CZ282364B6

CZ282364B6 - Vodné palivo pro spalovací motor a způsob jeho spalování

Info

Publication number: CZ282364B6
Application number: CS905490A
Authority: CZ
Inventors: Rudolph W. Gunnerman
Original assignee: Rudolph W. Gunnerman
Priority date: 1989-11-22
Filing date: 1990-11-07
Publication date: 1997-07-16
Also published as: AU6337594A; AU654941B2; SK280027B6; WO1991007579A1; CN1098765A; ES2088942T3; CA2029654C; SK549090A3; FI922307A; EP0431357B1; MX172598B; CA2029654A1; DE69026797D1; RU2085756C1; FI922307A0; PL165835B1; NO305289B1; CN1051928A; DK0431357T3; JP3233630B2

Abstract

Referát: Vodné palivo pro spalovací motory sestává z 20 do 60 % objemových vody, přičemž zbývající část tvoří uhlíkové palivo, zvolené ze skupiny obsahující etanol, metanol, benzín, motorovou naftu a jejich směsi. Způsob sestává ze zavádění předehřívaného vzduchu a výše popsaného vodného paliva do karburátoru nebo palivového vstřikovacího systému, a ze zavádění a spalování směsi vzduchu a tohoto paliva ve spalovacím prostoru spalovacího motoru za přítomnosti katalyzátoru podporujícího vznik vodíku, přičemž se vyvine přibližně takový výkon, jako při známém spalování stejného objemu benzínu.ŕ

Description

V současné době existuje potřeba nového paliva, které by nahradilo motorovou naftu a benzin při použití ve spalovacích motorech, zvláště v motorech, používaných v motorových vozidlech. Spalovací motory na benzin a vznětové motory na motorovou naftu produkují nepřijatelně vysoká množství nečistot, které jsou pro lidské zdraví škodlivé a mohou poškodit ovzduší země. Nepříznivé účinky těchto nečistot na zdraví a na ovzduší byly předmětem velkých veřejných diskusí. Nežádoucí znečištění je výsledkem spalování uhlíkatého paliva za použití vzduchu, který obsahuje dusík. Relativně veliká množství vzduchu, používaná pro spalování obvyklých paliv, jsou proto prvotní příčinou nežádoucí úrovně znečištění, které emitují vozidla se spalovacím motorem.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje vodné palivo podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že voda tvoří 20 až 70 % z celkového objemu paliva, přičemž zbývající objem do 100 % tvoří uhlíkaté složky ze souboru, zahrnujícího ethanol, methanol, benzin, motorovou naftu, petrolej a jejich směsi.

Objem uhlíkaté složky je s výhodou 20 až 50 % z celkového objemu paliva.

Ve spalovacím motoru se vodné palivo a vzduch o teplotě okolí až do 204 °C z karburátoru zážehového motoru, nebo palivového vstřikovacího systému vznětového nebo tryskového motoru, zavádí do alespoň jednoho spalovacího prostoru, kde se spaluje za přítomnosti katalyzátoru, produkujícího vodík, ze souboru, zahrnujícího platinu, slitinu platiny s niklem a vzácné kovy. Palivo podle vynálezu je ekologicky výhodné a je levnější než benzin nebo motorová nafta, protože je jeho složkou voda.

Výrazem spalovací motor se vždy míní motor, ve kterém se spaluje obvyklé uhlíkaté palivo s kyslíkem v alespoň jedné komoře motoru, jako je motor pístový, rotační a tryskový (turbínový).

Nové vodné palivo podle vynálezu má menší potenciální energii než obvyklé uhlíkaté palivo, a přesto je schopno vyvivout alespoň stejnou sílu. Například vodné palivo podle vynálezu má asi 1/3 potenciální energie benzinu, ale při použití ve spalovacím motoru produkuje přibližně stejný výkon jako stejné množství benzinu. To je způsobeno palivovou směsí, která se při zavádění do spalovacího prostoru spalovacího motoru spaluje s relativně malým množstvím vzduchu v přítomnosti katalyzátoru, podporujícího vývoj vodíku.

Vodné palivo podle vynálezu obsahuje podstatná množství vody, například objemově až 70 až 80 % , vztaženo na objem vodného paliva, a zbytek tvoří plynné nebo kapalné uhlíkové palivo, jako benzin, ethanol, methanol, motorová nafta, palivo petrolejového typu a jiná paliva, obsahující uhlík, jako butan a zemní plyn a jejich směsi. Při použití paliva novým způsobem podle vynálezu se vodné palivo a spalovací vzduch zavádějí do systému k přivádění motorového paliva k získání směsi paliva a spalovacího vzduchu, a tato směs paliva a vzduchu se zavádí do

- 1 CZ 282364 B6 spalovací komory nebo komor. Takové systémy mohou zahrnovat obvyklý karburátor nebo vstřikovací palivový systém. I když to není nezbytné k provedení vynálezu, pokud se používá motoru s karburátorem, spalovací vzduch se může předehřívat na teplotu alespoň od asi 176,7 až do 204,4 °C, před vstupem do karburátoru. Jestliže se používá motoru se vstřikováním paliva, předehřívá se spalovací vzduch na teplotu asi 50 °C až asi 70 °C před vstupem do palivového vstřikovacího systému. Směs vzduchu a paliva se potom vede do spalovací komory nebo komor a spaluje se za přítomnosti katalyzátoru, podporujícího vznik vodíku, což umožňuje disociaci vody, obsažené ve vodném palivu, na vodík a kyslík, a tak se vodík spaluje s uhlíkatým palivem pro činnost motoru.

Výraz katalyzátor, podporující vznik vodíku se zde používá v nejširším smyslu. Katalyzátor, jak je obecně definován, je látka, která je příčinou aktivity nebo urychluje aktivitu mezi dvěma nebo větším počtem sil, aniž by sama tím byla postižena. U tohoto vynálezu je známo, že bez této látky, přítomné ve spalovací komoře, jak je zde popisováno, by nedocházelo ke spalování vodného paliva takovým způsobem, že by se produkovala energie v požadovaném stupni, potřebná k provozu spalovacího motoru.

Aniž by bylo záměrem vázat se na teoretické úvahy, předpokládá se, že po vytvoření elektrické jiskry ve spalovací komoře, obsahující vlhkou atmosféru, v přítomnosti sloupce, vytvořeného katalyzátorem, podporujícím vznik vodíku, elektrický výboj elektrifikuje hmotu vody, která je přítomna v kapalné nebo plynné formě, například jako vodní pára, a to umožňuje, aby se elektrický náboj dopravil k negativně nabitému sloupci katalyzátoru a způsobil vybití elektrického náboje. Disociace molekul vody nastává po vystavení hmoty molekul vody elektrickému náboji v kombinaci s teplem ze spalování, což má za následek spalování složky uhlíkatého materiálu z vodného paliva během kompresního zdvihu, což společně se spalováním uvolněného vodíku poskytuje sílu k chodu motoru.

Ačkoliv se s výhodou používá dvou sloupců katalyzátoru, podporujících vznik vodíku, může se také použít jeden nebo více než dva sloupce, k rozptýlení elektrického náboje. Kromě toho, i když normální jiskra zapalovací svíčky běžného motorového vozidla má napětí přibližně od 25 000 do 28 000 V, v tomto případě je výhodnější používat teplejší svíčku, například pracující s napětím přibližně 35 000 V. Systém, vytvářející elektrickou jiskru, je dostupný až do pět 90 000 V a ukazuje se, že vyšší napětí způsobuje lepší disociaci molekul vody ve spalovací komoře.

Jak již bylo uvedeno, jedna z výhod vynálezu spočívá v tom, že se spalovací motor může provozovat s palivy a směsmi paliv, u kterých je zapotřebí významně méně vzduchu pro spalování paliva ve spalovací komoře spalovacího motoru, než jak tomu bylo podle dosavadního stavu techniky. Například benzin, používaný jako palivo pro spalovací motor s karburátorem, obecně vyžaduje směs vzduchu a paliva v poměru 14:1 až 16:1 k dosažení dostačující síly k provozu motoru a pro pohon motorového vozidla. Alkohol, jako je ethanol, se může používat při poměru vzduchu k palivu od 8:1 do 9:1, aby se zajistil stejný výkon stroje. Na rozdíl od obvyklých paliv, vodné palivo podle tohoto vynálezu používá menší, řízené množství spalovacího vzduchu. Bylo stanoveno, že kritické pro provedení tohoto vynálezu je použití vzduchu k palivu v poměru větším než 5:1 pro ekvivalentní výkon spalovacího motoru. Výhodně poměr vzduchu k palivu podle tohoto vynálezu je od 0,5:1 do přibližně 2:1, s optimálním poměrem vzduchu k palivu v rozmezí od 0,5:1 do 1,5:1, a zvláště optimálním poměrem 1:1.

Příčina, proč vodné palivo a palivová směs podle tohoto vynálezu mohou vést k uspokojivým výsledkům spalovacího motoru, je v tom, že při provádění tohoto vynálezu se ve spalovací komoře uvolňuje vodík a kyslík. Vodík a kyslík jsou výsledkem disociace molekul vody a vodík se spaluje společně s uhlíkatým palivem z vodné směsi. Výsledkem je porovnatelný výkon motoru, dosahovaný s menším množstvím uhlíkatého paliva a s menším množstvím spalovacího

-2CZ 282364 B6 vzduchu, s výkonem,který se dosahuje za použití obvyklého spalování stejného uhlíkatého paliva s větším množstvím vzduchu.

Dále je třeba poznamenat, že u vodného paliva podle tohoto vynálezu se obsah vody odpařuje; na formu páry ve spalovací komoře. Pára expanduje ve větším rozsahu než vzduch a spalovací komora se může vyplnit menším množstvím spalovacího vzduchu. Tak obsah vody z paliva se převádí na páru, která expanduje ve spalovací komoře a nahrazuje část spalovacího vzduchu, používaného při spalování obvyklých paliv ve spalovací komoře motoru. Expanze páry dohromady se spalováním vodíku, uvolněného disociací molekul vody, má za výsledek vznik požadovaného výkonu, který je nezbytný k dosažení provozu motoru.

Jak již bylo zdůrazněno, množství spalovacího vzduchu, dostávajícího se do spalovací komory pro spalování s vodným palivem podle tohoto vynálezu, musí být kriticky řízeno tak, že poměr vzduchu a paliva, dosahovaný během spalování není větší než 5:1. Bylo stanoveno, že pokud se zavádí do spalovací komory příliš mnoho vzduchu, to znamená v poměru větším než 5:1, nastává neúplné spalování uhlíkatého paliva, protože ve spalovací komoře je přebytek kyslíku. Přebytek kyslíku nad požadavek pro spalování uhlíkatého paliva způsobuje, pokud poměr vzduchu k palivu je příliš vysoký, neúplné spalování v důsledku součtu množství kyslíku, uvolněného disociací molekul vody, a dalšího kyslíku, přítomného v přebytečném množství spalovacího vzduchu. Neúplné spalování uhlíkatého paliva má za výsledek nedostatečný výkon motoru, stejně jako nadbytečné emise nežádoucích nečistot. Snížením množství spalovacího vzduchu, vyžadovaného pro spalování ve spalovací komoře, se dosáhne méně dusíku, přítomného ve spalovací komoře pro spalování kyslíku, a méně nežádoucích nečistot, tvořených oxidy dusíku vzorce NO_X, které jsou emitovány během provozní operace. Důležitou výhodou vynálezu je značné snížení oxidů dusíku vzorce NO_X a jiných nežádoucích emisí nečistot pod hodnoty, které se produkují obvyklým provozem spalovacího motoru za použití běžných uhlíkatých paliv, jako je benzin, motorová nafta a podobně, ve spalovacím motoru.

Je také třeba poznamenat, že vzhledem k tomu, že vodík a kyslík a další kyslík jsou přítomny v palivové směsi určené ke spalování ve spalovací komoře spalovacího motoru podle tohoto vynálezu, mohou nastat okolnosti, při kterých příliš malý obsah vody ve vodném palivu je neuspokojující. Například pokud uhlíkaté palivo má nízkou vnitřní energii, to znamená tť - o! potenciální energii na jednotku objemu, může být žádoucí větší množství vody, protože uvolňování vodíku a kyslíku disociací molekul vody a spalování vodíku bude žádoucně zvyšovat celkovou energii, uvolňovanou ze směsi uhlíkatého paliva a vody. Z tohoto důvodu spodní hranice od 20 do 25 % vody, například větší než 20 % vody, je stanovena jako vhodné, praktické, minimální množství vody ve směsi vodného paliva podle tohoto vynálezu, která se přizpůsobí větší rozmanitosti uhlíkatého paliva v rozsahu tohoto vynálezu. Horní hranice od 70 do 80 % vody je stanovena vzhledem k tomu, že minimální množství plynného nebo kapalného uhlíkatého paliva je zapotřebí k zahájení reakce, spouštěné jiskrou, vytvářenou ve spalovací komoře, která disociuje molekuly vody ve spalovací komoře. Bylo stanoveno, že pro disociační reakci vody je potřebná potenciální energie od 31,6. 10⁶ J na 3,78 litrů do 63,2. 10⁶ J na 3,78 litrů.

