Топлива с добавками воды
Первые попытки применения воды в рабочих процессах двигателей внутреннего сгорания были предприняты почти одновременно с их появлением. Еше на заре эры автомобилизации для улучшения работы двигателя Р. Ленуара использовалась подача воды в горючую смесь. В 1884 г. Р. Банки (Венгрия) и позже, в 1906 г., И. Оствальд (Германия) создали двигатели с впрыском воды. В 30-е, годы ряд зарубежных фирм начали повсеместно использовать впрыск воды для повышения мощности двигателей. Так, в 1937 г. был испытан автомобиль «Оре!» с увеличенной на 10% мощностью двигателя за счет повышения степени сжатия с 5,4 до 7,7. Для обеспечения бездетонационной работы в двигатель подавали 20–35% воды (от расхода топлива).
В СССР примерно в это же время такой прием начали широко применять в тракторных двигателях. На протяжении 30– 40-х годов в различных районах страны мощность и экономичность тракторов была повышена на 10% и более за счет; применения впрыска воды. Для подачи воды использовали разнообразные способы – от простейших устройств с ручным управлением до промышленно изготавливаемых приборов, автоматически регулирующих впрыск воды. С 1941 г. этот метод использовали для внутреннего охлаждения поршневых авиационных двигателей с целью их форсирования на отдельных режимах, что позволило при употреблении высокооктановых бензинов Б-100/130 увеличивать мощность двигателей при взлете до 30%.
В 1947–1948 гг. советские исследователи разработали и рекомендовали применять водно-топливные эмульсии, обладающие преимуществами по сравнению с прямой подачей воды*. Тем не менее автомобилисты продолжали проявлять интерес к прямой подаче воды, которая позволяла получить эффект с помощью сравнительно простых устройств. Так, в 1953– 1954 гг. группа водителей на автобусах ЗИС-155, дооборудованных устройствами для впрыска воды, проехала около 40 тыс. км, сэкономив 6–7 л бензина на каждых 100 км пробега. В ходе широких эксплуатационных испытаний автомобили ЗИС-155 проработали с впрыском воды около 60 тыс. км, экономия топлива составила в среднем 4%. В обоих случаях экономия топлива достигалась за счет установки при работе па низкооктановом бензине наивыгоднейшего угла опережения зажигания. Однако в связи с организацией массового производства высокооктановых бензинов работы по использованию впрыска воды практически были прекращены.
В современных условиях повсеместной переориентации на пефтесберегающие технологии применение добавок воды рассматривается, главным образом, как способ снижения детонационных требований двигателя и, тем самым, экономии высокооктановых компонентов бензинов за счет снижения их октанового числа .
* Ефремов П. К. Работа двигателей внутреннего сгорания на бензоводных растворах/В сб. «Защита воздушного бассейна от загрязнения токсичными выбросами транспортных средств», г. Харьков:
Рис. 4.15. Впрыск воды в диффузор карбюратора
Прямая подача воды. Прямая подача воды в автомобильные двигатели обычно осуществляется следующими способами: 1) постоянная подача неизменного количества воды независимо от режима работы двигателя; 2) регулируемая подача воды, которая обеспечивает ее определенную долю в топливной смеси; 3) регулируемая подача воды с переменным расходом в соответствии с режимом работы двигателя. Наибольший практический интерес представляет последний способ, поскольку вода может подаваться в жидком и парообразном виде во впускной трубопровод либо непосредственно в цилиндры двигателя. И эта схема получила широкое распространение. В ней с помощью достаточно простых устройств регулируется подача воды в соответствии с режимом работы двигателя (рис. 4.15).
При прямой подаче воды в двигатель происходит снижение температуры сгорания в результате расхода тепла на подогрев и испарение воды, уменьшение скорости сгорания топливной смеси, уменьшение работы в такте сжатия, уменьшение тепловых потерь. При анализе индикаторных диаграмм рабочего процесса карбюраторных двигателей с дополнительной подачей воды установлено, что при содержании воды до 20–40% уменьшается работа сжатия, однако снижается максимальное индикаторное давление, в результате индикаторная мощность двигателя практически не изменяется.
Антидетонационный эффект воды изучен недостаточно и определяется тремя факторами: охлаждением рабочей смеси, снижением температуры сгорания и внутренним охлаждением камеры сгорания. В целом каждые 10% (масс.) воды повышают октановое число бензина на 2–3 единицы.
На практике антидетонационный эффект воды может быть реализован одним из трех способов: установкой оптимального угла опережения зажигания при работе на товарном бензине, переходом на более низкооктановый бензин при сохранении заводских регулировок автомата опережения зажигания и повышением степени сжатия двигателя. Наибольший интерес для эксплуатации представляют первые два способа. Бездетонационная работа двигателей на товарных бензинах обеспечивается заводской регулировкой автомата на более поздний угол опережения зажигания, допустимое отклонение которого от оптимального ограничивается снижением мощности или экономичности двигателя на 5%. Поэтому, с учетом эксплуатационных режимов работы автомобиля суммарная экономия топлива при оптимальном угле опережения зажигания для новых двигателей не превысит 2–3%. Однако во время эксплуатации наблюдается рост детонационных требований двигателей – в среднем на 4–6, а в отдельных случаях и на 10–15 единиц, что обычно компенсируется дополнительной корректировкой угла зажигания и ведет к еще большему ухудшению экономических показателей. В этом случае использование впрыска воды в сочетании с оптимизацией угла опережения зажигания может повысить экономичность автомобиля на 4–7%.
