Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы 13
1.1. Токсичность дизелей 13
1.2.Снижение выбросов с ОГ дизелей 15
1.3.Влияния характеристик топлива на показатели дизелей 18
1.4.Подача воды в цилиндр дизеля 22
1.4. 1. Процессы смесеобразования и сгорания обводнённого топлива 25
1.4. 2. Поведение воды в эмульсии 28
1.4. 3. Факторы, влияющие на возникновение микровзрыва 30
1.4. 4. Воздействие ВТЭ на экологические показатели дизелей: 33
1.4. 5. Влияние наличия Воды на склонность к сажеобразованию 36
1.4. 6. Проблемы относительно применения эмульсии в двигателях: 37
1.4. 7. Практические водо-топливные эмульсии, продающиеся в мире 38
1.5.Эмульсия и мембранное эмульгирование 38
1.6.Постановки проблемы и конкретные задачи исследования 45
2 Аналитическое исследование 47
2.1 Анализ работы и качества мембранного эмульгирования 47
2.2 Предпосылка расчётного химического равновесия 52
2.3 Физико-химические свойства ВТЭ
2.3.1 Физические свойства эмульсии 57
2.3.2 Вязкость эмульсии 58
2.3.3 Теплотворность 62
2.4 Моделирование расширения одиночной капели ВТЭ 64
2.4.1 Предпосылка вскипания и зародышеобразования 64
2.4.2 Моделирование испарения одиночной капели ВТЭ 67
Выводы по главе 2 72
Приготовление водотопливной эмульсии 74
3.1 Выбор эмульгатора для приготовления водо-топливной эмульсии 74
3.2 Экспериментальный стенд и использованные средства измерения 79
3.3 Методика приготовления ВТЭ 83
3.4 Влияния содержания воды в эмульсии на вязкость ВТЭ 85
3.5 Затраты энергии на эмульгирование 89
Выводы по главе 3 92
4 Безмоторные и моторные испытания ВТЭ 93
4.1 Измерение максимальной высоты некоптящего пламени ВТЭ 93
4.2 Предварительная оценка работы дизеля на ВТЭ
4.2.1 Влияние ВТЭ на мощностные показатели дизеля 97
4.2.2 Воздействие ВТЭ на экологические показатели дизеля
4.3 Работы дизеля на ВТЭ с заранее заданной структурой 100
4.4 Анализ дисперсных частиц (РМ) 102
Выводы по главе 4 104
Заключение 105
Список литературы
- Процессы смесеобразования и сгорания обводнённого топлива
- Физико-химические свойства ВТЭ
- Влияния содержания воды в эмульсии на вязкость ВТЭ
- Влияние ВТЭ на мощностные показатели дизеля
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы. В настоящее время проблемы потребления невозобновляемых энергоресурсов и загрязнения окружающей среды выбросами вредных веществ (ВВ) с отработавшими газами (ОГ) поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) являются одними из наиболее актуальных. Их решение возможно либо за счёт совершенствования рабочего процесса двигателя, либо за счёт нейтрализации ВВ, находящихся в ОГ, либо за счёт применения альтернативных топлив. При этом и в последнем случае также необходимы исследования по улучшению рабочего процесса, который десятилетиями отрабатывался с учётом применения традиционных топлив. Но в любом случае сложность решения указанных проблем определяется необходимостью нахождения компромисса между топливной экономичностью и выбросами продуктов неполного сгорания (оксида углерода CO, суммарных углеводородов CnHm и дисперсных частиц PM), с одной стороны, и эмиссией оксидов азота NOx, с другой.
Один из способов изменения физико-химических свойств топлив - добавление воды в топливо, что приводит к созданию водо-топливной эмульсии (ВТЭ). Преимущество этого вида топлива заключается в широкой доступности воды, в отличие от многих альтернативных топлив, которые, к тому же, либо крайне ядовиты (например, топлива на основе метила), либо требуют больших затрат времени на их получение (например, на выращивание твердых видов биотоплив и их дальнейшую переработку). Сложностью является тот факт, что вода и лёгкие топлива (дизельное, керосин, бензин) не смешиваются между собой - при смешивании происходит их быстрое расслоение.
В работах, посвящённых применению ВТЭ, их основной характеристикой является процентное содержание воды в эмульсии. При этом сами эмульсии получают совершенно различными путями: как предварительно, так и непосредственно на двигателе, с применением эмульгаторов (стабилизаторов, препятствующих расслоению ВТЭ) и без них, с помощью механических, акустических и фазо-инвертирующих способов.
Однако анализ результатов многих испытаний, связанных с применением ВТЭ в различных видах поршневых ДВС, показал недостаточно высокую степень их воспроизводимости по критериям топливной экономичности и эмиссии ВВ с ОГ. Это указывает на наличие факторов, которые не учитываются при использовании ВТЭ, что, в свою очередь, препятствует их широкому применению. Одним из таких возможных факторов может быть структура ВТЭ - характер распределения капель воды в эмульсии по размерам, что будет определять, в частности, степень однородности эмульсии и оказывать влияние на её физи-
ческие параметры, а также средний размер капель воды в эмульсии, что будет определять площадь контакта воды и топлива и характеризовать интенсивность испарения воды при нагреве, т.е. влиять на процессы макросмешения ВТЭ с окислителем и термохимические показатели процесса её горения.
Актуальность решения указанной проблемы определила выбор темы, обоснование объекта, предмета, цели и задач диссертационного исследования.
Цель работы: разработка методики получения водо-топливной эмульсии с заданной структурой для улучшения экологических и экономических показателей дизеля.
Поставленная цель достигалась решением следующих задач:
анализ методов приготовления эмульсий с оценкой их энергоэффективности и выбор метода, обеспечивающего высокую степень однородности эмульсии и воспроизводимость структуры; анализ эффективности различных видов эмульгаторов для приготовления ВТЭ и условий их применения;
разработка методики и создание установки приготовления эмульсии;
проведение теоретических и экспериментальных лабораторных исследований свойств получаемых ВТЭ и их структуры; анализ влияния структуры получаемых эмульсий на их характеристики горения;
проведение исследований по определению влияния структуры ВТЭ на мощностно-экономические и экологические показатели дизеля;
разработка рекомендаций по технологии приготовления ВТЭ с высокой степенью однородности и их применению в поршневых ДВС.
Объект работы: процесс сгорания водо-топливной эмульсии в дизеле.
Предмет исследований: исследование влияния структуры ВТЭ на её физические характеристики и на экологические показатели процесса горения ВТЭ в условиях преимущественно диффузионного режима горения, характерного для дизелей.
Методика и методы исследований. Методика исследований предусматривает сочетание теоретических и экспериментальных методов. С помощью теоретических методов рассмотрено влияние долевого содержания воды на свойства ВТЭ, проведен расчет состава продуктов сгорания при горении ВТЭ, определены закономерности процесса мембранного эмульгирования.
Экспериментальная часть включает:
приготовление ВТЭ; установка реализует принцип мембранного эмульгирования (создана на ЗАО «Владисарт», г. Владимир); структура эмульсии, средний размер капель воды и их распределение по размерам измерены с помощью анализатора размеров частиц Horiba LB-550 (Япония) (проведено на кафедре экологии ВлГУ) и оптического микроскопа МИКРОМЕД 3 Вар 3-20
с видеоокуляром DCM-510 (КНР) (проведено на кафедре биологии и почвоведения ВлГУ);
исследование влияния долевого содержания воды на физические параметры ВТЭ и экологические показатели процесса горения ВТЭ; оценка склонности ВТЭ к сажеобразованию выполнена в соответствии с ГОСТ 4338-91 и ГОСТ Р 53718-2009 с помощью фитильной лампы (проведено на кафедре ТД и ЭУ ВлГУ);
исследование влияния структуры ВТЭ на экономические и экологические показатели ДВС проведено на моторном стенде (в ООО «Владимирский моторо-тракторный завод») в соответствии с ГОСТ Р41.96-2005 (Правила ЕЭК ООН №. 96-01) и ГОСТ 18509-88.
Достоверность и обоснованность результатов работы определяются большим объёмом аналитических и экспериментальных исследований, применением стандартизованных методов испытаний, использованием современных поверенных средств измерений, применением фундаментальных положений теории течения жидкости, воспроизводимостью состава ВТЭ при мембранном эмульгировании, совпадением результатов расчётных и экспериментальных исследований свойств эмульсий.
Научная новизна работы заключается в следующем:
исследован характер воздействия структуры водо-топливной эмульсии на экономические и экологические показатели дизеля;
выявлена степень влияния содержания воды в ВТЭ на её склонность к са- жеобразованию при диффузионном горении, характерном для дизелей;
получены данные о влиянии структуры капель воды в эмульсии на вязкость ВТЭ;
показана перспективность метода мембранного эмульгирования для приготовления ВТЭ с высокой степенью однородности для использования в дизеле.
Основные результаты, полученные лично соискателем:
проведена оценка экономических и экологических показателей дизеля 3ЧН10,5/12 при работе на ВТЭ с различной структурой;
исследована зависимость максимальной высоты некоптящего пламени (МВНП) ВТЭ от содержания воды в условиях диффузионного горения, характерного для дизелей;
получены данные о предельно приемлемом содержании воды в ВТЭ для условий её применения в дизеле;
оценено влияние содержания воды в эмульсии и структуры эмульсии на её вязкость;
разработана методика применения смесевого эмульгатора для обеспечения стабильности эмульсии;
разработана технология получения эмульсии с заданной структурой методом мембранного эмульгирования;
проведена сравнительная оценка различных методов получения эмульсий по величине энергозатрат.
