Возможности. В течение многих десятилетий не прекра­щаются попытки использовать эффект добавки воды в топливо. Основная цель, которая при этом преследуется, заключается в улучшении воспламеняемости и сгорания топлив, благодаря чему возможны снижение требований двигателя к ОЧ бензина, экономия топлива и уменьшение дымности и токсичности ОГ. Все эти цели и вправду достигаются, но дорогой ценой: ис­пользование воды сопровождается таким количеством отрица­тельных последствий, что при имеющихся технических воз­можностях представляется нецелесообразным. Единственным случаем, когда добавка воды к топливу безусловно себя оправ­дывает, является сжигание котельных топлив. Однако этот ин­тересный вопрос выходит за рамки настоящей книги.

Несмотря на то что использование воды в автомобильных топливах практического интереса в настоящее время не пред­ставляет, этой проблеме следует посвятить несколько страниц. Во-первых, ожидаемая выгода настолько заманчива, что новые изобретатели вновь и вновь будут повторять одни и те же по­пытки. С другой стороны, не исключено появление новых тех­нических решений, которые сделают использование воды в топливе целесообразным.

В России систематические исследования использования во­ды в качестве добавки к топливу проводились в 1960-1970-е гг. рядом отраслевых институтов и автомобильных предприятий.

Кроме того, в 1970-1980-е гг. исследовалась возможность создания так на­зываемых пожаробезопасных дизельных топлив для наземной военной техники. Они представляли собой высокостабильные микроэмульсии воды в дизельном топливе, нормально сгорающие в двигателе, но не воспламеняющиеся при попа­дании снаряда в топливный бак. Микроэмульсии такого типа содержали боль­шое количество ПАВ, достигающее нескольких процентов (один процент ПАВ на каждый процент воды). Вследствие этого они были дороги и характеризова­лись рядом недостатков, например повышенным нагарообразованием. Гипотети­чески во время боевых действий их применение оправдывается стремлением сохранить людей и технику, но в народном хозяйстве они не нужны Поэтому такое применение воды в топливе мы не рассматриваем. Как можно судить по немногим открытым публикациям, за рубежом эти работы продолжаются и по сей лень. Исследовались как впрыск воды в камеру сгорания, так и при­менение водотопливных эмульсий (ВТЭ). В результате были выявлены основные преимущества и недостатки воды как до­бавки:

Автомобильные бензины. Антидетонанионный эффект при добавлении воды в бензин объясняется снижением температу­ры в камере сгорания из-за поглощения тепла при нагреве и испарении воды, характеризующейся высокими значениями теплоемкости и теплоты парообразования. Соответственно уве­личивается продолжительность начальной фазы горения. По­следнее обстоятельство равноценно увеличению угла опереже­ния зажигания и теоретически должно сопровождаться некото­рой потерей экономичности двигателя, что и наблюдается в некоторых случаях. Это плата за выигрыш в антидетонацион­ных свойствах.

Сведения о влиянии способа подачи воды в цилиндр проти­воречивы. Согласно одним источникам, эффективное 04 бензинов в определенных пределах линейно зависит от количества воды и не зависит от способа ее добавления: путем впрыска во впускную систему или в виде ВТЭ. Чем ниже ОЧ исходного бензина, тем ярче выражен эффект. На рис. 80 представлены результаты оценки ОЧ автомобильных бензинов на установке УИТ-65 при впрыске воды во впускной тракт [136]. Имеются и другие данные, по которым введение воды в топливо влияет на ОЧ гораздо более эффективно, чем добавление ее к воздуху во впускной трубопровод (рис. 81) [137]. Как можно заметить, в лучшем случае на каждые 10% воды приходится дополнитель­ные 1,5-2,0 единицы ОЧ. Таким образом, утечет немало воды, пока бензин А-76 превратится в АИ-93.

Дизельные топлива. Часто отмечают, что экономичность ди­зельного двигателя при работе на ВТЭ увеличивается на 2-3%. Это объясняется улучшением сгорания топлива. Однако эф­фект может и не проявиться, 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 добавлении присадок. В общем случае дымность ОГ снижается на 30-50%, эмиссия оксида углерода — на 20- 30%, а оксидов азота — на 40-50%. Уменьшение образования оксвдов азота объясняется снижением температуры в камере сгорания. Но по этой же причине выбросы углеводородов не уменьшаются, а в отдельных случаях даже увеличиваются.

На рис. 82 представлены результаты стендовых испытаний полноразмерного двигателя КАМАЗ-740. Можно заметить, что некоторое повышение экономичности двигателя наблюдается лишь при высоких нагрузках, а на малых нагрузках и в режиме холостого хода перерасход топлива составляет 2,5-6,0%. Это характерно для различных двигателей и объясняется, вероятно, поздним началом сгорания ВТЭ (несколько градусов после ВМТ). По этой же причине максимальная скорость нарастания 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, поэтому же антидымный эффект ВТЭ заметно проявляется лишь на средних и больших нагрузках и может достигать 30%. Уменьшение содержания NOx. в ОГ, напротив, наиболее значительно на малых нагрузках (рис. 83).

С увеличением содержания воды в ВТЭ антидымный эф­фект растет (см. рис. 83), но ухудшаются ее пусковые свойства. Поэтому в большинстве случаев рекомендовалось вводить в топливо не более 10% воды.

Имеется несколько объяснений механизма улучшения сго­рания дизельных топлив в виде ВТЭ. Наиболее распространен­ная версия заключается в том, что испарение мелких капель воды в камере сгорания происходит настолько быстро, что носит взрывной характер. Микровзрывы улучшают диспергирова­ние топлив и смесеобразование. Согласно другому объясне­нию, вода участвует в газификации сажи, образующейся на начальных стадиях горения топлива. Наконец, отмечено, что дальнобойность струп ВТЭ больше, чем топлива. Благодаря этому ВТЭ попадает на противоположную стенку камеры сго­рания, и на объемное испарение накладывается испарение в пленочном режиме.

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

Водоподготовка. Для использования в двигателе пригодна вода, прошедшая процедуру подготовки, основной стадией которой является обессоливание. Основные зольные элементы, содержащиеся в природной воде, — кальций, магнии, железо и кремний. В отдельных случаях могут присутствовать и катионы других металлов. Они откладываются на поверхности деталей дшгателя в виде накипи, ухудшающей теплообмен и затруд­няющей работу топливной аппаратуры.

Если для работы используется технологическая вода, уже прошедшая води под готовку, то ее жесткость, согласно стандар­ту, не превышает 7 мг-экв/л, что соответствует примерному содержанию 100-140 мг катионов кальция и магния в литре воды. Железо и кремний из такой воды удалены практически полностью. Это означает, что при добавлении 10% воды к топ­ливу в нем будет содержаться 10-14 мг/л металлов, что, напри- хмер, меньше допустимых концентраций антидетонаторов: 50 мг/л марганца или 38 мг/л железа. Если говорить более строго, то еше надо учитывать способность различных металлов к вы­носу из камеры сгорания. Но так или иначе, можно полагать, что стандартная технологическая вода вполне пригодна для рассматриваемых целей. Жесткость воды из большинства при­родных источников также достаточно низка и колеблется oj десятых 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. Практически непригодны для использования толь­ко некоторые минерализованные подземные и морские воды. С точки зрения изложенного, специалисты, считающие необ­ходимым применять только дистиллированную воду, выглядят слишком требовательными.

Способы добавления воды в топливо. Непосредственный впрыск воды в камеру сгорания требует модификации конструкции ДВС и системы топливоподачи, хотя позволяет избежать многих недостатков водотопливных эмульсий: плохих пусковых свойств, низкой стабильности, ухудшения антикоррозионных, противонзносных и низкотемпературных свойств топлива, по­вышенной вязкости, замерзания при отрицательной температу­ре и т.д. Кроме того, впрыск воды может осуществляться не постоянно, а только на средних и максимальных нагрузках, т.е. тогда, когда он дает наибольший эффект. Иногда рекомендует­ся впрыскивать воду в цилиндр после начала воспламенения топлива. Это компенсирует снижение температуры самовос­пламенения дизельного топлива в присутствии воды. На прак­тике впрыск 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 литературе |138], так и в научно-популярных журналах [139].

