Создание движков на воде и водороде
К.х.н. О. В. Мосин
Водородная энергетика и движки внутреннего сгорания на базе воды и водорода. Часть 2
Другая принципиальная задачка водородной энергетики грядущего – создание движков внутреннего сгорания, работающих на воде и водороде. В наш XXI век такие движки — это уже действительность.
Самый широкоизвестный движок, разлагающий воду на водород и кислород, основанный на электролизе, сконструирован в 1995 году южноамериканским изобретателем Стенли Мейром (Патент США № 5149507), хотя сообщения о схожих движках появлялись и ранее.
Обыденный электролиз воды просит тока, измеряемого в амперах, в то время как электролитический движок С. Мейера производит тот же эффект при милиамперах. Более того, обычная водопроводная вода просит прибавления электролита, к примеру, серной кислоты, для роста проводимости; движок Мэйера-же действует при большой производительности с обыкновенной отфильтрованной от грязищи водой.
Рис. Электролитический двигатель С. Мейера.
Электролитический движок Мэйера имеет много общего с электролитической ячейкой, кроме того, что он работает при высочайшем потенциале и низком токе. Конструктивно движок довольно прост. Электроды сделаны из параллельных пластинок нержавеющей стали, образующие или плоскую, или концентрическую конструкцию. Выход газа зависит назад пропорционально расстоянию меж ними; предлагаемое патентом расстояние составляет 1.5 мм.
Движок инициируется массивным импульсным генератором, который совместно с емкостью ячейки и выпрямительным диодиком составляет схему накачки. Высочайшая частота импульсов производит ступенчато увеличивающийся потенциал на электродах ячейки до того времени, пока не достигается точка, где молекула воды распадается и появляется краткосрочный импульс тока. Схема измерения тока питания выявляет этот скачок и запирает источник импульсов на несколько циклов, позволяя воде восстановиться.
Рис. Электронная схема электролитического мотора С. Мейера
Рис. Принципная схема электролитического мотора С. Мейера
Движок С. Мейера разлагает воду на водород и кислород средством композиции высоковольтных импульсов, при среднем потреблении тока, измеряемого милиамперами.
Рис. Принцип работы электролитического мотора С. Мейера
По воззрению самого изобретателя, под воздействием электронного поля происходит поляризации молекулы воды, приводящему к разрыву связи.
Рис. Конфигурации молекул воды при работе установки
Не считая этого, при работе установки электролитического разложения воды происходят последующие эффекты:
-ориентация молекул воды повдоль силовых линий поля;
-поляризация молекулы воды;
-увеличение длины связи в молекулах воды и их разрыв;
-освобождение газов из установки;
Лучший выход газа достигается в резонансной схеме. Частота подбирается равной резонансной частоте молекул.
Для производства пластинок конденсатора использовалась нержавеющая сталь марки Т-304, которая не ведет взаимодействие с водой, кислородом и водородом. Начавшийся выход газа управляется уменьшением эксплуатационных характеристик. Так как резонансная частота фиксирована, производительностью можно управлять при помощи конфигурации импульсного напряжения, формы либо количества импульсов.
Повышающая катушка намотана на обыкновенном тороидальном ферритовом сердечнике 1.50 дюйма в поперечнике и 0.25 дюйма шириной. Первичная катушка содержит 200 витков 24 калибра, вторичная 600 витков 36 калибра.
Диодик типа 1ISI1198 служит для выпрямления переменного напряжения. На первичную обмотку подаются импульсы скважности 2. Трансформатор обеспечивает увеличение напряжения в 5 раз, хотя лучший коэффициент подбирается практическим методом.
Дроссель содержит 100 витков калибра 24, в поперечнике 1 дюйм. В последовательности импульсов должен быть маленький перерыв.
Через безупречный конденсатор ток не течет. Рассматривая воду как безупречный конденсатор, энергия не будет расходоваться на нагрев воды.
Вода обладает некой остаточной проводимостью, обусловленной наличием примесей. Совершенно, если вода в ячейке будет химически незапятанной. Электролит к воде не добавляется.
В процессе электронного резонанса может быть достигнут хоть какой уровень потенциала, так как емкость находится в зависимости от диэлектрической проницаемости воды и размеров конденсатора.
Но, следует держать в голове, что водород – очень опасное взрывоопасное соединение. Его детонационная составляющая в 1000 раз посильнее бензина.
Другой, совсем хороший по конструкции бензиновый двигатель, работающей на воде, был разработан ещё в 1994 году нашим изобретателем В.С. Кащеевым.
На рисунке ниже приведена его конструкция в разрезе.
Бензиновый двигатель на воде, разработанный изобретателем В.С. Кащеевым.
Бензинового двигателя на воде включает цилиндр 1, в каком расположен поршень 2, связанный, к примеру, кривошипно-шатунным механизмом с коленчатым валом мотора (фиг. 1). Цилиндр 1 обеспечен головкой 3, образующей вместе со стенами цилиндра 1 и днищем поршня 2 камеру сгорания 4. Подпоршневая полость 5 сообщена с атмосферой. В головке 3 цилиндра установлены:
впускной клапан 6, сообщающий камеру сгорания 4 с атмосферой при движении поршня 2 от верхней мертвой точки к нижней и приводимый, к примеру, от распределительного вала мотора;
оборотные клапаны 7, обеспечивающие выброс в атмосферу товаров из камеры сгорания 4 и герметизирующие камеру после воплощения выхлопа.
Камера сгорания 4 выполнена по последней мере с одной предкамерой 8, в какой установлен приводимый, к примеру, от распределительного вала клапан 9 подачи топливной консистенции и свеча зажигания 10. Желательно предкамеру 8 (либо предкамеры) выполнить в боковой стене цилиндра 1 над поршнем при его расположении в нижней мертвой точке.
Движок работает последующим образом:
При движении поршня 2 от верхней мертвой точки к нижней впускной клапан 6 открыт и камера сгорания 4 сообщена с атмосферой. Давление, действующее на обе стороны поршня 2, идиентично и равно атмосферному.
При приближении поршня 2 к нижней мертвой точке герметизируют камеру сгорания 4, закрывая впускной клапан 6; через клапаны 9 в предкамеры 8 подают топливную смесь и воспламеняют ее. В качестве топливной консистенции употребляют стехиометрическую смесь водорода с кислородом, так именуемый гремучий газ.
При сгорании топливной консистенции резко увеличивается давление в камере сгорания 4; этим давлением открываются установленные в головке 3 цилиндра оборотные клапаны 7 и происходит выброс в атмосферу товаров из камеры сгорания. Давление в камере сгорания 4 резко снижается и оборотные клапаны 7 запираются, герметизируя камеру сгорания 4.
Поршень 2 атмосферным давлением, действующим со стороны подпоршневой полости 5, перемещается от нижней мертвой точки к верхней, совершая рабочий ход.
По достижении поршнем 2 верхней мертвой точки раскрывается впускной клапан 6 и цикл повторяется. Выкидываемые из камеры сгорания продукты представляют собой увлажненный воздух.
Получение топливной консистенции для силовой установки тс с предлагаемым бензиновым двигателем может осуществляться электролизом воды в электролизере, установленном на этом тс.
Другой наш изобретатель москвич Миша Весенгириев, лауреат премии журнальчика «Изобретатель и рационализатор», вообщем предложил использовать в качестве устройства, разлагающего воду на кислород и водород самый что ни на есть обыденный поршневой бензиновый двигатель (ДВС). Он утверждает, что имеющиеся движки внутреннего сгорания можно вынудить работать на обыкновенной воде при помощи электродов вольтовой дуги.
Камера мотора сгорания по воззрению изобретателя, совершенно подходит для всех видов воздействия на воду, вызывающих ее диссоциацию и следующее образование рабочей консистенции, ее воспламенение и утилизацию выделившейся энергии.
Для этого изобретатель М. Весенгириев предложил использовать четырехтактный ДВС (положительное решение по заявке на патент РФ № 2004111492). Он содержит один цилиндр с жидкостной охлаждающей системой, поршень и головку цилиндра, образующие камеру сгорания, выпускной клапан, систему подачи электролита (аква раствора электролита) и систему зажигания. Система подачи электролита в цилиндр выполнена в виде плунжерного насоса высочайшего давления и форсунки с кавитатором (местное сужение канала). При этом насос высочайшего давления или кинематически, или через блок управления связан с кривошипно-шатунным механизмом мотора.
Система зажигания выполнена в виде электродов и вольтовой дуги, установленных в камере сгорания. Зазор меж ними можно регулировать, а ток на их идет от прерывателя-распределителя, также кинематически либо через блок управления связанного с кривошипно-шатунным механизмом.
Перед запуском мотора в работу бак заправляют электролитом (к примеру, аква веществом едкого натра). Регулируя катод, устанавливают зазор меж электродами. И, включив зажигание, на электроды подают неизменный ток. Потом стартером раскручивают вал мотора.
Поршень от верхней мертвой точки (ВМТ) перемещается к нижней мертвой точке (НМТ). Выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разрежение. Насос высочайшего давления конфискует из электролитного бака цикловую дозу электролита и через форсунку с кавитатором подает ее в цилиндр. В кавитаторе за счет увеличения скорости и падения давления до критичного значения происходит частичная диссоциация воды и тончайшее распыление капелек электролита. Потом в камере сгорания за счет протекания неизменного электронного тока через электролит происходит дополнительная, уже электролитическая диссоциация.
Поршень от НМТ перемещается к ВМТ – такт сжатия. Объем, занимаемый рабочей консистенцией, миниатюризируется, а ее температура растет: сейчас идет уже тепловая диссоциация. 3-ий такт – рабочий ход. Электрод пружиной и кулачково?распределительным валом (кинематически или через блок управления связанный с кривошипно-шатунным механизмом) перемещается до соприкосновения с электродом, и загорается вольтова дуга. Под воздействием ее тепла рабочая смесь в камере сгорания совсем диссоциирует и воспламеняется. Расширяющиеся газы перемещают поршень от ВМТ к НМТ. Еще до прихода поршня к НМТ прерыватель-распределитель размыкает контакты, на куцее время прерывает подачу неизменного тока на электроды вольтовой дуги и тушит ее. Потом контакты прерывателя-распределителя вновь замыкаются, и неизменный ток снова поступает на электроды.
И, в конце концов, 4-ый такт – выпуск. Поршень перемещается ввысь от НМТ к ВМТ. Выпускной клапан открывает выпускное окно, и цилиндр освобождается от отработавших товаров. В предстоящем процесс работы мотора беспрерывно повторяется. При всем этом цилиндр и головка цилиндра охлаждаются охлаждающей системой мотора. Таким макаром, старый-новый ДВС может работать на воде.
На данный момент описанные выше конструкции движков внутреннего сгорания на воде, реализуются на практике разными западными фирмами. Одни западные большие автоконцерны Форд, Дженерал моторс, Тоета, Nissan проводят опыты с топливными элементами, в каком водород соединяется с кислородом, создавая водяной пар и электричество. Другие, такие как Бмв и Мазда, реализуют сжигание водорода в ДВС.
В таких конструкциях есть свои положительные и негативные черты. Положительные — водород обладает намного более широким, по сопоставлению с бензином, спектром пропорций смешивания с воздухом, при которых может быть сгорание консистенции. И сгорает водород полнее, даже поблизости стен цилиндра, где в бензиновых движках обычно остаётся несгоревшая рабочая смесь. Отрицательные – надбавка в весе машины при использовании водородной топливной системы, в то время, как в машинах на топливных элементах надбавка веса (топливные элементы, топливная система, электромоторы, преобразователи тока, массивные батареи) — значительно превосходит «экономию» от удаления ДВС и его механической коробки. Утрата в полезном пространстве меньше у машины с водородным ДВС.
Основная же неувязка – как хранить водород в автомобиле. Более многообещающий вариант – металл-гидриды — ёмкости со особыми сплавами, которые впитывают водород в свою кристаллическую решётку и отдают его при нагревании. Таким макаром достигается самая высочайшая безопасность хранения и самая высочайшая плотность упаковки горючего. Но это и самый хлопотный, и далекий по срокам массовой реализации вариант. Поближе к серийному производству топливные системы с баками, в каких водород хранится в газообразном виде под высочайшим давлением (300-350 атмосфер), или в водянистом виде, при сравнимо низком давлении, но при низкой (253 С) температуре.
Последующий принципиальный вопрос — метод подачи горючего в движок. В этом плане показателен опыт компании Бмв, построившей в рамках программки CleanEnergy в 1999-2001 годах несколько двухтопливных (бензин/водород) автомобилей. Их 4,5-литровые V-образные 8-цилиндровые движки развивают на водороде 184 лошадиные силы. На этом горючем (ёмкость бака составляет 170 л.) автомобиль может пройти 300 км, и ещё 650 км — на бензине (в машине оставлен стандартный бак). Поначалу компания развивала впрыск газообразного водорода во впускные трубы (перед клапанами). Позже экспериментировала с конкретным впрыском газообразного водорода (под огромным давлением) конкретно в цилиндр.
По прогнозам западным автомобилестроителей в следующие три года водородные заправки построят во всех западноевропейских столицах, также на самых больших трансъевропейских магистралях. В 2015-м на дорогах их будет уже несколько тыщ таких автомобилей. В 2025 году четверть мирового автопарка будет работать на водороде.
Лит. источники: «Водородная энергетика»: Легасов В. А. 1980, Атомно-водородная энергетика и разработка, М., 1978, с. 11-36; Мищенко А. И., Применение водорода для авто движков, К., 1984; McAul-iffe Ch. A., Hydrogen and energy, Ц., 1980.