ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к двигателям внутреннего сгорания, работающим на альтернативном топливе - водном растворе поваренной соли.
Ближайшим аналогом полезной модели принят электролитический двигатель внутреннего сгорания, использующий воду в качестве рабочего вещества с добавкой «жидкого химического катализатора» для получения электролита прямо в рабочей камере (патент №136494 на полезную модель, РФ, F02B 43/10, F02B 51/02, F02P 15, 2014). Электролитический двигатель внутреннего сгорания включает пульт управления, не менее одного рабочего цилиндра, снабженного подвижным поршнем и рабочей камерой для электролита, электродуговой активатор электролита, соединенный по входу с электрическим аккумулятором и выходом электромеханического генератора, приводной вал которого кинематически соединен через кривошипно-шатунный механизм с подвижным поршнем рабочего цилиндра. Электролитический двигатель дополнительно содержит электронно-вычислительную машину (ЭВМ) управления, отдельную емкость для воды и отдельную емкость для жидкого химического катализатора, емкости соединены через соответствующие электромагнитные вентили и впускные клапаны с полостью рабочей камеры, установленной под цилиндром и соосно с ним, в нижней части рабочей камеры и соосно с ней установлен термостойкий электрод, электрически изолированный от токопроводящего корпуса рабочей камеры и соединенный с потенциальной шиной электродугового активатора, заземленная шина которого соединена с токопроводящим корпусом рабочей камеры, причем управляющие входы электромагнитных вентилей, электромеханического генератора и электродугового активатора соединены через ЭВМ с пультом управления. Электродуговой активатор электролита выполнен в виде высоковольтного емкостного и/или индуктивного накопителя энергии с цифровым управлением частотой подачи активирующих высоковольтных разрядов на электролитическую смесь, сформированную в рабочей камере цилиндра. Высоковольтный емкостной накопитель электрической энергии содержит последовательно соединенные мультивибратор, повышающий трансформатор с ферритовым магнитопроводом, высоковольтный выпрямитель, блок высоковольтных конденсаторов и электронный коммутатор, управляющий вход которого по частоте активации электролита соединен с выходом ЭВМ. Термостойкий электрод выполнен на основе вольфрама и/или графита.
Техническим результатом полезной модели является снижение эксплуатационных затрат электролитического двигателя внутреннего сгорания за счет применения высокотемпературного электролиза разбрызганного в сжатом воздухе водного раствора поваренной соли в камере сгорания.
2
2
Основной недостаток, препятствующий достижению технического результата при использовании ближайшего аналога - электролитического двигателя внутреннего сгорания - высокая себестоимость «жидкого химического катализатора». В ближайшем аналоге не указана химическая формула этого катализатора. Исходя из основ химии и описания аналога, это пероксид натрия (NaO). Так как он используется в виде порошка, то нужна добавка химически нейтральной жидкости, например, бензола. Пероксид натрия имеет высокую себестоимость, сопоставимую с себестоимостью электролита, помимо этого, необходимо учитывать также и себестоимость бензола.
Признаками ближайшего аналога, совпадающими с существенными признаками полезной модели, является наличие в электролитическом двигателе внутреннего сгорания рабочих цилиндров с подвижным поршнем и рабочей камерой для электролита; электродугового активатора электролита, выполненного в виде индуктивных накопителей электрической энергии, соединенных по входу с электрическим аккумулятором и выходом электромеханического генератора; термостойких электродов из вольфрама, электрически изолированных от токопроводящего корпуса рабочей камеры и соединенных с электродуговым активатором.
Технической задачей полезной модели является усовершенствование конструкции электролитического двигателя внутреннего сгорания для обеспечения перехода на альтернативное топливо с низкой себестоимостью.
Известны два разных способа получения жидкого электролита: химический и электрохимический. В ближайшем аналоге реализован химический способ (). В предложенном техническом решении реализован электрохимический способ (). При этом водный раствор поваренной соли имеет концентрацию 20-40%. Преимуществами последнего способа является возможность применения топлива с низкой себестоимостью, а также увеличение давления в цилиндрах за счет взрывной реакции паров хлора и водорода в широких диапазонах их концентрации.
В предложенном техническом решении использован высокотемпературный электролиз водяного пара (ВТЭП). Преимуществом ВТЭП перед электролизом жидкой фазы является возможность понижения катодного и анодного перенапряжения, увеличения плотности тока при высоких температурах и одновременного снижения потери мощности. (http://chem21.info/info/1043654/).
