Водотопливная эмульсия (ВТЭ) представляет собой организованную структурированную систему из двух взаимно нерастворимых и несмешивающихся жидкостей (вода и топливо), равномерно распределенных по всему объему смеси.
Важным показателем качества ВТЭ является стабильность, от которой во многом зависит надежность работы дизеля. При этом различают кинетическую и агрегативную стабильность.
Кинетическая стабильность характеризуется устойчивостью частиц воды в смеси, а агрегативная определяется наличием эмульгаторов, которые образуют на поверхности капель воды молекулярный слой, предотвращающий их слияние. Эмульсия в виде «дизельное топливо — вода» обладает низкой кинетической стабильностью, поскольку расслоение ВТЭ происходит за несколько часов. Агрегативная же стабильность такой эмульсии выше. Однако при подогреве ВТЭ до 50 °С она снижается, а низкая температура не оказывает на нее заметного влияния.
Дисперсность ВТЭ определяется размерами капель воды, средний диаметр которых составляет 4... 20 мкм. При этом чем меньше размеры капель и чем они однороднее, тем равномернее распределяются частицы в смеси и выше кинетическая стабильность ВТЭ. При создании высокостабильных ВТЭ на основе применения эффективных диспергаторов и стабилизаторов с размером частиц 1... 3 мкм удается достичь содержания здесь воды 50—55 %, вследствие чего плотность и вязкость ВТЭ возрастают, поверхностное натяжение увеличивается, температура застывания и вспышки повышается, теплотворная способность снижается, а показатели токсичности и дымности улучшаются.
Помимо указанных выше реакций капли воды оказывают сложное воздействие на процессы смесеобразования и сгорания топлива. Поскольку температура кипения мазута при нормальном давлении составляет 260—300 °С, а воды 100 °С, то последняя начинает кипеть раньше топлива, и микрочастицы воды образуют при этом паровые пузырьки. Испаряющаяся пленка топлива становится тоньше, и в итоге пары воды вследствие микровзрыва разрушают каплю, которая дробится, а ее частицы интенсивно испаряются и перемешиваются, ускоряя процесс. Микроструи от выбросов паров воды увеличивают турбулентное перемешивание частиц воды в струе распыленного топлива, благодаря чему процесс его сгорания становится более совершенным.
При использовании на дизелях ВТЭ вследствие указанного их действия снижается теплонапряженность их деталей, создаются предпосылки для форсирования двигателя по мощности до 25 % без заметного повышения свойств указанных деталей. При этом уменьшается уровень нагаро- и лакообразования, снижается расход масла, существенно снижается дымность и токсичность (оксид углерода и оксиды азота) отработавших газов (до 60 %).
Вместе с тем качество работы дизеля на ВТЭ существенно зависит от содержания в ней воды. Так, для дизеля марки ЯМЭ-238Л установлено, что в наиболее часто используемом диапазоне частот вращения коленчатого вала (1400... 1800 мин-1) при содержании в ВТЭ воды на уровне 20 % уменьшаются максимальный крутящий момент (на 10 %), эффективная мощность (на 15 %), коэффициент наполнения и эффективный КПД (на 10 %), а удельный эффективный расход топлива увеличивается (на 10%). Однако при этом концентрация СО в отработавших газах уменьшается при работе в скоростном режиме на 40—50 %, а в нагрузочном — на 20—30 %. Концентрация оксидов азота снижается при работе в скоростном режиме на 25 %, а при нагрузке — на 10—18 %. Следовательно, существенное улучшение экологических показателей здесь сопровождается ухудшением мощностных характеристик дизеля, из-за чего возникает необходимость в регулировании топливной аппаратуры в сторону увеличения ее производительности для сохранения исходной мощности ДВС.
Таким образом, встает необходимость решить вопрос предельно допустимого соотношения в ВТЭ воды и топлива. Известно, что устойчивое горение высококачественной ВТЭ (размеры частиц воды от 1 до 10 мкм) обеспечивается при предельном содержании в ней воды до 65—67 %. Уменьшение содержания воды в ВТЭ до 20—35 % не вызывает резкого снижения показателей процесса горения. Однако изменение состава ВТЭ в сторону увеличения содержания воды свыше 74 % может привести к так называемому обращению фаз, что вызывает резкое возрастание вязкости системы, эмульсия желатинируется и приобретает свойства геля, вследствие чего желеобразные сгустки ВТЭ забивают проходное сечение топливного трубопровода и топливного фильтра, и нормальная работа ДВС на ВТЭ нарушается.
