Бразилии это не критично, там многие автомобили имеют дополнительный маленький бачок для старта при температуре ниже 15 градусов. Правда, пару лет назад появилось новое поколение автомобилей, которые в нём не нуждаются. Не стоит путать флексы с их двухтопливными и многотопливными собратьями, у которых несколько баков для разного топлива, но которым недоступно изменение пропорции смеси.

Рис. 3. Двигатель Fiat Siena 1.4 Tetrafuel.
Из пресс-материалов FIAT.

Ещё в 1996 году Ford Taurus стал первым флексом, имеющим версии для езды на Е85 или М85. Volkswagen Golf 1.6 Total Flex был первым бразильским флексом, который заправлялся смесью от Е20 до Е25 и Е100. Он был так успешен, что теперь флексы выпускают и остальные автопроизводители этой страны: Chevrolet, Fiat, Ford, Peugeot, Renault, Honda, Mitsubishi, Toyota, Citroen, Nissan. На сегодня в Бразилии «бегает» дюжина миллионов смесевых авто, на четверть меньше – в США. В остальных странах их много меньше.

Если флекс дооборудовать газобаком, он станет трёхтопливным. Как, например, Multipower Engine Chevrolet Astra. Первым же из многотопливных был бразильский Fiat Siena Tetrafuel 1.4, который мог ездить на Е25, Е100, бензине и природном газе.

Ответ Европы

Биологически возобновляемым бывает и дизельное топливо. На него идут растительные масла, животные жиры и даже рыбий жир. Энергосодержание таких топлив слегка меньше традиционного дизтоплива, а цетановое число – выше. Это значит, они требуют либо дальнейшей химической обработки, либо перенастройки моторных инжекторов и модификации мотора.

Биодизельное топливо содержит больше связанного кислорода, чем обычное, а значит, даёт меньше загрязняющих атмосферу выбросов. Это топливо лучше смазывает двигатель, но в нём нет серы, с которой связана смазочная способность обычного дизтоплива.

Обозначения биотоплива и его смесей аналогичны спиртовым, например В100, В 25, B5, B2. Аналогична и идеология его использования. В Европе его добавляют в традиционное для улучшения экологичности выхлопа. Это выгодно и экономически, так как дизельный двигатель из-за своего более высокого КПД и большего энергосодержания топлива на единицу объёма позволяет экономить больше топлива на единицу пути, чем бензиновый.

Биодизтопливо получают в государствах с развитым производством растительных масел. Можно изготовить его из подсолнечного, пальмового, горчичного, конопляного, кокосового масла, но рапсовое и соевое вне конкуренции. В США на последнее приходится 90 процентов биодизтоплива. Здесь фермеры-производители широко используют его для своих автомобилей, тракторов, сельхозмашин. Более же всего популярно биодизтопливо в Европе. Почти девять десятых его мирового производства приходится на Европейский союз.

Несколько модифицированные дизельные автомобили могут ездить и на стопроцентных растительных маслах, к примеру на использованных и отфильтрованных пищевых жирах. Три года назад даже английский «Макдональдс» анонсировал производство биотоплива из отработанных масел своих ресторанов. Для своих же автомобилей.

Однако при низких температурах масла имеют тенденцию к замерзанию, поэтому автомобиль оборудуют дополнительным бачком для старта на обычном дизтопливе. Использованное в кулинарии растительное масло иногда имеет повышенную кислотность, что ведёт к более быстрому износу двигателя. Биодизельное топливо не имеет этих проблем, его вязкость низка, кислотность нулевая.

Ёмкость мирового рынка биодизельного топлива – десятки миллионов тонн, обычного дизтоплива – на порядок больше. Совокупное производство растительных масел в мире немногим более ста миллионов тонн. Треть из них приходится на пальмовое и соевое масла.

Возвращение к истокам

Более радикальный подход – полностью поменять вид топлива. Однако здесь потребуется существенная «перенастройка» двигателя. Сегодня опять в моде незабытое старое топливо, состоящее из лёгких углеводородов. Это газ.

Рис. 4. Автобус «Икарус-280» московского 11-го автобусного
парка с CNG двигателем (дизель+метан) Cummins.
Источник: buszone.net.

Он бывает двух видов: сжатый природный (CNG – compressed natural gas), состоящий на 85–90 процентов из метана, и сжиженный (LPG – liguefied petropleum gas); попутные нефтяные и газы газоконденсатных месторождений, в основном пропан-бутановая смесь. Для создания запаса хода на многие сотни километров первый закачивают в газобаки в сжатом до пары сотен атмосфер виде, второй заливают в сжиженном при 20 атмосферах виде. Эти технологии, пожалуй, основное препятствие на пути применения данного топлива.

Газ более стоек к детонации, его октановое число – около сотни, с ним легче приготовить гомогенную смесь, он даёт меньше нагара и меньше смывает масляную плёнку со стенок камеры сгорания. При езде на таком варианте топлива сроки всех регламентных работ удлиняются, а значит, уменьшается стоимость эксплуатации автомобиля. Но самое главное: в несколько раз снижается вредность выхлопа. Сгорание природного газа даёт минимум диоксида из всех видов невозобновляемого топлива. Экологичность газа даёт возможность использовать его даже в закрытых помещениях, например на вилочных погрузчиках фирмы Mitsubishi.

