Способ приготовления гомогенной системы распределенного атомарного углерода в углеводородной жидкости и способ использования полученной гомогенной системы для упрочнения деталей двигателей внутреннего сгорания и различных механизмов Российский патент 2021 года по МПК C10M103/02 C10M177/00 C10M159/12 C10M141/06 C10G15/08 B01J19/08 C10N30/06 

Изобретение относится к области получения принципиально нового класса веществ оказывающих комплексное действие на механизмы: -меняющих трибологические характеристики трущихся поверхностей, и создающих высокопрочный поверхностный слой на деталях из металлов. Может быть использовано в машиностроении, металлургии, и при эксплуатации различных двигателей и механизмов.

Известен «Способ получения смазочной композиции» - Патент RU 2483101 С2, [3] Опубликовано: 27.05.2013 Бюл. №15 Способ получения смазочной композиции, отличающийся тем, что в определенном объеме углеводородного масла (нефтяное или синтетическое) устанавливают два электрода из немагнитного проводящего материала конечного сопротивления с зазором между ними, на каждый из которых подаются импульсы высоковольтного напряжения с амплитудой, обеспечивающей пробой между электродами, при этом частота следования импульсов высоковольтного напряжения задается таким образом, чтобы разрядный ток лежал в диапазоне от полупериода до нескольких периодов. В смазочной композиции отсутствуют различные химические добавки, так как композиция получается путем обработки углеводородного масла высоковольтным разрядом (электрогидравлический удар), определенной амплитуды и частоты. Импульсы высоковольтного напряжения имеют частотные заполнения прямоугольной знакопеременной формы кратные высоковольтным импульсам. Электроды в зоне разряда имеют форму усеченной сферы.

Надо признать, здесь вся новизна выражена только одной идеей, действия электрогидравлического разряда на масло, минеральное и синтетическое, а определяющих величин нет ни одной. Представленная в патенте схема заведомо не рабочая, по техническим причинам, смотрите далее. Все описание новизны, и отличия взяты из книги Л.А. Юткина «Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности». Но перейдем к конкретным замечаниям: - В формуле изобретения пункт 2. - «Способ получения смазочной композиции по п. 1, отличающийся тем, что в смазочной композиции отсутствуют различные химические добавки, так как композиция получается путем обработки углеводородного масла высоковольтным разрядом (электрогидравлический удар), определенной амплитуды и частоты». Ошибка! Как раз в маслах и присутствуют различные добавки и присадки (кроме И-20А), и естественно они будут, и в конечном продукте, да и реакции будут другие, так как все присадки будут обязательно входить в процесс реакций. Очистки то нет. К тому же патентодержатели не учли, что в качестве основы для производства синтетического моторного масла, берут или эстеры, или полиальфаолефины (ПАО), или их смесь, а это совсем другие химические реакции, чем с минеральными маслами и естественно другой конечный продукт.Непонятно, причем здесь амплитуда, и частота, ведь они абсолютно не влияют на отсутствие химических добавок, какая-то выдумка. Далее, пункт 6 - «Способ получения смазочной композиции по любому из пп. 1, 4, отличающийся тем, что дополнительно вводится разрядная цепь». Это не является ни отличием, ни каким-то дополнением, так как без формирующего разрядника, по представленной схеме, он всего один, схем электрогидравлических установок просто не существует. К тому же, представленная схема электрогидравлической установки работать не будет, так как формирующий разрядник должен быть подсоединен последовательно, а не параллельно электродам, как на представленной схеме. Существуют сотни электрических схем ГИТ электрогидравлических установок, но, ни одной, с параллельным подключением формирующего разрядника. А это, «чтобы ток разрядной цепы поступал на систему регулирования зазора между двумя рабочими электродами», из области фантастики, так как правилами техники безопасности, это запрещено. Каждую единицу времени электрогидравлической обработки в установке происходит множество реакций углеводородов, и состав жидкости будет каждый раз кардинально отличаться от предыдущего. Так что заявление патентодержателей, «что через определенное время воздействия на масло по заявленному способу, смазочная композиция представляет собой наноуглеродную структуру, синтезированную из самого углеводородного масла, в виде одинаковых частиц, твердого наноуглерода, не выпадающего в осадок», неопределенное, некорректное, и не соответствует техническим определениям и требованиям. Ведь именно время является основополагающим фактором всех химических реакций. Как можно получить какой-то продукт химических реакций в системе постоянных разложений и превращений, без определения времени? Да и где режимы обработки? А, понятие синтеза твердого наноуглерода, здесь неуместно, так как, не соответствует действительности.

За прототип берем работу Жуковой Екатерины Михайловны на соискание ученой степени кандидата химических наук «Воздействие высоковольтного электрогидравлического разряда на физико-химические свойства нефти и нефтепродуктов». [21] Реферат. - Сайт Национальной электронной библиотеки - https://rusneb.ru/catalog/000199_000009_003452990/ Диссертация. - Сайт Российской Государственной библиотеки https://search.rsl.ru/ru/record/01004144060

В работе выносятся следующие основные научные положения:

закономерности в изменении физико-химических свойств нефти и некоторых нефтепродуктов при различных условиях их обработки высоковольтным электрогидравлическим разрядом, позволяющие направленно интенсифицировать крекинг-процессы;

механизм влияния электрогидравлической обработки на состав и физико-химические свойства некоторых компонентов нефти, в частности, получение из бензола и декана наноразмерных частиц сажи; при разложении фенола (в системе «фенол-вода-перекись водорода») до элементарного углерода и его оксидов, а из эфиров дикарбоновых кислот - соответствующих кислот;

увеличение выхода светлых фракций (в системе «нефть-сланцы») под влиянием высоковольтного электрогидравлического разряда при экстрагировании органической части горючих сланцев и последующей ректификации нефтяных экстрактов;

Жуковой Е.М. были подобраны режимы и предложены механизмы химического превращения и глубокого разложения углеводородов (фенола, декана, бензола, эфиров дикарбоновых кислот) с получением уникальных по физико-химическим свойствам соединений (например, наноразмерной углеродной сажи). По результатам исследования было показано, что бензол разлагается до образования углеродной сажи, которая характеризуется повышенной кислотностью рН≈5-6, а ее частицы однородны, обладают сферической формой, с наноразмерным диаметром 20-40 нм. Как видно из работы Жуковой Е.М., вопросы по изучению получения гомогенных систем с размерностью частиц менее 1 нм не ставились, а основой научной работы являлись исследования влияния высоковольтного электрогидравлического разряда на нефть, с целью интенсифицировать крекинг-процессы и систему «нефть-сланцы, с целью увеличение выхода светлых фракций, а также, получение наноразмерной углеродной сажи 20-40 нм из бензола и декана.

Известен «Способ обеспечения минимальных механических потерь в поршневых машинах - двигателях внутреннего сгорания. - Патент RU 2263217 С1 29.03.2004 [5] Опубликовано: 27.10.2005 Бюл. №30 Способ в поршневых машинах - двигателях внутреннего сгорания заключается в том, что поверхности деталей, составляющих основные пары трения в двигателях, обрабатываются контактной ультразвуковой установкой.

Способ неплох, но для качественной обработки составляющих пар трения, сложен в практическом исполнении.

За прототип принимаем Патент RU 2309274 С2 28.12.2005 Опубликовано: 27.10.2007 Бюл. №30 - способ обеспечения минимальных механических потерь в цилиндропоршневых группах двигателя внутреннего сгорания, при формировании покрытий поверхностей деталей без разборки двигателя. [6] Обеспечение минимальных механических потерь в цилиндропоршневых группах двигателя внутреннего сгорания, при формировании покрытий поверхностей деталей без разборки двигателя, заключается в том, что формируют покрытия поверхностей деталей, путем ввода в масляную систему двигателя заданного количества порошкового минерального материала, причем, вводимый материал имеет дисперсность до 20 мкм, при твердости частиц до 2100HV, и 1 мкм, при твердости частиц свыше 2100 HV. Недостатки данного способа, отложение минерала в масляном фильтре, и выход фильтра из строя.

Задачей изобретения является: - увеличить срок службы механизмов буровых платформ, буровых установок всех типов, прокатных станов, нефтяных насосов (качалок) всех типов, компрессоров поршневого типа, двигателей внутреннего сгорания всех типов, редукторов всех типов, без разборки механизмов, и подшипников любых типов. А также, увеличить срок службы различного оборудования других производств. Технический результат изобретения: - увеличение микротвердости поверхностного слоя металлов, снижение коэффициента трения, повышение динамических характеристик двигателей, снижение трибологических характеристик трущихся поверхностей, экономия энергоресурсов и электроэнергии.

Достигается технический результат в части первого пункта формулы тем, что применяют способ приготовления гомогенной системы, -распределенного атомарного углерода, в углеводородной жидкости, заключающийся в воздействии высоковольтного электрогидравлического разряда, на физико-химические свойства углеводородов, основой для получения гомогенной системы являются насыщенные углеводороды и/или ненасыщенные углеводороды и/или алициклические и/или ароматические углеводороды. Этому соответствуют дистиллятные вакуумные масляные фракции 350-420°С, 420-500°С, фракции выше 500°С, или базовое гидрокрекинговое масло, которые предварительно подвергают фильтрации через мембраны фильтрующие на молекулярном уровне, а затем направляют в гомогенизатор для создания эмульсии, дистиллированной воды 2-4% и 98-96% очищенного продукта - вакуумного дистиллята масла, или базового масла, полученную эмульсию направляют в электрогидравлическую установку, где обрабатывают ее разрядом, с длительностью процесса от шести часов до нескольких суток, зависящих от режима обработки жесткого - С < 0,1 мкф. > 50 кв.; среднего - C > 0,1 мкф. до 1,0 мкф. 20-50 кв, мягкого - С > 1,0 мкф. < 20 кв, состава дистиллята или базового масла, и объема обрабатываемого продукта, завершают режим обработки по прекращению разряда в реакторе, который определяется датчиком, при этом, полученный продукт становится проводником, затем, очищают полученный продукт ультрацентрифугой и получают гомогенную систему: - распределенного атомарного углерода, в углеводородной жидкости.

Получают принципиально новый класс вещества, гомогенную систему, распределенного атомарного углерода, в углеводородной жидкости, оказывающего комплексное воздействие на механизмы: - меняющего трибологические характеристики трущихся поверхностей, и создающего высокопрочный поверхностный слой на рабочих деталях из металлов.

Достигается технический результат в части второго пункта формулы тем, что применяют способ использования полученной гомогенной системы для обеспечения минимальных механических потерь в цилиндропоршневых группах двигателей внутреннего сгорания,_любых типов, и механизмов всех видов, без их разборки, включающий формирование покрытий на их поверхностях, и снижение коэффициента трения. Покрытие формируют вводом в масляную систему двигателей и механизмов гомогенной системы распределенного атомарного углерода, с получением на рабочих поверхностях деталей, карбидов металлов, а в масле двигателей, и механизмов, получают образования фуллеренов С60, С70, а также, частиц наноуглерода сферической формы, размерностью от 5 до 220 нм.

На фиг. 1 представлена: - Генетическая связь между группами углеводородов.

На фиг. 2 представлена: - Классификация углеводородов.

На фиг. 3 представлена: - Схема технологического цикла получения гомогенной системы

На фиг. 4 представлена: - Конструкция экспериментального устройства открытого цикла.

На фиг. 5 представлена: - Конструкция экспериментального устройства с замкнутым контуром обработки

На фиг. 6 представлены: - Лабораторные измерения микротвердости поверхности наноиндентором, по Викерсу, ГОСТ9450-76.

На фиг. 7 представлены: - Результаты исследования методом динамического рассеяния света.

Отличие нашей технологии от прототипа в том, что как видно из работы Жуковой Е.М., вопросы по изучению получения гомогенных систем с размерностью частиц менее 1 нм не ставились, а основой научной работы являлись исследования влияния высоковольтного электрогидравлического разряда на нефть, с целью интенсифицировать крекинг-процессы, систему «нефть-сланцы, с целью увеличения выхода светлых фракций, а также, получение наноразмерной углеродной сажи 20-40 нм из бензола и декана. По результатам исследования было показано, что бензол разлагается до образования углеродной сажи, а ее частицы однородны, обладают сферической формой, с наноразмерным диаметром 20-40 нм.

Мы же осуществляем действие высоковольтным электрогидравлическим разрядом на алифатические и циклические углеводороды - дистиллятные вакуумные масляные фракции 350-420°С, 420-500°С, фракции выше 500°С, или базовое гидрокрекинговое масло, и наш получаемый продукт гомогенная система, - распределенного атомарного углерода, в углеводородной жидкости.

Отличие нашей технологии от прототипа заключается в том, что обеспечение минимальных механических потерь в цилиндропоршневых группах двигателя внутреннего сгорания, без его разборки, достигается путем ввода в масляную систему двигателя, заданного количества безабразивной гомогенной системы: - распределенного атомарного углерода, в углеводородной жидкости, после чего, на поверхностях деталей ДВС образуются карбиды металлов, а в масле образуются фуллерены С60, С70 и частицы наноуглерода сферической формы, размерностью от 5 до 220 нм.

Изучив строение, химические свойства, и способы получения углеводородов различных групп, пришли к выводу, что все они генетически связаны между собой, то есть возможны превращения одних углеводородов в другие. Фиг. 1 В силу особенностей строения и свойств углерода, его соединения с водородом весьма многочисленны и разнообразны. Это обусловлено рядом структурных факторов, одному и тому же элементному составу молекул, одной молекулярной формуле, может соответствовать несколько различных веществ - изомеров. В этой связи, гомогенную систему - распределенного атомарного углерода, в углеводородной жидкости, с различной гибридизацией атомов углерода, можно получать из огромного многообразия: - насыщенных, предельных углеводородов, в которых имеются только простые связи С-С и отсутствуют кратные связи, ненасыщенных, непредельных углеводородов, содержащие наряду с одинарными связями С-С двойные и/или тройные связи, алициклических и даже из ароматических углеводородов. Как частный случай, углеводородной основе, для получения гомогенной системы, из большого многообразия алифатических и циклических углеводородов Фиг. 2, соответствуют дистиллятные вакуумные масляные фракции 350-420°С, 420-500°С, фракции выше 500°С, или гидрокрекинговое базовое масло, так как химический состав дистиллята и базового масла зависит от химического состава нефти, где представлены все классы углеводородов.

Существующие разновидности нефтей: -

парафиновые - содержание парафинов >75%,

нафтеновые - содержание нафтеновых соединений >75%,

ароматические - содержание ароматических соединений >50%,

смешанные - при отсутствии доминирующих соединений.

Предпочтение отдаем либо дистилляту, либо гидрокрекинговому базовому маслу. Получают его в большинстве своем, из парафиновой и нафтеновой нефти, а это класс алканов и циклоалканов и оно проходит обработку методом гидрокрекинга. Первичная обработка базового гидрокрекингового масла аналогична той, что применяется в случае изготовления минерального масла, и тот же процесс очистки от битумных веществ, смол, азота и серы, ароматических полициклических соединений и других примесей, но процесс гидроочистки базового масла от ненасыщенных углеводородов не производят, так как, чем больше ненасыщенных углеводородов в обрабатываемом растворе, тем меньше время его обработки. Далее, подвергают их дополнительной очистке методом очистки, основанным на фильтрации через специальные мембраны, фильтрующие на молекулярном уровне, которые, например, пропускают молекулу углеводородов и задерживают молекулу продуктов окислительной деструкции и другие нежелательные примеси. Первичный продукт готов. Технологический цикл получения гомогенной системы Фиг. 3

