Особливості і ефективність згорання водопаливних емульсій в дизелях

Особливості і ефективність згорання водопаливних емульсій в дизелях

Вступ

Відомі дослідження, що присвячені практичному використанню водопаливних емульсій (ВПЕ) [1 — 5], дозволяють віднести їх до перспективних палив для дизелів. ВПЕ — це система, до якої входить вода, що є дисперсною фазою з діаметром крапель 0,1…10 мкм, і паливо, що є дисперсним середовищем, яка включає воду. Такі емульсії носять назву «емульсії зворотного типа» (вода в паливі), що виключає контакт металевих поверхонь паливної апаратури і стінок трубопроводів з водою. ВПЕ одержують в гомогенізаторах і диспергаторах. Додаткове диспергування палива відбувається в паливному насосі високого тиску і в розпилювачі форсунки дизеля.

Основні виводи з проведених досліджень дизелів при роботі на ВПЕ з вмістом води в дизельному паливі від 7 до 30% за об'ємом зводяться до того, що вживання ВПЕ дозволяє понизити витрату палива, викиди з відпрацьованими газами (ВГ) оксидів азоту і димність ВГ. Для кожного типа дизеля існує оптимальна концентрація води у ВПЕ, що дає найбільший ефект на певних режимах роботи.

В той же час аналіз літературних даних дозволяє зробити висновок про те, що на швидкохідних форсованих автотракторних дизелях дослідження із застосуванням ВПЕ практично не проводилися.

Тому актуальними є дослідження з визначення впливу водопаливній емульсії виробництва із різним вмістом води на показники автотракторного дизеля.

Метою науково-дослідної роботи є визначення впливу ВПЕ на показники паливної економічності, характеристики токсичності та димності відпрацьованих газів.

Приведені результати стендових досліджень автотракторного дизеля, визначені ефективні показники, концентрації токсичних речовин у відпрацьованих газах та димність відпрацьованих газів, при роботі на стандартному дизельному паливі, ВПЕ із різним вмістом води 12,3%, 19,4%, 23,2%, 31,2%.

Результати проведених досліджень є основою для оцінки енергетичної, економічної і екологічної ефективності використання ВПЕ.

1. Особливості роботи дизеля на водопаливних емульсіях

дизель водопаливний емільсія токсичність Важливим показником якості ВПЕ є її стабільність, що визначає надійність роботи дизеля. Для стабілізації властивостей до складу ВПЕ додають поверхнево-активні речовини (ПАР) — емульгатори. Використання ВПЕ не вимагає конструктивних переробок дизеля.

Емульгатор — поверхнево-активна речовина, що забезпечує здобуття емульсій і що стабілізує суміш речовин (при першій нагоді суміш розділяється на складені компоненти), що не змішуються в природних умовах (вода і паливо). Емульгатор дозволяє мікрочасткам палива стримуватися в підвішеному стані у воді (емульсія типу паливо у воді) або мікрочасткам води стримуватися завдяки емульгатору в паливі (типу вода в паливі). За хімічним типом емульгатори бувають аніонні, катіонні і неіоногенні. Можуть бути рослинного або синтетичного походження.

Поліпшення процесу згорання при використанні ВПЕ пояснюється явищем «мікровибуху». Суть цього явища полягає в тому, що крапля розпорошеної емульсії складається з часток палива, в середині яких знаходяться одна або декілька мікрокрапельок води. При горінні палива в дизелі даний процес відбувається при тиску, що перевершує критичний тиск всіх вуглеводнів, що входять до складу дизельного палива, тому паливо не випаровується. Мікрочастки води швидше перетворюються на пароподібний стан, чим те паливо, яке їх обволікає. В процесі випару, коли тиск водяної пари буде перевищувати сили поверхневого натягнення плівки палива, відбудеться руйнування краплі у вигляді вибуху. В результаті цього, краплі емульсії дробляться на дрібніші частки, що забезпечує краще сумішоутворення.

З іншого боку, у присутності водяної пари швидкість випару і горіння крапель палива вища, ніж в повітрі, оскільки відбувається утворення атомарного кисню і водню, що надає каталітичну дію на процес згоряння.

Вживання водопаливних емульсій не лише покращує сумішоутворення і прискорює процес горіння палива, але і дозволяє збільшити відсоток вигоряння і зменшити час горіння залишків саж.

Стан циліндро-поршневої групи (ЦПГ) при роботі двигунів на ВПЕ показав, що знос циліндрових втулок і поршневих кілець двигунів в разі вживання ВПЕ менший. Слідів корозії внутрішніх поверхонь циліндрових втулок, поршнях, поршневих кільцях, впускних клапанах не виявлено. Нагар на денцях поршнів, в кільцевих канавках і випускному тракті у двигунів, що працювали на емульсії, а також знос циліндрових втулок в районі ВМТ менший, ніж в тих, що працювали на дизельному паливі.

Однією з переваг водопаливних емульсій є пожежобезпечність. Питання пожежобезпечності мають велике значення при зберіганні великої кількості палива, при вживанні дизелів в оборонній промисловості.

2. Методика проведення досліджень

Для оцінки енергетичної, економічної і екологічної ефективності вживання ВПЕ, використовуємо результати досліджень проведених на 4^х циліндровому автотракторному дизелі 4ЧН12/14 (СМД) з газотурбінним наддувом, який входить до складу дослідницького стенду кафедри ДВЗ НТУ «Харківський політехнічний інститут» в науково-дослідній лабораторії кафедри двигунів внутрішнього згоряння.

2.1 Випробувальний стенд

Схема випробувального стенда приведена на рис. 2.1. На схемі показане розташування основних датчиків і вимірювальних пристроїв. Стенд обладнаний необхідними приладами відповідно діючим стандартам на стендові випробування дизелів.

Стенд укомплектований такими основними системами:

· запуску, навантаження і прокручування двигуна;

· виміру частоти обертання колінчатого вала за допомогою тахогенератора;

· виміру об'ємної витрати повітря;

· виміру масової витрати палива;

· виміру температур повітря, мастила, охолоджуючої рідини і відпрацьованих газів;

· виміру тисків повітря, мастила, охолоджуючої рідини і відпрацьованих газів;

· виміру розрідження повітря перед компресором;

· виміру тиску картерних газів.

Як навантажувальний пристрій використовується гідравлічне гальмо.

Точність визначення основних параметрів роботи двигуна відповідає регламентованим стандартним вимогам та наведена в табл. 2.1.

При підготовці стенда та вимірювального устаткування до досліджень було проведено технічне обслуговування й тарирування вагового пристрою і пристрою виміру витрати палива, встановлений, виготовлений відповідно до діючих стандартів, трубопровід відбору проб відпрацьованих газів для вимірів газоподібних шкідливих речовин і димності.

Рис. 2.1 — Схема випробувального стенду

При проведенні досліджень стенд було обладнано устаткуванням для виміру об'ємної концентрації у ВГ ДВЗ оксидів азоту, оксиду вуглецю і незгорілих вуглеводнів, оптичної щільності ВГ.

Параметри навколишнього середовища (тиск і температура) контролювалися барометром-анероїдом і ртутним термометром з ціною розподілу 1С.

Таблиця 2.1 — Погрішності виміру

2.2 Технічна характеристика двигуна

Об'єктом дослідження був чотиритактний 4-циліндровий автотракторний дизель 4ЧН12/14 (СМД). Даний двигун — дизель рідинного охолодження з безпосереднім упорскуванням палива в циліндричну камеру згоряння в поршні. Дизель оснащений газотурбінним наддувом і проміжним охолодженням наддувного повітря. Основні технічні дані двигуна приведені в табл. 2.2.

Таблиця 2.2 — Коротка технічна характеристика дизеля 4ЧН12/14 (СМД-19Т)

2.3 Характеристики палив, на яких проведені дослідження дизеля

Характеристика стандартного дизельного палива, на якому були проведені дослідження дизеля наведена у табл. 2.3.

Таблиця 2.3 — Характеристика стандартного дизельного палива

В таблиці 2.4 наведені основні характеристики водопаливних емульсій, на яких були проведені дослідження дизеля.

Таблиця 2.4 — Основні характеристики водопаливних емульсій

2.4 Апаратура для вимірювання токсичності, димності ВГ та нагароутворення

Газоаналізатор 325 ФА 02, призначений для виміру концентрації оксиду вуглецю (CО), незгорілих вуглеводнів (С_nН_m) і оксидів азоту (NO_х) у відпрацьованих газах двигунів та енергетичних установок. До складу устаткування окрім газоаналізатора також входять блок підготовки проби газу, зонд для відбору проби газу і пульт керування. Технічну характеристику газоаналізатора 325 ФА 02 представлено в табл. 2.5.

Таблиця 2.5 — Технічна характеристика газоаналізатора 325 ФА 02

Димність вимірювалась димоміром типу ИНФРАКАР-Д, який призначений для виміру димності відпрацьованих газів двигунів. Результат виміру димності представляється в одиницях непрозорості (%).Технічну характеристику димоміра ИНФРАКАР-Д наведено в табл. 2.6.

Таблиця 2.6 — Технічна характеристика димоміра ИНФРАКАР-Д

2.5 Умови проведення досліджень

дизель водопаливний емільсія токсичність Дослідження проведені при постійному куті випередження вприскування палива на стандартному паливі за навантажувальними характеристиками при n = 1000, 1500, 2000 хв^-1 з визначенням паливної економічності, токсичності (концентрації оксидів азоту, оксиду вуглецю, кисень, сумарних вуглеводнів) і димності відпрацьованих газів. Максимальні значення потужності на кожній з частот обертання колінчатого валу відповідають потужності за зовнішньою характеристикою дизеля. Проміжні значення — потужностям, які відповідають 0,75, 0,50, 0,25 та 0,10 відсоткам від максимальної потужності.

3. Результати досліджень

3.1 Вплив складу ВПЕ на показники паливної економічності дизеля

Кількісний вплив складу води у ВПЕ на годинну витрату палива для режимів максимальної потужності дизеля на кожній із досліджених частот обертання колінчатого вала можна визначити із рисунка 3.1. Наведені дані свідчать, що із збільшенням складу води у ВПЕ година витрата палива зростає.

При частоті обертання колінчатого вала n = 2000 хв^-1 для забезпечення максимальної потужності при роботі з ВПЕ, яка складає 19,4% води, у порівнянні з роботою на дизельному паливі необхідно збільшити годинну витрату емульсії на 4,8 кг/год, а при роботі з ВПЕ, яка складає 31,2% води, у порівнянні з роботою на дизельному паливі необхідно збільшити годинну витрату емульсії на 9,6 кг/год.

На частоті обертання колінчатого вала n = 1500 хв^-1 для забезпечення максимальної потужності при роботі з ВПЕ, яка складає 19,4% води, у порівнянні з роботою на дизельному паливі необхідно збільшити годинну витрату емульсії на 3,6 кг/год, а при роботі з ВПЕ, яка складає 31,2% води, у порівнянні з роботою на дизельному паливі необхідно збільшити годинну витрату емульсії на 7,5 кг/год.

На частоті обертання колінчатого вала n = 1000 хв^-1 для забезпечення максимальної потужності при роботі з ВПЕ, яка складає 19,4% води, у порівнянні з роботою на дизельному паливі необхідно збільшити годинну витрату емульсії на 1,9 кг/год, а при роботі з ВПЕ, яка складає 31,2% води, у порівнянні з роботою на дизельному паливі необхідно збільшити годинну витрату емульсії на 3,7 кг/год.

В водночас, як це видно з рисунку 3.1, витрата дизельного палива у ВПЕ зменшується. Найбільш ефективно з точки зору економії дизельного палива використання ВПЕ із складом води 20…23%. Так при роботі дизеля з ВПЕ, яка складає 19,4% на режимах максимальної потужності витрата дизельного палива при n = 2000 хв^-1 зменшується на 2,12 кг/год, при n = 1500 хв^-1 — на 1,4 кг/год, при n = 1000 хв^-1 зменшується на 0,62 кг/год. Позитивний вплив води на згоряння дизельного палива підтверджується залежностями ефективного ККД при максимальній потужності дизеля від складу води у ВПЕ.

3.2 Вплив складу ВПЕ на потужність дизеля

З даних, які були одержані при визначені показників дизеля за навантажувальними характеристиками, при рівних значеннях годинної витрати палива близьких до максимальної потужності отримана залежність впливу складу води у ВПЕ на потужність дизеля (рис. 3.2).

При роботі дизеля на частоті обертання колінчатого вала n = 2000 хв^-1 з ВПЕ, яка складає 19,4% води максимальна потужність зменшується з 100,1 до 81,9 кВт, тобто на 18,2 кВт, а з ВПЕ, яка складає 31,2% води максимальна потужність зменшується з 100,1 до 68 кВт, тобто на 32,1 кВт.

