Дунаев А.В.1, д.т.н., ст.н.с., Миклуш В.П. 2, к.т.н., профессор, Тарасенко В.Е. 2, к.т.н., до-цент
1. Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Феде-ральный научный агроинженерный центр ВИМ», г. Москва (Российская Федерация);
2. УО «Белорусский государственный аграрный технический универси-тет», г. Минск
Dunaev A., Miklush V., Tarasenko V.
Аннотация. Представлены особенности модификации мотор-ных топлив оригинальным смеситель-активатором проф. Воробьева Ю.В., спо-собствующим облегчению фракционного состава и продолжению модификации топлив после их выхода из активатора. Необратимость их модификации обеспе-чивает существенное изменение состава и свойств топлив и тем самым сокраще-ние их расхода без уменьшения мощности ДВС, уменьшение дымности отрабо-тавших газов дизелей и токсичности бензиновых ДВС, уменьшение температуры замерзания дизельного топлива, его очищение от смол и соединений серы.
Сделана попытка изложить физические причины существенного повы-шения рассматриваемым активатором теплоты сгорания углеводородных мо-торных топлив.
Abstract. The peculiarities of modification of motor fuels original mixer-activator to facilitate the fractional composition and continuing modifications of fuels after they are released from the activator. The irreversibility of the modifica-tion provides a significant reduction in fuel consumption without reducing engine power, reducing the opacity of exhaust gases of diesel engines and the toxicity of gas-oline engine, reducing the freezing point of diesel fuel it must be purified from tar and sulfur compounds. An attempt is made to explain the physical causes a significant in-crease considered the activator of the heat of combustion of hydrocarbon fuels.
Введение. Постоянное совершенствование автотракторных ДВС проводится для повышения их надежности, ресурса, коэффициента полез-ного действия, уменьшения расхода топлива, токсичности и дымности отрабо-тавших газов (ОГ). К этому во многих странах длительное время испытывают разнообразные способы воздействия на топливо с целью получения максималь-но возможной его теплотворности. Используют такие приемы обработки, как магнитная, кавитационная, электрическая, триботехническая, гомогенизация, [1, 2], ввод присадок. В последнее время апробирована и механохимическая акти-вация [3-7].
Так известен статический смеситель-активатор проф. Воробьева Ю.В., имеющий три последовательные камеры [3]. В первой из них происходит встречное винтообразное перемешивание и растирание струй, предполагается дробление кластеров. Из первой камеры во вторую струи продавливаются через капилляры и идет кавитационное дробление молекул. В третьей — происходит продавливание фрагментов молекул через микрощели, что продолжает их раз-рыв. Такое трехкратное воздействие обусловливает необратимость механоакти-вации, что является исключительным достоинством активатора.
Активатор встраивается в любую топливную систему ДВС, не требует привода, не содержит химических веществ, не уменьшает ресурс ДВС. Он мно-гократно проверен хроматографией различных топлив, контролем их расхода и выброса вредных веществ с отработанными газами ДВС [4]. Хроматограммы многих активированных проф. Воробьевым Ю.В. дизельных топлив и бензинов разных поставщиков показали уменьшение доли тяжелых углеводородов и об-разование легких: гексана, гептана, 3метил-пентана до 37 %, а также снижение содержания серы с 0,032 до 0,015 %, а смол с 7,4 до 0,8 мг/100 мл. В бензине содержание октаноопределяющего толуола повышалось до 16 %, а в авиакеро-сине – нонана и декана – до 21 %. Активатор апробирован также и на рапсовом масле.
Испытание активатора в Rochester Institute of Technology (США) пока-зало уменьшение в моторных топливах содержания серы до 50 %, смол в 7-9 раз, выбросов в ОГ ДВС: NO – до 17 %, NO2 – до 14 %, а CO – до 49 %.
Десятками хроматограмм показано, что активатор заметно изменяет фракционный состав многих моторных топлив. Так в дизельном топливе может образоваться подавляющее (до 30 %) содержание октана, отсутствующего в ис-ходном топливе. На рисунке 1 показан результат неординарной модификации двух разных дизельных топлив с резким уменьшением необычно большого ис-ходного количества некоторых компонентов в дизельном топливе компании Лукойл.
Так как активация бензина уменьшает содержание тяжелых фракций и увеличивает – легких, то октановые числа активированных бензинов подлежат исследованию.
Ранее в кавитации и гомогенизации ставили цель лишь разрушения кла-стеров топлив. Отсутствовали достоверные представления о ходе их модифика-ции, считалось причиной уменьшения их расхода в ДВС – только облегчение фракционного состава (таблица 1).
Каковы же причины существенного (таблица 1) повышения активато-ром по патенту № 2411974 теплоты сгорания углеводородов моторных топлив? Здесь примем во внимание, что для сжигания топливо должно быть подогрето, избавлено от негорючих примесей и диспергировано (испарено) до молекул. Эти процессы, по-видимому, значительно облегчены в активаторе.
При прогреве топлива должно пройти дробление углеродной цепи мо-лекул, отделение атомов водорода, полное разделение между атомами углерода. Параллельно должна идти диссоциация молекул кислорода. Лишь после этого происходит соединение атомов топлива с атомами кислорода.
Рисунок 1 — Изменение ак-тивацией состава дизельного топлива по данным с хроматографа «Кристаллюкс-4000М (детектор ПИД-ПДФ) в Тамбовской сертифицированной лаборатории судебной экспертизы: а – топливо компании «Лукойл», где резко уменьшилось содержание фракций С11Н24–С14Н30, но образовалось 23 % фракций С6Н14, С7Н16; б – топливо из ФГБНУ ВНИИТиН: 1– исходное топливо, 2 – разрушены тяжелые и образованы легкие фракции.
Таблица 1 — Преобразования молекул угле-водородов бензина под влиянием электромагнитного и трибохимического воздействия [11]
Исходная фракция, тепло-та сгорания, Q, кДж/моль | Состав фрак-ций | Ко-нечные фракции | Суммарная тепло-та сгорания преобразо-ванного топлива, Q, кДж/моль | По-ложите-льный эф-фект, % | |
1-я фаза | 2-я фаза | ||||
С8Н18 Q = 5470 кДж/моль |
С4Н8 | 2С2Н4 | 2С2Н4 | Q = 5607 кДж/моль | 2,5 |
С4Н10 | —> | С4Н10 | |||
С8Н18 Q = 5470 кДж/моль |
С2Н2 | —> | С2Н2 | Q = 5900 кДж/моль | 7,86 |
2С2Н4 | —> | 2С2Н4 | |||
2СН4 | —> | 2СН4 | |||
С8Н18 Q = 5470 кДж/моль |
С5Н6 | 0,5 С2Н4 | 0,5 С2Н4 | Q = 5975 кДж/моль | 9,23 |
2С2Н4 | 2С2Н4 | ||||
3СН4 | —> | 3СН4 | |||
С8Н18 Q = 5470 кДж/моль |
2С2Н2 | 2С2Н2 | 2С2Н2 | Q = 7001 кДж/моль | 28 |
0,5С2Н4 | 0,5С2Н3 | 0,5С2Н3 | |||
0.5Н | 0.5Н | ||||
3СН4 | 3СН3 | 3СН3 |
В итоге, если диссоциацию молекул топлива и кислорода проводить за-ранее, то теплота горения не будет затрачиваться на подготовку топлива и его теплотворность будет больше, чем определяемая в калориметрической бомбе. Это может быть одной из причин повышения активатором теплоты сгорания топлив, что частично подтверждается, например, повышенной, в сравнении с жидкими нефтепродуктами, теплотворностью нефтяных газов (как бы дисперги-рованных углеводородов), где нет необходимости дробления кластеров.
Основанием к объяснению механического разрушения углеводородов является механохимия, выявленная еще в 1887 г. [8]. Там, где связи требуют высоких затрат энергии, возможны разрывы молекулярных цепей магнитными полями и механическими напряжениями свыше предела прочности атомных связей [8]. По классическому механизму термического разложения углеводоро-дов на начальных его стадиях рвутся связи с наименьшей энергией разрыва 295-431 кДж/моль, а прочные связи требуют до 502,4 кДж/моль. При этом на раз-ложение углеводородов влияют катализаторы, например, медь, цинк.
Механохимия деструктирует как отдельные фракции нефти, так и смеси с образованием низкомолекулярных гомологов, а также, водорода и углерода с осаждением серы. Деструкция насыщенных углеводородов происходит через разрыв цепей, а непредельные разрушаются через образование насыщенных продуктов, возможно гидрирование их продуктами деструкции исходного ве-щества [7, 8]. Следствием механохимии является радикализация моторных топ-лив, неясные продолжительные химические реакции, не текущие в обычных условиях, дробление тяжелых компонентов, создание новых легких веществ, разрушение смол и сернистых соединений, что проявляется с выделением тепла. Так в гептане разрушение ковалентных связей в его цепях высвобождает около 419 кДж/моль [8].
Ахматовым А.С. показано, что при разрыве цепей углеводородов кроме свободных валентностей атомов углерода, образуются и свободные радикалы, например, R-CH2— с высокой реакционной способно-стью [8].
Если механохимией подвергают смеси, то могут возникать новые хи-мические соединения, гетерогенные цепи, построенные из продуктов разрыва. Например, образующиеся на метиленовой группе свободные радикалы могут присоединять кислород (из жидкости) и создавать взрывные перекиси [8].
Короткоживущие (до 0,1 с) алкильные (СН3—) и арильные (СН3СН2—) радикалы и перекиси действуют на среду с высокими скоростями рекомбинаций, присоединения и диспропорционирования. Но в механохимии углеводородов образуется и значи-тельное количество долгоживущих (от нескольких минут до нескольких меся-цев и даже лет) свободных радикалов. При механохимии топлив возможно об-разование в качестве би-радикалов молекул кислорода, которые всегда в малом количестве имеются в моторных топливах. Возможно образование и полиради-калов с более двумя не спаренными электронами.
Особенности механохимии топлив в активаторе подтверждены проф. Воробьевым Ю.В и тем, что под влиянием долгоживущих радикалов модифи-кация топлив продолжается и за активатором. И ввод небольшой доли топлива из активатора в не активированное заметно повышает в смеси долю ак-тивированного. Так, например:
Таким образом, разрыв высокоэнергетических связей в молекулах угле-водородов с образованием коротко- и долгоживущих радикалов уменьшает за-траты тепла сгорания на расщепление молекул на атомы. И чем длиннее углево-дородная цепь, тем ощутимее может быть диспергирование [8] с высвобождени-ем энергии связей в цепях (таблица 2). Канаревым Ф.М. подчеркнуто, что чем больше актов воздействия механохимии на вещество, тем глубже его модифи-кация [9]. Это утверждение послужило основанием для разработки активатора с четырьмя камерами [10].
Как видно из таблицы 2 с удлинением цепи углеводородов на образова-ние связей между атомами углерода затраты энергии растут значительно, а ме-ханохимией энергия связей может быть высвобождена и преобразована в другой вид.
Физические механизмы существенного повышения теплоты сгорания активированных топлив вытекают из современной, глубоко обоснованной физхимии проф. Канарева Ф.М. [9]. Им показано, что для разрушения связей между валентными электронами атомов в химических соединениях достаточно затратить 2,56 eV механической энергии, а для термического разрыва энергии требуется в два раза больше – 5,13 eV, т.к. каждый, из ранее связанных, обосо-бившийся электрон для своей стабильности должен получить по тепловому фо-тону с энергией 2,56 eV. Поэтому после механического разделения валентные электроны вместо тепловых поглощают по эфирному фотону из физического вакуума общей энергией в 5,13 eV. Поглотив по эфирному фотону, валентные электроны становятся полноценными, активными, могут восстановить свою разорванную связь и соединить части разорванных молекул. Но, соединяясь, электроны излучают поглощенные из эфира фотоны и энергонасыщают веще-ство той же, поглощенной из эфира, энергией 5,13 eV [9].