Vodné palivo podle vynálezu obsahuje vodu od množství většího než přibližně 20 do zhruba 70 až 80 % objemových, vztaženo na celkový objem vodného paliva, a výhodně těkavé kapalné uhlíkaté palivo, jako palivo, zvolené ze skupiny, obsahující alkoholy, například ethanol nebo methanol, benzin, motorovou naftu, palivo petrolejového typu, nebo jejich směsi. Alkoholy, jako ethanol a methanol, obecně mají malý procentuální obsah vody, pokud se vyrábějí průmyslově, Komerční stupně jakosti ethanolu nebo methanolu jsou uváděny v jednotkách stupňovitosti ethanolu nebo methanolu, například jako ethanol o 100 jednotkách stupňovitosti. Jedna polovina počtu jednotek je obecně označením množství přítomného ethanolu, to znamená, že ethanol o 100 jednotkách stupňovitosti obsahuje 50 % objemových ethylalkoholu a 50 % objemových vody, ethanol o 180 jednotkách stupňovitosti obsahuje 90 % objemových ethylalkoholu a 10 % objemových vody a podobně.

-3 CZ 282364 B6

Vodné palivo podle vynálezu je použitelné u všech benzinových a dieselových spalovacích motorů, včetně obvyklých spalovacích motorů s benzinovým nebo naftovým pohonem, používaných u automobilů, nákladních automobilů a podobně, používajících běžné karburátory nebo palivové vstřikovací systémy, stejně jako u rotačních motorů a tryskových (turbínových) motorů. Vynález je vhodný pro jakýkoli motor, ve kterém se těkavé kapalné uhlíkaté palivo spaluje s kyslíkem (O₂) v jedné nebo větším počtu spalovacích komor motoru.

Jsou zapotřebí provést malé změny, aby se dosáhlo motoru, který je použitelný pro palivo podle tohoto vynálezu. Například se instaluje katalyzátor, podporující vznik vodíku ve spalovací komoře nebo komorách motoru, jak je zde popsáno jinde, aby se dosáhlo působení katalyzátoru na disociaci molekul vody za vzniku vodíku a kyslíku. Kromě toho vhodné zařízení pro dodávání a sledování přívodu, množství a průtoku spalovacího vzduchu a paliva do spalovací komory nebo spalovacích komor je důležité pro optimální provoz zařízení. Z tohoto hlediska je zapotřebí poznamenat, že poměr vzduchu a paliva je důležitým ukazatelem pro účinné spalování v komoře nebo komorách. Z praktického hlediska je také žádoucí, aby se dosáhlo dodávání paliva a systému skladování paliva, který je zhotoven z materiálu, odolného rezavění. Je také výhodný systém s vyšším napětím elektrické jiskry, než se obecně používá u spalovacích motorů motorových vozidel, provozovaných s obvyklým uhlíkatými palivy, například benzinem. Systém, poskytující teplejší svíčku, je dostupný komerčně, jako například od firmy Chrysler Motor Company. Jako další úpravu k optimálnímu použití tohoto vynálezu je žádoucí používat počítač, spojený s elektronickým řídicím systémem, k dodávání paliva do palivového injektoru během sacího zdvihu spalovacího motoru.

Disociace molekul vody je o sobě dobře známa. Například termodynamika a fyzikální chemie disociace vody a/nebo vodní páry je obsažena v publikaci, kterou napsal M. Vinugopalan a R. A. Jones, o názvu Chemistry of Dissociated Water Vapor and Related Systems, publikoval John Wiley & Sons, lne. /1968/, dále kterou napsal E. B. Mellard, o názvu Physical Chemistry for Colleges, str. 340 až 344, publikoval McGraw-Hill Book Company, lne. /1941/ a F. Albert Cotton a Geoffrey Wilkinson, o názvu Advanced Inorganic Chemistry, str. 215 až 228 /1980/, které se výslovně uvádějí jako součást stavu techniky.

Třebaže se nevyžaduje k provedení tohoto vynálezu ohřívač k předehřívání spalovacího vzduchu pro motor, a výměník tepla k použití horkých výfukových plynů z motoru k předehřívání spalovacího vzduchu poté, co motor již pracuje a ohřívač je vypnut, může se také instalovat. Třebaže současné výhodné provedení vynálezu nevyžaduje předehřívání spalovacího vzduchu a/nebo paliva, spalovací vzduch se předehřívá před jeho zavedením do karburátoru nebo palivového vstřikovacího systému. Když se použije motor s karburátorem, předehřívá se spalovací vzduch na teplotu přibližně od 176,6 do zhruba 204,4 °C před vstupem do karburátoru. Když se použije motor se vstřikovacím systémem, předehřívá se spalovací vzduch na teplotu přibližně od 50 až do zhruba 70 °C před vstupem do palivového vstřikovacího systému. V takovém případě vodné palivo podle tohoto vynálezu se přivádí do karburátoru nebo palivového vstřikovacího systému a míchá s řízeným množstvím spalovacího vzduchu. Vodné palivo se výhodně přivádí do karburátoru nebo palivového vstřikovacího systému při okolních teplotách.

