Способ подачи топлива, топливо, использованное в данном способе и устройство для его получения относятся к двигателестроению и может быть использовано в поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием, в частности, в газовых поршневых двигателях с искровым зажиганием, а также в бензиновых и дизельных ДВС.
Областью применения устройства и топлива, которые применяются указанным способом, является то, что в предложенном способе газово-поршневые генераторы могут применяться в системах подготовки топлива для подачи его в ДВС с искровым зажиганием, встроенные непосредственно в существующую систему автомобиля.
Для реализации предложенного способа было разработано специальное топливо и устройство для его получения, которые могут применяться в единой системе подачи топлива в ДВС. Назначением способа подачи топлива и устройства является выработка и подача в камеру сгорания ДВС автомобиля топливной смеси, состоящей из паров воды, озона и водорода.
Для реализации указанного способа разработано предлагаемое топливо, которое является новым видом топлива, которое легко может быть выработано агрегатами самого автомобиля в связи с использованием малой электрической мощности, которая требуется автомобильному генератору для подготовки топлива.
Известен опыт применения газообразного водорода в качестве топлива для камеры сгорания ДВС, где водород сгорает при соединении с кислородом воздуха. Однако на автомобиле требуется установить установку для электролиза (электролизер), которая и будет отделять водород от воды, чтобы затем получить нужную реакцию с кислородом в камере сгорания. На практике установка получается сложной и дорогой.
Сейчас 95% водорода производится из углеводородов с помощью реакции паровой конверсии или частичного окисления. Однако от природного газа или углеводородов остаётся выхлоп из CO2, который является очень вредным.
Следует отметить, что применение чистого водорода в камере сгорания порождает ряд проблем: водород из-за высокой температуры сжатия легко вступает в реакцию с различными металлическими элементами силовой установки и даже с моторным маслом. В следствие этого требуется найти такое сочетание компонентов топливной смеси, в котором водород находится в малых количествах, но без ущерба для энергоемкости процесса сгорания.
Кроме того, следует учитывать, что удельная теплота сгорания водорода втрое выше, чем у метана, но – по массе. Если сравнивать их по объему, то при сжигании 1 м³ гидрогена выделится всего 3.6 кВт тепловой энергии против 11 кВт у метана, поскольку водород – легчайший химический элемент, свойства которого необходимо использовать в полном объеме.
В настоящее время для решения проблемы получают, например, гремучий газ (смесь водорода и кислорода).
В отличии от мировой практики, где применяется газообразный водород в качестве топлива при подаче в камеру сгорания ДВС с искровым зажиганием и водород сгорает соединяясь с кислородом воздуха, в предложенном рабочем цикле ДВС применяется топливо из озонированной водо – водородной воздушной топливной смеси, где водород сгорает с озоном.
СПОСОБ
Известно изобретение «Способ холодного пуска и прогрева поршневого ДВС», патент RU 2 440509, опубл.27.04.2011, МПК F02N 99/00, в соответствии с которым осуществляют - получение водорода в электролизере, подачу в камеру сгорания топливно-воздушной смеси и водорода, водород подают в топливно воздушную смесь и кислород удаляется в окружающую среду. Способ позволяет снизить токсичность отработавших газов при холодном пуске и прогреве поршневого двигателя внутреннего сгорания, однако требует сложной и дорогой электронной системы управления двигателем и каталитическим нейтрализатором. Кроме того, в топливно воздушной смеси присутствуют углеводороды (бензин).
Известна заявка «Способ совершенствования процесса сгорания топлива в ДВС», RU 98111896/06, 24.06.1998, опубл.20.03.2000, МПК F02B 43/12, в котором водород получают в электролизере, осуществляют подачу в камеру сгорания топливно-воздушной смеси и водорода, а водород получают в электролизере отдельно от кислорода и вводят его в топливно-воздушную смесь. Электролизер выполнен с раздельными камерами для водорода и кислорода, однако производительность данного электролизера не сможет обеспечить устойчивую работу ДВС без введения углеводородного топлива.
Известна заявка «ДВС», RU 2016115383, 22.09.2014 , опубл.25.10.2017, МПК F02B 47/02, конвенционный приоритет GB1316775.4, US 1320857.4, WO 2015/040427, в соответствии с которой впускают жидкость и паро - преобразующее топливо в камеру сгорания, запускают процесс преобразования пара, при котором водород отделяется от паро - преобразующего топлива. Однако парообразование осуществляют из углеводородного топлива.
Наиболее близким техническим решением предложенного способа является изобретение «Способ подачи топлива в ДВС», патент 2681873, опубл. от 26.12.2016, МПК F02B 43/00, F02B 19/12, F02M 31/18, F02M 27/02, в котором применяется парогенератор, сгорание осуществляют за счет давления и соответствующей температуры подаваемой газовоздушной смеси в камеру зажигания, затем подают в камеру сгорания через впускной воздушный коллектор и далее в цилиндры двигателя на такте всасывания, а на такте сжатия обеспечивают воспламенение газо-воздушной смеси при срабатывании штатной системы зажигания за счет искро образования при достижении заданного давления. Способ позволяет сформировать в камере зажигания водородно - воздушной смесь за счет реакций комбинированной конверсии компонентов газовоздушной смеси в водород и окись углерода. Однако водород выделяется из топливной смеси, содержащей углеводороды, а не чистый водород, что приводит к вредным выхлопам.
Есть целая линейка автомобилей, использующих чистый водород содержащийся в баллонах. Это Тойота Mirai FCV, имеющиеся в нем баллоны обеспечивали «дальнобойность» около 500 км; BMW 750hL, машина комплектуется специальным баком с водородом; Honda Clarity, использующий водород вместо классического топлива, а также Riversimple Rasa. Все они снабжены баллонами для водорода. Однако баллоны под днищем автомобиля не безопасны.
Самый распространенный способ получения газообразного водорода – это электролиз воды в присутствии катализаторов – платины и прочих дорогих сплавов, что является очень дорогим способом.
Сейчас 95% водорода производится из углеводородов с помощью реакции паровой конверсии или частичного окисления. Однако остаётся от природного газа или углеводородов CO2, который является очень вредным.
Поэтому требуется решить задачу подачи и выработки водородного топлива для разработанного топлива на борту автомобиля с использованием наиболее экологичного и простого генератора водорода для получения топлива для этого способа.
