ВОДОРОДНО-ПАРОВОЙ, КОМПРЕССОРНЫЙ РОТОРНО-ЛОПАТОЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F02B43/00 F02B47/06 C25B11/03 

Изобретение относится к экологически чистым, стационарным или автотранспортным двигателям внутреннего сгорания, где в качестве топлива применяется водородно-кислородная и насыщенно-паровая смесь, получаемая автономно путем электролиза воды для непрерывного его расхода.

Близким аналогом является поршневой водородный двигатель-дизель внутреннего сгорания по английскому патенту N 1547344, кл. С 25 В 1/04, F 02 В 43/00 от августа 1979 г. , который включен в комплект замкнутой системы, заполненной инертным газом и частично водой, где к биполярному электролизеру для электролиза воды постоянный ток вырабатывается солнечной батареей, к двигателю подключен генератор постоянного тока для совместной выработки электроэнергии для потребителя. В камеру сгорания двигателя при процессе впуска подают водород, а кислород подают в смесительную камеру с циркулирующим газом, поступающим из газового сепаратора, выхлопной газ из двигателя поступает через холодильник в газовый сепаратор, где конденсированная жидкость из сепаратора стекает в резервуар, оттуда подается в электролизер. Предусмотрена дозарядка системы из специальной емкости инертным газом, который подают в сепаратор. Контрольные приборы подключены на линии подачи кислорода из емкости и линии подачи инертного газа. Полученный из электролизера водород и кислород аккумулируются в отдельных емкостях. Для раздельного получения водорода и кислорода устанавливают между электродами диафрагму, допускающую обмен ионами OH^- между двумя отделениями ячейки, при этом к биполярному электролизеру необходим сепаратор для отделения жидкости от газа.

Вышеописанный аналог является стационарной энергоустановкой. Также аналогом является роторный двигатель по а. с. СССР 1665052, кл. F 02 В 53/02, 1991 г. , содержащий идентичный компрессор и двигатель объемного расширения, каждый из которых включает роторы о лопатками, эксцентрично установленными в статорах.

Причинами, препятствующими в реализации работы двигателей внутреннего сгорания - поршневых их низкий КПД, особенно, если это связано с электролизом воды от солнечной батареи для раздельного получения водорода и кислорода экологически чистого топлива, требуются большие энергозатраты на процесс электролиза, если процесс электролиза осуществляют в традиционных моно или биполярных электролизерах, т.е. с низким КПД.

Сущностью комплексного изобретения является создание компрессорного роторно-лопаточного экологически чистого стационарного или автотранспортного двигателя внутреннего сгорания, где в качестве топлива применяют водородно-кислородную и насыщенно-паровую, взрывобезопасную смесь, полученную автономно путем электролиза воды и непрерывного ее расхода в процессе работы двигателя, где навесными и покупными устройствами являются: для запуска двигателя - электростартер, для процесса электролиза - трехфазный генератор переменного тока с трехфазным выпрямителем, включенным по трехфазной мостовой схеме, реле-регулятор для параллельной работы с бортовой аккумуляторной батареей, циркуляционный водяной насос с электроприводом, силовое реле, управляемое электроконтактным манометром, запорно-регулирующее устройство к топливной форсунке (вышеперечисленные покупные устройства на чертеже не показаны) и редукционный клапан.

Поставленная задача достигается тем, что компрессорный роторно-лопаточный двигатель внутреннего сгорания состоит из компрессорной секции, двигательной секции с камерой для приема топлива, сообщенной с полостью электролизера, емкости для воды и источника питания электролизера. Компрессорная и двигательная секции выполнены идентичными роторно-лопаточными и соединены аксиально, на роторе двигательной секции за каждой лопаткой выполнены три параллельные камеры типа "канавки", крайние из которых служат для приема сжатого воздуха из компрессорной секции через каналы, выполненные в статорных секциях.

