Обзор применения водно-топливных эмульсий в ДВС

В нашей стране исследуется возможность применения в качестве моторного топлива водно-топливных эмульсий (ВТЭ), позволяющих повысить экономичность двигателей и снизить токсичность отработавших газов. Удорожание жидкого топлива и возрастание нагрузки на окружающую среду продуктами его сгорания приводит к необходимости поиска путей его экономии и способов сжигания, обеспечивающих уменьшение выбросов вредных веществ. Одним из таких путей является применение в качестве моторного топлива водо-топливных эмульсий (ВТЭ).

По сравнению с обычным дизельным топливом использование гомогенизированной водно-топливной смеси позволяет повысить коэффициент сжигания топлива и уменьшить вредные выбросы в атмосферу. Механизм этого эффекта объясняется следующим.

Дизельное топливо, поступая в камеру сгорания, распыляется форсункой. Дисперсность капель дизельного топлива составляет 0,03…0,1 мм. Если в такой капле топлива находятся включения более мелких капель воды с дисперсностью около 1…5 мкм, то, попадая в область высокой температуры в цилиндре двигателя, капли взрываются, разрывая частицы топлива на множество более мелких частиц, образуя «вторичный распыл». Это обусловлено большой разницей температур кипения топлива (200…360°С) и воды (100°С).

Описанное выше явление обусловливает высокую скорость испарения топлива в цилиндре двигателя и более быстрое и полное выгорание его легких составляющих на первом этапе горения. Далее, на втором этапе горения, при достижении высокой температуры в цилиндре двигателя от горения легких фракций топлива, пары воды и топлива диссоциируют на активные радикалы (Н, ОН и др.). Эти радикалы, являющиеся катализаторами горения углерода, значительно сокращают время горения тяжелых составляющих топлива, в первую очередь остатков сажи. В результате, на заключительной стадии горения топлива в цилиндре двигателя, время выгорания остатков сажи, составляющее до 40 % общего времени горения капли обычного топлива, у эмульгированных топлив существенно сокращается. При этом суммарная скорость и полнота сгорания в цилиндре двигателя вязких топлив в виде ВТЭ становится примерно равной скорости сгорания легких дизельных топлив. И, как результат, вязкое топливо полностью успевает сгорать даже в цилиндрах высокооборотных дизелей, резко снижаются отложения нагаров на деталях ЦПГ. Имеется положительный опыт работы высокооборотных дизелей типа Ч 8,5/11; Ч 12/16; Ч 13/14 на эмульсии вода — моторное топливо. Вредного воздействия на детали топливной аппаратуры частицы воды водо-топливной эмульсии не оказывают, так как их размеры меньше зазоров в плунжерных парах и форсунках, а частицы воды окружены снаружи плотной пленкой топлива, предохраняющей от непосредственного контакта металла с водой.

Основной задачей при проектировании подобных систем является разработка критериев оптимизации и их формализация для целей управления.

Рис. 1. Зависимость дымности отработавших газов от концентрации воды в ВТЭ при реостатных испытаниях дизеля ПД-1М тепловоза ТЭМ-2

Рис. 2. Зависимость удельного расхода топлива от концентрации воды в ВТЭ при реостатных испытаниях дизеля ПД-1М тепловоза ТЭМ-2

На основе анализа этих данных можно сделать следующие общие выводы о характере изменения показателей токсичности и экономичности в зависимости от количественного соотношения компонентов эмульсии: при изменении концентрации воды в ВТЭ показатели токсичности ОГ (СО, дымность и т. д.) в установившихся режимах (при фиксированной нагрузке) монотонны или имеют экстремальное поведение с одной точкой экстремума (выпуклость функций статических характеристик), характер монотонности (возрастание или убывание) зависит от конструкции топливной аппаратуры, типа двигателя и др; показатель экономичности (удельный расход топлива при фиксированной мощности) имеет экстремальный характер в зависимости от концентрации воды в ВТЭ с участком минимального удельного расхода в некотором интервале изменения С_w; в силу ряда физико-химических особенностей сгорания ВТЭ в ДЭУ точки экстремума статических характеристик по экономическим и экологическим показателям не совпадают [1].

Рис. 3. Показатели токсичности не превышают соответствующих ПДК в диапазоне допустимых C_w. Оптимальная концентрация-точка минимума статической характеристика удельного расхода топлива

Рис. 4. Показатели токсичности не превышают соответствующих ПДК в некотором интервале изменения C_w, включающем интервал экстремального поведения кривой расхода чистого топлива

Таблица 1

Предельно допустимые концентрации основных загрязняющих веществ ватмосферном воздухе

К преимуществам водо-топливных эмульсий можно отнести:

− Уменьшается нагарообразование, повышается надежность работы цилиндропоршневой группы, газо-выпускного тракта, топливной аппаратуры, увеличивается срок между очистками топливных фильтров [2];

− С уменьшением температуры выпускных газов снижается тепло-напряженность деталей цилиндропоршневой группы, скорость загрязнения смазочного масла;

− Снижается токсичность отходящих газов.

− Наличие в составе СЭУ специальной аппаратуры для приготовления эмульсий;

− низкая седиментационная устойчивость (недостаток устраняется при использовании специальных присадок или поверхностно-активных веществ).

Применение альтернативных топлив в судовых энергетических установках позволит снизить зависимость от нефтяных топлив и повысить экологическую эффективность судов. Использование водно-топливных эмульсий в СЭУ уже является реальностью. В ближайшей перспективе — увеличение доли альтернативных топлив в общем объеме и постепенное замещение ими традиционных на флоте мазута и дизельного топлива.

Литература:

1. Промтов М. А. Пульсационные аппараты роторного типа: теория и практика. Монография. — М.: Машиностроение
2. Кормилицын В. И., Лысков М. Г., Ромакин С. С., Рудаков В. П., Шмырков О. В. Повышение экономичности сжигания топлива в паровых котлах изменением характеристик топливного факела в топке. Энергосбережение и водоподготовка.