Водотопливные системы для дизельных энергетических установок

Исследования в области усовершенствования производства и применения углеводородного топлива давно и интенсивно проводятся во всем мире. Среди множества вариантов решения этой задачи, включая как разработку новых типов двигателей, так и переход на альтернативные виды топлива, одним из перспективных направлений является использование водосодержащего топлива в виде топливных эмульсий (ВТЭ).

Идея использовать воду для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) возникла более 100 лет назад, если вести отсчет от первого патента на применение воды в двигателях, полученного Н. Отто — создателем цикла поршневого двигателя с принудительным воспламенением. В 20-е гг. прошлого века воду в поршневые двигатели вводил знаменитый инженер Г. Рикардо, а уже в 30-е гг. тракторы с карбюраторными двигателями прекрасно работали на водокеросиновых смесях, при этом в карбюраторах были выполнены две камеры: одна служила для подачи топлива, другая – воды. В 40-50-х гг. известный советский конструктор академик А.А. Микулин исследовал впрыск воды в авиационные моторы, а д.т.н. И.Л. Варшавский создал уникальную по тем временам методику, в которой показал, что антидетонационный эффект водной добавки связан не только со снижением температуры рабочего процесса, но и с непосредственным участием воды в процессе горения в цилиндре двигателя. Начиная с середины 70-х гг., на высоком научном уровне проводятся работы по способам получения и применения ВТЭ, комплексной стендовой отработке применения ВТЭ для различных типов двигателей и практического внедрения полученных результатов в Днепропетровском национальном университете, Тамбовском государственном техническом университете, Новосибирской государственной академии водного транспорта и в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте в содружестве с Военной академией тыла и транспорта (ВАТТ) и Балтийским морским пароходством.

В результате проведения большого объема многолетних научных разработок, экспериментальных исследований и анализа материалов практической эксплуатации установлено, что вода в качестве добавки к топливу позволяет:

— увеличить детонационную стойкость, особенно низкооктановых моторных топлив;

— уменьшить до 10% удельный расход топлива на отдельных режимах работы двигателя;

— повысить долговечность работы и продлить срок службы двигателей, прошедших немалый срок эксплуатации;

— снизить концентрацию токсичных составляющих в выхлопных газах и обеспечить выполнение действующих норм (см. Федеральный закон РФ «Об охране атмосферного воздуха №96-ФЗ от 04.05.1999г. в редакции Закона № 331-ФЗ от 21.11.2011г. и Правила ЕЭК ООН №49) в двигателях, не только поставленных на производство, начиная с 2000 г., но и находящихся в эксплуатации, без оснащения их систем газовыпуска дорогостоящими каталитическими нейтрализаторами.

Для иллюстрации сказанного можно привести два примера. Так, испытания двигателя КамАЗ-740, выполненные в Санкт-Петербурге в ВАТТ, показали, что оптимальная концентрация воды в ВТЭ, обеспечивающая наименьший выброс вредных продуктов с отработавшими газами, а также лучшие топливно-мощностные показатели, находятся в пределах 10-20%. Так, содержание токсичных веществ в отработавших газах уменьшилось: по СО на 17-18%, по NOxна 40-70%, а дымность снизилась в 3-4 раза.

Очень схожие результаты получены при комплексных стендовых испытаниях двигателя ЯМЗ-238 на эмульсии состава: дизельное топливо Л-0,2-40 ГОСТ 305-82 – 79%, вода – 20%, ПАВ-АМДМ-0,8 – 1%. Стендовые испытания проводились на скоростном и нагрузочном режимах работы двигателя и были организованы на базе Государственного технологического института в Санкт-Петербурге. Все перечисленные выше преимущества объясняются тем, что водотопливная эмульсия является особым видом топлива, качественно и количественно изменяющего процесс горения. Содержащиеся в топливе высокодисперсные частицы водной фазы при прогреве в цилиндре превращаются в паровые пузырьки, мгновенно дробящие топливные капли на мельчайшие частицы, которые быстрее прогреваются и интенсивнее взаимодействуют с кислородом, образующимся в результате диссоциации воды, воспламеняются и, перемешиваясь с кислородом воздушного заряда, ускоренно сгорают.

