ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ В АВТОТРАКТОРНОМ ДИЗЕЛЕ

Экологизация ДВС
УДК 621.433:621.436.068
И.В. Парсаданов, д-р техн. наук, A.A. Теплицкий, инж.,
B.B. Солодовников, канд. техн. наук, С.Ю. Белик, инж.
ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ В АВТОТРАКТОРНОМ ДИЗЕЛЕ.
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ. (ЧАСТЬ I)
Введение. Водотопливные эмульсии пред-
ставляют собой систему, включающую в себя воду,
которая является дисперсной фазой с диаметром
капель 0,1…10 мкм, и топливо, являющейся дис-
персной средой. Такие эмульсии носят название
«эмульсии обратного типа» (вода в топливе), ис-
ключают контакт металлических поверхностей
топливной аппаратуры и стенок трубопроводов с
водой. Водотопливные эмульсии получают в гомо-
генизаторах и диспергаторах. Важным показателем
качества эмульсий является стабильность. Ста-
бильность эмульсий обеспечивается добавкой в нее
поверхностно-активных веществ (ПАВ) – эмульга-
торов. Применение водотопливных эмульсий не
требует конструктивных переработок дизеля и по-
зволяет заметно улучшить экологические характе-
ристики двигателей внутреннего сгорания [1 – 5].
В научно-инвестиционной компании «Корал
Инвест Технологии» на основе углеводородных
соединений разработан эмульгатор, позволяющий
при незначительном его добавке (2…4 % по массе)
обеспечивать стабильность эмульсии в течение
длительного времени. Водотопливные эмульсии с
данным эмульгатором получили название – топли-
во экологическое дизельное (ТЭД).
В статье приведены результаты эксперимен-
тальных исследований по оценке влияния ТЭД на
показатели токсичности и дымности отработавших
газов автотракторного дизеля.
Цель исследований определить концентра-
цию в отработавших газах оксидов азота, оксида
углерода, газообразных углеводородов и дымность
отработавших газов при работе автотракторного
дизеля на ТЭД с различными концентрациями во-
ды (до 31,2 % по массе) и уровнем диспергации.
Объектом исследований был выбран дизель
4ЧН 12/14 (СМД-19Т) с непосредственным впры-
скиванием топлива, газотурбинным наддувом и
промежуточным охлаждением наддувочного воз-
духа.
Методика исследований. Исследования ди-
зеля с различными вариантами ТЭД проведены на
стенде
научно-исследовательской лаборатории
кафедры ДВС НТУ «ХПИ» по нагрузочным харак-
теристикам при частотах вращения коленчатого
вала n = 1000, 1500, 2000 мин -1 . Максимальные
значения мощности на каждой из n соответствова-
ли мощности по внешней характеристике дизеля.
Промежуточные значения – мощностям, соответ-
ствующим 0,75, 0,50, 0,25 и 0,10 максимальной
мощности. Установочный угол опережения впры-
скивания топлива при исследованиях не изменялся.
Исследования проведены при температуре окру-
жающей среды +10…+15 °С.
Дизель исследовался: на стандартном дизель-
ном топливе (ДТ), ТЭД с содержанием воды 12,3 %
по массе (ТЭД-12,3-0), ТЭД с содержанием воды
19,4 % по массе (ТЭД-19,4-0), ТЭД с содержанием
воды 23,2 % по массе (ТЭД-23,2-0), ТЭД с содер-
жанием воды 23,2 % по массе (ТЭД-23,2-1), ТЭД с
содержанием воды 23,2 % по массе (ТЭД-23,2-2),
ТЭД с содержанием воды 31,2 % по массе (ТЭД-
31,2-0). Индексы 0, 1, 2 в обозначениях ТЭД указы-
вают на уровень диспергации: 0 – грубая дисперга-
ция (средний диаметр капель воды в ТЭД 8…9
мкм), 1 – улучшенная диспергация (средний диа-
метр капель воды в ТЭД 5…6 мкм), 2 – тонкая
диспергация (средний диаметр капель воды в ТЭД
2…3 мкм). Основные характеристики топлив при-
ведены в таблице 1.
Таблица 1. Основные характеристики исследованных ТЭД
Условное
обозначение ТЭД
ТЭД-12,3-0
ТЭД-19,4-0
ТЭД-23,2-0
ТЭД-23,2-1
ТЭД-23,2-2
ТЭД-31,2-0
118
 20 ,  20 ,
г/см 3
0,8457
0,854
0,862
0,862
0,862
0,8746 сСт
5,97
6,57
6,7
7,25
7,99
10,42
Массовое со-
Массовое
Массовое
держание Н 2 О,
содержание ДТ, % содержание ПАВ, %
%
85,4
2,3
12,3
77,3
3,3
19,4
73,4
3,4
23,2
73,4
3,4
23,2
73,4
3,4
23,2
64,7
4,1
31,2
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2’2011Экологизация ДВС
Результаты исследований. Зависимости
концентрации токсичных веществ в отработавших
газах и дымности отработавших газов от содержа-
ния воды в ТЭД на режимах максимальной мощно-
сти при частотах вращения коленчатого вала n =
2000, 1500 и 1000 мин -1 приведены на графиках
(рис.1…4). Приведенные данные свидетельствуют
о том, что применение ТЭД в качестве топлива по-
зволяет существенно улучшить экологические по-
казатели дизеля.
Замедление реакций образования NO x , свя-
занного с нагревом, испарением воды и перегревом
пара в цилиндре дизеля, приводит к снижению кон-
центрации NO x в отработавших газах. На всех ис-
следованных частотах вращения коленчатого вала
концентрация оксидов азота в отработавших газах
с увеличением количества воды в ТЭД уменьши-
лась. На режимах максимальной мощности концен-
трация NO x уменьшилась в 1,2…1,7 раза при при-
менении ТЭД-19,4-0 и в 1.6…3,2 раз при примене-
нии ТЭД-31,2-0 в сравнении с работой дизеля на
ДТ. Со снижением частоты вращения коленчатого
вала концентрация оксидов азота снижается более
заметно.
Рис. 1. Зависимости концентрации оксидов азота
в отработавших газах от содержания воды в ТЭД
Также позитивное влияние оказывает ТЭД на
концентрацию в отработавших газах оксида угле-
рода. На режимах максимальной мощности умень-
шение концентрации оксида углерода составляет
1,3…1,4 раза при использовании ТЭД-19,4-0 и
1,6…2,3 раза при использовании ТЭД-31,2-0 в
сравнении с работой дизеля на ДТ.
Влияние ТЭД на концентрацию газообразных угле-
водородов в отработавших газах дизеля неодно-
значно и незначительно. Изменение концентрации
газообразных углеводов на каждом из исследован-
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2’2011
ных режимов для всех ТЭД не превышает 50 –60
млн -1 .
Рис. 2. Зависимости концентрации оксида
углерода в отработавших газах от содержания
воды в ТЭД
Вместе с тем можно отметить тенденцию к
росту концентрации газообразных углеводов при
увеличении концентрации воды в ТЭД при номи-
нальной частоте вращения и к уменьшению ее при
частоте вращения коленного вала, соответствую-
щих максимальному крутящему моменту.
Рис. 3. Зависимости концентрации газообразных
углеводородов в отработавших газах от содержа-
ния воды в ТЭД
Бесспорным преимуществом использования
ТЭД в дизеле является ее влияние на дымность
отработавших газов. На режимах максимальной
нагрузки уменьшения дымности отработавших
газов составляет 1,3…1,4 раз при использовании
ТЭД-19,4-0 и 1,3…2,7 разы при использовании
ТЭД-31,2-0. Со снижением частоты вращения ко-
ленного вала уменьшения дымности отработанных
газов растет.
119Экологизация ДВС
На экологические показатели дизеля оказыва-
ет влияние не только содержание воды в ТЭД, но и
уровень ее диспергации.
рода и дымность отработавших газов, но увеличи-
вает концентрацию оксидов азота.
3. Влияние ТЭД и уровня его диспергации на
концентрацию в отработавших газах газообразных
углеводородов незначительно и неоднозначно
Рис. 4. Зависимости дымности отработавших
газов от содержания воды в ТЭД
Для определения влияния уровня дисперга-
ции на концентрацию токсичных веществ в отра-
ботавших газах и дымность отработавших газов
проведены исследования дизеля при работе на
ТЭД-23,2. Результаты проведенных исследований
на режимах максимальной мощности при частотах
вращения коленчатого вала n = 2000, 1500 и 1000
мин -1 с тремя уровнями диспергации (грубая,
улучшенная и тонкая) приведены на рис. 5.
Анализируя полученные данные можно отме-
тить, что уровень диспергации 0 и 1 практически
не оказывает влияние на экологические показатели
дизеля. При обеспечении тонкой диспергация
(средний диаметр капель воды в ТЭД 1…2 мкм) на
режимах максимальной мощности в отработавших
газах возрастает концентрация оксидов азота на
60…160 ррm, снижается концентрация оксида уг-
лерода на 20…30 ррm и дымность отработавших
газов – на 2 % по шкале дымомера.
Выводы
1. Применение ТЭД в качестве топлива без
изменения конструкции и регулировок автотрак-
торных дизелей обеспечивает эффективное сни-
жение уровня загрязнения окружающей среды ток-
сичными компонентами отработавших газов. На
режимах максимальной мощности:
– концентрация в отработавших газах оксидов
азота снижается в 1,3…3,5 раза, концентрация ок-
сида углерода снижается в 1,3…2 раза;
– дымность отработавших газов снижается в
1,6…2,5 раза.
2. Более тонкая диспергация ТЭД снижает
концентрацию в отработавших газах оксида угле-
120
Рис.5. Зависимости концентрации вредных
веществ и дымности отработавших газов от
уровня диспергации ТЭД
Список литературы:
1. Гладков О.А. Создание малотоксичных дизелей речных
судов / О.А. Гладков, Е.Ю. Лерман – Л.: Судостроение,
1990. – 112 с. 2. Сомов В.А. О применении водотоплив-
ных эмульсий в дизелях / В.А. Сомов, Двигателестрое-
ние.–1988.– No 3.– С. 35–37. 3. Парсаданов И.В. Повы-
шение качества и конкурентоспособности дизелей на
основе комплексного топливно-экологического критерия.
/ И.В. Парсаданов – Х.: Издат. центр НТУ “ХПИ”,
2003.– 244 с. 4. Ceccarelli Ulderico. Metti l’emulsistem nel
tuo motor // Tecnol. Serv. Pubbl.– 1987.– 7.– No 5.– Р 52 –
54, 58 – 59. 5. Zhang T. Experimental study on water parti-
cles in the combustion of marine four-stroke diesel engine
operated with emulsified fuels. / T. Zhang, H. Okada,
T.Tsukamoto, K. Ohe – Paper No 193. – CIMAC 2007. –
Vienna.
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2’2011Экологизация ДВС
Bibliography (transliterated):
1. Gladkov O.A. Sozdanie malotoksichnyh dizelej rechnyh sudov /
O.A. Gladkov, E.Ju. Lerman – L.: Sudostroenie, 1990. – 112 s. 2.
Somov V.A. O primenenii vodotoplivnyh jemul’sij v dizeljah / V.A.
