УДК 621.436.004.05 Н.Г. Куць, доцент, канд. техн. наук Л.И

МАШИНОПРИЛАДОБУДУВАННЯ ТА ТРАНСПОРТ
22
УДК 621.436.004.05
Н.Г. Куць, доцент, канд. техн. наук
Луцкий национальный технический университет, г. Луцк, Украина
Л.И. Гречихин
Минский государственный высший авиационный колледж, г. Минск, Республика Беларусь
ВОДЯНОЙ ДВИГАТЕЛЬ
Рассмотрены: различные возможности диссоциации воды на водород и кислород, а также
процессы увеличения температуры и давления в камере сгорания теплового двигателя путем
сжигания продуктов диссоциации воды и импульсным электрическим разрядом.
Ключевые слова: водяной двигатель, диссоциация воды, тепловая энергия, механическая
работа.
Постановка проблемы. Во всех двигателях внешнего и внутреннего сгорания происходит
превращение тепловой энергии в механическую работу. Чтобы такое превращение происходило,
необходимо обеспечить соответствующую разность энергетических состояний рабочего тела в виде газа
в начальном и конечном состояниях. В двигателях внутреннего сгорания такую разность получают при
сжигании различных углеводородных топлив практически в импульсном режиме. Однако это не
единственная возможность сообщать рабочему телу в виде пара или газа мощную порцию энергии в
импульсном режиме.
Анализ публикаций. В качестве альтернативы рабочего тела предлагается использовать водород
с кислородом и обычную воду [1]. Для импульсного разогрева рабочего тела можно применить
импульсный электрический или высокочастотный разряд. Такой способ сообщения энергии рабочему
телу (газу) уже реализиран на различных автомобильных двигателях и получены обнадеживающие
результаты, где в качестве рабочего тела применена паровоздушная смесь. Вода в качестве топлива в
двигателях внутреннего сгорания применяется в различных направлениях. В настоящее время – это
1) применение электролиза для диссоциации воды на водород и кислород; 2) использование химических
реакций для разложения воды с получением газообразного водорода; 3) использование плазменной дуги
для диссоциации воды; 4) применение импульсного электрического разряда в парах воды. В этой связи
возникает
Цель: разработать физические основы работы двигателя внутреннего сгорания, в котором в
качестве топлива используется обычная вода и определить, какой из методов реализации такого
двигателя является наиболее оптимальным.
Задачи: 1) определить условия, при которых диссоциация молекул воды или их разложение на
водород и кислород являются наиболее эффективными; 2) разработать физический механизм передачи
энергии к высокомолекулярному газу и затем превращение этой энергии в механическую работу;
3) создать инженерный метод расчета работы двигателя на воде для осуществления компьютерного
моделирования путем выявления оптимальных конструкций с обеспечением высоких значений
коэффициентов преобразования получаемой тепловой энергии рабочим телом в механическую работу.
Основная часть
Применение электролиза для разложения воды. Молекула воды под действием электрического
тока не разлагается на кислород и водород. Чтобы такой процесс происходил необходимо создать
электропроводящий раствор – электролит. Например, если создать водный раствор на основе серной
кислоты, то в растворе появятся катионы Н+ и анионы SO42− вследствие диссоциации молекул серной
кислоты
(1)
H 2 SO4 ⇔ 2 H + + SO42 − .
Положительные ионы водорода, нейтрализуясь на катоде, превращаются в атомы, а затем в
молекулы. Ионы SO42− , нейтрализуясь на аноде, вступают в реакцию с водой, и образуется
молекулярный кислород в соответствии с каталитической реакцией
2 SO4 + 2 H 2 O ⇔ 2 H 2 SO4 + O2 .
(2)
На восстановление молекул серной кислоты тратится энергия электрического тока за вычетом
энергии связи молекул воды с материалом анода (углеродом) 1,35 эВ/молекулу. В итоге получается
разложение воды на кислород и водород. Оба газа заводятся в камеру сгорания, где происходит их
соединение с образованием паров воды
2 Н 2 + О2 ⇒ 2 Н 2О + 483,6 кДж / моль .
(3)
Вісник СевНТУ: зб. наук. пр. Вип. 122/2011. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. — Севастополь, 2011.
МАШИНОПРИЛАДОБУДУВАННЯ ТА ТРАНСПОРТ
23
Положительный выход энергии составит ~ 1,16 эВ на одну молекулу воды без учета протекания
тока разряда. Протекание электрического тока в электролите происходит вследствие самопроизвольной
поляризации внутри радиуса Дебая. При подготовке электролита подбираются щелочи или соли с
энергией диссоциации меньше, чем для воды (5,12 эВ), т.е. 2…3 эВ. В этом случае при нормальной
температуре будет происходить самопроизвольная диссоциация сложных молекул в воде. Концентрация
вводимых щелочей или солей в весовом составе не превышает 1%. Тогда концентрация катионов и
анионов составит ~ 3,3·1024 м-3. Подключив внешний источник ЭДС к электродам, расположенным на
удалении друг от друга l = 1 см, для такой среды получим диэлектрическую проницаемость равную εr =
6·1014 [2].
Скорость распространения по такой среде электромагнитных волн
v = 1 / ε r ε 0µ 0 ~ 12,24 м/с,
(4)
где ε0 и µ0 – диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума.
Энергия, затрачиваемая на перенос положительного заряда от анода к катоду:
W1 = IUτ = evUl / v ~ 1 эВ.
(5)
В результате получаем избыток энергии только 0,16 эВ на каждую молекулу воды. Эффективный
коэффициент преобразования такого водяного двигателя составит не более ~ 6-7%.
Если производить электролиз в резонансных условиях, то коэффициент преобразования можно
увеличить, но тогда резко усложняется сам процесс электролиза.
В работах [3,4] рассмотрен электризер на основе диссоциации молекул воды на разогретом
углероде до красного каления. В результате при физической адсорбции молекул воды теплотворная
способность воды составляет 11,6 МДж/кг, а при химической адсорбции – 21,3 МДж/кг. При «сжигании»
одного килограмма воды на углероде площадью 1 м2 за один час реализуется мощность при физической
адсорбции 3,2 кВт, а при химической адсорбции – 5,9 кВт. Ситуация несколько лучшая, но
практического интереса особого не представляет.
Химические реакции разложения воды. Метод разложения воды на основе протекания
химических реакций рассмотрим на примере использования гидроксида натрия (NaOH) и алюминия
Al(OH)3. Под действием щелочей оксидный слой на алюминии растворяется, и образуются алюминаты.
Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействует с водой, вытесняя из нее водород
2 Al + 6 H 2 O ⇒ 2 Al (OH ) 3 + 3H 2 .
(6)
Образующийся гидроксид алюминия реагирует со щелочью, образуя гидроксоалюминат
Al (OH ) 3 + NaOH ⇒ Na[Al (OH ) 4 ] .
(7)
Окончательно получаем следующую реакцию превращения:
2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O ⇒ 2 Na[ Al (OH ) 4 ] + 3H 2 .
(8)
В результате образуется достаточно водорода для его сжигания в камере сгорания с
использованием воздуха как окислителя. В процессе работы такого двигателя в качестве побочных
продуктов возникают различные гидриды металлов, которые химически активны, что опасно в
экологическом отношении. Поэтому такой метод реализации двигателя на воде не представляет
практического интереса.
Кроме рассмотренных реакций разложения воды возможны реакции разложения других
высокомолекулярных соединений вида [4]:
Al 2 O3 ⇔ O + 2 AlO + ∆E ;
Cr2 O3 ⇔ O + 2CrO + ∆E и др.
(9)
Диссоциация воды в плазменной дуге. В процессе утилизации различных отходов на основе
углерода, такие как сточные воды, использованные кулинарные и автомобильные масла, мыло, чистящие
растворители и др. используют плазменную дугу. В этой технологии на выходе получают горючие газы,
Вісник СевНТУ: зб. наук. пр. Вип. 122/2011. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. — Севастополь, 2011.
МАШИНОПРИЛАДОБУДУВАННЯ ТА ТРАНСПОРТ
24
которые успешно применяют в транспортных средствах. Такая технология заслуживает внимания в связи
с утилизацией жидких отходов и выработки ограниченного количества используемого горючего газа для
работы двигателя транспортного средства, производства электроэнергии или отопления жилых и
хозяйственных помещений.
4. Импульсный электрический разряд в парах воды. Наиболее интересным и практически
просто реализуемым является использование импульсного электрического разряда в парах воды для
резкого увеличения температуры и давления в камере сгорания теплового двигателя. В этом случае
следует применять карбюрацию воды, чтобы в камеру
H 2O
сгорания поступали пары воды. Разогрев паровоздушной
T
T
смеси в камере сгорания осуществляется обычной свечей
зажигания, но с увеличенным зазором между электродами с
целью повышения подаваемого напряжения и возрастания
мощности разряда. Каким образом осуществляется работа
такого двигателя подробно рассмотрим ниже.
5. Карбюрация водяных паров. Водяные пары в
камеру сгорания подают путем карбюрации воды в жидком
состоянии.
Известно
три
типа
карбюраторов
–
испарительный, впрыскивающий и всасывающий. Широкое
H 2O
распространение получили всасывающие карбюраторы двух
типов – с падающим и с восходящим потоком, как это
а)
б)
показано на рисунке 1.
Рисунок 1 – Принципиальная схема
Применительно к двигателям внутреннего сгорания
всасывающего карбюратора:
скорость подачи испаряющейся жидкости составляет
а) с восходящим потоком;
4 – 6 м/с, а скорость подачи воздуха компрессором –
б) – с падающим потоком
vT ~ 120 – 150 м/с. При таком напоре воздуха в соответствии
с законом Бернулли давление в струе воздуха при изотермическом течении в нормальных условиях
составит:
 v2m 
Р = Р0 exp − T a  ~ (0,918 – 0,877)Р0,
(10)
 2k Т 
Б 

