Ученые из Федерального технологического университета Оверри в Нигерии провели один из наиболее масштабных обзоров современных методов снижения выбросов двигателей внутреннего сгорания. Проанализировав десятки крупных международных исследований, они показали, что наиболее эффективной и при этом простой технологией сегодня является эмульсия «вода в дизельном топливе» (Water-in-Diesel Emulsion, WiDE). В сущности, речь идет о методе добавления небольшого количества воды в дизель. Эта простая манипуляция, как выясняется, способна существенно снизить выбросы вредных веществ (по отдельным компонентам – более чем на 60%) при сохранении, а в ряде случаев и при повышении эффективности работы самого двигателя.
Дизельные двигатели остаются одними из главных источников загрязнения воздуха в городах. Они выбрасывают оксиды азота, сажу, угарный газ и несгоревшие углеводороды. Современные системы очистки, такие как сажевые фильтры и каталитические нейтрализаторы, действительно снижают эти выбросы, но они дороги, усложняют конструкцию и время от времени требуют замены самого ДВС. Но технология WiDE предлагает простой выход: смешать дизель с водой и специальными добавками-эмульгаторами, изменив таким образом сам процесс сгорания.
Нигерийские исследователи показали, что ключевой эффект технологии связан с микровзрывами. Когда капли воды, равномерно распределенные в дизеле, попадают в раскаленную камеру сгорания, они мгновенно превращаются в пар. Образующийся пар «разрывает» топливные капли на более мелкие фрагменты, за счет чего топливо лучше смешивается с воздухом. Это одновременно снижает пиковую температуру в цилиндре (а значит образуется меньше оксидов азота) и улучшает полноту сгорания, что уменьшает образование сажи. По данным проанализированных работ, выбросы оксидов азота могут снижаться до 67%, а твердых частиц – до 68% по сравнению с обычным дизельным топливом.
Впрочем, для того, чтобы вода и дизель не расслаивались, необходимы специальные поверхностно-активные вещества (ПАВ). Исследователи подробно разобрали принципы их подбора. Наилучшие результаты, по их мнению, дает не один компонент, а комбинация – например, сорбитан моноолеат (Span 80) и полисорбат 80 (Tween 80, полное название – полиоксиэтилен сорбитан моноолеат). Первый лучше взаимодействует с топливной, «масляной» фазой и помогает удерживать воду внутри дизеля, формируя эмульсию типа «вода в масле». Второй, напротив, тяготеет к водной фазе. Вместе они создают устойчивую систему, где вода и топливо не разделяются.
Этот баланс описывается показателем HLB – гидрофильно-липофильным балансом. Проще говоря, это шкала, которая показывает, «к чему больше тяготеет» эмульгатор – к воде или к маслу. Низкие значения означают большое тяготение к маслам, высокие – к воде. Для эмульсии «вода в дизеле» оптимальным оказался диапазон от 4 до 8 – это значит, что смесь веществ должна в большей степени «держаться» за топливо, но при этом достаточно взаимодействовать с водой, чтобы равномерно распределять ее в объеме.
Правильно подобранная комбинация эмульгаторов позволяет сохранять топливо стабильным до 60 дней без расслоения. Однако эффективность WiDE сильно зависит от доли воды. При содержании около 5-15% двигатель может работать даже эффективнее обычного – улучшается теплообмен и полнота сгорания. Если же воды становится слишком много (более 20%), возникают проблемы: ухудшается воспламенение, растет расход топлива, а выбросы угарного газа и углеводородов могут увеличиваться. Кроме того, в некоторых экспериментах фиксируется рост выбросов CO₂ – это связано с тем, что топливо сгорает более полно.
Исследователи также сравнили WiDE с другими способами подачи воды, например, впрыском пара во впускной коллектор или прямым впрыском воды в цилиндр. Оказалось, что эмульсия выигрывает, поскольку вода изначально находится внутри топлива и микровзрывы происходят непосредственно в зоне горения. Это повышает эффективность процесса и позволяет обойтись без сложных инженерных решений.
В то же время для широкого внедрения технологии предстоит решить ряд задач: оптимизировать составы эмульгаторов, оценить долгосрочное влияние таких смесей на износ двигателя и проверить их совместимость с существующими системами очистки выхлопа. Тем не менее уже сейчас WiDE рассматривается как практичное переходное решение, способное быстро снизить экологическую нагрузку ДВС.