Благодаря более полному и ускоренному сгоранию топлива, постоянной газификации отложений углерода детали цилиндропоршневой группы и газовыпускного тракта не загрязняются продуктами сгорания, меньше подвержены абразивному износу.

Подача воды в двигатель может быть осуществлена тремя способами:

— в виде жидкости непосредственно в цилиндр или карбюратор;

— в виде паровоздушной смеси во впускной коллектор отдельно от топлива;

— в виде водотопливной эмульсии.

Впрыск воды в цилиндр реализовать непросто, хотя в 20-х гг. первые эксперименты с водой проделали именно с впрыском ее в зону выпускного клапана.

Подача паровоздушной смеси в зону впускного коллектора может быть реализована, например, за счет предварительного испарения воды теплом выхлопных газов. Однако оба эти способа не получили практического развития из-за необходимости создания двойной системы питания со специальным оборудованием, а также значительной неравномерностью распределения воды по цилиндрам.

Поэтому третий способ представляется наиболее простым и перспективным, т.к. применение заранее подготовленной эмульсии позволяло бы эти трудности обойти. Известно, что водотопливные эмульсии — это метастабильные жидкости, состоящие из воды и топлива, при этом длительность их метастабильного состояния зависит от третьего вещества – эмульгатора. Но подбор именно этого вещества оказался с технической точки зрения намного сложнее инженерных проблем, возникающих при использовании обычной воды.

В последнее время широкое применение в качестве эмульгаторов нашли поверхностно-активные вещества (ПАВ) на основе олеиновой кислоты и ее солей, позволяющие получить относительно устойчивые эмульсии. Трудности, возникающие при создании устойчивых водотопливных эмульсий, связаны не только с подбором эмульгаторов. Необходимо, кроме того, выполнить целый набор требований, предъявляемых к моторному топливу. Во-первых, эмульгатора в эмульсии должно быть как можно меньше. Так, например, наличие 0,5% ПАВ может вызвать усиленное образование нагара в камере сгорания и перебой в работе двигателя. Во-вторых, эмульгаторы и продукты их распада не должны быть токсичными и коррозионноактивными, а также снижать детонационную стойкость топлива. Все эти дополнительные требования усложняют задачу создания водотопливных эмульсий, устойчивых достаточно долгое время.

В последнее время появилось сообщение о разработке японскими исследователями из Университета Канагавы нового суперэмульгированного топлива. Японские исследователи разработали процесс эмульгирования топлива при помощи гидрофильных наночастиц. Проведенные испытания суперэмульгированного дизельного топлива на 30-тонном грузовике показали сокращение выбросов вредных веществ и снижение расхода топлива на 10-15%. При этом испытывались два типа водно-дизельной смеси: с содержанием воды 30% и 35%. Следует отметить, что снижение стоимости такого эмульгатора — не менее сложная задача, чем его получение. Поэтому сейчас делаются попытки изготовления водотопливных эмульсий непосредственно как на стационарных, так и транспортных дизельных силовых установках с разработкой на последних бортовых диспергаторов. Но и в этих случаях для устойчивости эмульсии продолжают вводить эмульгаторы, хотя и в меньшем количестве.

Проведя широкий поиск и анализ патентной и технической информации специалисты научно-производственного предприятия «Аркон» разработали водотопливную систему для стационарных и транспортных дизельных энергетических установок мощностью от 50 до 500 л.с. с получением эмульсии без использования эмульгатора непосредственно на самой установке. При этом конструктивные изменения в штатную топливную систему не вносились. Выбор двигателя, работающего по циклу дизеля, обуславливается:

— мировым ростом производства дизельных двигателей для судов, тепловозов, тракторов и автомобилей;

— возможностью применить в установке получения ВТЭ идентичных топливных насосов, применяемых в дизельных топливных системах;

— использованием для улучшения качества (дисперсности) ВТЭ ударные волновые процессы, возникающие в трубопроводе от насосной секции к форсунке при подаче топлива под давлением.

Для реализации этого направления в НПО «Аркон» была разработана программа, состоящая из трех этапов:

— на первом этапе предусматривалось создание специализированного стенда для проверки и отработки схемно-технологических и конструктивных разработок;

— на втором этапе – создание первого образца установки получения ВТЭ для грузового автомобиля (МАЗ 54329-20) мощностью 240 л.с. и проведение комплексных стендовых испытаний;

— на третьем этапе – дорожные пробеговые испытания на борту автомобиля.