Гомогенизатором 4, создают эмульсию В/М - дистиллированной воды 2-4% 2 и 98-96% очищенного фильтрующими мембранами 3 продукта, (вакуумного дистиллята масла, или базового масла) 1 и подают ее в электрогидравлическую установку 5-6. Подвергают эмульсию электрогидравлической обработке, длительность процесса может составлять от шести часов до нескольких суток, в зависимости от режимов обработки (жесткий - С < 0,1 мкф. > 50 кв.; средний - C > 0,1 мкф. до 1,0 мкф. 20-50 кв, мягкий - 01,0 мкф. < 20 кв), состава дистиллята или базового масла, и объема обрабатываемого продукта. Необходимо отметить, что все химические элементы, участвующие в реакциях, находятся в жидкости не только в виде простых молекул, анионов и катионов или свободных радикалов, но и в виде ионов сложных комплексных молекул и даже коллоидов. Поэтому, на каждой из стадий обработки, мы будем иметь дело с совершенно различными жидкостями. Естественно, что с изменением и усложнением состава жидкости соответственно будут возрастать многообразие и сложность возникающих и образующихся химических веществ. Химические соединения, возникающие на первой стадии, а равно и во все последующие стадии общего процесса, в течение последующих стадий будут подвергаться всем специфическим воздействиям, свойственным этим стадиям, и под их влиянием будут изменяться и дальше. Нами разработаны методы, позволяющие во многих случаях в значительной мере выделять факторы процесса, действующие в каждой из указанных выше стадий. Химические процессы на конечной стадии затухания реакций наиболее сложны. Разнообразные, иногда очень неустойчивые химические соединения, возникшие за все предыдущие стадии общего процесса разряда, вступают в этот период в химическое взаимодействие, превращаясь при этом во все более и более стабильные соединения. Эта стадия затухания характеризуется большой длительностью протекания и может растягиваться до нескольких часов, и даже суток, окончание процесса обработки определяется по прекращению разряда в реакторе, специальным датчиком. Таким образом, конечный продукт будет результатом многих последовательных химических превращений и будет стабилен. Далее, очищают полученный продукт ультрацентрифугой 7 и получают гомогенную систему 8.

Реализация способа по п. 1 реализуется известными электрогидравлическая установками.

Устройство источника питания электрогидравлической установки комплектуется стандартным оборудованием. Силовое устройство включает в себя трансформатор, выпрямитель, блок конденсаторов, формирующий разрядник, соединительные кабели и различную стандартную измерительную и др. вспомогательную аппаратуру. За время с момента открытия эффекта, их созданы сотни, если не тысячи, и описывать оборудование, и его работу, нет смысла. Остановимся непосредственно на электрогидравлических установках, хотя это не принципиально. Получить гомогенную систему, в принципе, возможно, на установках ЭГР любой конструкции, все будет зависеть от режимов обработки жидкости, ее состава, ее объемов, ее времени обработки, и что не мало важно, методов контроля за происходящим процессом, и его коррекция. В нашем случае, на экспериментальных установках, исследовано применение двух типов конструкций, с открытым и замкнутым циклом и исследованы «жесткие» режимы сверхмощных разрядов.

Достижение одного итого же технического результата на разных установках.

Конструкция известного экспериментального устройства открытого цикла, используемая для реализации способа по п. 1. Фиг. 4

Устройство разрядника погружено в реактор с эмульсией (В/М) -дистиллированная вода 2-4% и 98-96% очищенного продукта, или вакуумного дистиллята масла, или базового масла. «Жесткий» режим электрогидравлического воздействия на эмульсию осуществлялся при рабочем напряжении установки U=50 кВ. Время обработки зависит от объема эмульсии в реакторе, и ее состава. Окончание обработки определяется прекращением разряда в реакторе, и определяется датчиком. Устройство реактора представляет бак емкостью 35 литров из нержавеющей стали толщиной 6 мм, с фиксирующейся крышкой, по центру которой установлен проходной изолятор. На крышке установлены устройства, позволяющие плавно регулировать зазор между электродами, и датчик начала и окончания работы устройства. Нижний стационарный электрод из титана полукруглой формы с прорезями для циркуляции эмульсии, установлен на высоте 30 мм от основания, верхний, подвижный, из вольфрама, толщиной 3 мм.

Конструкция известного экспериментального устройства с замкнутым контуром обработки, используемая для реализации способа по п. 1 Фиг. 5

Установка была специально создана для исследования действия сверхмощных разрядов на углеводороды. Эмульсия прогонялась по замкнутому контуру разрядом, по принципу насосов Юткина. «Жесткий» режим электрогидравлического воздействия на эмульсию осуществлялся при рабочем напряжении установки U=от 100 до 130 кВ и С<0,1 мкф. Время реакций значительно сократилось, но были зафиксирована мощная ионизация воздуха, и большое потребление электроэнергии.

Описание процессов, происходящих в эмульсии при электрогидравлическом разряде.

