В большинстве приспособлений, вырабатывающих энергию за счет горения, используется метод сжигания топлива в воздухе. Однако существуют два обстоятельства, когда может оказаться желательным или необходимым применение не воздуха, а иного окислителя: 1) при необходимости генерирования энергии в таком месте, где снабжение воздухом ограничено, например под водой или высоко над поверхностью земли; 2) когда желательно получить в течение короткого времени очень большое количество энергии из компактных ее источников, например в орудийных метательных ВВ, в установках для взлета самолетов (ускорителях) или в ракетах. В некоторых таких случаях в принципе можно использовать воздух, предварительно сжатый и хранящийся в соответствующих сосудах под давлением; однако такой метод часто является непрактичным, так как вес баллонов (или хранилищ других видов) составляет около 4 кг на 1 кг воздуха; вес же тары для жидкого или твердого продукта равен 1 кг/кг или даже меньше.

В том случае, когда применяется небольшое приспособление и основное внимание уделяется простоте конструкции, например в патронах огнестрельного оружия или в небольшой ракете, используется твердое топливо, содержащее тесно смешанные между собой горючее и окислитель. Системы жидкого топлива сложнее, но обладают двумя определенными преимуществами по сравнению с системами твердого топлива:

1. Жидкость можно хранить в сосуде из легкого материала и нагнетать в камеру сгорания, размеры которой должны удовлетворять только требованию обеспечения желательной скорости сгорания (техника вдувания твердого вещества в камеру сгорания под высоким давлением, вообще говоря, неудовлетворительна; следовательно, вся загрузка твердого топлива с самого начала должна находиться в камере сгорания, которая поэтому Должна быть большой и прочной).
2. Скорость генерирования энергии можно изменять и регулировать путем соответствующего изменения скорости подачи жидкости. По этой причине комбинации жидких окислителей и горючих находят применение для различных сравнительно крупных ракетных двигателей, для двигателей подводных лодок, торпед и т. п.

Идеальный жидкий окислитель должен обладать многими желательными свойствами, но наиболее важны с практической точки зрения следующие три: 1) выделение значительного количества энергии при реакции, 2) сравнительная устойчивость к удару и повышенным температурам и 3) низкая производственная себестоимость. Вместе с тем желательно, чтобы окислитель не обладал коррозионными или токсическими свойствами, чтобы он быстро реагировал и обладал надлежащими физическими свойствами, например низкой точкой замерзания, высокой точкой кипения, большой плотностью, малой вязкостью и т. д. При применении в качестве составной части ракетного топлива особое значение имеет и достигаемая температура пламени и средний молекулярный вес продуктов сгорания. Очевидно, что ни одно химическое соединение не может удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к идеальному окислителю. И очень мало веществ, которые вообще хотя бы приблизительно обладают желательной комбинацией свойств, причем только три из них нашли некоторое применение: жидкий кислород, концентрированная азотная кислота и концентрированная перекись водорода.

Перекись водорода обладает тем недостатком, что даже при 100%-ной концентрации она содержит лишь 47 вес.% кислорода, который может быть использован для сжигания топлива, тогда как в азотной кислоте содержание активного кислорода составляет 63,5%, а для чистого кислорода возможно даже 100%-ное использование. Этот недостаток компенсируется значительным выделением тепла при разложении перекиси водорода на воду и кислород. Фактически мощности этих трех окислителей или силы тяги, развиваемые единицей веса их, в любой определенной системе и при любом виде горючего могут различаться максимум на 10-20%, а поэтому выбор того или иного окислителя для двухкомпонентной системы обычно определяется другими, соображениями Экспериментальное исследование применения перекиси водорода в качестве источника энергии было впервые поставлено в Германии в 1934 г. при поисках новых видов энергии (независимых от воздуха) для движения подводных лодок, Это потенциальное военное применение стимулировало промышленное развитие метода фирмы «Electrochemische Werke» в Мюнхене (Е. W. М.) по концентрированию перекиси водорода с получением водных растворов высокой крепости, которые можно было бы транспортировать и хранить с приемлемой низкой скоростью разложения. Сначала для военных нужд выпускали 60%-ный водный раствор, но впоследствии эту концентрацию повысили и наконец начали получать 85%-ную перекись. Увеличение доступности высококонцентрированной перекиси водорода в конце тридцатых годов текущего столетия привело к применению ее в Германии во время второй мировой войны в качестве источника энергии для других военных нужд. Так, перекись водорода впервые была использована в 1937 г. в Германии в качестве вспомогательного средства в топливе для двигателей самолетов и ракет.

Высококонцентрированные растворы, содержащие до 90% перекиси во­дорода, производились также в промышленном масштабе к концу второй мировой войны фирмами «Buffalo Electro-Chemical Со» в США и «В. Laporte, Ltd.» в Великобритании. Воплощение идеи процесса генерирования тяговой мощности из перекиси водорода в более ранний период представлено в схеме Лишолма, предложившего методику генерирования энергии путем тер­мического разложения перекиси водорода с последующим сжиганием горючего в полученном кислороде. Однако на практике эта схема, по-видимому, не нашла применения.

