книги / Применение присадок в топливах.-1

мер, введение депрессорной присадки в дизельное топливо должно осу­ ществляться при температуре на 10—15 °С выше температуры помутне­ ния (см. с. 190). Недостатком этого метода являются большие энергетиче­ ские затраты, так как для полного перемешивания весь объем топлива должен быть пропущен через контур хотя бы один раз. Затраты много­ кратно возрастают при подогреве топлива.

В результате дыхания на дне резервуаров со временем скапливается подтоварная вода. Это необходимо иметь в виду, если в них приготавли­ ваются и хранятся растворы присадок. Контакт с водой может приво­ дить к вымыванию некоторых присадок из топлива. Кроме того, велика вероятность образования эмульсий воды и топлива.

Если в автохозяйстве имеется система предварительной подготовки дизельного топлива ДИТО [180], то присадка может вводиться при по­ мощи этой системы — в ней предусмотрен узел ввода присадок.

При введенииприсадки втопливныйбакавтомобиляследуетобращатьвни­ мание на два обстоятельства. Во-первых, разница между вязкостями и плот­ ностями присадки и топлива должна быть минимальной. Обычно в рознич­ ную продажу поступают специально приготовленные препараты, представ­ ляющие собой сильно разбавленные растворы присадок в малой, иногда градуированной таре. При невозможности купить такие препараты нужно самостоятельно разбавить присадкудо требуемой концентрации топливом.

В США запатентована [181] электронная система дозирования при­ садки в топливный бак после его дозаправки. Она включает датчик,

устанавливаемый в горловине бака, сигнал с которого поступает в про­ цессор, который производит расчет и отправляет в узел подачи присадки соответствующую команду.

За рубежом иногда выпускают присадки в виде таблеток, удобных для массового потребителя. В таблетках присадки смешаны с наполнителем: ионолом, твердыми парафинами, дуролом идругими продуктами, нейтраль­ ными по отношению к топливу и материалам двигателя. На рынках России также можно встретить таблетированные формы, однако ни одна из них не проходила должного комплекса испытаний, что необходимо, поскольку большую часть таблетированной формы составляет связующее, а его дей­ ствие на топливо неизвестно. В рекламе часто рекомендуется бросать таб­ летки присадок непосредственно в бак через горловину, однако для боль­ шей уверенности лучше их предварительно растворить в топливе.

Кроме того, необходимо, чтобы вся топливная система была очищена от воды и грязи. Ранее отмечалось, что большинство присадок представ­ ляют собой ПАВ с сильно выраженными моющими и эмульгирующими свойствами. Поэтому загрязнения будут смыты из бака и трубопроводов и забьют фильтры. В лучшем случае топливо поступит в двигатель, но про­ цесс горения будет затруднен и выхлопные газы будут содержать большое количество токсичных продуктов неполного сгорания.

17. ДОБАВЛЕНИЕ ВОДЫ КТОПЛИВУ

Возможности. В течение многих десятилетий не прекращаются по­ пытки использовать эффект добавки воды в топливо. Основная цель, ко­ торая при этом преследуется, заключается в улучшении воспламеняемо­ сти и сгорания топлив, благодаря чему возможны снижение требований двигателя к ОЧ бензина, экономия топлива и уменьшение дымности и токсичности ОГ*. Все эти цели действительно достигаются, но дорогой ценой: использование воды сопровождается таким количеством отрица­ тельных факторов, что при имеющихся технических возможностях пред­ ставляется нецелесообразным. Единственным случаем, когда добавле-

* Кроме того, в 1970—1980-е гг. исследовалась возможность создания так называе­ мых пожаробезопасных дизельных топлив для наземной военной техники. Они пред­ ставляли собой высокостабильные микроэмульсии водывдизельномтопливе, нормаль­ но сгорающие в двигателе, но не воспламеняющиеся при попадании снаряда в топлив­ ный бак. Микроэмульсиитакоготипасодержалибольшоеколичество ПАВ, достигающее нескольких процентов (1% ПАВ на каждый процент воды). Вследствие этого они были дороги и характеризовались рядом недостатков, например повышенным нагарообразованием. Гипотетически во время боевыхдействий ихприменение оправдывается стрем­ лением сохранить людей и технику, но в народном хозяйстве они не нужны. Поэтому такое применение воды в топливе мы не рассматриваем. Как можно судить по немно­ гим открытым публикациям, за рубежом эти работы продолжаются и по сей день.

так как излишек воды уносит часть тепла, снижая тем самым термический КПД. Высказывалось мнение, что экономия топлива может иметь место только в двигателях с недоведенным рабочим процессом при долевых нагрузках. Зато экологический эффект от использования ВТЭ бесспорен и превышает эффект, достигаемый другими путями, например при добав­ ке присадок. В общем случае дымность ОГ снижается на 30—50%, эмис­ сия оксида углерода — на 20—30%, оксидов азота — на 40—50%. Умень­ шение образования оксидов азота объясняется снижением температуры в камере сгорания. Но по этой же причине выбросы углеводородов не уменьшаются, а в отдельных случаях даже увеличиваются.

На рис. 88 представлены результаты стендовых испытаний полно­ размерного двигателя КамАЗ-740. Можно заметить, что некоторое по­ вышение экономичности двигателя наблюдается лишь при высоких на­ грузках, а на малых нагрузках и в режиме холостого хода перерасход топ­ лива составляет 2,5—6,0%. Это характерно для различных двигателей и объясняется, вероятно, поздним началом сгорания ВТЭ (несколько гра­ дусов после в.м.т.). По этой же причине максимальная скорость нарас­ тания давления в цилиндре при работе на ВТЭ выше, чем при работе на чистом топливе. При больших нагрузках эффект от улучшения сгорания больше и может компенсировать ухудшение воспламеняемости.

Вероятно, потому же антидымный эффект ВТЭ заметно проявляется лишь на средних и больших нагрузках и может достигать 30%. Уменьше­ ние содержания ИОх в ОГ, напротив, наиболее значительно при малых нагрузках (рис. 89).

С увеличением содержания воды в ВТЭ антидымный эффект растет (см. рис. 89), но ухудшаются ее пусковые свойства. Поэтому в большин­ стве случаев рекомендовалось вводить в топливо не более 10% воды.

Имеется несколько объяснений механизма улучшения сгорания дизельных топлив в виде ВТЭ. Наиболее распространенная версия за­ ключается в том, что испарение мелких капель воды в камере сгорания происходит настолько быстро, что носит взрывной характер. Микровзры­ вы улучшают диспергирование топлива и смесеобразование. Согласно другому объяснению вода участвует в газификации сажи, образующейся на начальных стадиях горения топлива. Наконец, отмечено, что дально­ бойность струи ВТЭ больше, чем топлива. Благодаря этому ВТЭ попада­ ет на противоположную стенку камеры сгорания, и на объемное испаре­ ние накладывается испарение в пленочном режиме.

Действие воды проявляется не только в улучшении сгорания топли­ ва, но и в выгорании нагара (механизм газификации). Предлагалисьдаже методы нагароочистки дизелей путем их работы на ВТЭ на специальном стенде. Вследствие снижения сажеобразования на выхлопе уменьшается опасность износа и прогара выпускных клапанов.

Котельные топлива. Все, что сказано выше о достоинствах ВТЭ на основе дизельных топлив, применимо и к котельным топливам. Кроме

того, повышение полноты сгорания мазутов гарантирует чистоту тепло­ обменных поверхностей, особенно в секциях экономайзера. При недо­ статочно полном сгорании поверхности нагрева постепенно закоксовываются, причем чем хуже горение, тем больше органической части в от­ ложениях. Приготовление ВТЭ на основе мазутов (ВМЭ) происходит проще, чем ВТЭ на основе светлых топлив, благодаря высокой вязкости мазутов и наличию в них большого количества природных ПАВ.

о

х

I -

о

0

1

1 X

«3

Расход ВТЭ дан в пересчете на чистое топливо

Возможности применения ВМЭ могут быть проиллюстрированы ре­ зультатами промышленных испытаний на котлоагрегате ДЕ-16-14 ГМ (котельная Пинской птицефабрики). На рис. 90 показано влияние до­ бавления 20% воды на эмиссию оксидов углерода, серы и азота, а также сажи в зависимости от нагрузки котла (давление перед форсункой). Учи­ тывая, что сама вода продуктов сгорания не образует, эти результаты срав­ нивать между собой следует, откорректировав их на содержание воды в ВМЭ (пунктир). Согласно представленным результатам влияние добавле­ ния воды наиболее сильно проявлялось на средних и больших нагрузках. При этом снижение выбросов СО (фактически химический недожог) со­ ставляло 80—90 отн.%, а сажи (механический недожог) — 25—80 отн.%. Отмечено также снижение выбросов оксидов серы, но это, вероятно, свя­ зано с ее взаимодействием с водой и образованием сернистой и серной кислот, которые могут задерживаться на поверхностях нагрева. Что ка­ сается выбросов оксидов азота, то онй увеличивались. Этот факт вступа-

основной стадией которой является обессоливание. Основные зольные элементы, содержащиеся в природ­ ной воде, — кальций, магний, железо и кремний. В отдельных случаях могут присутствовать и катионы других металлов. Они откладываются на поверхности деталей двигателя в виде накипи, ухудшающей теплооб­ мен и затрудняющей работу топливной аппаратуры.

Если для работы используется технологическая вода, уже прошед­ шая водоподготовку, то ее жесткость согласно стандарту не превышает 7 мг-экв/л, что примерно соответствует содержанию 100—140 мг катио­ нов кальция и магния в 1 л воды. Железо и кремний из такой воды удале­ ны практически полностью. Это означает, что при добавлении 10% воды к топливу в нем будет содержаться 10—14 мг/л металлов, что, например, меньше допустимых концентраций антидетонаторов: 50 мг/л марганца или 38 мг/л железа. Если говорить более строго, то еще надо учитывать способность различных металлов к выносу из камеры сгорания. Но так или иначе можно полагать, что стандартная технологическая вода впол­ не пригодна для рассматриваемых целей. Жесткость воды из большин­ ства природных источников также достаточно низка и колеблется от де­ сятых долей мг-экв/л (мягкие воды северных рек и озер) до 10 мг-экв/л. В Волге, например, жесткость воды не превышает 5 мг-экв/л. Практи­ чески непригодны для использования только некоторые минерализован­ ные подземные и морские воды. Сточки зрения вышеизложенного спе­ циалисты, считающие необходимым применять только дистиллирован­ ную воду, выглядят слишком требовательными.

Способы добавления воды в топливо. Непосредственное впрыскивание воды в камеру сгорания двигателя требует модификации конструкции ДВС и системы топливоподачи, хотя позволяет избежать многих недостатков водотопливных эмульсий: плохих пусковых свойств, низкой стабильно­

сти, ухудшения антикоррозионных, противоизносных и низкотемператур­ ных свойств топлива, повышенной вязкости, замерзания при отрицатель­ ной температуре и т. д. Кроме того, впрыскивание воды может осуществ­ ляться не постоянно, а только на средних и максимальных нагрузках, т. е. тогда, когда оно оказывает наибольший эффект. Иногда рекомендуется впрыскивать воду в цилиндр после начала воспламенения топлива. Это компенсирует снижение температуры самовоспламенения дизельного топ­ лива в присутствии воды. На практике впрыскивание воды используют отдельные энтузиасты. Они модернизируют двигатель, а взамен надеются получить возможность заливать в бак низкооктановый бензин. Описания различных технических решений приводятся как в специальной литера­ туре [184], так и в научно-популярных журналах [185].

Водотопливные эмульсии не требуют изменения конструкции двига­ теля и топливной аппаратуры. Это их единственное, хотя и очень важное достоинство. Но при этом приходится решать ряд проблем, связанных с изготовлением ВТЭ, их стабильностью и обеспечением ряда эксплуа­ тационных свойств, которыми должно обладать любое топливо для дви­ гателей внутреннего сгорания. Проблемы возникают и при эксплуата­ ции. Даже если ВТЭ относительно стабильна, остается опасность ее рас­ слоения в топливопроводах под действием капиллярных сил. По этой причине пуск и остановку двигателя желательно проводить на чистом топливе, переключаясь на ВТЭ после выхода на режим. Следует также иметь в виду, что в прогретом двигателе расслоение эмульсии протекает быстрее, чем в лабораторных условиях.