Při výhodném provedení se vodné palivo přivádí do karburátoru nebo palivového vstřikovacího systému při okolních teplotách a směs vzduchu a paliva se potom přivádí do spalovací komory nebo komory, kde jiskra ze zapalovací svíčky směs vzduchu a paliva zapálí obvyklým způsobem, když píst spalovací komory dosáhne kompresního stupně spalovacího cyklu. Přítomnost katalyzátoru, podporujícího vznik vodíku ve spalovací komoře, katalyticky napomáhá disociaci molekul vody ve vodném palivu, když jiskra ze zapalovací svíčky zapálí směs vzduchu a paliva. V průběhu tohoto zapálení dojde rovněž k zapálení vodíku a kyslíku, což zvětšuje množství energie, dodané palivem. Při experimentech, při kterých se použilo alkoholu o 100 jednotkách stupňovitosti jako paliva pro motor, bylo pozorováno, že motor produkoval stejnou energii,

-4CZ 282364 B6 měřeno množstvím wattů za hodinu, jako se stejným objemem benzinu. To je však překvapující z toho pohledu, že ethanol o 100 jednotkách stupňovitosti má teoretickou potenciální energii asi 50,6. 10⁶ J na 3,78 litrů, s využitelnou potenciální energií 36,9. 10⁶J až 39,5. 10⁶ J na 3,78 litrů, ve srovnání s benzinem, který má potenciální energii přibližně 129,7. 10⁶ J na 3,78 liíiň, čili téměř třikrát větší. Skutečnost, že nižší potenciální energie ethanolu je schopna vyrobit tolik energie jako vyšší potenciální energie benzinu, naznačuje, že zvýšení výkonu musí být přičteno disociaci a spalování vodíku a kyslíku z vody.

I když bylo zjištěno, že ethanol o 100 jednotkách stupňovitosti je uspokojivým palivem při řešení podle vynálezu, je zřejmé, že další vhodná paliva se mohou vyrobit smícháním jiných alkoholů a smícháním alkoholů s benzinem, palivy typu petroleje nebo motorovou naftou, v závislosti na tom, zda palivo má být použito v benzinovém nebo dieselovém motoru. Experimentálně bylo rovněž zjištěno, že ethanol o 84 jednotkách stupňovitosti (s obsahem 42 % vody) může být rovněž použit jako palivo. Lze se domnívat, že se mohou používat vodná paliva, obsahující i 70 až 80 % vody.

Příklady provedení vynálezu

Pro vysvětlení jednoho provedení předloženého vynálezu byl vybrán motor, který měl schopnost měření předem určeného pracovního zatížení. Vybraný spalovací motor byl jednoválcový, s výkonem 5,88 kW (8 HP), připojený k a/c generátoru s výkonem 4 kW za hodinu. Jednotka motor/generátor byla vyrobena v Generac Corporation of Waukesha, Wisconsin, pod chráněným označením Generac, Model No. 8905-0 (S4002). Motor/generátor je počítán na maximální plynulou a/c kapacitu výkonu 4000 W (4 kW) jedné fáze.

Charakteristika motoru je následující:

Výrobce motoru Výrobní model č. Vypočítaný výkon Zdvihový objem Materiál válce Typ regulátoru

- Tecumseh, -HM80 (Typ 155305-H), - 5,88 kW při frekvenci otáček 3600 min'¹, - 318,3 ccm, - hliník s litou ocelovou vložkou, - mechanický, s pevnou rychlostí,

Nastavení regulované frekvence otáček - 3720 min’¹ bez zatížení (počítaná a/c frekvence a napětí /120/240 V při kmitočtu 62 Hz/ se dosáhne při frekvenci 3600 min'¹. Nastavení bez zatížení frekvence otáček 3720 min'¹ poskytuje 124/248 V při 62 Hz. Mírné zvýňení nezatížené frekvence otáček pomáhá zajistit, že iychlost motoru, napětí a frekvence neklesnou nadměrně při větším elektrickém zatížení).

Typ vzduchového čističe - deskový papírový element,

Typ startéru Tlumič výfuku Zapalování Zapalovací svíčka

- ruční, s navinutým lanem, - typ s lapačem jisker, - setrvačníkové magneto s pevnou fází, - Champion RJ-17LM (nebo ekvivalent),

Nastavení mezery pro přeskok jiskry - 0,76 mm,

Kroutící moment svíčky - 20 Nm,

Objem oleje klikové skříně - 0,568 až 0,284 litrů,

Doporučený olej - olej označený pro obsluhu SC, SD, SE

Přednostně doporučený olej - SE 10W-30, s vysokou viskozitou,

Možná náhrada oleje - olej SAE 30,

Objem nádrže paliva - 3,785 litrů,

Doporučené palivo -,

Přednostně - čistý bezolovnatý benzin,

Možná náhrada - čistý olovnatý benzin REGULAR,

Na motoru byl instalován výměník tepla pro využití horkých výfukových plynů z motoru k předehřívání vzduchu pro spalování. Ke spodní ploše hlavy motoru, tvořící horní část spalovací komory, byla připevněna platinová tyč. Platinová tyč o hmotnosti 28,34 g byla dlouhá 58,73 mm, 19,05 mm široká a 1,587 mm tlustá. Platinová tyč byla připevněna k vnitřní straně hlavy třemi nerezovými ocelovými šrouby.

Druhá palivová nádrž s objemem 2 litry byla připevněna k dosavadní jednolitrové palivové nádrži. Spojovací T-kus byl vložen do dosavadního přívodu paliva do motoru, pro spojení s přívodem paliva pro každou nádrž. Mezi T-kus a přívod paliva pro každou nádrž byl vložen ventil, takže do karburátoru může být přiváděno palivo buď zvlášť z palivové nádrže, nebo je možno směšovat paliva do přívodu paliva, vedoucího ke karburátoru.

Testování chodu

Byla provedena série testů pro zjištění, zda pro motor, který byl upraven tak, jak je výše popsáno, je možno použít ethanol o 100 jednotkách stupňovitosti (s obsahem 50 % objemových ethylalkoholu, kde zbytek tvoří voda) a jestli je tomu tak, tak provést srovnání ethanolu o 100 jednotkách stupňovitosti se stejným množství benzinu.

Do druhé palivové nádrže byly nality 2 litry bezolovnatého benzinu při uzavřeném ventilu pro druhou nádrž. Tři a osm desetin litru ethanolu o 100 jednotkách stupňovitosti bylo nalito do palivové nádrže na 3,785 litrů, s ventilem v uzavřené poloze. Potom se ventil pro benzinovou nádrž otevřel tak, že motor mohl být nastartován, zpočátku benzinem.

Za tři minuty po startu byla změřena teplota spalovacího vzduchu, vstupujícího do karburátoru, která odpovídala 82,2 °C. V tom okamžiku byl otevřen palivový ventil pod ethanolovou nádraží a ventil pod benzinovou nádrží byl uzavřen. V tomto okamžiku dosáhla teplota vzduchu vstupujícího do karburátoru, 93,3 °C.

Primárním palivem byl nyní ethanol, který se projevoval určitým množstvím nepravidelností při činnosti, dokud nebyl mechanismus sytiče nastaven snížením sání vzduchu do motoru o přibližně 90 %. Bezprostředně potom byly uvedeny do činnosti dvě 1800 W tepelné trubice s výstupem, vypočítaným na 204,4 °C, a byly použity na ohřev spalovacího vzduchu, vstupujícího do karburátoru. Teplota vzduchu, vystupujícího z tepelných trubic, byla 198,9 až 201,6 °C.

Potom, co motor běžel na ethanol přibližně 20 minut, měření vstupujícího spalovacího vzduchu se ustálilo mezi 175 a 177,8 °C. Motor potom běžel na ethanolové palivo s obsahem ethanolu o 100 jednotnách stupňovitosti dalších 40 minut do celé jedné hodiny, dokud se nespotřebovaly dva litry ethanolu. Potom se zavřel ventil pod ethanolovou nádrží a motor se zastavil otevřením sytiče. V nádrži zůstalo 1800 ml ethanolu.

-6CZ 282364 B6

Potom byl sytič opětně nastaven do polohy uzavřené na 90 % a motor nastartován ještě jednou. Motor reagoval okamžitě a běžel na ethanol o 100 jednotkách stupňovitosti tak hladce, jako během první hodiny.

Motor byl potom zastaven a nastartován tímtéž způsobem ještě třikrát se stejnými výsledky.

Při činnosti motoru na ethanol o 100 jednotách stupňovitosti byl měřen výstupní výkon generátoru a bylo zjištěno, že ethanol produkoval 36 000 W v průběhu doby jedné hodiny a byly spotřebovány 2 litry ethanolu s potenciální energií 50,6. 10⁶ J na 3,78 litru (13,38. 10⁶ J na 1 litr). io Poté, co motor přestal běžet na ethanol, pracoval opět se dvěma litry benzinu v benzinové nádrži.

Po 47 minutách testu se motor zastavil, protože všechen benzin se spotřeboval. Měření prováděná na generátoru zjistila, že když motor pracoval na benzin, produkoval výkon 36 000 W za hodinu po dobu 47 minut a spotřeboval přitom 2 litry benzinu, s potenciální energií 129,7. 10⁶ J na 3,78 litru (34,31. 10⁶Jnal litr).

Srovnání obou měření výkonů ukázalo, že 2 litry ethanolu o 100 jednotkách stupňovitosti vyvinuly stejně velké množství energie, jako dva litry benzinu. To je překvapující, jestliže benzin má přibližně 2,5-krát větší potenciální energii než stejné množství ethanolu o 100 jednotkách stupňovitosti. To znamená, že extrémní výkon ethanolu musí být způsoben uvolněním a 20 spalováním vodíku a kyslíku z relativně velkého množství vody v palivu.

Ačkoli pro nastartování a předehřátí motoru bylo použito jako paliva benzinu a horkých výfukových plynů pro předehřátí spalovacího vzduchu, není používání benzinu jako startovacího paliva nutné a je možno nahradit jej elektrickým tepelným čerpadlem, které by ohřívalo 25 spalovací vzduch, dokud by tuto činnost nepřevzal výměník tepla, načež by došlo k vypnutí elektrického tepelného čerpadla.

Uvedené testy motoru, srovnávající použití ethanolu o 100 jednotkách stupňovitosti a benzinu, byly opakovány ve třech postupných případech, přičemž se docílilo stejných výsledků.

Potom byla provedena druhá série testů, které probíhaly stejně jako testy, popsané výše, s tím rozdílem, že jako paliva bylo použito ethanolu o 84 jednotkách stupňovitosti (42 % ethylalkoholu a 58 % vody) místo ethanolu o 100 jednotkách stupňovitosti. Avšak po 30 sekundách chodu na ethanol o 84 jednotkách stupňovitosti se náhle motor zastavil a hlavním 35 ložiskem na klice vyteklo pod vysokým tlakem značné množství oleje. Motor byl znovu nastartován a po asi 20 sekundách se opět náhle zastavil.

Uvedená náhlá zastavení byla zřejmě způsobena předčasným zapálením vodíku a/nebo kyslíku během zdvihu pístu nahoru, což způsobilo vzrůst tlaku v klikové skříni, který zase vytlačil olej 40 hlavním ložiskem. Došlo zřejmě k uvolnění tlaku ve spalovací komoře pístovými kroužky do klikové skříně a potom k úniku hlavním ložiskem.

Předčasné zapálení vodíku a/nebo kyslíku bylo pravděpodobně způsobeno vytvořením většího množství kyslíku a vodíku, které nenastalo, když byl použit ethanol o 100 jednotkách 45 stupňovitosti, s menším množstvím vody.

Problém předčasného zapálení může být pravděpodobně odstraněn použitím motoru s kratším zdvihem pístu, aby se zkrátila časová prodleva paliva, včetně vodíku a kyslíku, ve spalovací komoře, anebo seřízením karburátoru nebo elektronicky ovládáného palivového vstřikovacího 50 systému tak, aby se doba podlevy snížila a aby se zabránilo tvoření nadměrného množství vodíku nebo kyslíku. Motor, použitý pro experiment, měl relativně dlouhý zdvih pístu, odpovídající přibližně 152,4 mm. Pro podmínky popsané výše by zdvih pístu neměl být větší než asi 38,1 mm, aby se odstranil problém předčasného zapálení u tohoto speciálního motoru.

-7CZ 282364 B6

Na motoru s elektronicky řízeným vstřikovacím systémem paliva proběhly série testů pro zjištění, jestli by mohl být vyřešen výše uvedený problém předčasného zapálení. Motor, použitý k tomu účelu, byl tříválcovým spalovacím motorem, přeplňovaným turbodmýchadlem, s elektronickým řízením z auta Chevrolet Sprint z roku 1987, který měl najeto asi 59 500 km.

Hlava bloku motoru byla sejmuta a vyčištěna pro odstranění karbonových usazenin. Dovnitř každé hlavy byly připevněny tři platinové destičky tak, aby nepřekážely ventilům ,pohybujícím se v hlavách při chodu motoru. Každá platinová destička měla délku a šířku 1 cm a byla tlustá 0,793 mm. Každá platinová destička byla připevněna k hlavě jedním šroubem z nerezové oceli ve středu každého kusu. Z každé hlavy pístu byly odstraněny karbonové usazeniny a motor byl s novým těsněním znovu smontován.

Hadice přívodu spalovacího vzduchu do sání, vystupující z turbodmýchadla a vedoucí k injektorovému modulu, byla rozdělena uprostřed a připojena k výměníku tepla pro chlazení spalovacího vzduchu, dodávaného do injektoru. Výměník tepla byl opatřen obtokem použitím dvou spojek tvaru Y na jedné straně výměníku tepla a vložením škrticího ventilu na stranu nejbližší k turbodmýchadlu, takže proud horkého vzduchu mohl být veden kolem výměníku tepla a zaváděn přímo do injektorového modulu. Všechna zařízení na odstraňování nečistot byla z motoru odstraněna, pouze alternátor zůstal na místě. Převodovka byla znovu připojena k motoru, protože opěra startéru je připojena k převodovce. V průběhu testování nebyl převodovka použita.

Tento motor byl vložen do automobilu Chevrolet Sprint s barometrickou trubkou a tlumičem výfuku pro řádný chod motoru. Katalytický konvertor byl ponechán ve výfukové cestě, ale vnitřek konvertoru byl odstraněn, když to bylo potřebné. K palivovému čerpadlu byly zavěšeny dvě palivové nádrže vždy na 3,785 litrů pomocí T-kusu s ručně ovládanými ventily, takže jedno čerpané palivo mohlo být rychle zaměněno za druhé otevřením nebo zavřením ventilů.

Testování chodu

Byla provedena série testů pro zjištění, jak výše popsaný upravený motor poběží s použitím různých paliv.

V prvním testu byl použit methanol o 200 jednotkách stupňovitosti jako startovací kapalina. Motor nastartoval a pracoval, když tlak paliva dosáhl 414 až 517,5 kPa. Když byl použit benzin, byl tlak paliva obecně nastaven na 24,15 až 34,5 kPa.

Zatímco motor běžel na methanol o 200 jednotkách stupňovitosti, bylo palivo zaměněno za denaturovaný ethanol o 100 jednotkách stupňovitosti a motor pokračoval v činnosti hladce při frekvenci otáček 3500 min'¹. Po asi dvou minutách byl test přerušen a motor zastaven, protože došlo k vyboulení palivových hadic, což bylo nebezpečné. Tyto hadice byly vyměněny za vysokotlaké hadice a plastické spojky a T-kusy byly rovněž nahrazeny měďěnými spojkami a Tkusy. Byl připojen nový manometr. V průběhu testu bylo zaznamenáno, že by palivová směs potřebovala víc spalovacího vzduchu a že seřízení motoru počítačem nedovolovalo jeho větší přívod. Aby to bylo umožněno, byl otevřen ventil sání vzduchu.

Po těchto úpravách byla provedena nová řada testů s použitím methanolu o 100 jednotkách stupňovitosti v jedné ze dvou palivových nádrží. Motor nastartoval na methanol o 200 jednotkách stupňovitosti a frekvence otáček byla nastavena na 3500 min’¹. Potom motor běžel několik minut. Během této doby byl nastaven tlak paliva a bylo shledáno, že vhodným tlakem je 448,5 kPa. K injektorovému modulu byl vložen termoelektrický článek a prováděno snímání teploty 65 °C po dobu asi 5 minut.

-8CZ 282364 B6

Palivová směs, obsahující 500 ml destilované vody a 500 ml methanolu o 200 jednotkách stupňovitosti, byla umístěna do druhé palivové nádrže a byla použita pro pohon motoru. Beze změny toku vzduchu vzrostla teplota spalovacího vzduchu z 65° na 75 °C po asi 1 minutě. Frekvence otáček klesla na 3100 min'¹. Motor běžel velmi klidně a byl zastaven a znovu nastartován bez potíží.

Dalším krokem v testovacích sériích bylo zjištění, jak změny obsahu vody v palivu ovlivní provoz motoru. Při použití denaturovaného ethanolu o 199 jednotkách stupňovitosti nastartoval motor ihned. Nastavený tlak paliva byl snížen z 448,5 na 345 kPa, změřená teplota spalovacího vzduchu byla 65 °C, změřená frekvence otáček odpovídala 3500 min'¹ a motor běžel klidně. Palivo bylo potom zaměněno za denaturovaný ethanol o 160 jednotkách stupňovitosti. Tlak paliva byl udržován na 345 kPa. Změřená teplota spalovacího vzduchu odpovídala 67 °C, frekvence otáček byla snížena na 3300 min’¹ a motor běžel klidně.

Po 10 minutách bylo palivo zaměněno za denaturovaný ethanol o 140 jednotkách stupňovitosti. Teplota spalovacího vzduchu vzrostla na 70 °C, frekvence otáček se zvýšila na 3500 min^-1 a motor běžel klidně.

Po 10 minutách bylo palivo zaměněno za denaturovaný ethanol o 120 jednotkách stupňovitosti. Teplota spalovacího vzduchu stoupla na 73 °C, frekvence otáček klesla na 3300 min'¹ a motor běžel klidně.

Po 10 minutách bylo palivo zaměněno za denaturovaný ethanol o 100 jednotkách stupňovitosti. Teplota spalovacího vzduchu vzrostla na 74 °C, frekvence otáček se snížila na 3100 min'¹ a motor běžel klidně.

Po 10 minutách bylo palivo zaměněno za denaturovaný ethanol o 90 jednotkách stupňovitosti. Teplota spalovacího vzduchu zůstala na 74 °C, frekvence otáček se zmenšila na 3100 min'¹ a motor běžel klidně.

Po 10 minutách bylo palivo zaměněno za denaturovaný ethanol o 80 jednotkách stupňovitosti.Teplota spalovacího vzduchu stoupla na 76 °C a frekvence otáček klesla na 2900 min'¹. V tomto okamžiku byl zaznamenán v motoru občasný zpětný plamen. Potom bylo použito denaturovaného ethanolu o 100 jednotkách stupňovitosti jako primárního paliva a obtok výměníku tepla byl uzavřen. Teplota spalovacího vzduchu vzrostla na 160 °C a v průběhu dalších minut se zvýšila na 170 °C. Frekvence otáček se zvýšila na 4000 min’¹ a motor běžel klidně.

Další série testů byly provedeny s motorem, nastaveným na činnost při frekvenci otáček 3500 min’¹ a s odstraněným výměníkem tepla, takže ani palivo ani spalovací vzduch nebyly předehřívány a měly teplotu okolí. Motor byl nastartován ethanolem o 200 jednotkách stupňovitosti a jakmile teplota nasávaného vzduchu u injektorového modulu stoupla na asi 50 °C, bylo palivo zaměněno za ethanol o 100 jednotkách stupňovitosti. Motor běžel klidně. Teplota nasávaného vzduchu stoupla na 70 °C, kde se ustálila. Motor byl vypnut, znovu nastartován a pokračoval v plynulém chodu. Seřízením a otevřením sání vzduchu byla frekvence otáček zvýšena na 4000 min¹. Nepatrným zavřením sání vzduchu byla frekvence otáček snížena na 1500 min¹. Při obou frekvencích otáček běžel motor klidně a byl vypnut a znovu nastartován bez potíží a pokračoval v klidném chodu.

Frekvence otáček motoru může být použitím způsobu a paliva podle vynálezu regulována regulováním množství vzduchu, proudícího do spalovací komory. U běžného motoru na beazm je frekvence otáček regulována regulováním množství benzinu, který je přiváděn do spalovací komory.

-9CZ 282364 B6

Je zřejmé, že vynález zahrnuje použití vodného paliva, které může obsahovat velká množství vody v poměru k těkavému uhlíkatému palivu. Zvláště účinné vodné palivo obsahuje směs přibližně 70 % vody a 30 % uhlíkatého paliva. Tepelná energie uhlíkatého paliva, například benzinu, se snižuje z paliva o vysoké energetické hodnotě s potenciální energií přibližně 126,5. 10⁶ J na objem 3,78 litrů v případě benzinu, na obsah potenciální energie, odpovídající přibližně 36,9. 10⁶ J na 3,78 litrů pro směs 70 % vody a 30 % benzinu. Obsažená potenciální energie směsi vody a benzinu je dostatečná k udržení reakce ve spalovací komoře spalovacího motoru, takže molekuly vody se disociují a molekuly vodíku (H₂) se oddělují od molekul kyslíku (O₂) a tak se vytvořený plynný vodík používá jako primární zdroj energie k pohybu pístu uvnitř spalovacího motoru při spalování. Vynález je aplikovatelný s různými uhlíkatými palivy, včetně motorové nafty a petroleje, a tato paliva se mohou míchat až s 80 % vody (například motorová nafta nebo petrolej), aby se dosáhlo stejné reakce, vedoucí k disociaci na vodík a kyslík, k uvolnění plynného vodíku a k získání energie ve spalovacím motoru v přítomnosti katalyzátoru, podporujícího vznik vodíku.

Aby se dosáhlo tohoto účinku, je zapotřebí vybavit každou spalovací dutinu ve spalovacím motoru alespoň jednou, ale výhodně dvěma,nebo i větším počtem sloupců katalyzátoru, podporujícího vznik vodíku, s teplotou tání nad teplotou, která se dosahuje při spalování. Mezi vhodné katalyzátory se zahrnuje nikl, platina, slitina platiny a niklu, nerezavějící ocel s obsahem niklu, vzácné kovy, jako rhenium, wolfram, a jejich slitiny, které se mohou používat jako katalyzátor, podporující vznik vodíku, ve formě kovového sloupce katalyzátoru. Spalování a disociace se iniciuje jiskrou, která může být způsobena běžným systémem, způsobujícím elektrickou jiskru, jaký se používá v obvyklých motorech motorových vozidel.

Jako další příklady vynálezu, využívající palivo a spalování vzduchu za teploty okolí, se uvádí směs 3 litrů bezolovnatého benzinu (s oktanovým číslem 87) a s potenciální energií 124,9. 10⁶ J na 3,78 litrů a 7 litrů vody. K této směsi se přidalo 10 ml povrchově aktivní látky (detergentu) při prvním testu, aby se dosáhlo smíchání benzinu s vodou. Tento postup se opakoval k vyrobení další směsi s obsahem 25 a 40 ml povrchově aktivní látky, aby se získaly ještě jiné směsi vody a benzinu. Stejný postup se také opakoval za použití vody, která byla filtrována přes deionizační jednotku a filtr s aktivním uhlím k odstranění chloru a jiných nečistot, přítomných ve vodě.

Každá z výše popsaných směsí se potom testovala v čtyřválcovém spalovacím motoru o objemu 2,5 litrů, vybaveném injektorem, který byl připojen k přívodu paliva. Palivo, používané během těchto testů, bylo rozdělováno do přívodu paliva přes Boschovo mnohocestné tlakové odměřovací zařízení. Motor byl také vybaven palivovým karburátorem. Karburátor se používal pouze pro sání vzduchu do motoru, když poměr vzduchu a paliva byl podstatně nižší a lišil se s různými použitými palivy. Například se vycházelo z poměru 0,75:1 u směsi vody a alkoholu v poměru 50:50 a z poměru 1:1 až 3:1 u směsi 70 % vody a 30 % benzinu. Obvykle benzinový motor, používající benzin jako palivo, používá poměr vzduchu a paliva 14:1. Takový motor byl vybaven válcem, a byl opatřen dvěma niklovými šrouby nebo elementy tvaru šneku o průměru 12,7 mm, jako katalyzátorem, podporujícím vznik vodíku, s elementem tvaru šneku, který měl průměr 6,3 mm, k provedení tohoto vynálezu. Niklové šroby byly umístěny 1,27 mm od horní části pístu. Při jiném provedení byly umístěny ploché kousky hliníku (152,4 x 304,8 mm) mimo a na horní části hlavy motoru. Vyvrtané a závitníkem vyříznuté tři otvory o průměru 19 mm do víka hlavy motoru v horizontální poloze byly přibližně od sebe vzdáleny 88,9 mm. Do každého otvoru byl našroubován měděný přechodový nátrubek. Nátrubky byly spojeny navzájem měděným potrubím o průměru 19 mm, které bylo připojeno k tlumiči. Tímto zařízením se vedly výfukové plyny z motoru a zjistilo se, že dostačovaly k odvádění vodní páry z hlavy, protože jinak by se vodní pára hromadila v motoru a v oleji v klikové hřídeli, což bylo nežádoucí.

Každá z výše uvedených palivových směsí byla testována, přičemž motor byl v neutrální poloze, takže se auto nepohybovalo a bylo zjištěno, že bylo možné nastartovat motor otočením startovacího klíčku auta. Nebylo zapotřebí používat sekundárního paliva k nastartování motoru.

- 10CZ 282364 B6

Při těchto testech se používal injekční motor Chrysler o objemu 2,5 litrů s turbodmychadlem, u kterého bylo turbodmýchadlo a zařízení pro spalování kouře a nečistot odpojeno. Tento motor také měl v továrně instalovanou třírychlostní automatickou převodovku s převodovým poměrem 1:3,09.

Stejná série testů, jako je uvedena výše, se také provedla za použití stejného spalovacího motoru se směsí přibližně 20 až 25 % motorové nafty a 75 až 80 % vody, se stejnými výsledky. Další testy se provedly se směsí přibližně 20 až 25 % petrolejového paliva a 75 až 80 % vody, kdy se dosáhly podobné výsledky.

Při jiné sérii testů bylo použito emulgované směsi 70 % vody a 30 % benzinu, jako jediného paliva pro pohon motoru při testu City Car, který byl vyvinut k tomuto testovacímu účelu. Toto auto je čtyřdveřové, pro 5 cestujících, s předním pohonem kol a má čistou hmotnost 1135 kg. Při testech bylo možné s tímto autem při použití výše uvedených paliv dosáhnout zrychlení z O na 96,6 km za hodinu během přibližně 6 sekund. Auto bylo testováno při nej vyšší rychlosti 120,7 km za hodinu, ale auto mohlo být řízeno podstatně rychleji.

Bylo také zjištěno, že je důležité řídit směs vzduchu s palivem, aby se dosáhly optimální výsledky. Při jednom testu se pokus prováděl se směsí vzduchu a paliva v poměru 14:1, tedy se stejným poměrem, jako se používá s benzinem, a tento test měl za výsledek neúplné spalování v motoru a velké množství směsi vody a paliva, která se vyskytovala v barometrické trubce. Stejné výsledky se dosáhly při použití směsi vzduchu a paliva v poměru 7:1. Tyto testy se prováděly za použití směsi 70 % vody a 30 % benzinu, směsi 75 % vody a 25 % motorové nafty a směsi 75 % vody a 25 % petroleje. Neúplné spalování začínalo odeznívat při uspokojivých úrovních, s poměrem vzduchu k palivu 3:1 nebo méně. Pro jakoukoli danou směs vodného paliva se snadno stanovily vnější hranice a optimální vlastnosti za použití postupu, popsaného výše, ale poměr vzduchu a paliva nesměl překročit 5:1.

Bylo také nalezeno, že může být žádoucí použít smáčedla, neboli povrchově aktivní látky. Jedna taková látka, která byla odzkoušena jako vhodná, má ochrannou známku Aqua-mate2, a je vyráběna a distribuovaná firmou Hydrotex v Dallasu, Texas, USA. Zřejmě jsou komerčně dostupná i jiná smáčedla, která napomáhají dispergovat uhlíkatá paliva ve vodě.

Kromě toho byly testy provedeny na všech třech výše popsaných palivech za použití směsi 50 % vody a 50 % uhlíkatého paliva, například paliva na bázi ropy, které bylo přiměřeně dispergováno ve vodě. Tyto testy také dovolily motoru, aby šel velmi klidně.

Jiný test na autě se provedl za použití směsi 50 % vody a 50 % alkoholu, s potenciální energií 36,9. 10⁶ J na 3,78 litrů. Test měl za výsledek ujetí 32,2 km při skutečném řízení auta. S vlastním řízením paliva v motoru se účinnost mohla významně zvýšit na 48,3 km na 3,78 litrů nebo více.

Výhody vynálezu jsou podstatné,protože se dosahuje přibližně 70% snížení znečištění vzduchu, s celkovým vyloučením oxidů dusíku vzorce NO_X. To znamená, že dochází také k 70% snížení nákladů na palivo, potřebné k provozu vozidla, v důsledku snížení množství použitého benzinu. Kromě toho zde nastávají také jiné podstatné výhody, jako je možné snížení potřeby dovozu ropy.

Mohou se používat také jiná plynná nebo kapalná uhlíkatá paliva, jako methan, ethan, butan nebo zemní plyn a podobně, která mohou být zkapalněna a mohou nahradit ethanol a methanol, které se použily podle vynálezu, nebo se mohou použít v plynné formě.

Tento vynález se může používat také u tryskových motorů, které jsou jinou formou spalovacích motorů.

- 11 CZ 282364 B6

I když provedení vynálezu, zvolená zde pro účely objasnění předloženého vynálezu, jsou v současnosti pokládána za výhodná, je zřejmé, že vynález pokrývá všechny změny a úpravy všech zařízení, které spadají do ducha a rozsahu vynálezu.

Claims

1. Vodné palivo, vyznačující se tím, že voda tvoří 20 až 70 % z celkového objemu paliva, přičemž zbývající objem do 100 % tvoří uhlíkaté složky ze souboru, zahrnujícího ethanol, methanol, benzin, motorovou naftu, petrolej a jejich směsi.

2. Vodné palivo podle nároku 1, vyznačující se tím, že objem uhlíkaté složky je s výhodou 20 až 50 % z celkového objemu paliva.

3. Použití vodného paliva podle nároku 1 a 2 ve spalovacím motoru, při kterém se vodné palivo a vzduch o teplotě v rozsahu od teploty okolí až do 204 °C z karburátoru zážehového motoru, nebo palivového vstřikovacího systému vznětového nebo tryskového motoru, zavádí do alespoň jednoho spalovacího prostoru, v němž se spaluje za přítomnosti katalyzátoru produkujícího vodík.

4. Použití podle nároku 3, u něhož se vzduch před vstupem do karburátoru ohřívá na teplotu v rozsahu od 177 °C do 204 °C.

5. Použití podle nároku 3, u něhož se vzduch před vstupem do palivového systému ohřívá na teplotu v rozsahu od 50 do 70 °C.

6. Použití podle nároku 3, při kterém katalyzátor je ze souboru prvků zahrnujících platinu, slitinu platiny s niklem a vzácné kovy.