Повышение безопасности эксплуатации транспортных средств путем изменения состава и структуры водно-топливных эмульсий

Безопасность автомобильного транспорта гражданского и специального назначения сегодня в значительной степени определяется во первых, пожароопасностыо (способностью к возгоранию) используемого топлива [63, 98] и во вторых, эмиссией в окружающую среду с продуктами горения топлива в цилиндрах ДВС вредных (загрязняющих) веществ [1, 2, 20, 37, 41, 50, 99, 105], опасных для здоровья как гражданского населения (особенно в крупных городах), так и личного состава боевых расчетов, находящихся длительное время в зоне выброса отработавших газов и топливных испарений: СО, СН, NOx, БП, РМ [41, 48, 51, 57, 85].

В последние годы в крупных городах России наблюдалось резкое увеличение количества транспортпых средств [56, 57, 62]. Так, в городе Санкт-Петербурге с 1980 года по настоящее время количество транспортных средств возросло более чем в восемь раз, примерно, с 200 тыс. до 1 млн. 700 тыс. единиц.

По состоянию на начало 2006 года [69, 70] только в городе Санкт-Петербурге было зарегистрировано за физическими лицами 1 279 493 единицы транспортных средств. Из них: 1 013 764 легковые автомобили, 104 841 грузовые, 18 735 автобусы и 58 158 единиц мототранспорта. Если учесть еще и транспортные средства в количестве 441 068 единиц, принадлежащих юридическим лицам, то общее количество ТС, зарегистрированных в Санкт-Петербурге, составило 1 720 561 единиц.

Автомобильный транспорт, благодаря наличию топлива, обладает пожарной опасностью [63, 98]. В конструкциях современных электронно-управляемых транспортных средств [57, 64, 68] появились новые источники мощного инфракрасного (теплового) излучения — пламегасители, системы термокаталитической нейтрализации ОГ, каталитически-регенерируемые сажевые фильтры и т. д.

Отмеченные обстоятельства привели сегодня к глобальной проблеме загрязнения ОГ атмосферного воздуха автотранспортом [43, 52, 56, 72, 75] и значительного роста числа возгораний автотранспорта, основную пожарную нагрузку которых составляет бортовое топливо, а основным источником воспламенения — топливные подтеки и топливные испарения.

Рассмотренные проблемы самым непосредственным образом касаются безопасности пожарных автомобилей (ПА) [63, 64, 98] и личного состава, в течение продолжительного времени подвергаемого опасному воздействию токсичных и канцерогенных веществ ОГ. ПА при выполнении боевых задач по локализации и тушению пожаров, порою, должны находиться в непосредственной близости с зонами огневого воздействия — в области интенсивного инфракрасного (теплового) облучения. Для таких чрезвычайных экстремальных условий желательно, чтобы применяемое топливо на ПА обладало более высокими значениями температуры вспышки и при сгорании выделяло в окружающую среду меньше токсичных и канцерогенных веществ, по сравнению с традиционным топливом нефтяного происхождения.

Уровень современного развития техники и технологии позволяет управлять отмеченными негативными явлениями [4, 6, 20, 40, 60, 70, 91, 99, 106, 121], способными приводить к опасным чрезвычайным ситуациям. Теоретическими предпосылками управления процессами образования вредных веществ является изучение физики и химии (кинетики) воспламенения и горения смесевых топлив в естественных условиях [1, 19, 54, 73, 79, 89, 90] и их сгорания непосредственно в цилиндрах ДВС [13, 38, 58, 59, 74, 75, 76, 84, 104, 120].

Эффективным способом решения обозначенных проблем является применение нетрадиционных, альтернативных топлив, обладающих необходимыми свойствами. Так, показана возможность создания стабилизированных ВТЭ на основе дистиллятного топлива [22, 33 и др.]. Таким образом, мы сталкиваемся с вопросом управления свойствами топлива. Он может решатся заменой топлива на нетрадиционное горючее (водород, биологическое сырье и т. д.) [20, 71, 81, 95] или «легированием» традиционного топлива специальными присадками. Последние целенаправленно изменяют свойства топлива, например, температуру вспышки, или, одновременно с этим, изменяют кинетику окисления основного топлива таким образом, чтобы в результате его сгорания отработавшие газы содержали меньшее количество вредных веществ [23,33,48,55,61, 108].

То есть весьма актуальным становится решение задач понижения пожарной опасности и токсичности сгорания топлива путем «легирования» традиционного топлива такими присадками, которые бы одновременно приводили к росту температуры вспышки (уменьшения опасности возгорания топлива в естественных и экстремальных условиях пожара) и уменьшению эмиссии в окружающую среду с ОГ вредных (загрязняющих) веществ. Но, при этом данные задачи должны решаться компромиссно с минимизацией риска ухудшения эффективных энергетических показателей транспортных средств — мощности и расхода традиционного (основного) топлива ДВС.

Заметным событием, повышающим актуальность решения данных проблем для отечественной автомобильной промышленности, которое уже коснулось и ПА, стало принятие Правительством РФ специального Технического регламента «О требованиях к выбросам вредных (загрязняющих) веществ колесных транспортных средств, выпускаемых в обращение на территории Российской Федерации» (Постановление правительства РФ № 609 от 12 октября 2005 года) [82]. В соответствии с данным Постановлением определен порядок и сроки поэтапного введения требований ЕЭК ООН по нарастающему уровню в период с 2006 года до 2014 года (Евро-5). «Экологической планкой» для базовых шасси ПА становится, начиная с 2006 года, уровень нормативов Евро-2, что требует научно-технического поиска не только общих, но также и специфичных, применительно к особенностям боевой работы ПА, новых конструктивно-технологических решений.

В настоящее время на вооружении частей ГПС МЧС России находится значительная часть техники, оснащенная ДВС технического уровня Евро-0 и Евро-1. Это связано с тем, что, во-первых, на полное перевооружение частей ГПС существенно более дорогой новой техникой не хватает финансовых средств, во-вторых, ПА за 10−15 лет эксплуатации, как правило, нарабатывают ресурс от 50 до 70 тыс. км пробега, что позволяет их эффективно использовать по основному назначению в течение данного и, даже, более отдаленного периода времени.

В связи со сказанным, применительно к условиям реальной эксплуатации ПА, становится актуальным их перевод на альтернативные топлива.

На ранних этапах технического развития двигателестроения (первая половина прошлого века) в камеры сгорания ДВС автотракторного назначения могла подаваться вместе с топливом вода [76, 94]. В те годы необходимость добавок (впрыска) воды определялась исключительно снятием температурной напряженности деталей, ограничивающих камеру сгорания ДВС, так как применяемые конструкционные материалы имели сравнительно низкую температурную стойкость. По мере использования в двигателестроении жаропрочных сталей ослабевал интерес к применению воды, как доступного и относительно дешевого средства снижения тепловой напряженности двигателей. Однако в последние деся тилетия новь возрос интерес к применению в ДВС воды, но уже по причинам пожарной опасности и токсичности сгорания топлива [66, 85, 92, 93, 96, 110, 110, 116, 121−123]. Например, по ранним исследованиям фирмы СЕМТ Пилстик [42] использование воды на дизельных двигателях рассматривалось в качестве безальтернативного, главным образом с коммерческой точки зрения, способа борьбы с окислами азота.

Известно, что наличие воды в топливе в форме «линз», т. е. в макрообъемах, недопустимо по действующим отечественным и международным стандартам [30−32, 82]. В такой форме вода — не обладает смазывающей способностью, как соляровое масло, необходимой для нормальной работы плунжерных пар ТНВД;

— коррозионно и биологически агрессивна в отношении применяемых в ДВС металловнаконец, попадая в цилиндры двигателя,.

— приводит к пропускам воспламенения топлива и, как следствию, -неустойчивой работе двигателя, а также повышенному выбросу с ОГ опасных углеводородов [33].

Совершенно другие свойства, противоположные отмеченным негативным признакам, проявляет вода, составляющая с топливом коллоидную систему — водно-топливную эмульсию (суспензию) [45, 46, 53, 65−70, 77, 112, 117−119]. При этом наилучшей смазывающей способностью и эффективностью сгорания обладают, так называемые в теории растворов, «обратные» эмульсии [17, 33, 35, 45, 46, 78], в которых частички воды микронных размеров находятся в топливных оболочках (пленках) и не вступают в контакт с металлическими поверхностями топливных баков, топливопроводов, ТНВД, форсунок. Такие частички разрушаются только при попадании в цилиндры двигателя в процессе испарения и смесеобразования, по некоторым известным гипотезам, — в форме «микровзрывов» [33, 97].

Однако, результаты апробации указанного метода, его широкое применение сдерживается рядом объективных и субъективных причин. Объясняется это все еще недостаточной изученностью теории данного явления и надежного подтверждения гипотез экспериментальной практикой. В частности, в случае присадки воды к топливу, все большее признание завоевывает точка зрения, что улучшение топлиппой экономичности и экологических параметров дизелей при сгорании ВТЭ связано с химическими аспектами воздействия воды на процессы в КС дизеля [42, 109 и др.]. Однако до сих пор существуют самые разнообразные версии механизмов воздействия воды, подтвержденные зачастую лишь косвенными результатами.

Следует отметить, что, несмотря на наличие значительного количества работ, подтверждающих целесообразность использования ВТЭ на транспортных двигателях, — как теоретические исследования, касающиеся объяснения природы (механизмов) воздействия топливных эмульсий на процессы окисления топлива в цилиндрах ДВС, так и результаты экспериментальных исследований, подтверждающих эффективность применения топливных эмульсий в ДВС, на сегодняшний день, разрозненны и во многом противоречивы. Они не содержат падежных (или универсальных) рекомендаций в отношении.

— способов приготовления и применения эмульсий на транспортных двигателях;

— конструктивного исполнения оборудования для приготовления ВТЭ в стационарном и бортовом применении;

— методов и аппаратуры контроля влагосодержания в эмульсии;

— подбора ПАВ в зависимости от вида топлива (дизельное, бензин, мазут) и климатических условий его применения (для зимних условий — связанных с вопросом фильтрации ВТЭ);

— конкретных сведений об особенностях молекулярной структуры рекомендуемых ПАВ и седимептационной стойкости ВТЭ и, самое главное,.

— оптимальных рецептур в отношении одновременного достижения эффектов пожарной и токсикологической безопасности в пределах требований на мощность и топливную экономичность транспортных энергетических установок.

Таким образом, на сегодняшний день становится весьма актуальным проведение изысканий по научному обоснованию и применению на транспортных средствах, в особенности, — специальных (ПА) альтернативного топлива — ВТЭ с целью уменьшения опасности и повышения эффективности их использования в реальных условиях эксплуатации.

Как было отмечено ранее, для решения этих вопросов необходима целенаправленная оптимизация состава и структуры ВТЭ с учетом применяемых конструкций и регулировочных возможностей ТА двигателей, прежде всего, — цикловой подачи ВТЭ. При этом для достижения отмеченной цели уменьшения опасности и удовлетворения эффективности применения транспортных средств в реальных условиях, необходимо обеспечить более высокие значения температуры вспышки альтернативного топлива, требования к дымности и токсичности ОГ и основным показателям эффективности — мощности, топливной экономичности ДВС, при учете эксплуатационных свойств втэ.

Таким образом, применительно к современному этапу эксплуатации транспортных средств, в особенности, — специальных (ПА), на которых установлены ДВС, становится актуальным решение следующих научно-технических задач:

— систематизация современной информации и теоретическое (феноменологически — на уровне гипотез) обоснование эффективности применения ВТЭ, априорно обладающей пониженной пожароопасностью (более высокими значениями температуры вспышки), на ДВС транспортных средств;

— разработка и изготовление оборудования для приготовления и контроля влагосодержания ВТЭ в с тационарном и бортовом применении;

— обоснование рецептуры ПАВ в зависимости от вида основного топлива (дизельное, бензин, мазут);

— проведение лабораторных и стендовых (на полноразмерном транспортном двигателе) экспериментальных исследований по определению температуры вспышки, молекулярной структуры рекомендуемых ПАВ, седимен-тационпой стойкости ВТЭ и оптимальных рецептур в отношении одновременного достижения эффектов пожарной и токсикологической безопасности в пределах требований на мощность и топливную экономичность транспортных энергетических установок.

Отмеченные цель и задачи легли в основу настоящего диссертационного исследования, экспериментальная часть которого была проведена на стендовой установке с транспортным двигателем Д21А1.

Научная новизна результатов диссертации определяется обоснованными феноменологическими гипотезами физико-химического воздействия ВТЭ на смесеобразование и ингибирование процессов образования вредных веществ (сажи и оксида азота) в цилиндрах транспортных ДВСвыявленными отличиями молекулярной структуры ПАВ от молекулярной структуры дистиллированной воды, которые объясняют свойство седиментации (устойчивости) и гипотезы о механизмах воздействия ВТЭ на процесс сгорания основного топлива в цилиндрах ДВСполученными закономерностями изменения показателей безопасности по Техническому регламенту Постановления Правительства РФ № 609 от 12 октября 2005 года (в отношении дымности и токсичности ОГ) в зависимости от состава ВТЭтеоретически и экспериментально обоснованными рекомендациями по технологии приготовления и составу ВТЭ для двигателей транспортных средств применительно к эксплуатационным условиям.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре «Пожарная, аварийно-спасательная техника и автомобильное хозяйство» Санкт-Петербургского Университета ГПС МЧС России. Отдельные лабораторные и стендовые эксперименты проводились с участием автора на ПТЦ ГПС Санкт-Петербурга и Ленинградской области, в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН, СПб. химико-технологическом Университете, ОАО ЦНИТА.

Результаты выполненного исследования внедрены в учебном процессе и использовались при выполнении научно-исследовательских работ по целевым программам СПб университета ГПС МЧС России, внедрены в ООО «Новгородское пассажирское автотранспортное предприятие-1» ДУ, внедрены в ОАО ЦНИДИ, СПбГАУ. Полученные результаты могут быть также использованы на предприятиях, эксплуатирующих двигатели и транспортные средства в условиях ограниченного воздухообмена, разработчиками присадок к топливу.

По результатам диссертационного исследования на защиту выносятся следующие положения.

1. Обобщенная феноменология физико-химических механизмов воздействия ВТЭ на процесс горения основного топлива, ингибирования образования сажи и окислов азота в цилиндрах транспортных ДВС.

2. Выявленные отличия молекулярной структуры ПАВ от молекулярной структуры дистиллированной поды, объясняющие седиментацию (устойчивость) ВТЭ и ее специфические свойства воздействия на процесс сгорания в цилиндрах ДВС.

3. Теоретически и экспериментально обоснованные рекомендации по технологии приготовления и составу ВТЭ для двигателей транспортных средств в эксплуатационных условиях применения.

4. Закономерности комплексного влияния состава ВТЭ на показатели мощности, топливной экономичности, дымности и токсичности ОГ транспортного ДВС по стандартизованным процедурам испытаний.

5. Рекомендации по расширению применимости ВТЭ совместно с конвертированием системы выпуска ОГ в целях удовлетворения требованиям безопасности применения транспортных средств по специальному техническому регламенту, утвержденному Постановлением Правительства РФ № 609 от 12 октября 2005.

Общие выводы по диссертации.