П р и г о т о в л е н и е ВТЭ заключается в интенсивном смешивании топлива с водой в присутствии ПАВ как стабилизаторов. При этом полу­ чается так называемая обратная эмульсия типа «вода-в-топливе». ВТЭ на базе дистиллятных топлив содержат 10—20%, реже до 50% воды. Наи­ более часто используются смесители кавитационного типа. Основное требование — приготовление ВТЭ с максимально высокой степенью дис­ персности. Для повышения эффективности смешивания в систему при­ бавляют диспергирующие добавки, снижающие межфазное натяжение на границе топливо — вода, а затем стабилизирующие эмульсию. В каче­ стве добавок применяют амиды карбоновых кислот и этаноламинов, имидазолины, диэфиры пентаэритрита и синтетических жирных кислот, эфиры олеиновой кислоты и многоатомных спиртов и т. д. С целью обес­ печения необходимого качества ВТЭ оптимальным вариантом является выработка на НПЗ, терминале и т. д. специальной марки топлива с паке­ том необходимых присадок (эмульгирующих, антикоррозионных, про­ тивоизносных), предназначенной для приготовления ВТЭ непосред­ ственно на борту транспортного средства [186].

При получении ВТЭ можно столкнуться с неприятной особенностью: наряду с требуемой обратной эмульсией (вода-в-топливе) образуется некото­ рое количество прямой (топливо-в-воде) в виде хлопьев, забивающих трубо­ проводы и скапливающихся в застойных зонах. В СибАДИ (Омск, В. В. Ро-

бустов) в 1980-х гг. исследовалась возможность использования в двигателях прямой эмульсии. Такие ВТЭ представляют собой густую массу, похожую на сметану. Их достоинство — высокая стабильность, зато недостатков го­ раздо больше. Почти все они (высокая вязкость, повышенная коррозион­ ная агрессивность, плохие пусковые свойства) объясняются тем, что внеш­ ней фазой в прямых ВТЭ является вода. Была предложена технология, пы­ тающаяся объединить достоинства обоих типов ВТЭ. Для хранения в топливном баке предназначалась стабильная прямая ВТЭ, которая перед подачей в двигатель проходила через инвертор и превращалась в обратную.

С т а б и л ь н о с т ь ВТЭ является наиболее важной практической проблемой. Эмульсии воды в топливе относятся к термодинамически не­ устойчивым системам. В разрушении ВТЭ участвуют три процесса:

•флокуляция — слипание капель в агрегаты-гроздья (флокулы);

•коалесценция — слияние мелких капель в крупные с последующей седиментацией;

•седиментация, т. е. расслоение эмульсии вследствие осаждения ка­ пель воды на дно, в результате чего ВТЭ становится неоднородной по высоте столба жидкости (полагают, что седиментационная устой­ чивость для эмульсий типа «вода-в-топливе» с практической точки зрения является наиболее важной).

Чем легче топливо, тем быстрее протекают эти процессы. ВТЭ на базе бензинов, характеризующихся малой вязкостью и практически не содержащих в своем составе природных ПАВ, расслаиваются за несколь­ ко секунд. Эмульгирующие добавки повышают стабильность ВТЭ во много раз. Например, при размере капель воды, равном 1 мкм, седимен­ тационная стабильность водно-бензиновой эмульсии составляет около суток, а ВТЭ на основе дизельного топлива — 3—4 недели (В. В. Робустов, СибАДИ, Омск). Однако на агрегативную устойчивость (склонность к флокуляции и коалесценции) ПАВ влияют слабо. Для ее повышения требуются агенты, снижающие объемную электризацию топлива, напри­ мер антистатические присадки. Для практического применения в качест­ ве антифлокулянтов были предложены хромовые и железные соли кар­ боновых кислот. Полное предотвращение флокуляции достигается при концентрации солей хрома, равной 0,01—0,03 масс.% [187].

П л о т н о с т ь и в я з к о с т ь ВТЭ типа «топливо-в-воде» выше, чем у исходных топлив. Плотность ВТЭ, как и следует ожидать, линейно зависит от содержания в ней воды. Вязкость ВТЭ изменяется по более сложным закономерностям. При одной и той же температуре наиболь­ шее влияние на нее оказывают концентрация воды и степень дисперс­ ности. На рис. 92 представлено влияние концентрации воды и темпера­ туры на кинематическую вязкость ВТЭ с дисперсностью 2—3 мкм.

П р о т и в о и з н о с н ы е с в о й с т в а ВТЭ должны быть хуже, чем у соответствующих топлив, но это отмечается далеко не всегда. Вероят­ но, в условиях жидкостного трения, когда основную роль играют смазы­ вающие свойства внешней фазы — топлива, — износ'деталей, контакти­