В предложенном способе подачи топлива в ДВС получают топливо в единой системе подачи автомобиля, например, электролитическим способом. При этом образование озона происходит за счет разложения воды и образования атомарного кислорода,
который присоединяясь к молекуле кислорода образует озон и молекулу водорода.
Этот метод позволяет получать концентрированный озон, но в силу своей энергоемкости широкого применение в двигателестроении не было использовано. Наиболее распространены системы генерации озона на основе ультрафиолетового излучения в плазме газового разряда. Этот способ наименее энергозатратен и для него могут применяться штатные озонаторы типа Kevinleo 10 г озоновый генератор 12 В. Его производительность и энергопотребление для объема воздуха: 50 м³/ч, мощность (Вт): 10 Вт , может использоваться при электропитании транспортного средства, сертификация: LFGB.
Озон образуется при высокочастотном коронном разряде в потоке осушенного воздуха. Расход энергии составляет 5–15 кВт/кг О ·ч . Концентрация озона в воздухо-озонной смеси составляет 50–250 г/м. Предельно Допустимая Концентрация озона в воздухе в чистом виде 0,1 мг/м3 (СанПиН).
Важным преимуществом озонирования является неспособность озона к реакциям замещения. Другой особенностью озона - быстрое разложение в парах воды с образованием кислорода, т. е. озон в таком сочетании экологически безопасен.
Ультразвуковой водяной пар, получают, например, в ультразвуковом увлажнителе воздуха, содержащим основной узел - излучатель, например, в виде шайбы из пьезокерамической керамики, с выведенными посеребренными электродами. При подаче на него переменного тока, этот элемент начинает вибрировать с ультразвуковой частотой и начинает разбивать поверхность воды на мельчайшие частички. Получается водяной «туман» - ультразвуковой водяной пар.
Атомы водорода очень распространённый элемент, но он связан с другими атомами. Данный элемент в молекулярном виде инертен относительно к воде и взаимосвязей с ней не образует. Поэтому в смеси с паро — воздушной смесью не образуется связей, а атомы водорода присутствуют отдельно, насыщая эту паро — воздушную смесь. Растворимость в жидкостях у водорода составляет всего лишь 1,5 мг/л. Этот элемент является самым маленьким из всех известных, поэтому правильнее будет считать число молекул в паро - воздушной смеси. Прежде всего, горение водорода по сравнению с парами углеводородного топлива отличается тем, что водород сгорает намного быстрее, водород (hydrogen) вступает в реакцию самопроизвольно от возгорания, а теплота выделяется напрямую. После каждого раза, когда в камере сгорит заряд из водорода, в цилиндре ДВС будет оставаться водяной пар.
При этом водород сложно получить в больших количествах. Это значит, что автомобиль необходимо оснащать специальной установкой закрытого типа - электролизёром, отвечающим за расщепление воды и позволяющим добыть водород. Однако на практике такая установка сложна в изготовлении. Поэтому требуется решить задачу подачи топливной смеси, которая обеспечит устойчивую работу двигателя с малым содержанием водорода в топливной смеси.
Кроме того, даже маленькая утечка водорода при контакте с разогретым коллектором вызовет возгорание. Поэтому обычно используют роторные двигатели.
Чтобы разделить молекулу воды, энергию придется затратить в соответствии с формулой:
2H2O → 2H2+ O2— Q
Это формула электролитической реакции, характеризующая процесс расщепления воды путем подведения электричества. В следствие этого производительность такой установки низкая и она требует большого количества электроэнергии. Главная проблема, при применении водородного топлива это то, что затраты электричества на выделение чистого вещества превышают количество энергии, получаемое от его сжигания. Максимальный КПД электролизера достигает 50%. Это значит, что на 1 кВт полученной теплоты затрачивается 2 кВт электроэнергии.
Обычно для решения проблемы, например, получают гремучий газ (смесь водорода и кислорода). Для этого используют, например, ячейку Стэнли Мейера. В них напряжение подается от генератора импульсов через две резонансные катушки.
Однако в таких системах имеются двойные потери, во-первых, в процессе генерации газа, во-вторых, при нагреве воды.
Технический результат достигается за счет того, что применяют способ подачи водо-водородного топлива в ДВС, характеризующийся тем, что в камеру сгорания ДВС с искровым зажиганием подают подготовленную топливную смесь через впускной воздушный коллектор и далее в цилиндры двигателя на такте всасывания, а на такте сжатия обеспечивают воспламенение газо-воздушной смеси при срабатывании штатной системы зажигания за счет искрообразования при достижении заданного давления и температуры.
Способ отличается тем, что в камеру сгорания ДВС поступает по потоку топливная смесь в виде водо-водородного топлива по п. 1 за счет разряжения, создаваемого в цилиндре ДВС на такте всасывания из выхода электролизного генератора водорода моноблока по п. 2, который соединен с впускным воздушным коллектором ДВС. При этом, в начале работы ДВС производят первоначальную подачу водорода непосредственно из резервной емкости ультразвукового генератора водорода в камеру сгорания ДВС. Затем запускают электрогенератор, питающий моноблок и все последовательно соединенные элементы моноблока, в результате чего озонатор при всасывании атмосферного воздуха через воздушный фильтр направляет озонированный воздух в ультразвуковой парогенератор, ультразвуковой парогенератор направляет «холодный» туман с размером капель воды не более 1 мкм и с температурой от + 1°С до + 80°С, смешанный с озонированным атмосферным воздухом в ультразвуковой генератор водорода, а ультразвуковой генератор водорода вырабатывает атомарный водород из воды, залитой в электролизную ванну, и в котором выработанный водород смешивается с потоком «холодного» водяного тумана и озонированного атмосферного воздуха. При этом выработанный кислород стравливается в атмосферу, после разделения от водорода с использованием специальной полимерной мембраны. В результате на выходе из генератора водорода получают озонированную водо-водородно – воздушную топливную смесь, которая далее при ходе поршня вниз, на такте впуска в ДВС всасывается в камеру сгорания ДВС с искровым зажиганием и водород сгорает в смеси с озоном с получением перегретого водяного пара в камере сгорания ДВС на такте сжатия.
В предложенном способе при подаче топливной смеси атомарный водород потребляется в меньших, необходимых расчетных объемах, так как сгорает в смеси с озоном с большим энергетическим эффектом, чем с кислородом воздуха. При этом предварительно подогретый до + 80°С ультразвуковой пар обладает свойством «тепловой сверхпроводимости», поэтому почти мгновенно нагревается до температуры перегретого пара: от + 400°С до + 500°С от тепла получаемого в камере сгорания ДВС с искровым зажиганием от сжатия смеси и при сгорания водорода с озоном и кислородом воздуха, находящегося только в водяном паре. Далее перегретый пар расширяется и толкает поршень ДВС. Особенностью рабочего режима ДВС на озонированной водо - водородной воздушной топливной смеси является синергический тепловой эффект от: сгорания водорода с озоном и получаемого при этом перегретого водяного пара в камере сгорания ДВС. Ультразвуковой подогретый до + 80°С ультразвуковой водяной пар в камере сгорания ДВС при взрывном горении водорода выполняет также антидетонационную функцию.
Поскольку на водороде реакция протекает быстрее, это позволяет сдвинуть наполнение цилиндра на момент, когда поршень уже начинает движение в НМТ (нижняя мертвая точка). Таким образом, топливная смесь будет всасываться в камеру сгорания за счет разрежения в ней. Также реакция протекает более экологично, так как результатом сгорания является обычная вода вместо токсичных выхлопных газов.
Например, используют нагрев воды газом Брауна, где температура горения газа Брауна значительно выше, чем у метана, однако потребуется специальный котел, который дороже обычного. Газом Брауна принято называть смесь кислорода и водорода. Но эти решения не подходят для автомобилей. Характерная особенность таких устройств – использование блоков электродов, поскольку не требуется сепарирование водорода и кислорода. Это позволяет сделать генераторы довольно компактными.
Необходимо разработать такую систему подачи топлива в камеру сгорания ДВС, для которой используется специальная полимерная мембрана, хорошо известная для разделения водорода и кислорода, что позволяет значительно упростить конструкцию генератора водорода. Помимо этого полученный газ в камере сгорания требуется сжигать по мере его выработки. Для этих целей используются, например, электролизеры мембранного типа. Однако топливная смесь должна обеспечивать достаточную энергоемкость и при малых объемах выработанного водорода.
Таким образом также не требуется дорогостоящих и высокопроизводительных генераторов водорода с большим запасом электроэнергии на борту автомобиля, а сжигание топливной смеси осуществляется при относительно простой регулировке цикла работы ДВС.
В известных конструкциях в камере сгорания устанавливают мембрану, которая разделяет две камеры, в одной из которых стоит анод, а в другой катод. В камеру, где расположен анод, поступает водород, а в камеру с катодом попадает кислород. Электроды дополнительно покрыты дорогими редкоземельными металлами (зачастую, платиной). В результате водород теряет электроны. Одновременно протоны идут через мембрану на катод, при этом катализатор также воздействует и на них. Это позволяет играть роль катализатора, который оказывает воздействие на молекулы водорода. В итоге происходит соединение протонов с электронами, которые поступают снаружи. При использовании предложенного топлива, например, металлические катализаторы магнитно – каталитической камеры сгорания, которые сами имеют отрицательный заряд, который создается избыточными электронами в металле, а протоны имеющие положительный заряд напрямую соединяются с электронами на металлической поверхности катализаторов. Отличие применения предложенного топлива в заявленном способе состоит в том, что такой конструкции камеры сгорания не требуется. Если вместо традиционных конструкций камеры сгорания ДВС применить магнитно — каталитическую камеру сгорания, конструкция которой описана в патенте 2669529, то будут происходить эффективные экзотермические реакции конвертации низших алканов в водород, но без окиси углерода, образуя фактически плазменное состояние сжигаемого вещества без выхлопа вредных веществ.
В итоге камера сгорания ДВС в предложенном варианте исполнения способа работает как эффективный механический экзотермический магнитно каталитический химический реактор.
Эффект получают при активизации экзотермической реакции при условии повышенного ударного давления и температуры, поскольку парогазовая смесь в камере сгорания вступает в реакцию конвертации низших алканов в водород без окиси углерода при участии намагниченного комбинированного катализатора, расположенного в магнитном поле постоянных магнитов, который является катализатором реакций Тропша-Фишера и, одновременно, постоянным магнитом, что обеспечивают экзотермическую магнитно каталитическую химическую реакцию при температуре сгорания парогазовой смеси от 400 до 600 градусов с образованием плазмы, т.е. обеспечивается магнитный катализ.
Для работы такой камеры сгорания выполняется требование исключения наличия в камере сгорания полимеризованных групп молекул топлива. Это достигается при применении предложенного топлива. При паро - газовой смеси из углеводородных топлив, диссоциации молекул азота не происходит только тогда, когда понижен импульс разряда, для преодоления диссоциации требуется организовать магнитное поле с высокой напряженностью, так как энергия диссоциации молекул алканов высокая, например, у азота она в 2 раза выше, чем у кислорода. Вместо использования известных методов обработки топлива магнитным полем целесообразно применение предложенного, разработанного для этого способа, топлива, тогда и искусственно понижать импульс разряда в камере сгорания не требуется. Когда используют обработку магнитным полем топлива в виде паро — газовой топливной смеси из углеводородов, то при этих способах получают малую эффективность его воздействия, связанную с неоднородностью и низким уровнем напряженности магнитного поля (5-25 мТл) и нестабильностью параметров в процессе эксплуатации, что преодолевается с помощью предложенного топлива..
Камера сгорания работает более эффективно при использовании предложенного топлива как эффективный механический экзотермический магнитно каталитический химический реактор. Принцип работы такой камеры сгорания существенно отличается от ее работы на реакции паровой конверсии метана, когда в качестве побочного продукта выделяется пресловутый CO2 .
Таким образом, предложенный способ позволяет достичь технического результата по использованию разработанного для него топлива, в котором малое соотношение водорода в топливной смеси дает возможность сжигания водорода в смеси с озоном с получением перегретого водяного пара в камере сгорания ДВС а также получить необходимое топливо в компактной системе автомобиля.