Метод приготовления гомогенной системы, - раствора, из атомов углерода, в углеводородной жидкости, основан на известном электрогидравлическом эффекте Юткина. Процессы, происходящие при электрогидравлическом разряде, многократно описаны, и мы не будем детально на них останавливаться. Обратим внимание только на ряд процессов необходимых ля получения гомогенной системы. Основными действующими факторами электрогидравлического эффекта являются:

высокие и сверхвысокие импульсные гидравлические давления, приводящие к появлению ударных волн со сверхзвуковыми скоростями;

значительные импульсные перемещения объемов жидкости, совершающиеся со скоростями, достигающими сотен метров в секунду;

мощные импульсно возникающие кавитационные процессы, способные охватить относительно большие объемы жидкости; инфра- и ультразвуковые излучения; механические резонансные явления с амплитудами, позволяющими осуществлять взаимное отслаивание друг от друга многокомпонентных твердых тел;

мощные электромагнитные поля (десятки тысяч эрстед);

многократная ионизация соединений и элементов, содержащихся в жидкости.

1. Одним из существенных факторов разряда является импульсное электромагнитное поле. Нарастающее электромагнитное поле вызывает образование на поверхности разряда тонкой оболочки с высокой плотностью энергии, прямо пропорциональной крутизне нарастания поля. Это явление, известное как скин-эффект, и хорошо изучено. Выталкивая заряды на периферию канала, скин-эффект создает скиновую оболочку канала, чем обеспечивает и облегчает идущую только через поверхность канала отдачу энергии вовне, непрерывно удаляя ее из центральных областей канала. За время расширения канала (10'~3-10~2 с) скиновая оболочка канала (с давлениями в ней до 2-104 МПа и выше) определяет скорость (достигает сверхзвуковых значений) расширения, и передачу давлений окружающей канал жидкости, преодолев существующие в ней внутренние давления (составляющие около 103 МПа). Нарастание электромагнитного поля вызывает центростремительное движение всех отрицательных зарядов в канале, и центробежное в стороны от канала всех положительных ионов. Это имеет важное практическое значение, так как способствует процессу самоизоляции разряда и росту его энергии. На стадии последующих полуволн появляется повторное возникновение достаточно мощного скин-эффекта с сопутствующим ему процессом образования скиновой оболочки и т.д. [1, 2, 3, 24]

2. Основными факторами, электрогидравлического эффекта, являются амплитуда, крутизна фронта, форма и длительность электрического импульса тока. Длительность импульса тока измеряется в микросекундах, поэтому мгновенная мощность импульса тока может достигать сотен тысяч киловатт. Крутизна фронта импульса тока определяет скорость расширения канала разряда. При подаче напряжения на разрядные электроды в несколько десятков киловольт, амплитуда тока в импульсе достигает десятков тысяч ампер, а значение электромагнитного поля лежит в области до (5-7)* 10⁵ Э. Электромагнитные силы разряда разделяются на чисто электрические, и чисто магнитные, со свойственной спецификой воздействия на строго определенные стороны протекающих процессов. Так, электрические силы действуют на ионы в жидкости, сообщая им движение к противоположно заряженным электродам, тем самым определяя само явление импульсного электролиза. Эти же силы действуют на неполярные молекулы и атомы, растягивая их в диполи, а при достаточно мощных воздействиях разрывают их на ионы, или радикалы. Они же при определенных условиях оказываются способными вырвать гидратированный ион из окружающей его «шубы» диполей, сообщив ему при этом скорость, значительно превышающую обычную. Аналогично действуют они и на упомянутый выше гидратированный электрон, не только определяя его существование, но и заставляя двигаться между частицами жидкости, как в вакууме, с высокими скоростями. [1, 2, 3, 24]

3. Другим фактором, действующим на обрабатываемую жидкость, является действие высоких и сверхвысоких импульсных гидравлических давлений (давление в эпицентре достигает сотни тысяч атмосфер, а мощность в единичном импульсе достигает 100000 квт), приводящих к появлению ударных волн со звуковой и сверхзвуковой скоростями. Происходят импульсные перемещения объемов жидкости, со скоростями, достигающими сотен метров в секунду. Появляются мощные, импульсно возникающие кавитационные процессы, охватывающие весь объем обрабатываемой жидкости и механические резонансные явления с амплитудами, позволяющими разорвать внутримолекулярные связи. [1, 2, 3, 24]

4. Следующий фактор, влияющий на обрабатываемую жидкость -температура канала стримера, достигающая 40000° и более. [1]

Это основные факторы, влияющие на состояние обрабатываемой жидкости.

Как мы знаем, углерод является диамагнетиком, причем обладающим одной из самой высокой восприимчивостью на единицу массы, и если поместить атом углерода в электромагнитное поле, то он всячески будет пытаться вытолкнуть это поле из себя. А это значит, что при обработке эмульсии из углеводорода и дистиллированной воды, электрогидравлическим разрядом «жесткого» режима (U=50 кВ с энергией импульсов W=500-600 кДж), или «сверхжесткого» режима (энергия в импульсе составляла от 500 Дж до 3000 кДж), мощное импульсное электромагнитное поле превышающее энергию диссоционных связей, буквально разрывает углеводородные цепочки, происходит гомолитический (симметричный) разрыв на свободные радикалы.