Практическая ценность исследований заключается:
в разработанной методике и технологии приготовления эмульсии на основе мембран, обеспечивающих приготовление однородных стабильных эмульсий воды в топливе с заранее заданной структурой;
рекомендациях по улучшению экономических и экологических показателей дизеля при работе на ВТЭ.
Реализация результатов работы. Работа проводилась на кафедрах ТД и ЭУ, «Биология и почвоведение» и «Экология» ВлГУ, в ЗАО «Владисарт» (г. Владимир) и ООО «ВМТЗ» (г. Владимир). Результаты исследований внедрены на ЗАО «Владисарт», а также используются в учебном процессе кафедры ТД и ЭУ ВлГУ.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы обсуждены и одобрены:
на заседаниях кафедры ТД и ЭУ ВлГУ в 2009 - 2012 гг.;
XII Международной научно-практической конференции в ВлГУ, 29 - 30 июня 2010 г.;
международных конференциях в Каунасском сельскохозяйственном институте (г. Каунас, Литва) в 2010 и 2012 гг.;
конференции, посвященной Дням науки студентов и аспирантов ВлГУ в 2012 г.;
технических советах ООО «ВМТЗ» (г. Владимир) в 2011 и 2012 гг.;
технических советах ЗАО «Владисарт» (г. Владимир) в 2011 и 2012 гг. Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 6 в
изданиях, рекомендованных ВАК, из которых 3 - в зарубежных изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов и заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы составляет 133 страницы, в том числе 106 страниц основного текста, содержащего 64 рисунка и 18 таблиц. Список литературы включает 184 наименования.
Процессы смесеобразования и сгорания обводнённого топлива
Подача воды в виде эмульсии имеет большую эффективность по сравнению с подачей воды непосредственно во впускной трубопровод за счёт улучшения смесеобразования и распыливания струи топлива [38]. При высокотемпературных условиях (выше температуры кипения воды) возникнет паровой пузырёк, который очень быстро расширяется, приводя к микротурбулизации топливовоздушной смеси и, как следствие, к улучшению смесеобразования.
Качество ВТЭ определяется в большей степени их дисперсностью и средним размером частиц дисперсной фазы (в нашей случае - воды) [39]. Чем меньше средний размер капель водной фазы, тем равномернее распределение воды в топливе, тем выше её однородность и тем устойчивее эмульсии.
«Разве может обычная вода заменить в двигателях бензин, керосин, дизельное топливо? Конечно, нет. Но вода позволяет уменьшить теплонапряжен-ность двигателей, повысить надёжность 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 даёт возможность использовать водорастворимые антидетонаторы» [40]. При высокой температуре водяной пар термически диссоциирует не только на атомарные водород Н2 и кислород 02, но и на молекулярные водород Н и гидроксил ОН [41]. Хотя из-за высокой теплоёмкости воды происходит снижение температуры горения, однако активные радикалы О, Н, и ОН способствуют ускорению реакций. Такие результаты получены [42] в ходе исследованию влияния ОН на образование NOx. Выявлено, что при незначительных количествах воды последняя действует как катализатор за счёт образования активных радикалов (Н20+0 — Н202), взаимодействующих с оксидом углерода СО и несгоревшими углеводородами CnHm, по реакциям [3]: Н20 + СО - С02 + Н2 и Н20 + СН4 -» СО + ЗН2 (1-1) Также выявлено, что подача воды или водяного пара в топки паровых котлов для подавления NOx сдерживалось существенным снижением экономичности паровых котлов. Установлено, что при подаче 9-10% пара в котёл происходит снижение его КПД на 4-5% [39]. Ввод водяного пара интенсифицирует реакции горения и, прежде всего, дожигание СО за счёт добавочного количества гидроксильного радикала ОН (в дополнение к формуле 1-2): Н20 - ОН + Н и СО + ОН - С02 + Н (1-2)
Таким образом, наличие воды не только влияет на скорость распространения пламени благодаря активным радикалам, но и ускоряет превращение СО в С02, особенно при содержании воды в диапазоне 7-9% [40].
В результате исследования работе судовых дизелей на ВТЭ, обеспечено выполнение действующих современных стандартов двигателями, находящимися в эксплуатации без каких-нибудь дополнительных систем нейтрализации [43]. Наилучшие результаты получены при работе в режиме 75 % от номинальной мощности при содержании воды около 32 %. При этом концентрация NOx была на 35 - 40 % меньше, чем при работе на обычном топливе.
При рассмотрении процесса существования одиночной капли ВТЭ в условиях КС дизеля можно выделить четыре этапа [44] (Рис. 1.9): 1) Этап I - период задержки воспламенения - время от момента ввода капли до воспламенения, составляя от 40 до 55 % общего времени т, в течение которого размер капли незначительно возрастает; 2) Этап II - воспламенение и интенсивное горение. Этап воспламенения, возникающий около капли, быстро охватывает всю её поверхность; по периоду - а (составляющему 2 ... 7%) приводя к перегреву воды в каплях. Этот период продолжает от 4 до 50 % т. 3) Этап III - интенсивность выгорания топлива, в течение этого этапа происходит догорание сравнительно лёгких фракций углеводородов и прогрев до более высокой температуры остатков капли. 4) Этап IV - интенсивные выбросы из остатков капли ВТЭ с окончательным её разрывом (от 9 до 25 % общего времени капли), приводит к более мелкому дроблению асфальтосмолистых включений и ускоренному их выгоранию. В результате чего, период догорания сажистых остатков сокращается.
