25% всех мировых энергетических ресурсов в виде самых высококачественных жидких углеводородных энергоносителей потребляется для приведения в движение Двигателей Внутреннего Сгорания (ДВС) транспортных средств.
Жидкие углеводороды получают путём прямой перегонки или крекинга нефти, при этом в технологических процессах они последовательно выкипают в диапазоне следующих температур: Петролеумный эфир 30-90С°
Бензины 60-150С°
Керосин 100-200С°
Лигроин 150-360С°
Дизельное топливо 210-540С°
Каждая из этих перечисленных фракций сама состоит из смеси порядка 100-200 различных по своей химической структуре углеводородов, при этом при переходе от более лёгкой к более тяжёлой фракции увеличиваются размеры и разветвлённость молекул углеводородов, а также, соответственно, увеличивается их температура вспышки и самовоспламенения.
При использовании жидких топлив в процессах их сжигания в рабочих камерах ДВС при температуре порядка 2500С° или 2773К молекулы углеводородов вначале расщепляются на отдельные атомы, после чего вступают в реакцию с кислородом (О2) горючей смеси, выделяя тепло, которое затем преображается в механическую работу нагрузки транспортного средства.
Всё это подтверждается на практике на основе теорий химической кинетики, горения и термодинамики.
Коэффициент полезного действия (КПД) всех ДВС, работающих на жидких углеводородах, в среднем, не превышает 35%, а всё остальное в виде сбросной теплоты уходит в окружающую среду и загрязняет её вредными выбросами.
Для полного использования жидкого топлива в ДВС объективно существует непреодолимый барьер, заключающийся в том, что дальнейшее серьёзное увеличение КПД и уменьшение вредных выбросов от ДВС невозможно из-за того, что Энтальпия (тепловой эффект) жидких углеводородов в существенной степени в данной температурно-дисперсной ситуации расходуется на нежелательное расщепление молекул азота воздуха (N2) и последующее их окисление в окислы азота (NОх).
Кроме этого, при резко переменных нагрузках тяговых ДВС происходит повышенное потребление жидкого топлива и выбросов вредных веществ, а именно:
при увеличении нагрузки в ДВС возрастает потребление топлива и возникает нехватка молекул О2 воздуха и избыток атомов углерода (С), отчего в выбросах преобладает чрезмерное количество ядовитых молекул СО и несгоревших атомов С в виде сажи,
при уменьшении нагрузки в ДВС снижается потребление топлива и возникает избыток молекул О2 воздуха и недостаток атомов С, отчего в выбросах преобладает чрезмерное количество молекул NОх, при этом падает тепловое напряжение в рабочих объёмах ДВС и теряется их мощность.
В ДВС жидкие углеводороды горят неравномерно и неровно из-за своего разнокалиберного химического состава и отсутствия удовлетворительной дисперсии (распыления) частиц топлива (особенно для высококипящего дизельного топлива), отчего происходят механические судороги (детонация) движущихся частей ДВС в рабочих камерах, падение КПД и неустойчивая работа ДВС.
В результате всего этого проблемы полного и эффективного сжигания горючего и получение высокого КПД в ДВС на основе жидких углеводородов остаются объективно неразрешимыми.
Если принять установившуюся температуру в камерах сгорания ДВС Т1=2500С° или 2773К, а температуру на его наружной поверхности Т2=27С° или 300К, то в соответствии с основами термодинамики можно получить от такого ДВС теоретический КПД на уровне 89%.
На практике с учётом указанных термодинамических ограничений, тепловых и механических потерь иметь такой КПД от ДВС никак невозможно, и можно только бесконечно стремиться приблизиться к такому КПД.
В течение всего ХХ века учёные и инженеры искали смеси, составы и композиты в качестве эффективного и экологически безопасного топлива для ДВС и находили удачные вещества, однако получать их в промышленных масштабах и в больших количествах с приемлемой стоимостью не было реальной возможности.
Экологически чистые ДВС с высоким КПД порядка 75% уже давно построены и работают, но только пока на уровне опытных демонстрационных установок.
