Введение к работе
Актуальность работы. Конденсированные среды в виде различных
жидкостей всегда были востребованы в науке, медицине и технике,
поскольку на практике приходится часто иметь дело с эмульсиями, маслами,
спиртами, бензинами и растворами. В XXI веке интерес к изучению свойств
жидких веществ возник в связи с тем, что были открыты сверхкритические
жидкости. Например, Н20 и СОг в сверхкритическом состоянии приобретают
необычные свойства: они становятся мощными растворителями,
сравнимыми с традиционными органическими. Поэтому одной из проблем физики конденсированного состояния является изучение структуры многокомпонентных растворов и создание на этой основе жидких сред со стабильными свойствами, в том числе новых жидких топлив.
Разработка экологически безопасных жидких топлив занимает одно из центральных мест в современной физике конденсированной среды, поскольку ни применение метил-трет-бутиловых эфиров в качестве добавки к бензинам, ни переход на биотоплива пока не оправдали ожиданий инженеров и экологов. При этом постоянно увеличивающийся парк автомобилей требует возрастания добычи сырья и производства топлива, а мировые запасы нефти неуклонно сокращаются. Возможным выходом из сложившейся ситуации может быть применение многокомпонентных смесей традиционных углеводородных топлив из нефти с компонентами, полученными из альтернативных источников. Однако такие смесевые топлива имеют целый ряд недостатков, ограничивающих их более широкое применение. Прежде всего, это фазовая нестабильность таких топлив, невысокая энергетическая ценность, проблемы хранения, невозможность их применения без глубокой модернизации двигателя, необходимость в высокой степени очистки исходных компонентов. Для их массового внедрения необходим существенный скачок в развитии науки и техники, появление новых материалов и систем управления. Поэтому постановка исследований по созданию новых видов композитных жидких топлив и изучению их свойств, является современной и актуальной задачей. Смесь «вода - спирты -лёгкие углеводороды (бензины)» для таких целей весьма перспективна.
Цель работы. Целью данной работы является разработка композитного жидкого топлива на основе лёгких углеводородов (бензинов), спиртов и воды, исследование его характеристик и опытное опробование в энергетических силовых установках (серийный двигатель внутреннего сгорания - ДВС, с принудительным воспламенением рабочей смеси), а также оценка экологического эффекта от применения такого топлива.
Поставленная цель исследования обуславливает необходимость решения следующих задач:
-
Проанализировать эксплуатационные и экологические требования, предъявляемые к современным жидким моторным топливам для двигателей с принудительным воспламенением рабочей смеси;
-
Разработать теоретические основы получения устойчивой водо-углеводородной смеси на основе бензинов, спиртов и воды, пригодной для применения в качестве моторного топлива современных ДВС;
-
Определить вещества, наиболее подходящие в качестве компонентов для получения устойчивых жидких топлив на основе товарных бензинов;
-
Определить вероятные источники получения вводимых в смесь компонентов для создания устойчивых жидких топлив;
-
Разработать технологию получения образцов жидкого композитного моторного топлива;
-
Провести исследования физико-химических характеристик жидкого композитного топлива;
-
Провести испытания полученного композитного топлива, с целью определения возможности его применения в ДВС серийных автомобилей;
-
Оценить экологическую эффективность от применения разработанного композитного топлива;
Предмет исследования - физические и технические свойства многокомпонентных конденсированных жидких сред.
Объект исследования - жидкие композиции «лёгкие углеводороды (бензины) - спирты - вода», устойчивые к расслоению до температуры плюс5С ... минус 30С.
Границами исследования являются вопросы, связанные с изучением свойств жидких автомобильных топлив, основу которых составляют лёгкие углеводороды от переработки нефти (бензины) в смеси со спиртами и водой, с такими её концентрациями и свойствами, чтобы она образовывала матричную структуру всей смеси. Жидкие топлива для дизельных двигателей не рассматриваются.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:
разработаны теоретические основы получения устойчивых, до минус 60С, многокомпонентных соединений на основе лёгких фракций углеводородов, спиртов и воды, суть которых такова: основываясь на свойствах полярных и неполярных молекул жидкости, предположено, что в матричной структуре композиции «лёгкие углеводороды (бензины) - спирты - вода» Н20 выступает в качестве структурного начала и задет строение матрицы, спирты создают её каркас и удерживают композицию от разделения, а бензин служит наполнителем ячеек образованной матрицы. В такой композиции спирты, с одной стороны, образуют прочные связи с молекулами воды,
а с другой, взаимодействуя с углеводородами (бензинами), препятствуют трансформации матрицы при воздействии внешних факторов;
установлены экспериментальные взаимозависимости между молекулярной структурой кластеров воды и фазовой стабильностью водо-углеводородной смеси;
адаптирован способ малоуглового лазерного рассеяния для определения размеров кластерных образований в жидких средах. Практическая ценность работы заключается в следующем:
создано направление по разработке и контролю свойств многокомпонентного моторного топлива, с компонентами из альтернативных жидкостей с улучшенными экологическими характеристиками, пригодного для применения в современных ДВС;
получены расчётные и экспериментальные данные по экологическому эффекту от применения предложенного моторного топлива;
заложены практические основы для разработок новых, основанных на традиционных бензинах, многокомпонентных жидких топлив с добавками воды, на перспективу ближайших 20... 30 лет. Результаты диссертационной работы могут найти широкое применение
в организациях эксплуатирующих автотранспортные средства. Практическая значимость полученных результатов подтверждена испытаниями топлива в серийном автомобиле.
Достоверность положений и выводов диссертационной работы определяется применением апробированных методов экспериментального исследования, таких как, малоугловое лазерное рассеяние, рефрактометрический анализ и др., а также получением экспериментальных данных, не противоречащих теоретическим законам и расчётам, и данным работ других авторов, а также тем, что результаты работы находятся в соответствии с современными положениями физики и химии.
Апробация работы. Полученные в ходе выполнения диссертации теоретические положения и экспериментальные данные были доложены на Всероссийских научно-технических конференциях «Наукоёмкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в ВУЗе» (Москва, 2009, 2010, 2011, 2012г) и региональной научно-технической конференции (Москва, 2006, 2012, 2013г).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 3 статьях журналов рекомендованных ВАК и 10 других изданиях.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 3- глав, общих выводов, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы составляет 121 страницу, содержит 22 рисунка, 7 таблиц, 86 наименований источников литературы и приложение на 12 листах.