В 2008-2009 гг. на предприятии была организована проблемная лаборатория и создан стенд для испытания оборудования получения ВТЭ, проведения режимных испытаний установки совместно с дизельным двигателем. На рис. 1 отражена схема стендовой системы получения и разделения ВТЭ, а ниже приводится состав стенда.

Водотопливные системы для дизельных энергетических установок

В состав стенда входят:

1 – установка получения ВТЭ;

2 – дизель-генератор «Хонда» N = 3 кВт с щитом контроля и тепловой нагрузкой;

3 – мерный участок с обратным электромагнитным клапаном, управляемым от реле времени;

4 – сепаратор Е2 V = 20 л с коллектором;

5 – мензурка V = 2 л с водой;

6 – мензурки V = 0,25÷2 л для замера расхода дизельного топлива и замера расхода и концентрации воды в составе ВТЭ.

Непосредственно в состав установки получения ВТЭ входят:

— емкость Е1 V = 20 л для дизельного топлива;

— топливный насос высокого давления Н1 с подкачивающим насосом;

— диспергатор D1 эжекторного типа.

Кроме того, в состав установки входит запорная и манометровая арматура и приборы контроля давления.

Основные результаты режимных испытаний стендовой установки отражены на рис. 2.

Водотопливные системы для дизельных энергетических установок

На представленных графиках показаны:

1 – расход ВТЭ (VВТЭ) через диспергатор в зависимости от давления Р1 на входе в диспергатор;

2 – расход (Vн) дизельного топлива через диспергатор в зависимости от давления Р1 на входе в диспергатор;

3 – расход воды (Vвод), подаваемой в диспергатор при стабильном давлении в рабочей камере Рв=0,1÷0,05 кГс/см2 (абс.);

4 – объемная концентрация воды в составе ВТЭ (Vос) в %;

5 – критическое давление на входе в диспергатор, уменьшение которого приводит к нарушению устойчивого режима работы диспергатора.

Большой объем проведенных экспериментов подтвердил правильность технических принципов, заложенных в технологический процесс получения ВТЭ без эмульгатора, а сконструированное оборудование обеспечило устойчивую работу дизель-генератора «Хонда» в нагрузочном режиме при концентрации воды в диапазоне 5-30%. Сбой в работе дизель-генератора происходил при повышении концентрации воды в составе ВТЭ с 35% до 40%.

В процессе стендовых испытаний была решена противоречивая задача. С одной стороны, необходимо было получить мелкодисперсную эмульсию, время жизни которой достаточно, чтобы произошел ее впрыск в цилиндр двигателя и возгорание, но с другой — минимизировать время расслоения на воду и топливо той части ВТЭ, которая возвращается в установку из циркуляционного контура после отбора из него расхода на дизель, зависящего от его режима работы. Первое качество было достигнуто за счет разработки в конструкции диспергатора камеры смешения с волновым внутренним профилем на определенной длине, что обеспечило существование эмульсии в мелкодисперсной форме в интервале от 40 до 60 с. Эффективное расслоение возвращаемой ВТЭ было найдено после испытания ряда конструкций одно-, двух- и трехступенчатых сепараторов и порядка десятка коллекторов. В результате испытаний была доведена конструкция одноступенчатого сепаратора, из которой при поступлении ВТЭ с концентрацией воды 20% удается отвести топливо из сепаратора с концентрацией воды 0,3-0,5%.

Накопленный в процессе испытаний исследовательский и конструкторский опыт позволил сформулировать главные технические требования, которые легли в основу разработки опытной водотопливной системы для стационарных и транспортных силовых энергетических дизельных установок мощностью от 50 до 500 л.с., а именно:

— водотопливная система должна быть автономной и встроена в штатную топливную систему с сохранением ее полной работоспособности при отключении первой;

— работа водотопливной системы может быть осуществлена как в ручном, так и в автоматическом режимах, при этом в случае отказа системы по команде оператора или водителя должен быть произведен автоматический переход работы дизельной установки от штатной системы питания;

— в штатный бак с дизельным топливом не должна попадать ВТЭ;

— время работы водотопливной системы 12 ч в смену;

— система должна обеспечить возможность изменения настройки получения концентрации воды в составе ВТЭ в диапазоне от 5% до 35% без постоянного контроля состава ВТЭ;

— потребляемая мощность не должна быть более 500 Вт, питание оборудования системы для стационарного варианта от источника 220/380 В, f =50 Гц, для транспортного варианта от источника V=24 В;

— оборудование системы должно быть выполнено в виде удобных для монтажа и эксплуатации агрегатов;

— первая опытная водотопливная система должна работать только при плюсовых температурах.

Принципиальная схема опытного образца водотопливной системы представлена на рис. 3.

Водотопливные системы для дизельных энергетических установок

Топливная система включает установку получения водотопливной эмульсии в составе: бак для подачи воды 1, бак для топлива 2, последовательно сообщенные и образующие циркуляционный контур плунжерный насос высокого давления 3, эжектор 4 с приемной камерой и камерой смешения, подключенной непосредственно к коллектору 5 насоса двигателя (на схеме насос двигателя не показан), сепаратора инерционного типа 6 с регулятором уровня топлива 7, регулятором уровня воды 8 и коллектором 9, установленным в зоне разделения воды и топлива, а также тремя входами, один из которых трубопроводом связан с баком для воды 1, второй – с топливным баком 2, а третий – с коллектором 9 и линией возврата эмульсии от коллектора 5 насоса двигателя, при этом на линии возврата эмульсии установлен сигнализатор давления 10 и регулятор давления 11, а из двух выходов сепаратора 6 один трубопроводом подключен к плунжерному насосу 3, а второй – к приемной камере эжектора 4 с помощью трубопровода, на котором установлен электромагнитный клапан 12 и дюза 13. Дополнительно система снабжена контуром циркуляции топлива в составе: топливного насоса низкого давления 14, подключенного трубопроводом к баку для топлива 2 и напорным трубопроводом с электромагнитным клапаном 15 к коллектору 5 насоса двигателя, и трубопровода возврата топлива из коллектора 5 насоса двигателя в бак для топлива 2, при этом на трубопроводе возврата топлива установлены регулятор давления 16 и электромагнитный клапан 17, а также байпасным трубопроводом с регулятором давления 18, подключенным к баку для топлива 2 и напорному трубопроводу, и трубопроводом подпитки топливом 19, соединенного с напорным трубопроводом и вторым входом сепаратора 6.

Предлагаемая топливная система двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом. Пуск и первоначальная работа двигателя производится за счет отбора необходимой части топлива, осуществляемого насосом двигателя из коллектора 5 циркуляционного контура топлива. В этом случае топливо из бака для топлива 2 по трубопроводу поступает к топливному насосу 14, после которого под давление 0,15÷0,2 МПа через открытый электроклапан 15 по напорному трубопроводу поступает в коллектор 5 насоса двигателя, из которого часть топлива отбирается на насос двигателя и далее распределяется по форсункам, а остальная часть через регулятор топлива 16 и открытый электроклапан 17 по трубопроводу возвращается в бак для топлива 2.

Переход работы двигателя от установки получения водотопливной эмульсии производится по команде водителя автоматически, причем переход на альтернативное топливо совершается в три этапа. На первом этапе топливо из сепаратора 6 по трубопроводу поступает к плунжерному насосу 3, после которого оно под давлением 7,0÷10,0 МПа направляется в эжектор 4, камера смешения которого непосредственно соединена с коллектором 5 насоса двигателя. В коллекторе 5 потоки топлива после насоса 14 и эжектора 4 соединяются. Далее суммарный поток топлива, за вычетом его объема, отбираемого для работы двигателя, возвращается в бак для топлива 2, при этом расход топлива, поступающего к плунжерному насосу 3 из сепаратора 6, компенсируется за счет его отбора после насоса 14, поступающего по трубопроводу на вход сепаратора 6 и далее через регулятор уровня топлива 7.

На втором этапе через 20÷30 с после включения в работу плунжерного насоса 3 выдается автоматическая команда на закрытие электромагнитных клапанов 15 и 17, в результате чего вступают в работу регуляторы давления 11 и 18, настроенные на несколько большее давление срабатывания, чем регулятор давления 16. Таким образом, на этом этапе еще продолжается работа двигателя на топливе, циркулирующем по контуру: сепаратор 6, плунжерный насос 3, эжектор 4, коллектор 5 насоса двигателя, регулятор давления 11 линии возврата, коллектора 9 сепаратора 6.

На третьем этапе работы через 20÷40 с после закрытия электромагнитных клапанов 15 и 17 и достижения необходимого давления в коллекторе 5, фиксируемого с помощью сигнализатора давления 10, выдается команда на открытие электромагнитного клапана 12, в результате чего вода из нижней части сепаратора 6 по трубопроводу поступает в рабочую камеру эжектора 4 с необходимым для получения концентрации водотопливной эмульсии расходом, который определяется отверстием дюзы 13 и перепадом давления между сепаратором и рабочей камерой эжектора. Образующаяся в камере смешения эжектора 4 мелкодисперсная водотопливная эмульсия поступает в коллектор 5 насоса двигателя, где в зависимости от режима работы двигателя необходимая часть отбирается насосом двигателя и подается на форсунки, а избыток через регулятор давления 11 по линии возврата эмульсии возвращается в коллектор 9 сепаратора 6, где эмульсия распадается на воду и топливо, при этом расход воды, ушедшей на образование эмульсии из объема сепаратора, восполняется из бака для воды 1, которая по трубопроводу поступает на вход сепаратора 6 к регулятору уровня воды 8, который поддерживает заданный уровень, а расход топлива из сепаратора 6 восполняется с помощью регулятора уровня топлива 7 за счет части топлива, отбираемого после топливного насоса 14 по трубопроводу 19, а избытки топлива возвращаются по байпасному трубопроводу через регулятор давления 18 в бак для топлива 2. Работа установки получения водотопливной эмульсии постоянно контролируется по давлению в коллекторе 5 насоса двигателя с помощью сигнализатора давления 10. В случае снижения давления ниже заданного значения от сигнализатора давления 10 поступает команда на отключение электродвигателя плунжерного насоса 3, открытие электромагнитных клапанов 15 и 17, закрытие электромагнитного клапана 12. Таким образом, происходит автоматический переход работы двигателя на топливо из контура циркуляции: бак для топлива 2, топливный насос 3, электромагнитный клапан 15, коллектор 5 насоса двигателя, регулятор давления 16, электромагнитный клапан 17 и трубопровод возврата топлива в бак для топлива 2.

Такой же переход в любой момент времени может быть выполнен и по команде водителя.

В настоящее время в лаборатории ведется разработка способа и устройства, позволяющих на порядок повысить эффективность разделения ВТЭ за короткий промежуток времени поступления ее в сепаратор. Желательно, чтобы в топливе после процесса сегментации концентрация воды не превышала 0,1%. В этом случае появляется возможность создать довольно перспективную водотопливную систему, гидравлическая схема которой представлена на рис. 4.

Водотопливные системы для дизельных энергетических установок

Как видно из схемы, водотопливная система включает установку получения ВТЭ 1 и сепаратор 2 для эффективного разделения ВТЭ, возвращаемой из циркуляционного контура, с совмещением функции бака для воды, объем которого позволяет обеспечить без дозаправки водой работу двигателя в течение 8-12 ч. Установка получения ВТЭ включает также высоконадежный одноплунжерный насос Н1 высокого давления с электроприводом постоянного тока V=12–24 В, диспергатор Д1 эжекторного типа, обратные клапаны ОК1 и ОК2, электромагнитный клапан К1 и фильтры. Установка получения ВТЭ 1 встраивается в разрез между подкачивающим топливным насосом НП и коллектором топливного насоса высокого давления штатной системы. В сепараторе установлен коллектор для приема ВТЭ, указатель уровня воды, а также теплообменник, в котором циркулирует горячий тосол для подогрева в зимнее время (теплообменник и указатель уровня на схеме не показаны). Возможен вариант изготовления единого универсального топливного бака, соединяющего функции бака для воды, сепаратора и бака для топлива.

Николай Николаевич Коленко, генеральный директор

Юрий Иванович Духанин, ведущий научный сотрудник

ЗАО «НПО «АРКОН

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *