Водотопливная эмульсия и ее преимущества при использовании в дизельных двигателях

В среднеоборотных и малооборотных дизелях применяются более дешевые и, как правило, более тяжелые сорта топлива. Работа дизеля на тяжелом топливе вызывает ряд проблем, связанных с ухудшением процессов смесеобразования и сгорания, повышением уровня теплонапряженности, увеличением количества лакообразований и нагароотложений на деталях цилиндро-поршневой группы (ЦПГ), интенсификацией износов ЦПГ, сокращением срока службы смазочного масла.

Одним из эффективных путей решения данных проблем является применение водотопливных эмульсий, использование которых не требует каких-либо переделок двигателя, не вызывает необходимости изменения технологии изготовления топлива и не нуждается в больших капиталовложениях.

Состав и основные физико-химические свойства водотопливных эмульсий

Водотопливные эмульсии (ВТЭ) представляют собой дисперсную систему, состоящую из мелких капель жидкости (дисперсной фазы), распределенных в другой жидкости (дисперсионной). Различают прямые эмульсии типа «масло в воде», с каплями неполярной жидкости (например, топлива в полярной водяной среде) и обратные типа «вода в масле».

В дизелях применяются эмульсии обратного типа, которые исключают контакт металлических поверхностей топливной аппаратуры и стенок трубопроводов с водой. Поэтому далее будут рассматриваться свойства только этих эмульсий.

В зависимости от вида исходного топлива в состав эмульсии для облегчения образования и повышения устойчивости добавляют поверхностно-активные вещества (ПАВ) – эмульгаторы. В качестве эмульгаторов применяют мазут (1-2 %), низшие спирты (<5 %) и их сложные эфиры (0,05-0,5 %). Для получения эмульсий тяжелых топлив эмульгаторы не требуются, так как в них имеются природные ПАВ.

Показатели качества воды, используемой для получения ВТЭ, в настоящее время не регламентируются. Однако установлено, что коррозию деталей топливной аппаратуры (ТА) могут вызывать совместно действующие микроорганизмы.

Плотность ВТЭ зависит от плотности компонентов и от их количественного соотношения в эмульсии. Величина плотности рассчитывается по формуле:

где:

• ρ_э, ρ_т, ρ_в – плотность эмульсии, топлива и воды соответственно при данной температуре;
• v_т, v_в – объемные доли топлива и воды в эмульсии.

Вязкость эмульсий определяется вязкостью исходного топлива, количественным содержанием воды и температурой самих эмульсий. Вязкость ВТЭ выше вязкости исходного топлива. С увеличением содержания воды вязкость эмульсии возрастает. Согласно экспериментальным данным, получены эмпирические зависимости вязкости эмульсии для различных видов топлив от содержания воды в эмульсии ξ рис. 1, а.

По мере повышения температуры разница между величинами вязкости эмульсии и исходного топлива сокращается, и при температуре 85-100 °С вязкость эмульсии, в особенности при ξ = 15-20 %, уже мало отличается от вязкости топлива, рис. 1, б.

Температурный предел подогрева ВТЭ с целью снижения вязкости определяется температурой кипения не только топлива, но и воды. Температура начала вспенивания и вскипания для эмульсии мазута М40 при содержании воды 12,7; 20,0; 31,4; 36,0 % составляет соответственно 88; 89; 90; 92 и 103; 106; 109; 113 °С. Во избежание вспенивания подогрев ВТЭ выше 100 °С следует осуществлять в закрытых емкостях при избыточном давлении.

Поверхностное натяжение на границе дисперсной фазы и дисперсионной среды (

${\sigma }_{ж}$

) влияет на дисперсность и устойчивость эмульсии. Величина поверхностного натяжения на границе жидкость-газ (

${\sigma }_{э}$

) определяет качество распыливания и сгорания эмульсии. Чем ниже поверхностное натяжение

${\sigma }_{э}$

, тем тоньше распыл топлива и полнее его сгорание. С увеличением содержания воды зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры становится более заметной (рис. 1, а).