Подано воды в жидком виде отдельно от топлива применяется как в дизельных, так и в бензиновых ДВС. Реализация рабочего цикла при подаче воды в цилиндры карбюраторного ДВС дополнительной форсункой обеспечивает максимальное снижение в отработавших газах оксидов азота на 69 % и оксида углерода на 13 %. Влияние же воды на основные параметры рабочего процесса дизеля в значительной степени зависит от условий ее впрыска в цилиндры.
Впрыск воды перед впускными клапанами несколько уменьшает мощность и экономичность ДВС, но здесь существенно снижаются максимальное давление сгорания и температура головки цилиндров. Впрыск с предварительным достаточно полным испарением воды перед цилиндром дает прирост мощности вследствие увеличения расхода воздуха, но при этом снижение максимального давления сгорания и температуры цилиндров намного меньше, чем при впрыске вблизи впускных клапанов.
В отличие от работы дизеля на ВТЭ при подаче воды во впускной трубопровод к моменту поступления топлива в цилиндре уже имеется нагретая до высокой температуры сжатая смесь воздуха с парами воды, которая, как указывалось выше, диссоциирует на активные радикалы ОН и Н, играющие существенную роль в инициировании процессов горения и увеличивающие концентрацию активных центров, влияя на кинетику химических превращений промежуточных продуктов окисления.
При испытаниях дизеля Д-21А1 с указанной подачей воды установлено, что ее оптимальный расход должен составлять 50—100 % к расходу топлива. При этом наиболее существенное влияние оказывается на содержание оксидов азота в отработавших газах во всем диапазоне частот вращения. Здесь наибольший эффект достигался при малых частотах вращения (1200... 1400 мин-1), а при увеличении частоты вращения эффект от подачи воды уменьшается. Тем не менее при подаче 100 % воды к расходу топлива при частоте вращения 1800... 2000 мин-1 снижение содержания оксидов азота в отработавших газах составляет до 50—75 %. Однако при этом наблюдается незначительный рост содержания в отработавших газах углеводородов, оксида углерода и углерода (сажи). Для сравнения укажем, что при подаче воды во впускной трубопровод дизеля марки ЯМЗ-240 автомобиля БелАЗ-540А в количестве 30—40 % к расходу топлива выделение оксидов азота уменьшилось в среднем на 30 %, а нагарообразование в цилиндрах снизилось в 2—3 раза.
В рассматриваемом способе возможна подача воды более 100 % к расходу топлива. Однако, поскольку качественное испарение воды при существующих температуре и давлении во впускном трубопроводе ограниченно, то часть воды в виде капель попадет в цилиндры ДВС, отнимая теплоту у их стенок и ухудшая условия горения топлива в присутствии избыточной влаги.
Подача воды в ДВС в виде пара является относительно новым способом повышения его экологических показателей, что подтверждается соответствующими исследованиями. Так, для ДВС с турбонаддувом за рубежом создана система, в которой насыщение парами воды сжатого в компрессоре воздуха осуществляется в специальном аппарате испарительного увлажнения, после которого воздух с относительной влажностью около 99 % поступает в дизель. Передача влаги высокотемпературному (около 170 °С) воздуху в водоиспарительном аппарате осуществляется в насадке регулярной структуры, орошаемой потоком горячей воды, которая подогревается в специальном теплообменнике, утилизирующем энергию отработавших газов ДВС. Процесс увлажнения воздуха в такой системе происходит с авторегулированием в соответствии с нагрузочным режимом ДВС.
В системе после насадки предусмотрен сепаратор капельной влаги, что исключает ее попадание в цилиндры ДВС. При подаче воды до 260—300 % к расходу топлива конденсации влаги в цилиндрах не происходит. При таком увлажнении топливовоздушной смеси выявлено значительное снижение содержания оксидов азота в отработавших газах (до 80 %), несущественное увеличение СО, СmНn и сажи, незначительное влияние системы на расход топлива (±0, 5 %).
Однако в системе водоиспарительного насыщения топливовоздушной смеси также встает необходимость решения вопроса рационального соотношения количества воды и топлива, например, для рассмотренного ранее дизеля Д-21А1.
Для сжигания 1 кг дизельного топлива требуется 14, 5 кг воздуха. Как показано выше, для существенного снижения токсичности выбросов дизеля достаточно создать насыщение парами воды не менее 30 % от массы содержащегося в смеси топлива.
Водород. Этот вид альтернативного топлива рассматривается в настоящее время как один из возможных заменителей бензина и дизельного топлива. Водород — очень перспективный энергоноситель. При его сгорании образуется тепло и вода.
Будущее водородного топлива эксперты связывают, прежде всего, с топливными элементами, в которых происходит соединение водорода и кислорода с образованием водяного пара и электричества. Многие фирмы (Ford, General Motors, Toyota, Nissan и др. ) уже представляют концепткары с такими топливными элементами. Водородные заправки уже появились в Германии, Японии, США. В Калифорнии строят первые станции по электролизу воды, использующие ток, выработанный солнечными батареями.
Водородный топливный элемент представляет собой устройство, преобразующее химическую энергию реакции соединения водорода с кислородом в электричество:
1) водород поступает на анод топливного элемента, где атомы разлагаются на электроны и протоны. Для ускорения процесса используют катализатор;
2) электроны поступают в электрическую цепь, создавая ток;
3) протоны проходят через полимерную электролитическую мембрану;
4) кислород (из окружающего воздуха) поступает на катод и соединяется с протонами и электронами водорода, образуя воду;
5) побочными продуктами реакции являются тепло и водяной пар.
Рис. 5. Схема водородного топливного элемента
Примером системы снабжения водородом автомобиля, источником энергии которого служит топливный элемент, является схема, представленная в патенте Российской Федерации RU 2265920.
Транспортное средство 1 с размещенной на нем установкой по производству водорода производит подачу водорода в пункт снабжения водородом 13. На платформе транспортного средства размещена система получения водорода 5. Система получения водорода содержит размещенные в контейнере 7 мембранную реформинг-установку 11, испаритель 4, водородный компрессор 8, водородный резервуар 6, резервуар с растворителем СО2 2, резервуар с исходным веществом 3.
За счет использования мембранной реформинг-установки система получения водорода получается компактной.
В пункте 13 снабжения водородом транспортное средство, на котором размещена установка по производству водорода, может получать бытовой газ 10, электрическую энергию и воду 9. Испаритель 4 предназначен для подачи водяного пара, используемого в процессе парового реформинга бытового газа. Полученный водород сжимают с помощью компрессора 8 и запасают в водородном резервуаре 6 или же в водородном резервуаре 12, установленном в пункте снабжения водородом. Двуокись углерода, образующаяся в процессе получения водорода, поглощается абсорбентом, например амином (растворитель СО2), находящимся в резервуаре 2 с растворителем СО2.
Рис. 6. Схема пункта снабжения водородом и транспортного средства с системой получения водорода:
1 — транспортное средство с установкой получения водорода; 2 — резервуар с растворителем СО2; 3 — резервуар с исходным веществом; 4 — испаритель; 5 — система получения водорода; 6, 12 — водородный резервуар; 7 — контейнер; 8 — водородный компрессор; 9 — подача воды/энергии; 10 — подача бытового газа; 11 — мембранная реформинг-установка; 13 — пункт снабжения водородом; 14 — автомобиль, заправляющийся водородом; 15 — заправочная колонка высокого давления
Пункт снабжения водородом обеспечивает подачу водорода в автомобиль 14, использующий, топливный элемент как источник энергии, с помощью заправочной колонки 15 высокого давления.
Есть еще один путь внедрения водорода на автотранспорте — это сжигание его в ДВС. Такой подход исповедуют BMW и Mazda. Перевод на водород ДВС не только делает их экологически более безопасными, но и повышает термический КПД. Водород обладает намного более широким, по сравнению с бензином, диапазоном пропорций смешивания его с воздухом, при которых еще возможен поджиг смеси.
К недостаткам водорода как топлива необходимо отнести следующее: он отличается повышенной взрывоопасностью, для его хранения необходимы специальные способы и оборудование, высокая себестоимость получения водорода.
Газообразный водород в соединении с биогазом тоже является видом альтернативного топлива, при сгорании которого не выделяется СО2. Газообразный водород можно получить в результате газификации биомассы или электролизом воды.
Используемая литература: Графкина М. В., Михайлов В. Л., Иванов К. С.
Экология и экологическая безопасность автомобиля : учебник / М. В. Графкина, В. А. Михайлов, К. С. Иванов. — М. :
ФОРУМ, 2009. — 320 с. — (Высшее образование).
Скачать реферат: