Что такое катализатор горения
Катализатор горения топлива
Безусловно, каждый современный водитель хочет, чтобы его транспортное средство было мощным, экономным, но при этом не вредило окружающей среде своими выхлопами. Как известно в отработанных газах содержатся токсичные компоненты отравляющие воздух, которым дышит, в том числе и сам водитель автомобиля.
Если за мощность отвечает в основном силовой агрегат, то на уровень экономичности автомобиля может повлиять специальная добавка — присадка — или катализатор горения топлива.
Что же касается чистоты автовыхлопов, то тут без специального фильтра, вмонтированного в выхлопную систему машины не обойтись. Называется фильтр каталитический нейтрализатор автомобильных выхлопов или более коротко — просто катализатор.
Разберем чуть подробнее суть работы катализатора горения топлива и катализатора автомобильных выхлопов.
Катализатор горения топлива — это органическая смесь из группы металлов, которая призвана качественно улучшить топливо, при этом, не меняя ее физико-химические свойства. Присадка очень незначительна по своему объему, который измеряется сотыми и тысячными долями процента по отношению к общему объему топлива.
Однако даже такая ничтожная добавка позволяет топливу лучше сгорать и меньше выделять токсичных компонентов. Кроме того, наблюдается общее снижение потребления топливной смеси на 10%. Ресурс двигателя вырастает, смену свечей и топливного фильтра приходится делать значительно реже.
В отличие от присадок в виде смеси, заливаемой в бак, каталитический нейтрализатор — это специальный фильтр, который монтируется в выхлопную систему авто. Деталь предназначена для очистки выхлопов от вредных компонентов, превращая сгоревшие углеводороды в азот, воду и углекислый газ.
Размещается катализатора под днищем автомобиля, сразу за выпускным коллектором. Состоит катализатор из внешнего корпуса, внутреннего наполнителя и двух патрубков (входной и выходной) в которые встраиваются два лямбда-зонда (датчика). Каждая составная часть фильтра имеет свою функциональную задачу.
Внешний корпус, изготавливаемый из стали, защищает внутренние компоненты, во время езды автомобиля. Особенно это актуально при агрессивном перемещении транспортного средства по плохим дорогам или по лужам.
С помощью патрубков изделие монтируется в выхлопную систему автомобиля, а лямбда-зонды контролируют степень очистки отработанных газов от токсичных компонентов.
Сами газы очищаются во внутреннем блоке катализаторе — монолите (иное название наполнитель). Происходит это благодаря специальному напылению, которое наносится на поверхность мелких ячеек. Эти сквозные ячейки, через которые проходят выхлопы, и составляют конструктивную основу наполнителя. Ячеек очень много, общее количество может достигать 8000.
Напыление называется каталитическим слоем и в его составе содержаться ценные металлы-платионоиды. Главное свойство платины, палладия, родия или иридия — это провоцирование (ускорение) процесса протекания химической реакции окисления вредных компонентов выхлопных газов.
Горячие отработанные газы заполняя ячейки катализатора входят в контакт с каталитическим слоем и если температура выхлопов не ниже 350°С, то начинается процесс разложения на безвредные компоненты.
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:
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.
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.
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:
Катализатор горения топлива — реально ли помогает?
Посмотрев цены на бензин, задумался, как бы сэкономить. На ум пришла мысль про средства уменьшающие расход топлива, в частности катализатор горения. Поговорим, что такое катализатор горения топлива и реально ли помогает?
Идея меньше ездить и, соответственно, меньше тратить на бензин, как показывает опыт – наиболее эффективная. Но ограничивать себя в удовольствии от поездок очень не хочется. Повлиять на цену бензина тоже практически не могу… И тут вспоминаются выдержки из постоянно попадающихся на глаза рекламных объявлений о катализаторах горения топлива, которые обещают не только сказочные цифры экономии бензина, но и суперпоказатели по увеличению мощности двигателя, его «преемственности».
Может ли это чудо-средство помочь? Вопрос, конечно, интересный…
Что такое катализатор горения топлива?