Стабильность водотопливной эмульсии является важным показателем ее качества с точки зрения надежности работы двигателя на ВТЭ.

Различают кинетическую и агрегативную стабильность. Кинетическая стабильность определяется устойчивостью частиц дисперсной фазы к седиментации. Она зависит от величины дисперсности и разности плотностей топлива и воды.

Агрегативная стабильность характеризуется устойчивостью частиц дисперсной фазы к коалеценции и определяется наличием эмульгаторов, которые образуют на поверхности капель воды сольватный молекулярный слой, предотвращающий их слияние.

Эмульсии типа «дизельное топливо – вода» обладают низкой кинетической стабильностью. Расслоение происходит за несколько часов. Агрегативная стабильность эмульсии такого типа гораздо выше, как это видно из рис. 2, б.

При подогреве ВТЭ дизельного топлива до температуры более 50 °С ее агрегативная стабильность снижается. Низкие температуры не оказывают заметного влияния на стабильность эмульсий.

Эмульсии моторного топлива ДТ получают без применения эмульгаторов, так как в самом топливе имеются природные эмульгаторы – смолы и асфальтены. Этим они выгодно отличаются от эмульсий дизельного топлива.

Вопрос о стабильности эмульсии можно практически не рассматривать, если ВТЭ использовать сразу же после ее изготовления.

Дисперсность ВТЭ определяется размерами капель дисперсной фазы (воды). Чем меньше размер капель водной фазы и меньше отличие их по размерам между собой, тем равномернее распределяются частицы воды в топливе и, следовательно, повышается кинетическая стабильность эмульсии.

Дисперсность зависит от плотности, вязкости, поверхностного натяжения перемешиваемых жидкостей, их количественного соотношения, способа и продолжительности диспергирования. Средний диаметр дисперсной фазы (d_k) изменяется от 1 до 50 мкм.

Дисперсность эмульсии, подаваемой в дизель, определяется видом фильтрующего материала топливного фильтра. При пропускании эмульсии с дисперсностью 6-15 мкм через войлочный фильтр d_k увеличился на 8-10 %, а при фильтрации более грубых эмульсий разница средних размеров капель возрастает до 15-17 %.

Температура застывания ВТЭ зависит от температуры застывания топлива и содержания воды в эмульсии. Вода, содержащаяся в эмульсии, повышает температуру ее застывания, что ухудшает пусковые свойства топлив при низких температурах.

Температура застывания водомазутных эмульсий колеблется в пределах 11-25 °С. Зависимость температуры застывания от содержания воды в эмульсиях на основе дизельного топлива ДЛ представлена на рис. 2, в.

Температура вспышки ВТЭ t_в(э) определяет степень пожарной опасности топлива и имеет большое эксплуатационное значение. С увеличением содержания воды в эмульсии t_в(э) возрастает, поэтому такие эмульсии при прочих равных условиях обеспечивают большую пожарную безопасность.

Теплотворная способность ВТЭ ниже, чем исходного топлива, за счет затрат тепла на испарение воды, которые прямо пропорциональны ее количеству в эмульсии. При увеличении содержания воды от 0 до 40 % теплотворная способность дизельного топлива снижается приблизительно на 5 %, а мазута М-6О – на 43,5 %.

Использование ВТЭ ведет к увеличению цикловой подачи насоса высокого давления. Это обстоятельство необходимо учитывать при переводе двигателя с чистого топлива на водотопливную эмульсию, так как цикловая подача ВТЭ не должна превышать запас по производительности ТНВД.

Способы получения ВТЭ

Установки для получения водотопливных эмульсий должны быть просты по конструкции, надежны и эффективны в эксплуатации.

Для получения ВТЭ могут быть использованы коллоидные мельницы, механические мешалки, струйные диспергаторы, барбатажные установки, ультразвуковые и кавитационные установки, гомогенизаторы, гидродинамические сирены.

Коллоидные мельницы приготавливают эмульсии высокого качества (средний диаметр капель d_k = 3-5 мкм), однако требуют больших энергозатрат и имеют малую производительность.

Механические мешалки не позволяют получить мелкодисперсную эмульсию (d_k = 12-18 мкм), хотя имеют большую производительность и меньшие затраты энергии.

Струйные диспергаторы просты по конструкции, однако необходимо дополнительное оборудование (шестеренчатые насосы) и многократная (14-15 раз) обработка для получения высококачественной эмульсии (d_k = 2-8 мкм).

Барбатажные устройства характеризуются неравномерностью распределения частиц дисперсной фазы по объему эмульсии, крупными размерами капель (d_k = 5 мкм) и высоким расходом энергии.

Ультразвуковые и кавитационные установки имеют высокую стоимость, сложны по конструкции и в эксплуатации, хотя позволяют получать эмульсию с размерами частиц d_k = 5 мкм.

Гомогенизаторы используются для получения эмульсии с размерами капель 1 мкм и менее. Однако они сложны по конструкции, работают при высоких давлениях (до 35 МПа), что ведет к преждевременному износу и поломке деталей, требует многократной обработки эмульсии и больших энергозатрат.

Гидродинамические сирены (центробежно- и роторно-пульсационные аппараты) просты по конструкции, надежны в эксплуатации, имеют малые затраты энергии, причем интенсивность процессов тепло – и массообмена в них на 1-2 порядка выше, чем в существующих устройствах.

В роторно-пульсационном аппарате (РПА) при одно-двухкратной обработке можно получить эмульсию со средним размером частиц 3-6 мкм, причем время обработки составляет 20-30 с, что на 2-3 порядка меньше, чем при получении такой же эмульсии в аппарате с мешалкой. Доля частиц среднего размера доходит до 90-95 %. Принципиально возможно получение эмульсий с размером частиц d_k = 0,5-1 мкм.

Рабочие органы РПА (например, а. с. СССР № 719654) представляют собой два комплекта полых коаксиальных цилиндров с отверстиями различной формы вдоль образующих. При вращении одного набора (ротора) относительно другого (статора) происходит быстрое чередование совмещения и перекрытия прорезей, что влечет за собой синхронное изменение скорости движения жидкости через прорези, т. е. возникновение пульсирующего с большой частотой жидкостного потока. Одновременно в этом же устройстве обеспечивается обработка среды в тонких зазорах за счет высоких напряжений сдвига и срезывающих усилий. Кроме того, при работе РПА возникают разнонаправленное поле скоростей, процессы в пристеночных зонах, кавитация и другие явления.

Изменения отдельных конструктивных элементов позволяют в широких пределах изменять интенсивность гидродинамических или механических явлений при сохранении общего принципа работы аппарата.

Установки для получения эмульсий отличаются различными затратами энергии. Как видно из рис. 3, механические мешалки потребляют значительно меньше энергии, чем коллоидные мельницы или гомогенизаторы при той же производительности. Однако получаемая эмульсия имеет большую дисперсность, чем у аппаратуры других типов.

По данным исследований, мощность, потребляемая РПА, на два порядка меньше, чем у мешалки, в 4-6 раз ниже, чем в ультразвуковом диспергаторе, и меньше, чем у струйного аппарата. Поэтому роторно-пульсационные аппараты являются наиболее экономичными по сравнению с устройствами других типов.

Анализ систем по приготовлению ВТЭ свидетельствует о том, что существуют два принципиальных подхода к их реализации. Первый подход предусматривает приготовление ВТЭ вне связи с работой двигателя, причем эмульгирование осуществляется в системе топливоподготовки с накоплением готовой ВТЭ в промежуточных емкостях для относительно длительного хранения.

Компоненты ВТЭ хранятся отдельно и отдельно проходят стадии предварительной обработки, эмульгирование топлива выполняется в однорежимных (по производительности, содержанию воды и ее дисперсности) диспергаторах. Для хранения запаса ВТЭ предусматриваются специальные емкости. Фильтрация ВТЭ осуществляется перед ТНВД. Регулирование состава ВТЭ по содержанию воды отсутствует.

В таких установках возможно использование относительно простых по конструкции диспергирующих устройств с малой интенсивностью массообмена (мешалок, дросселирующих устройств и т. д.).

К недостаткам этой системы относится невозможность оптимизации содержания воды по нагрузке двигателя, сложности реализации его работы на тяжелых топливах, необходимость применения эмульгаторов, сложность фильтрации ВТЭ, перевода дизеля для работы на чистом топливе и удаление ВТЭ из системы топливоподготовки при остановке двигателя.

Второй подход к реализации системы приготовления ВТЭ предусматривает диспергирование топлива непосредственно перед ТНВД. При этом компоненты ВТЭ хранятся отдельно и стадии первичной обработки (фильтрация, подогрев) также выполняются отдельно. Такой подход позволяет оптимизировать содержание воды и других компонентов в ВТЭ в зависимости от типа двигателя, режимов его работы, сорта топлива и приоритета цели – экономия топлива, перевод двигателя на более тяжелое топливо, форсирование по мощности, снижение дымности и токсичности.

К положительным качествам такой системы относятся простота очистки исходных продуктов ВТЭ, возможность работы на тяжелых топливах, требующих подогрева до 100-150 °С перед ТНВД, и простой перевод дизеля с чистого топлива на ВТЭ и обратно. Данная система не требует дополнительных затрат на поддержание стабильности эмульсии, так как ВТЭ расходуется сразу после ее получения.

Однако этот вариант требует установки диспергатора, обеспечивающего получение ВТЭ необходимого качества при однократной обработке.

Сравнивая два подхода к реализации систем приготовления ВТЭ, можно сделать вывод, что система приготовления эмульсии непосредственно перед ТНВД является наиболее выгодной в эксплуатации. Она дает возможность оптимизировать содержание воды в ВТЭ при изменении режима работы двигателя, исключает применение дорогостоящих эмульгаторов для поддержания стабильности эмульсии, является менее энергоемкой.

Особая роль воды в процессе смесеобразования объясняется исследователями следующим образом. Эмульсия представляет систему, состоящую из двух жидкостей с разной температурой кипения:

• температура кипения воды при нормальном давлении равна 100 °С;
• а мазута – 260-300 °С.

Капля эмульсии типа «вода в масле» представляет собой сложную систему, состоящую из топлива, в котором равномерно в виде мелких частиц распределены капельки воды. Хотя температура поверхности капли жидкости в процессе ее испарения несколько меньше температуры кипения, разница между температурой поверхности частицы топлива и температурой кипения воды, заключенной внутри капли топлива, остается весьма существенной и достигает 70-200 °С.

Благодаря этому микрочастицы воды, находящейся внутри капли эмульсии, в процессе ее прогрева быстрее переходят в парообразное состояние и образуют паровые пузырьки, чем пленка топлива, обволакивающая эти пузырьки пара. При этом толщина пленки топлива вследствие испарения с поверхности капли непрерывно уменьшается. В момент, когда давление стремящихся расшириться водяных паров внутри частицы превысит уже ослабленные (вследствие ее нагревания) силы поверхностного натяжения пленки, произойдет разрушение поверхности капли, т. е. микровзрыв. Вследствие этого происходит интенсивное распыливание капель топлива и хорошее перемешивание их с воздухом в цилиндре.

Благодаря этому процесс сгорания топлива становится более совершенным и происходит за меньший промежуток времени. Более полное сгорание в этом случае обеспечивается также газификацией сажистых остатков топлива, которые обычно не успевают сгорать, но в присутствии паров воды в достаточном количестве взаимодействуют с последними при температуре выше 800 °С с образованием углекислого газа и водорода. Свободный водород реагирует с кислородом быстрее и активнее, чем углерод. Существование таких реакций наглядно подтверждается тем, что при впрыске воды во всасывающий коллектор двигателей внутреннего сгорания нагара и сажи на днище поршня, крышке цилиндра и на выпускном патрубке, как правило, не обнаруживается.

Существует мнение, что улучшение процесса смесеобразования объясняется также выбросом паров воды и осколков топлива в виде нестационарных микроструй из капли топлива при сгорании ее в цилиндре двигателя. Образующиеся микроструи создают реактивную силу, которая вызывает колебания капли в потоке, повышает коэффициент диффузии и ведет к турбулентному перемешиванию частиц в струе распыленного топлива.

