Спосіб дії екологічно безпечного двигуна внутрішнього згорання і пристрій для його здійснення

1 Спосіб дії екологічно безпечного двигуна внутрішнього згорання з одночасним добуванням водню та кисню з води, де як розщеплюючий каталітичний енергоносій використовують хлор у складі деяких хлоридів металів, валентність яких змінюється в міру проходження замкнутого термохімічного циклу, з поверненням реагентів у вихідне положення в КІНЦІ циклу, окрім води, що періодично КІЛЬКІСНО поповнюється, який відрізняється тим, що процес термохімічних пе ретворень хлориду заліза-3 забезпечується утилізованою тепловою енергією від вихлопних газів, а добуті водень та кисень окремо розділені в системі 2 Пристрій екологічно безпечного двигуна внутрішнього згорання, система живлення якого включає магістраль подачі перегрітої води до циліндрів через електромагнітний пом'якшувач при розміщенні випаровувача у порожнині вихлопного колектора, який відрізняється тим, що система живлення включає генератор водню, ротор якого виконаний з функціональними камерами, автономним багатошвидкісним електроприводом, корпус і резервуар кислоти насаджені на спільну вісь, у масиві якої розміщені канали із- та до функціональних камер, з каналами із- та до резервуара кислоти, причому усі канали мають запобіжні клапани Винахід стосується термокаталітичного одержання водню з води як складової палива для двигунів внутрішнього згорання (далі ДВЗ) карбюраторних так і з циклом газодизеля при виконанні механічної роботи Охоплюючи в теоретичному плані хімічну екологію та енергетику, а в практичному аспекті - загальне та хімічне машинобудування, винахід направлений на пошук ефективного шляху для зниження руйнівного антропогенного впливу на геобюсферу сучасної енергетики, використовуючи наявні, не дорогі мінеральні запаси покладів сировини та виробничі можливості України, зокрема виробництва заліза, хлористого водню та їх похідних Встановлено, що перспективним екологічно чистим паливом для теплових двигунів, як найбільш масових та мобільних енергетичних установок є водень (згідно КОЛОСЮК Д С , Кузнецов А В Автотракторные топлива и смазочные материалы, Киев, «Вища школа», 1987, ст 89) Основним джерелом для одержання водню є вода (згідно ЯГОДИН Г А , Раков Э Г , Третьякова Л Г Химия и химическая технология в решении глобальных проблем Москва, «Химия», 1988, стр 81-87) Аналогом способу дм еколопчнобезпечного двигуна внутрішнього згорання ВІДПОВІДНО З деклараційним патентом на винахід України №31320 А від 1512 2000р Бюл №7-ІІ, передбачається одночасне добування водню та кисню з води, де як рощеплюючий каталітичний енергоносій використовується хлор у складі деяких хлоридів металів, валентність яких змінюється в міру проходження замкнутого термохімічного циклу, з поверненням реагентів у вихідне положення в КІНЦІ циклу, окрім води, КІЛЬКІСТЬ якої періодично поповнюється Аналогом пристрою екологічно безпечного двигуна внутрішнього згорання ВІДПОВІДНО З патентом Великобританії №1395418, 1975, кл FIB, передбачається система живлення, яка включає магістраль подачі перегрітої води до циліндрів через електромагнітний пом'якшувач, при розміщенні випаровувача у порожнині вихлопного колектора Технічне завдання полягає у забезпеченні процесу термохімічних перетворень хлориду заліза-3 утилізованою тепловою енергією від вихлоп (О 00 ю 58644 них газів, де добуті водень та кисень окремо розділені в системі Процес термохімічного перетворення хлориду заліза-3 відбувається в роторі генератора водню - складової системи живлення двигуна, причому привід ротора здійснюється автономним багато швидкісним електроприводом під час омивання його вихлопними газами у порожнині корпусу, ВІДПОВІДНО з'єднаної з вихлопним колектором Технічне завдання винаходу полягає у використанні теплової енергії акумульованої вихлопними газами (за межами циклу Карно), яка становить до 55% енергетичних можливостей палива для термокаталітичного одержання водню з води, використовуючи бортовий пристрій (далі генератор водню), у складі системи живлення ДВЗ, одночасно з виконанням механічної роботи (згідно Шифрин Д М Тепловые двигатели, ч 1 Москва, «Машгиз», 1962, стр142, таб 10) Доведено, що добавлення від 5% до 10% водню від маси палива, забезпечує 50% економію бензину, з одночасним 30-ти разовим зменшенням вмісту монооксиду вуглецю у вихлопних газах ДВЗ (згідно Чирков К Двигатель, двигатель, двигатель Техника №2 Москва, «Знание», 1983, стр51) Можливість використання такої комбінації палива притаманна як для карбюраторних ДВЗ (згідно АНОХИН В И Устройство автомобилей Москва, «Машгиз», 1953, стр 253-ь265), так і для систем живлення ДВЗ з дозованим вприском палива, наприклад, "газодизеля", коли до газоповітряної суміші після її стиснення з нагрівом, вприскується невелика КІЛЬКІСТЬ рідкого палива, розпочинаючи процес згорання суміші при робочому ході поршня (згідно Шифрин Д М Тепловые двигатели, ч 1 Москва, «Машгиз», 1962, стр 127) Використаний спосіб термокаталітичного одержання водню полягає у тому, що акумульована вихлопними газами теплова енергія (за межами циклу Карно) використовується для забезпечення замкнутого циклу термохімічних перетворень в ПОСЛІДОВНОСТІ ЗАЛІЗО ° ХЛОРИДИ ЗАЛІЗА ° ЗАЛІЗО при добуванні водню з води (як складової палива двигуна), де розщеплюючим енергоносієм виступає хлор, що циркулює всередині процесу без зовнішнього викиду, причому стартові маси каталітичних реагентів після закінчення кожного циклу, практично, відновлюються (при дотриманні герметичності процесу), без обмеження КІЛЬКОСТІ циклів, при періодичному компенсаційнодозованому поповненні водою системи у кислотному резервуарі Для реалізації термокаталітичного способу одержання водню, вихлопні гази ДВЗ (як ззовні, так і через сотові отвори у масиві) напрохід омивають ротор генератора водню (у порожнині корпуса) з автономним багато швидкісним електроприводом, функціональними камерами (для каталітичних реагентів), канали яких послідовно (по мірі обертання ротора) сполучаються з ЗОВНІШНІМИ каналами для водню, хлору, соляної кислоти, причому порожнину корпуса сполучено з вихлопним колектором двигуна, а опорні плунжери запобіжних клапанів вихідних каналів функціональних камер взаємодіють з ексцентриковою доріжкою на корпусі Спосіб дії екологічно безпечного двигуна внутрішнього згорання і пристрій для його здійснення нижче розглядаються на прикладі карбюраторного ДВЗ Згідно схеми фіг, до вихлопного колектора двигуна закріплено генератор водню 1 У порожнині корпуса генератора водню розміщено ротор 57, який як ззовні, так і через сотові отвори у масиві, омивається вихлопними газами, потік яких регулюється дросельною заслінкою 56 У чотирьох функціональних камерах 58 ротора 57 розміщені каталітичні реагенти Резервуар з кислотою 59, та ротор 57 через центри об'єднані віссю 53, яка шлицями закріплена з корпусом У масиві ВІСІ 53 розміщені канали для проходження а) кислоти, з резервуара 59 до функціональної камери 58, при її надходженні у зоні отримання водню (на схемі зображено Fe), б) водню, з функціональної камери до воднепровода 8, в) хлору, з функціональної камери (при прогріві FeCb) до резервуару 59 (на схемі зображено FeCI3) Плунжерна помпа 54 закачки кислоти закінчується гідроакумулятором на об'єм одного вприску Функціональні камери 58 мають канали входу та виходу з запобіжними клапанами, причому опорний плунжер 60 вихідного каналу взаємодіє з ексцентриковою доріжкою на корпусі (по мірі обертання ротора 57) Конічний редуктор 61 з'єднаний з багато швидкісним автономним електроприводом 44 (управляється мікропроцесором 46 за сигналом кисневого датчика 45, та датчика температури 48) Теплообмінник 62 сполучено трубопроводами 33 з системою охолодження двигуна Система подачі бензину до карбюратора 26 та 31 типу МКЗ-К80Д включає бензобак 25, відстоювач 27, помпу 28, плунжерний перемикач 29, бензопроводи 24 (згідно АНОХИН В И Устройство автомобилей Москва, «Машгиз», 1950, стр 265, фиг 223) Система охолодження добутого водню включає порожнину 40 газового редуктора, яка з'єднана трубопроводами 33 з системою охолодження двигуна через додатковий теплообмінник 47 Водень від газового редуктора, з порожнинами високого "А" та низького "Б" тисків, по воднепроводу 22 поступає до карбюратора а) при холостому ході - по каналу 21, б) при робочому ході - по каналу 20 (згідно Анохин В И Устройство автомобилей Москва, "Машгиз", 1950, стр 260, фиг 218) Система подачі води включає бак 7, вентилі 6, фільтр 4, помпу 5, електромагнітний пом'якшувач 3, водопровід 2, плунжерні помпи 63 та 64 Помпи закінчуються гідроакумуляторами 67 на об'єм одного вприску Запобіжним клапаном 43 стравлюється надлишковий тиск Плунжерні помпи 63 та 64 взаємодіють з ексцентриком на валу редуктора 61 Система регулювання складу відпрацьованих газів включає кисневий датчик 45, мікропроцесор 46, кисневий дозатор 41 з киснепроводом 65 Система виносу вихлопних газів включає ос 58644 новний 34 та додатковий 37 колектори, глушник 36 Система охолодження кислоти включає помпу 49, теплообмінник 50, кислотопровід 51, датчик температури 48 Робота ДВЗ розпочинається на бензині при коефіцієнті виносу тепла з вихлопними газами 0,55 (від теплотворної здатності бензину10200ккал/кг) Теплом вихлопних газів прогріваються каталітичні реагенти, маса ротора генератора водню На старті процесу, всі чотири функціональні камери 58 мають шар порошку заліза Після досягнення розрахункових температурних параметрів мають місце такі процеси Отримання водню, згідно рівняння (1) 2Fe 111,6г 2FeCI3 324,6г 6HCI 219г 20,716Н2О 372,89г 200,94ккап 591,89г розчину 3H2 t 20,716H 2 Ot 6г 372,89г(пара) 100 —2S0 С 1аі-S-60а£ де ЬІ2 - водень добутий на протязі одного циклу (відповідає оберту ротора 57), 111,6г - стартова маса порошку заліза в чотирьох функціональних камерах 58, 372,89г - маса гідратної води для 37% розчину 219г хлористого водню (маса розчину 591,89г), 200,94ккал - енергія пароутворення з 20,716 молів гідратної води, виходячи з потреби 9,7ккал/моль (згідно Глінка М Л Загальна ХІМІЯ Київ, "Радянська школа", 1955, стр 198) Один цикл термохімічної взаємодії (1) відповідає одному повному оберту ротора 57 Добутий водень, одночасно з охолодженням від рідини, що циркулює порожниною 40 та теплообмінником 47, надходить до порожнини «А» газового редуктора, під тиском, що підтримується пневмоакумулятором 66, через відкритий клапан 12 Після досягнення тиску 2-ьЗкГс/см2, мембрана 9 стискує пружину 10, а кутовий важіль закриває клапан 12 Розрідження у вхідному колекторі 32 передається до камери мембрани ЗО, якою стискується пружина 15 Прогин донизу мембрани 13 призводить до відкриття клапану 17 важелем 16, при одночасному зміщенні плунжера 29 до низу, внаслідок чого відкривається канал зменшеної подачі бензину до поплавкової камери 26 Водень надходить до порожнини «Б» газового редуктора Після встановлення у порожнині тиску від 4 до 5мм водяного