Таблица 2 — Показатели энергии связей между атомами углерода в молекулах углеводородов (получены обработкой данных по Ах-матову А.С. [8])
№ | Ве-щество | Теплота сго-рания | Энергия связи между атомами углерода, кДж/моль | |
кДж/моль | кДж/г | |||
1 | Графит | 393,680 | 394,1 | — |
2 | Водород | 286,020 | 123,01 | — |
3 | Метан | 890,930 | 55,73 | — |
4 | Этан | 1560,88 | 51,92 | 220,98 |
5 | Пропан | 2220,30 | 50,37 | 441,96 |
6 | Бутан | 2880,26 | 49,61 | 662,94 |
7 | Пентан | 3511,50 | 48,73 | 883,72 |
8 | Гексан | 4165,82 | 48,40 | 1104,9 |
9 | Гептан | 4820,39 | 48,19 | 1325,88 |
10 | Октан | 5474,41 | 47,97 | 1546,86 |
11 | Декан | 6783,16 | 47,72 | 1988,82 |
Таким образом, затратив в механохимии 2,56 eV механической энергии, при восстановлении электронами их связей они насыщают окружающее веще-ство энергией двух тепловых фотонов 5,13 eV или 248 кДж/моль. При разрыве же электронных связей между несколькими атомами углеводородной цепи до-полнительной энергии в вещество может выделяться больше.
Для частиц – носителей эфирной энергии определена их характеристика [9]:
– эфир имеет линейную структуру, управляемой константой:
k0 = mr = 2,210254·1042 кгм = const.
Исходя из изложенного можно полагать, что дробление механохимией углеводородов на обрывки молекул с обратимым действием валентных элек-тронов и может быть главной причиной повышения теплотворной способности (таблица 1) и уменьшения расхода топлива в ДВС.
Возможно, что описанные процессы могут происходить и при разрыве кластеров молекул, связей между атомами водорода и углерода. А если связи разрушать резонансным магнитоэлектрическим способом, то будет возможно углубить модификацию топлив, еще более повысив их теплотворную способ-ность. Подтверждением этому может служить достигнутый в водо-электролитических ячейках коэффициент теплоотдачи величиной 29000 % [9].
Можно также предположить, что повышение теплотворной способно-сти топлив обусловлено и тем, что активные радикалы в топливе, находясь в возбужденном состоянии, также могут поглощать фотоны эфира и становиться более энергонасыщенными. Отсюда эффективность активатора может зависеть от материала его корпуса, который должен быть прозрачен инфракрасным фо-тонам, могущим резонансно поглощаться компонентами углеводородов.
Стандартно теплоту сгорания определяют в калориметрической бомбе, где отсутствуют какие-либо воздействия на топливо, а активаторы обусловли-вают воздействие на топливо окружающей среды. Отсюда становится ясным, как механо-химические процессы в воде, газах позволяют получать дополни-тельную энергию из окружающего пространства. Так на основе трубки Ранке-Хильша только в России выпускается более 30 аппаратов водяного отопления, в которых тепловая энергия в 1,1-27 раз превышает энергию на привод водяного насоса этих отопителей.
Но по сжиганию топлив проф. Канарев Ф.М. утверждает: «Все эффек-ты, связанные с повышением давления сгорания топлив в закрытых полостях формируются не газами, а фотонами. При этом объёмы световых фотонов, из-лучаемых электронами в реакциях предварительно диссоциированных молекул, в 100 000 раз больше объёмов их источников – электронов, а попутно излучае-мые невидимые инфракрасные фотоны в 10, 20-100 раз больше объема световых фотонов» [9]. Отсюда можно предположить, что уменьшение расхода моторных топлив обусловлено как их преобразованиями в активаторе, так и процессами в камерах сгорания ДВС.
В целом, активатор, осуществляя механохимическое воздействие на уг-леводороды топлив, уменьшает их расход в ДВС и как показано испытаниями – без уменьшения их эффективной мощности. Такое стабильное и высокоэффек-тивное воздействие впервые реализовано в активаторе [3].
