Инженерное обозрение

ИР уделяет заслуженное внимание вопросам повышения экономичности и улучшения эксплуатационных характеристик двигателей внутреннего сгорания и, в частности, проблемам добавления воды в горючую смесь, публикуя некоторые из тех многочисленных разработок, которые предлагают народные умельцы. наряду с этим в специальной литературе и в некоторых популярных изданиях, таких, как журнал «За рулем», публикуются статьи, в которых всякие
попытки ввода воды в ДВС объявляются если не вредными, то уж безусловно сомнительными, не соответствующими инструкциям завода —изготовителя двс, а потому гаи не разрешает применять их на автомобильных
двигателях. Настала пора серьезно, без эмоций и обвинений в шарлатанстве разобраться в сути дела.

ВОДУ В ДВС?

В. БАЗАРОВ,
доктор технических наук
Вопрос о вводе воды в горючую смесь далеко не нов, он достаточно хорошо исследован еще в 30-е годы.
Воду в виде пара добавляют при распыливании мазута так называемыми «паромеханическими» форсунками в топках паровых котлов. Эмульсию перегретой воды с мазутом сжигают в судовых паровых котлах, а в 30-е годы серийно выпускали на ХТЗ трактор с впрыском воды в цилиндр двигателя. Был, таким образом, и живой опыт.
Кинтернетика горения горючей смеси в присутствии небольших количеств воды обуславливается интенсификацией процессов за счет образования в зоне горения свободных радикалов ОН.
Полнота сгорания смеси происходит при содержании Н2О от 12 до 17% расхода топлива, то есть от 0,2 до 4,2 % от суммарного расхода горючей смеси при коэффициенте избытка окислителя от 1 до 4.
Присутствие жидкой, а в меньшей степени и парообразной воды снижает температуру зоны горения. С одной стороны, это — положительный фактор для ДВС: есть возможность форсировать его по степени сжатия, меньше выделяется окислов азота. Профессор У. Г. Пирумов и его исследовательский коллектив в МАИ доказали, что присутствие воды в поршневых ДВС снижает требования к октановому числу бензина. Но чрезмерное снижение температуры зоны горения снижает скорость химических реакций и может повысить присутствие в выхлопных газах продуктов неполного сгорания, в том числе и канцерогенных, и снизить полноту сгорания, особенно в современных быстроходных ДВС. Поэтому — не переборщите! Кроме того, при плохом распыливании даже малое количество воды может создать локальные зоны, где она окажется в переизбытке. Поэтому полезны любые мероприятия, направленные на ее ультрамелкодисперсное распыливание.
Из-за снижения температуры продуктов сгорания впрыск воды не находит широкого применения в теплоэнергетике, ведь температура напрямую связана с кпд тепловоспринимающих поверхностей нагрева. В ДВС впрыск воды также приводит к тепловым потерям: ведь впрыскиваем мы жидкую воду, а выпускаем в выхлопную систему водяной пар, затрачивая на эту операцию дополнительное топливо, пошедшее на «выкипячивание» впрыснутой воды. Однако в ДВС эти потери компенсируются увеличением количества рабочего тела, участвующего в работе расширения. Кроме отмеченных термодинамических последствий у применения воды имеются и эксплуатационные недостатки — усложняется система питания, требуются дозирующие устройства, поддерживающие заданное соотношение расхода воды к воздуху и топливу при изменении нагрузки двигателя. Вполне понятны поэтому усилия изобретателей хоть как-то улучшить процесс смесеобразования, размещая за карбюратором разнообразные по форме и эффективности турбулизаторы, против которых так ополчились в свое время ученые из НАМИ — ведь не с японскими ультразвуковыми карбюраторами с туманообразным распыливанием ездим! Для воды с ее гигантской теплотой испарения и большим поверхностным натяжением все эти ухищрения — как для умирающего примочки.
Поэтому, как правило, при впрыске воды у большинства автомобилей экономичность не повышается из-за несовершенства смесеобразования, но зато уменьшается склонность к детонации, снижаются температура и требования к октановому числу бензина, а это уже кое-что. Еще одна неприятность: необходима дистиллированная вода — иначе при впрыске обычной внутри цилиндра и на седле клапана отлагается накипь — хороший абразив, и за долговечность такого двигателя никто не поручится. А в дальней дороге достать дистиллированную воду непросто, везти с собой — не напасешься. Наконец, необходимы строгие меры по предотвращению попадания воды в картер ДВС. Напомню, что именно за это были в 30-е годы репрессированы создатели того двигателя для ХТЗ с впрыском воды, когда в результате неграмотной эксплуатации несколько моторов заржавели из-за попадания воды в узлы двигателя — это было расценено как сознательное вредительство и намерение оставить страну без работающих тракторов.
Поэтому в проблеме ввода воды в горючую смесь — огромный простор для изобретательской фантазии в деле создания простых, надежных, «дуракоупорных» и эффективных средств приготовления этой горючей смеси.
Какой же, на мой взгляд, наиболее рациональный путь разрешения этой проблемы? Следует перед вводом воды в горючую смесь переводить ее в парообразное состояние. Тогда исчезает проблема накипи и доставания дистиллированной воды, да и попадания воды в картер двигателя. Системы испарения воды с последующим вводом пара во впускной патрубок, а то и с использованием горячего водяного пара для распыливания и испарения топлива изобретатели тоже вниманием не обошли. Тут можно использовать и тепловую энергию, даром уходящую в выхлопную трубу,— сделать испаритель на выхлопном патрубке. Тут к сложности дозирования подачи водяных паров при изменении нагрузки (я для этой цели использовал карбюраторный золотник системы отсоса газов из картера), образовании накипи в испарителе, поддержании в нем заданной температуры, предохранении топлива в карбюраторе от перегрева и вскипания, которое в палящую летнюю жару и так случается, добавляется новое затруднение — ведь присутствие в горючей смеси водяных паров уменьшает объемное содержание в ней кислорода, то есть снижается коэффициент наполнения двигателя. Это однозначно приводит к падению мощности. Конечно, мне из моих 77 л. с,
и шестидесяти за глаза хватит, но все же…
Так что в случаях, когда мощности в избытке, можно рекомендовать изобретателям исхитриться сделать надежный дозатор-испаритель.
Со своей стороны, предлагаю для обсуждения свой вариант решения задачи. Можно сделать испаритель — ну, скажем, барботажного типа, наполнить его водой и пробулькивать через него воздух, идущий на прогретый двигатель. Для лучшего испарения можно ее слегка подогревать, барботируя через нее часть продуктов сгорания или картерные газы. Заодно воздух очистится от пыли, а то бумажные фильтры так быстро забиваются! По мере расходования испаряющейся воды следует пополнять ее через какое-либо дозирующее устройство. У себя при пробных испытаниях я использовал пластиковый сосуд с перевернутой горловиной. Можно применить и известные поплавковые камеры. А под конец дня сливать оставшуюся воду вместе с грязью и дохлыми мухами и заливать систему свежей водой. Тогда дистиллированная вода совсем не обязательна, ведь в двигатель будут попадать лишь пары, а твердые ингредиенты сливаться вместе с грязью. В зимних условиях придется добавлять в воду незамерзающий компонент.
Расчеты показали, что испаряющаяся вода охлаждает барботируемый через нее воздух, и при срабатывании на барботере не более 0,05 атм, несмотря на снижение давления, наблюдается рост плотности заряда горючей смеси и коэффициента наполнения двигателя на 3,5… 5 %. О такой удаче сначала и не мечталось — чтобы при повышении экономичности и мощность возрастала.
Описанный способ перспективен не только для транспортных ДВС. Он прямо просится на стационарно работающие газотурбинные установки (ГТУ) нефте- и газоперекачивающих станций. Стоит такая в пустыне и недодает мощности из-за высокой температуры воздуха (чем меньше его плотность, тем в компрессоре сжать труднее). Если же в двигатель подавать воздух, предварительно пробарботировавший через расположенный рядом бассейн, то, охлажденный, освобожденный от песка и пыли, он повысит термический кпд ГТУ, снизит температуру газа перед
турбиной, упразднит пескоструйную обработку лопаток и тем повысит эксплуатационную надежность.
Изобретатели — дерзайте! Нужна простая, компактная и работоспособная конструкция фильтра-увлажнителя, который бы съедал минимальный перепад давления — не возить же с собой на прицепе бассейн.
Что касается разработчиков и эксплуатационников ДВС и ГТУ, то у автора имеются методики расчета оптимального увлажнения горючей смеси при ее подаче в камеру сгорания, а также некоторые «маленькие хитрости»,— как испарять ее и подавать в двигатель, чтобы расход топлива снизить и двигатель от коррозии предохранить.