6.4Водо-паливні емульсії (впе)

Відомий досвід застосування водо-паливних емульсій (ВПЕ) трьох типів (рис 1): емульсія води у вуглеводнях; емульсія вуглеводнів у воді; мікроемульсії, що дозволяють вводити в паливо різні присадки, нерозчинні у вуглеводнях (потрібна велика витрата поверхнево-активних речовин (ПАР) – 5...15%).

Упорскування води у двигун приносить користь, але в той же час створює труднощі: необхідність подвійної системи живлення зі спеціальним устаткуванням для упорскування палива; нерівномірність розподілу води по циліндрах і т.п. Застосування ВПЕ дозволяє усунути ці труднощі.

1 - частки емульгатора; 2 - сольватний шар; 3 - паливо; 4 - вода

Рис. 1 - Будова водо-паливних емульсій

ВПЕ – метастабільні рідини, що складаються з води й палива. Тривалість їхнього метастабільного стану залежить від третьої речовини – емульгатора. Але підбор цієї речовини виявився з технічної точки зору складніше інженерних проблем, що виникають при використанні звичайної води.

Суміш води і пального, як би вони не були перемішані, є нестійкою системою особливо в стані покою. Крапельки однорідних рідин прагнуть до взаємного злиття й наступного укрупнення. І так до повного розшарування. Це відбувається внаслідок збільшення поверхневого натягу на поверхні розділу фаз. Для запобігання цього процесу на поверхні крапельок повинен бути створений граничний шар. Цю роль виконують різні емульгатори.

Стабільність емульсій характеризується кінетичною та агрегатною стійкістю. Кінетична стійкість – здатність диспергованих крапель втримуватись в товщі суміші у зваженому стані, без осідання, під дією броунівського руху. Зі збільшенням дисперсності емульсії її кінетична стійкість зростає. Тобто, треба досягти максимального здрібнювання компонентів. Агрегатна стійкість – здатність емульсії спиратися злиттю дисперсної фази. Така стійкість досягається за допомогою емульгаторів.

Серед найпоширеніших емульгаторов – поверхнево-активні речовини: кальцієва, магнієва, алюмінієва солі вищих жирних кислот, різні смоли, каучук, декстрин, синтетичні полімери. Останнім часом широке застосування в якості емульгаторів знайшли ПАР на основі олеїновой кислоти і її солей, продукти синтезу окису етилену й сульфірування жирних спиртів. Для утворення стійких водопаливних емульсій досить 1% такого емульгатора. У якості ПАР застосовуються також високо дисперсні мінеральні порошки. Вони змочуються на різних ділянках своєї поверхні обома фазами емульсії і як би прилипають до міжфазної границі, закріплюючи краплі дисперсної фази.

Труднощі, що виникають при створенні стійких СВЕ, зв'язані не тільки з підбором емульгаторів. По-перше, емульгатора в емульсії повинне бути якнайменше: вже 0,5% ПАР може викликати посилене утворення нагару в камері згоряння та перебої в роботі двигуна. Крім того, емульгатори й продукти їхнього розпаду не повинні бути токсичними й корозійно-активними, не повинні знижувати детонаційну стійкість палива без води. Тому зараз ведуться пошуки приготування емульсії безпосередньо на автомобілі: розробляються бортові диспергуючі пристрої, що дозволяють за допомогою гідророзпилювачів або ультразвукових генераторів одержувати в дисперсійному середовищі краплі розміром 0,1...8 мкм. Однак й у цих випадках для стійкості емульсій необхідно вводити емульгатори, хоча й у менших кількостях.

Горіння ВПЕ трохи відрізняється від горіння звичайної системи «вода – паливо». Емульсійна вода замкнута в краплях, «стягнута» силами поверхневого натягу, закипає вона при температурі 200—250°С. Частина внутрішньої енергії перегрітої краплі йде на випар води, частина – перетворюється в кінетичну енергію, що передається оболонці. Ця порція кінетичної енергії приблизно в 20 разів більше енергії поверхневого натягу. Природно, крапля «вибухає» і розлітається на більше дрібні осколки. При цьому пари палива, дрібні частки води й повітря ефективно перемішуються. Така суміш згоряє повністю, у результаті двигун повинен стійко працювати на збіднених сумішах, зі зниженою витратою палива.

Вплив ВПЕ на роботу двигуна визначається наявністю двох фаз - водної й емульсованої. Вода у вихідному виді є, насамперед, баластовою добавкою, що знижує циклові тиски й температури. Однак вона бере участь у процесі горіння. Це обумовлюється температурами й тисками, що розвиваються в камері згоряння й може бути описано рівнянням:

С_mH_n + m₂O + Q = mCO + (m + 0,5n)H₂.

Доктор технічних наук И.Л. Варшавський провів унікальний експеримент: він додавав у моторне паливо воду з важким ізотопом кисню й виявив цей ізотоп у молекулах, що утворяться при горінні, вуглекислого газу. Це служить підтвердженням розпаду молекул води в камері згоряння й участі в реакції.

Хімічна активність води виражається також у газифікації незгорілих залишків палива при температурах вище 800 °С:

С + 2 Н₂О = СО₂ + 2 Н₂.

При влученні паливної емульсії в камеру згоряння, вона являє собою сукупність крапельок води, оточених прошарками рідкого палива. Діаметр часток 80–300 мкм. А крапельок води 8–50, частіше 9–20 мкм. При прогріванні часток, після перевищення температури 100 °С, відбувається скипання крапельок води – «мікровибухи» – і розкидання палива. Це вторинне розпилення сприяє інтенсифікації змішання палива й повітря й підвищенню повноти згоряння, що й визначає, головним чином, можливість поліпшення економічних показників внутрішнього згоряння при роботі на водопаливних емульсіях.

Використання ВПЕ можливо по двох напрямках: застосування заздалегідь приготовленої емульсії й готування її безпосереднє на автомобілі. Другий спосіб переважніше, особливо після створення високоякісних диспергаторів і компактних ультразвукових емульгаторів.

Необхідно відзначити, що фільтри можуть затримувати частина води й сприяти руйнуванню структури емульсії. Задовільні результати отримані при використанні фільтрів з нікелевої сітки саржевого плетива з тонкістю фільтрації не менш 12-16 мкм. Такі фільтри не руйнують емульсію й мають достатній ресурс роботи.

При використанні на бензинових двигунах добавки 30–40% води позитивно позначається на детонаційній стійкості горючої суміші, викликаючи підвищення октанового числа майже на 10 одиниць. Це дозволяє збільшити ступінь стиску, тобто підвищити потужність й економічність двигуна. При збереженні ступеня стиску можливе застосування бензинів з малим октановим числом. При цьому потрібно враховувати зміну кута випередження запалювання залежно від типу диспергатора й кількості води, що додається в паливо. Використання ВПЕ знижує зміст NO_x у вихлопі на 40–50%.

Для підвищення октанового числа бензину на 10 одиниць необхідна СВЕ, що містить 30...50% води. Для її стабільності потрібне велика кількість поверхнево активної речовини.

Тим часом ПАР в багатьох випадках знижують антидетонаційні властивості бензину. І тоді застосування води або емульсій не поліпшує, а погіршує роботу двигуна, збільшує його зношування.