СПОСОБ ДЕЙСТВИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК F02B43/02 F02M25/22 

Изобретение касается термокаталитического получения водорода из воды как составной части топлива для двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС), как карбюраторных, так и с циклом газодизеля при выполнении механической работы.

Охватывая в теоретическом плане химическую экологию и энергетику, а в практическом аспекте - общее и химическое машиностроение, изобретение направлено на поиск эффективного пути снижения разрушительного антропогенного влияния на геобиосферу современной энергетики, используя имеющиеся недорогие минеральные запасы залежей сырья и производственные возможности Украины, в частности, производства железа, хлористого водорода и их производных.

Установлено, что перспективным экологически чистым топливом для тепловых двигателей как наиболее массовых и мобильных энергетических установок является водород (согласно Колосюк Д.С., Кузнецов Л.В. Автотракторные топлива и смазочные материалы. Киев. «Высшая школа», 1987. Стр.89).

Основным источником для получения водорода является вода (согласно Ягодин Г.Л., Раков Э.Г., Третьякова Л.Г. Химия и химическая технология в решении глобальных проблем. Москва. «Химия». 1988. Стр.81-87).

Аналогом способа действия экологически безопасного двигателя внутреннего сгорания соответственно с декларационным патентом на изобретение Украины №31320 А от 15.12.2000 г. Бюл. №7-11 предполагается одновременное добывание водорода и кислорода из воды, где как расщепляющий каталитический энергоноситель используется хлор в составе некоторых хлоридов металлов, валентность которых изменяется по мере прохождения замкнутого термохимического цикла, с возвращением реагентов в исходное положение в конце цикла, кроме воды, количество которой периодически пополняется.

Аналогом устройства экологически безопасного двигателя внутреннего сгорания в соответствии с патентом Великобритании №1395418, 1975, кл. FIB, предполагается система питания, которая включает магистраль подачи перегретой воды к цилиндрам через электромагнитный смягчитель, при размещении испарителя в пустоте выхлопного коллектора.

Техническая задача состоит в обеспечении процесса термохимических преобразований хлорида железа-3 утилизированной тепловой энергией от выхлопных газов, где добытые водород и кислород отдельно разделены в системе. Процесс термохимического преобразования хлорида железа-3 происходит в роторе генератора водорода - составляющей системы питания двигателя; причем поворот ротора осуществляется автономным многоскоростным электроприводом во время смывания его выхлопными газами в пустоте корпуса, соответственно соединенной с выхлопным коллектором.

Техническая задача изобретения состоит в использовании тепловой энергии, аккумулированной выхлопными газами (за пределами цикла Карно), которая составляет до 55% энергетических возможностей топлива для термокаталитического получения водорода из воды, используя бортовое устройство (далее генератор водорода) в составе системы питания ДВС, одновременно с выполнением механической работы (согласно Шифрин Д.М. Тепловые двигатели, ч.1. Москва, «Машгиз», 1962, Стр.142, таб. Ю). Доказано, что добавление от 5% до 10% водорода от массы топлива обеспечивает 50% экономию бензина с одновременным 30-разовым уменьшением содержимого монооксида углерода в выхлопных газах ДВС (согласно Чирков К. Двигатель, двигатель, двигатель. Техника. Москва, «Знание». 1983. №2. Стр.51). Возможность использования такой комбинации топлива присуща как для карбюраторных ДВС (согласно Анохин В.И. Устройство автомобилей. Москва. «Машгиз». 1953. Стр.253-265), так и для систем питания ДВС с дозированным впрыскиванием топлива, например, "газодизеля", когда к газовоздушной смеси после ее сжатия с нагревом впрыскивается небольшое количество жидкого топлива, начинается процесс сгорания смеси при рабочем ходе поршня (согласно Шифрин Д.М. Тепловые двигатели, ч.1. Москва. «Машгиз». 1962. Стр.127).

Использованный способ термокаталитического получения водорода заключается в том, что аккумулированная выхлопными газами тепловая энергия (за пределами цикла Карно) используется для обеспечения замкнутого цикла термохимических превращений в последовательности: ЖЕЛЕЗО<=>ХЛОРИДЫ ЖЕЛЕЗА<=>ЖЕЛЕЗО при добывании водорода из воды (как составной топлива двигателя), где как расщепляющий каталитический энергоноситель используют хлор в составе хлоридов металлов, валентность которых изменяется по мере прохождения замкнутого термохимического цикла с возвращением реагентов в исходное положение в конце цикла, кроме воды, количество которой периодически пополняется. Согласно изобретению процесс термохимических преобразований хлорида железа-3 обеспечивается утилизированной тепловой энергией от выхлопных газов, причем водород поступает в газовый редуктор и далее к водородопроводу и дозатору карбюратора двигателя, а кислород - частично используется для улучшения работы двигателя и поступает через кислородный дозатор с кислородопроводом.

В устройстве экологически безопасного двигателя внутреннего сгорания система питания включает магистраль подачи перегретой воды к цилиндрам через электромагнитный смягчитель при размещении испарителя в пустоте выхлопного коллектора. Согласно изобретению система питания включает генератор водорода, ротор которого выполнен с функциональными камерами, автономный многоскоростной электропривод, корпус генератора водорода и резервуар кислоты, при этом корпус и резервуар кислоты насажены на общую ось, в массиве которой размещены каналы из и к функциональным камерам, с каналами из и к резервуару кислоты, причем все каналы имеют предохранительные клапаны.

Для реализации термокаталитического способа получения водорода, выхлопные газы ДВС (как извне, так и через сотовые отверстия в массиве) насквозь омывают ротор генератора водорода (в пустоте корпуса) с автономным многоскоростным электроприводом, функциональными камерами (для каталитических реагентов), каналы которых последовательно (по мере вращения ротора) соединяются с внешними каналами для водорода, хлора, соляной кислоты; причем пустота корпуса соединена с выхлопным коллектором двигателя, а опорные плунжеры предупредительных клапанов исходных каналов функциональных камер взаимодействуют с эксцентриковой дорожкой на корпусе.

Способ действия экологически безопасного двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления ниже рассматриваются на примере карбюраторного ДВС.

Согласно чертежу, к выхлопному коллектору двигателя прикреплен генератор водорода 1. В пустоте корпуса генератора водорода размещен ротор 57, который как извне, так и через сотовые отверстия в массиве омывается выхлопными газами, поток которых регулируется дроссельной заслонкой 56. В четырех функциональных камерах 58 ротора 57 размещены каталитические реагенты. Резервуар с кислотой 59 и ротор 57 через центры объединены осью 53, которая шлицами закреплена с корпусом. В массиве оси 53 размещены каналы для прохождения:

а) кислоты из резервуара 59 к функциональной камере 58, при ее поступлении в зоне получения водорода (на схеме изображен Fe);

б) водорода из функциональной камеры к водородопроводу 8;

в) хлора из функциональной камеры (при прогреве FeCl₃) к резервуару 59 (на схеме изображен FeCl₃).

Плунжерный насос 54 закачки кислоты заканчивается гидроаккумулятором на объем одного впрыскивания. Функциональные камеры 58 имеют каналы входа и выхода с предохранительными клапанами, причем опорный плунжер 60 исходящего канала взаимодействует с эксцентриковой дорожкой на корпусе (по мере вращения ротора 57). Конический редуктор 61 соединен с многоскоростным автономным электроприводом 44 (управляется микропроцессором 46 по сигналам кислородного датчика 45 и датчика температуры 48). Теплообменник 62 соединен трубопроводами 33 с системой охлаждения двигателя.

Система подачи бензина к карбюратору 26 и 31 типа МКЗ-К80Д включает бензобак 25, отстойник 27, насос 28, плунжерный переключатель 29 со штоком 18 и опорной шайбой 42, бензопроводы 24 (согласно: Анохин Б.И. Устройство автомобилей, Москва, "Машгиз", 1950, стр.265 фиг.223).

Система охлаждения полученного водорода включает полость 40 газового редуктора, которая соединена трубопроводами 33 с системой охлаждения двигателя через дополнительный теплообменник 47. Водород от газового редуктора с пустотами высокого «А», включающими двуплечный рычаг 11, и низкого «Б» давлений по водородопроводу 22 поступает к карбюратору

а) на холостом ходу - по каналу 21;

б) на рабочем ходу - по каналу 20 (согласно Анохин В.И. Устройство автомобилей, Москва, "Машгиз", 1950, стр.260, фиг.218).