Энергия диссоциации связи С-Н известна, и она колеблется в зависимости от молекулярной массы и структуры молекулы в пределах 322…435 кДж/моль, энергия диссоциации связи С-С - 250…348 кДж/моль. При разрыве связи С-Н от углеводородной молекулы отрывается водород, при разрыве связи С-С углеводородная молекула разрывается на части с образованием радикалов. [7, 8, 13, 14, 17] Под действием мощного импульсного электромагнитного поля, сверхвысокого импульсного гидравлического давления, и кавитационных процессов в эмульсии (углеводородного сырья и дистиллированной воды) происходит деструкция молекул, вызванная микрокрекингом молекул и процессами ионизации. В начальной стадии обработки электрогидравлическим разрядом в эмульсии алканов и дистиллированной воды, под действием импульсного электромагнитного поля, температурного импульса и высокого давления происходит расщепление углерод-углеродных связей с образованием алкильных радикалов. Энергия углерод - углеродных связей, в алканах, близка по величине для первичных, вторичный, третичных и четвертичных атомов углерода, и составляет 88-81 ккал/моль. [11, 16, 19, 26] В жестких условиях разряда, расщепление любой связи СН2 - СН2 в нормальных алканах равновероятно, - образуется структура алкена и новый алкан, происходит микрокрекинг.

В дальнейшем, весь процесс многократно повторяется. Для свободных алкильных радикалов характерны два основных типа превращения: - рекомбинация и диспропорционирование. В нашем случае основным направлением дальнейшего превращения радикалов оказывается диспропорционирование. Хотя, по нашему мнению, на разных стадиях процесса, происходит и то и другое. Существуют два основных типа диспропорционирования свободных алкильных радикалов. [26]

В одном из них радикал отщепляет атом водорода от исходного алкана или алкана, образующегося в результате рекомбинации радикалов:

Это превращение получило название реакции переноса радикальной цепи.

Другой тип диспропорционирования алкильных радикалов называется β-расщеплением (β-распадом). В результате β-распада получается алкен и новый радикал с неспаренным электроном на β-углеродном атоме по отношению к положению неспаренного электрона в исходном радикале. Далее этот процесс может многократно повторяться.

На следующей стадии процесса, образуются метальный, этильный и пропильный радикалы. Рекомбинация этих радикалов приводит к образованию смеси этана, пропана, бутана, пентана и гексана, которые тут же подвергаются повторному расщеплению. [17, 18, 20, 26] Под действием постоянных разрядов, в обрабатываемой жидкости, в каждую единицу времени происходят переходные физико-химические реакции, в результате которых в системе эмульсии постоянно образуются «активированные» частицы: свободные радикалы, в том числе и устойчивые свободные радикалы с трехвалентным углеродом, которые образуются при диссоциации по С-С, ионы - (атом углерода С в зависимости от типа гибридизации, sp 3, sp 2 или sp, образует ионы,- С 4-, (С-С) 4-, (С=С=С) 4-, (С=С) 2-), ионно-радикальные образования, и идет постоянная деструкция молекул углеводорода. [14, 15, 16, 19] На сегодняшний день, эти процессы полностью не изучены, а механизмы реакций не описаны. Процесс может длиться от 6 часов до нескольких суток до тех пор, пока жидкость не приобретает однородность. Когда состояние жидкости будет раздроблено до устойчивых радикалов или ионов размером менее 1 нм, эмульсия переходит в стабильный раствор, жидкость становится проводником и разряд в реакторе прекращается. Это сигнализирует об окончании процесса. Описан процесс превращений и химических реакций при приготовлении гомогенной системы, - распределенного атомарного углерода, в углеводородной жидкости, в основном, из алканов. Анализируя таблицу генетической связи между группами углеводородов Фиг. 1, приходим к пониманию, что свойства углеводородов зависят от химического, пространственного, электронного строения молекул и характера химических связей. Главную роль в углеводородах играет пространственная ориентация атомных орбиталей углерода, поскольку сферическая Is-АО атома водорода лишена определенной направленности. Пространственное расположение АО углерода в свою очередь зависит от типа его гибридизации. Вид гибридизации атомных орбиталей углерода, играет определяющую роль в особенностях строения и свойств углеводородов. Вид гибридизации изменяется при переходе от одной разновидности углеводородов к другой. При длительном воздействии высоковольтного электрогидравлического разряда на физико-химические свойства углеводородов, энергиями, многократно превышающими энергию диссоционных связей, происходит постоянный переход от одной разновидности углеводородов к другой. Примером служит вышеописанный микрокрекинг алканов, в результате которого получается алкен и еще один алкан, и т.д., до раствора распределенного атомарного углерода, в углеводородной жидкости. При исследовании других составов углеводородов, для получения гомогенной системы, по данной технологии, были определены закономерности и особенности формирования составов раствора для обработки высоковольтным разрядом. Так что, гомогенную систему: - распределенного атомарного углерода, в углеводородной жидкости, с различной гибридизацией атомов углерода, по заявленному способу, получают из всего многообразия алифатических и циклических углеводородов, следует только правильно подобрать их состав из огромного количества гомологов и изомеров, и на их базе, создать общий состав обрабатываемого раствора.

В итоге мы получаем стабильный раствор, из атомов углерода (радикалов, ионов, и ионно-радикальных образований), в углеводородной жидкости, который при взаимодействии атомов углерода с металлами при определенных условиях (двигатели внутреннего сгорания ДВС, лопатки турбин, пары трения, и т.д.) на их поверхностях образуют высокопрочный поверхностный слой из ионных, ковалентных и металлоподобных карбидов. Металлоподобные карбиды (ионно-ковалентно-металлические) образуют переходные металлы IV-VIII гр., Со, Ni и Fe. В этих карбидах, связь металл -углерод -ковалентная, причем атом С отрицательно заряжен. Ковалентные карбиды образуют В и Si; атом С в этих соединений находится в состоянии -sp 3 -гибридизации. [27, 28] Ввиду того в машинах и механизмах чистых металлов нет, то карбидные образования на поверхности металлов, будут комплексными, в зависимости от состава сплава.

Опытным путем определены способы и этапы обработки ДВС

На хорошо прогретый до температуры 80-90 градусов двигатель, дозатором-распылителем, вместе с входящим в двигатель потоком воздуха, подается расчетное количество (за основу расчета берется объем обрабатываемого двигателя) раствора. Обработка двигателя производится по времени 20-30 минут, с определенными временными интервалами, цель которых:

1. Cоздание начальной фазы растворения и очистки двигателя от образованного нагара на деталях двигателя.

2. Создание распределенной фазы диффузии углерода в металл, и создания начальной стадии образования карбидов металлов на деталях двигателя.

Через некоторое время из выхлопной трубы начинает идти пар с сажистыми отложениями, образовавшимися в результате эксплуатации двигателя.

Окончание обработки определяется тем, что количество пара из выхлопной трубы на работающем двигателе резко снижается, а сажистые образования исчезают. Проводятся замеры компрессии до обработки и после. После обработки, компрессия в двигателе увеличивается и выравнивается по всем цилиндрам. С ростом компрессии улучшается экологичность выхлопа и уменьшается расход топлива. Одновременно с этим, вводится расчетное количество раствора, из расчета объема двигателя, в топливную систему и в масляную горловину, для создания поверхностного слоя на деталях двигателя в 0,5 микрон, из карбида металла. Кроме этого, при отработке технологических режимов, нами было определено, что превышение расчетного количества раствора на 3-4%, для введения в масляную горловину двигателя, ведет к образованию в объеме масла, фуллеренов С60, С70, и частиц наноуглерода сферической формы, размерностью от 5 до 220 нм, которые способствуют значительному снижению коэффициента трения в двигателе.

Следующая обработка двигателя через 100000 км. Обработка лопаток турбин двигателей раствором, производится дозатором распылителем, из расчета площади лопаток. Обработка подшипников, производится из расчета площади трения. Обработка редукторов из расчета 8-10% раствора, от объема масла, и по времени от 48 до 96 часов. Каждый конкретный случай обработки, требует предварительного изучения и расчетов.

В качестве наглядного эксперимента, бензопила Штиль объемом 40 куб. см. была обработана гомогенной системой, после 20 моточасов работы разобрана, цилиндр распилен на образцы. После этого были произведены лабораторные измерения микротвердости поверхности наноиндентором, по Викерсу, ГОСТ9450-76. Результаты испытаний, представленные в виде графика и таблиц Фиг. 6, показали увеличение микротвердости в 7 раз на глубину 5 микрон.

В качестве другого эксперимента был взят редуктор заднего моста УАЗ Патриот, объемом - 1,33 л. Очищен, промыт, и были залиты: - масло И-2ОА - 0,933 л, и гомогенная система - 0.1 л. После пробега 800 км масло было слито и исследовано при помощи метода динамического рассеяния света. Согласно данным о методах определения размеров частиц, в зависимости от диапазона измеряемых частиц, данный метод применяется для регистрации частиц в диапазоне от 5-100 нм. Исследования были осложнены наличием в масле «пыли» (технический термин), различной взвеси. Устойчиво было определено наличие частиц наноуглерода размерностью 17-220 нм, хотя хорошо фиксировались частицы с размерностью 5-10 нм и менее. Подготовка исследования: - образец приготавливался растворением 10 микролитров масла в 2-х миллилитрах эталонного Н-Гептана. Данные исследования отражены в таблице. Фиг. 7

Список использованной литературы

1. Л.А. Юткин. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности

2. Дудышев В.Д академик РЭА, д.т.н. Самара. Самарский технический университет. Методы преобразования энергии электрогидравлического удара и кавитации жидкости в тепло и иные виды энергии

3. Патент RU 2483101 С2 - Способ получения смазочной композиции

4. Патент RU 2574585 С2 06.02.2014 смазочная композиция и способ ее приготовления

5. Патент RU 2263217 С1 29.03.2004 - способ обеспечения минимальных механических потерь в поршневых машинах - двигателях внутреннего сгорания

6. Патент RU 2309274 С2 28.12.2005 - способ обеспечения минимальных механических потерь в цилиндропоршневых группах двигателя внутреннего сгорания, при формировании покрытий поверхностей деталей без разборки двигателя

7. Байрамов В.М., 2005 Основы электрохимии

8. Лукомский Ю.Я., Гамбург Ю.Д. Физико-химические основы электрохимии

9. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Цирлина Теоретические основы электрохимии

10. Багоцкий B.C. Основы электрохимии

11. Кубасов В.Л., Зарецкий С.А. Основы электрохимии

12. Левин А.И Теоретические основы электрохимии

13. М.Бейзер, Х.Лунд. Органическая электрохимия, Книга 2 (1988, djvu)

14. Тарасевич М.Р. Электрохимия углеродных материалов

15. Под общ. ред. Д. Бартона и У.Д. Оллиса. Т. Стереохимия, углеводороды, галогенсодержащие соединения/Под ред. Дж. Ф. Стоддарта. - Пер. с англ./Под ред. Н.К. Кочеткова. - М.: Химия, 1981 - 736 с. Общая органическая химия

16. М. Бейзер, Х. Лунд. Органическая электрохимия, Книга 1 (1988, djvu)17. М.Бейзер,

17. Х. Лунд. Органическая электрохимия, Книга 2 (1988, djvu)

18. Моррисон Р., Бойд Р. Органическая химия. Перевод с англ. М.:"Мир", 1974. - 1133 с.

19. Импульсная химия https://msd.com.ua/elektrogidravlicheskij-effekt-i-ego-primenenie-v-promyshlennosti/impulsnaya-elektroximiya/

20. Б.Б. Дамаскин, О.А. Петрий, Г.А. Цирлин Импульсный электрохимический метод

21. Жукова Е.М. Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук «Воздействие высоковольтного электрогидравлического разряд на физико-химические свойства нефти и нефтепродуктов». Реферат.- Сайт Национальной электронной библиотеки - https://rusneb.ru/catalog/000199_000009_003452990/ Диссертация. - Сайт Российской Государственной библиотеки - https://search.rsl.ru/ru/record/01004144060

22. Юшков Ю.Г., Гричневский Е.А., Климов А.С., Юшков А.Ю. Исследование инициирования электрического разряда в воде при разработке электрогидравлической технологии

23. Севостьянов В.П., Ракитин С.А., Пудовкин Н.Г. Установка электрогидравлического удара. // Приборы и техника эксперимента, 2000. - №3. С. 321-324.

24. Несветайлов Г.А., Серебряков В.А. Теория и практика электрогидравлического эффекта. Минск: ИНТИП, 1966. - 36 с.

26. Сайт химического факультета МГУ Крекинг алканов http://chembaby.com/kreking-alkanov/.

27. Косолапова Т.Я. Карбиды Изд-во М «Металлургия» 1968 г. 300 стр.

28. КАРБИДЫ - Химическая энциклопедия https://yandex.ru/search/?lr=39&clid=2269813-306&win=235&text=%D0%BA%D0%B0%D1%80%D0%B1%D0%B8%D0%B4%D1%8B.

.

Настоящее изобретение относится к способу приготовления гомогенной системы распределенного атомарного углерода в углеводородной жидкости, а также к способу формирования с его помощью поверхностного слоя из карбидов металлов на всех трущихся поверхностях двигателей внутреннего сгорания (ДВС), компрессоров поршневого типа, различных механизмов без их разборки, лопаток турбин, редукторов, подшипников скольжения и качения всех видов и т.д. В результате обработки раствором происходит образование металлоподобных (ионно-ковалентно-металлических) карбидов на поверхности металлов, а в масле двигателей, компрессоров, редукторов и других механизмов происходит образование фуллеренов С60, С70 и частиц наноуглерода сферической формы размерностью от 5 до 220 нм, независимо от состава используемого масла. Технический результат изобретения - увеличение микротвердости поверхностного слоя металлов, снижение коэффициента трения, повышение динамических характеристик двигателей, снижение трибологических характеристик трущихся поверхностей, экономия энергоресурсов и электроэнергии. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ приготовления гомогенной системы распределенного атомарного углерода в углеводородной жидкости, заключающийся в воздействии высоковольтного электрогидравлического разряда на физико-химические свойства углеводородов, отличающийся тем, что основой для получения гомогенной системы являются дистиллятные вакуумные масляные фракции 350-420°С, 420-500°С, фракции выше 500°С или базовое гидрокрекинговое масло, насыщенные углеводороды и/или ненасыщенные углеводороды, и/или алициклические, и/или ароматические углеводороды, которые предварительно подвергают фильтрации через мембраны, фильтрующие на молекулярном уровне, а затем направляют в гомогенизатор для создания эмульсии дистиллированной воды 2-4% и 98-96% очищенного продукта - вакуумного дистиллята масла или базового масла, полученную эмульсию направляют в электрогидравлическую установку, где обрабатывают ее разрядом с длительностью процесса от шести часов до нескольких суток, зависящих от режима обработки жесткого - С < 0,1 мкф. > 50 кв.; среднего - C > 0,1 мкф. до 1,0 мкф. 20-50 кв, мягкого - C > 01,0 мкф. < 20 кв состава дистиллята или базового масла и объема обрабатываемого продукта, завершают режим обработки по прекращению разряда в реакторе, который определяется датчиком, при этом полученный продукт становится проводником, затем очищают полученный продукт ультрацентрифугой и получают гомогенную систему распределенного атомарного углерода в углеводородной жидкости.

2. Способ использования полученной по п. 1 гомогенной системы для обеспечения минимальных механических потерь в цилиндропоршневых группах двигателей внутреннего сгорания любых типов и механизмов всех видов без их разборки, включающий формирование покрытия на рабочих поверхностях деталей и снижение в них коэффициента трения, отличающийся тем, что покрытие формируют вводом в масляную систему двигателей и механизмов гомогенной системы распределенного атомарного углерода с получением на рабочих поверхностях карбидов металлов, а в масле двигателей и механизмов образование фуллеренов С60, С70, а также частиц наноуглерода сферической формы размерностью от 5 до 220 нм.