1. В последние годы в крупных городах России наблюдалось резкое увеличение количества транспортных средств, — парк которых, в основном, пополнялся устаревшими в техническом отношении моделями при общем их неудовлетворительном техническом состоянии. Так, например, в городе Санкт-Петербурге с 1980 года по настоящее время количество транспортных средств возросло более чем в восемь раз, примерно, с 200 тыс. до 1 млн. 700 тыс. единиц. Такая чрезвычайная ситуация незамедлительно сказалась на обострении техногенного риска, связанного с эксплуатацией транспортных средств.

2. Из более двух десятков общего количества «измерителей опасности» транспортных средств гражданского и специального назначения около 30% их ранговой весомости определяется во первых, пожароопасностью (способностью к возгоранию) используемого топлива. Во вторых, эмиссией в окружающую среду с продуктами горения топлива в цилиндрах ДВС вредных (загрязняющих) веществ, опасных для здоровья как гражданского населения особенно в крупных городах), так и личного состава боевых расчетов, нахо-* дящихся длительное время в зоне выброса отработавших газов и топливных испарений: СО, СН, Шх, БП, РМ.

Рассмотренные проблемы самым непосредственным образом касаются безопасности пожарных автомобилей (ПА), которые при выполнении боевых задач по локализации и тушению пожаров, порою, должны находиться в непосредственной близости с зонами огневого воздействия — в области интенсивного инфракрасного (теплового) облучения.

3'. Исследованиями последних лет установлено, что основную пожарную нагрузку автотранспорта составляет бортовое топливо, а основной причиной воспламенения являются топливные подтеки и топливные испарения. В конструкциях современных электронно-управляемых транспортных средств появились новые источники мощного инфракрасного (теплового) излучения — пламегасители, системы термокаталитической нейтрализации ОГ, каталитически-регенерируемые сажевые фильтры, турбонаддувные агрегаты с изменяемым противодавлением выпуску ОГ и т. д., повышающие опасность возгорания топлива.

4. Риск опасного воздействия отработавших и картерных газов, топливных испарений на человека и среду обитания связан, прежде всего, с содержанием в них полидисперсной сажи, на поверхности которой адсорбируются сильнейшие токсичные и канцерогенные вещества, в частности, -бенз (а)пирен и содержащие серу водные кислотные растворы, которые определяют дымность ОГоксиды азота, газообразные углеводороды и оксид углерода (угарный газ).

Отмеченные негативные обстоятельства привели сегодня к проблеме чрезвычайного загрязнения ОГ атмосферного воздуха автотранспортом и, как следствию, — нарастающему ухудшению состояния здоровья, прежде всего, городского населения, а также значительного роста числа возгораний при эксплуатации автомобилей.

5. Для таких чрезвычайных, а порою экстремальных условий эксплуатации автотранспорта гражданского и специального назначения, желательно, чтобы применяемое топливо обладало более высокими значениями температуры вспышки и при сгорании выделяло в окружающую среду меньше токсичных и канцерогенных веществ, по сравнению с традиционным топливом нефтяного происхождения. Таким требованиям удовлетворяют ВТЭ.

При этом наилучшей смазывающей способностью и эффективностью сгорания обладают, так называемые в теории растворов, «обратные» эмульсии, в которых частички воды микронных размеров находятся в топливных оболочках (пленках) и не вступают в. контакт с металлическими поверхностями топливных баков, топливопроводов, ТНВД, форсунок. Такие частички без труда проходят в порах топливных фильтров, не вызывая проблем фильтрации топлива, и разрушаются только при попадании в цилиндры двигателя в процессе испарения и смесеобразования, по некоторым известным гипотезам, — в форме «микровзрывов».