Катализаторы горения – это присадки, которые изменяют скорость и механизм горения топлива, улучшая его базовые свойства.
Катализаторы добавляются в топливо в количествах, измеряемых десятыми или даже сотыми долями процента, поэтому практически не изменяют физические свойства топлива. Тем не менее, катализаторы снижают энергию активации окисления топлива, в результате чего оно успевает сгореть полностью, быстрее и при более низкой температуре. А так как уменьшается максимальная температура сгорания, соответственно и уменьшается жесткость работы двигателя плюс за счёт более полного сгорания уменьшается количество отработанных газов.
Наиболее часто применяются присадки, содержащие различные соединения металлов, например, на основе ферроцена (органическое соединение железа), а также меди, лития и других. Сейчас заговорили и об экологических присадках из энзимов растительных масел.
Когда начинаешь разбираться в механизме действия катализаторов горения, то несмотря на огромные и явно научные статьи, при объяснении причин чудесного действия постоянно натыкаешься на слова «вероятно», «гипотеза», «версия» — это не может не настораживать, в особенности если учесть факт, что первые катализаторы горения запатентованы ещё в 50-е года прошлого века (и за это время, насмотря на массовую рекламу, так и не завоевали популярности).
Катализаторов горения достаточно много – американский MPG BOOST, французский Энергия-3000, японский Eucozym, Envirotabs и множество других. Тем не менее, читая их рекламные материалы, замечаешь достаточную их похожесть:
— явно рекламное содержание с достаточно схожими и очень заумными описаниями
— распространение катализаторов по принципу MLM, с предложением и самому заработать.
Про высокую стоимость этих препаратов (например 230-граммовая бутылочка MPG BOOST стоит от 1600 рублей) мы говорить не будем, хотя 25-килограммовая ёмкость чистого ферроцена (который является основой этого катализатора) стоит порядка 500 рублей.
Но использование ферроцена, который действительно является антидетонационной присадкой с ярко выраженным эффектом повышения октанового числа топлива и содержит порядка трети чистого железа, может привести к уменьшению ресурса двигателя, отложению железа на его внутренних поверхностях, снижению эффективности свечей зажигания (на них появляется красный налёт от металла) и даже к появлению проблем с дорогостоящим катализатором (на этот раз я говорю о детали автомобиля).
Отзывы о работе катализаторов горения топлив
Если поискать в интернете отзывы о работе катализаторов горения топлива, то найти будет сложно. В основном, те отзывы которые находятся больше напоминают рекламу, созданную с целью ее продажи. Так что, стоит ли доверять рекламе катализатора горения топлива?
Да, эффект снижения детонации и уменьшения расхода топлива также присутствует, но стоит ли это возможных проблем с двигателем (о которых писали выше) – решать уже Вам.
Катализаторы горения – попробуем разобраться.
Статья вышла большая и непростая, так что тем кому не интересно разобраться, именно разобраться что и почему, то прошу пройти сразу в конец статьи, там есть пару простых выкладок, с в принципе понятным выводом (строчку, как якорь, специально жирным выделил), а для остальных поехали.
В последнее время всё чаще в жизни автомобилиста всплывает вопрос о необходимости применения катализаторов горения и эффективности данного решения в принципе. Возможно это веянье моды, возможно ухудшение финансового состояния большей части нашего населения и как следствие желание сэкономить на том же бензине. Многие спрашивают меня действительно ли катализатор горения существует или нас банально разводят придумав очередную чудо жидкость. Я уже давно обещал местным обитателям накидать пару слов на эту тему, а тут ещё и «представитель» Ормекса в лице Руслана бесплатно пробники рассылает, внося смуту в стройные ряды. Про данный катализатор есть ветка на OilClub — как и полагается с противоречивыми отзывами. При попытке узнать подробности к прочтению предлагаются две ссылки раз и два
Первая статья весьма противоречива, так как содержит весьма трезвые и умные вещи (выдержки из которых я позже приведу здесь), но как только переходим к вкраплениям про катализатор Ормекса, то создаётся впечатление что эти куски писал другой человек, который о химии имеет довольно посредственные представления, если вообще имеет. Что не предложение, то сборник глупостей. Подозрения подкрепляются ещё и тем, что данная текстовка (трезвая её часть) встречается ещё и у других производителей «катализаторов горения», только в них часть про катализатор Ормекса заменена на свои разработки, так что найти реального автора навряд ли удастся. Кстати это стандартный трюк – ложь приправленная правдой заглатывается гораздо охотнее.
Вторая ссылка меня заинтересовала гораздо больше, т.к. даёт представление о природе катализатора и реальном принципе действия, хотя написана прожжённым физиком, это я к тому, что обывателю можно было чуть проще объяснить механизм действия, химик не полез бы в дебри взаимодействия спинов, ну да к сути это не относится.
Вообще вопрос механизма действия катализаторов горения в рекламных буклетах производителя это отдельная тема для Задорного. Каких только глупостей не сочиняют «производители», порой это просто набор умных слов из справочника химика, но в подавляющем большинстве описание механизма отсутствует, приведены пару дежурных фраз и ладно, следом идёт огромный перечень плюсов и один минус – цена, которая естественно отыгрывается приростом мощности при одновременном снижении расхода. Всё это наводит на мысли что либо нам продают пустышку, как к примеру ТМБс о котором я уже ранее писал рассматривая спортивные топлива, в этом случае сложно придумать почему химия должна работать, либо люди торгующие «катализаторами» сами не знают что продают. У Ормекса это одно из не многих описаний механизма, которое заставляет задуматься, а не сподвигает сразу послать лесом.
Ну да хватит вводных, тема на самом деле интересная и с научной точки зрения не лишена смысла. Вообще катализаторы как таковые это целая область в химии и как по мне одна из самых интересных. Попробую сильно не умничать и предельно коротко изложить свою мысль, хотя навряд ли это выйдет, поэтому пишу в блоге. Для начала давайте определимся в терминологии, что же такое катализаторы на самом деле.
Здесь я бы обратил внимание не на снижение энергии активации процесса, которой так любят махать перед клиентом, а на то, что не смотря на наличие катализатора итоговое энергетическое состояние одинаково, т.е. количество выделившейся энергии по завершении процесса одинаково в обоих случаях (ΔН). Иными словами при прочих равных дополнительная энергия не выделяется и ни о какой прибавке мощности или экономии на данной стадии говорить не приходится.
Если механизмы многих гомогенных каталитических реакций с участием кислот (кислотный катализ) или оснований (основной катализ) хорошо изучены, то о гетерогенном катализе этого сказать нельзя. Однако некоторые его закономерности все же известны. Например, установлены корреляции активности катализаторов с числом d-электронов на орбитали катиона (для простых оксидов), параметром кристаллической решетки, электрической проводимостью, зарядом и радиусом иона, энергией хим. связи, кислотностью и др. Основой этих корреляций, как правило, является положение элементов, входящих в катализаторы, в периодической системе.
Каталитическое воздействие может быть оказано на большинство химических реакций. Число катализаторов очень велико, а их каталитическая активность весьма различна. То что данный путь целесообразен и работает доказывает тот факт что более 90% реакций в промышленности каталитические. В той же нефтепереработке применяют огромное количество катализаторов как в твердом так и в жидком виде.
Гетерогенные катализаторы имеют, как правило, сильно развитую поверхность, для чего их распределяют на инертном носителе (силикагель, оксид алюминия, активированный уголь и др.).
На этом фото с трансмиссионного электронного микроскопа мы видим частички катализатора на носителе, это так называемые активные центры, на которых главным образом и протекают каталитические реакции.
Для каждого типа реакций эффективны только определённые катализаторы. Кроме уже упомянутых кислотно-основных, существуют катализаторы окисления-восстановления. Для них характерно присутствие переходного металла или его соединения (Со+3, V2O5+MoO3). В этом случае катализ в основном осуществляется путём изменения степени окисления переходного металла.
На этом моменте я заострю немного внимание. Если вам кто-то начнёт продавать какие-то органические биодобавки, в составе которых отсутствуют металлы, то нужно понимать что к катализаторам горения это отношения не имеет.
К наиболее интересным видам катализаторов, с моей точки зрения, относя хелаты и кластеры. Первые уже давно получили широкое распространение, так тот же фталоцианин кобальта, выполняющего роль переносчика кислорода и давно уже применяемом на том же Оренбургском ГПЗ для превращения меркаптанов в дисульфиды. Но в качестве катализатора горения он не годится, т.к. разрушается при температуре выше 100 С.
Широко используются композиции металлорганических соединений хелатного типа в растворителях — кетонах, дикетонах, оксимах, эфирах и т.д. Такие соединения являются универсальными многофункциональными перспективными катализаторами горения топлив. Среди них наиболее эффективны и наименее токсичны соли железа, которые были допущены в России к применению в топливах.
В заключении этой части перейдём к кластерам, как я понял из разговоров с Русланом у них как раз что-то из этой оперы. Интересное и казалось бы лежащее на поверхности решение – перевести гетерогенные высокоэффективные промышленные катализаторы в объемную растворимую форму.
Тема кластеров мне особо близка т.к. когда-то, когда я ещё был причастен к фундаментальной науке (было это в начале 2000-х) я плотно занимался исследованиями свойств золотых кластеров состоящих из 55 атомов золота, окруженных разными лигандами (Au55(PPh3)12Cl6 и его производная Au55(T8-OSS-SH)12Cl6)
Тема очень интересная, рассказывать могу часами, но постараюсь очень кратко. Для начала небольшой пример какими они бывают.
Основная особенность заключается именно в размере ядра. Доля поверхностных атомов становится все больше по мере уменьшения размеров частиц. Для наночастиц практически все атомы «поверхностные», поэтому их химическая активность очень велика.
Если рассмотреть энергетические уровни атомов и полноценного объёмного металла, то видно, что кластерные структуры находятся между ними. Дальше развивать тему не буду, добавлю лишь, что подобные металлические частицы обладают квантово-размерными эффектами (quantum size effects), кому интересно могут почитать про это, про связь с длиной волны де Бройля и связь с валентными электронами.
Как следствие некоторые физические законы, справедливые в макроскопической физике, для наночастиц и нанокластеров нарушаются. Например, вода в нанопорах горных пород не замерзает до –20 …-30 С, а температура плавления наночастиц золота существенно меньше по сравнению с массивным образцом. Несправедливы известные формулы для сопротивлений проводников. Тот же кремний перестаёт быть полупроводником, а золото переходит из категории проводника в полупроводники. Нашей группой как раз рассматривалась возможность применения кластеров в виде транзисторов в новом поколении процессоров.
В последнее время широко рассматривается возможность селективного каталитического окисления углеводородов молекулярным кислородом. Есть публикации, где исследуются именно каталитические свойства кластера Au55(PPh3)12Cl6. Число атомов кластерных структур позволяет частицам принимать правильные геометрические формы, идеально подходящие для проявления каталитических функций. Так показано, что частицы с диаметром 1,4 нм представляют собой эффективные и устойчивые катализаторы, а частицы, размер которых превышает 2 нм, уже не проявляют каталитической активности. Лиганды по сути нужны лишь для предотвращения коагуляции и роста ядра, что привело бы к потере искомых свойств.
Фактически кластерные катализаторы сочетают в себе
— с одной стороны – свойства дискретной молекулы, дополненные взаимодействием между металлами на молекулярном уровне,
— с другой стороны – свойства ансамбля из атомов металла, ограниченные рамками одной молекулы.
Представления о том, как происходит реакция вещества на поверхности катализатора и является главным подходом к пониманию механизма каталитических процессов.
Это всё что касалось теории, теперь ближе к практике.
История применения и некоторые практические аспекты.
Начать с того что катализаторы горения это совсем не ново и многие из вас их давно используют сами того не зная. Начать с катализаторов которые дожигают (доокисляют) выхлопные газы, но их в баночку не нальёшь и клиенту не продашь, по этому никакого ажиотажа по этому поводу не видно, но если вдруг он у вас забился, то уж поверьте производитель своего не упустит свою выгоду и вы разом выложите круглую сумму.
Обычно следствием применения катализаторов горения указывается возможность проведения процесса окисления горючего и обеспечение полноты его сгорания при более низких температурах. Известно, чем выше температура воспламенения горючего, тем меньше скорость его горения, катализаторы горения предназначены для увеличения скорости горения топлива. При прочих равных условиях ускоряющее действие катализатора будет тем больше, чем медленнее протекает некатализируемый процесс горения. Следовательно, наибольшее действие катализаторы будут оказывать на горение высококипящих углеводородов топлива, т.е. наиболее эффективны такие присадки при горении тяжелых топлив, к примеру того же дизельного топлива, в процессе догорания бензина, а также в форсированных режимах или при малом угле опережения впрыска, когда большая масса топлива не успевает испариться.
Тем самым мы подходим ко второму катализатору о котором не задумывается дизелист когда его применяет — это антидымные, антисажевые, антинагарные и нагароочищающие присадки, которые давно уже известны, давно применяются и не вызывают сомнения в их эффективности. В основной своей массе это металлорганические соединения, рекомендуемые концентрации при постоянном применении — 0,005-0,02%. В «ударных» концентрациях (0,05-0,1%) эти присадки способны выступать как нагароочищающие и удалять с деталей двигателя образовавшийся ранее нагар. В общем, чем тяжелее топливо, тем эффективнее действие присадки.
Катализаторы горения могут выполнять частично роль каталитических нейтрализаторов. Например, если в бензин вводят соединения платины, палладия, рения, родия, которые, пройдя камеру сгорания, отлагаются в виде металлов на стенках выхлопной системы и действуют как обычные катализаторы дожига. Я так понимаю у Руслана (Ормекса) есть и подобный продукт, но это лишь с его слов. В более тяжелых топливах хороший эффект достигается введением соединений железа, например ферроцена в количестве 0,001-0,003%.
Присадки, в состав которых входят органические соединения металлов, применяют с прошлого столетия и интерес к ним не ослабевает.
Наиболее широко известны присадки на основе того же ферроцена (дициклопентадиенилжелеза) и его производных, соединений марганца, меди, никеля, лития и других органических соединений металлов, а в некоторых случаях даже их оксиды. Бензины с такими присадками, в сравнении с бензинами без них, дают некоторое изменение эмиссии углеводородов, оксидов азота, оксида углерода, особенно на автомобилях с большим пробегом (более 60 тыс. км), и повышают эффективность работы каталитических преобразователей отработавших газов, уменьшая нагрузку на них за счет догорания топлива в камере сгорания.
Введение ферроцена в концентрации 15 ppm не оказывает отрицательного воздействия на работу двигателя, но положительно влияет на работу катализаторов дожига и увеличивает октановое число бензинов. Для предотвращения возможного образования отложений, при использовании металлсодержащих органических соединений в составе катализаторов горения, широко используются присадки-выносители, способствующие удалению металла из камеры сгорания и отложении его на свечах зажигания. Это те же самые присадки которые в своё время выносили свинец при этилировании бензина. Но нечистые на руку продавцы палёного бензина значительно подпортили репутацию ферроцена, бесконтрольно и с запасом наливая во всякую сыромятину. В итоге весь ферроцен не выносился из камеры сгорания, соединения железа откладывались на стенках цилиндра и основным маркером были рыжие свечи.
Хотя само по себе применение некоторых композиций металлорганических соединений позволяет существенно улучшить работу каждой присадки в отдельности, проявляя, в некоторых случаях, синергетический эффект. В последнее время широко распространяются зольные присадки к автомобильным топливам содержащие металлокомплексные соединения, в которых в качестве лиганда используются соединения хелатного типа. Одним из достоинств металлокомплексных присадок является их многофункциональность. В результате давних споров о влиянии на каталитическое действие присадки металла и органического радикала в настоящее время считается общепринятым, что решающее влияние оказывает природа металла, входящего в состав присадки. Влияние лигандов — органической составляющей в формуле присадки незначительно. Плюс как в случае с кластерными катализаторами под действием температуры лиганды уходят от металлического ядра и тот уже работает как катализатор.
Необходимо упомянуть ещё одну особенность катализаторов горения. 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, препятствуя образованию тех же пероксидов, которые и способствуют возникновению детонации, 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. Тем самым применяя катализатор горения мы кроме всего прочего увеличиваем октановое число смеси.
Предполагается, что в бензиновом двигателе работа на топливе с катализатором горения приводит к более углубленному пиролизу не испарившейся 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 светлых топлив призваны инициировать горение топлив на последних стадиях, характеризующихся недостатком кислорода. Этим и пользуются продавцы оксигенатов выдавая их за катализаторы горения, коими они не являются. В этом случае их правильнее называть инициаторами, т.к. они расходуются в процессе сгорания и по сути не катализируют процесс, а лишь способствуют его более полному протеканию за счет внесения дополнительного кислорода.
На том я думаю хватит о хорошем, теперь немного обратной стороны медали. В связи с малой осведомленностью автолюбителей относительно катализаторов горения ни для кого не секрет, что недобросовестные предприниматели используют данную тему для получения сверхприбыли. За последние несколько лет отмечается наибольшее увеличение предложений «катализаторов горения». На рынке достаточно много катализаторов горения – американский MPG BOOST, французский Энергия-3000, японский Eucozym, Enviro Tabs и множество других. Про высокую стоимость этих препаратов говорить бессмысленно (например 230-граммовая бутылочка MPG BOOST стоит от 1600 рублей), При этом за основу взят обычный ферроцен (цена 25-килограммовой ёмкости – 500 рублей). Французский состав Энергия-3000 для моторов объемом от 1500 до 4000 куб. см стоит 628 рублей. Практически идентичная цена действует на FuelEXx – 600 рублей. Таблетированный Enviro Tabs обойдется в 1299 рублей. При том есть ли в этих бутылочках что-то кроме ферроцена и растворителя не ясно. Налив это снадобье себе в бак никто не застрахован от убитых рыжих свечей.
Неполное сгорание топлива это норма и 100% сгорания вы никогда не добьетесь, поэтому и ставят катализаторы дожига отходящих газов. Хотя если этот процесс усугубиться — тогда мотор действительно теряет мощность. Но обычно такое бывает следствием неисправностей самого автомобиля, его топливной системы, зажигания или настроек в целом. Надо просто привести все в исправное техническое состояние, а не устраивать вокруг машины пляски с бубнами и заливанием всякой гадости в бензобак.
Приводя в начале график с энергетическими уровнями я не зря заострил внимание на том что сам катализатор никакой энергии не генерирует, он лишь помогает процессу и не более, энергетический выход тот же, единственное место где мы можем поживиться это сжигая те углеводороды, которые вылетают в выхлопную трубу.
Давайте попробуем оценить потенциально возможный процент экономии или повышения мощности. В открытых источниках я не нашел данных по составу отработанных газов непосредственно из камеры сгорания, но можно попытаться рассчитать с хвоста. Так если за основу взять Евро-0 — начало 1988 год, экология и катализаторы в то время мало кого интересовали, топливо — не этилированный бензин. (взял здесь и здесь) То выбросы углеводородов нормируются — до 2,4 г/(кВт*ч), CO — до 11,2г/(кВт*ч), NOх — до 14,4 г/(кВт*ч) твёрдые частицы — не регламентировано, дымность — не регламентировано.
Есть замороки с размерностью, придётся некоторые вещи принять. Так для удобства расчета возьмём двигатель 100 кВт*ч, т.е. 134 лс*ч и будем гонять его в полсилы на 3000 об при этом он с легкостью съест 10л/100 км, на таких оборотах скорость будет где-то 130 км/ч и за час мы потратим 13л или при плотности бензина 750 гр/л (норма 720-780гр/л) получаем 975 гр. Итого процент несгоревшего топлива 2,4*50/975*100= 12,3 % Не слабо получилось, но если подумать о том что это 80-е и для примера взять ту же нашу копейку, то наверное да.
Но при таком расчете слишком много допущений, возьмём Евро-1 — введенный с 1992 года, топливо — не этилированный бензин, нормы по углеводородам от 0,72 до 0,97 г/км по разным источникам, CO до 2,72 г/км и HC+NOx 0.27 г/км
Мы возьмём значение побольше, чтобы потеря мощности была побольше, расход тоже побольше 10л/100 км или 0,1л/1км или 75 гр/км Итого процент несгоревшего топлива 0,97/75*100 = 1,3% Вот это уже тема, теперь ещё учтём что КПД катализаторов дожига где-то 75-85% и получим даже с самым лучшим катализатором 1,3/0,15=8,67%
Это абсолютный максимум потенциала вообще какой-либо экономии и повышения мощности, а по факту я бы эту цифру раза в 2 поделил, т.к. ничего абсолютного у нас нет и каким бы чудесным катализатор не был всё до 100% он не дожжёт. Даже приплетя сюда энергию дожига СО в СО2 больше 5% мы навряд ли наберём.
Чтобы быть до конца честными возьмём современное авто под Евро 5 и проведем ту же самую процедуру. Норма по углеводородам до 0,05 г/км, даже если приму эффективность катализатора в 90% то получу 0,05/75*100=0,067 после катализатора, а до него 0,067/0,1=0,67%
Я думаю тут комментарии излишни, никто не заметит прибавки мощности в 1%. Если у вас каким-то чудом вышло больше, то это не повод радоваться что вы нашли таки «источник вечной молодости», а повод задуматься над тем что с вашим авто что-то не то.
Лично я человек хоть и знающий всё это, но азартный и заказал у Руслана пробник с самым по мне интересным катализатором на рынке. В итоге экономии ноль, по мощности субъективно тоже ноль, по приборам может эти 5% там и есть, но навряд ли их кто заметит. Один плюс я таки нашел — если на 6-й если давить тапку в пол, то появляется не сильная мелкая вибрация, как будто воткнул на 2 передачи выше, так вот с этим зельем всё мягко и эластично.
Все описанные выше положительные моменты применения катализаторов горения действительно имеют место быть, но они тем более выражены, чем хуже состояние вашего автомобиля. Можно пользоваться их побочными действиями, такими как повышение октанового числа, тем же спортсменам это на руку, но не нужно думать что мощность выросла благодаря катализатору горения. Косвенно это так, но по факту это произойдёт из-за перенастройки двигателя под новое ОЧ. Это та же история как и с самим ОЧ, само оно напрямую на мощность не влияет, так что налив присадку в технически исправный и хорошо отрегулированный двигатель разницы вы не заметите.
Мне нравится сравнение катализаторов горения с лекарственными препаратами для человека. Если у вас голова не болит, то выпив аспирин вы ничего не заметите, а если болит то эффект будет. Но даже если вы в технически исправном состоянии, то аспирин может вызвать изжогу, внутренние кровотечения, но также может разжижить кровь и предотвратить тромбообразование, а вы об этом никак не узнаете. Так и с авто, при правильном подборе присадок они способны оказать положительное воздействие на организм, но ждать от них чудо-эффекта экономии не стоит.
К тому же помните, что те же лекарства бывают поддельными и оказать абсолютно не прогнозируемый эффект.
Пока думаю всё, как ещё что вспомню допишу. Все кто выдержал столько букв нудятины уважаю, всем спасибо! Надеюсь хоть кому-то было полезно.