Водотопливные эмульсии (ВТЭ) не требуют изменения кон­струкции двигателя 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 эксплуатационных свойств, которыми должно обладать любое топливо для двига­телей внутреннего сгорания. Проблемы возникают и при экс­плуатации. Даже если ВТЭ относительно стабильна, остается опасность ее расслоения 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.

Приготовление ВТЭ заключается в интенсивном сме­шении топлива с водой в присутствии ПАВ как стабилизато­ров. При этом получается так называемая обратная эмульсия типа «вода-в-топливе». ВТЭ на базе дистиллятных топлив со­держат 10-20%, реже — до 50% воды. Наиболее часто использу­ются смесители кавитационного типа. Основное требование — приготовление ВТЭ с максимально высокой степенью дис­персности. Для повышения эффективности смешения в си­стему прибавляют диспергирующие добавки, снижающие меж­фазное натяжение на границе топливо — вода, а затем стабили­зирующие эмульсию. В качестве добавок применяют амиды карбоновых кислот и этаноламинов, имидазолины, диэфиры пентаэритрита и синтетических жирных кислот, эфиры олеи­новой кислоты с многоатомными спиртами и т.д. С целью обеспечения необходимого уровня качества оптимальным ва­риантом является выработка на НПЗ, терминале и т.д. специ­альной марки топлива с пакетом необходимых присадок (эмульгирующих, антикоррозионных, противоизносных), пред­назначенной для приготовления ВТЭ непосредственно на бор­ту транспортного средства [140].

При получении ВТЭ можно столкнуться с неприятной особенностью: наряду с требуемой обратной эмульсией («вода-в-топливе») образуется некоторое коли­чество прямой («топливо-в-воде») в виде хлопьев, забивающих трубопроводы и скапливающихся в застойных зонах. В СибАДИ (г. Омск, В.В. Робустов) иссле­довалась возможность использования в двигателях прямой эмульсии. Такие ВТЭ представляют собой густую массу, похожую на сметану. Их достоинство — высо­кая стабильность, зато недостатков гораздо больше. Почти все они (высокая вязкость, повышенная коррозионная агрессивность, плохие пусковые свойства) объясняются тем, что внешней фазой в прямых ВТЭ является вода. Была пред­ложена технология, пытающаяся 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.

Стабильность ВТЭ является наиболее важной практи­ческой проблемой. Эмульсии воды в топливе относятся к тер­модинамически неустойчивым системам. Разрушение ВТЭ включает в себя три процесса:

— седиментацию, т.е. расслоение эмульсии за счет осажде­ния капель воды на дно, в результате чего ВТЭ становится не­однородной по высоте столба жидкости. Полагают, что седи- ментационная устойчивость для эмульсий типа «вода-в- топливе» с практической точки зрения является наиболее важ­ной;

• флокуляцию — слипание капель в агрегаты-гроздья (флокулы);
• коалесценцию — слияние мелких капель в крупные с по­следующей седиментацией.

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 несколько секунд. Эмульгирующие добавки повышают стабильность ВТЭ во много раз. Например, при размере капель воды, равном 1 мкм, седиментационная ста­бильность водно-бензиновой эмульсии составляет около суток, а ВТЭ на основе дизельного топлива — 3-4 недели (В.В. Робустов, СибАДИ, г. Омск). Однако на агрегативную устойчивость (склонность к флокуляции и коалесценции) ПАВ влияют слабо. Для ее повышения требуются агенты, снижаю­щие объемную электризацию топлива, например антистатиче­ские присадки. Для практического применения в качестве ан- тифлокулянтов были предложены хромовые и железные соли карбоновых кислот. Полное предотвращение флокуляции до­стигается при концентрации солей хрома, равной 0,01-0,03% (мае.) [141].

Плотность и вязкость ВТЭ типа «топливо-в-воде» выше, чем 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 наибольшее влияние на нее ока­зывают концентрация воды и степень дисперсности. На рис. 84 представлено влияние концентрации воды и температуры на кинематическую вязкость ВТЭ с дисперсностью 2-3 мкм.

Противоизносные свойства ВТЭ должны быть ху­же, чем соответствующих топлив, но это отмечается далеко не всегда. Вероятно, в условиях жидкостного трения, когда основную роль играют смазывающие свойства внешней фазы — топлива, износ деталей, контактирующих с ВТЭ, очень мал. Это сообщают практически все, кто проводил эксплуатацион­ные испытания ВТЭ, изготовленных на базе тяжелых топлив. В условиях граничного трения, создаваемых, в частности, при лабораторных испытаниях, износ становится более заметен. Испытания ВТЭ, приготовленных на топливе ДТ с добавкой воды, на машине трения МИ-1 (материал — сталь ШХ15) мето­дом радиоизотопных индикаторов показали, что присутствие воды увеличивает износ пары трения на 20-60%. Однако износ может быть снижен путем добавления некоторых соединений, образующих на поверхности прочную адсорбционную пленку. В качестве примера на рис. 85 приведены результаты испыта­ний ВТЭ с добавкой 0,02% (мае.) кубовых остатков СЖК [142]. Роль противоизносных агентов могут играть эмульгирующие добавки, если они используются для приготовления ВТЭ.

Ниже приведены некоторые характеристики дизельного топлива J1 и ВТЭ на его основе, содержащей 10% воды и 0,03% ПАВ, стабильного в течение суток [136]:

Можно отметить существенное снижение ЦЧ (и соответ­ственно — повышение температуры самовоспламенения), за­метное увеличение вязкости и очень большое — содержания фактических смол. Последнее является результатом наличия

присадки — ПАВ с большой молекулярной массой. Коэффици­ент фильтруемости ВТЭ определить невозможно, так как метод предусматривает фильтрование образца через бумажный фильтр. Положительным моментом кажется высокий защит­ный эффект ВТЭ, но в действительности это артефакт. Анти­коррозионные свойства топлива, согласно методике, опреде­ляются в присутствии воды, так что наличие воды в ВТЭ роли не играет. Зато в ней содержится ПАВ, благодаря которому наблюдается антикоррозионный эффект.

В условиях эксплуатации автомобилей ВТЭ исследовались очень редко, поэтому не накоплено практически никаких дан­ных, позволяющих сделать выводы об особенностях примене­ния этого вида топлива.

Наиболее длительные испытания, вероятно, были проведе­ны летом 1979 г. автоколонной № 1786 (г. Химки) на автобусах ЛиАЗ-677. ВТЭ приготавливали на установке с ультразвуковым гидродинамическим диспергатором УГС-7У. В качестве ПАВ была взята смесь пентола (диэфир пентаэритрита и олеиновой кислоты) и ОП-7 в соотношении 3:1 в количестве 10% на воду. Стабильность ВТЭ, полученной таким способом, составляла около суток. За время испытаний автобусы прошли от двух до десяти тыс. км. Однако через полтора месяца испытания были прерваны из-за залегания поршневых колец на двух автомоби­лях. Причиной залегания были грязь, скопившаяся в кольцевых канавках, и большое количество нагара на кольцах и стенках цилиндров. И то, и другое было следствием наличия в топливе ПАВ, концентрация которого составляла около 1% на ВТЭ.

Определение концентрации воды в топливах осуществляется различными способами: при помощи реактива Фишера или гидрида кальция, по Дину-Старку и т.д. Большая часть их для анализа ВТЭ неудобна, хотя в принципе применима. Госко­миссия по испытаниям топлив, масел, смазок и спецжидкостей утвердила хроматографический метод определения воды в ВТЭ (решение № 1/23-295), основанный на адсорбции воды на ин­дикаторном силикагеле, обработанном хлоридом кобальта. Ме­тод заключается в пропускании образца через колонку, запол­ненную высушенным (120 °С, 4-5 ч) силикагелем фракции 0,05-0,15 мм. Длина обесцвеченной зоны соответствует кон­центрации воды в ВТЭ. Метод позволяет анализировать эмуль­сии, содержащие 2,5-20,0 % (об.) воды [143]. * Напомним, что при отравлении соединениями меди прием внутрь молока, которое часто используется при отравлениях, противопоказан.

Это расслоение ускоряется, если дизельное топливо содержит добавку бензина, который иногда вводят в топливо с целью улучшения его низкотемпе­ратурных свойств по старой рекомендации Госагропрома.

Присадки рекомендуется вводить в топливо при 40-50 °С. При необходимости следует подогревать топливо и трубопро­воды, по которым оно перекачивается.