Камера для приема топлива выполнена в виде средней канавки, разделенной на две последовательные секции, и снабжена элекрозапальной свечой и штуцером для приема топлива, выполненных в статоре двигателя. В полости электролизера размещены электроды, выполненные П и Г-образными, пакетированными и состоящими из перфорированной подложки из листовой меди и никелированной прижимной сетки, между которыми установлены объемно-пористые, углеграфитовые электроды типа "ватин", при этом Г-образные электроды подключены к источнику питания.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлены двигательная и компрессорная секции двигателя, на фиг. 2 представлен электролизер для воды, на фиг. 3 - представлены П и Г-образные пакетированные электроды.

Компрессорная и двигательная секции выполнены идентичными и содержат статор 1, в котором выполнены технологические расточки a-b, ротор 2, рабочие валы 3 секций соединены через торсион. Лопатки 4 компрессорной секции установлены с отставанием от лопаток 4 двигательной секции на длину дуги, равную длине камеры сгорания 5, и по ходу вращения валов 3 двигателя. Между крышками образована полость, являющаяся маслосборником. В роторе 2 установлен клапан двойного действия 6 и вращательно-подвижные сегментные уплотнители 7.

На статоре компрессорной секции выполнено радиальное отверстие для установки клапана декомпрессора 8, соединенного с воздушным каналом 9, на статоре двигательной секции выполнено радиальное отверстие 10 для установки топливной формунки, соединенной с воздушным каналом на половине дуги a-b. На роторе компрессорной секции перед каждой лопаткой выполнена канавка 11 длиной не менее 1/2 технологической расточки, с сечением, равным воздушному каналу, совпадающая с радиальным отверстием (на чертеже показано пунктирной линией). На роторе двигательной секции за каждой лопаткой выполнены три параллельные камеры типа "канавки" длиной не менее 1/2 дуги a-b, окруженные канавками лабиринтных уплотнений, крайние камеры выполнены для приема сжатого воздуха из компрессорной секции. Средняя камера выполнена отдельной из-за низкого давления подаваемой смеси из электролизера, разделена по длине на две секции для приема смеси, состоящей из водорода, кислорода и водяного пара, в конце технологической расточки (по ходу вращения ротора) при необходимости может быть установлена электрозапальная свеча 12 напротив средней камеры. Кривизна дуги технологических расточек, выполненных в статорах 1, совпадает с диаметром ротора 2 и кольцевой расточкой для опоры эксцентрично установленных полых сборных роторов с радиально проходящей через стенку ротора уравновешенных лопаток с внутренней полостью охлаждения, снабженных вращательно-подвижным сегментным уплотнителем 7, установленным с вращательно-подвижной опорой в стенке ротора 2. Лопатки 4 соединены с полым рабочим валом, проходящим по геометрической оси статоров, при этом одна лопатка соединена с валом неподвижно с возможностью совместного с ним вращения, другая или другие соединены шарнирно. На чертеже показаны подшипники скольжения без нумерации позиций. Установка подшипников качения зависит от геометрических размеров устройства. На крышках, внутри опор ротора, выполнены отверстия 13 слива масла, поступающего через полость для смазки и охлаждения, в полость-маслосборник. В трапецеидальных прорезях лопаток и сегментных уплотнителей 7 установлены пластины идентичного сечения, прижимающееся к соответствующим стенкам от центробежной силы. На рабочих концах лопаток 4 выполнены лабиринтные уплотнения типа канавок. Внутри ротора 2 выполнены две полости для масла с установкой подпружиненных клапанов 6 двойного действия для сохранения балансировки ротора от переливания масла. На выходящем конце вала 3 двигательной секции устанавливается диск-маховик с венечной шестерней (на фиг. 1 не показано). На выходящем конце вала компрессорной секции устанавливается коробка приводов вспомогательного оборудования (на фиг. 1 не показано). На кольцевые рубашки охлаждения крышек устанавливаются ленточные стяжные хомуты с прорезиненной прокладкой, крышка-статор-крышка соединяются шпильками, а секции соединяются болтами.

Для получения водорода, экологически безопасного вида топлива, т.к. продукт сгорания вода, используется электролизер.