Концентрированную перекись водорода можно использовать и в качестве однокомпонентного топлива (в этом случае она подвергается разложению под давлением и образует газообразную смесь кислорода и перегретого пара) и в качестве окислителя для сжигания горючего. Механически однокомпо- нертная система проще, но она дает меньше энергии на единицу веса топлива. В двухкомпойентной системе можно сначала разложить перекись водорода, а затем сжечь горючее в горячих продуктах разложения или же ввести в реак­цию обе жидкости непосредственно без предварительного разложения пере­киси водорода. Второй метод проще механически оформить, но при нем может оказаться затруднительным обеспечение воспламенения, а также равномерное и полное сгорание. В любом случае энергия или тяга создается за счет расширения горячих газов. Различные виды ракетных двигателей, основанных на действии перекиси водорода и использованных в Германии во время второй мировой войны, весьма подробно описаны Вальтером, который был непосредственно связан с разработкой многих видов военного применения перекиси водорода в Германии. Опубликованный им материал иллюстрируется также рядом чертежей и фотоснимков.

Несомненно, двигатель - самая важная часть ракеты и одна из самых сложных. Задача двигателя - смешивать компоненты топлива, обеспечивать их сгорание и с большой скоростью выбрасывать получающиеся в процессе горения газы в заданном направлении, создавая реактивную тягу. В этой статье мы рассмотрим только используемые сейчас в ракетной технике химические двигатели. Существует несколько их видов: твердотопливные, жидкостные, гибридные и жидкостные однокомпонентные.

Любой ракетный двигатель состоит из двух основных частей: камера сгорания и сопло. С камерой сгорания, думаю, все понятно - это некий замкнутый объем, в котором происходит горение топлива. А сопло предназначено для разгона получающихся в процессе горения топлива газов до сверхзвуковой скорости в одном заданном направлении. Сопло состоит из конфузора, канала критики и диффузора.

Конфузор - это воронка, которая собирает газы из камеры сгорания и направляет их в канал критики.

Критика - самая узкая часть сопла. В ней газ разгоняется до скорости звука за счет высокого давления со стороны конфузора.

Диффузор - расширяющаяся часть сопла после критики. В ней происходит падение давления и температуры газа, за счет чего газ получает дополнительный разгон до сверхзвуковой скорости.

А теперь пройдемся по всем основным типам двигателей.

Начнем с простого. Самым простым по своей конструкции является РДТТ - ракетный двигатель на твердом топливе. Фактически это бочка, загруженная твердой топливно-окислительной смесью, имеющая сопло.

Камерой сгорания в таком двигателе является канал в топливном заряде, а горение происходит по всей площади поверхности этого канала. Нередко для упрощения заправки двигателя заряд делают составным из топливных шашек. Тогда горение происходит также и на поверхности торцов шашек.

Для получения разной зависимости тяги от времени применяют разные поперечные сечения канала:

РДТТ - самый древний вид ракетного двигателя. Его придумали еще в древнем Китае, но по сей день он находит применение как в боевых ракетах, так и в космической технике. Также этот двигатель ввиду своей простоты активно используется в любительском ракетостроении.

Первый американский космический корабль Меркурий был оборудован шестью РДТТ:

Три маленьких отводят корабль от ракеты-носителя после отделения от нее, а три больших - тормозят его для схода с орбиты.

Самый мощный РДТТ (и вообще самый мощный ракетный двигатель в истории) - это боковой ускоритель системы Спейс шаттл, развивавший максимальную тягу 1400 тонн. Именно два этих ускорителя давали столь эффектный столб огня при старте челноков. Это хорошо видно, например, на видеозаписи старта челнока Атлантис 11 мая 2009 года (миссия STS-125):

Эти же ускорители будут использованы в новой ракете SLS, которая будет выводить на орбиту новый американский корабль Орион. Сейчас можно увидеть записи с наземных испытаний ускорителя:

Также РДТТ установлены в системах аварийного спасения, предназначенных для увода космического корабля от ракеты в случае аварии. Вот, например, испытания САС корабля Меркурий 9 мая 1960 года:

На космических кораблях Союз кроме САС установлены двигатели мягкой посадки. Это тоже РДТТ, которые работают доли секунды, выдавая мощный импульс, гасящий скорость снижения корабля почти до нуля перед самым касанием поверхности Земли. Срабатывание этих двигателей видно на записи посадки корабля Союз ТМА-11М 14 мая 2014 года:

Главным недостатком РДТТ является невозможность управления тягой и невозможность повторного запуска двигателя после его останова. Да и останов двигателя в случае с РДТТ по факту остановом не является: двигатель либо прекращает работу по причине окончания топлива либо, в случае необходимости остановить его раньше, производится отсечка тяги: специальным пиропатроном отстреливается верхняя крышка двигателя и газы начинают выходить с обоих его торцов, обнуляя тягу.

Следующим мы рассмотрим гибридный двигатель . Его особенность в том, что используемые компоненты топлива находятся в разных агрегатных состояниях. Чаще всего используется твердое горючее и жидкий или газообразный окислитель.

Вот, как выглядит стендовое испытание такого двигателя:

Именно такой тип двигателя применен на первом частном космическом челноке SpaceShipOne.
В отличие от РДТТ ГРД можно повторно запускать и регулировать его тягу. Однако, не обошлось и без недостатков. Из-за большой камеры сгорания ГРД невыгодно ставить на большие ракеты. Также ГРД склонен к «жёсткому старту», когда в камере сгорания накопилось много окислителя, и при зажигании двигатель даёт за короткое время большой импульс тяги.

Ну а теперь рассмотрим самый широко применяемый в космонавтике тип ракетных двигателей. Это ЖРД - жидкостные ракетные двигатели.

В камере сгорания ЖРД смешиваются и сгорают две жидкости: горючее и окислитель. В космических ракетах применяются три топливно-окислительные пары: жидкий кислород + керосин (ракеты Союз), жидкий водород + жидкий кислород (вторая и третья ступени ракеты Сатурн-5, вторая ступень Чанчжэн-2, Спейс шаттл) и несимметричный диметилгидразин + тетраоксид азота (ракеты Протон и первая ступень Чанчжэн-2). Сейчас также проводятся испытания нового вида топлива - жидкого метана.

Преимуществами ЖРД являются малый вес, возможность регулирования тяги в широких пределах (дросселирование), возможность многократных запусков и больший удельный импульс по сравнению с двигателями других типов.

Главным недостатком таких двигателей является умопомрачительная сложность конструкции. Это у меня на схеме все просто выглядит, а на самом деле при конструировании ЖРД приходится сталкиваться с целым рядом проблем: необходимость хорошего перемешивания компонентов топлива, сложность поддержания высокого давления в камере сгорания, неравномерность горения топлива, сильный нагрев стенок камеры сгорания и сопла, сложности с зажиганием, коррозионное воздействие окислителя на стенки камеры сгорания.

Для решения всех этих проблем применяется множество сложных и не очень инженерных решений, отчего ЖРД зачастую выглядит как кошмарный сон пьяного сантехника, например, этот РД-108:

Камеры сгорания и сопла хорошо видны, но обратите внимание, сколько там всяких трубок, агрегатов и проводов! И все это нужно для стабильной и надежной работы двигателя. Там есть турбонасосный агрегат для подачи топлива и окислителя в камеры сгорания, газогенератор для привода турбонасосного агрегата, рубашки охлаждения камер сгорания и сопел, кольцевые трубки на соплах для создания охлаждающей завесы из топлива, патрубок для сброса отработанного генераторного газа и дренажные трубки.

Более подробно работу ЖРД мы рассмотрим в одной из следующих статей, а пока переходим к последнему типу двигателей: однокомпонентному .

Работа такого двигателя основана на каталитическом разложении пероксида водорода. Наверняка многие из вас помнят школьный опыт:

В школе используется аптечная трехпроцентная перекись, а вот реакция с использованием 37% перекиси:

Видно, как из горлышка колбы с силой вырывается струя пара (в смеси с кислородом, разумеется). Чем не реактивный двигатель?

Двигатели на перекиси водорода используют в системах ориентации космических аппаратов, когда большое значение тяги не нужно, а простота конструкции двигателя и его малая масса очень важны. Разумеется, используемая концентрация перекиси водорода далеко не 3% и даже не 30%. Стопроцентная концентрированная перекись дает в ходе реакции смесь кислорода с водяным паром, нагретую до полутора тысяч градусов, что создает высокое давление в камере сгорания и высокую скорость истечения газа из сопла.

Простота конструкции однокомпонентного двигателя не могла не привлечь к себе внимание ракетчиков-любителей. Вот пример любительского однокомпонентного двигателя.

В 1818 г. французский химик Л. Ж. Тенар открыл "окисленную воду". Позже это вещество получило название перекись водорода . Плотность его составляет 1464,9 кг/кубометр . Итак, полученное вещество имеет формулу Н 2 O 2 , эндотермично, отщепляет кислород в активной форме с большим выделением тепла: Н 2 O 2 > Н 2 O + 0,5 O 2 + 23,45 ккал.

Химики и раньше знали о свойстве перекиси водорода как окислителе: растворы Н 2 O 2 (далее по тексту "перекись ") воспламеняли горючие вещества, да так, что погасить их не всегда удавалось. Поэтому применить перекись в реальной жизни как энергетическую субстанцию, да ещё не требующую дополнительного окислителя, пришло на ум инженеру Гельмуту Вальтеру из города Киль . А конкретно на подводных лодках, где нужно учитывать каждый грамм кислорода, тем более, что шёл 1933 год , а фашистская верхушка принимала все меры для подготовке к войне. Тут же работы с перекисью были засекречены. Н 2 O 2 - продукт нестойкий. Вальтер нашёл продукты (катализаторы), которые способствовали ещё более быстрому разложению перекиси . Реакция отщепления кислорода (Н 2 O 2 = Н 2 O + O 2 ) шла мгновенно и до конца. Однако возникла необходимость "избавиться" от кислорода. Почему? Дело в том, что перекись самое богатое соединение с O 2 его почти 95% от всего веса вещества. А поскольку первоначально выделяется атомарный кислород, то не использовать его как активный окислитель было просто неудобно.

Тогда в турбину, где и была применена перекись , стали подавать органическое топливо, а также воду, так как тепла выделялось весьма достаточно. Это способствовало росту мощности двигателя.

В 1937 году прошли успешные стендовые испытания парогазотурбинных установок, а в 1942 г была построена первая подводная лодка Ф-80 , которая развивала под водой скорость 28,1 узла (52,04 км\час ). Немецкое командование приняло решение о строительстве 24 субмарин, которые должны были иметь по две силовые установки мощностью каждая 5000 л.с. . Они потребляли 80%-ый раствор перекиси . В Германии готовились мощности по выпуску 90000 тонн перекиси в год. Однако для "тысячелетнего рейха" наступил бесславный конец...

Следует отметить, что в Германии перекись стали применять в различных модификациях самолётов, а также на ракетах Фау-1 и Фау-2 . Мы знаем, что все эти работы так и не смогли изменить ход событий...

В Советском Союзе работы с перекисью велись также в интересах подводного флота. В 1947 году действительный член Академии наук СССР Б. С. Стечкин , консультировавший специалистов по жидкостно-реактивным двигателям, которых назвали тогда ЖРДистами, в институте Академии артиллерийских наук, дал задание будущему академику (а тогда ещё инженеру) Варшавскому И. Л. сделать двигатель на перекиси , предложенный академиком Е. А. Чудаковым . Для этого были использованы серийные дизельные двигатели подводных лодок типа "Щука ". А практически "благословление" на работы дал сам Сталин . Это позволило форсировать разработки и получить на борту лодки дополнительный объём, где можно было разместить торпеды и другое вооружение.

Работы с перекисью были выполнены академиками Стечкиным , Чудаковым и Варшавским в очень короткие сроки. До 1953 года, по имеющейся информации, было оборудовано 11 подлодок. В отличие от работ с перекисью , что велись США и Англией, наши подлодки не оставляли за собой никакого следа, в то время как газотурбинные (США и АНГЛИЯ) имели демаскирующий пузырьковый шлейф. Но точку в отечественном внедрении перекиси и применению её для подлодок поставил Хрущёв : страна перешла на работу с атомными субмаринами. И мощный задел Н 2 -оружия порезали на металлолом.

Однако, что же мы имеем в "сухом остатке" с перекисью ? Оказывается, что её нужно гдето готовить, а затем уже заправлять баки (танки) машин. Это не всегда удобно. Поэтому лучше бы получать её непосредственно на борту машины, а ещё лучше перед впрыском в цилиндр или перед подачей на турбину. В этом случае гарантировалась бы полная безопасность всех работ. Но какие исходные жидкости для получения её нужны? Если брать некую кислоту и перекись , скажем, бария (Ва O 2 ), то этот процесс становится весьма неудобным для использования непосредственно на борту того же "Мерседеса"! Поэтому обратим внимание на простую воду - Н 2 O ! Оказывается, ее для получения перекиси можно спокойно и эффективно использовать! А нужно всего лишь заправить баки обычной колодезной водой и можно отправляться в путь-дорогу.

Единственная оговорка: при таком процессе опять образуется атомарный кислород (вспомните реакцию, с которой столкнулся Вальтер ), но и тут с ним, как оказалось, можно поступить разумно. Для его правильного использования нужна водотопливная эмульсия, в составе которой достаточно иметь хотя бы 5-10% некого углеводородного топлива. Тот же мазут вполне может подойти, зато даже при его применении углеводородные фракции обеспечат флегматизацию кислорода, то есть вступят с ним в реакцию и дадут дополнительный импульс, исключающий возможность неконтролируемого взрыва.

По всем расчетам тут вступает в свои права кавитация, образование активных пузырьков, которые способны разрушить структуру молекулы воды, выделить гидроксильную группу ОН и заставить её соединиться с такой же группой, чтобы получить нужную молекулу перекиси Н 2 O 2 .

Такой подход весьма выгоден с любых точек зрения, ибо позволяет исключить процесс изготовления перекиси вне объекта использования (т.е. дает возможность создавать ее прямо в двигателе внутреннего сгорания). Это очень выгодно, поскольку исключает этапы отдельной заправки и хранения Н 2 O 2 . Получается, что только в момент впрыска происходит образование нужного нам соединения и, минуя процесс хранения, перекись вступает в работу. А в баках того же авто может находится водотопливная эмульсия с мизерным процентом углеводородного топлива! Вот красота была бы! И совершенно не страшно было бы, если один литр горючего имел цену даже в 5 долларов США. В перспективе можно перейти на твёрдое горючее типа каменного угля, и спокойно синтезировать из него бензины. Угля ещё хватит на несколько сотен лет! Только Якутия на небольшой глубине хранит миллиарды тонн этого ископаемого. Это огромнейший регион, ограниченный снизу нитью БАМа, северная граница которого уходит далеко выше рек Алдан и Мая...

Однако перекиси по описанной схеме можно готовить из любых углеводородов. Думаю, что главное слово в этом вопросе осталось за нашими учёными и инженерами.

Перекись водорода H 2 O 2 - прозрачная бесцветная жидкость, заметно более вязкая, чем вода, с характерным, хотя и слабым запахом. Безводную перекись водорода трудно получить и хранить, и она является слишком дорогой для использования в качестве ракетного топлива. Вообще, дороговизна - один из главных недостатков перекиси водорода. Зато, по сравнению с другими окислителями, она более удобна и менее опасна в обращении.
Склонность перекиси к самопроизвольному разложению традиционно преувеличивается. Хотя мы и наблюдали снижение концентрации с 90% до 65% за два года хранения в литровых полиэтиленовых бутылках при комнатной температуре, но в больших объёмах и в более подходящей таре (например, в 200-литровой бочке из достаточно чистого алюминия) скорость разложения 90%-й перекиси составила бы менее 0,1% в год.
Плотность безводной перекиси водорода превышает 1450 кг/м 3 , что значительно больше, чем у жидкого кислорода, и немногим меньше, чем у азотнокислых окислителей. К сожалению, примеси воды быстро уменьшают её, так что 90%-й раствор имеет плотность 1380 кг/м 3 при комнатной температуре, но это всё ещё очень неплохой показатель.
Перекись в ЖРД может применяться и как унитарное топливо, и как окислитель - например, в паре с керосином или спиртом. Ни керосин, ни спирт не самовоспламеняются с перекисью, и для обеспечения зажигания в горючее приходится добавлять катализатор разложения перекиси - тогда выделяющегося тепла достаточно для воспламенения. Для спирта подходящим катализатором является ацетат марганца (II). Для керосина тоже существуют соответствующие добавки, но их состав держится в секрете.
Применение перекиси как унитарного топлива ограничено её сравнительно низкими энергетическими характеристиками. Так, достигаемый удельный импульс в вакууме для 85%-й перекиси составляет лишь порядка 1300…1500 м/с (для разных степеней расширения), а для 98%-й - примерно 1600…1800 м/с. Тем не менее, перекись была применена сначала американцами для ориентации спускаемого аппарата космического корабля «Меркурий», затем, с той же целью, советскими конструкторами на СА КК «Союз». Кроме того перекись водорода используется как вспомогательное топливо для привода ТНА - впервые на ракете V-2 , а затем на её «потомках», вплоть до Р-7 . Все модификации «семёрок», включая самые современные, по-прежнему используют перекись для привода ТНА.
В качестве окислителя перекись водорода эффективна с различными горючими. Хотя она и даёт меньший удельный импульс, нежели чем жидкий кислород, но при применении перекиси высокой концентрации значения УИ превышают таковые для азотнокислотных окислителей с теми же горючими. Из всех ракет-носителей космического назначения лишь одна использовала перекись (в паре с керосином) - английская «Black Arrow». Параметры её двигателей были скромны - УИ двигателей I ступени немногим превышал 2200 м/с у земли и 2500 м/с в вакууме, - так как в этой ракете использовалась перекись всего лишь 85% концентрации. Сделано это было из-за того, что для обеспечения самовоспламенения перекись разлагалась на серебряном катализаторе. Более концентрированная перекись расплавила бы серебро.
Несмотря на то, что интерес к перекиси время от времени активизируется, перспективы её остаются туманными. Так, хотя советский ЖРД РД-502 (топливная пара - перекись плюс пентаборан) и продемонстрировал удельный импульс 3680 м/с, он так и остался экспериментальным.
В наших проектах мы ориентируемся на перекись ещё и потому, что двигатели на ней оказываются более «холодными», чем аналогичные двигатели с таким же УИ, но на других топливах. Например, продукты сгорания «карамельного» топлива имеют почти на 800° большую температуру при том же достигаемом УИ. Это связано с большим количеством воды в продуктах реакции перекиси и, как следствие, с низкой средней молекулярной массой продуктов реакции.

Использование: в двигателях внутреннего сгорания, в частности в способе обеспечения улучшенного сгорания топлив с участием углеводородных соединений. Сущность изобретения: в способе предусматривается введение в композицию 10-80 об. % перекиси или пероксо-соединения. Композицию вводят отдельно от топлива. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к способу и жидкой композиции для инициирования и оптимизации сжигания углеводородных соединений и снижения концентрации вредных соединений в выхлопных газах и выбросах, где жидкую композицию, содержащую пероксид или пероксо-соединение, подают в воздух сжигания или в топливновоздушную смесь. Предпосылки к созданию изобретения. В последние годы все большее внимание уделяется загрязнению окружающей среды и высокому энергорасходу особенно из-за драматической гибели лесов. Однако выхлопные газы всегда были проблемой населенных центров. Несмотря на постоянное совершенствование моторов и нагревательной техники с меньшими выбросами или выхлопными газами, все возрастающее число автомобилей и установок сжигания привело к общему увеличению количества выхлопных газов. Первичной причиной загрязнения выхлопных газов и большого расхода энергии является неполное сгорание. Схема процесса сжигания, эффективность системы зажигания, качество топлива и топливновоздушной смеси определяет эффективность сжигания и содержание несгоревших и опасных соединений в газах. Для снижения концентрации этих соединений применяют различные способы, например рециркуляцию и хорошо известные катализаторы, приводящие к дожиганию выхлопных газов вне зоны основного сжигания. Сжигание - это реакция соединения с кислородом (О 2) под действием теплоты. Такие соединения, как углерод (С), водород (Н 2), углеводороды и серы (S) генерируют достаточно теплоты для поддержания своего горения, а например азот (N 2) требует подвода теплоты для окисления. При высокой температуре 1200-2500 о С и достаточном количестве кислорода достигается полное сгорание, где каждое соединение связывает максимальное количество кислорода. Конечными продуктами являются СО 2 (двуокись углерода), Н 2 О (вода), SО 2 и SО 3 (оксиды серы) и иногда NО и NО 2 (оксиды азота, NО х). Оксиды серы и азота ответственны за закисление окружающей среды, их опасно вдыхать и особенно последние (NО х) поглощают энергию сгорания. Можно также получать холодные пламена, например голубое колеблющееся пламя свечи, где температура лишь около 400 о С. Окисление здесь не является полным и конечными продуктами могут быть Н 2 О 2 (перекись водорода), СО (моноокись углерода) и возможно С (копоть). Два последних указанных соединения, как и NО, вредны и могут давать энергию при полном сгорании. Бензин - это смесь углеводородов сырой нефти с температурами кипения в интервале 40-200 о С. Он содержит около 2000 различных углеводородов с 4-9 атомами углерода. Подробный процесс сжигания очень сложен и для простых соединений. Молекулы топлива разлагаются на более мелкие фрагменты, большинство из которых представляют собой так называемые свободные радикалы, т.е. нестабильные молекулы, быстро реагирующие, например, с кислородом. Наиболее важными радикалами являются атомарный кислород О, атомарный водород Н и гидроксильный радикал ОН. Последний особенно важен для разложения и окисления топлива как за счет прямого присоединения, так и отщепления водорода, в результате чего образуется вода. В начале инициирования сжигания вода вступает в реакцию H 2 O+M ___ H +CH +M где М - другая молекула, например азот, либо стенка или поверхность искрового электрода, с которой сталкивается молекула воды. Поскольку вода - это очень стабильная молекула, то для ее разложения требуется очень высокая температура. Лучшей альтернативой является добавление перекиси водорода, которая разлагается аналогичным образом H 2 O 2 +M ___ 2OH +M Эта реакция протекает намного легче и при более низкой температуре, особенно на поверхности, где поджигание топливно-воздушной смеси протекает легче и более контролируемым образом. Дополнительным положительным эффектом поверхностной реакции является то, что перекись водорода легко реагирует с копотью и смолой на стенках и свече зажигания с образованием диоксида углерода (СО 2), что приводит к чистке электродной поверхности и лучшему зажиганию. Вода и перекись водорода сильно понижают содержание СО в выхлопных газах следующей схеме 1) CO+O 2 ___ CO 2 +O: инициирование 2) O: +H 2 O ___ 2OH разветвление 3) OH +CO ___ CO 2 +H рост 4) H +O 2 ___ OH +O ; разветвление Из реакции 2) видно, что вода играет роль катализатора и затем образуется снова. Поскольку перекись водорода приводит к во много тысяч раз более высокому содержанию ОН- радикалов, чем вода, то стадия 3) значительно ускоряется, приводя к удалению большей части образующегося СО. В результате освобождается дополнительная энергия, помогающая поддерживать горение. NО и NО 2 являются высокотоксичными соединениями и приблизительно в 4 раза более токсичны, чем СО. При остром отравлении повреждаются легочные ткани. NО является нежелательным продуктом сгорания. В присутствии воды NО окисляется до НNО 3 и в этой форме вызывает приблизительно половину закисления, а другая половина обусловлена Н 2 SО 4 . Кроме того, NО х могут разлагать озон в верхних слоях атмосферы. Большая часть NО образуется в результате реакции кислорода с азотом воздуха при высоких температурах и, следовательно, не зависит от состава топлива. Количество образующихся ПО х зависит от продолжительности поддержания условий сжигания. Если снижение температуры проводится очень медленно, то это приводит к равновесию при умеренно высоких температурах и к относительно низкой концентрации NО. Следующие способы можно использовать для достижения низкого содержания NО. 1. Двухстадийное сжигание обогащенной топливом смеси. 2. Низкая температура сжигания за счет: а) большого избытка воздуха,
b) сильного охлаждения,
с) рециркуляции газов сжигания. Как часто наблюдается при химическом анализе пламени, концентрация NО в пламени более высока, чем после него. Это процесс разложения О. Возможная реакция:
СH 3 + NO ___ ... H+H 2 O
Таким образом, образование N 2 поддерживается условиями, дающими высокую концентрацию CH 3 в горячих обогащенных топливом пламенях. Как показывает практика, топлива, содержащие азот, например в форме таких гетероциклических соединений, как пиридин, дают большее количество NО. Содержание N в различных топливах (приблизительное), %: Cырая нефть 0,65 Асфальт 2,30 Тяжелые бензины 1,40 Легкие бензины 0,07 Уголь 1-2
В SE-В-429.201 описана жидкая композиция, содержащая 1-10 об.% перекиси водорода, а остальное - вода, алифатический спирт, смазочное масло и возможно ингибитор коррозии, где указанную жидкую композицию подают в воздух сжигания или в топливовоздушную смесь. При таком низком содержании перекиси водорода образующееся количество ОН-радикалов не достаточно как для реакции с топливом, так и с СО. За исключением составов, приводящих к самовозгоранию топлива, достигаемый здесь положительный эффект мал по сравнению с добавлением одной воды. B DЕ-А-2.362.082 описано добавление окисляющего агента, например, перекиси водорода, при сжигании, однако перекись водорода разлагают на воду и кислород с помощью катализатора перед ее вводом в воздух сжигания. Цель и наиболее важные признаки данного изобретения. Целью данного изобретения является улучшение сжигания и снижения выброса вредных выхлопных газов при процессах горения, вовлекающих углеводородные соединения, за счет улучшенного инициирования горения и поддержания оптимального и полного сгорания в таких хороших условиях, что содержание вредных выхлопных газов сильно снижается. Это достигается тем, что в воздух сжигания или в воздушно-топливную смесь подают жидкую композицию, содержащую пероксид или пероксо-соединение и воду, где жидкая композиция содержит 10-80 об.% пероксида или пероксо-соединения. В щелочных условиях перекись водорода разлагается на гидроксильные радикалы и пероксидные ионы по следующей схеме:
H 2 O 2 +HO 2 ___ HO +O 2 +H 2 O
Образующиеся гидроксильные радикалы могут реагировать друг с другом, с пероксидными ионами или с перекисью водорода. В результате этих представленных ниже реакций образуются перекись водорода, газообразный кислород и гидроперекисные радикалы:
HO +HO ___ H 2 O 2
HO +O ___ 3 O 2 +OH -
HO +H 2 O 2 ___ HO 2 +H 2 O Известно, что рКа пероксидных радикалов равно 4,88 0,10 и это означает, что все гидропероксирадикалы диссоциируют до пероксидных ионов. Пероксидные ионы могут также реагировать с перекисью водорода, друг с другом или захватывать образующийся синглетный кислород. O+H 2 O 2 ___ O 2 +HO +OH -
O+O 2 +H 2 O ___ I O 2 +HO - 2 +OH -
O+ I O 2 ___ 3 O 2 +O+22 ккал. Таким образом образуется газообразный кислород, гидроксильные радикалы, синглетный кислород, перекись водорода и триплетный кислород с выделением энергии 22 ккал. Подтверждено также, что ионы тяжелых металлов, присутствующие при каталитическом разложении перекиси водорода, дают гидроксильные радикалы и пероксидные ионы. Имеются сведения о константах скорости, например следующие данные для типичных алканов нефти. Константы скоростей взаимодействия н-октана с Н, О и ОН. к = А ехp/E/RT Реакция А/см 3 /моль:c/ E/кДж/моль/ н-С 8 Н 18 + Н 7,1:10 14 35,3
+О 1,8:10 14 19,0
+ОН 2,0:10 13 3,9
Из этого примера мы видим, что атака ОН-радикалами протекает быстрее и при более низкой температуре, чем Н и О. Константа скорости реакции СО + + ОН _ СО 2 + Н имеет необычную температурную зависимость в силу отрицательной энергии активации и высокого температурного коэффициента. Ее можно записать следующим образом: 4,4 х 10 6 х Т 1,5 ехр/3,1/RT. Скорость реакции будет почти постоянной и равной около 10 11 см 3 /моль сек при температурах ниже 1000 о К, т.е. вплоть до комнатной температуры. Выше 1000 о К скорость реакции возрастает в несколько раз. В силу этого реакция полностью доминирует в превращении СО в СО 2 при сжигании углеводородов. В силу этого раннее и полное сгорание СО улучшает термическую эффективность. Пример, иллюстрирующий антагонизм между О 2 и ОН - это реакция NH 3 -H 2 О 2 -NО, где добавление Н 2 О 2 приводит к 90% снижения NО х в бескислородной среде. Если же О 2 присутствует, то даже при лишь 2% ПО х снижение сильно уменьшается. В соответствии с данным изобретением для генерирования ОН-радикалов используют Н 2 О 2 , диссоциирующую приблизительно при 500 о С. Их время жизни равно максимум 20 мсек. При нормальном сжигании этанола 70% топлива расходуется на реакцию с ОН-радикалами и 30% - с Н-атомами. В данном изобретении, где уже на стадии инициирования горения образуются ОН-радикалы, резко улучшается сжигание за счет немедленной атаки топлива. При добавлении жидкой композиции с высоким содержанием перекиси водорода (выше 10%) имеется достаточно ОН-радикалов для немедленного окисления образующегося СО. При более низких содержаниях перекиси водорода образующихся ОН-радикалов недостаточно для взаимодействия как с топливом, так и с СО. Жидкая композиция подается таким образом, что отсутствует химическая реакция в промежутке между контейнером с жидкостью и камерой сгорания, т.