Однако, не смотря на положительные результаты использования в качестве горючего ВТЭ, его широкое применение сдерживается недостаточной изученностью теории данного явления и надежного подтверждения гипотез экспериментальной практикой. Так, теоретические исследования, касающиеся объяснения природы (механизмов) воздействия топливных эмульсий на процессы окисления топлива в цилиндрах ДВС, не учитывают новейшие сведения о температурном режиме диффузионного пламени и, связанной с этим, кинетики газификации сажевых частиц. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающих эффективность применения топливных эмульсий в ДВС, на сегодняшний день во многом противоречивы. Они не содержат надежных (или универсальных) рекомендаций в отношении ¦

— способов приготовления и применения эмульсий на транспортных двигателях;

— конструктивного исполнения оборудования для приготовления ВТЭ в стационарном и бортовом применении;

— методов и аппаратуры контроля влагосодержания в эмульсии;

— подбора ПАВ в зависимости от вида топлива (дизельное, бензин, мазут) и климатических условий его применения (для зимних условий — связанных с вопросом фильтрации ВТЭ);

— конкретных сведений об особенностях молекулярной структуры рекомендуемых ПАВ и седиментационной стойкости ВТЭ и, самое главное,.

— оптимальных рецептур в отношении одновременного достижения эффектов пожарной и токсикологической безопасности в пределах требований на мощность и топливную экономичность транспортных энергетических установок.

6. Теоретический анализ участия воды ВТЭ в кинетике образования окиси азота и сажи, а также выгорания последней в диффузионном дизельном пламени позволил сделать следующие выводы.

6.1. В камерах сгорания доминирует образование N0 по «термическому» механизму. Данный вид N0 образуется за фронтом пламени в зоне продуктов сгорания из молекулярного азота во время горения бедной топливо-воздушной смеси и смеси, близкой к стехиометрическому составу.

При горении в таких. условиях значительное влияние на образование N0 оказывает неравномерность температурного поля в зоне продуктов сгорания, зафиксированная новейшими экспериментальными исследованиями. Присутствие паров воды ВТЭ оказывает своеобразное ингибирующее воздействие на скорость протекания цепной реакции окисления N2 через понижение значений интегральной термодинамической температуры рабочего цикла и локальных температур горения непосредственно в пламени (дополнительные затраты тепла на испарение воды).

Кислород ВТЭ может принимать участие в цепных реакциях образования N0, но определяющим моментом в расчетах выхода N0 является температура пламени. В расчетах равновесного количества N0 по уравнениям формальной кинетики (в реальном масштабе времени или по углу поворота коленчатого вала двигателя) в качестве определяющей предлагается использовать среднюю температуру пламени 7/7, значения которой следует определять по формуле (2.17) через температурную функцию в по температуре газов Тр, рассчитываемой по индикаторной диаграмме.

6.2. Анализ характера экспериментальных кривых сажевыделения, являющегося результатом одновременно идущих процессов образования сажи и ее выгорания, позволил сделать важные для понимания рабочего процесса выводы о том, что быстрое сгорание хорошо подготовленной смеси сразу после воспламенения обусловливает и высокую скорость образования сажи, которая значительно превосходит скорость ее выгорания (рис. 2.1).

В дальнейшем процесс идет с преобладанием скорости выгорания сажи над скоростью ее образования. К концу сгорания последних порций топлива образование сажи прекращается, а выгорание ее продолжается вплоть до открытия выпускных клапанов.

Основная причина интенсивного сажевыделения при диффузионном сгорании неоднородной смеси в камере сгорания ДВС заключается в существовании локальных физических условий для протекания реакций пиролиза углеводородов топлива. Работа ДВС на ВТЭ приводит к существенному уменьшению сажесодержания на протяжении всего рабочего цикла и во всем диапазоне нагрузки. Это говорит о том, что вода ВТЭ оказывает воздействие, как на процесс образования сажи, так и на процесс ее выгорания.

Как показал проведенный теоретический анализ, процессом, определяющим массовый выход сажи в цилиндрах ДВС, является высокотемпературный (более 1500 К) ацетиленовый механизм-(ВТАМ) по модели с образованием «зародышей» сажевых частиц, разработанной П. А. Теснером с соавторами.

Выявленный характер воздействия воды ВТЭ на результирующее сажеобразование в рабочем цикле подтверждает ее влияние через физическое уменьшение локальных температур пламени и «водородного» торможения,.

18 а также химическое (в связи с обнаружением в молекулах СО2 изотопа О]) и физическое — за счет турбулентной интенсификации процессов смесеобразования в результате эффекта «микровзрыва».

Для расчета выгорания сажевых частиц с учетом влияния воды ВТЭ следует применять уравнение (2.28), полученное на основании обработки статистики данных экспериментальных исследований скорости результирующего процесса сажеобразования в рабочем цикле. Расчет выгорания сажи о среднего диаметра 500 А доказал удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных результирующего сажеобразования.

7. Разработана технология дискретного (периодического) и непрерывного приготовления ВТЭ путем перемешивания и гомогенизации исходных компонентов ВТЭ при помощи механического виброкавитационного гомогенизатора (ВКГ) при непрерывном контроле влагосодержания диэлькометри-ческим методом. В результате обеспечивается получение седиментационно-стойких микроэмульсий, количество поверхностно-активных веществ (ПАВ) в которых существенно меньше, чем в известных эмульсиях и составляет (0,2 — 1) % (масс.) на общую массу раствора. Технология позволяет получать ВТЭ с количеством воды от 5 до 40 и более % (масс.). Размер капель воды, как правило, не превышает 1 мкм. Как показали эксперименты, вязкость ВТЭ практически не отличается от вязкости дизельного топлива.

Специально для приготовления обратных эмульсий впервые был синтезирован новый тип маслорастворимых ПАВ — АМФОРА. Принципиальной отличительной особенностью их является то, что в процессе направленного синтеза образуется равновесная смесь традиционных неионогенных ПАВ (малополярных) и маслорастворимых ионогенных ПАВ (более полярных). Изменяя соотношение компонентов при синтезе, можно регулировать относительные количества неионогенных и ионогенных ПАВ, получаемых в смеси, а, следовательно, общую степень полярности ПАВ.

В результате проведенных исследований показано, что наилучшим на настоящий момент следует признать ПАВ АМФОРА-3, позволяющий получить эмульсию воды в дизельном топливе стабильную в течение, по крайней мере, двух месяцев. Отдельные композиционные составы ПАВ ставятся на промышленное производство.

Работа дизеля на установках приготовления и подачи ВТЭ разработанных конструкций не требует какой-либо модернизации топливных систем дизеля, а их усложнение окупается многократным снижением вредных выбросов и уменьшением расхода топлива.

8. Как показали результаты испытаний, введение воды в топливо приводит к значительному повышению октанового числа (04) легких топлив, т. е. детонационной стойкости горючего, и температуры вспышки тяжелых дизельных топлив (в открытом тигле, в среднем, — на 30.33 °С). Оба исследованных свойства ВТЭ непосредственно свидетельствуют о снижении пожарной и взрывной ее опасности при применении на транспортных средствах.

9. Исследования ИК — спектров ПАВ и ВТЭ на основе дизельного топлива Л-0,5 показали следующее.

В растворе ПАВ водородные связи между молекулами воды ослабевают. Обнаруженные полосы 3770 см" 1 указывают на то, что в растворе появляются молекулы воды, не связанные друг с другом водородными связями.

В спектре эмульсий на основе ДТ, как и в спектрах эмульсий на основе бензина, по мере уменьшения концентрации воды, полуширины полос валентных колебаний уменьшаются и при концентрации воды < 30%, полоса приобретает почти симметричную форму с положением максимума около 3400 см*1. Одновременно наблюдается уменьшение полуширины и частоты максимума полосы деформационных колебаний молекул воды.

Эти данные говорят об ослаблении водородных связей между молекулами воды при уменьшении ее концентрации в эмульсиях на основе ДТ, что объясняет экспериментально обнаруженную многими исследователями закономерность изменения седиментации ВТЭ в зависимости от концентрации в ней диспергированной воды.

