Атомарный водородный двигатель внутреннего сгорания
Экологически чистый атомарный водородный двигатель внутреннего сгорания (АВ ДВС) отличается от других ДВС (бензиновых, дизельных, газовых) тем, что в нем, в качестве однокомпонентного топлива, используется атомарный водород.
За счет реконструкции ДВС, его систем питания, зажигания, электрооборудования и выхлопа создаются условия, обеспечивающие разложение молекулярного водорода на атомарный водород и рекомбинацию последнего в молекулярное состояние.
При изготовлении цилиндров двигателя, в них создается вакуум - 0,06 мм.рт.ст. (7,8 Па). Наружные (боковые) поверхности поршней и колец покрываются антифрикционным материалом ФКН-14 (65% фторопласта-4; 5% - дисульфида молибдена, 20% - графита и 10% - стекловолокна), заменяющим масляную смазку разбрызгиванием.
Внутренняя поверхность цилиндров сверху, на протяжении хода поршня, а также поверхности головок поршней и клапанов легируются Mg, Th, Zn, Zr, Mn.
Боковые электроды свечей зажигания удаляются, в головки поршней («заподлицо») вмонтируются катоды, покрытые Ва.
Система искрового зажигания заменяется зажиганием посредством накала (тлеющего разряда), при этом катушка зажигания имеет только первичную обмотку.
Для получения напряжения постоянного тока 42 В на автомобиль устанавливается вентильная генераторная установка с выпрямительным блоком и аккумуляторная батарея или электролизер на напряжение 42 В (для питания стартера и обеспечения зажигания посредством накала - тлеющего разряда) с отпайкой на напряжение 12 В (для питания остального электрооборудования автомобиля).
Система питания АВ ДВС включает в себя баллон из легированной стали объемом 40 л при давлении 14,7 МПа (150 кгс/см2), содержащий 6 м 3 электролитического молекулярного водорода и газовое оборудование (см. рис.3).
Благодаря замкнутой системе питания, АВ ДВС не загрязняет атмосферу выхлопными газами и поэтому, в этом отношении, является экологически чистым, практически на 100%.
Эффективный КПД двигателя объемом 1,2 л, равен 87,3%, мощность 128 л.с. (94,45 кВт).
Стоимость молекулярного водорода, расходуемого на 100 км, меньше стоимости бензина на 30% (данные на 01.08.01 г.)
Область техники, к которой относится полезная модель
Двигатели внутреннего сгорания.
Уровень техники
Аналог полезной модели - газобаллонные автомобили, работающие на сжатом природном газе (СПГ) [1, 2].
Прототипы полезной модели - двигатели внутреннего сгорания, работающие на молекулярном водороде (газообразном).
Ввиду громоздкости, сложности и дороговизны используемых в таких двигателях систем хранения водорода эти двигатели не нашли широкого распространения.
Основной особенностью реконструированного двигателя внутреннего сгорания (бензинового) является его способность использовать в качестве однокомпонентного топлива атомарный водород, который при рекомбинации, по уравнению 2H
H2+2,15×105 кДж/кг (51,352×103 ккал/кг), выделяет тепла в 16,5 раза больше, чем его выделяется при сжигании молекулярного водорода по уравнению 2Н+О2H2O+1,3×104 кДж/кг (3,105×103 ккал/кг) и в 4,9 (43,9×103 кДж/кг; 10,477×10 3 ккал/кг) раза больше, чем выделяется тепла при сжигании бензина [3].
Сущность полезной модели
Сущность полезной модели и существующие признаки.
Реконструкция двигателя внутреннего сгорания (цилиндров, систем питания, зажигания и смазки цилиндров), обеспечивающая разложение молекулярного водорода на атомарный и рекомбинацию последнего в исходное состояние.
Техническим результатом полезной модели (всей реконструкции) является атомарный водородный двигатель внутреннего сгорания (АВ ДВС), использующий в качестве однокомпонентного топлива атомарный водород.
