1.3 Вододизельное топливо

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 водотопливных эмульсий (ВТЭ).

По сравнению с обычным дизельным топливом использование гомогенизированной водотопливной смеси позволяет повысить коэффициент сжигания топлива и уменьшить вредные выбросы NO_x и CO 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 [10]. 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 сажистых остатков. В результате, на заключительной стадии горения топлива в цилиндре двигателя, время выгорания сажистых остатков, 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 (труды Новосибирского института водного транспорта). Вредного воздействия на детали топливной аппаратуры частицы воды водотопливной 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 [10].

Исследования эффективности использования ВТЭ в качестве моторного топлива, проведенные Санкт-Петербургским государственным технологическим институтом [11], показывают, что двухцилиндровый дизельный двигатель с воздушным охлаждением Д-21 А (для трактора Т-25А), при его торможении на стенде, развивал установленную мощность 18 кВт (номинальный режим) на водотопливной эмульсии, приготовленной на основе дизельного топлива Л-0,5 ГОСТ-82 с содержанием воды до 30…35%. На топливе с содержанием воды до 35…40% этот двигатель развивал мощность 15 кВт (частичная загрузка) (рисунок 1.3.1). При этом частота вращения вала двигателя поддерживалась равной 1800 мин^-1, а начальный крутящий момент - 96 Н·м и 80 Н·м соответственно. При увеличении содержания воды , удельный эффективный расход топлива сначала уменьшается на 2,8…3,0%, достигая минимума при =15…25%, а затем увеличивается на 1,1…5% при =35…40% в сравнении с =0.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.3.1 - Изменение эксплуатационных и экологических показателей двигателя Д-21А в зависимости от содержания воды в эмульгированной топливной смеси

Удельный эффективный расход водотопливной эмульсии увеличивается пропорционально увеличению количества воды в топливной смеси.

При увеличении содержания воды >35…40% тепловые затраты на испарение воды становятся больше 3…4%, ухудшается процесс горения рабочей смеси в цилиндре двигателя, и происходит снижение эффективной мощности .

Наряду с этим, наблюдалось изменение содержания монооксида углерода СО, полиоксидов азота NO_x, сажистых включений в отработавших газах (ОГ). Так, при увеличении содержания воды в ВТЭ до 20…25%, концентрация СО уменьшилась на 30…40%, а при увеличении до 40% концентрация NO_x снижалась на 47…50%, а дымность ОГ на 84…86%.

Установленные закономерности наблюдались и при работе дизельных двигателей ЯМЗ-238 и КАМАЗ-740 на водотопливных эмульсиях состава: дизельное топливо Л-0,2-40 ГОСТ 305-82, вода - 20%, поверхностно активное вещество АМДМ - 0,8…1,0%. При этом изменение максимальной эффективной мощности при одинаковой частоте вращения =1600…2000 мин^-1 не превышало 7…9%, изменение удельного эффективного расхода топлива - 0…4%, при работе на ВТЭ в сравнении с работой на дизельном топливе [11].

Существенным является то, что в этих условиях эффективный к.п.д. двигателя уменьшался на 3,0…3,5% при увеличении удельного эффективного расхода ВТЭ всего на 10%, в то время как концентрация воды в топливе достигала 20%. Следовательно, эффективность использования дизельного топлива в составе такой смеси ВТЭ возрастает не менее, чем на 10%.

В то же время концентрация экологически вредных оксидов углерода в отработавших газах уменьшалась на 20…22%, а оксидов азота - на 10…25%.

Аналогичные результаты, полученные при исследовании мощностных показателей дизельного двигателя Д-21А в ЦНИИ топливной аппаратуры показывают, что при работе на дизельном топливе Л-0,5-40 ГОСТ 305-82 и на эмульгированной смеси Л-0,5-40 + 30% H₂O + 0,5 РГ (РГ - разновидность поверхностно-активного вещества) эксплуатационная мощность дизеля оставалась практически неизменной (соответственно, 18 и 17,9 кВт), удельный расход топлива уменьшился на 3,2% (соответственно, 253 и 244 г/кВт·ч), удельный выброс оксида углерода СО снизился на 11% (соответственно, 8,31 и 7,38 г/кВт·ч), а полиоксидов азота NO_x - на 34% (соответственно, 10,2 и 6,7 г/кВт·ч) [10].

Кроме того, частичная разборка двигателей показала, что после 200-часовой проработки с применением водотопливной эмульсии, на распылителях форсунок и деталях цилиндро-поршневой группы двигателей отсутствовал нагар. Отсюда напрашивается вывод, что помимо улучшения полноты сгорания топлива и уменьшения вредных выбросов, водотопливная эмульсия играет еще и хорошую «чистящую» роль в двигателях.

Для приготовления таких водотопливных эмульсий сотрудниками лаборатории «Гидродинамики струйных кавитационных течений» Армавирского механико-технологического института был разработан гидродинамический кавитационный диспергатор (рисунок 1.3.2), обладающий рядом преимуществ перед существующими устройствами подобного назначения [7]. Он состоит из эжектора 1, снабженного соплом 3 и патрубками подвода дисперсионной среды 2 и дисперсной фазы 4. Диспергатор имеет два сменных возбудителя кавитации 5, 7, а также он снабжен рассекателем 9.

Диспергатор работает следующим образом. Дизельное топливо от высоконапорного насоса поступает к патрубку 2 смесителя, затем через сопло 3 и возбудитель кавитации 5 поступает в первую камеру диспергатора 6. Во внутренней полости между соплом 3 и возбудителем кавитации 5 создается давление ниже атмосферного, что позволяет вводить в поток дизельного топлива необходимое количество воды и любого другого компонента.

В возбудителе кавитации 5 поток вначале сужается, а затем резко расширяется, причем гидростатическое давление в узкой цилиндрической части насадка, начиная со скорости 32 м/с и перепаде давления на срезе сопла , становится ниже давления насыщенных паров. Происходит разрыв жидкостей в процессе расширения газами и парами, которые перемещаются вместе с потоком. Выходя из возбудителя кавитации в первую камеру диспергатора 6, пузырьки попадают в область повышенного давления и схлопывают (происходит их коллапс). В истекающем потоке смеси, начиная с оконечности возбудителя кавитации 5, образуется так называемая суперкавитационная каверна.

Вся смесь проходит через эту сперкавитационную каверну и подвергается высокой диспергации, эмульгированию и перемешиванию. Далее смесь поступает во второй возбудитель кавитации 7, где происходит ее дополнительная, вторичная диспергация по схеме, аналогичной приведенной выше. Истекая из возбудителя кавитации 7, смесь попадает на рассекатель 9 и выходит через нижний патрубок 10.

Для контроля за давлением в камерах диспергатора 6 и 8 предусмотрены штуцеры под манометры 11 и 12.

Применение предлагаемого устройства в составе установки для получения водотопливных эмульсий, позволяет получать смеси с высокой степенью дисперсности, которые можно использовать для дизельных двигателей [8].

Исследованиями, проведенными в Армавирском механико-технологическом институте, установлено, что разработанный и запатентованный гидродинамический суперкавитационный смеситель надежно обеспечивает трехступенчатую обработку топлива - смешение, диспергирование и гомогенизацию до размеров капель, не превышающих 5 мкм с образованием эмульсии, обладающей высокой седиментационной устойчивостью

Рисунок1.3. 2 - Гидродинамический кавитационный диспергатор