Отличие физико-химических свойств ВТЭ от свойств чистого ДТ играет наиболее важную роль улучшения качества рабочего процесса дизеля воздействием на разные процессы в цилиндр двигателя, в том числе на расширение струи, испарения, и сгорания. Эти эффекты объясняются следующими результатами: 1) Уменьшение угла раскрытия топливной струи. Угол раскрытия топливной струи уменьшается при повышении содержания воды в эмульсии (Рис. 1.10) за счёт увеличения вязкости, что приводит к повышению сопротивления истечения [45]. Подобное изменение означает, что распыливание с добавкой воды будет хуже. Однако этот эффект частично нейтрализуется вторичным испарением благодаря микровзрыву. Установлено [46], что применение ВТЭ тяжёлых видов топлив позволяет снизить длину пламени, а также выбросы CnHm и NOx. 2) Увеличение периода задержки воспламенения. Одной из характеристик процесса горения любого топлива в ДВС является период задержки воспламенения, от которого зависит соотношение количества горючей смеси, сгорающих по кинетическому и диффузионным режимам. Чем больше период задержки воспламенения, тем больше горючей смеси, успевающей перемешаться с окислителем, и тем выше скорости нарастания давления и давление сгорания [8]. Следует отметить, что уменьшение продолжительности диффузионного горения топлива приводит к возрастанию индикаторного КПД [47]. Выявлено, что обводнённое топливо имеет период задержки воспламенения больше, чем у безводного топлива [45]. Период задержки воспламенения повышается с увеличением содержания воды в эмульсии, несмотря на вид топлива (Рис. 1.11). Считается, что сокращение продолжительности диффузионного горения топлива при эксплуатации изношенных дизелей должно тоже привести к уменьшению теплонапря-жённости его основных деталей, и уменьшению скорости их изнашивания [47]. 40
Физико-химические свойства ВТЭ
В любой жидкости под влиянием внешней силы происходит перемещение молекул вещества относительно друг друга. Возникающее при этом трение между молекулами, т.е. внутреннее сопротивление, определяет вязкость. Если существуют твёрдые частицы, имеющие размер во многих раз больше размеров молекула, и при этом расстояние между ними больше их размеров, то коэффициент внутреннего трения будет изменяться в зависимости от объёмной доли этих частиц (Св). Это явление впервые исследовано Эйнштейном в 1905 г.[112], который теоретически вычислил вязкость жидкости, содержащей твёрдые частицы по следующему уравнению:
Таким образом, вязкость быстро возрастает с увеличением содержания дисперсной фазы, поскольку увеличиваются размеры её капель, и снижается расстояние между ними, приводя к повышению трудности деформации текучести [113]. Потом исследователи подтвердили теорию Эйнштейна экспериментально, и нашли, что её точность ограничена малым содержанием добавок. Например, для водонефтяной эмульсии предыдущее выражение действительно до Св 5% [114]. Однако это выражение не включило воздействие вязкой упругости капель из нерастворимого вещества. На этот вопрос впервые ответил Тейлор [115] в 1932 г. под следующими допущениями:
Однако [125], воздействия этих параметров взаимосвязаны. Например, снижение температуры приводит к значительному повышению вязкости дисперсной среды, и различные скорости сдвига приводят к разным размерам капель с различным распределениям. Поэтому невозможно исследовать все эти параметры одновременно, в том числе и расчётным методом. Вязкость эмульсии всегда повышается с увеличением дисперсионной фазы Св из-за значительного влияния гидродинамического взаимодействия между каплями, что связано со структурой течения [121]. С ростом Св вязкость увеличивается до максимальной величины (при Св = См -0,637; См обозначает максимальную упаковочную объёмную фракцию дисперсной фазы). Изменение уровня вязкости является показателем превращения в обратное состояние эмульсии. При этом изменяется фазовая структура эмульсии с ВМ на MB, в зависимости от скорости добавления дисперсной фазы и/или интенсивности перемешивания [128, 129] (Рис. 2.6). При дальнейшем увеличении содержания воды, вязкость снижается.