где Р0 – давление воздуха в окружающей среде.
Небольшое уменьшение давления в потоке воздуха приводит к эффекту всасывания паров воды в
воздушную среду. Так как в воздушной струе паров воды имеется незначительное количество, то
испарение воды происходит без процесса конденсации, т.е. процесс испарения в таком случае можно
рассматривать, как испарение в вакуум. При этом испаряются в вакуум кластерные образования.
Количество молекул в кластере определено в [5] и равно:
v
v
Есв .
′.
Eсв
0
0
К = 5 ∫ f (ε )dε + 8 ∫ f (ε )dε .
(11)
Здесь первый член определяет количество молекул в основном кластере, а второй член –
количество молекул в кластере второго координационного слоя.
Если поверхность воды в карбюраторе находится при температуре Т, то поток испарившихся
кластеров в вакуум равен [5]:
J исп. =
1
 
3 πM d 
8
3
 1

 k БТ



3/ 2 ∞

ε 
1/ 2
∫ (1 − Есв. / ε ) ε exp − k Т dε .
Есв .
 Б 
(12)
Конкретные вычисления по (3) приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Поток испарения кластеров воды при различных температурах
Температура, К
Параметр
273
293
313
333
353
373
Поток
испарения,
1/м2 с·10-25
0,114
0,471
1,607
4,680
11,93
27,20
Произведем конкретные оценки общего количества кластеров N, которые нагнетаются в цилиндр
камеры сгорания диаметром d = 12 см и объемом 1,425·10-3 м3 (5,7л / 4) при частоте вращения коленчатого
вала 60 Гц в нормальных условиях
Вісник СевНТУ: зб. наук. пр. Вип. 122/2011. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. — Севастополь, 2011.
МАШИНОПРИЛАДОБУДУВАННЯ ТА ТРАНСПОРТ
25
1 πd2
≈ 2,22 ⋅10 20 .
(13)
4 ⋅ 60 4
Общее количество молекул воздуха в нормальных условиях в камере сгорания
ρ
N в = 0 V ≈ 3,82 ⋅10 22 ,
(14)
M
где М–средняя масса молекул воздуха; ρ0–плотность воздуха в норм. условиях
Получается, что количество кластеров воды от общего количества частиц в камере сгорания
составляет всего 0,6%. Температуру такой смеси можно увеличить, произведя импульсный разряд в
замкнутом объеме камеры сгорания.
Для осуществления электрического разряда в замкнутом объеме камеры сгорания используется
свеча зажигания, которая применяется в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания. Чтобы
увеличить энергию разрядного импульса расстояние между электродами доводят до ~ 2 мм при диаметре
электродов ~ 1 мм. Напряжение, которое подается на электроды свечи зажигания, достигает в импульсе
24 кВ [6], а электрический ток составляет ~ 6,3 А. Общая энергия в разрядном импульсе:
UI 24000 ⋅ 6,3
W=
=
= 630 Дж,
(15)
nf
4 ⋅ 60
где n – число циклов и f – частота вращения коленчатого вала.
Зная число частиц в камере сгорания, можно найти энергию, приходящуюся на одну частицу, и по
этим данным определить максимально возможную температуру, т.е.
W
630
Т=
=
≈ 1200 К.
(16)
( N + N в )k Б 3,84 ⋅10 22 ⋅1,38 ⋅10 − 23
Поджиг разряда осуществляется в момент прохождения поршнем вблизи верхней мертвой точки с
запазданием~20-300. Это больше, чем в карбюраторных двигателях (10-150). При запаздании 300 объем в
камере сгорания уменьшается в 8,5раза.
Максимальное давление, которое может быть достигнуто при темп. 1200К и уменьшении объема в
N = J исп.τ S = 4,71⋅10 24
3,84 ⋅ 10 22 ⋅ 8,5
1,38 ⋅ 10 − 23 ⋅ 1200 ~ 3,8·106 Па. Такое давление имеем, когда
1,425 ⋅ 10 − 3
выделившаяся энергия разряда равномерно распределится по всем частицам в газе. Реально между
электродами в свече зажигания возникает колебательный импульсный разряд с давлением в канале
разряда 720 атм [5]. Мгновенно возникнув, такой разряд формирует сферическую ударную волну,
которая производит разогрев газа за фронтом ударной волны. Скорость фронта сферической волны [7,8]:
8,5 раза
Р = nk Б T =
1/ 2
v уд.в.
2 W 

= 
5  α ′ρ1 
r −3 / 2 .
(17)
В (8) α ′ =0,851 и ρ1 = 8,2 кг/м3 – плотность сжатой смеси паров воды с воздухом в момент начала
разряда. Сферическая ударная волна сформируется на удалении r ~ 10·l0 = 2см. Электроды свечи
зажигания выступают в камере сгорания на 5мм. Поэтому на расстоянии d0 = 2,5cм сферическая ударная
волна полностью сформируется. В этот момент ударная волна столкнется с движущимся поршнем и
перейдет в цилиндрическую ударную волну. Скорость цилиндрической ударной волны [7,8]:
1/ 2
v уд.в. =
1 W 


2  α ′′d 0 ρ1 
r −1 = 1250 м/с,
(18)
где α'' = 0,983.
Параметры газа за ударной волной определяются по следующим формулам [9]
γ /(γ −1)
 γ −1 2 
P = P0 1 +
M 
;
2


(19)
 γ −1 2 
T = T0 1 +
M .
2


Давление газа за ударной волной составит ~ 98 атм, а температура ~ 1090 К. Поршень двигателя
под действием такого давления должен испытывать газодинамический удар. Однако этого не
происходит, вследствие действия ударной волны на сравнительно малую площадь в момент
столкновения с поршнем. В дальнейшем давление резко падает за ударной волной и в конечном итоге
эффективное давление на поршень составляет не более 35 атм., которое определено выше.
При температуре выше 1000 К в молекулах воды будут эффективно возбуждены вращательные и
колебательные степени свободы, а давление на поршень создают только поступательные степени
Вісник СевНТУ: зб. наук. пр. Вип. 122/2011. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. — Севастополь, 2011.
26
МАШИНОПРИЛАДОБУДУВАННЯ ТА ТРАНСПОРТ
свободы. В процессе адиабатического расширения и совершения парогазовой смесью механической
работы уменьшается температура поступательных степеней свободы, а при столкновениях молекул воды
друг с другом колебательные и вращательные степени свободы передают свою энергию на
поступательные степени свободы. Такой механизм поддержания температуры поступательных степеней
свободы приводит к затягиванию импульса давления на поршень, что важно для коэффициента
преобразования тепловой энергии в механическую работу. Вот почему в камеру сгорания подают пары
воды.
В случае работы ДВС на углеводородном топливе вследствие его сгорания выделяющаяся энергия
реализуется практически во всем объеме камеры сгорания, а при разогреве рабочей смеси импульсным
разрядом воздействие на поршень осуществляется параметрами газа за ударной волной. Чтобы
максимально использовать выделившуюся энергию разряда, необходимо угол запаздывания поджига
разряда увеличить в два-три раза по сравнению с ДВС, работающего на углеродном топливе.
Выводы. В настоящее время, когда техника аккумуляции электрической энергии и ее
превращения в тепловой вид энергии не достаточно разработаны, водяной двигатель не представляет
особого практического интереса. Но! Так как идея использования воды в качестве топлива достаточно
привлекательная, она будет непрерывно будить мысль о создании оптимальных инверторов и
аккумуляторов электрической энергии большой емкости. Этот положительный фактор нельзя не
учитывать. По мере совершенствования этой техники, углеводородное топливо на транспорте
использоваться не будет, а будет применяться в основном для производства различных пластмассовых
материалов.
Библиографический список использованной литературы
1. Гречихин Л.И. Вода – экологически чистый ресурс энергетики будущего // Энергетические
проблемы и пути их решения в интересах населения Беларуссии и стран мира: матер. I-го межд. науч.практ. конгресса «Демографические проблемы Беларуси». — Мн.: 1999. — Ч. 3. — С. 65–66.
2. Гречихин Л.И. Физика. Электричество и магнетизм. Современная электродинамика /
Л.И. Гречихин. — Мн.: Право и экономика, 2008. — 302 с.
3. Гречихин Л.И. Проблемы энергетики в современных условиях / Междунар. конгресс-2000
«Фундаментальные проблемы естествознания и техники». — СПб.: Изд. СПбГУ, 2000. — Т. 1. — № 1. —
С. 99.
4. Гречихин Л.И. Современная энергетика. Пути и методы развития и применения на транспорте /
Л.И. Гречихин, Н.Г. Куць // Науковi нотаткi: мiжвузiвський збiрник (за галузями знань
«Машинобудування та металообробка», «Iнженерна механiка», «Металлургiя та матерiалознавство»). —
2010. — Вип. 28. — С. 162–165.
5. Гречихин Л.И. Двигатели внутреннего сгорания. Физические основы технической диагностики
и оптимального управления / Л.И. Гречихин. — Мн.: Навука i тэхнiка, 1995. — 270 с.
6. Опарин И.М. Электронные системы зажигания / И.М. Опарин, Ю.А. Купеев, В.А. Белов. — М.:
Машиностроение, 1987. — 199 с.
7. Коробейников В.П. Теория точечного взрыва / В.П. Коробейников, В.С. Мельникова,
Е.В. Рязанов. — М.: Физматгиз, 1961. — 332 с.
8. Костенбойм Х.С. Точечный взрыв: Методы расчета. Таблицы / Х.С. Костенбойм. — М.: Наука,
1974. — 255 с.
9. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т. 2. / Л.И. Седов. — М.: Наука, 1976. — 576 с.
Поступила в редакцию 27.03.2011 г.
Куць Н.Г., Гречіхін Л.І. Водяний двигун
Розглянуто різні можливості дисоціації води на водень і кисень, а також процеси збільшення
температури і тиску в камері згоряння теплового двигуна шляхом спалювання продуктів дисоціації води
та імпульсним електричним розрядом.
Ключові слова: водяний двигун, дисоціація води, теплова енергія, механічна робота.
Kuc N.G., Grechihin L.I. Water engine
Considered: the different possibilities of dissociation of water into hydrogen and oxygen, as well as the
process of increasing temperature and pressure in the combustion chamber heat engine by combustion products
of the dissociation of water and a pulsed electric discharge.
Keywords: water-motor, the dissociation of water, heat, mechanical work.
Вісник СевНТУ: зб. наук. пр. Вип. 122/2011. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. — Севастополь, 2011.