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:

• – в товарное топливо вводили 20 % активированного с 23 % легких фракций (т.е. 4,6 %), но через 15 мин в смеси образовывалось 12 % легких фракций;
• – аналогично после ввода 30 % активированного (т.е. 6,9 % легких фракций) через 15 мин в смеси создавалось 39 % легких фракций;
• – но после ввода 40 % активированного (т.е. 9,2% легких фракций), че-рез 15 мин выявлено лишь 27 % легких фракций;
• – а после ввода 50 % активированного топлива через 15 мин в смеси выявлено легких фракций еще меньше.

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.

Список использованных источников

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.