Водотопливные эмульсии

Использование воды, как компонента моторного топлива рассматри-валось постоянно, параллельно с совершенствованием двигателей внутреннего сгорания. Ещё в 1864 г. Гюгон для улучшения работы двигателя Ленуара подавал воду в горючую смесь. В 30-е годы прошлого века впрыск воды использовался для повышения степени сжатия и увеличения мощности ДВС. Во время Второй мировой войны вода широко использовалась для кратковременного форсирования двигателей на особых режимах.

Но в полной мере положительное действие воды на процесс горения в цилиндрах двигателя проявилось после получения высококачественных водотопливных эмульсий (ВТЭ). Современные ВТЭ – сложные дисперсные системы, обладающие специфическими свойствами в значительной мере отличающимися от свойств компонентов.

Смесь воды и горючего, как бы совершенно они не были перемешаны, являются неустойчивой системой особенно в состоянии покоя. Капельки однородных жидкостей стремятся к взаимному слиянию и последующему укрупнению. И так до полного расслаивания. Это происходит вследствие увеличения поверхностного натяжения на поверхности раздела фаз. Для предотвращения этого процесса на поверхности капелек должен быть создан граничный слой. Эту роль выполняют различные эмульгаторы. Стабильность эмульсий характеризуется кинетической и агрегативной устойчивостью. Кинетическая устойчивость – способность диспергированных капель удержи-ваться в толще смеси во взвешенном состоянии, без оседания, под действием броуновского движения. С увеличением дисперсности эмульсии её кинетиче-ская устойчивость возрастает. Значит, надо добиваться максимального измельчения компонентов. Под агрегативной устойчивостью понимают способность эмульсии сопротивляться слиянию дисперсной фазы (агрегатиро-ваванию). Такая устойчивость и достигается с помощью эмульгаторов.

Образование эмульсий – дробление дисперсной фазы (например, ультра-звуком) в дисперсионной среде (топливе) и одновременной стабилизацией образующейся структуры с помощью эмульгаторов. В последнее время для эмульгирования дизельных моторных топлив применяют шестерённые насосы. Благодаря простоте и надёжности этот метод может использоваться для приготовления эмульсий непосредственно на автомобиле. Необходимо учитывать влияние на свойства ВТЭ, оказываемое эмульгаторами при их содержании в количестве более 5%. При создании эмульсий необходимо уточнить, как на поведение ВТЭ в качестве моторного топлива будут влиять такие её основные параметры, как плотность, вязкость и поверхностное натяжение. Важными эксплуатационными характеристиками ВТЭ являются её стабильность, вязкость, температура вспышки и температура застывания.

Влияние ВТЭ на работу двигателя определяется наличием двух фаз – водной и эмульгированной. Вода в исходном виде является, прежде всего, балластной добавкой, снижающей цикловые давления и температуры. Однако она может и участвует в процессе горения. Это обуславливается температурами и давлениями, развивающимися в камере сгорания и может быть описано уравнением:

С_mH_n + mH₂O + Q = mCO + (m + 0,5n)H₂.

Доктор технических наук И. Л. Варшавский провёл уникальный эксперимент: он добавлял в моторное топливо воду с тяжёлым изотопом кислорода и обнаружил этот изотоп в образующихся при горении молекулах углекислого газа. Это служит подтверждением распада молекул воды в камере сгорания и участия в реакции.

Химическая активность воды выражается также в газификации несгоревших сажистых остатков топлива при температурах выше 800 °С:

С + Н₂О = СО₂ + Н₂.

При попадании топливной эмульсии в камеру сгорания, она представляет собой совокупность капелек воды, окруженных прослойками жидкого топлива. Диаметр частиц 80–300 мкм. А капелек воды 8–50, чаще 9–20 мкм. При прогревании частиц, после превышения температуры 100 °С, происходит вскипание капелек воды – «микровзрывы» – и разбрасывание топлива. Это вторичное распыление способствует интенсификации смешения топлива и воздуха и повышению полноты сгорания, что и определяет, главным образом, возможность улучшения экономических показателей внутреннего сгорания при работе на водо-топливных эмульсиях.

Использование ВТЭ возможно по двум направлениям: применение заранее приготовленной эмульсии и приготовление её непосредственно на автомобиле. Второй способ предпочтительнее, особенно после создания высококачественных диспергаторов и компактных ультразвуковых эмульгато-ров.

Необходимо отметить, что фильтры могут задерживать часть воды и способствовать разрушению структуры эмульсии. Удовлетворительные результаты получены при использовании фильтров из никелевой сетки саржевого плетения с тонкостью фильтрации не менее 12–16 мкм. Такие фильтры не разрушают эмульсию и имеют достаточный ресурс работы.

При использовании на карбюраторных двигателях добавка 30–40% воды положительно сказывается на детонационной стойкости горючей смеси, вызывая повышение октанового числа почти на 10 единиц. Это позволяет увеличить степень сжатия, т. е. повысить мощность и экономичность двигателя. При сохранении степени сжатия возможно применение низкооктановых бензинов. При этом нужно учитывать изменение угла опережения зажигания в зависимости от типа диспергатора и количества добавляемой в топливо воды. Использование ВТЭ снижает содержание NO_x в выхлопе на 40–50%.

Наилучшие результаты даёт применение ВТЭ на дизелях. Подача эмульсии в камеру сгорания обеспечивает существенное улучшение распыливания топлива за счёт микровзрывов. Наличие воды снижает тепловой режим и позволяет дополнительно форсировать дизель, в том числе и применением наддува. При использовании ВТЭ на двигателях с самовоспламенением топлива от сжатия необходимо помнить, что присутствие воды увеличивает период задержки воспламенения, а следовательно, и жёсткость работы двигателя. Обводнение топлива до 15% приводит к некоторому снижению расхода топлива за счёт дополнительного дробления и более полного сгорания.

На состав отработавших газов дизельных двигателей наличие воды в топливе оказывает большее влияние, чем у карбюраторных, в сторону улучшения. Кроме снижения содержания окислов азота, в большей степени снижается содержание СО (полнота сгорания) и уменьшение дымности (газификация сажистых остатков).

Для улучшения характеристик двигателей необходимо варьирование содержания воды в эмульсии в зависимости от режима работы двигателя, повышение качества диспергаторов и совершенствование конструкций эмульгаторов при обеспечении высокой стабильности водо-топливных эмульсий.