Электролизер для воды (фиг.2) предназначен для автономного производства из воды газообразного водорода, кислорода и внутреннего водяного пара, т.е. смеси применяемого в двигателе внутреннего сгорания в качестве топлива.

В корпусе электролизера на одном из торцов выполнена ячейка для установки поплавкового клапана 14, регулирующего уровень воды. На внутренних боковых стенках и дне выполнены совпадающие пазы для установки П и Г- образных пакетированных электродов. На дне корпуса электролизера выполнен коллектор 15 для непрерывной подачи воды через отверстия малых диаметров в полость электродов циркуляционным насосом 16, снабженный электродвигателем, при этом уровень воды в электролизере поддерживают немного выше электродов поплавковым клапаном 14 со сливом в водяной бак 17. На линии между насосом 16 и коллектором 15 установлен редукционный клапан 18, отрегулированный на давление не более 2 кгс/см², связанный с линией возврата на всас насоса 16. Для подключения минусового электрода к источнику тока, в ячейке поплавкового клапана 14 установлена перемычка-втулка.

В куполообразной крышке выполнены перегородки 19 с отверстиями 20, верхние - для газа, нижние - для выравнивания уровня воды в ячейках, при установке прижимающие П-образные электроды. На крышке установлен штуцер-тройник 21 для подачи смеси через запорно-регулирующее устройство к форсунке (на чертеже не показано) и электроконтактный манометр 22, управляющий включением и отключением силового реле, управляющего цепью электропитания электролизера (на чертеже не показано).

Двигатель работает следующим образом.

При вращении валов 3 секций усилие передается лопатке 4, соединенной вращательно-неподвижно с валами, и через вращательно-подвижный сегментный уплотнитель 7 - ротору. От ротора через вращательно-подвижный сегмент второй лопатки, за счет эксцентриситета и вращательно-подвижных сегментных уплотнителей 7 жестко деформируются поверхности, образующиеся в процессе всаса от минимума до максимума, а в процессе сжатия от максимума до минимума, соответственно, изменяют свою площадь и рабочие концы лопаток 4, выступающие над стенкой ротора, выполняющие функцию поршня. Каждая лопатка в компрессорной секции выполняет одновременно процессы сжатия и выпуска. В двигательной секции процессы выпуска и расширения осуществляются по мере одновременного соединения перепускного канала между секциями и готовности приема сжатого воздуха из компрессорной секции, движущегося по круговой орбите в крайние камеры. Через запорно-регулирующее устройство и форсунку подают в среднюю камеру смесь, состоящую из газообразного водорода, кислорода и насыщенного водяного пара. В конце процесса сжатия температура поступающего воздуха в среднюю камеру повышается и при достижении температуры топливовоздушной смеси для сгорания начинается процесс сгорания. Процесс расширения в двигателе начинается с минимальной площади рабочего конца лопатки и минимального объема воздействия давления газа на рабочий конец лопатки, осуществляется тангенциально, как бы в догонку движущегося конца лопатки по круговой орбите. Шарнирно соединенная с рабочим валом лопатка, выполняющая рабочий ход, передает свои усилия через сегментный уплотнитель 7 ротору 2, тот через сегментный уплотнитель 7 лопатки, соединенной вращательно-неподвижно с возможностью совместного с ним вращения, валу двигательной секции. В двух лопаточных секциях за один оборот рабочих валов осуществляется два рабочих цикла, каждый не менее 210^o поворота рабочего вала.

Электролиз происходит следующим образом.

П и Г - образные пакетированные электроды состоят из подложки, выполненной из перфорированного листового металла и никелированной металлической сетки, между которыми вставлены инертные, объемно-пористые углеграфитовые электроды типа "ватин".

При наличии воды с pH ≥ 7 в электролизере, т.е. слабого электролита и его подключении к источнику постоянного тока плотностью не менее 0,5 А/см², ток будет проходить как через последовательные соединения электродов за счет ионной проводимости электродов, так и за счет ионной проводимости электролита, при этом начнется процесс электролиза не только между поверхностями электродов, но и в его порах, при этом дополнительная интенсификация процесса будет осуществляться за счет циркуляций электролита через поры электродов со встречным потоком, где результирующий поток будет направлен вверх и способствовать выносу образовавшихся молекул водорода на катоде, кислорода на аноде, так как со временем электролит будет нагреваться, и при превышении установленного давления в парогазовой фазе, например 2 кгс/см², электроконтактный манометр через промежуточные силовые реле отключит питание электролизера, а с понижением давления подключит к цепи электропитания.

При низких температурах водород с кислородом практически не взаимодействуют. При 500^oC водород с кислородом соединяется за несколько часов полностью, а при нагревании смеси до 700^oC происходит быстрый подъем температуры и реакция заканчивается почти мгновенно. Поэтому, чтобы вызвать взрыв смеси, нужно нагреть ее хотя бы в одном месте до 700^oC.

Для запуска двигателя в работу необходимо от бортового аккумулятора наработать в электролизере необходимые давления, например 0,2-0,5 кгс/см², водородно-кислородной смеси, затем осуществить запуск двигателя от электростартера, где при степени сжатия компрессором атмосферного воздуха до 32 кгс/см² его температура будет близка к 1000^oC, что вполне достаточная температура для осуществления интенсивной реакции, т.е. диссоциации молекулы водорода на два атома водорода, которая станет склонной для дальнейшей реакции с двумя молекулами кислорода с высокой реакционной способностью с образованием двух активных центров, которые приведут к образованию четырех в виде двух радикалов и двух свободных атомов кислорода 2H + 2O₂ = 2OН + 2O, так процесс в дальнейшем будет развиваться лавинообразно, при температуре выше 1000^oC водяные пары начнут диссоциировать в начале с поглощением тепла, а затем при новом окислении с отдачей тепла. После запуска включится в работу генератор переменного тока, т.е. источник электроэнергии для основного процесса электролиза, а следовательно, и для полного обеспечения работы двигателя с нагрузкой вначале смесью, состоящей из газообразного водорода, кислорода, а затем с повышением температуры воды в электролизере, т.е. электролита, добавится насыщенный водяной пар.

Двигатель может быть использован в стационарных или автотранспортных установках. Двигатель выполняют из двух идентичных секций - компрессорной и двигательной. Секции соединены аксиально и выполнены роторно-лопаточными. В роторе двигательной секции выполняют три параллельные камеры типа "канавки", крайние камеры служат для приема сжатого воздуха из компрессорной секции, а средняя камера служит для приема топлива. В двигателе используют безопасный вид топлива - водород, полученный при гидролизе воды в электролизере. Электроды электролизера выполняют П и Г-образными, пакетированными и состоящими из перфорированной листовой меди и никелированной прижимной сетки, между которыми установлены объемно-пористые, углеграфитовые электроды типа "ватин". Г-образные электроды подключают к источнику питания. Это позволяет создать экологически чистый двигатель без больших энергозатрат на процесс электролиза. 3 ил.

Компрессорный роторно-лопаточный двигатель внутреннего сгорания, содержащий компрессорную секцию, двигательную секцию с камерой для приема топлива, сообщенную с полостью электролизера, емкость для воды и источник питания электролизера, отличающийся тем, что компрессорная и двигательная секции выполнены идентичными роторно-лопаточными и соединены аксиально, на роторе двигательной секции за каждой лопаткой выполнены три параллельные камеры типа "канавки", крайние из которых служат для приема сжатого воздуха из компрессорной секции через каналы, выполненные в статорах секций, а камера для приема топлива выполнена в виде средней канавки, разделенной на две последовательные секции, и снабжена электрозапальной свечой и штуцером для приема топлива, выполненных в статоре двигателя, в полости электролизера размещены электроды, выполненные П - и Г-образными, пакетированными и состоящими из перфорированной подложки из листовой меди и никелированной прижимной сетки, между которыми установлены объемно-пористые, углеграфитовые электроды типа "ватин", при этом Г-образные электроды подключены к источнику питания.