Система подачи воды включает бак 7, вентили 6, фильтр 4, насос 5, электромагнитный смягчитель 3, водопровод 2, плунжерные насосы 63 и 64. Насосы заканчиваются гидроаккумуляторами 67 на объем одного впрыскивания. Предохранительным клапаном 43 стравливается избыточное давление. Плунжерные насосы 63 и 64 взаимодействуют с эксцентриком 55 на валу редуктора 61.

Система регулирования состава отработанных газов включает кислородный датчик 45, микропроцессор 46, кислородный дозатор 41 с кислородопроводом 65.

Система выноса выхлопных газов включает основной 34 и дополнительный 37 коллекторы, глушитель 36.

Система охлаждения кислоты включает насос 49, теплообменник 50, кислотопровод 51, датчик температуры 48.

Работа ДВС начинается на бензине при коэффициенте выноса тепла с выхлопными газами 0,55 (от теплообразовательной способности бензина - 10200 ккал/кг). Теплом выхлопных газов прогреваются каталитические реагенты, масса ротора генератора водорода. На старте процесса все четыре функциональных камеры 58 имеют пласт порошка железа. После достижения расчетных температурных параметров имеют место такие процессы:

Получение водорода, согласно уравнению (1):

,

где H₂ - водород, добытый на протяжении одного цикла (отвечает обороту ротора 57); 111,6 г - стартовая масса порошка железа в четырех функциональных камерах 58; 372,89 г - масса гидратной воды для 37% раствора 219 г хлористого водорода (масса раствора - 591, 89 г);

200,94 ккал - энергия парообразования с 20,716 молей гидратной воды, исходя из потребности 9,7 ккал/моль (согласно Глинка М.Л. Общая химия. Киев, «Советская школа». 1955. Стр.198).

Один цикл термохимического взаимодействия (1) отвечает одному полному обороту ротора 57. Добытый водород одновременно с охлаждением жидкости, которая циркулирует в полости 40 и теплообменнике 47, поступает в пустоту «А» газового редуктора под давлением, которое поддерживается пневмоаккумулятором 66 через открытый клапан 12. После достижения давления 2+3 кгс/см мембрана 9 сжимает пружину 10, а угловой рычаг закрывает клапан 12. Разрежение во входном коллекторе 32 передается к камере мембраны 30, которой сжимается пружина 15. Прогиб к низу мембраны 13 приводит к открытию клапана 17 рычагом 16 при одновременном смещении плунжера 29 книзу, вследствие чего открывается канал уменьшенной подачи бензина к поплавковой камере карбюратора 26. Водород поступает в пустоту «Б» газового редуктора. После установления в пустоте давления от 4 до 5 мм водного столба открывается заслонка 19, пропуская водород к водородопроводу 22 и дозатору 23 карбюратора двигателя. Начинается работа двигателя на бензиноводородной смеси. В случае необходимости экстренного переведения работы двигателя на бензин кран 35 соединяется с атмосферой, это приводит к установлению атмосферного давления в камере мембраны 30 разжатием пружины 15, смещением мембраны 13 кверху и закрытием клапана 17 рычагом 16. Одновременно плунжер 29 также смещается кверху, открывая канал полной подачи бензина к поплавковой камере карбюратора 26. При превышении давления в пустоте "А" газового редуктора избыточное давление стравливается через клапан 39 в атмосферу.

Получение хлора при прогревании (в безводной среде) хлорида железа-3 (положение обозначено на схеме как противоположное при получении водорода) приводит к полному восстановлению железа согласно уравнению (2):

;

где 324,6 г - масса хлорида железа-3, полученного в ходе реакции (1);

96 ккал - тепловая энергия, которая необходима для восстановления трех молекул хлора массой 213 г (согласно Некрасов Б.В. Основы общей химии. Т.3. Москва. «Химия». 1970, стр.163).

Обезвоживание объема функциональной камеры достигается отводом паров гидратной воды в соответствии с уравнением (1) при резком уменьшении давления в камере с 60 кгс/см до 1,2 кгс/см, что обеспечивается автоматически при смешении опорного плунжера предохранительного клапана исходного канала функциональной камеры 58, что взаимодействует с эксцентриковой дорожкой плунжера 60 на корпусе. Возникновение безводной среды оказывает содействие локальному повышению температуры (имеет место уменьшение теплоемкости в функциональной камере), что оказывает содействие интенсивному протеканию процесса согласно реакции (2). Пар гидратной воды массой 372,89 г в соответствии (1) поступает по каналу в массиве оси 53 к резервуару 59, где она конденсируется.

Восстановление использованной массы раствора кислоты, согласно (1), происходит во время гидролиза полученного хлора за реакцией (2) в резервуаре 59, куда поступает дополнительно реагентная вода. Гидролиз хлора происходит согласно уравнению (3):

где 54 г - масса реагентной воды; 213 г - масса полученного хлористого водорода для восстановления 591,89 г 37% раствора кислоты в соответствии с реакцией (1), после взаимодействия с конденсированными 20,716 молями гидратной воды; 48 г - масса полученного кислорода.

Полученный кислород (в 8-кратном количестве к полученному водороду) только частично используется для улучшения работы двигателя через кислородный дозатор 41 с кислородопроводом 65, который соединен с ресивером 52 и надкислотной пустотой резервуара 59. Подкорм рабочей смеси необходим, например, в случае чрезмерного повышения температуры окружающей среды, когда имеет место уменьшение количества кислорода в воздушной смеси. В этом случае, двигатель работает на более богатой рабочей смеси, увеличивая выбросы монооксида углерода и углеводородов, которые не сгорели в цилиндре. Когда имеет место чрезмерное снижение температуры, двигатель начинает работать на обедненной рабочей смеси, увеличивая в выхлопе содержимое моно- и диоксидов азота (согласно обзора "Повышение экономичности газового двигателя», журнал «Автомобильная промышленность США». 1985, №6, стр.29).

Для протекания одного цикла энергетические затраты согласно уравнениям (1) и (2) в сумме составляют (4):

.

Укажем, что необходимые согласно (3) для расщепления воды 18 ккал с большим излишком компенсируются во время конденсации паров гидратной воды в резервуаре; тогда согласно (1) и (3) соответственно составляют (5):

;

чем предопределяется необходимость охлаждения раствора кислоты в резервуаре 59, который насосом 49 прокачивается через теплообменник 50.

Для получения 296,94 ккал тепла от выхлопных газов согласно (4) необходимо использовать бензин в количестве (6):

;

где 10200 - теплообразовательная способность бензина, ккал/кг;

0,55 - коэффициент выноса тепловой энергии бензина с отработанными газами;

0,9 - коэффициент теплопередачи в генераторе.

Полученные в цикле 6 г водорода согласно (1) составляют от 58,8 г использованного бензина (7): ;

что отвечает максимальной потребности, оговоренной п.2.3, то есть обеспечивается достижение 50% экономии бензина, при одновременном 30-разовом уменьшении выброса монооксида углерода с отработанными газами в атмосферу.

Рассмотренный способ действия экологически безопасного ДВС удостоверяет факт вывода процесса добывания водорода из воды за границы цикла Карно, с использованием тепловой энергии и расщепляющих каталитических энергоносителей через замкнутые термохимические циклы. Такое направление решения проблемы поиска альтернативного нефтепродуктам топлива признано как перспективный промышленный метод абиотичного синтеза водорода (согласно Легасов В.А. Проблемы развития химии: прорыв в будущее. - Москва, «Наука», 1987, стр.31).

Изобретение не требует:

1. Существенных изменений в конструкции теплового двигателя, который имеет место при известных разработках электромобилей, где электрическая энергия, полученная при сжигании водорода, питает тяговые электродвигатели (согласно обзора «Электромобили». Журнал «Автомобильная промышленность США». 1977, март. стр.16).

2. Переоснащение сетки автозаправочных станций на водород, например переоснащение только 30% таких станций в штатах Калифорния, Нью-Йорк, Массачусетс будет стоить государству приблизительно 1,4 млрд. долларов США (согласно обзора «Даймлер Крайслер» выйдет в 21 столетие на водородном топливе "Газета "Экспресс" 1999. №11 (97)).

3. Систематической замены или дозаправки каталитическими реагентами (кроме дозаправки водой) при продолжительной эксплуатации, которая обязательна при использовании известных металлогидратных аккумуляторов для добывания водорода.

