30ЛИЛ ВОАУ В Бвк АВТОМОБИПЯ
И... ПОЕХЯП?
Доктор технических наук Г.Б. ГОРЕЛИК, М.О. ПРОТАСОВ (Тихоокеанский государственный университет)
В статье приведены основные проблемы применения водотоплив-ных эмульсий в качестве альтернативного топлива для двигателей внутреннего сгорания, в первую очередь для дизелей. Приводятся материалы, подтверждающие положительные свойства водотопливных эмульсий при их использовании, например, связанные с существенным улучшением экологического воздействия дизеля на окружаю -щую среду и с обеспечением безопасной, надёжной и эффективной работы.
Статьи в СМИ с аналогичным названием можно встретить в последние годы довольно часто. Вода не обладает теплотворной способностью в отличие от применяемого топлива, но её пытаются использовать в дизелях и топках котлов в качестве балластной присадки к топливу, то есть в виде водотоп-ливной эмульсии (ВТЭ) с содержанием воды 20-30%, а дизелестроительный завод "Звезда" успешно проводил испытания с содержанием воды в диз-топливе 50-60%1.
В чём же суть вопроса, зачем добавлять инертную к сгоранию воду в топливо? Ответ лежит на поверхности: в высококачественной эмульсии (когда в топливе диаметры капель воды после соответствующей деструктивной обработки смеси не превышают 5-15 мкм) вода находится в связанном состоянии. Вот тогда ВТЭ приобретает новые и удивительные свойства - положительно влияет на физическую природу процес-
1 Воржев Ю.И. Применение водотопливных эмульсий в судовых дизелях // Двигателестрое-ние. 1986. № 12.
сов топливоподачи, смесеобразования и сгорания, улучшает работу и экологические характеристики двигателя.
Водотопливные эмульсии получили на конгрессе Э!МАС признание как альтернативное топливо. Однако изучением свойств и применением ВТЭ в эксплуатации занимается сравнительно небольшой круг инженеров и учёных. В эксплуатации из-за так называемой "водобоязни" в среде механиков к сожалению эмульсия применяется весьма ограниченно, что предопределяет актуальность экспериментальных работ по её широкому использованию.
Следует отметить большое разнообразие способов получения ВТЭ и подачи её в двигатель. Целесообразна транзитная подача эмульсии, приготовленной в малогабаритном модуле, непосредственно в двигатель. Способы приготовления реализуют смешение компонентов при различных затратах внешней энергии. Наиболее приемлемы гидродинамический, лазерный и акустический способы, при которых возможно деструктивное воздействие на ВТЭ на уровне релаксационных изменений структуры. При использовании ю ВТЭ, имеющих иные физико-механиче- § ские свойства, температурные и вяз- £ костные характеристики (и о которых | отсутствует полная информация), воз- ° никает целый круг частных вопросов и ^ задач, решение которых должно пред- I шествовать практической реализации £ ВТЭ в рядовой эксплуатации. §
Однако до сих пор не изжита "водо- | боязнь" организаций, эксплуатирующих § двигатели внутреннего сгорания, и прак- | тическое внедрение ВТЭ так и не со- | стоялось до настоящего времени. Глав- Ф
© Г. Б. Горелик, М. О. Протасов
35
ный довод противников использования ВТЭ - вода приводит к коррозии прецизионных элементов топливной аппаратуры (ТА) и деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ). То, что при этом улучшается топливная экономичность на 3-7%, снижается температура процесса сгорания, клапанов и поршня на 20-30° С, не принимается во внимание.
Более того, водяные пары в химических процессах сгорания способствуют газификации частиц углерода и снижают нагарообразование или разрыхляют уже существующие отложения на поверхностях. Например, для малооборотных дизелей 5ДКРН 50/160 и 5ДКРН 62/140, как показал эксперимент, нагарообразование уменьшается в 1.5-2 раза, а дымообразование - в 2-5 раз. Период между моточистками увеличился в 1.5 раза!
ВТЭ целесообразно использовать хотя бы только для моточистки ЦПГ и особенно ТА и распылителей. При этом отмечается снижение расхода масла на угар, уменьшение износа и прогорания выхлопных клапанов, а затраты на техническое обслуживание существенно сокращаются.
Сажеобразование происходит, как правило, у холодных стенок цилиндра и при использовании ВТЭ концентрация сажи снижается в 1.5-2 раза. Этот же эффект, но в большем масштабе, наблюдается на высокооборотных дизелях. Известно, что аморфная сажа адсорбирует на своей поверхности бенз[а]пирен и становится канцерогенной. Применение эмульсии не способствует образованию аморфной сажи, и тем самым, снижает токсичность отра-ю ботавших газов.
8 Оксиды азота (ИОх) формируются в £ зоне высоких температур при избыт-I ке кислорода, а ВТЭ снижает его кон-| центрацию и, главное, уменьшает тем-£ пературу деталей, нагарообразование 1 и выброс оксидов азота в атмосферу. ® Международная конвенция к настоя-1 щему времени резко повысила требо-| вания по содержанию оксидов азота § в выхлопе судовых дизелей. Здесь 1 применение ВТЭ следует предпочесть | использованию дорогостоящих нейтра-? лизаторов или мерам по дефорсирова-
нию рабочего процесса, приводящих к потере положительных качеств высокого газотурбонаддува в современных дизелях.
Применение ВТЭ снижает температуру отработавших газов и самого дизеля. Поэтому возможна перегрузка двигателя в течение большего времени, чем по техническим условиям на поставку. При плавании в тропиках реализуется возможность работы на полной мощности. Это особо важно для рыбопромысловых судов, которым часто приходится работать на режимах перегрузки.
Особо следует остановиться на влиянии воды на процессы сгорания и механизм износа. Индикаторный процесс в цилиндре безусловно изменяется в лучшую сторону за счёт каталитического воздействия воды на цепные реакции сгорания. Увеличивается количество активных центров, при высоких температурах молекулы воды диссоциируют на атомарный водород и кислород, способствуя реакциям окисления и сгорания. Подтверждается гипотеза о микровзрывах капель воды, охваченных оболочкой из микрокапель топлива, что улучшает смесеобразование и индикаторный процесс при преобразовании энергии топлива. Положительно решается при этом вопрос о добавке к топливу водорастворимых и не токсичных присадок, способствующих улучшению протекания рабочего процесса. Например, многие присадки плохо растворимы в топливе, но хорошо - в воде (можно повышать цетано-вое число топлива за счёт добавки, например, 5% нитрата аммония или поливинилового спирта).
Данные по износу противоречивы. И всё же преобладает информация о том, что износы в целом по двигателю снижаются на 2-3%. Во-первых, из-за уменьшения нагарообразования, во-вторых, в качественно приготовленной эмульсии при её высокой дисперсности вода находится в связанном состоянии и ВТЭ даёт нейтральную реакцию на присутствие кислот и щелочей. Диаметры капель воды сопоставимы с зазорами в прецизионных элементах ТА. Пары воды, остающиеся и
покидающие цилиндр, имеют температуру, значительно превосходящую точку росы. Следовательно, существенное водосодержание не должно усугубить коррозионные процессы в двигателе. Но при этом действительно необходимо производить пуск и останов двигателя на чистом топливе, чтобы исключить возможность появления воды при коалесценции2 эмульсии в зазорах элементов ТА и ЦПГ.
Таким образом, все вышеприведённые факты свидетельствуют о том, что ВТЭ, являясь альтернативным топливом, существенно улучшает эксплуатационные характеристики двигателей и снижает экологическое воздействие на окружающую среду. Безусловно, её применение требует определённого изменения самой ТА и внедрения системы транзитного приготовления ВТЭ, что ведёт к некоторому усложнению установки.
Вода, поглотив энергию на парообразование, в процессе такта выпуска отработавших газов выносит часть энергии из актива эффективной работы цикла. Чем выше степень форсирования (наддува) двигателя, тем меньше доля уноса располагаемой энергии и тем выше эффективность применения ВТЭ. Практика подтверждает, что применение ВТЭ даёт существенный положительный эффект как по экономии топлива, так и по улучшению многих показателей работы двигателя.
Особенности распада струи в канале распылителя и при выходе её в полость камеры сгорания непосредственно связаны с процессами сгорания топливо-воздушной смеси в основных фазах горения. Процессы топливоподачи можно раскрыть путём гидродинамического моделирования работы ТА, для чего необходимо располагать информацией по физико-механическим свойствам ВТЭ. Следует провести исследование основных свойств эмульсии и выявить отклонения в протекании процессов топливоподачи при различном водосо-
2 Коалесценция (от лат. coalesce - срастаюсь, соединяюсь) - слияние частиц (например, капель или пузырей) внутри жидкости (газа) или на поверхности тела.
держании в эмульсии. Важными свойствами ВТЭ являются сжимаемость и скорость распространения звука в ней3.
Можно утверждать, что активный ход плунжера увеличится примерно на величину 0.9 с№, где с№ - массовое водосодержание в эмульсии. В соответствии с критерием Сифмана N возрастает максимальное давление впрыскивания при незначительном увеличении продолжительности топ-ливоподачи, что положительно отразится на качестве смесеобразования и сгорания для близноминальных режимов. На частичных режимах эффект усиливается, так как уменьшается цикловая нестабильность процессов топ-ливоподачи (критерий устойчивости Х стремится к значению 0 < X < 1).
При незначительном возрастании продолжительности впрыскивания имеет место увеличение давления впрыскивания на 12%. На режиме холостого хода существенно повышается межцикловая стабильность, что способствует улучшению качества параллельной и одиночной работы (повышается топливная экономичность, снижается нестабильность частоты вращения и колебания рейки насоса высокого давления и элементов регулятора).
Более сложной задачей является сопоставительный анализ процессов распада струи впрыскиваемого чистого топлива и эмульсии. Это необходимо для того, чтобы теоретически предсказать эффект от использования эмульсий в качестве альтернативного топлива. Только при понимании природы происходящих явлений возможно целенапра
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.