В ИК-спектрах эмульсий на основе дизельного топлива Л-0,5 появляются новые полосы вблизи 3400 см" 1, 1650 см" 1, 2125 см" 1 и 700 см'1. Они относятся к колебаниям молекул воды. В спектре эмульсий на основе ДТ, как и в спектрах эмульсий на основе бензина, по мере уменьшения концентрации воды, полуширины полос валентных колебаний уменьшаются и при концентрации воды < 30%, полоса приобретает почти симметричную форму с положением максимума около 3400 см" 1. Одновременно наблюдается уменьшение полуширины и частоты максимума полосы деформационных колебаний молекул воды.

Эти данные говорят об ослаблении водородных связей между молекулами воды при уменьшении ее концентрации в эмульсиях на основе ДТ (при этом, в воде, входящей в состав эмульсий на основе бензина, водородные связи ослаблены сильнее, чем в воде, входящей в состав эмульсий на основе ДТ). Что объясняет также экспериментальные результаты и подтверждает гипотезы влияния воды ВТЭ на процессы образования N0 и сажи.

Механическая обработка топлива в виброкавитационном гомогенизаторе при приготовлении эмульсии вызывает уменьшение концентрации «вытянутых» GTn>4G конформеров. Однако, через 10 часов исходная концентрация конформеров (конформационная структура) восстанавливается.

10. На основании выполненных моторных исследований можно сделать следующие выводы.

Оптимальным, с точки зрения уменьшения выбросов с ОГ окислов азота и сажи, для транспортного двигателя Д21А1 содержание воды в ВТЭ на основе ДТ JI-0,5 следует считать до 30% (масс.). Это позволяет в пределах заводских регулировок цикловой подачи топлива, то есть без изменения конструкции топливной аппаратуры иметь возможность снизить содержание концентрации NOx в ОГ на эксплуатационных режимах работы на 240 млн*1 (в 1,46 раза), эффективной мощности на 4,0%, удельного расхода топлива на 3,8%, окиси углерода на 430 млн" 1 (в 1,34 раза), углеводородов на 14 млн" 1 (в 1,04 раза) — на режиме номинальной мощности. На режиме максимального крутящего момента удельный расход топлива увеличивается на 1,0% при снижении эффективной мощности на 1., 4%, концентрации NOx на 144 млн*1 (в 1,3 раза), окиси углерода на 393 млн" 1 (в 1,32,раза) и углеводородов на 25 млн" 1 (в 1,09 раза). Дымность ОГ не превышала требований ГОСТ Р 521 602 003.

При этом, значительно понижается тепловая напряженность рабочего процесса сгорания (по температуре ОГ на 6 — 12%) при сохранении и явно выраженной тенденции улучшения (до 2−3%) показателей топливной экономичности (в случае присадки ЦГН).

В холодное время года целесообразно предусмотреть использование присадки — активатора горения ЦГН, которую достаточно вводить в ВТЭ в количестве 0.2 — 0.4% для улучшения воспламеняемости ВТЭ.

На данной топливной композиции двигатель прошел длительные 200 часовые испытания. Частичная разборка двигателя показала, что после работы на ВТЭ огневые поверхности распылителей форсунок, элементов ци-линдропоршневой группы (ЦПГ), проточных элементов выпускных каналов оказываются практически без нагара.

В рамках данного исследования была показана принципиальная возможность устойчивой работы дизеля на ВТЭ с добавкой более дешевых мазутных фракций переработки нефти. Результаты испытаний ВТЭ с добавкой мазута (по массе 70% дизельного топлива Л-0.5, 15% мазута № 0−180, 15% воды), показали стабильную работу дизеля Д21А1 с параметрами, близкими к параметрам работы на стандартном топливе Л-0.5 ГОСТ 305–82.

11. Применение разработанного при участии автора диссертации комплексного метода окислительного катализа и ВТЭ позволит удовлетворить требованиям Технического регламента в соответствии с требованиями Правил № 24 и № 49 ЕЭК ООН (Евро-2).

12. Ожидаемый годовой экономический эффект (предотвращенный ущерб) от внедрения результатов диссертационного исследования в расчете на парк транспортных средств Санкт-Петербурга может составить 578,4 млн руб.