Оценка эффективности катализаторов горения осуществляется по экономичности двигателя и токсичности отработавших газов.

Недавно было обнаружено каталитическое действие энзимов, содержащихся в растительных маслах, которые используются в качестве компонентов или сырья для биодизельного топлива, а в Японии начали выпускать каталитическую присадку Eucozym euco POWER.

ОРМЕКС - это системы новейшего поколения их принцип работы кардинально отличается от всех ныне существующих. В их основе лежат катализаторы горения топлив. В результате применения ОРМЕКС повышается эффективность ГСМ за счет увеличения длительности топливной подготовки в процессе транспортировки, утилизации части радиационной и звуковой энергии в процессе горения, обеспечивается более полное сгорание, глубокое окисление, за счет уменьшения температуры горения, но повышения скорости распространения волны горения по объему, обеспечивается уменьшение синтеза NO₂. Эффект достигается за счет наиболее полного сгорания топливной смеси и выравнивания скорости горения у стенки со скоростью горения по объему, что дает значительное снижение детонационного эффекта. Топливная аппаратура работает исправно и надежно, ресурс ее работы увеличивается минимум в 2 раза. Отсутствуют нагары в камере сгорания и на клапанах.

Хорошо зарекомендовало себя семейство катализаторов горения Энергия-3000 французского производства. Катализаторы горения являются зольными присадками, однако концентрация металла содержащегося в них и, соответственно, в топливе ничтожна. Так, например, концентрация каталитических присадок «0010» и «0011» в дизельных топливах и бензинах составляет 0,01%. Содержание органических солей металла в таком количестве присадки менее 1% от общего содержания присадки. Суммарное количество ионов металла, вносимое в камеру сгорания с присадкой, составляет примерно 1 грамм на 50 тыс. л топлива или, примерно, на 500 тыс. км пробега автомобиля, что явно ниже концентрации естественных примесей в топливе, которая достигает 5-6 ppm. При этом основная масса металла, входящего в состав катализатора горения, выносится с отработавшими газами.

Для гарантированного выноса из камеры сгорания такого ничтожно малого количества металла в присадках «0010» и «0011» дополнительно в составе присадок предусмотрен выноситель в концентрации, обеспечивающей содержание камеры сгорания и свечей зажигания в чистоте.

Эффективность катализаторов горения «0010» и «0011» обусловлена также наличием чисто органических радикалообразующих компонентов многократно участвующих в актах обрыва цепи, а при их «прилипании» к нагарам, способствующих их выгоранию и очистке камеры сгорания. Удаление нагара из камеры сгорания приводит к снижению износа рабочих втулок цилиндра на 70%, а поршневых колец в 1,5 – 3 раза.

Следствием очистки камеры сгорания и газовыхлопного тракта является:

- стабилизация работы двигателя на всех нагрузках, особенно на частичных;

- снижение расхода топлива до 5%;

- увеличение мощности и к.п.д.;

- улучшение экологических характеристик.

Катализаторы горения по-разному действуют на сгорание бензинов и дизельных топлив, что объясняется разным составом топлив и состоянием горючей смеси в камере сгорания. При добавление катализатора горения в топливо ускоряются процессы окисления, что приводит в дизельном двигателе к более полному сгоранию тяжелых остаточных фракций в основной фазе сгорания и снижению доли топлива, сгорающего в фазе догорания. Это приводит к уменьшению удельного расхода топлива. В присутствии катализаторов горения на последней стадии процесса происходит догорание топлива практически до конца, что приводит к более высокому давлению на поршень в заключительной стадии его движения. В целом топливо сгорает быстрее, хотя и снижается максимальная скорость сгорания топлива. Т.е. на стадии начала горения катализатор тормозит скорость окисления топлива, а на второй при догорании за фронтом пламени ускоряет процесс горения и делает его более полным. В результате двигатель начинает работать «мягче», что снижает напряженность деталей и увеличивает ресурс двигателя.

Предполагается, что в бензиновом двигателе работа на топливе с катализатором горения приводит к более углубленному пиролизу неиспарившейся части топлива, т.к. сгореть эта часть топлива не может из-за недостатка кислорода, вызванного тем, что бензиновый двигатель работает с коэффициентом избытка воздуха близким к единице.

Катализаторы горения способствуют уменьшению нагрузки на каталитические нейтрализаторы и сажевые фильтры, так как происходит более полное сгорание топлива и количество вредных веществ в отработавших газах существенно снижается, в зависимости от марки автомобиля, его состояния и качества исходного топлива, табл. 2.

Таблица 2. Снижение содержания вредных веществ в отработавших газах ДВС при использовании каталитических присадок (0,01% об.)

Вредный компонент ОГ	Присадка
«0010»	«0011»
Дымность	до 90	–
Оксиды азота	до 50	до 55
Оксид углерода	до 85	до 85
Углеводороды	до 65	до 80
Бенз(a)пирен	до 40	до 90
Альдегиды	до 60	до 16
Аэрозоль	до 20	–
Масляный туман	до 20	до 100

 

Моторные испытания экологической каталитической комплексной присадки к дизельному топливу «0010» проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 14846 и ГОСТ 14846 на испытательных стендах, оборудованных двигателем КАМАЗ-740.10 и двигателем ВАЗ-2108.

Стендовые испытания показали, что введение экологических каталитических присадок в автомобильные топлива приводит к:

- увеличению мощности и коэффициента полезного действия;

- снижению удельного расхода топлива;

- уменьшению содержания вредных веществ (CO, CH, NO_x и дымности, альдегидов, бенз(а)пирена и др.) в отработавших газах двигателей.

Присадки «0010» и «0011» применяются в Санкт-Петербурге в составе топлив «ЕВРО» с 1998 года, улучшая экологическую обстановку в городе. Положительное влияние топлив «ЕВРО» уже фиксируется экологическими и санитарными службами Санкт-Петербурга.

Прибавление к топливу моющих присадок уменьшает отложения на впускных клапанах, но увеличивает отложения в камере сгорания. Прибавление к топливу с моющими присадками катализаторов горения (присадки «0010» и «0011») приводит к более полному сгоранию топлива и устраняет отложения в камере сгорания.

Общеизвестно, что содержание оксидов азота в ОГ двигателей напрямую связано с температурой в камере сгорания (КС). Под действием катализатора снижается энергия активации процессов горения топлива и увеличивается полнота его сгорания.

На всех автомобилях и всех режимах холостого хода (ХХ) наблюдается устойчивое и заметное снижение содержания SO₂ в ОГ. Наименее эффективно катализатор горения «0011» работал на двигателе автомобиля Mazda B-Series (рег. № 8884 35D), где снижение содержания SO₂ составило до 70 и 60% на минимальных и повышенных оборотах ХХ соответственно. Наиболее эффективно действие катализатора на двигателе Mercedes 300, где максимальное снижение содержания диоксида серы составило более 90%.

Содержащиеся в топливе сернистые соединения в виде органических тиолов, сульфидов и дисульфидов (в том числе в составе гетероциклических соединений) достаточно легко расщепляются по связям S - H (энергия связи 83 Ккал/моль), S - С (65 Ккал/моль) и окисляются кислородом. Этот процесс катализируется железом, которое всегда присутствует в топливе.

При недостатке кислорода, а на всех двигателях установлен лямбда-зонд, поддерживающий стехиометрическое соотношение кислород - топливо, сульфидная сера сгорает не до SO₂, а по уравнению:

S^-2 + O₂ ® S⁰ + 2О^-2 + Q

где: Q - выделяемое тепло.

Кроме того, известно, что под действием специальных катализаторов при t > 500°C диоксид серы способен вступать в реакцию взаимодействия с монооксидом углерода:

SO₂ + 2CO ® S⁰ + 2CO₂ + 52 Ккал

В присутствии следов воды, которая всегда содержится в отработавших газах, возможно протекание окислительно-восстановительного процесса:

2S^-2 + SO₂ ® 3S⁰ + Q

Все эти реакции приводят к образованию элементарной серы, которая выносится с ОГ. Если диоксид серы является весьма вредным химически веществом, токсичной примесью в атмосферном воздухе промышленных городов; при концентрации 0,03-0,05 мг/л в воздухе вызывает раздражение глаз, горла и заболевания верхних дыхательных путей, то элементарная сера - одно из наиболее старых средств борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений.

Изменение процесса горения топлива при постоянном применении катализатора горения «0010» в качестве присадки к дизельному топливу приводит к более полному сгоранию компонентов топлива, уменьшению вредных компонентов и очистке камеры сгорания, клапанов.

На рисунке 2 приведен обобщенный график, характеризующий тенденцию содержания вредных веществ в отработавших газах двигателя, работающего на топливах с катализаторами горения.

 

Рис. 2. Изменене содержания вредных веществ в отработавших газах ДВС.

На I участке кривой наблюдается резкое снижение содержания вредных веществ в отработавших газах, вызванное каталитическим действием присадок на процесс сгорания топлива. Увеличение содержания вредных веществ в отработавших газах на II участке объясняется постепенным выгоранием скопившихся в камере сгорания и газовыхлопном тракте отложений, нагаров и лаков. В первую очередь выгорают лаки, затем нагары, кокс и зольные отложения камеры сгорания, которые модифицируются радикалами катализатора. Модификация процесса горения приводит к понижению температуры выгорания отложений, которые выносятся отходящими газами. В результате восстанавливаются конструкционные параметры камеры сгорания и нормализуется рабочий процесс в цилиндрах. Подобный ход кривой объясняется большим недостатком кислорода в камере сгорания. На III участке наблюдается та же картина, что и на I.

Применение катализаторов горения в сочетании с различными топливами дает возможность снизить требования конкретного двигателя к октановому числу бензина, вследствие очистки камеры сгорания. При накоплении в камере сгорания нагара с низкой теплопроводностью и теплоемкостью, требования к октановому числу бензина повышаются на 10-12 пунктов. Проф. Е.Р. Магарилом с сотрудниками в результате эксперимента, проведенного на автомобиле ВАЗ 2106, установлено, что после пробега равного 400 км на бензине, содержащем никелевый катализатор горения, оказалось возможным перейти на бензин А-76 с присадкой вместо бензина АИ-92.

Катализаторы горения тяжелых топлив применяются для снижения механического недожога и выбросов сажи в окружающую среду. При умелом использовании катализатора можно добиться и снижения выбросов оксидов азота, хотя на первый взгляд интенсификация процесса горения приводит к повышению температуры пламени и, как следствие, ускорению образования оксидов азота. При сгорании остаточных топлив только часть оксидов азота образуется путем связывания азота воздуха. Другая часть представляет собой «топливные оксиды», образование которых зависит, прежде всего, от концентрации кислорода. Поскольку в присутствии катализатора для хорошего горения требуется меньший избыток воздуха, меньше образуется и топливных оксидов азота. Чем меньше избыток воздуха, тем меньше потери тепла с уходящими газами. Таким образом, при использовании катализаторов горения увеличивается и тепловой КПД установки.

Принцип действия заключается в окислении сажевых частиц катализатором горения или продуктами его превращении в зоне горения. Например, переходные металлы являются переносчиками кислорода с первых стадий горения, на которых кислород находится в избытке, на последние стадии, где испытывается его недостаток:

М_xО_y + С ® СО + М_xО_y-1.

Щелочные и щелочно-земельные металлы повышают концентрацию в пламени гидроксид-ионов. Последние, являясь окислителями, также ускоряют горение сажистых частиц.

По эффективности металлы как катализаторы горения располагаются в ряд: