Катализаторы горения топлива

1. Общие принципы работы.

Было дело, собирался написать статейку про активаторы (они же катализаторы) горения топлива в ДВСах. Собрался, пишу:). Здесь не лишним будет своего рода «дисклеймер», или «отмазка» по-русски:). Так вот, я буду упрощать и обобщать (иногда сильно) действительность. Связано это с тем, что чем точнее описан любой сложный процесс, тем менее он понятен людям непосвящённым. А как раз для таких я и пишу, сведущие в топливной химии люди и без меня всё знают лучше меня:). Естественно, в результате могут возникать некоторые искажения против истины, но они будут в мелочах. Всё же основная цель статьи — дать общее представление о её предмете, объяснить суть катализаторов, так сказать, «на пальцах». Вот:).

Начну с того, что эти катализаторы вполне себе научно существуют и работают, что бы там про них ни писали в интернетах. Есть патенты на различные вещества, модифицирующие процессы горения различных топлив (от угля и дерева до газа). Вот (РУ 2705209С1), например, или вот (РУ 2639146С1), чтобы не быть голословным.

Другой вопрос, как правильно относиться к рекламным текстам продавцов подобных активаторов, не передёргивая слова, но и не понимая всё сказанное/написанное буквально.

Перво-наперво разберёмся с общим определением катализаторов не важно какого процесса.

Катализатор — химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не расходующееся в процессе реакции.

Применяются практически во всех отраслях химической промышленности, т.е. везде, где найдены эти самые вещества, ускоряющие, модифицирующие, нормализующие и т.д., в общем, УДЕШЕВЛЯЮЩИЕ процесс производства.

Удешевляют они и процесс производства полезной энергии, чем и является горение топлива в двигателе.

Общая суть в том, что топливу, имея «под боком» катализатор, требуется меньше энергии для воспламенения, чем без него. Т.е. увеличивается разница между затрачиваемой и получаемой энергией, а это не что иное, как увеличение КПД, то, что в народе называют «увеличением мощности».

На вопрос «каким образом?» наука даёт довольно честный ответ — «а х… его знает». Т.е. в настоящее время многое из того, что мы имеем по теории процессов горения, находится в разделе гипотез и предположений. Фактически под наблюдаемые и повторяемые явления пытаются подогнать те или иные теоретические выкладки с переменным успехом. Кстати, эта «эзотеричность» и даёт повод для многочисленных квази-, псевдо- и лженаучных спекуляций как «за», так и «против». Поскольку однозначно доказать свои тезисы никто не может, то появляется возможность безнаказанно выстраивать любые умозрительные теории. Ну да бог с ними:)

Так вот, предполагается, что в процессе горения катализатор образует с топливом соединение на физическом уровне (т.е. не закрепляясь в химическом соединении, которое можно было бы заметить и зафиксировать) на очень малый промежуток времени (миллисекунды, наносекунды… очень быстро в общем.:)). Это соединение воспламеняется (т.е. окисляется) при меньших затратах энергии, в результате распадаясь на продукты горения и катализатор (помним, что он не расходуется в процессе реакции). Этот катализатор цепляет следующую порцию топлива, и процесс повторяется. Таким образом, в момент времени получаем кучу маленьких воспламенений. Эта теория объясняет, почему требуется так мало катализатора в объёме топлива (порядки от одной тысячной до одной сотой доли процента, или 0.001% — 0.01%, кому так понятнее:)). Просто одна и та же молекула (грубо говоря) «обрабатывает» много частиц топлива за много микроциклов во время одного процесса воспламенения.

Кстати, то, что он не расходуется в процессе реакции окисления, не значит, что он «бесконечен». Вылетает в выхлоп вместе с отработанными газами и становится потерянным для дальнейшего использования.

Ещё одним свойством, приписываемым катализаторам горения топлива является способность связывать кислород, исключая его таким образом из реакции горения. Дело в том, что в начале горения в камере сгорания наблюдается избыточное количество кислорода, а ближе к концу ощущается его нехватка. И именно в конце такта, на фазе дожига катализатор высвобождает связанный кислород для окисления несгоревших частиц топлива. Как человек, берущий то, что плохо лежит, но потом отдающий по требованию тех «кому нужнее».