Somov, Dvigatelestroenie.–1988.– No 3.– S. 35–37. 3. Parsadanov
I.V. Povyshenie kachestva i konkurentosposobnosti dizelej na osnove
kompleksnogo toplivno-jekologicheskogo kriterija. / I.V. Parsadanov
– Harkov: izdat. centr NTU “HPI”, 2003.– 244 s. 4. Ceccarelli
Ulderico. Metti l’emulsistem nel tuo motor // Tecnol. Serv. Pubbl.–
1987.– 7.– No 5.– Р 52 –54, 58 – 59. 5. Zhang T. Experimental study
on water particles in the combustion of marine four-stroke diesel
engine operated with emulsified fuels. / T. Zhang, H. Okada, T. Tsu-
kamoto, K. Ohe – Paper No 193. – CIMAC 2007. – Vienna.
УДК 621.433:621.436.068
И.В. Парсаданов, д-р техн. наук, А.А. Теплицкий, инж., И.Н. Карягин, инж.,
B.B. Солодовников, канд. техн. наук, С.А. Кравченко, канд. техн. наук,
П.Г. Ходак, инж.
ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ В АВТОТРАКТОРНОМ ДИЗЕЛЕ.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ. (ЧАСТЬ II)
Введение. В первой части статьи приведены
результаты экспериментальных исследований по
оценке влияния водотопливных эмульсий, изго-
товленных научно-инвестиционной компанией
«Корал Инвест Технологии» на основе стандартно-
го дизельного топлива производства Кременчуг-
ского НПЗ (ДСТУ 4840-2007) с добавками эмуль-
гатора, на показатели токсичности и дымности от-
работавших газов автотракторного дизеля. Изгото-
витель дал название этому топливу – ТЭД (топливо
экологическое дизельное). Основным преимущест-
вом ТЭД перед другими водотопливными эмуль-
сиями является высокая стабильность при хране-
нии. Например, проба ТЭД12,3-0, полученного на
основе дизельного топлива с добавкой 2,3 % по
массе эмульгатора, сохранила свою стабильность
на протяжении проведения исследований в научно-
исследовательской лаборатории кафедры ДВС
НТУ «ХПИ» в течение более 2000 часов.
Во второй части статьи приведены данные о
влиянии ТЭД на энергетические и экономические
показатели дизеля.
Цель исследований оценить расхода топлива
и мощность автотракторного дизеля при работе на
ТЭД с различными концентрациями воды и уров-
нем диспергации.
Объект и методика исследований. Исследо-
вания проведены на дизеле 4ЧН 12/14 (СМД-19Т).
Методика исследований приведена в первой части
статьи, там же даны сведения об основных харак-
теристиках топлив.
Результаты исследований. Влияние ТЭД на
экономические показатели дизеля.
Зависимости часовых расходов ДТ и ТЭД от
содержания воды в ТЭД на режимах максимальной
мощности дизеля по внешней характеристике при
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2’2011
частотах вращения коленчатого вала n = 2000, 1500
и 1000 мин -1 приведены на графиках (рис.1 и 2).
Приведенные данные свидетельствуют о том,
что с увеличением состава воды часовой расход
ТЭД возрастает. Для обеспечения номинальной
мощности (n = 2000 мин -1 ) при роботе на ТЭД19,4-
0 необходимо увеличить часовой расход эмульсии
на 4,8 кг/ч в сравнении с ДТ. При работе на
ТЭД31,2-0 – на 9,6 кг/ч. Для обеспечения макси-
мального крутящего момента (n = 1500 мин -1 ) при
роботе на ТЭД19,4-0 необходимо увеличить часо-
вой расход эмульсии на 3,6 кг/ч в сравнении с ДТ.
При роботе на ТЭД31,2-0 – на 7,5 кг/ч.
Рис. 1 Зависимости часовых расходов ДТ и ТЭД от
содержания воды в ТЭД
Одновременно, как это видно из рис. 2, рас-
ход ДТ в ТЭД при увеличении содержания воды
уменьшается. Наиболее эффективно с точки зрения
экономии ДТ использование ТЭД с содержанием
воды 15…25 %. При роботе дизеля на ТЭД19,4-0 на
режиме номинальной мощности расход ДТ умень-
121