При роботі дизеля на частоті обертання колінчатого вала n = 1500 хв^-1 з ВПЕ, яка складає 19,4% води максимальна потужність зменшується з 85 до 72,0 кВт, тобто на 13 кВт, а з ВПЕ, яка складає 31,2% води максимальна потужність зменшується з 85 до 60 кВт, тобто на 25 кВт.

При роботі дизеля на частоті обертання колінчатого вала n = 1000 хв^-1 з ВПЕ, яка складає 19,4% води максимальна потужність зменшується з 42 до 34,4 кВт, тобто на 7,6 кВт, а з ВПЕ, яка складає 31,2% води максимальна потужність зменшується з 42 до 28,5 кВт, тобто на 13,5 кВт.

Враховуючі особливості паливних систем автотракторних дизелів, на яких застосовані паливних насосів золотникового типу, зміну потужності в експлуатації при використанні водопаливних емульсій буде визначати не масова, а об'ємна витрата палива. Тому на графіках поряд із зміною потужності при рівних значеннях годинної витрати палива наведені дані зміни потужності при рівних значеннях об'ємній витрати палива.

Із наведених даних видно, що із урахуванням об'ємній витрати палива, потужність дизеля зменшиться на частоті обертання колінчатого вала n = 2000 хв^-1 з водопаливною емульсією, яка складає 19,4%, — на 16,9%, а з водопаливною емульсією, яка складає 31,2%, — на 28,5%, на частоті обертання колінчатого вала n = 1500 хв^-1 з водопаливною емульсією, яка складає 19,4%, — на 15,2%, а з водопаливною емульсією, яка складає 31,2%, — на 27,5%, на частоті обертання колінчатого вала n = 1000 хв^-1 з водопаливною емульсією, яка складає 19,4%, — на 16,3%, а з водопаливною емульсією, яка складає 31,2%, — на 28,4%.

Рис. 3.1. Вплив складу води у ВПЕ на витрату ВПЕ і витрату дизельного палива у ВПЕ Рис. 3.2 Вплив складу води у ВПЕ на потужність дизеля для рівних годинних витрат ДП та ВПЕ

3.3 Вплив складу ВПЕ на показники токсичності і димності відпрацьованих газів

Результати досліджень. Залежності концентрації токсичних речовин у відпрацьованих газах та димності відпрацьованих газів від вмісту води в ВПЕ на режимах максимальної потужності при частотах обертання колінчастого вала n = 2000, 1500 і 1000 хв^-1 наведено на графіках (рис. 3.3… 3.6). Наведені дані свідчать про те, що застосування ВПЕ в якості палива дозволяє помітно поліпшити екологічні показники дизеля.

Уповільнення реакцій утворення NO_x, пов’язаного з нагрівом, випаровуванням води і перегрівом пари в циліндрі дизеля, призводить до зниження концентрації NO_x у відпрацьованих газах. На всіх досліджених частотах обертання колінчастого вала концентрація оксидів азоту у відпрацьованих газах зі збільшенням кількості води в ВПЕ зменшилася. На режимах максимальної потужності концентрація NO_x зменшилася в 1,2… 1,7 рази при застосуванні ВПЕ — 19,4−0 і в 1.6… 3,2 разів при застосуванні ВПЕ — 31,2−0 в порівнянні з роботою дизеля на ДТ. Зі зниженням частоти обертання колінчастого вала концентрація оксидів азоту знижується більш помітно.

Рис. 3.3 Залежності концентрації оксидів азоту у відпрацьованих газах від змісту води в ВПЕ Також позитивний вплив надає ВПЕ на концентрацію у відпрацьованих газах оксиду вуглецю. На режимах максимальної потужності зменшення концентрації оксиду вуглецю становить 1,3… 1,4 рази при використанні ВПЕ — 19,4−0 і 1,6… 2,3 рази при використанні ВПЕ — 31,2−0 в порівнянні з роботою дизеля на ДП.

Вплив ВПЕ на концентрацію газоподібних вуглеводнів у відпрацьованих газах дизеля неоднозначно і незначно. Зміна концентрації газоподібних вуглеводів на кожному з досліджених режимів для всіх ВПЕ не перевищує 50 — 60 млн^-1.