е. разложение перекиси водорода на воду и газообразный кислород не протекает, и жидкость без изменений достигает непосредственно зоны сгорания или предкамеры, где смесь жидкости и топлива поджигается вне основной камеры сгорания. При достаточно высокой концентрации перекиси водорода (около 35%) может протекать самовозгорание топлива и поддержание горения. Поджигание смеси жидкости с топливом может протекать путем самовозгорания или контакта с каталитической поверхностью, при котором запал или что-то подобное не нужно. Поджигание может осуществляться через тепловую энергию, например, запал накапливающее тепло, открытое пламя и т.п. Смешение алифатического спирта с перекисью водорода может инициировать самовозгорание. Это особенно полезно в системе с предварительной камерой, где можно не допускать смешения перекиси водорода со спиртом до достижения предварительной камеры. Если снабдить каждый цилиндр инжекторным клапаном для жидкой композиции, то достигается очень точное и адаптированное для всех сервисных условий дозирование жидкости. С помощью контролирующего устройства, регулирующего инжекторные клапаны, и различных датчиков, соединенных с мотором, подающих в контролирующее устройство сигналы о положении вала двигателя, скорости мотора и нагрузке и, возможно, о температуре поджига, можно достичь последовательной инжекции и синхронизации открывания и закрывания инжекторных клапанов и дозирования жидкости не только зависимо от нагрузки и нужной мощности, а также со скоростью мотора и температурой инжектируемого воздуха, что приводит к хорошему движению во всех условиях. Жидкая смесь в некоторой степени заменяет подачу воздуха. Было проведено большое число испытаний для выявления различий в эффекте между смесями воды и перекиси водорода (23 и 35% соответственно). Нагрузки, которые выбраны, соответствуют движению по высокоскоростной трассе и в городах. Испытывался мотор В20Е с водяным тормозом. Мотор прогревался перед испытанием. При высокоскоростной нагрузке на мотор выделение NО х, СО и НС повышается при замене перекиси водорода на воду. Содержание NО х понижается при увеличении количества перекиси водорода. Вода также снижает содержание NО х, однако при этой нагрузке требуется в 4 раза больше воды, чем 23% перекиси водорода для того же снижения содержания NО х. При нагрузке движения по городу сначала подают 35% перекиси водорода, при этом скорость и момент мотора несколько возрастают (20-30 оборотов в мин/0,5-1 нМ). При переходе на 23% перекись водорода момент и скорость мотора снижаются при одновременном возрастании содержания NО х. При подаче чистой воды трудно поддерживать вращение мотора. Содержание НС резко возрастает. Таким образом, перекись водорода улучшает сгорание, одновременно снижая содержание NО х. Испытания, проведенные в Шведской Инспекции моторов и транспорта на моделях SAAB 900i и VoIvo 760 Тurbo с примешиванием и без примешивания к топливу 35% перекиси водорода дали следующие результаты по выделению СО, НС, NО х и СО 2 . Результаты представлены в % величин, полученных при использовании перекиси водорода, относительно результатов без использования смеси (таблица 1). При испытании на Volvo 245 G14FK/84 при холостом ходе содержание СО было равно 4% и содержание НС 65 ч/млн без пульсации воздуха (очистка выхлопного газа). При смешении с 35% раствором перекиси водорода содержание СО снизилось до 0,05% , а НС-содержание - до 10 ч/млн. Время зажигания было равно 10 о и обороты на холостом ходу были равны 950 об/мин в обоих случаях. В испытаниях, проведенных в Норвежском морском технологическом исследовательском институте А/S в Трондхайме выделение НС, СО и NО х проверяли для Volvo 760 Turbo после ЕСЕ-регулирования N 15.03 с прогретым мотором, начиная с использования или без использования 35% раствора перекиси водорода при сжигании (таблица 2). Выше указано использование только перекиси водорода. Аналогичный эффект может быть достигнут также с другими перекисями и пероксо-соединениями, как неорганическими, так и органическими. Жидкая композиция, кроме перекиси и воды, может содержать также до 70% алифатического спирта с 1-8 атомами углерода и до 5% масла, содержащего ингибитор коррозии. Количество жидкой композиции, примешиваемое в топливу, может варьироваться от нескольких десятых долей процента жидкой композиции от количества топлива до нескольких сотен %. Большие количества используются, например, для трудновоспламеняемых топлив. Жидкую композицию можно использовать в двигателях внутреннего сгорания и в других процессах сжигания с участием таких углеводородов, как нефть, уголь, биомасса и пр., в сжигающих печах для более полного сгорания и снижения содержания вредных соединений в выбросах.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УЛУЧШЕННОГО СГОРАНИЯ С УЧАСТИЕМ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, при котором в воздух для горения или топливовоздушную смесь соответственно вводят жидкую композицию, содержащую перекись или пероксосоединения и воду, отличающийся тем, что, с целью уменьшения содержания вредных соединений в выхлопных газах-выбросах, жидкая композиция содержит 10 - 60 об. % перекиси или пероксосоединения и ее вводят непосредственно и отдельно от топлива в камеру сгорания без предварительного разложения перекиси или пероксосоединения или ее вводят в предварительную камеру, где смесь топлива и жидкой композиции воспламеняют вне основной камеры сгорания. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вводят алифатический спирт, содержащий 1 - 8 атомов углерода, в предварительную камеру отдельно.