Считается, что не только размер капель дисперсной фазы влияет на вязкость эмульсии, но и распределение по размерам. Влиянию эффекта размера капель на вязкость эмульсии до настоящего времени уделялось мало внимания. Выявлено [114], что при dK 2 мкм, г повышается со снижением dK, но если dK 5мкм, то влияние незначительно. Более того размер капель имеет непосредственное влияние на величину См в зависимости от соотношения между размерами мелких и крупных частиц dK/DKane;ib [121]; снижение (dK/DKanejlb) приводит к повышению величину См. Таким образом, вязкость повышается со снижением размера капель имея минимальное значение при определённом отношении к -J капель/ Эмульсия содержит эмульгатор, необходимый для снижения межфазного натяжения между двумя жидкостями (топлива и воды) и стабилизации дисперсной фазы против слияния образованных капель [34]. При этом повышение содержания эмульгатора экспоненциально приводит к возрастанию относительной вязкости эмульсии (rjr=T/ric) [130]: 1пЧг=аС + Ь (2-26)
Несмотря на существовании гипотезы о влиянии скорости сдвига на вязкость эмульсии (например, [124 и 121]), преобладающим является мнение [125], что водо-нефтяная эмульсия (на базе легкого топлива типа ВТЭ) всегда находится в виде ньютоновской жидкости (её вязкость подчиняется закону вязкого трения Ньютона), и может находиться в виде неньютоновского течения близко к обратной точке (при этом наличие неоднородных капель дисперсной фазы позволяет вязкость зависеть от градиента скорости). Поэтому предложено [124] вычисление вязкости обеих ньютоновской и неньютоновской эмульсии производится с помощью следующего уравнения: где К2 представляет концентрации дисперсной фазы, при которой Чг = 100. При повышении температуры, вязкость эмульсии и как вязкость дисперсной среды понижаются [3]. Выявлено [131], что уравнение, предложенное в стандарте ASTM D341, подходит для вычисления вязкости эмульсии после обработки с учётом содержания дисперсной фазы в зависимости от температуры появления воска Тво: 1п(1п(Л + 0,7)) = К, + К2СВ + К31п(Т) + К4Св1п(Т) если Т Тво in(in(n + о,7)) = к; + к;св + к;іп(т) + к;свіп(т) если т тво где К ы - коэффициенты уравнений определяются экспериментально, и Т температура по единице К.
Подобный неоднозначный характер влияния содержания воды в ВТЭ на вязкость эмульсии будет также неоднозначно сказываться, в первую очередь, на характере впрыскивания эмульсии в КС; развитие топливного факела ВТЭ и на характере процесса смесеобразования. Поскольку в современных ДВС геометрия КС оптимизировались под ДТ с достаточно узкими физическими характеристиками, то изменение вязкости ВТЭ обусловит изменение рабочего процесса дизеля в целом, и процесса образования ВВ, в частности. 2.3.3 Теплотворность
Наиболее характерным отличием свойства ВТЭ является теплотворная способность, которая определяет выделенное тепло при горении топлива. Теплота сгорания топлива по эмпирической формуле Д.И. Менделеева [3] зависит от массовой концентрации разных компонентов его состава:
Hu=33913C + 102995H-10886O + 10886S-2512W [кДж/кг] (2-29) где С, Н, О, S, W - массовый процент содержания углерода, водорода, кислорода, серы и воды. Для эмульгированного топлива W равен Cw (массовое содержание воды в эмульсии). При сгорании ВТЭ, минимальное количество воздуха представляет сколько воздуха необходимо для завершения полного горения топлива без остатка избыточного кислорода. В зависимости от содержания воды стехиометрическое количество воздуха вычисляется по следующей формуле:
Встсх =(1-Св)(11,448С + 34,345Н-4,2930) [кгвоздух/кгВТэ] (2-30) Изменение теплопроводности ВТЭ и требуемого стехиометрического количества воздуха в зависимости от содержания воды - стехиометрический воздух и теплотворность ВТЭ обратно-пропорционально содержанию воды (Рис. 2.7).
Изменение температуры Т и давления (Р) сгорания стехиометрической ВТЭ с воздухом в зависимости от массового содержания воды Cw. 1- температура горения при постоянном давлении, 2- и 3- температура и давление горения при постоянном объёме, условие смеси 300 Киї атм
Увеличение содержания воды приводит к снижению температуры горения постепенно до 40%, затем интенсивность падения температуры быстро нарастает. Однако увеличение содержания воды приводит к возрастанию давления (в результате повышения удельной теплоёмкости).
Добавление воды к ДТ приводит к изменению равновесного состава продуктов процесса горения (Рис. 2.9). Термохимические расчёты для стехиометрической обводнённой смеси в зависимости от значения Cw показывают, что концентрации ОН слабо снижается в процессе сгорания при постоянном объёме (и концентрации Н, СО, N02, NO, и О), однако концентрация Н2 повышается до Cw 0,45, потом быстро снижается.
Влияния содержания воды в эмульсии на вязкость ВТЭ
Для получения ВТЭ первоначально использовался смеситель (блендер) Philips HR1613 - 650 Вт с шестнадцатыми скоростными режимам. Подобный метод достаточно распространен. Методика приготовления эмульсии в этом случае заключалась в следующем: 1-В топливо добавляется 0,5% спан 80; 2- В воду добавляется 0,5% твин 60; 3-Первая смесь перемешивается в течение 30 с при определённой скорости; 4-Через 30 с в первую смесь добавляется вторая смесь при продолжении перемешивания; 5-Промешивание продолжается ещё одну минуту без изменения скорости; 6-Перемешивание прекращается на 5 мин. без перемешивания, после чего смесь перемешивается еще в течение одной минуты; 7- Берется проба смеси для дальнейшего анализа; 8- Этапы (1-7) повторяются при разных скоростях. Однако полученные таким образом эмульсии, во-первых, расслаивались через двое суток, а характер распределения капель частиц по размерам и величина вязкости получаемых ВТЭ не имела чёткой зависимости от частоты вращения подобного смесителя (Рис. 3.10). 100 0 19 00
Таким образом, невозможно обеспечить высокую степень воспроизводимости характеристик получаемых эмульсий при применении механического смесителя (блендера). Это была как проверка результата анализа методов приготовления эмульсии; только мембранное эмульгирование даёт возможность управлять характеристикой эмульсии.
Для приготовления ВТЭ методом мембранного эмульгирования использовался стенд, описанный в п.3.2. Оценка влияния состава эмульсии производилась на ВТЭ с содержанием воды до 50% (содержание смесевого эмульгатора из твин 60 и спан 60 - около 0,5%). Для проведения моторных исследований ВТЭ на дизеле эмульсия готовилась с помощью мембран с различным размером пор. При этом для улучшения гигрофильной способности керамическая трубчатая мембрана предварительно смачивалась топливом.
При этом ВТЭ приготовлены выполнением следующей методики: 1-настроить стенд для введения около 15% воды по объёму в дизельное топливо при максимальной скорости течения топлива; 2- в ёмкость с водой добавить 0,5 % по объёму твин 60, а в ёмкость с топливом 0,5 % спан 80; 3-при применении смесового эмульгатора из твин 60 и спан 60, необходимо нагревать дизельное топливо с добавлением определённого количества смесового эмульгатора до вполне растворения эмульгатора в топливе перед введением воды;
Были подготовлены разные ВТЭ с содержанием воды до 50% с применением керамической цилиндрической мембраны с размером пор 0,2 мкм, длиной 22 см, внутренним диаметром трубки 6 мм, внешним диаметром 10 мм, и пористостью 50%). Как показал эксперимент, применение мембраны при приготовлении ВТЭ с изменением содержания дисперсной фазы (воды) приводит к изменению структуры получаемой эмульсии при обеспечении высокой стабильности распределения по размерам (Рис. 3.11).
Распределения по размерам капель воды в ВТЭ через 10 дней после её получения с помощью мембраны с размером пор 0,2 мкм. Примечание: а) содержание воды 21,4%, D9o=l,3 мкм, D50=0,8228 мкм, Di0=0,547 мкм, 8=0,91, б) содержание воды 34,8%, Dt o=3,4 мкм, Dso=2,1443 мкм, Dio=l,414 мкм, 8=0,93 Получено симметричное (нормальное) распределение с величиной коэффициента дисперсности 8 =0,9 (рассчитан по формул 2-1), D9o= 1,3, Dso= 0,8228 и Dю=0,5469 мкм. Течение топлива внутри цилиндрической мембраны было ламинарным (во всех экспериментах число Рейнольдса не превышает 800), но распределение по размерам показало несимметричность относительно средней величины. Это означает, что при улучшении характера движения топлива до высокой турбулентности, эмульсия будет монодисперсной с малым размером, как отмечалось в теоретической части (п. 2.1). Этот результат согласуется с предыдущим результатом о влиянии скорости течения дисперсной среды на средний размер дисперсной фазы [102]. Выявлено, что размер капель дисперсной фазы повышается с увеличением потока дисперсной среды до уровня, при котором размер капель становится равным высоте примембранного слоя; при этом число Рейнольдса дисперсной среды превышает 5000.
Кроме того, для всех полученных ВТЭ была произведена оценка их вязкости - параметра, оказывающего большое влияние на процесс распыливания топлива в КС дизеля. Увеличение содержания воды в эмульсии приводит к значительному повышению вязкости приготовленной эмульсии из-за значительного влияния гидродинамического взаимодействия между каплями воды в топливе, повышая коэффициент внутреннего трения и изменяя структуру (Рис. 3.12).
Приготовление ВТЭ при постоянном содержании воды и смесевого эмульгатора с целью дальнейшего исследования влияния структуры эмульсии на показатели двигателя выполнено применением мембран с разным размером пор. Таким образом, приготовленные эмульсии отличаются структурой (сред ним размером и распределением по размерам). При этом обеспечивается возможность изучения влияния одного из важных, но мало исследованных параметров на вязкость эмульсии - размера капель dK дисперсной фазы в эмульсии. Трение между каплями в межфазной области приводит к повышению вязкости, особенно в случае, если отношение площади к объёму капли дисперсной фазы повышается. Таким образом, чем меньше средний размер капель дисперсной фазы в эмульсии, тем больше вязкость эмульсии [90]. Но на вязкость эмульсии влияет не только размер капель dK дисперсной фазы, но и распределение их по размерам: при dK менее 2 мкм вязкость повышается со снижением dK, но если dK более 5 мкм, то влияние незначительно изменяется [169]. Несмотря на размер капель дисперсной фазы, монодисперсная эмульсия характеризуется большей вязкостью, чем полидисперсная эмульсия. Выявлено [116], что влияние размера капель дисперсной фазы на вязкость эмульсии (особенно при диаметре менее 2 мкм) неоднозначно из-за сложности получения одинакового характера распределения приготовленных эмульсий с разными средними размерами.
При исследовании влияния размера капель и характера их распределения на вязкость эмульсии, во многих работах [170 - 172] получали бимодальные (или многократные) эмульсии перемешиванием двух монодисперсных эмульсий, имеющих разный средний размер. Однако было выявлено, что использование такой методики при приготовлении эмульсии не даёт возможность получить монодисперсную эмульсию [171]. Более того, полидисперсные эмульсии оказывают неоднозначное влияние среднего размера капель на вязкость вследствие возможности текучести малых капель через расстояние между крупными каплями без увеличения необходимой силы для течения эмульсии[90].
Применение мембранного эмульгирования считается идеальным способом для изучения воздействия размера капель воды на вязкость эмульсии, особенно при узком распределении по размерам. Кроме того, в определённых условиях мембранное эмульгирование даёт возможность сохранять распределение по размерам и в то же время изменять средний размер применением мембран с разным размером пор.
Влияние ВТЭ на мощностные показатели дизеля
Влияния структуры эмульсий (при постоянном содержании воды и эмульгатора) на величину МВНП не выявлено (Рис. 3.13). Этот результат объясняется следующим образом, при ламинарном горении не существует динамика, как при турбулентном горении, которая оказывает воздействие изменения размера капель воды в эмульсии на топливную струю, следовательно, на смесеобразование и горение в результате возникновения микровзрыва и вторичного распыления. Однако, в случае ламинарного диффузионного горения применением фитильной лампы, вода пропускается через фитиль, превращая в пар перед зоной реакции, поэтому только при гораздо крупном размере капель воды, вода не будет пропускаться через фитиль. 4.2 Предварительная оценка работы дизеля на ВТЭ
Произведена оценка воздействия ВТЭ (с содержанием воды 30% по массе) на характеристики дизеля ЗЧН10,5/12. При этом зафиксировано падение мощности двигателя при сохранении первоначальных регулировок топливной аппаратуры при использовании ВТЭ; для обеспечения постоянства мощности двигателя цикловая подача ВТЭ увеличивалась, что было обеспечено дополнительной регулировкой топливного насоса высокого давления (ТНВД).
Объект испытаний: трёхцилиндровый дизель ЗЧН 10,5/12 с турбонадду-вом (Табл. 4.1), работающий на ДТ и ВТЭ (Табл. 4.2). Основные средства измерения: расходомер топлива 730 (AVL, Австрия), расходомер воздуха РГ-400 (Россия), газоанализатор DiCom-4000/NOx (AVL, Австрия) и дымомер 415S (AVL, Австрия). Испытания проводились на режимах согласно требованиям ГОСТ Р 41.96-2005 (Правила ЕЭК ООН № 96-01). УОВТ (пкв)
При переходе работы дизеля на ВТЭ с содержанием воды 30% крутящий момент и, соответственно, мощность двигателя снижаются на 15...20% в связи с увеличением теплопотерь в процессе горения ВТЭ. Для обеспечения первоначальных значений мощности (полученных при работе на чистом ДТ) расход ВТЭ увеличен посредством регулирования топливоподающей аппаратуры (увеличение цикловой подачи) (Рис. 4.4 и Рис. 4.5).
Поддержание постоянства мощности потребовало увеличения расхода ВТЭ почти пропорционально содержанию воды в эмульсии. Этот результат совпадает с другими [36]. Но хотя расход ВТЭ при сохранении мощности увеличивается, тем не менее, значение КПД двигателя, отнесенного к дизельному топливу, повышается. Последнее можно объяснить положительным воздей ствием на процесс смешения микровзрывов капель воды и на процесс тепловыделения образующегося (вследствие диссоциации воды) водорода. -— ДТ -И-Эмуль
На рис. Рис. 4.7 и Рис. 4.8 приведены результаты оценки содержания ВВ в ОГ в случае применения чистого ДТ, ВТЭ без изменения регулировок двигателя (т.е. при падении мощности) и ВТЭ с изменением регулировок (т.е. при сохранении мощности). Следующие абзацы обсуждают эффект ВТЭ на выбросы вредных веществ.
В результате уменьшения локальной температуры и увеличения локального коэффициента избытка воздуха при использовании ВТЭ выброс NOx снижается от 13 до 35% в зависимости от скоростного режима дизеля (см. Рис. 4.7). Вследствие увеличения расхода ВТЭ при сохранении мощ ности двигателя, температура увеличивается, поэтому NOx снова возрастает, но по сравнению с применением чистого ДТ снижение составляет 20...30%. 2-Дымность ОГ. В результате улучшения смесеобразования топлива с воздухом и увеличения части топлива, предварительно перемешенного за период задержки воспламенения, уровень дымности ОГ снижается на 30-40% по шкале Hartridge при переходе работы двигателя на ВТЭ, а при сохранении мощности - на 10-30 % по сравнению с чистым ДТ (см. Рис. 4.7).
Были проведены исследования влияния на показатели двигателя эмульсий с одинаковым содержанием воды ( 17% по объёму) и эмульгатора ( 0,5% по объёму из спан 80 и твин 60), но с различной структурой; эмульсии отличаются друг от друга средним размером капель воды и степенью однородности (см. Рис. 3.14). Последнее обеспечено применением мембран с диаметром пор 0,20 и 0,45 мкм (технология получения описана в гл.З). 5% Н2О+0.5% Смесового эмульгатора) с помощью мембраны 0,45 мкм Несмотря на снижение теплотворности ВТЭ по сравнению с ДТ (более чем на 20%: 42438 кДж/кг для ДТ и 33701 кДж/кг для ВТЭ) обнаружено увеличение эффективного КПД ге в широком диапазоне мощностно-скоростных режимов двигателя: до 1,2 раз для ВТЭ с малым размером капель воды и до 1,1 раз для ВТЭ с крупным размером капель воды (Рис. 4.9). Это происходит в результате положительного воздействия однородной эмульсии с малым среднем размером капель воды на процессы смесеобразования и горения ВТЭ в КС дизеля.
В результате улучшения смесеобразования и процесса горения все выбросы ВВ с ОГ двигателя уменьшаются на всех режимах работы двигателя. В результате увеличения контактной площади воды при малом размере капель, дымность ОГ сокращается в 2,5...4 раза: при применении ВТЭ 0,2 мкм дым-ность ОГ зависит не от скорости двигателя, а от его мощности. Однако при высокой скорости двигателя и при применении ВТЭ с большим размером капель
Это связано, вероятно, с тем, что при большем размере капель воды нужно большее время для завершения фазового превращения воды и до момента микровзрыва. В этом случае не хватает времени для окисления сажи, которая в основном и определяет уровень дымности ОГ. В то же время, охлаждение окружающей среды продолжается также дольше, в связи с чем существует большая возможность уменьшения локальной температуры. Вот почему выброс NOx уменьшается при применении ВТЭ с крупным размером капель (до 25% при 2000 мин"1 и до 30% при 1500 мин"1) в большей степени, чем с малым размером капель (до 10% при 2000 мин"1 и до 6% при 1500 мин" ) во всех режимах (Рис. 4.10).
Более того, поскольку кипение воды происходит быстрее для малой капли воды по сравнению с крупной каплей, существует большая возможность диссоциации воды на ОН и Н2. В результате чего происходит окисление несго-ревших углеводородов, поэтому выбросы CnHm уменьшаются в большей степени при применении эмульсии с малым размером капель (до 40%), чем с крупными каплями (до 20%) на всех режимах по сравнению с ДТ (на 15%, см. Рис. 4.10).
При измерении МВНП диффузионного горения ВТЭ с различной структурой с помощью фитильной лампы, не обнаружено различие между величинами МВНП. Но это не значит, что размер капель воды не оказывает влияния на склонность к сажеобразованию. При применении фитильной лампы ВТЭ проходит через фитиль благодаря капиллярному эффекту, затем преобразуется в пар перед введением в зону реакции. Однако при работе двигателя на ВТЭ с различной структурой было четко отмечено положительное воздействие эмульсий с мелким размером капель воды на дымность ОГ. Для определения влияния структуры ВТЭ на склонность к сажеобразованию проведён анализ состава дисперсных частиц в ОГ по методике А.Р. Кульчицкого [182].
Дисперсные частицы, находящиеся в ОГ дизеля, являются гетерогенным аэрозолем с высокой степенью пористости, в их составе находятся жидкие (растворимые) и твёрдые (нерастворимые) вещества. Растворимые вещества включают тяжёлые углеводороды (несгоревшее топливо и смазочное масло) [8, 183]. А нерастворимые вещества включают сажу (элементарный и органический уг-лероды), сульфаты (средние соли оксидов серы на основе бария или кальция) и частицы металлов (продукты износа деталей двигателя, зола, и присадок к топливу и маслу). Размер и распределение размеров, а также химический состав дисперсных частиц (РМ) варьируется в зависимости от типа двигателя, мощ-ностно-скоростного режима двигателя, топлива, замочного масла и технологии очистки ОГ [184].
