Перспективы развития автомобильных двигателей, работающих на водороде

Рисунок 2.1.2.Структура топливного элемента.

Рисунок 2.1.3.Схема топливного элемента.

Более чем

столетняя традиция транспортных средств с моторами внутреннего сгорания практически однозначно решает этот вопрос. Такой путь сулит определенные выгоды – повышается эффективный КПД двигателя, единственным прямым продуктом реакции является водяной пар, и даже оксидов азота (они образуются при высокой температуре из кислорода и азота воздуха) выбрасывается в атмосферу в 4–5 раз меньше, чем при езде на бензине (рис. 2.1.3.).

Определенную опасность представляют вспышки "гремучего газа" в коллекторе в момент открытия впускного клапана. Чтобы избежать этого, инженеры в 70-е годы предполагали подавать водород непосредственно в камеру сгорания. На чертежах тех лет нетрудно заметить дополнительный канал в головке блока цилиндров и маленький клапан, управляющий поступлением водорода. Позднее выяснилось, что проблему можно решить по-другому – скажем, впрыскивать в рабочую смесь воду или обеспечить рециркуляцию отработавших газов (тоже, по сути, водяного пара). К преимуществам водорода как моторного топлива следует отнести его высокую детонационную стойкость, что позволяет заметно увеличить степень сжатия и давление надува. Эти меры поднимут эффективную мощность двигателя (при "бензиновых" степенях сжатия из-за меньшего коэффициента наполнения мощность двигателя на водороде оказывается меньше) (рис. 2.1.4.) .Проводились эксперименты и по использованию водорода в дизеле.

Рисунок 2.1.4. Схема реактора

Правда, в газодизельном цикле небольшая порция жидкого топлива подавалась в цилиндр, чтобы инициировать начало горения. Дизелю водород тоже пошел бы на пользу – с ним выбросы сажи и твердых частиц сводятся почти к нулю.

На первый взгляд, добавить к тому, что сказано, вроде бы нечего, если не погружаться в рассуждения о том, что лучше сжигать: чистый водород, синтез-газ или их всевозможные смеси с бензином, метанолом, соляркой . Но, оказывается, не все специалисты мыслят столь прямолинейно. Некоторые, раз ступив на путь исследований в области химии водорода, уже и слышать, не хотят о двигателях внутреннего сгорания. И вот, благодаря усилиям конструкторов на сцене появляется новое удивительное устройство, позволяющее при реакции водорода с кислородом получить электрическую энергию непосредственно!

Многие, вероятно, помнят школьные опыты по электролизу: в воду опускают два электрода, подводят определенное напряжение, и на одном из них начинает выделяться водород, а на другом – кислород. Здесь же все происходит с точностью до наоборот. Водород в чем-то сродни металлам, и его атом легко теряет свой единственный электрон. В устройстве, получившем название водородный топливный элемент, реакция водорода с кислородом происходит в несколько стадий. Сперва водород вынужден пройти через ионообменную мембрану, которая свободно пропускает лишь протоны – лишенные электрона атомы водорода (Н+), а вовсе не его молекулы Н2. Электроны при этом остаются на отрицательном электроде (он же – платиновый катализатор). Пройдя через мембрану, водород вновь получает свой электрон – в момент реакции с кислородом воздуха, на положительном (и тоже платиновом) электроде. Электроны же вынуждены идти "кружным путем", через электрическую цепь, производя при этом полезную работу.

Ну вот, осталось подключить электродвигатель, блок управления и . батарею аккумуляторов. Последняя, естественно, меньше, чем в электромобилях, и служит для приведения всего устройства в рабочее состояние, а также сглаживает пиковые нагрузки на топливный элемент и сохраняет энергию при торможении. Опытные экземпляры транспортных средств с такой чудовищной по сложности силовой установкой уже бегают по полигонам многих зарубежных автомобильных концернов.

2.2. Силовая установка, реализующая способ Колбенева.

Использование: способ работы силовой установки с двигателем внутреннего сгорания, работающим на водороде или на его смеси с углеводородным топливом.

Сущность изобретения: способ включает подачу мелкораздробленного энергоносителя и воды в газогенератор, поддержание соотношения масс воды и энергоносителя большим, чем стехиометрически необходимое, проведение реакции, получение смеси водяного пара и водорода, подачу паров газа в двигатель, сжигание горючей смеси и преобразование энергии расширяющихся газов во вращательную энергию вала. В качестве энергоносителя используют сплав, включающий 96-75% алюминия; 0,5-5,0% галлия; 0,5-5,0% индия; олово, кадмий, сурьма, висмут и магний - остальное, соотношение масс воды и энергоносителя выдерживают в интервале 5: 1-10:1, реакцию проводят при температуре 60-67oC, получают смесь водяного пара и водорода в соотношении масс 5:1, отделяют горючий газ и пар от шлаковых продуктов реакции и удаляют шлак в отстойник, где теплом отработавших газов двигателя нагревают до 450-500oC, неизрасходованную в результате реакции воду возвращают в газогенератор для повторного использования, воздух перед подачей в двигатель пропускают через энергоноситель, уменьшая трение его частиц, подогревают теплом парогаза и осуществляют подачу воздуха через газогенератор.

Рисунок 2.2.1. Схема силовой установки, реализующая способ Колбенева.

Силовая установка (рис. 2.2.1.) с двигателем 1 содержит газогенератор 2, снабженный входами 3 и 4 выходами 5 и 6. Первый вход 3 газогенератора 2 через насос 7 подачи энергоносителя подключен к резервуару 8 с энергоносителем в виде мелкодисперсного порошка. Бак 9 с водой соединен через нагнетатель 10 со вторым входом газогенератора 2 и дополнительно подключен к первому выходу 5 газогенератора 2 и отстойнику 11. Первый выход 5 газогенератора 2 и отстойнику 11. Первый выход 5 газогенератора 2 при помощи механизма 12 принудительного удаления шлака связан с отстойником 11. Второй выход 6 газогенератора 2 соединен с двигателем 1 через конденсатор 13, регулятор 14 и насос 15 подачи парогаза. Выхлопная труба 16 двигателя 1 соединена с отстойником 11 через кран 17. В качестве энергоносителя, заполняющего резервуар 8, используют сплав, включающий 96-75% алюминия; 0,5-5,0% галлия, 0,5-5,0% индия; олово, кадмий, сурьма, висмут и магний - остальное.

Пуск двигателя 1 осуществляется на углеводородном топливе, водороде или смеси водорода и углеводородного топлива. С помощью нагнетателя 10 вода направляется из бака 9 через вход 4 в газогенератор 2 для выработки водорода и разжижения шлака в механизме 12 принудительного его удаления в отстойник 11. Одновременно с этим из резервуара 8 энергоноситель с помощью насоса 7 поступает на вход 8 газогенератора 2, где происходит перемешивание и дробление на струи энергоносителя и воды, образование пароводородной смеси и шлака. Из выхода 6 газогенератора 2 водяной пар, водород и воздух, пропускаемый через энергоноситель, заполняющий резервуар 8, проходит через конденсатор 13, где пароводород превращается в водород с заданным содержанием влаги и воду, которая возвращается в бак 9. Для регулирования соотношения масс водяного пара и водорода в пароводородной смеси меняют "время-сечение" электромагнитного клапана регулятора 14 и пропускают частично или полностью пароводородную смесь через конденсатор 13. Воздух, проходя через резервуар 8, нагревается теплом газогенератора, ликвидирует брикетирование энергоносителя и уменьшает трение его частиц, и поступает в двигатель 1 через насос 15 подачи парогаза.

 Скачать реферат