Антидетонационный эффект воды можно усилить с помощью водорастворимых антидетонаторов, например фенольных соединений и соединений калия.
Добавка воды изменяет состав отработавших газов карбюраторного двигателя. В наименьшей степени это сказывается на концентрации оксида углерода и более существенно – оксидах азота: при любом способе подачи воды содержание N0; снижается на 8–10% на каждые 10% добавляемой воды. Уменьшение концентрации оксидов азота объясняется снижением температуры в камере сгорания и в какой-то мере уменьшением скорости сгорания топливной смеси. В то же время добавка воды способствует повышению концентрации суммарных углеводородов. Степень увеличения выбросов углеводородов зависит от конструктивных особенностей двигателя, режима его работы, а также способа подачи воды.
Использование воды в составе водно-топливных эмульсий. Водно-топливные эмульсии представляют собой смесь из двух взаимно нерастворимых жидкостей, одна из которых (дисперсная фаза) в виде мельчайших капель равномерно распределена в другой (дисперсионной среде). Эмульсии (рис. 4.16) являются коллоидными дисперсными системами, что и определяет специфику их физико-химических свойств.
Рис. 4.16. Строение эмульсий типа масло – вода (а) и вода – масло (б):
1 – частицы эмульгатора; 2 – сольватиый слой; 3 – топливо; 4 – вода
Концентрированные эмульсии, как правило, неустойчивые системы. Согласно современным воззрениям, термодинамическая стабильность эмульсий может быть достигнута только при снижении поверхностного натяжения на границе раздела фаз и выполнении ряда других требований. В этом случае происходит, так называемое, самопроизвольное эмульгирование, в результате которого получается эмульсия с каплями дисперсной фазы вполне определенного размера, зависящего лишь от внутренних параметров системы. Устойчивость, или стабильность, эмульсий обеспечивается в первую очередь присутствием эмульгатора. В качестве эмульгаторов-стабилизаторов применяют различные синтетические ПАВ , которые добавляют в количестве не более 0,2%, что практически не отражается на эксплуатации двигателя.
При умеренных концентрациях воды (до 10%) ее влияние на важнейшие показатели качества топлива незначительно. Однако при концентрации воды свыше 20% значительно повышается теплота испарения, изменяется фракционный состав, в частности повышаются температуры начала кипения и 50%-го отгона, снижается давление насыщенных паров и скорость испарения с поверхности. В целом это ведет к ухудшению пусковых свойств и показателей работы двигателя, особенно в период прогрева и при работе на переходных режимах.
Антидетонационный эффект водно-топливных эмульсий несколько выше, чем при остальных способах подачи воды. Цетановые числа дизельных топлив при этом снижаются вследствие уменьшения температуры факела распыливания топлива, вызванного испарением воды; это снижение пропорционально концентрации водной фазы.
Вода в эмульсии типа «вода – масло» оказывает дополнительное влияние на рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания. Это обусловлено дроблением капель эмульсии в горячей среде, получившим название «микровзрывов», или внутрикапельного распыления. Именно вторичное распыление, способствующее гомогенизации заряда, интенсификации смешения воздуха и топлива и повышению полноты сгорания топливной смеси, определяет возможность улучшения экономичности автомобильных двигателей по сравнению с прямой подачей воды.
Исследования последних лет показали, что характер работы карбюраторных двигателей на водно-топливной эмульсии аналогичен работе его с прямой подачей воды во впускной коллектор . Этот факт свидетельствует о том, что хорошее внешнее смесеобразование в современных карбюраторных двигателях и подогрев топливной смеси сводит влияние эффекта вторичного распыления эмульсии к минимуму. Улучшение в некоторых случаях топливной экономичности, как правило, обусловлено антидетонационным эффектом водной фазы либо переходом от мощностного к экономичному составу топливовоздушной смеси благодаря ее фактическому обеднению при использовании эмульсии.
В отличие от карбюраторных двигателей при изучении работы дизелей на водно-топливных эмульсиях отмечается повышение индикаторного к. п. д. в основном за счет лучшего смесеобразования и сгорания. При этом значительно изменяется характер индикаторных диаграмм. Обобщение результатов испытаний дизелей показало, что при использовании эмульсий с концентрацией воды 10–20% удельные расходы топлива снижаются на 2–4%.
Для применения водно-топливных эмульсий на автомобильном транспорте можно использовать заранее приготовленные эмульсии или приготавливать их непосредственно на борту автомобиля. Каждый из вариантов имеет преимущества и недостатки. Так, в первом случае необходимость модификации системы питания двигателя сведена к минимуму, в то время как организация эмульгирования на автомобиле требует усложнения топливоподающей аппаратуры. Однако использование заранее приготовленных эмульсий менее предпочтительно из-за их плохой устойчивости, высоких температур застывания и др.
|