При использовании водотопливной смеси особо важное значение имеет предварительное сильное диспергирование воды. При этом увеличивается абсолютная величина водяной поверхности и уменьшается толщина слоев углеводородов, покрывающих поверхность воды. Увеличение абсолютной поверхности жидкого топлива ведет к сильному увеличению скорости его испарения и сгорания. Благодаря наличию паров воды должно иметь место интенсивное образование свободных радикалов H · и · ОН и, следовательно, зарождение цепной реакции крекинга и окисления, например:

В результате этих реакций температура окружающей среды падает и в какой-то степени увеличивается теплотворная способность топлива, что ведет к повышению экономичности работы дизеля.

Интенсивность процессов смесеобразования, сгорания и в целом экономичность дизеля при работе на ВТЭ определяются в основном двумя факторами – увеличением поверхности испарения топливных факелов и продолжительностью впрыска топлива. Изменение физических характеристик различных топлив определяет лишь конкретную величину суммарного эффекта от упомянутых факторов. Вода замедляет процесс сгорания топливного компонента в эмульсии.

Экспериментальные исследования ВТЭ на двигателе 1ЧН26/34

Для экспериментальных исследований двигатель 1ЧН26/34 был оснащен системой приготовления ВТЭ на основе тяжелых топлив (рис. 4), которая обеспечивала:

• возможность регулирования содержания воды в топливе от 0 до 50 % с размером капель эмульгированной в топливе воды 2-4 мкм,
• заданную вязкость ВТЭ перед топливным насосом высокого давления;
• раздельные замеры расходов компонентов ВТЭ (топлива и воды).

Испытания проводились на режимах ρ_e = 1,7 МПа и ρ_e = 0,9 МПа на ВТЭ на основе флотского мазута Ф5 (вязкость 36 мм²/с, плотность 0,92 г/см³). Результаты испытаний дизеля на ВТЭ с различным содержанием воды (ξ = 0 – 30 %) при скорости плунжера 1,28 и 1,59 м/с приведены на рис. 5.

Из них следует:

• наилучшая экономичность (g_e и g_i) наименьшая продолжительность сгорания φ_z имеют место при ξ = 18-20 %;
• максимальное давление сгорания ρ_max, температура отработанных газов t_g и содержание в них окислов азота e_NO с увеличением содержания воды в ВТЭ снижаются;
• продолжительность догорания капли ВТЭ φ_g снижается, а продолжительность подачи ВТЭ в цилиндр φ_кп возрастает с увеличением воды в эмульсии;
• период задержки воспламенения φ₁ мало зависит от содержания воды в эмульсии.

При почти одинаковых опережениях впрыска ВТЭ (12,6° п. к. в.) и чистого топлива (12,8° п. к. в.) и периода их подачи (28,2° п. к. в. и 28,5° п. к. в.) продолжительность процесса сгорания φ_z на ВТЭ с содержанием воды 18 % снизилась на 20 %, а топливная экономичность возросла на 2-3 %. Это объясняется прежде всего увеличением суммарной поверхности топливного факела ВТЭ (а, следовательно, и скорости испарения) на 21-25 %.

В результате экспериментальных исследований по применению ВТЭ в других среднеоборотных дизелях установлено, что их экономичность, как правило, улучшается на 2-5 % при содержании воды в эмульсии от 10 до 39 %.

Величина изменения экономичности при переводе дизеля на ВТЭ определяется индикаторным КПД рабочего процесса при работе на чистом топливе. Чем меньше индикаторный КПД, тем больший эффект в улучшении экономичности оказывает применение ВТЭ (за счет интенсификации смесеобразования и сгорания).