Перечень рисунков с подрисуночными подписями
Рис.1. Реконструированный цилиндр четырехтактного карбюраторного двигателя.
Рис.2. Принципиальная схема системы зажигания посредством накала («тлеющего» разряда).
Рис.3. Принципиальная схема системы питания с газовым оборудованием.
Рис.4. Структурная схема электрооборудования.
Рис.5. PV-диаграмма АВ ДВС.
Рис.6. TS-диаграмма АВ ДВС.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели
Легковые автомобили на водороде работали еще в годы войны в Ленинграде [4].
Академики Е.А.Чудаков и И.Л.Варшавский в 1948-1949 годах провели в Академии наук СССР исследования работы двигателей на водороде [5].
В 60-х годах в США рядом фирм и университетов по заданиям автомобильных фирм начались широкие исследования по возрождению водородного двигателя [6].
В 1989 году в США насчитывалось более 20 типов автомобилей, использовавших в качестве горючего водород [7]. Как показали результаты испытаний, двигатели этих автомобилей работали нормально [8].
В 1971 году на энергетической конференции в Бостоне сообщалось об успешной реконструкции четырех бензиновых двигателей для работы на водороде [9].
В настоящее время, водородные двигатели работают на молекулярном водороде (сжатый газ или жидкость) по следующим схемам:
1) в электромобиле АвтоВАЗовского АНТЭЛа (автомобиль на топливных элементах) обычный двигатель внутреннего сгорания заменен на топливные ячейки (водородный электрохимический генератор);
2) Honda FCX - на топливные ячейки с пакетом конденсаторов, управляемых компьютером;
3) в автобусах «Форда», «Даймлер-Бенц», «Тойеты» и «Дженерал моторз» - на установки электроснабжения, когда на крыше автобуса устанавливается криогенная емкость с жидким водородом, а кислород берется из воздуха;
4) в автомобилях Daimler Chrysler, Necar4 - на приводе с водородно-кислородными топливными элементами;
5) у BMW750HL - на водородную систему, в которой во впускном тракте системы подготовки горючей смеси устанавливают дополнительные впускные клапаны для водорода.
В компании BMW создан также самый быстрый на сегодняшний день автомобиль H2R, работающий на водородном топливе и развивающий скорость более 300 км/ч.
6) на лондонских автобусах автоконцерна «Даймлер-Крайслер» будут устанавливаться двигатели с водородными топливными ячейками, вырабатывающими электричество.
Атомарный водород получается в цилиндрах двигателя (АВ ДВС) при пропускании тлеющего разряда через электролитический молекулярный водород, находящийся в разреженном состоянии (p=7,8 Па (0,06 мм.рт.ст.) - 66,5÷70 Па (0,5-0,526 мм.рт.ст.). Такой вакуум создается при изготовлении цилиндров.
Электролитический водород подается в цилиндры АВ ДВС из находящегося на борту автомобиля стального легированного баллона объемом 40 л., при давлении 14,7 (150) МПа (кГс/см2 ).
На тактах «впуск» и «сжатие» молекулярный водород диссоциирует на атомарный, а на такте «рабочий ход» атомарный водород ассоциирует в молекулярный. Остаток ассоциированного молекулярного водорода на такте «выпуск» выбрасывается в трубопровод, подающий его снова в двигатель.
Таким образом, атомарный водород получается в двигателе непосредственно перед его использованием и нам не требуется иметь его запас на борту автомобиля, да это и невозможно, так как время жизни атомарного водорода в обычных условиях не превышает полусекунды и даже сверхнизкие температуры не сильно изменяют эту цифру.
1. Конструктивные изменения в цилиндрах двигателя
Внутренняя поверхность цилиндров сверху, на протяжении хода поршня, а также поверхности головок поршней и клапанов легируются Mg, Th, Zn, Zr, Mn.
Наружные боковые поверхности поршней и колец покрываются антифрикционным материалом ФКН-14 (65% - фторопласта-4; 5% - дисульфида молибдена; 20% - графита и 10% - стекловолокна) [10], применяемым для уплотнения поршней и сальников компрессоров, детандеров и жидкостных насосов.
Такое покрытие антифрикционным материалом позволяет отказаться от масляной смазки цилиндров разбрызгиванием.
В головки поршней вмонтируются электроды (катоды «-»).
Катоды покрываются барием (Ва), из которого электроны выбиваются ионами водорода особенно легко, обеспечивая тем самым горение тлеющего разряда.
Центральный электрод свечи зажиганий (анод «+») (Рис.2) подключается через распределитель зажигания к «+» аккумуляторной батареи или электролизера, превращаясь в анод. Боковой электрод свечи зажигания демонтируется. В будущем предполагается вместо аккумулятора на борте автомобиля устанавливать электролизер.
Благодаря свободному выбиванию ионами водорода электронов из катода (Ва), обеспечивается понижение напряжения накала (катодного напряжения) до уровня зажигания тлеющего разряда - свыше 36 В (в нашем случае - 42 В [11]).
2. Конструктивные изменения в системе питания
Карбюратор, бензиновый бак, насос и система выхлопа четырехтактного карбюраторного двигателя внутреннего сгорания заменяются газовым оборудованием (рис.3), устанавливающимися в настоящее время на газобаллонных автомобилях, в которых в качестве топлива используют сжатый природный газ (СПГ).
Молекулярный электролитический водород, при запуске двигателя, потребляется из установленного в багажнике автомобиля газового баллона из легированной стали емкостью 40 л, массой 51,5 кг, в котором при давлении 14,7 МПа (150 кгс/см) содержатся 6 м3 Н2 [12].
Этого количества водорода хватит для движения автомобиля со средней скоростью 80 км/час на 462 км.
При изготовлении цилиндров двигателя, в них создается давление 7,8 Па (0,06 мм.рт.ст.).
При сжатии (второй такт работы двигателя) давление в в.м.т. достигает 66,5 Па (0,5 мм.рт.ст.) - при кратности сжатия 8,5 (автомобили ВАЗ). На этом такте при достижении давления в цилиндре 13,3 Па (0,1 мм.рт.ст.), на электроды от прерывателя-распределителя (рис.2) подается напряжение постоянного тока 42 В, обеспечивающее горение тлеющего разряда в молекулярном водороде.
Начиная с этого времени, и до достижения поршнем в.м.т., молекулярный водород превращается в атомарный. Происходит термическая диссоциация водорода - автокаталитическая реакция, протекающая по схеме [3]:
Н2+АH+Н+А,
где А - электрон катода бария.
В конце такта сжатия напряжение постоянного тока снимается и тлеющий разряд прекращается.
На третьем такте (рабочий ход) атомарный водород рекомбинирует в молекулярное состояние с выделением тепла [3, с.88], по уравнению:
2HН2+2,15×105 кДж/кг,
что открывает возможность использования атомарного водорода в качестве однокомпонентного горючего.
На четвертом такте оставшийся в результате преобразований рекомбинированный молекулярный водород выпускается в замкнутую систему впускных трубопроводов (рис.3).
Для определения количественных соотношений молекулярного водорода на тактах впуска и выпуска и сравнения с расчетными данными (см. PV и TS - индикаторные диаграммы - рис.5 и рис.6) требуется провести испытание макетного образца двигателя.
В состав топливной системы АВ ДВС входит газовый баллон из легированной стали объемом 40 л и газовое оборудование (см. рис.3).
3. Конструктивные изменения в системах электрооборудования и зажигания Конструктивные изменения в системах электрооборудования и искрового зажигания позволяют обеспечить зажигание посредством накала - тлеющего разряда (рис.2).
С этой целью:
1. На автомобиль устанавливается вентильная генераторная установка с выпрямительным блоком на 42 В постоянного тока и аккумуляторная батарея на то же напряжение.
К клеммам аккумуляторной батареи 42 В ключом зажигания подключается стартер и генератор, изготовленные для работы при U=42 В.
Все остальное электрооборудование автомобиля подключается отдельным ключом, установленным дополнительно на панели приборов, к клеммам аккумуляторной батареи 12 В или электролизера 42 В, имеющего отпайку на 12 В.
В последующем, возможно будет использовать генератор, интегрированный в маховике, который одновременно служит стартером (устройство ADIVI - Alternateur Demarreur Integre au Volant d
Intertie) [11].
2. У катушки зажигания используется только первичная отмотка низкого напряжения. На центральный электрод прерывателя-распределителя зажигания подается напряжение 42 В и одновременно происходит подзарядка конденсатора, установленного на корпусе прерывателя-распределителя и подключенного параллельно его контактам.
3. У свечей зажигания демонтируются боковые электроды.
4. В головки поршней («заподлицо») вмонтируются покрытые Ва катоды, соединяющиеся с «массой».
Список литературы
1. Газобаллонные автомобили: Справочник/ А.И.Морев, В.И.Ерохов, Б.А.Бекетов и др. - М.: Транспорт, 1992.
2. Морев А.И., Ерохов В.И. Эксплуатация и техническое обслуживание газобаллонных автомобилей: Учебное пособие для проф. обучения рабочих на производстве - М.: Транспорт, 1988.
3. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Справ, изд. / Д.Ю.Гамбург, В.П.Семенов, Н.Ф.Дубовкин, Л.Н.Смирнова; Под ред. Д.Ю.Гамбурга, Н.Ф.Дубовкина, - М.: Химия, 1989.
4. Знание - сила. 1975. №3. С.10-12.
5. Цукерман В.А. Химия и жизнь. 1977. №9. С.19-27.
6. Schoeppel R.I. // Chem. Technol. 1972. №8. P.476-480.
7. Инженер-нефтяник. 1971. №11. С.75.
8. Морчетти С.Атомная техника за рубежом. 1975. №10. С 28-32.
9. Proceedings Intersoc. Energy. Conv. Engin. Conf. Eng. Conf. Boston. Mass. 1971. Aug.P.3-6.
10. Глизманенко Д.Л. Получение кислорода. М.: Химия. 1972.
11. Работы RENAULT над бортовой 42 В электросетью // Бизнес бюллетень (серия «Автокомплекс»). 2003. 1 (12). С.20.
12. ГОСТ 949-73
. Баллоны стальные малого и среднего размера для газов на Pp
19,6 МПа (200 кгс/см2). Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1992.
Атомарный водородный двигатель внутреннего сгорания (АВ ДВС), использующий в качестве однокомпонентного топлива атомарный водород, характеризуется наличием цилиндров, выполненных с вакуумом 7,8 Па, в головку каждого из поршней вмонтирован электрод в виде катода, покрытого Ва, внутренняя поверхность цилиндров на протяжении хода поршня, а также поверхности головок поршней и клапанов легированы Mg, Th, Zn, Zr и Mn; системы питания, включающей в себя баллон из легированной стали объемом 40 л при давлении 14,7 МПа, содержащий 6 м электролитического молекулярного водорода, и газовое оборудование газобаллонных автомобилей, использующих сжатый природный газ (СПГ) в качестве топлива; системы электрооборудования с вентильной генераторной установкой, выпрямительным блоком и с аккумуляторной батареей или электролизером на напряжение 42 В постоянного тока с отпайкой на 12 В и дополнительным ключом, установленным на панели приборов; системы зажигания посредством накала - «тлеющего разряда» с катушкой зажигания, имеющей только первичную обмотку; системы смазки - наружные боковые поверхности поршней и колец покрыты антифрикционным материалом ФКН-14, заменяющим масляную смазку разбрызгиванием.