Активированное дизельное топливо уменьшает и дымность дизелей. Так на автобусе НефАЗ-5299-30-33 с дизелем КамАЗ-740.65-240 дымность ОГ в режиме свободного ускорения по прибору МЕТА-01 МП 0.1 в порядке, реко-мендованном инструкцией по его применению, составила 3,5 м-1 (77,8 % по вспомогательной шкале), а с установленным активатором – 2,7 м-1 (68,7 %).
Проверка улучшения низкотемпературных свойств активированных топлив проведена Воробьевым Ю.В. с дизельным топливом Л-0,05-62 ГOCT 305-82 компании Роснефть в климатической камере КХТВ-0,08. Выявлено, что товарное, не активированное топливо при температуре минус 30 °С полностью потеряло текучесть, а активированное сохранило текучесть при минус 45 °С без признаков образования кластеров.
Активация топлив снижает температуру и период задержки воспламе-нения топлив, повышает полноту сгорания. Это подтверждается более мягкой работой ДВС, обеспечением их работы с увеличенным углом опережения зажи-гания/впрыска, т.к. новые компоненты топлива воспламеняются при меньшей температуре и рассредоточенно во времени.
Заключение. Применение активатора по патенту № 2411074 позволяет существенно уменьшить расход топлива автотракторных, транспорт-ных, авиационных и жидкостно-реактивных двигателей, может найти примене-ние в производстве моторных топлив по нормам ЕВРО-4 и ЕВРО-5 малозатрат-ными приемами механохимии. При этом разные по качеству исходные нефте-продукты доводятся до близких физико-химических показателей c выделением из дизельного топлива и осаждением в самом активаторе серы, а также с разру-шением смолистых соединений.
1. Микипорис, Ю.А. Улучшение экологических показателей автомо-бильных двигателей электромагнитной обработкой топлива. – Ковров: КГТА. – 2008. – 168 с.
2. Грумондз, В.Т. Нанотехнологии обработки углеводородных жидко-стей, основанные на использовании физико-химических явлений, происходящих на границах фаз и при фазовых переходах в условиях пузырьковой кавитации // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. – Нижний Нов-город, 2011. – № 4 (5). – С. 2120-2122.
3. Патент РФ № 2411074, МПК В01F 13/10. – Ю.В. Воробьев, В.Б. Те-терюков / Комбинированный статический смеситель-активатор / Заявка № 2009124923/05; заявл 01.07.2009; опубл. 10.02.2011. – 3 с.
4. Воробьев, Ю.В. Устройство для механохимической обработки и снижения расхода углеводородного топлива / Ю.В. Воробьев, А.Е. Ломовских, М.В. Басарев и др. – Тракторы и сельхозмашины, 2015. – № 1. – С. 21-22.
5. Воробьев, Ю.В. Анализ содержания основных компонентов в ди-зельном топливе после механоактивации / Ю.В. Воробьев, И.В. Фарахшина, Д.А. Свиридов // Вестник ТГТУ. – 2016. – № 2. – С. 280–285.
6. Воробьёв, Ю.В. Основы теории механоактивации жидких сред // Вестник ТГТУ. – Тамбов, 2013. – Т. 19. – № 3. – С. 608-613.
7. Днепровский, К.С. Механохимические превращения углеводородов нефти.: Автореферат дис. к.х.н: 02.00.13. Томск.: ИХН СО РАН, 2003. – 24 с.
8. Ахматов, А.С. Молекулярная физика граничного трения. – М., Физ-матгиз, 1963. – 472 с.
9. Канарев, Ф.М. Начала физхимии микромира. Восьмое издание. – Краснодар, КубГАУ, 2007. – 753 с.
10. Патент № 2550203 Российской Федерации, МПК B01F13/10. – Ю.В. Воробьев, Ю.Ю. Воробьев / Комбинированный универсальный статический смеситель-активатор.
11. Разработка научных основ технологии получения альтернативных видов топлив для технических средств железнодорожного транспорта: отчет РФФИ 12-08-13106-офи_м_РЖД рег. № 01201276764. М.: НЦ НВМТ РАН. — 2012-2013 гг.