Топлива с добавками воды

Первые попытки применения воды в рабочих процессах двигателей внутреннего сгорания были предприняты почти одновременно с их появлением. Еще 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., Н. 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 «Оре1» с увеличенной на 10% мощностью двигателя за счет повышения степени сжатия с 5,4 до 7,7. Для обеспечения без-детонационной 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-100II30 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 на 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 нефтесберегающие технологии применение добавок воды рас-

* Ефремов П. К. Работа двигателей внутреннего сгорания на бензовод-ных растворах/В сб. «Защита воздушного бассейна от загрязнения токсичными выбросами транспортных средств», г. Харьков: Изд-во ин-та проблем машиностроения АН УССР. 1977. Й. 262—285.

Рис. 4.15. Впрыск воды в диффузор карбюратора сматривается, главным образом, как способ снижения детонационных требований двигателя и, тем самым, экономии высокооктановых компонентов бензинов за счет снижения их октанового числа [164].

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. Бездетонаци-онная 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) явля-

Рис. 4.16. Строение эмульсий типа масло — вода (а) и вода —. масло (б):

1 — частицы эмульгатора; 2 — сольватный слой; 3 — топливо; 4 — вода ются коллоидными или дисперсными системами, что и определяет специфику их физико-химических свойств. 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 [164], 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 внут-рикапельного 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 [164]. 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.

Топлива с ненефтяными добавками | Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов | Двухтопливные композиции

Добавить комментарий