стовпа, відкривається заслінка 19, пропускаючи водень до водневопровода 22 та дозатора 23 карбюратора двигуна Розпочинається работа двигуна на бензиноводневій суміші У випадку необхідності екстреного переведення роботи двигуна на бензин, кран 35 сполучається з атмосферою, це приводить до встановлення атмосферного тиску у камері мембрани ЗО, розтискуванням пружини 15, зміщенням мембрани 13 догори, закриттям клапану 17 важелем 16 Одночасно плунжер 29 також зміщується догори, відкриваючи канал повної подачі бензину до поплавкової камери 26 При перевищенні тиску у порожнині "А" газового редуктора, надлишковий тиск стравлюється через клапан 39 до атмосфери Одержання хлору при прогріванні (у безводному середовищі) хлориду заліза-3 (положення позначено на схемі як протилежне при одержанні водню) до повного відновлення заліза, згідно рівняння (2) 2FeCI3 3-32 > 3 5 ( Г С 2Fe ЗСІ2 Т (2), 324,6г 96ккал ЇТІаї 111,6г 213г де 324,6г - маса хлориду заліза-3, одержаного під час реакції (1), 96ккал - теплова енергія, що необхідна для відновлення трьох молекул хлору масою 213г (згідно Некрасов Б В Основы общей химии, т 3 Москва «Химия», 1970, стр 163) Зневоднення об'єму функціональної камери досягається відводом парів гідратної води у ВІДПОВІДНОСТІ рівняння (1) при різкому зменшенні тиску в камері з 60кГс/см до 1,2кГс/см , що забезпечується автоматично при зміщенні опорного плунжера запобіжного клапану вихідного каналу функціональної камери 58, який взаємодіє з ексцентриковою доріжкою 60 на корпусі Виникнення безводного середовища сприяє локальному підвищенню температури (має місце зменшення теплоємності у функціональній камері), що сприяє інтенсивному протіканню процесу згідно реакції (2) Пара гідратної води масою 372, 89г у ВІДПОВІДНОСТІ (1) надходить по каналу у масиві ВІСІ 53 до резервуару 59, де вона конденсується Відновлення використаної маси розчину кислоти, згідно (1), відбувається під час гідролізу одержаного хлору за реакцією (2) у резервуарі 59, куди надходить додатково реагентна вода Гідроліз хлору відбувається згідно рівняння (3) ЗСІ2 | ЗН2О | 3 бккал 100 Q. 6HCI 1,5О2 Т (3), + 1at 213г 54г 18ккал 1 at 219г 48г де 54г - маса реагентної води, 213г - маса одержаного хлористого водню для відновлення 591,89г 37% розчину кислоти у ВІДПОВІДНОСТІ ДО реакції (1), після взаємодії з конденсованими 20,716 молями гідратної води, 48г - маса одержаного кисню Добутий кисень (у 8-ми кратній КІЛЬКОСТІ ДО одержаного водню) тільки частково використовується для покращення роботи двигуна через кран 41 з киснепроводом 65, що сполучений з ресивером 52 та надкислотною порожниною резервуара 59 Підживлення робочої суміші необхідне, наприклад, у випадку надмірного підвищення температури оточуючого середовища, коли має місце зменшення КІЛЬКОСТІ кисню у повітряній суміші У цьому випадку, двигун працює на більш багатій робочій суміші, збільшуючи викиди монооксиду вуглецю та вуглеводнів, що не згоріли у циліндрі Коли має місце надмірне зниження температури, двигун розпочинає працювати на збідненій робочій суміші, збільшуючи у вихлопі вміст моно- та диоксидів азоту (згідно огляду "Повышение экономичности газового двигателя», журнал «Автомобильная промышленность США», 1985, №6, стр 29) Для протікання одного циклу, енергетичні витрати, згідно рівнянь (1) та (2), в сумі складають (4) (І_)О=200,94+96=296,94ккал (4) Зазначимо, що необхідні, згідно (3), для розщеплення води 18ккал, з великим надлишком компенсуються під час конденсації парів гідратної води у резервуарі, згідно (1) та (3), ВІДПОВІДНО 58644 становлять (5) 200,94ккал-18ккал=182,94ккал (5), чим зумовлюється необхідність охолодження розчину кислоти у резервуарі 59, який помпою 49 прокачується через теплообмінник 50 Для одержання 296,94ккал тепла від вихлопних газів, згідно (4), необхідно двигуном використати бензину у КІЛЬКОСТІ (6) 296 94 Ш ' = 58,8г (6) = к 10200 0,55 0,9 10200 0,55 0,09 >' де 10200 - теплотворна здатність бензину, ккал/кг, 0,55 - коефіцієнт виносу теплової енергії бензину з відпрацьованими газами, 0,9 - коефіцієнт теплопередачі у генераторі Добуті в циклі 6 г водню, згідно (1), складають від 58,8 г використаного бензину (7) (Бз)М = (7) 58,8г що відповідає максимальній потребі, оговореної п 2 3 , тобто забезпечується досягнення 50% економії бензину, при одночасному 30-ти разовому зменшенні викиду монооксиду вуглецю з відпрацьованими газами до атмосфери Розглянутий спосіб дії еколопчнобезпечного ДВЗ засвідчує факт виводу процесу добування водню з води за межі циклу Карно, з використанням теплової енергії та розщеплюючих каталітичних енергоносіїв через замкнуті термохімічні цикли Такий напрям вирішення проблеми пошуку альтернативного нафтопродуктам палива визнано як перспективними промисловими методами абіотичного синтезу водню (згідно Легасов В А Проблемы развития химии прорыв в будущее Москва, «Наука», 1987, стр 31) Винахід не вимагає Суттєвих змін у конструкції теплового двигуна, що має місце при відомих розробках електромобілів, де електрична енергія, одержана при спалюванні водню, живить тягові електродвигуни (згідно огляду «Электромобили» Журнал «Автомобильная промышленность США», 1977, март, стр 1-ьб) Переоснащення сітки автозаправочних станцій 8 на водень, наприклад, для переобладнення тільки 30% таких станцій у штатах Каліфорнія, Нью-Йорк, Массачусетс буде коштувати державі приблизно 1,4млрд доларів США (згідно огляду «ДаймлерКрайслер в'їде у 21 століття на водневому пальному" Газета "Експрес" 1999, №11 (97) Систематичної заміни чи дозаправки каталітичними реагентами (окрім дозаправки водою) при тривалій експлуатації, що є обов'язковою при використанні відомих металопдратних акумуляторів для добування водню Підсилення захисних екологічних заходів при тривалому практичному використанні ДВЗ Вперше енергетична установка транспортного засобу, при роботі, відводить надлишковий кисень до атмосфери, при забезпеченні 50% економії бензину з одночасним зменшенням у ЗО разів викиду екологічно шкідливого монооксиду вуглецю з вихлопними газами двигуна Використання винаходу в стаціонарних умовах (котельня, ТЕЦ) - це можливість реалізації в майбутньому категорії викид речовина - товар, де надлишковий кисень та вода від хімводоочистки, стають економічно вигідними та корисними для довкілля, зокрема для дозаправки водневих двигунів (згідно КОЛОТИЛО Д М ЕКОЛОГІЯ І економіка, Київ, КНЕУ, 1999, стр 248-255) Відсутність балонів із стисненим воднем на автомобілі, з точки зору техногенно-екологічної безпеки, підвищує рівень існуючої безпечної експлуатації запропонованого пристрою у складі ДВЗ Знайдений напрям розвитку хімічної енергетики, який ефективно знижує руйнівний антропогенний вплив на геобюсферу, спирається на наявні, не дорогі мінеральні ресурси, зокрема солі заліза, хлориди лужних та лужноземельних металів, одержані з них залізо, хлористий водень та їх ПОХІДНІ, наприклад, тільки щорічні викиди хлористого водню у КІЛЬКОСТІ 190 тонн Калуським концерном "Оріана", при їх використанні - це велика КІЛЬКІСТЬ водневих генераторів на автомобілях, адже одним генератором, згідно рівняння (1), використовується всього 219г хлористого водню 58644 Комп'ютерна верстка О Воробей 10 Підписано до друку 05 09 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна