К.х.н. О. В. Мосин

Водородная энергетика и двигатели внутреннего сгорания на основе воды и водорода.

Часть 2


Другая важная задача водородной энергетики будущего – создание двигателей внутреннего сгорания, работающих на воде и водороде. В наш XXI век такие двигатели - это уже реальность.

Самый широкоизвестный двигатель, разлагающий воду на водород и кислород, основанный на электролизе, сконструирован в 1995 году американским изобретателем Стенли Мейром (Патент США № 5149507), хотя сообщения о подобных двигателях появлялись и раньше. 

 

Обычный электролиз воды требует тока, измеряемого в амперах, в то время как электролитический двигатель С. Мейера производит тот же эффект при милиамперах. Более того, обыкновенная водопроводная вода требует добавления электролита, например, серной кислоты, для увеличения проводимости; двигатель Мэйера-же действует при огромной производительности с обычной отфильтрованной от грязи водой.

 

 

Рис. Электролитический двигатель  С. Мейера.

Электролитический двигатель Мэйера имеет много общего с электролитической ячейкой, за исключением того, что он работает при высоком потенциале и низком токе. Конструктивно двигатель достаточно прост. Электроды изготовлены из параллельных пластин нержавеющей стали, образующие либо плоскую, либо концентрическую конструкцию. Выход газа зависит обратно пропорционально расстоянию между ними; предлагаемое патентом расстояние составляет 1.5 мм.

Двигатель инициируется мощным импульсным генератором, который вместе с емкостью ячейки и выпрямительным диодом составляет схему накачки. Высокая частота импульсов производит ступенчато увеличивающийся потенциал на электродах ячейки до тех пор, пока не достигается точка, где молекула воды распадается и возникает кратковременный импульс тока. Схема измерения тока питания выявляет этот скачок и запирает источник импульсов на несколько циклов, позволяя воде восстановиться.

 

 

Рис. Электрическая схема  электролитического двигателя С. Мейера


Рис. Принципиальная схема электролитического двигателя  С. Мейера

Двигатель С. Мейера разлагает воду на водород и кислород посредством комбинации высоковольтных импульсов, при среднем потреблении тока, измеряемого милиамперами.

 


Рис.
Механизм работы электролитического двигателя С. Мейера


По мнению самого изобретателя, под воздействием электрического поля происходит поляризации молекулы воды, приводящему к разрыву связи.

 

Рис. Изменения молекул воды при работе установки

 

Кроме этого, при работе установки электролитического разложения воды происходят следующие эффекты:

-ориентация молекул воды вдоль силовых линий поля;

-поляризация молекулы воды;

-увеличение длины связи в молекулах воды и их разрыв;

-освобождение газов из установки;

Оптимальный выход газа достигается в резонансной схеме. Частота подбирается равной резонансной частоте молекул.

Для изготовления пластин конденсатора использовалась нержавеющая сталь марки Т-304, которая не взаимодействует с водой, кислородом и водородом. Начавшийся выход газа управляется уменьшением эксплуатационных параметров. Поскольку резонансная частота фиксирована, производительностью можно управлять с помощью изменения импульсного напряжения, формы или количества импульсов.

Повышающая катушка намотана на обычном тороидальном ферритовом сердечнике 1.50 дюйма в диаметре и 0.25 дюйма толщиной. Первичная катушка содержит 200 витков 24 калибра, вторичная 600 витков 36 калибра.

Диод типа 1ISI1198 служит для выпрямления переменного напряжения. На первичную обмотку подаются импульсы скважности 2. Трансформатор обеспечивает повышение напряжения в 5 раз, хотя оптимальный коэффициент подбирается практическим путем.

Дроссель содержит 100 витков калибра 24, в диаметре 1 дюйм. В последовательности импульсов должен быть короткий перерыв.

Через идеальный конденсатор ток не течет. Рассматривая воду как идеальный конденсатор, энергия не будет расходоваться на нагрев воды.

Вода обладает некоторой остаточной проводимостью, обусловленной наличием примесей. Идеально, если вода в ячейке будет химически чистой. Электролит к воде не добавляется.

В процессе электрического резонанса может быть достигнут любой уровень потенциала, поскольку емкость зависит от диэлектрической проницаемости воды и размеров конденсатора.

Однако, следует помнить, что водород – чрезвычайно опасное взрывоопасное соединение. Его детонационная составляющая в 1000 раз сильнее бензина. 

Другой, совершенно отличный по конструкции двигатель внутреннего сгорания, работающей на воде, был разработан ещё в 1994 году нашим изобретателем В.С. Кащеевым.

На рисунке ниже приведена его конструкция в разрезе.

Двигатель внутреннего сгорания на воде, разработанный изобретателем В.С. Кащеевым. 

Двигателя внутреннего сгорания на воде включает цилиндр 1, в котором размещен поршень 2, связанный, например, кривошипно-шатунным механизмом с коленчатым валом двигателя (фиг. 1). Цилиндр 1 снабжен головкой 3, образующей совместно со стенками 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, например, от распределительного вала двигателя;

обратные клапаны 7, обеспечивающие выхлоп в атмосферу продуктов из камеры сгорания 4 и герметизирующие камеру после осуществления выхлопа.

Камера сгорания 4 выполнена по крайней мере с одной предкамерой 8, в которой установлен приводимый, например, от распределительного вала клапан 9 подачи топливной смеси и свеча зажигания 10. Предпочтительно предкамеру 8 (или предкамеры) выполнить в боковой стенке цилиндра 1 над поршнем при его расположении в нижней мертвой точке.

Двигатель работает следующим 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, одинаково 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 смеси используют стехиометрическую смесь водорода с кислородом, так называемый гремучий газ.

При сгорании топливной смеси резко повышается давление в камере сгорания 4; этим давлением открываются установленные в головке 3 цилиндра обратные клапаны 7 и происходит выхлоп в атмосферу продуктов из камеры сгорания. Давление в камере сгорания 4 резко понижается и обратные клапаны 7 закрываются, 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 открывается впускной клапан 6 и цикл повторяется. Выбрасываемые из камеры сгорания продукты представляют собой увлажненный воздух.

Получение топливной смеси для силовой установки транспортного средства с предлагаемым двигателем внутреннего сгорания может осуществляться электролизом воды в электролизере, установленном на этом транспортном средстве.

Другой наш изобретатель москвич Михаил Весенгириев, лауреат премии журнала «Изобретатель и рационализатор», вообще предложил использовать в качестве устройства, разлагающего воду на кислород и водород самый что ни на есть обычный поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Он утверждает, что существующие двигатели внутреннего сгорания можно заставить работать на обычной воде с помощью электродов вольтовой дуги.

Камера двигателя сгорания по мнению изобретателя, идеально подходит для всех видов воздействия на воду, вызывающих ее диссоциацию и последующее образование рабочей смеси, 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 системой охлаждения, поршень и головку цилиндра, образующие камеру сгорания, выпускной клапан, систему подачи электролита (водного раствора электролита) и систему зажигания. Система подачи электролита в цилиндр выполнена в виде плунжерного насоса высокого давления и форсунки с кавитатором (местное сужение канала). Причем насос высокого давления либо кинематически, либо через блок управления связан с кривошипно-шатунным механизмом двигателя.

Система зажигания выполнена в виде электродов и вольтовой дуги, установленных в камере сгорания. Зазор между ними можно регулировать, а ток на них идет от прерывателя-распределителя, также кинематически или через блок управления связанного с кривошипно-шатунным механизмом.

Перед пуском двигателя в работу бак заправляют электролитом (например, водным раствором едкого натра). Регулируя катод, устанавливают зазор между электродами. И, включив зажигание, на электроды подают постоянный ток. Затем стартером раскручивают вал двигателя.

Поршень от верхней мертвой точки (ВМТ) перемещается к нижней мертвой точке (НМТ). Выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разрежение. Насос высокого давления забирает из электролитного бака цикловую дозу электролита и через форсунку с кавитатором подает ее в цилиндр. В кавитаторе за счет повышения скорости и падения давления до критического значения происходит частичная диссоциация воды и тончайшее распыление капелек электролита. Затем в камере сгорания за счет протекания постоянного электрического тока через электролит происходит дополнительная, уже электролитическая диссоциация.