ТОПЛИВО
Известна заявка «Водо-водородный реактивный двигатель», RU2009132353/06, опубл. 28.08.2009, МПК F02K 9/00 , в котором используют в качестве топлива водород и кислород. Однако это решение не может быть использовано для автомобилей с ДВС с искровым зажиганием, оно предназначено для реактивных двигателей.
Также используют для хранения и применения горючего газа метан, растворенный не в металлах, как водород, а в водяном льду при кристаллизации воды, Заявка RU2000110447/06, 27.04.2000,МПК F02B 43/00, предлагает этот способ хранения, однако этот способ не может быть применен для ДВС с искровым зажиганием.
Известна заявка «Способ применения водо термоядерного топлива для двигателей», RU2003105490/06, 25.02.2003, МПК F02G 3/00, в соответствии с которым используют изотопы водорода, а впуск, сжатие, сгорание водо термоядерного топлива в процессе сгорания и расширения происходит одновременно, при этом распыленная вода с применением изотопов водорода в сжатом виде поступает в камеру сгорания с образованием водорода. Однако в двигателе происходит термоядерная реакция, что не применимо к ДВС автомобилей.
Известна заявка «Система экологическичистой водородной энергетики для транспортных средств», RU99125719/06, 07.12.1999, опубл.10.09.2001, МПК B60L 11/18, в которой используют водородно - воздушную смесь. Однако химический компрематор вырабатывает электрический ток и не используется для подачи топливной смеси в камеру сгорания.
Известно изобретение «ДВС для использования только с неископаемым топливом», патент RU 2674168, опубл.30.10.2018, МПК F02D 19/08, F02M 25/022, F02M 25/10, конвенционный приоритет US 61/613,550; US 13/847,555, в котором используют совместное сжатие водорода, воздуха и топлива в камере сгорания со степенью сжатия в диапазоне от 25/1 до 35/1. Однако также в нем используют в качестве топлива — добавку - водорастворимое горючее вещество, например, спирт, изопропиловый спирт. Однако энергия, требуемая для разложения воды на ее компоненты, гораздо более высокая, чем энергия, производимая двигателем. Кроме того, количество водородной смеси, необходимой для того, чтобы работал автомобильный двигатель, слишком велико, чтобы сделать такую систему практичной.
Известно изобретение «Способ производства топлива, обогащенного водородом», патент RU 2423176, опубл.27.02.2011, МПК B01J 19/08, B01J 8/06, C10L 3/06. конвенционный приоритет US11/657,212, использующий продукт, содержащий водород и непрореагировавший метановый газ. Однако используют метановый газ и катализатор, содержащий частицы металла, что является дорогостоящим и трудно реализуемым.
Известно также изобретение «Способ работы двухтактного ДВС с водородом в качестве горючего и использованием энергии выхлопа в пульсационной трубе», патент RU 2549745, опубл.10.10.2014, МПК F02B 43/12, использующий топливную смесь, состоящую из водорода и кислорода, включающую в себя жидкую фазу воды, жидкий и газообразный азот. Но не решена задача сжигания водорода в озоне.
Наиболее близким к предлагаемому топливу является изобретение «Атомарный водородный двигатель внутреннего сгорания (АВ ДВС)», патент RU 74664, опубл.10.07.2008, МПК F02B 43/10, F02M 21/02, в соответствии с которым в ДВС используют электролитический молекулярный водород, однако он не сгорает в озоне. Аналогично используют атомарный водород в изобретении «ДВС использующий в качестве топлива смесь на основе воды, и способ его работы », патент RU74 664, опубл.10.07.2008, МПК F02B 43/10, F02M 21/02.
Требуется добиться в топливе малого соотношения водорода в топливной смеси и возможность сжигания водорода в смеси с озоном с получением перегретого водяного пара в камере сгорания ДВС с искровым зажиганем.
Данный технический результат достигают за счет того, что в качестве водо — водородной топливной смеси применяют озонированную водо — водородно - воздушную смесь, содержащую ультразвуковой водяной пар, обогащенный водородом и смешанный с озонированным атмосферным воздухом.
Новизна предложенного топлива состоит в том, что ее компонентами являются озонированный атмосферный воздух, ультразвуковой водяной пар, и атомарный водород . Озонированный атмосферный воздух получают при участии озона, выделяемого из атмосферного воздуха и в предложенном топливе используют свойства озона. Озон – газ синего цвета с резким характерным запахом, образующийся при воздействии электрического разряда или ультрафиолетового излучения на воздух. По химическому строению представляет собой молекулу, состоящую из трех атомов кислорода, в отличие от двухатомного кислорода. T – 192 С, Т – 112 С, растворимость в воде при 20 С0.0394 масс.%. Озон – очень реакционно способное соединение и химически неустойчив, разлагаясь до кислорода и атомарного кислорода. Озон - сильный окислитель, со многими органическими соединениями образует озониды, однако с парами воды или с водородом, озониды не образуются. Содержание озона в воздухе летом – до 7 x 10 об.%, зимой - 2 x 10 об.%. После озонирования атмосферного воздуха получают концентрацию озона примерно на до 7 x 10 об.%.
В больших концентрациях озон взаимодействует и окисляет высокомолекулярные вещества, ароматические и гидроциклические соединения, из которых состоит углеводородное топливо.
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ
Благодаря малым мощностям применяемого оборудования соотношение компонентов топлива получают автоматически. ****
Известна заявка «ДВС использующий в качестве топлива смесь на основе воды и способ его работы», RU2014142265, 20.03.2013, опубл.10.05.2016, МПК F02D 19/08, конвенционный приоритет US61/613,550, US 13/847,555, WO 2013/142575, содержащий камеру сгорания, впускной коллектор, находящийся в селективном сообщении по текучей среде с камерой сгорания. В камере сгорания используют не ископаемое топливо, состоящее по существу из 70% воды и 30% спирта. Однако топливо впрыскивают непосредственно в камеру сгорания с помощью селективного впрыска. Этот процесс трудно регулируемый и не гарантирует энергоотдачи двигателя.
Известна заявка «Способ питания ДВС и устройство для его осуществления», RU93034816/06, 02.07.1993, опубл.20.01.1996, МПК F02M 25/10, использующий последующее озонирование паровоздушной смеси в камере ионизации. Однако озонированная паровоздушная смесь не обогащена дополнительно водородом.
Наиболее близким техническим решением является заявка RU 2019101458 на изобретение «ДВС с магнитно каталитической камерой сгорания» того же автора, в которой ДВС снабжен камерой сгорания, впускным воздушным коллектором, ультразвуковым увлажнителем воздуха, вырабатывающим из воды «холодный» туман с размером капель воды не более 1 мкм и с температурой от + 1 0 С до + 40 0 С , озонатором и воздушным фильтром. В данном устройстве используют топливную смесь, в которую добавлены пары углеводородных топлив, например, бензина с получением газо - воздушной топливной смеси. Однако в предложенном решении участвует углеводородное топливо, что снижает его экологичность.
Известны опыты, в которых старались полностью изолировать топливную систему на водороде, не использовать наружный воздух, однако эта задача до настоящего времени не решена, она оказалась практически не реализуемой. По этой причине современные водородные двигатели внутреннего сгорания больше напоминают газовые двигатели, то есть агрегаты на газе пропане. От реализации водородных двигателей отказались прежде всего от того, что в камере сгорания высокие температуры и степень сжатия могут привести к тому, что водород будет вступать в реакцию с нагретыми элементами ДВС и моторным маслом. Также даже небольшая утечка водорода может стать причиной того, что топливо попадет на разогретый выпускной коллектор, после чего может произойти взрыв или пожар. Чтобы этого не случилось, для работы на водороде чаще задействуют роторные двигатели. Например, экспериментальная версия модели BMW 750hL, имеет водородный двигатель на 12 цилиндрах. Агрегат работает на таком горючем и способен разогнать автомобиль до скорости около 140 км/час. Правда, никаких отдельных установок для получения водорода из воды на машине не имеется. Просто бак заправляют водородом. Запас хода на полном баке водорода составляет около 300 км.
Известные ДВС на водородных топливах фактически представляют собой «батарейку» с водородным аккумулятором с КПД около 50%. Подобные водородные двигатели позволяют пройти не менее 200 км на одном заряде. Основным минусом является высокая стоимость топливных элементов по причине использования платины, палладия и других дорогих металлов. Например, японская модель Honda Clarity. Кроме Honda Clarity можно разве что упомянуть Mazda RX8 Hydrogen, а также BMW Hydrogen 7. Фактически это автомобили-гибриды, которые работают на жидком водороде и бензине. Модель Toyota Mirai — это автомобиль, который работает на чистом водороде, одного бака хватает на 600 км.
Водородные двигатели еще встречаются на отечественной модели «Нива», а также устанавливаются корейцами на специальную версию внедорожника Hyundai Tucson. Все системы подачи топлива для этих типов автомобиля используют баллоны с водородом.
Использование генераторов водорода на электролизе на борту автомобиля очень ограничено. Следует учитывать, что для получения одного килограмма водорода требуется 52.5 кВтч на электролизере с 75% эффективностью. Таким образом, Toyota Mirai, используя водород, полученный с помощью электролиза будет тратить 54,69 кВтч на 100 км. Даже огромная, более чем 2-х тонная Model S потребляет 23.75 кВтч на 100 км, а Mirai заметно меньше и не может похвастаться разгоном до сотни за 4 секунды.
В известных устройствах для получения газообразного атомарного водорода применяют электролиз воды в присутствии катализаторов – платины и прочих дорогих сплавов. Однако по предложенному способу подачи в условиях автомобильного оборудования его можно получить с помощью штатного электролизного генератора водорода. Подобная водородная установка потребляет ток порядка 16 ампера при напряжении 12 В . Мощность этого генератора должна быть не велика, так как требуется получать не большое по объему количество водорода, а строго определенное количество молекул водорода, достаточное для активизации экзотермической реакции при условии требуемого ударного давления и температуры в камере сгорания ДВС. Поскольку разделенные молекулы воды на hydrogen и oxygen, (гремучий газ) имеют склонность к взрыву, то кислород, полученный в генераторе водорода выводят в атмосферу, а молекулы атомарного водорода добавляют в ультразвуковой водяной пар, т.е. обогащают водородом.
В таком устройстве, например, могут применяться стандартные генераторы с параметрами:
генератор с питанием от переменного напряжения 220 вольт, полученного на борту автомобиля от преобразователем напряжения 12 В постоянного напряжения от АКБ в переменный ток напряжением 220 вольт. ( этот преобразователь продается в любом автомагазине, а в дорогостоящих автомобилях является штатным электрооборудованием )
Технические параметры:
В предложенном устройстве обеспечена выработка озонированной водо – водородной воздушной топливной смеси, с целью обеспечения синергического теплового эффекта, при достаточной мощности штатного электрогенератора любого ДВС. Предложенное устройство обеспечивает при достаточно малых объемах водорода в топливной смеси энерго-эффективный рабочий режим ДВС. Узлы устройства используют узлы промышленного изготовления со штатной производительностью и при малом энергопотреблении.
Конструкция устройства позволяет использовать малую электрическую мощность автомобильного электрогенератора, достаточную для питания генератора водорода, что определяется минимальной потребностью по объему вырабатываемого водорода для его сжигания с озоном в камере сгорания ДВС.
Для этого используют электролизную водородную установку.
Например подойдет установка с питанием от переменного напряжения 220 вольт, полученного на борту автомобиля от преобразователем напряжения 12 В постоянного напряжения от АКБ в переменный ток напряжением 220 вольт. ( этот преобразователь продается в любом автомагазине, а в дорогостоящих автомобилях является штатным электрооборудованием )
Технические параметры:
Техническим результатом устройства является получение топливной смеси средствами, размещенными на автомобиле для получения малого, но достаточного для устойчивой работы ДВС количества водорода, который сжигается с озоном.
Данный технический результат достигается за счет того, что устройство для ДВС с искровым зажиганием подсоединено к ДВС с камерой сгорания посредством впускного воздушного коллектора, снабжено ультразвуковым увлажнителем воздуха,, вырабатывающим из воды «холодный» туман с размером капель воды не более 1 мкм и с температурой от + 1°С до + 40°С, озонатором и воздушным фильтром. Отличие предложенного устройства состоит в том, что устройство выполнено в виде моноблока, в котором последовательно соединены озонатор, ультразвуковой увлажнитель атмосферного воздуха, и генератор воздуха. Все узлы и элементы моноблока питаются от электрогенератора, размещенного в системе автомобиля. Ультразвуковой увлажнитель атмосферного воздуха, озонатор и генератор воздуха конструктивно крепятся в корпусе моноблока с последовательным соединением между собой.
Первым по потоку установлен озонатор, ко входу которого через воздухозаборник воздушного фильтра подведен атмосферный воздух, он вырабатывает озон из кислорода атмосферного воздуха с получением на выходе озонированного атмосферного воздуха, и соединен с ультразвуковым парогенератором.
Ультразвуковой парогенератор снабжен емкостью с водой и вырабатывает ультразвуковой водяной пар в виде «холодного» тумана, ко входу ультразвукового парогенератора по потоку подведен озонированный атмосферный воздух, в нем смешиваются ультразвуковой водяной пар и озонированный атмосферный воздух с получением на выходе озонированной водо - воздушной смеси, которую подают на вход электролизного генератора водорода.
Последним устанавливают электролизный генератор водорода который снабжен электролизной ванной с водой и вырабатывает атомарный водород, а выработанный кислород стравливается (удаляется) в атмосферу. Ко входу электролизного генератора водорода по потоку подведена озонированная водо - воздушная смесь, после смешения озонированной водо - воздушная смеси и водорода с получением на выходе озонированной водо- водородно воздушной смеси, топливную смесь подают в впускной воздушный коллектор ДВС. При этом электролизный генератор водорода снабжен резервной емкостью водорода для первоначального запуска ДВС.
Данное техническое решение иллюстрируется чертежом. На чертеже условно показано электрическое подсоединение электрогенератора к моноблоку, составные части которого питаются от электрогенератора. Электрическая схема может быть применена в различных вариантах, поэтому она не отражена подробно. Например, с встроенным диодом, который встроен в клавишный переключатель. В схеме может быть применен также блок электролитических конденсаторов, но можно обойтись и без них.
Конструкция, изображенная на чертеже, не показывает всех возможных вариантов электропитания элементов моноблока.
На Фиг. 1 - показана общая схема подсоединения элементов моноблока между собой и подсоединение их к входному воздушному коллектору камеры сгорания ДВС.
Устройство для получения водо-водородного топлива устроено следующим образом.
Моноблок (1), на чертеже условно показан пунктирной линией, выход которого (2) соединен с входным воздушным коллектором (3) камеры сгорания (4) ДВС. С камерой сгорания (3) электрически соединен электрогенератор штатный автомобиля (5) . От электрогенератора (5) в моноблоке (1) осуществлена разводка питающих электрических сетей (6) к каждому элементу, которые смонтированы в моноблоке (1). на чертеже условно электрическая сеть (6) показан штрих пунктирной линией. В моноблоке (1) смонтированы строго последовательно озонатор (7), ко входу (8) которого подсоединен воздушный фильтр (9). Выход (10) озонатора (7) соединен со входом (11) ультразвукового парогенератора (12), снабженного емкостью с водой (условно не показана). Выход (13) ультразвукового парогенератора (12) соединен со входом (14) электролитный генератора водорода (15). Генератор водорода (15) снабжен электролизной ванной и резервной емкостью водорода (условно не показаны). Выход (2) генератора водорода (15) соединен со впускным воздушным коллектором (3) камеры сгорания (4) ДВС. В качестве электролита в генераторе водорода (15) выступает вода.
Электрическая сеть (6) переменного тока от преобразователя напряжения 12 вольт на 220 вольт питает озонатор (7), ультразвуковой парогенератор (12) , генератор водорода (15).
Однако, конкретное конструктивное исполнение не ограничивается показанным на чертеже вариантом исполнения, а также конструктивных вариантов схемы подключения.
Устройство для получения водо-водородного топлива работает следующим образом.
После первоначального, разового поступления в камеру сгорания (4) ДВС чистого водорода из резервной емкости генератора водорода (15), осуществляется запуск работы ДВС, Подключается к работе электрогенератор (5), который питает озонатор (7), ультразвуковой парогенератор (12), генератор водорода (15) через электрическую сеть (6). Вырабатываемый из воды в электролитном генераторе водорода (15) водород подают в поток озонированной водо - воздушной смеси, после смешения с водородом получая водо - воздушное топливо, засасываемое в камеру сгорания (4) ДВС. Водо - воздушное топливо получают последовательно добавляя по потоку из атмосферного воздуха, который поступает в воздушный фильтр (9), засасывается в озонатор (7), далее поступает в ультразвуковой парогенератор (12), обогащаясь парами воды, полученными в виде «холодного» тумана с размером капель воды не более 1 мкм и с температурой от + 1°С до + 40°С и далее в генератор водорода (15), в котором обогащается атомарным водородом. Далее за счет разряжения в цилиндрах ДВС на такте всасывания, через входной воздушный коллектор (3) поступает в камеру сгорания (4) ДВС.
Таким образом, в получении водо - воздушного топлива участвуют озонатор (7), ультразвуковой парогенератор (12) и генератор водорода (15), которые соединены строго последовательно.
В качестве озонатора в предложенной конструкции, например, используют штатный озонатор типа Kevinleo. В качестве ультразвукового парогенератора возможно использовать, например, парогенератор типа PerfectCare. Поскольку получение атомарного водорода требуется в малых количествах, то в качестве электролитного генератора водорода достаточно импользовать штатный генератор водорода, например, M2-M22, производитель - Shaanxi, Howah, стандарт - Astm.
Важно отметить, что озонатор (7), к которому подведен только атмосферный воздух, должен быть конструктивно изолирован и расположен на достаточном расстоянии от генератора водорода (15), который вырабатывает атомарный водород, так как смешивать озон с водородом без добавления водяного пара нельзя, так как озон вырабатывается от высоковольтного электрического разряда и можно получить взрывное сгорание водорода и воздуха, поэтому первым по потоку воздуха должен стоять озонатор.
Озонатор, ультразвуковой парогенератор, генератор водорода обязательно последовательно соединены между собой, так как последним подключен водородный генератор, на наибольшем расстоянии от озонатора и между ними ультразвуковой парогенератор, только в такой последовательности моноблок способен работать безопасно, без взрыва.
При этом генератор водорода вырабатывает водород из воды, налитой в электролизную ванну генератора и водород смешивается с потоком озонированного ультразвукового водяного пара и атмосферного воздуха.