Для дальнейшего улучшения процесса сгорания ВТЭ в дизеле была разработана система ее двухкомпонентной подачи. Для ослабления отрицательного воздействия увеличения продолжительности впрыскивания на эффективность применения ВТЭ необходимо на конечных стадиях процесса топливоподачи увеличить концентрацию воды, сократив тем самым время выгорания топливного компонента при неизменном общем содержании воды в ВТЭ. Это ставит задачу получения водотопливной смеси (ВТС) переменного состава, в которой в отличие от водотопливной эмульсии, где концентрация воды постоянна во всем объеме цикловой подачи, поступление водяного компонента в период одного впрыска происходит по определенному закону. Для этого используется способ, заключающийся в подпитке водой линии высокого давления (ЛВД) при ее разгрузке между двумя впрыскиваниями за счет разгружающего действия.

Для проведения экспериментальных исследований дизель 1ЧН26/34 был оборудован системой подачи воды в трубопровод высокого давления ТНВД. При анализе полученных результатов было отмечено следующее: при работе дизеля на режимах малых нагрузок (до 30 %) практически не ощущалось разницы при использовании ВТЭ постоянного состава и ВТЭ переменного состава. При увеличении нагрузки до 75 % и выше преимущество последней становилось очевидным. В этом случае топливная экономичность дизеля улучшалась на 4-5 % . Наиболее оптимально впрыск воды в цилиндр двигателя производить после начала воспламенения топлива.

Исследование ВТЭ на основе дизельных и высоковязких топлив

Целью этих исследований является улучшение экологических показателей легких быстроходных четырехтактных дизелей за счет предотвращения образования и снижения выхода окислов азота и вредных продуктов неполного сгорания топлива при сохранении (или улучшении) достигнутого уровня экономичности. Для достижения поставленной цели было выполнено следующее:

• комплексное экспериментальное исследование эффективности «традиционных» методов организации малотоксичного рабочего процесса;
• теоретическое и экспериментальное исследование возможностей улучшения экологических показателей дизелей типа Ч9,5/11, ЧН9,5/11, ЧН18/20, ЧН16/17
• выбор эмульгаторов, диспергатора, разработка систем дозирования;
• изготовление высококонцентрированных малодисперсных стабильных ВТЭ.

Экспериментальные исследования «традиционных» методов организации малотоксичных процессов сгорания в дизельных двигателях (регулировка ТА, охлаждение наддувочного воздуха и пр.) показали, что с их помощью удается достигнуть улучшения экологических показателей не более чем на 10-30 % при сохранении достигнутого уровня экономичности. При работе же дизеля 12ЧН 18/20 (АООТ «Звезда») на ВТЭ с оптимальным соотношением воды и топлива на режиме номинальной мощности обеспечивается снижение выхода окислов азота в 2-4 раза, окиси углерода в 2 раза, дымности в 2-4 раза, с одновременным повышением топливной экономичности на 3-5 % и сохранением уровня максимального давления (рис. 6).

В целом же применение ВТЭ на основе тяжелых и дизельных топлив значительно снижает нагарообразование деталей цилиндропоршневой группы и элементов топливной аппаратуры.

Фирма Wartsila (Италия) провела исследования возможности использования в четырехтактном среднеоборотном двигателе водотопливной эмульсии, приготовленной на базе битума. Эта эмульсия зарегистрирована фирмой Bitor (Венесуэла) и названа Orimulsion (табл. 1), изменение ее динамической вязкости приведено на рис. 7.

Испытания проводились на двигателе W6L46 (6ЧН46/58) с частотой вращения коленчатого вала 500-514 мин^-1 при среднем эффективном давлении 2,3-2,5 МПа и максимальной цилиндровой мощностью (905-975) кВт. На двигателе установлена специальная новая топливоподающая аппаратура и реализованы мероприятия по снижению кавитации и износов.

Водотопливная эмульсия подогревалась до температуры 170-180 °С при давлении 1,5—1,7 МПа и подавалась к топливной аппаратуре дизеля. Проводились сравнительные испытания на тяжелом топливе и водотопливной эмульсии (рис. 8)

Отмечается, что дизель не был оптимизирован для работы на тяжелом топливе, но удельный расход водотопливной эмульсии ниже на – 1 г/кВт · ч во всем диапазоне нагрузок. Другие параметры рабочего процесса отличаются друг от друга незначительно, кроме снижения токсичности выпускных газов.