Реализация ВТЭП в предложенном техническом решении выполнена за счет рабочего цикла дизельного двигателя. Использование рабочего цикла дизельного двигателя дает нагрев воздуха до 700°C при сжатии. Однако, этот нагрев происходит очень быстро, и поэтому является адиабатическим. Это означает, что если в цилиндре будет вода, то тепло воде не успеет передаться, и вместо испарения произойдет гидроудар и поломка двигателя. Во избежание этого в предложенном техническом решении обеспечено предварительное перемешивание воды и воздуха, которое одновременно устраняет возможность гидроудара, и за счет увеличения площади поверхности ускоряет нагрев.
В настоящее время в автомобильных, стационарных, судовых дизельных двигателях перемешивание топлива, например, солярки, с воздухом осуществляется в форсунках топливных насосов высокого давления (ТНВД). Однако в данном случае форсунки неприемлемы ввиду быстрого засорения солью раствора.
При этом есть другой, альтернативный способ перемешивания топлива и воздуха - ударное разбрызгивание, которое в настоящее время применяется в трубчатых дизель-молотах. В этом способе отпадает надобность в дорогих и сложных ТНВД. Суть ударного разбрызгивания заключается в измельчении воды за счет ее выдавливания в разные стороны при ударе шарообразного наконечника поршня по шарообразной выемке в шаботе дизель-молота. Ударное разбрызгивание в трубчатом дизель-молоте обеспечивается падением с достаточной высоты тяжелого поршня, масса которого достигает от 250 кг до 2500 кг. При такой большой массе частота ударов дизель-молота достигает 40-50 ударов в минуту, (http://stroy-technics.ru/article/dizel-moloty).
В ДВС автомобиля частота возвратно-поступательного движения поршня напрямую определяет число оборотов коленчатого вала. Именно по этой причине метод ударного разбрызгивания в исполнении трубчатого дизель-молота невозможно применить в автомобилях, так как малая частота дает малые обороты, недостаточные для достижения большой скорости движения.
Для устранения этого препятствия в предложенном техническом решении энергия, необходимая для ударного разбрызгивания водного раствора поваренной соли, обеспечивается за счет использования электрогидравлического эффекта (электрогидроудара), открытого Л.А. Юткиным (http://firewolf.org/wp-content/uploads/2013/09/Jelektrogidravlicheskij_jeffekt_i_ego_primenenie_v_promyshlennosti.pdf).
Для реализации электрогидравлического эффекта в предложенном техническом решении рабочие цилиндры выполнены подвижными. Под каждым цилиндром расположен неподвижный поддон, заполненный водой до отметки уровня в половину его высоты, но не более чем наполовину, отделенный от цилиндра электрическим изолятором и пружиной. При торможении поршня от индуктивного накопителя в виде катушки Румкорфа подается электрический разряд на цепь, содержащую воздушный искровой промежуток и электроды в поддоне с водой. После пробоя воздушного искрового промежутка и прохождения тока в воде происходит электрогидроудар, который подбрасывает цилиндр вверх, и он соударяется с поршнем. Наличие шарообразного наконечника у поршня и соответствующей ему шарообразной выемки на дне цилиндра обеспечивает геометрию для ударного разбрызгивания водного раствора поваренной соли и его последующего превращения в пар.
Далее происходит коммутация искрового разряда от индуктивного накопителя в виде катушки Румкорфа для запуска электролиза водяного пара из раствора поваренной соли и последующего зажигания появившейся в результате электролиза взрывоопасной смеси водорода с хлором. Происходит такт расширения. Поршень движется вверх, а цилиндр отбрасывается вниз, на поддон. При этом энергия удара гасится пружиной.
3
4
Рабочие камеры для электролита в предложенном техническом решении приняты неразделенного типа, кольцеобразные, удаленные от стенок цилиндра для снижения потерь тепла. По закону Фарадея для получения электролизом объема водорода, дающего теплоту, сопоставимую по теплоте сгорания с объемом дизельного топлива в ДВС за время разряда индуктивного накопителя энергии, необходим ток порядка 250 кА. Такой ток может расплавить двигатель. Поэтому в предложенном техническом решении, как и в ближайшем аналоге, применены вольфрамовые электроды (причем, чтобы достичь минимума напряжения при указанной силе тока применено параллельное соединение вольфрамовых электродов с катушкой Румкорфа), по которым ток от индуктивного накопителя подается в рабочую камеру для электролита, а также применена электроизоляция электродов от остальной части двигателя. Однако в ближайшем аналоге не уточнен материал электроизоляции. В предложенном техническом решении электроизоляция выполнена в виде оболочек из нитрида кремния (SiN), имеющего высокую ударную вязкость, высокую стойкость к тепловым ударам, а также хорошие свойства электроизолятора. Без изоляции оставлен только шарообразный наконечник поршня и выемка на дне цилиндра.
Так как в ДВС с кривошипно-шатунным механизмом возникает проблема чрезмерной жесткости работы и износа двигателя, в предложенном техническом решении использован свободно-поршневой ДВС, поэтому число цилиндров в предложенном техническом решении кратно двум.
В виду того, что водный раствор может находиться в шарообразной выемке на дне цилиндра и в поддоне только при их вертикальном положении, дном вниз, и из-за необходимости наличия минимум двух цилиндров для работы ДВС, в предложенном техническом решении изменена кинематическая связь между поршнями. Она предусматривает, что к каждому из двух поршней жестко крепятся две вертикальные штанги, каждая из которых снабжена двумя зубьями, а обратная связь их движения обеспечивается с помощью введения в схему неподвижно закрепленной паразитной шестерни.
В предложенном техническом решении применен мембранный насос с одной мембраной для подачи водного раствора в шарообразную выемку на дне цилиндра в конце одного из двух тактов ДВС, а именно, расширения. Привод мембранного насоса в предложенном техническом решении выполнен механическим, в виде вертикальных тяг, прикрепленных к мембране и выполненных с горизонтальными консолями, для зацепления с зубьями вертикальной штанги, жестко соединенной с поршнем ДВС. При этом мембрана расположена под рабочей камерой насоса для возможности засасывания воды в мембранный насос в конце такта сжатия и подачи водного раствора в цилиндр в конце такта расширения.
Поставленная задача решена тем, что электролитический двигатель внутреннего сгорания, включающий рабочие цилиндры с подвижным поршнем и рабочей камерой для электролита; электродуговой активатор электролита, выполненный в виде индуктивных накопителей электрической энергии, соединенных по входу с электрическим аккумулятором и выходом электромеханического генератора; термостойкие электроды из вольфрама, электрически изолированные от токопроводящего корпуса рабочей камеры и соединенные с электродуговым активатором, согласно полезной модели, дополнительно содержит количество рабочих цилиндров, кратное двум, рабочие цилиндры выполнены подвижными; ДВС выполнен свободно-поршневым, поршни снабжены шарообразными наконечниками, а в дне каждого цилиндра выполнена отвечающая им шарообразная выемка; под каждым цилиндром расположены неподвижные поддоны с отметкой уровня на половине их высоты; рабочие камеры для электролита выполнены кольцеобразными, при этом верхнее полукольцо расположено в нижней части поршня, а нижнее полукольцо расположено в дне цилиндра и размещено вокруг шарообразной выемки; к каждому поршню жестко присоединены вертикальные штанги, каждая из них снабжена Г-образной консолью с двумя зубьями; неподвижно закрепленную паразитную шестерню для обеспечения обратной связи движения вертикальных штанг; каждый цилиндр снабжен мембранным насосом для подачи водного раствора поваренной соли в рабочие камеры для электролита в конце такта расширения, каждый мембранный насос выполнен с одной мембраной, к каждой мембране присоединена рама, содержащая две вертикальные тяги, каждая из них жестко соединена с горизонтальной консолью, с возможностью вхождения в зацепление с зубьями Г-образных консолей вертикальных штанг; рабочие камеры для электролита выполнены электроизолированными, электроизоляция рабочих камер для электролита и термостойких электродов выполнена в виде оболочек из нитрида кремния.
Между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом полезной модели существует следующая причинно-следственная связь. Использование всех существенных признаков позволит получить ожидаемый технический результат.
Полезная модель проиллюстрирована графическим материалом, где на фиг. 1 схематично изображено устройство (вид сверху); на фиг. 2 схематично изображен вид А на фиг. 1 в конце такта сжатия, на фиг. 3 схематично изображен вид А на фиг. 1 в конце такта расширения; на фиг. 4 схематично изображен вид Б на фиг. 1, где левый цилиндр показан в такте сжатия, а правый - в такте расширения; на фиг. 5 схематично изображен вид Б на фиг. 1, где левый цилиндр показан в такте расширения, а правый - в такте сжатия; на фиг. 6 схематично изображен вид В на фиг. 3.
Электролитический двигатель внутреннего сгорания содержит поршни 1 и 2, соответственно с шарообразными наконечниками 3 и 4, подвижные цилиндры 5 и 6 с шарообразными выемками 7 и 8 на дне (на фигурах не обозначено) цилиндров 5 и 6; неподвижные поддоны 9 и 10 (с отметкой уровня на половине их высоты - на фигурах не показаны). В поддонах 9 и 10 реализуется электрогидравлический эффект Юткина. Электролитический двигатель содержит кольцевые камеры 11 и 12 для электролита; жестко прикрепленные к поршням 1 и 2 вертикальные штанги 13 и 14, кинематически связанные через неподвижно закрепленную паразитную шестерню 15, вертикальные штанги 13 и 14 снабжены Г-образными консолями 16 и 17. Электролитический двигатель содержит мембранные насосы 18 и 19, подающие водный раствор поваренной соли в шарообразные выемки 7 и 8 на дне (на фигурах не обозначено) каждого из цилиндров 5 и 6, мембраны 20 и 21 с прикрепленными к ним рамами 22 и 23, рама 22 снабжена верхней вертикальной тягой с горизонтальной консолью 24 и нижней вертикальной тягой с горизонтальной консолью 25, рама 23 снабжена верхней и нижней вертикальными тягами с горизонтальными консолями 26 и 27 (верхней и нижней). Г-образная консоль 16 вертикальной штанги 13 снабжена верхним и нижним зубьями 28, 29, а Г-образная консоль 17 вертикальной штанги 14 снабжена верхним и нижним зубьями 30, 31. Электролитический двигатель содержит индуктивные накопители электрической энергии 32 в виде катушек Румкорфа Рабочие камеры 11 и 12 для электролита выполнены электроизолированными; электроизоляция рабочих камер 11 и 12 для электролита и термостойких электродов (на фигурах не показаны) выполнена в виде оболочек (на фигурах не показаны) из нитрида кремния.
Устройство работает следующим образом. При запуске ДВС с помощью аккумулятора (на фигурах не показан), электромеханический генератор в режиме электродвигателя (на фигурах не показан), приводит в движение вертикальные штанги 13 и 14, жестко связанные с поршнями 1 и 2. При этом за счет кинематической связи через паразитную шестерню 15, поршень 1 движется вверх, а поршень 2 - вниз. Движущаяся вверх вертикальная штанга 13 верхним зубом 28 на Г-образной консоли 16 зацепляет горизонтальную консоль верхней вертикальной тяги 24, через раму 22, приводя в движение вверх мембрану 20 мембранного насоса 18. Из него водный раствор поваренной соли попадает в шарообразную выемку 7 на дне (на фигурах не обозначено) цилиндра 5. В то же время движущаяся вниз вертикальная штанга 14 нижним зубом 31 на Г-образной консоли 17 зацепляет горизонтальную консоль нижней вертикальной тяги 27, через раму 23, приводя в движение вниз мембрану 21 мембранного насоса 19. В него нагнетается водный раствор поваренной соли. По достижении противоположных мертвых точек поршнями 1 и 2 в цилиндрах 5 и 6, система управления и запуска двигателя (на фигурах не показана) приводит вертикальные штанги 13 и 14 в противоположное движение. По достижении опускающимся и адиабатически сжимающим воздух поршнем 1 определенного положения система управления (на фигурах не показана) коммутирует искровой разряд, который от индуктивных накопителей электрической энергии 32 через электроды (на фигурах не показаны) подается в расположенный под цилиндром 5 неподвижный поддон 9. В нем реализуется электрогидравлический эффект Юткина, за счет чего цилиндр 5 движется вверх до тех пор, пока шарообразная выемка 7 в нем не ударится о шарообразный наконечник 3 поршня 1. В процессе этого соударения происходит разбрызгивание и испарение водного раствора поваренной соли в кольцевую камеру 11 для электролита. После этого система управления (на фигурах не показана) коммутирует искровой разряд, который от индуктивных накопителей электрической энергии 32 через электроды (на фигурах не показаны) подается в кольцевую камеру 11 для электролита. В ней реализуется высокотемпературный электролиз взвеси водяного пара и поваренной соли. В результате реакции электролиза образуются пары хлора и водород, которые, в свою очередь, реагируют со взрывом. Происходит такт расширения: в результате взрыва паров хлора и водорода в кольцевой камере 11, поршень 1 в цилиндре 5 движется вверх. При этом в цилиндре 6 за счет кинематической связи вертикальных штанг 13 и 14 через паразитную шестерню 15 поршень 2 движется вниз, осуществляя такт сжатия. В конце такта расширения очередная порция водного раствора поваренной соли попадает из мембранного насоса 18 в шарообразную выемку 7 цилиндра 5 описанным выше способом. В конце такта сжатия другая порция водного раствора поваренной соли попадает в мембранный насос 19 описанным выше способом.
Полезная модель позволяет реализовать в электролитическом двигателе внутреннего сгорания рабочий процесс с альтернативным видом топлива - водным раствором поваренной соли 20%-40%. Это позволяет значительно снизить эксплуатационные затраты у двигателя внутреннего сгорания.