Также существует обратная зависимость скорости горения топлива от температуры его воспламенения. Чем выше температура, тем ниже скорость. Значит, снижая температуру воспламенения катализатор повышает скорость горения. И ещё один вывод, не сразу осознаваемый: наибольший эффект (т.е. разницу между горением с катализатором и без него) катализаторы будут показывать при использовании с тяжёлыми топливами, имеющими большую температуру воспламенения (говоря об автомобилях подразумеваем дизельное топливо).

2. Эффект использования катализаторов.

При использовании активаторов горения возникает ряд положительных «побочных» эффектов, а именно:

• Снижение шума и вибрации.
• Экономия топлива.
• Снижение вредных выбросов.
• Очищение нагара.
• Продление срока службы моторного масла.
• Восстановление каталитических нейтрализаторов (об этом пониже будет).

Все эти эффекты являются следствием специфики процесса, то есть в той или иной степени присущи всем катализаторам. Естественно, заметность этих эффектов может варьироваться в зависимости от состава, дозировки, исходного топлива, конструкции камеры сгорания и двигателя в целом и т.д.

Пройдёмся вкратце по каждому: шум снижается из-за снижения нагрузки (давления) в верхней мёртвой точке (когда полезная работа равна нулю) за счёт снижения, как уже упоминалось, температуры воспламенения. Иными словами удар «энергетического молотка» по поршню в положении, когда он не может сдвинуться, не так силён.

Вибрация снижается из-за меньшего разброса мощности каждого цикла, процесс сгорания «зарегулирован» более ровным распределением кислорода во времени, т.е. топливо сгорает более «одинаково», или стабильно в разных цилиндрах движка во всех повторяющихся циклах.

Экономия топлива обусловлена более полным его сгоранием в камере, т.е. на выполнение той же работы его нужно меньше. И обратно, если давить на гашетку сильнее, экономия, естественно, будет меньше/совсем не будет, но увеличится мощность. В общем, при той же снимаемой мощности будет экономия, либо при том же расходе топлива будет больше мощности.

Снижение вредных выбросов происходит из-за, во-первых, всё того же более полного сгорания топлива в основном, в пристеночных областях камеры сгорания, где температура меньше, чем в центре. В то же время снижается образование окислов азота за счёт СНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ в центре КС. Чувствуете всё изящество момента? Изначально имеем «горячий» центр с бесполезным ударом по поршню и образованием вредного оксида азота и «холодные» окраины, где топливо не догорает и выкидывается в выхлоп (и частично в картер). Катализатор выравнивает эту ситуацию, снижая температуру в центре и увеличивая по краям. Такая вот дважды полезная штука.

Теперь по очищению. Здесь необходимо сказать, что существуют специальные очищающие присадки в топлива, которые заточены на снятие различных отложений в двигателе. Но речь сейчас не о них, а о помощи им со стороны активаторов горения, поскольку с ними уменьшается/прекращается образование этих самых отложений, так как то, из чего они образуются, в большем объёме сгорает в цилиндре. Кстати, интересный момент: при использовании моющих присадок часть отмытого нагара может участвовать в процессе горения с катализатором, добавляя мощности двигателю (естественно, совсем чуть-чуть и до тех пор, пока не отмоется совсем).

Продление срока службы масла происходит из-за того что, как уже говорилось, топливо полнее сгорает в пристенной зоне КС, вместо того, чтобы растворить масляную плёнку и увеличить износ ЦПГ (да-да, ещё один дополнительный плюсик), а потом стечь в картер, где оно активно начинает расходовать запас нейтрализующих присадок в масле, тем самым старя его.

При желании можно насчитать ещё, наверное, с десяток различных производных эффектов (включая улучшение психологического состояния водителя:)), но я этого делать не буду, тут каждый пусть домыслит в меру развитости своего воображения .

3. Состав катализаторов горения топлива.