Рис. 3.4 Залежності концентрації оксиду вуглецю у відпрацьованих газах від вмісту води в ВПЕ Разом з тим можна відзначити тенденцію до зростання концентрації газоподібних вуглеводів при збільшенні концентрації води в ВПЕ при номінальній частоті обертання і до зменшення її при частоті обертання колінного валу, відповідних максимальному крутному моменту.

Безперечною перевагою використання ВПЕ в дизелі є її вплив на димність відпрацьованих газів. На режимах максимального навантаження зменшення димності відпрацьованих газів становить 1,3… 1,4 разів при використанні ВПЕ — 19,4−0 і 1,3… 2,7 рази при використанні ВПЕ — 31,2−0. Зі зниженням частоти обертання колінного валу зменшення димності відпрацьованих газів зростає.

Рис. 3.5 Залежності концентрації газоподібних вуглеводнів у відпрацьованих газах від вмісту води в ВПЕ

Рис. 3.6 Залежності димності відпрацьованих газів від вмісту води в ВПЕ Таким чином застосування ВПЕ в якості палива без зміни конструкції і регулювань автотракторних дизелів забезпечує ефективне зниження рівня забруднення навколишнього середовища токсичними компонентами відпрацьованих газів. На режимах максимальної потужності:

— концентрація в відпрацьованих газах оксидів азоту знижується в 1,3… 3,5 рази, концентрація оксиду вуглецю знижується в 1,3… 2 рази;

— димність відпрацьованих газів знижується в 1,6… 2,5 рази.

Вплив вмісту води в ВПЕ на концентрацію вуглеводнів у відпрацьованих газах незначний і неоднозначний.

Висновки

При дослідженні ВПЕ, що містить від 12,3% до 31,2% води, на 4^х циліндровому автотракторному дизелі, визначено наступне:

1. Зіставлення показників роботи дизеля при однакових режимах на дизельному паливі стандартному і ВПЕ вказує на те, що годинні витрати ВПЕ збільшуються, але містять дизельного палива менше, ніж відповідні годинні витрати дизельного палива, що забезпечує зростання ефективного ККД дизеля при його роботі на ВПЕ.

2. Найбільші зменшення витрати дизельного палива в ВПЕ відмічено при 15−25% вмісті води в ньому. На певних режимах зменшення витрати дизельного палива складає більш за 8%.

3. При однакових витратах дизельного палива стандартного і дизельного палива в ВПЕ має місце збільшення потужності дизеля.

4. Використання ПЕДВПЕ, як палива для автотракторних дизелів забезпечує ефективне зниження рівня забруднення навколишнього середовища токсичними компонентами відпрацьованих газів:

— концентрація оксидів азоту зменшується в 1,3 — 3,5 рази;

— концентрація оксиду вуглецю зменшується в 1,3- 2 рази;

— димність відпрацьованих газів зменшується в 1,6 — 2,5 рази.

5. Вплив вмісту води в ВПЕ на концентрацію вуглеводнів у відпрацьованих газах незначний і неоднозначний.

Результати проведених досліджень автотракторного дизеля, при роботі на ВПЕ, дозволяють вважати ВПЕ перспективним економічним і екологічним видом палива.

Список джерел інформації

1. Гладков О. А. Создание малотоксичных дизелей речных судов /О.А. Гладков, Е. Ю. Лерман — Л.: Судостроение, 1990. — 112 с.

2. Сомов В. А. О применении водотопливных эмульсий в дизелях // Двигателестроение. — 1988. — № 3. — С. 35−37.

3. Парсаданов И. В. Повышение качества и конкурентоспособности дизелей на основе комплексного топливно-экологического критерия. — Харьков: издат. центр НТУ «ХПИ», 2003. — 244 с.

4. Ceccarelli Ulderico. Metti l’emulsistem nel tuo motor // Tecnol. Serv. Pubbl. — 1987. — 7. — № 5. — Р 52 -54, 58 — 59.

5. Zhang T., Okada H., Tsukamoto T., Ohe K. Experimental study on water particles in the combustion of marine four-stroke diesel engine operated with emulsified fuels. Paper № 193, CIMAC 2007, Vienna.

6. http://nature-for-you.ru/faq/emulgator

7. http://additive.spb.ru/vte.html