Есть у газа и недостатки, основной – плохой запуск двигателя при низких температурах. Из-за образования ледяных пробок в системах топливоподачи ставят подогреватели. В холодное время года двигатель обычно запускают на бензине, а после прогрева переводят на газовое топливо.

С технической точки зрения переход на газ – один из самых простых вариантов модификации автомобиля. Она хорошо отработана и продолжает совершенствоваться. Для этого за рубежом и частично у нас серийно производятся герметичные газобаки, надёжные, управляемые электроникой редукторные системы, снижающие давление по пути от бака к камере сгорания, и пассивные и активные смесители, обеспечивающие стабильность и качество газо-воздушной смеси.

Рис. 5. Схема силовой установки Fiat Multipla Bipower.
Зелёным обозначены «газовые» части. Из
пресс-материалов FIAT.

Фирменная продукция всегда гарантирует надёжность работы двигателя на холостом ходу и отличную динамику разгона переоборудованного автомобиля. Оборудование, оснащённое микропроцессором, позволяет легко устанавливать его на инжекторные автомобили. Характеристики работы двигателя с этой системой мало чем отличаются от работы на бензине. Мощность двигателя остаётся прежней, а моторесурс и экологичность существенно возрастают. Опыт автора показывает, что на правильно оборудованном газовой системой автомобиле при переключении топлива в движении щелчком тумблера никаких изменений работы мотора заметить нельзя.

Автоконцерны давно производят и серийные автомобили с газобензиновыми двигателями. Таковы, например, итальянский Fiat Multipla Bipower или немецкий Opel Zafira CNG. Из последних отметим интеллектуальный и экологичный автомобиль Honda Civic 9 с широким набором силовых агрегатов, среди которых есть и двигатель на природном газе. А в Южной Корее, например, два года назад фирма Hyndai начала продажу инжекторного автомобиля Elantra LPI Hydbryd. Это первое гибридное авто на сжиженном газе.

Кто газует?

Во всём мире возрастает интерес к газу как альтернативному и экологичному топливу для двигателей внутреннего сгорания. Перевод автомобилей на экологичный газ становится приоритетной целью всех развитых стран – особенно с разработкой месторождений сланцевого газа в США и ряде стран Европы.

Самый распространённый газ – природный, в его потреблении лидируют Пакистан, Иран, Аргентина, Бразилия – примерно по два миллиона авто в каждой стране. На сжиженном газе в мире ездит десяток миллионов авто. В США он занимает третье по популярности место после бензина и дизтоплива. Однако во многих европейских странах на газомобили установлен более высокий дорожный налог.

У нас число автомобилей на газе тоже неуклонно растёт, хотя и медленно, в основном у коммерсантов. На территории России находится от трети до половины всех мировых запасов природного газа, так что нам сам бог велел идти по этому пути. Было принято официальное решение о том, что стоимость природного газа не может превышать некоторой доли цены на бензин. В нашей стране переход на газ для автомобилей позволяет снизить расходы на горючее примерно на треть. У нас основные потребители – «рабочие лошадки» ПАЗ, «Газель», отечественные ВАЗы, а также японские инжекторные машины. В стране 100 тысяч газомобилей, на Украине, к примеру, вдвое больше. Сейчас спрос на газ стабилен, хотя бывал он и ажиотажным – вследствие повышения цен на бензин.

Экобиоэкзотика

Мы рассказали о видах наиболее распространённого топлива, но разнообразие его чрезвычайно велико, есть и довольно экзотические вариации. Например, в Канаде успешно используют аммиак. Для езды на нём и дизельные, и бензиновые двигатели требуют минимальной модификации.

Аммиак получают из воды и воздуха в особых реакторах, питаемых от электросети. Цена его – около пятидесяти центов за литр. Хотя аммиак токсичное вещество, на практике он не более вреден, чем бензин или газ. Экология от такого топлива вообще не страдает. В выхлопе – азот и водяной пар.

Другое топливо, продукт сельского хозяйства и животноводства – биогаз эквивалентен природному метану, но он требует серьёзной очистки. Его применение определяется спецификой страны и имеющимися технологиями. Особенно много его вырабатывается летом, когда он не потребляется для отопления. В тяжёлые военные времена или в отдалённых регионах дооборудованные автомобили могут «бегать» даже на дровах, точнее на дровяном газе.

Зелёный путь

Сейчас экономическая ситуация в мире такова, что альтернативное топливо буквально дышит в спину традиционному. Первое становится выгодным, чуть второе дорожает… Плюс таким его делают административные акты государств, стремящихся обеспечить свою энергетическую и продовольственную безопасность, – далеко не у всех в мире есть источники углеводородного топлива.

Экотопливных автомобилей в мире немногим больше двух процентов, то есть речь идёт о двадцати миллионах. Если же тенденции потребления топлива сохранятся, то к середине века их число достигнет четверти всех авто.

Но сегодня задача состоит в том, чтобы выхлоп представлял собой естественное природное вещество, к примеру, воздух, азот, чистую воду, или же этого выхлопа не было бы вообще. Это принципиально разрешимая даже с двигателями внутреннего сгорания задача.