Поршень от НМТ перемещается к ВМТ – такт сжатия. Объем, занимаемый рабочей смесью, уменьшается, а ее температура возрастает: теперь идет уже термическая диссоциация. Третий такт – рабочий ход. Электрод пружиной и кулачково‑распределительным валом (кинематически либо через блок управления связанный с кривошипно-шатунным механизмом) перемещается до соприкосновения с электродом, и зажигается вольтова дуга. Под воздействием ее тепла рабочая смесь в камере сгорания окончательно диссоциирует и воспламеняется. Расширяющиеся газы перемещают поршень от ВМТ к НМТ. Еще до прихода поршня к НМТ прерыватель-распределитель размыкает контакты, на короткое время прерывает подачу постоянного тока на электроды вольтовой дуги и тушит ее. Затем контакты прерывателя-распределителя вновь замыкаются, и постоянный ток опять поступает на электроды.

И, наконец, четвертый такт – выпуск. Поршень перемещается вверх от НМТ к ВМТ. Выпускной клапан открывает выпускное окно, и цилиндр освобождается от отработавших продуктов. В дальнейшем процесс работы двигателя беспрерывно повторяется. При этом цилиндр и головка цилиндра охлаждаются системой охлаждения двигателя. Таким образом, старый-новый ДВС может работать на воде.

Сейчас описанные выше конструкции двигателей внутреннего сгорания на воде, реализуются на практике различными западными фирмами. Одни западные крупные автопроизводители Ford, General Motors, Toyota, Nissan проводят опыты с топливными элементами, в котором водород соединяется с кислородом, создавая водяной пар и электричество. Другие, такие как BMW и Mazda, реализуют сжигание водорода в ДВС.

В таких конструкциях есть свои положительные и отрицательные стороны. Положительные - водород обладает намного более широким, по сравнению с бензином, диапазоном пропорций смешивания с воздухом, при которых возможно сгорание смеси. И сгорает водород полнее, даже вблизи стенок цилиндра, где в бензиновых двигателях обычно остаётся несгоревшая рабочая смесь. Отрицательные – прибавка в весе машины при использовании водородной топливной системы, в то время, как в машинах на топливных элементах прибавка веса (топливные элементы, топливная система, электромоторы, преобразователи тока, мощные аккумуляторы) - существенно превышает "экономию" от удаления ДВС и его механической трансмиссии. Потеря в полезном пространстве меньше у машины с водородным ДВС.

Главная же проблема – как хранить водород в автомобиле. Наиболее перспективный вариант – металл-гидриды - ёмкости со специальными сплавами, которые впитывают водород в свою кристаллическую решётку и отдают его при нагревании. Таким образом достигается самая высокая безопасность хранения и самая высокая плотность упаковки топлива. Но это и самый хлопотный, и дальний по срокам массовой реализации вариант. Ближе к серийному производству топливные системы с баками, в которых водород хранится в газообразном виде под высоким давлением (300-350 атмосфер), либо в жидком виде, при сравнительно невысоком давлении, но при низкой (253 С) температуре.

Следующий важный вопрос - способ подачи топлива в двигатель. В этом плане показателен опыт компании BMW, построившей в рамках программы CleanEnergy в 1999-2001 годах несколько двухтопливных (бензин/водород) автомобилей. Их 4,5-литровые V-образные 8-цилиндровые двигатели развивают на водороде 184 лошадиные силы. На этом топливе (ёмкость бака составляет 170 литров) автомобиль может пройти 300 километров, и ещё 650 километров - на бензине (в машине оставлен стандартный бак). Сначала компания развивала впрыск газообразного водорода во впускные трубы (перед клапанами). Потом экспериментировала с непосредственным впрыском газообразного водорода (под большим давлением) непосредственно в цилиндр.

По прогнозам западным автомобилестроителей в последующие три года водородные заправки построят во всех западноевропейских столицах, а также на самых крупных трансъевропейских магистралях. В 2015-м на дорогах их будет уже несколько тысяч таких автомобилей. В 2025 году четверть мирового автопарка будет работать на водороде.

Лит. источники:  «Водородная энергетика»: Легасов В. А. 1980, Атомно-водородная энергетика и технология, М., 1978, с. 11-36; Мищенко А. И., Применение водорода для автомобильных двигателей, К., 1984; McAul-iffe Ch. A., Hydrogen and energy, Ц., 1980. 

                 

  • Виталий. Полезная информация

    Гость