4. Усиления защитных экологических мероприятий при продолжительном практическом использовании ДВС. Впервые энергетическая установка транспортного средства, при работе, отводит избыточный кислород в атмосферу, при обеспечении 50% экономии бензина с одновременным уменьшением в 30 раз выброса экологически вредного монооксида углерода с выхлопными газами двигателя. Использование изобретения в стационарных условиях (котельная ТЭЦ) - это возможность реализации в будущем категории выброс - вещество - товар, где избыточный кислород и вода от химводоочистки, становятся экономически выгодными и полезными для окружающей среды, в частности для дозаправки водородных двигателей (согласно Колотило Д.М. Экология и экономика. Киев, КЭНУ. 1999. стр.248-255).

Отсутствие баллонов со сжатым водородом в автомобиле с точки зрения техногенно-экологической безопасности повышает уровень существующей безопасной эксплуатации предложенного устройства в составе ДВС.

Найденное направление развития химической энергетики, которое эффективно снижает разрушительное антропогенное влияние на геобиосферу, опирается на имеющиеся недорогие минеральные ресурсы, в частности: соли железа, хлориды щелочных и щелочно-земельных металлов. Полученные из них железо, хлористый водород и их производные, могут быть эффективно использованы. Например, только ежегодные выбросы хлористого водорода в количестве 190 тонн Калушским концерном "Ориана", при их использовании - это большое количество утилизированного реагента и созданных водородных генераторов на автомобилях, ведь одним генератором согласно уравнению (1) используется всего 219 г хлористого водорода.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности способам получения водорода из воды для двигателей. Изобретение позволяет без существенных изменений двигателя обеспечить повышение его экологических и экономических характеристик. В способе действия экологически безопасного двигателя внутреннего сгорания с одновременным добыванием водорода и кислорода из воды как расщепляющий каталитический энергоноситель используют хлор в составе хлоридов металлов. Их валентность изменяется по мере прохождения замкнутого термохимического цикла с возвращением реагентов в исходное положение в конце цикла, кроме воды, количество которой периодически пополняется. Процесс термохимических преобразований хлорида железа-3 обеспечивается утилизированной тепловой энергией от выхлопных газов. Водород поступает в газовый редуктор и далее к водородопроводу и дозатору карбюратора двигателя. Кислород частично используется для улучшения работы двигателя и поступает через кислородный дозатор с кислородопроводом. Устройство экологически безопасного двигателя внутреннего сгорания содержит систему питания, которая включает магистраль подачи перегретой воды к цилиндрам через электромагнитный смягчитель. Испаритель размещен в пустоте выхлопного коллектора. Система питания включает также генератор водорода, ротор которого выполнен с функциональными камерами, автономный многоскоростной электропривод, корпус генератора водорода и резервуар кислоты. Корпус и резервуар кислоты насажены на общую ось, в массиве которой размещены каналы из и к функциональным камерам, с каналами из и к резервуару кислоты. Все каналы имеют предохранительные клапаны. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ действия экологически безопасного двигателя внутреннего сгорания с одновременным добыванием водорода и кислорода из воды, где как расщепляющий каталитический энергоноситель используют хлор в составе хлоридов металлов, валентность которых изменяется по мере прохождения замкнутого термохимического цикла с возвращением реагентов в исходное положение в конце цикла, кроме воды, количество которой периодически пополняется, отличающийся тем, что процесс термохимических преобразований хлорида железа-3 обеспечивается утилизированной тепловой энергией от выхлопных газов, причем водород поступает в газовый редуктор и далее к водородопроводу и дозатору карбюратора двигателя, а кислород частично используется для улучшения работы двигателя и поступает через кислородный дозатор с кислородопроводом.2. Устройство экологически безопасного двигателя внутреннего сгорания, система питания которого включает магистраль подачи перегретой воды к цилиндрам через электромагнитный смягчитель при размещении испарителя в пустоте выхлопного коллектора, отличающееся тем, что система питания включает генератор водорода, ротор которого выполнен с функциональными камерами, автономный многоскоростной электропривод, корпус генератора водорода и резервуар кислоты, при этом корпус и резервуар кислоты насажены на общую ось, в массиве которой размещены каналы из и к функциональным камерам, с каналами из и к резервуару кислоты, причем все каналы имеют предохранительные клапаны.