Практически все катализаторы горения топлива являются металлорганическими соединениями (можно ещё добавить «хелатного типа», но это уже будет перебор в терминах:)), причём основным активным элементом, собственно катализатором, является как раз металлическая составляющая. Это может быть железо, хром, медь, марганец… да куча металлов на самом деле. Тетраэтилсвинец помните? Тот, которым этилировали бензин, чтобы снизить детонацию… Так это тоже катализатор горения топлива, увеличивающий октановое число, как, кстати, и некоторые другие катализаторы, например, ферроцен, активно используемый для этой цели современной нефтеперерабатывающей промышленностью. А ещё металлы используются в качестве катализатора в каталитических нейтрализаторах автомобилей («катализаторы» в простонародье, те, из которых соты выбивают после того, как они забьются/оплавятся/покрошатся ). Там в основном напыляют платину, палладий, иридий, родий, может и золото… Принцип работы их в «катализаторе», кстати, тот же, что и в добавках в топливо. И в этих коробках металлическое напыление тоже не расходуется. Очередное «кстати» (ссылка из списка выше): в качестве одного из эффектов применения катализаторов горения топлива указывается восстановление каталитических нейтрализаторов. Происходит это как раз из-за того, что выносимые с ОГ металлы частично оседают в них, восстанавливая активную поверхность узла. Вопрос, насколько большой от этого эффект, особенно со спёкшимися сотами, но какая-то польза есть.

Органическая же часть молекулы содержит кислород, т.е. является тем самым оксигенатом, хотя и в микроколичествах (помните, сколько там надо катализатора?). Ведь не расходуется металл, а органика вполне себе реагирует и окисляется в конечном итоге. Для более существенного повышения содержания кислорода в присадке помимо металлорганических соединений добавляют и другие активаторы. О них ниже.

4. Активаторы горения топлива, не содержащие металлы.

Помимо металлорганических соединений бывают и другие активаторы горения топлива. Слово «активаторы» здесь неслучайно, поскольку не каждый активатор является катализатором. Для оптимизации и улучшения процесса горения используются и различные органические соединения, например, спирты, эфиры и проч. Однако они не являются катализаторами, т.к. расходуются в процессе горения и, соответственно, требуются в гораздо больших количествах (примерно 5-15% от объёма топлива). Спирты, кстати, являются оксигенатами, поскольку содержат в себе кислород, высвобождаемый в процессе горения и используемый для дожига топливных фракций.

Кроме спиртов, которые имеют и недостатки (в частности, высокую гигроскопичность), применяются эфиры, также содержащие кислород и увеличивающие октановое число топливной смеси. В основном используют МТБЕ (метил-трет-бутиловый эфир) и ЕТБЕ (этил-трет-бутиловый эфир), причём последний имеет более высокие показатели детонационной стойкости (о.ч. 109-113 против 106-110 у МТБЕ) и может производиться из возобновляемого сырья (это я про этиловый спирт:)). Кроме этого эфиры имеют прекрасную испаряемость, поэтому их содержание в топливе облегчает холодный запуск двигателя (многие, наверное, зимой использовали «Быстрый старт» для того, чтобы завестись в мороз, впрыскивая его в воздуховод, так это и есть тот самый эфир).

5. Итого.

Краткие итоги статьи:

• катализаторы существуют и работают, хотя их реальная эффективность часто завышается в рекламных целях.
• катализаторы снижают энергетический порог начала реакции горения и увеличивают скорость её протекания.
• наряду с более полным сгоранием топлива основная часть высвобождаемой энергии «сдвигается» во времени на момент более оптимального положения коленвала, т.е. чуть позже. Это позволяет также снизить вибрации и шум, поскольку уменьшается энергетический удар по поршню в ВМТ, не участвующий в полезной работе.
• использование катализаторов даёт ряд дополнительных положительных эффектов, таких как уже упомянутое снижение шума и вибрации, экономию топлива, снижение вредных выбросов, очищение нагара, увеличение срока работы моторного масла и другие. Это достигается в основном за счёт более полного сгорания топлива и оптимизации времени протекания реакции горения.
• основным действующим химическим элементом в присадках-катализаторах является какой-либо металл.
• кроме металлорганических существуют и другие активаторы горения топлива, но они не являются катализаторами (т.е. расходуются в процессе реакции), а значит требуют гораздо больших пропорций содержание в топливе. Например спирты или эфиры (МТБЕ, ЕТБЕ…).