Запуск ДВС в работу осуществляют первоначально от водорода из штатной, встроенной резервной емкости генератора водорода (15).
Озонатор (7) и ультразвуковой парогенератор (12) в составе моноблока (1) могут быть применены промышленного изготовления и будут доступны любой необходимой производительности, при малом энергопотреблении.
Малая электрическая мощность, потребляемая генератором водорода в предложенной конструкции определяется минимальной потребностью по объему водорода для сжигания с озоном в камере сгорания ДВС, его потребность исчисляется количеством молекул водорода.
Таким образом, получают топливную смесь средствами, размещенными на автомобиле для получения малого, но достаточного для устойчивой работы ДВС количества водорода, который сжигается с озоном. Фактически предложен водородный двигатель, работающий на озонированной водо-водородно - воздушной топливной смеси.
Таким образом при использовании разработанного для способа нового водо — водородного топлива и встраивании в систему подачи автомобиля устройства для выработки этого топлива, можно реализовать предложенный способ.
Работа всех трех компонентов работает следующим образом.
Первым по потоку засасываемого воздуха двигателем в камеру сгорания (4) стоит озонатор (7).
1. Озонатор (7) вырабатывает озон из кислорода атмосферного воздуха.
Получают продукт на выходе - озонированный атмосферный воздух, который поступает далее в ультразвуковой парогенератор (12).
2. Далее по потоку ультразвуковой парогенератор (12), в который налита вода, вырабатывают ультразвуковой водяной пар с характеристиками «холодного» тумана с размером капель воды не более 1 мкм и с температурой от + 1°С до + 40°С и в этот поток включают выработанный озон. Получают продукт на выходе озонированная водо - воздушную озонированную смесь, которая состоит из водяного холодного тумана - это ультразвуковой водяной пар и озона.
3. Третьим и последним по потоку подключен электролизный генератор водорода (15), который из налитой в его электролизную ванну воду, вырабатывает водород из этой воды. Выработанный атомарный водород добавляется в поток из ультразвукового водяного пара и озона, а кислород сбрасывается в атмосферу. Конечный продукт на выходе водородного генератора - озонированная водо - водородно воздушная смесь, которая и является водо-водородным топливом. Это топливо подается в камеру сгорания (4) ДВС за счет разряжения, которое получают на такте всасывания в цилиндрах ДВС. Поскольку на водороде реакция протекает быстрее, это позволяет сдвинуть наполнение цилиндра на момент, когда поршень уже начинает движение в НМТ (нижняя мертвая точка). Таким образом, топливная смесь будет всасываться в камеру сгорания за счет разрежения в ней.
Таким образом, достигается:
- высокий уровень экологичности, так как продуктом его сгорания выступает водяной пар
- высокий КПД, который в разы превосходит КПД в классических силовых установках, функционирующих на дизельном или бензиновом топливе;
- относительная конструктивная простота, а также отсутствие дорогостоящих, ненадёжных, опасных систем топливоподачи;
- бесшумность работы ДВС
Фактически предложенный способ подачи топлива осуществляют за счет сгорания водорода в смеси с озоном с получением перегретого водяного пара в камере сгорания ДВС.
Подача водо — водородного топлива может осуществляться, например, в магнитно-каталитическую камеру сгорания. В случае использования каталитической камеры сгорания фактически получают механический химический реактор.
В предложенном способе подачи водород потребляется в меньших необходимых расчетных объемах, так как сгорает в смеси с озоном с большим энергетическим эффектом, чем с кислородом воздуха. Предварительно подогретый до + 80°С ультразвуковой пар обладает свойством «тепловой сверхпроводимости», поэтому почти мгновенно нагревается до температуры перегретого пара : от + 400°С до + 500°С от тепла получаемого в камере сгорания ДВС с искровым зажиганием от сжатия смеси и при сгорания водорода с озоном и кислородом воздуха, находящегося в озонированной воздушной смеси. Далее перегретый пар расширяется и толкает поршень ДВС.
Особенностью рабочего режима ДВС на озонированной водо – водородной воздушной топливной смеси является синергический тепловой эффект от сгорания водорода с озоном и получаемого при этом перегретого водяного пара в камере сгорания ДВС.
Ультразвуковой подогретый до + 80°С ультразвуковой водяной пар в камере сгорания ДВС при взрывном горении водорода выполняет также антидетонационную функцию, а количество атомов водород в предложенном топливе определяет энергетику сгорания.
Для выработки озонированной водо - водородной воздушной топливной смеси, с целью обеспечения синергического теплового эффекта, достаточно мощности штатного электрогенератора любого ДВС, так как озонатор (7), ультразвуковой парогенератор (12) и особенно генератор водорода(15), с учетом достаточности малых объемов вырабатываемого им водорода обеспечит энерго-эффективный рабочий режим ДВС.
Наиболее целесообразно применение данного рабочего цикла на газово-поршневых генераторах ( дизельный двигатель с искровым зажиганием), с учетом высокой степени сжатия в цилиндрах, где озонированная водо - водородная воздушная топливная смесь нагревается от + 400°С до + 500°С, а также имеет достаточный запас электрической мощности синхронного генератора.
Таким образом, достигается то, что не требуется дорогостоящих и высокопроизводительных генераторов водорода с большим запасом электроэнергии на борту автомобиля, а сжигание топливной смеси осуществляется при относительно простой регулировке цикла работы ДВС. Также реакция протекает более экологично, так как результатом сгорания является обычная вода вместо токсичных выхлопных газов. Значит достигается результат по использованию разработанного для способа топлива, в котором малое соотношение водорода в топливной смеси дает возможность сжигания водорода в смеси с озоном с получением перегретого водяного пара в камере сгорания ДВС а также получить необходимое топливо в компактной системе автомобиля.
Изобретение раскрывает способ подачи водоводородного топлива в ДВС с искровым зажиганием, характеризующийся тем, что в камеру сгорания цилиндров ДВС с искровым зажиганием подают подготовленную топливную смесь через впускной воздушный коллектор и далее в камеру сгорания цилиндров ДВС соответственно на такте всасывания, а на такте сжатия обеспечивают воспламенение топливной смеси при срабатывании штатной системы зажигания за счет искрообразования при достижении заданного давления и температуры, при этом в камеру сгорания цилиндров ДВС подают по потоку топливную смесь в виде водоводородного топлива из устройства для выработки водоводородного топлива за счет разряжения, создаваемого в цилиндре ДВС на такте всасывания, при этом, в начале работы ДВС первоначально подают в камеру сгорания цилиндров ДВС водород непосредственно из резервной емкости для водорода, затем запускают электрогенератор, питающий устройство для выработки водоводородного топлива, в котором располагают озонатор, ультразвуковой парогенератор и электролизный генератор водорода, при этом в озонаторе вырабатывают озонированный воздух после всасывании атмосферного воздуха через воздушный фильтр и подают его в ультразвуковой парогенератор, в ультразвуковом парогенераторе вырабатывают ультразвуковой водяной пар в виде «холодного» тумана с размером капель воды не более 1 мкм и с температурой от + 1°С до + 80°С, смешивают его с озонированным атмосферным воздухом. и подают полученную озонированную водовоздушную смесь в электролизный генератор водорода, а в электролизном генераторе водорода вырабатывают водород из воды, залитой в электролизную ванну, смешивают полученный водород с потоком озонированной водовоздушной смеси, и полученную озонированную водоводородно воздушную смесь, представляющую водоводородное топливо, подают далее через впускной воздушный коллектор ДВС в камеру сгорания каждого цилиндра ДВС с искровым зажиганием при ходе поршня вниз на такте всасывания, а выработанный в электролизном генераторе водорода кислород выпускают в атмосферу. Также раскрывается водоводородное топливо для ДВС с искровым зажиганием и устройство для выработки водоводородного топлива для ДВС с искровым зажиганием. Технический результат: улучшение экологичности за счет снижения вредных выбросов, а также обеспечение высокого КПД. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
1. Способ подачи водоводородного топлива в ДВС с искровым зажиганием, характеризующийся в том, что в камеру сгорания цилиндров ДВС с искровым зажиганием подают подготовленную топливную смесь через впускной воздушный коллектор и далее в камеру сгорания цилиндров ДВС соответсвенно на такте всасывания, а на такте сжатия обеспечивают воспламенение топливной смеси при срабатывании штатной системы зажигания за счет искрообразования при достижении заданного давления и температуры, отличающийся тем, что в камеру сгорания цилиндров ДВС подают по потоку топливную смесь в виде водоводородного топлива из устройства для выработки водоводородного топлива за счет разряжения, создаваемого в цилиндре ДВС на такте всасывания, при этом в начале работы ДВС первоначально подают в камеру сгорания цилиндров ДВС водород непосредственно из резервной емкости для водорода, затем запускают электрогенератор, питающий устройство для выработки водоводородного топлива, в котором располагают озонатор, ультразвуковой парогенератор и электролизный генератор водорода, при этом в озонаторе вырабатывают озонированный воздух после всасывании атмосферного воздуха через воздушный фильтр и подают его в ультразвуковой парогенератор, в ультразвуковом парогенераторе вырабатывают ультразвуковой водяной пар в виде «холодного» тумана с размером капель воды не более 1 мкм и с температурой от + 1°С до + 80°С, смешивают его с озонированным атмосферным воздухом и подают полученную озонированную водовоздушную смесь в электролизный генератор водорода, а в электролизном генераторе водорода вырабатывают водород из воды, залитой в электролизную ванну, смешивают полученный водород с потоком озонированной водовоздушной смеси, и полученную озонированную водоводородно-воздушную смесь, представляющую водоводородное топливо, подают далее через впускной воздушный коллектор ДВС в камеру сгорания каждого цилиндра ДВС с искровым зажиганием при ходе поршня вниз на такте всасывания, а выработанный в электролизном генераторе водорода кислород выпускают в атмосферу.
2. Водоводородное топливо для ДВС с искровым зажиганием для реализации способа по п.1 используют в виде озонированной водоводородно-воздушной смеси, содержащей ультразвуковой водяной пар, обогащенный водородом и смешанный с озонированным атмосферным воздухом, при этом водород в смеси с озоном из озонированной водоводородно-воздушной смеси сгорает в камере сгорания цилиндров ДВС на такте сжатия с получением перегретого водяного пара.
3. Устройство для выработки водоводородного топлива для ДВС с искровым зажиганием для реализации способа по п. 1 содержит ультразвуковой парогенератор, вырабатывающий из воды «холодный» туман с размером капель воды не более 1 мкм и с температурой от + 1°С до + 40°С и озонатор с воздушным фильтром, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено электролизным генератором водорода, озонатор, ультразвуковой парогенератор и электролизный генератор водорода соединены между собой последовательно, ко входу озонатора подсоединен воздухозаборник воздушного фильтра, подводящий атмосферный воздух, а к выходу озонатора подсоединен ультразвуковой парогенератор, снабженный емкостью с водой, ко входу ультразвукового парогенератора по потоку подсоединен озонатор, а к выходу по потоку подсоединен электролизный генератор водорода, ко входу электролизного генератора водорода по потоку подсоединен ультразвуковой парогенератор, а к выходу электролизного генератора водорода, вырабатывающего водоводородное топливо по п. 2, подсоединен впускной воздушный коллектор ДВС, который соединен с камерой сгорания каждого цилиндра ДВС с искровым зажиганием соответственно, при этом электролизный генератор водорода снабжен электролизной ванной с водой, из которой получают водород с возможностью вывода выработанного кислорода в атмосферу, и устройство снабжено резервной емкостью водорода.
4. Устройство для выработки водоводородного топлива для ДВС с искровым зажиганием по п. 3, отличающееся тем, что в качестве ультразвукового парогенератора используют увлажнитель воздуха.
5. Устройство для выработки водоводородного топлива для ДВС с искровым зажиганием по п. 3, отличающееся тем, что устройство выполнено в виде моноблока, питающегося от штатного электрогенератора и подсоединенного к ДВС с искровым зажиганием посредством впускного воздушного коллектора.
| Комбайн для уборки подсолнуха | 1931 |
|
SU26490A1 |
| СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ ЖИДКОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2007 |
|
RU2380396C2 |
| RU 2016151527 A, 26.06.2018 | |||
| US 0003761062 A1, 25.09.1973 | |||
| WO 2011005135 A1, 13.01.2011. | |||
