|
| | Вода в бензобаке??? - СЕНСАЦИЯ, КОТОРОЙ СТО ЛЕТ
Журнал "Химия и Жизнь" 1981 № 5
Идея использовать обычную воду для улучшения работы двигателей внутреннего сгорания более чем привлекательна. И потому, что вода — самое распространенное и привычное вещество в повседневном обиходе, и потому, что она участвует чуть ли не во всех известных технологических процессах. Ее применение не требует затрат на создание новых производственных мощностей. А мировые запасы воды несравнимо выше запасов традиционного углеводородного топлива: водная оболочка Земли — океаны, моря, озера, реки — составляет 1,4—1,5 млрд. куб.км.
Но почему мы сравниваем запасы воды и нефти? Разве может обычная вода заменить в двигателях бензин, керосин, дизельное топливо? Конечно, нет. Но вода позволяет уменьшить теплона-пряженность двигателей, повысить надежность и эффективность их работы, экономить топливо, увеличить детонационную стойкость низкооктановых бензинов, снизить концентрацию окислов азота и углерода в отработавших газах. Вода может быть использована для охлаждения топливно-воздушного заряда при создании двигателей с наддувом, а также при работе двигателей в высокогорных условиях. Наконец, она дает возможность использовать водорастворимые антидетонаторы.
Первый патент на применение воды в двигателях получил сто лет назад Н. Отто. В начале нашего века появилось великое множество работ в этой области, причем предпринимались попытки использовать полученные результаты на практике. В 1920—1921 гг., например, многие английские автобусы были оборудованы карбюраторами с двумя поплавковыми камерами. Одна — для подачи бензина, другая — для подачи воды. В тридцатые годы водой заинтересовались и создатели авиационной техники. В некоторых исследованиях ее использовали не только для подавления детонации, но и для существенного уменьшения тепловой напряженности авиационных двигателей. В нашей стране были проведены стендовые и дорожные испытания, связанные с впрыском воды во впускную систему двигателей автомобилей ЗИС-150 и ЗИС-151, а также автобусов ЗИС-155, причем вместо этилированного бензина (с октановым числом 66) применяли неэтилированное горючее (с октановым числом 56). Наконец, в семидесятые годы появились работы по водорастворимым антидетонаторам, были разработаны способы получения водотопливных эмульсий непосредственно на автомобиле.
Особенно много публикаций о применении воды в двигателях внутреннего сгорания появилось в последние полтора-два года. Этим вопросом заинтересовалась и массовая печать. Появилось, например, сообщение о том, что на японских автозаправочных станциях в ближайшее время начнут продавать новое топливо — смесь воды (30%) и бензина (70%). Так же появляются различные предложения по системам впрыска воды в двигатель.
Если для общественности сообщения о воде в бензобаке, о воде в карбюраторе звучат пока что несколько сенсационно, то для специалистов по двигателям это давно известное дело. Однако несмотря на обилие исследований по воздействию воды на рабочий процесс, до сих пор нет достоверного анализа проведенных экспериментов.
ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ
Внутреннее охлаждение позволяет форсировать мощность двигателя и повысить его экономичность. А эффективность охлаждения зависит от теплоты парообразования и условий испарения топлива. Теплота парообразования воды 2260 кДж/кг, в то время как у этилового спирта всего лишь 860 кДж/кг, а у бензина и того меньше — 315— 350 кДж/кг. Понятно, что применение чистого спирта или спиртово-бензино-вых смесей, то есть топлив с более высокой теплотой испарения, чем у бензина, и требующих к тому же для сгорания меньше кислорода, повышает эффективность охлаждения. Вода резко снижает не только температуру деталей двигателя, но и температуру топливовоздушной смеси.
Скорость горения в цилиндрах падает; естественно, не возникают условия для детонации. Снижение температуры сгорания топлива при впрыске воды влияет на химические реакции горения. В результате уменьшается концентрация образующихся окислов азота и углерода.
Работа на водотопливных смесях связана и с некоторыми неприятностями. В отработавших газах незначительно увеличивается концентрация углеводородов. Нередко в эксплуатационных условиях двигатели работают не вполне устойчиво, особенно при полностью открытой дроссельной заслонке, при движении автомобиля на малой скорости. Все это связано с неравномерным распределением воды по цилиндрам двигателя.
ГОРЕНИЕ С ВОДОЙ
Наряду с накоплением экспериментальных фактов, связанных с использованием воды в двигателях, проведена масса исследований, которые позволили выяснить роль водяных паров в процессе горения. Присутствие воды не только влияет на скорость распространения пламени, но и ускоряет превращение СО — СО2. Особенно это заметно при концентрации воды 7—9%. Дальнейший рост концентрации уменьшает скорость процесса из-за снижения температуры горения.
Особенно интересны работы, в которых определялась истинная антидетонационная эффективность топливовоздуш-ной смеси при различном содержании воды. Непосредственные опыты с углеводородами на стандартных исследовательских установках практически невозможны, так как вода не растворяется в углеводородах и не смешивается с ними. Поэтому определялась антидетонационная эффективность смесей тет-рагидрофурана с водой. Оказалось, что водные добавки повышают детонационную стойкость тетрагидрофурана на 3 единицы октанового числа. Разумеется, для практики значительно интереснее оценить эффект на товарных бензинах. Такие исследования проводились на стабилизированных водотопливных эмульсиях. Данные о детонационной стойкости бензинов с различными добавками воды — в таблице.
Влияние воды на детонационную стойкость товарных бензинов (по моторному методу)
Топливо без воды 5% воды 10% воды 20% воды
Автобензин А-66 66 66,5 67,5 72
Автобензин А-72 72 72,5 74 76
Автобензин А-76 76 77 78 81
Автобензин АИ-93 93 85,5 96 98
Столь значительное повышение октановых чисел топлива объясняют снижением температуры горения топливовоздушной смеси. Это подтверждается точными расчетами процесса, выполненными на ЭВМ: добавление 10% воды к изооктану снижает максимальную температуру цикла с 2978,3 до 2951 К.
Казалось бы, с ростом концентрации воды в топливной смеси условия работы двигателя должны только улучшаться. Эксперименты и расчеты равновесного состава продуктов сгорания для изооктана и изооктана с 10%-ной водной добавкой показывают, что при таком содержании воды в смеси количество СО в отработавших газах падает на 6%, а NОх — на 8%. Дальнейшее увеличение водной добавки еще больше снижает концентрацию токсичных компонентов. Безусловно, это связано с падением температуры цикла, но, к сожалению, и с падением мощности двигателя. Поэтому, очевидно, у концентрации воды в смеси есть свой предел: где-то около 10%.
Есть немало предположений о механизме действия воды на антидетонационные свойства тетрагидрофурана, изо-октано-гептановых смесей, топлив, содержащих марганцевые антидетонаторы, и в особенности товарных бензинов. Сейчас считается, что вода в определенных концентрациях тормозит развитие цепных реакций предпламен-ного окисления углеводородов. Возможно, между перекисными радикалами и гидроксильной группой воды образуется водородная связь. Естественно, что при этом активность радикалов резко снижается, и это в свою очередь повышает детонационную стойкость топливных смесей.
ВРЕМЯ ЖИЗНИ ЭМУЛЬСИИ
Итак, впрыск воды в двигатель приносит явную пользу. И в то же время создает трудности: необходимость двойной системы питания со специальным оборудованием для впрыска топлива; неравномерность распределения воды по цилиндрам и т. д. Применение водотопливных эмульсий позволяет эти трудности обойти.
Водотопливные эмульсии — метаста-бильные жидкости, состоящие из воды и топлива. Длительность их метастабильного состояния зависит от третьего вещества — эмульгатора. Но подбор этого вещества оказался с технической точки зрения сложнее инженерных проблем, возникающих при использовании обычной воды.
Две нерастворимые друг в друге жидкости. Одна из них — дисперсная фаза (вода) в виде мельчайших капель равномерно распределена в другой — дисперсионной среде (топливе). Время жизни эмульсии зависит от свойства диспергированных капель удерживаться во взвешенном состоянии вопреки силе тяжести и силам, возникающим в результате соударений при броуновском движении. Эмульгатор, который сосредоточен на поверхности раздела образующих эмульсию жидких фаз, препятствует слиянию капель.
Среди наиболее распространенных эмульгаторов — поверхностно-активные вещества: кальциевая, магниевая, алюминиевая соли высших жирных кислот, различные смолы, каучук, декстрин, синтетические полимеры. В последнее время широкое применение в качестве эмульгаторов нашли ПАВ на основе олеиновой кислоты и ее солей, продукты синтеза окиси этилена и сульфирования жирных спиртов. Для образования устойчивых водотопливных эмульсий достаточно 1 % такого эмульгатора. В качестве ПАВ применяются также высокодисперсные минеральные порошки. Они смачиваются на разных участках своей поверхности обеими фазами эмульсии и как бы прилипают к межфазной границе, закрепляя капли дисперсной фазы.
Трудности, возникающие при создании устойчивых водотопливных эмульсий, связаны не только с подбором эмульгаторов. Необходимо выполнить целый комплекс требований, предъявляемых к моторному топливу. Во-первых, эмульгатора в эмульсии должно быть как можно меньше: уже 0,5% ПАВ может вызвать усиленное образование нагара в камере сгорания, перебои в работе двигателя. Кроме того, эмульгаторы и продукты их распада не должны быть токсичными и коррозионно-активными, не должны снижать детонационную стойкость топлива без воды. Все эти дополнительные требования усложняют и без того сложную задачу создания водотопливных эмульсий, устойчивых достаточно долгое время. Поэтому сейчас делаются попытки готовить эмульсии непосредственно на автомобиле: разрабатываются бортовые диспергирующие устройства, позволяющие при помощи гидрораспылителей или ультразвуковых генераторов получать в дисперсионной среде капли размером 0,1—8 мкм. Однако и в этих случаях для устойчивости эмульсий необходимо вводить эмульгаторы, хотя и в меньших количествах.
Горение водотопливных эмульсий несколько отличается от горения обычной системы вода — топливо. Эмульсионная вода замкнута в капсулах-каплях, стянута силами поверхностного натяжения, закипает она при температуре 200—250°С. Часть внутренней энергии перегретой капли идет на испарение воды, часть — превращается в кинетическую энергию, которая передается оболочке. Эта порция кинетической энергии примерно в 20 раз больше энергии поверхностного натяжения. Естественно, капля «взрывается» и разлетается на более мелкие осколки. При этом пары топлива, мельчайшие частицы воды и воздуха эффективно перемешиваются. Такая смесь сгорает полностью, в результате двигатель должен устойчиво работать на обедненных смесях, с пониженным расходом топлива.
Для повышения октанового числа бензина на 10 единиц нужна водотоплив-ная эмульсия, содержащая 30—50% воды. Для ее стабильности требуется большое количество поверхностно-активного вещества. Между тем ПАВ во многих случаях снижают антидетонационные свойства бензина. И тогда применение воды или эмульсий не улучшает, а ухудшает работу двигателя, увеличивает его износ. Складывается парадоксальная ситуация: средство, предназначенное для достижения определенного эффекта, этот эффект уничтожает.
ОТМЕНА СТАРОГО ЗАПРЕТА
Среди требований, которые издавна предъявлялись к антидетонаторам, чуть ли не на первом месте — достаточная растворимость в топливе. Это и понятно: хорошо растворяющееся в бензине вещество предельно просто можно ввести в топливную смесь. Однако такое ограничение сразу же исключает из числа возможных антидетонаторов множество соединений.
В связи с тем что добавка воды к топливу в целом положительно влияет на рабочий процесс, оказалось возможным этот запрет снять. В самом деле, если вещество с антидетонационными свойствами не растворяется в бензине, оно может растворяться в воде и в виде водных растворов применяться в водотопливных смесях или водотопливных эмульсиях.
Достоверно доказано, что при добавлении в топливо известных метал-лоорганических антидетонаторов, например тетраэтилсвинца, происходит дезактивация перекисей, которые накапливаются в процессе предпламен-ного окисления углеводородов. Уменьшение детонации как раз и связывают со снижением концентрации этих пере-кисных соединений. По сути дела, к такому же результату могли бы привести многие органические вещества, действующие в качестве ингибиторов окисления (антиокислителей), вызывающие распад перекисей. Любопытно, что в процессе распада перекисей, вызванном ингибиторами окисления, в достаточно большом количестве образуются стабильные радикалы, которые также препятствуют детонационному горению. И наконец, еще одно соображение: есть большая группа органических соединений с уже готовыми стабильными радикалами, способными затормозить детонацию. Основные представители этой группы — ароматические амины, с их весьма стабильным аминным радикалом.
Другая группа органических веществ, среди которых могут оказаться достаточно эффективные антидетонаторы, причем хорошо растворимые в воде,— это фенолы. Их ароматический остаток, как и у ароматических аминов, усиливает кислотные свойства гидроксильной группы. Фенолы активно вступают в химические реакции — и по гидроксилу, и по ароматическому кольцу,— под действием перекисей образуют стабильные феноксильные радикалы. Поэтому они широко используются как ингибиторы цепных реакций, стабилизаторы полимеров, антиокислители моторных топлив.
Самые активные ингибиторы из числа фенолов — пирокатехин, пирогаллол, гидрохинон. Они были испытаны в качестве антидетонаторов и обнаружили весьма высокую эффективность. Хорошо известно, что эти вещества применяются в качестве фотопроявителей. При этом для усиления проявляющего эффекта в них добавляют едкие щелочи. Подобным же образом активировали фенолы, приготовляя водорастворимые антидетонаторы. Ионы металлов ощутимо увеличивали антидетонационный эффект. Достаточно сказать, что добавка в топливо 3% пирокатехина повышает октановое число на 9 единиц, а 0,2% пирокатехинового фенолята калия — на 11 единиц.
Исследования водорастворимых антидетонаторов продолжаются, каждый год появляются новые составы, позволяющие увеличить октановое число топлива без добавки изрядно уже скомпрометировавших себя своей токсичностью алкилсвинцовых соединений. Сегодня стала совершенно очевидной возможность объединить в рабочем процессе два чрезвычайно полезных эффекта: действие воды и экологически чистых антидетонаторов. И надо полагать, что вода в бензобаке в скором времени перестанет быть технической сенсацией.
ЧТО МОЖНО ПРОЧИТАТЬ О ВОДОТОПЛИВНЫХ СМЕСЯХ И РАСТВОРИМЫХ В ВОДЕ АНТИДЕТОНАТОРАХ
П. К. Ефремов. К вопросу о дополнительном питании тепловых двигателей водой. Труды Всесоюзной научной конференции «Защита воздушного бассейна от загрязнения токсичными выбросами транспортных средств», ч. 1, с. 221. Харьков, Институт проблем машиностроения, 1977.
М. О. Л е р н е р. Химические регуляторы горения моторных топлив. М., «Химия», 1979.
М. О. Л е р н е р. Водорастворимые антидетонаторы. М., Экспресс-информация НИИТЭХИМ, серия «Элементоорганические соединения», вып. 6, 1979.
ф. В. С м а л ь, Е. Е. Арсенов. Перспективные топлива для автомобилей. М., «Транспорт», 1979.
Как приготовить эмульсию
Любая технологическая новинка нуждается в опытно-промышленной проверке — в условиях, наиболее приближенных к будущим условиям эксплуатации. После успешных лабораторных исследований, которые показали возможность работы автотранспорта на водобензиновых эмульсиях, в одной из автоколонн подмосковного города Химки была создана опытная станция для заправки автобусов и их эксплуатации на пригородных линиях. Поскольку для станции необходимо примерно 40 т эмульсии в сутки, была построена специальная установка
Для достаточной стойкости водобензиновых эмульсий требуются два поверхностно-активных вещества противоположного действия: гидрофобное и гидрофильное. В качестве ПАВ была выбрана смесь пентола и ОП-7 (3:1). Установка для приготовления эмульсии состоит из двух основных линий: раствора пентола в бензине и раствора ОП-7 в воде. Соединившись в смесителе, растворы поступают в диспергирующее устройство — серийно выпускаемый ультразвуковой гидродинамический диспергатор УГС-7У. После этого эмульсия диспергируется еще раз — для повышения стойкости. Если в дальнейшем удастся удачнее подобрать поверхностно-активные вещества, надобность в повторном диспергировании отпадет.
Для дозировки ПАВ и воды использованы сигнализаторы уровня, которые изготовлены из коррозион-ностойких материалов — тефлона и нержавеющей стали. Эти сигнализаторы позволяют регулировать дозировку компонентов в широких пределах, с точностью 1,5% для ПАВ и 0,5% для воды.
Установка отвечает всем требованиям техники безопасности: искрящие контакты герметизированы, корпус оборудован вытяжной вентиляцией — чтобы не скапливались пары бензина. Созданная линия универсальна, она позволяет получать эмульсии на основе бензина, дизельного и тяжелых моторных топлив практически с любыми жидкими ПАВ, растворимыми в воде или горючем.
Производительность химкинской линии 2 т эмульсии в час. Эмульсия содержит 10—13% воды, концентрация ПАВ — 10% от массы воды. Срок хранения приготовленного топлива — не более суток.
Опытная эксплуатация проводилась летом на семи автобусах ЛиАЗ-677, которые прошли от 2 до 10 тыс. километров. За время работы на водобензиновых эмульсиях не было случаев перегрева двигателей, жалоб на затруднения при пуске.
Г. АНДРЕЕВА По материалам журнала «Химия и технология топлив и масел», 1981, № I, с. 55, 56
Среди автолюбителей ходят разнообразные и притом противоречивые слухи о возможности использовать воду в качестве добавки к автомобильному горючему. Несмотря на отсутствие каких-либо рекомендаций в печати, я рискнул установить на своем автомобиле ВАЗ-2102 устройство для подачи водовоздушной смеси во впускной коллектор. Схема показана на рисунке; источник, из которого были почерпнуты первоначальные сведения о таком устройстве, мне, к сожалению, не известен. Водовоздушная смесь всасывается (благодаря разрежению) при работе двигателя из особого бачка в моторном отсеке, через конические фторопластовые клапаны и по резиновым трубкам поступает под карбюратор, где установлена стальная пластина толщиной 8—10 мм. В пластине просверлены три отверстия, из которых водо-воздушная смесь идет во впускной коллектор и там смешивается с бензовоздуш-ной смесью, приготовленной в карбюраторе. Воду я использовал водопроводную. Ее расход — 0,8 л на 10 л бензина. Расход бензина при езде по Москве составлял в среднем 8,5 л на 100 км. Помимо экономии топлива мне удалось использовать более дешевый бензин — А-76 вместо АИ-93.
Устройство работало практически ежедневно более полугода. По субъективным ощущениям водителя, приемистость и мощность двигателя остались прежними. При текущем техническом обслуживании никаких отклонений в работе и состоянии двигателя замечено не было.
Интерес автохозяйств и автолюбителей к использованию водобензовоздушных смесей более чем понятен. При неизменной степени сжатия такие смеси позволяют заправлять автомобили горючим с меньшим октановым числом, а следовательно, более дешевым. К тому же многие утверждают, что добавка воды позволяет уменьшить расход топлива, экономить нефтяное сырье.
Вот уж действительно, новое — это хорошо забытое старое. В двадцатые годы воду в поршневые двигатели вводил знаменитый Рикардо, в тридцатые годы тракторы с карбюраторными двигателями прекрасно работали на водокеросино-вых смесях, а известный советский конструктор академик А. А. Микулин исследовал впрыск воды в авиационные моторы. В первые послевоенные годы интересную работу провел И . Л.Варшавский, ныне доктор технических наук. Использовав уникальную по тем временам методику, он показал, что антидетонационный эффект водных добавок связан не только со снижением температуры рабочего процесса, но и с непосредственным участием воды в горении. Он добавлял в бензин тяжелокислородную воду с изотопом О18. Оказалось, что образующаяся углекислота частично состоит из молекул СО2 с тяжелым кислородом. К сожалению, дальнейшего развития эти исследования тогда не получили: углеводородное сырье казалось неисчерпаемым, а о загрязнении воздуха никто в те времена не задумывался. Сейчас работы по водным добавкам возобновились. У нас в стране они ведутся в Ташкентском автодорожном институте, Московском физико-техническом институте, в нескольких автохозяйствах. Подтвердился антидетонационный эффект водных добавок, подтвердилось снижение выброса окиси углерода и окислов азота, правда, при некотором увеличении концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах. Однако новые исследования породили новые вопросы, новые сомнения. Впрыск воды усложняет топливную аппаратуру, а для приготовления водо-топливных эмульсий нужны поверхностно - активные вещества — дешевые, надежные в работе, не дающие нагара. Таких пока нет. Нельзя забывать и о том, что для приготовления эмульсий приходится расходовать энергию. Так что стоит подсчитать, сколько мы ее все-таки сэкономим, сжигая чуть меньше горючего. И как быть с водой зимою? Мы ведь живем не в тропиках. Наконец, не совсем ясны вопросы коррозии, нагарообразования, дополнительного износа двигателей. Так что исследований еще предстоит немало. Пока на все эти вопросы нет однозначных ответов, я бы не стал переделывать свой автомобиль «под воду».
А как быть со схемой, которую использовал Н. Н.? В домашних условиях эмульсию не приготовить, так что приходится брать воду из специального бачка, пользуясь разрежением в карбюраторе. Это верно. А вот подача воды под дроссельную заслонку вызывает возражение. И вот почему. При подаче под дроссельную заслонку расход воды тем больше, чем больше разрежение. А разрежение максимально как раз при тех режимах, когда требования к октановому числу горючего невелики: например, на холостом ходу.
Тэги: вода в бензобаке, fuel save, car on water, watercar, автомобиль на воде, экономия топлива, увеличение мощности, тюнинг двигателя, альтернативное топливо, катализатор горения, водное топливо
 |
| |
| |
|
|
