Вестник Военного инновационного технополиса «ЭРА», 2023, T. 4, № 4, стр. 363-368

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время повышение концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе, связанное с интенсивным ростом количества автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, является актуальной проблемой экологического характера.

При проектировании автомобиля в него закладываются экологические нормы, которые в процессе эксплуатации не должны превышаться. Регулировка токсичности в современных автомобилях либо совсем не требуется (недоступна простому пользователю), так как она уже заложена в программе блока управления двигателя, или сильно ограничена. Этого нельзя сказать о карбюраторных двигателях, где токсичность напрямую зависит от регулировки и настройки карбюратора, системы питания и непосредственно зажигания.

Существует несколько путей для снижения концентрации вредных веществ в отработавших газах, которые выделяются автомобилями и другими транспортными средствами с двигателями внутреннего сгорания, работающими на нефтяном топливе. Основными направлениями снижения концентрации вредных веществ в отработавших газах являются [1]:

– применение различных способов очистки отработавших газов от токсичных и вредных компонентов (каталитические нейтрализаторы, сажевые фильтры и т.д.);

– повышение качества топлива (снижение содержания серы, фильтрация и добавление присадок в топливо);

– совершенствование процессов сгорания топлива и параметров смесеобразования.

Добавление газа ННО в топливовоздушную смесь через впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания относится к последнему из указанных выше направлений.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Известно, что в 1974 г. австралиец Юлл Браун запатентовал создание аппарата, который вырабатывал кислородно-водородную смесь в соотношении  2 : 1 (газ ННО). Почти три десятка лет Браун пытался продвинуть свою смесь в качестве топлива, поэтому газ ННО также называется газом Брауна.

Обычные кислород и водород существуют в виде О₂ и Н₂ (т.е. молекулы обоих газов имеют по два атома). Такое состояние для кислорода и водорода является более устойчивым, чем состояние отдельно существующих атомов в виде заряженных ионов [2].

В газе Брауна молекулы водорода и кислорода находятся в одноатомном состоянии (один атом на молекулу) [3]. На рис. 1 изображено разложение воды на атомы кислорода и водорода.

Одним из самых простых способов получения газа Брауна для реализации его в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания является процесс электролиза воды. В свою очередь аппараты, в которых применяется процесс электролиза для получения газа ННО, называются электролизерами.

В качестве раствора, который содержит в себе большую концентрацию ионов, обеспечивающих прохождение электрического тока (электролита), в данной работе рассматривали серную кислоту (H₂SO₄), гидроксид натрия (NaОН) и гидроксид калия (КОН). На рис. 2 представлены графики зависимости электропроводности электролитов от их концентрации в водном растворе.

По итогу анализа электролитов был выбран 30%-процентный щелочной раствор KOH, так как по сравнению с серной кислотой (H₂SO₄) это вещество невзрывоопасное и непожароопасное, а также менее агрессивное по воздействию на человека и резиновые уплотнители. В свою очередь гидроксид калия (КОН) также является более предпочтительным по сравнению с гидроксидом натрия (NaOH), так как имеет более высокие показатели электропроводности.

Количественные характеристики электролиза выражаются двумя законами Фарадея:

– масса вещества, выделяющегося на электроде, прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электролит;

– при электролизе различных химических соединений одинаковые количества электричества выделяют на электродах массы веществ, пропорциональные их электрохимическим эквивалентам.

Эти два закона можно объединить в одном уравнении:

где m – масса вещества, выделяющегося при прохождении через электролит количества электричества q (г); q – количество электричества или  заряд (А ∙ с); F – постоянная Фарадея (96 500 Кл/моль); M – молярная масса (кг/моль); n – валентность; I – сила протекающего тока (А); t – время прохождения тока (с).

Из формулы (1) видно, что масса вещества прямо пропорциональна силе протекающего тока. То есть чем больше сила тока, тем больше газа ННО выделяется в электролизере.

Следующим этапом с помощью системы автоматизированного проектирования Solidworks разработали и изготовили опытную конструкцию электролизера – генератора газа HHO. Его конструкция и общий вид представлены на рис. 3. Проектирование, разработку конструкции генератора газа ННО, а также подбор материалов осуществляли исходя из следующих требований:

– бак с рабочей жидкостью (электролитом) и блок пластин (реактор) должны быть единым целым для обеспечения компактности и простоты установки;

– масса всего изделия не должна превышать 5 кг;

– конструкция изделия должна обеспечивать герметичность и устойчивость к воздействиям внутренних нагрузок (температурные воздействия, воздействия щелочного раствора) и внешних (статические и динамические, частотные воздействия).

Установку генератора газа ННО проводили в подкапотном пространстве, если позволяло место, а также в багажном отделении. Он должен быть установлен и закреплен таким образом, чтобы был неподвижным и не смещался при движении автомобиля даже на пересеченной местности.

Генератор газа ННО устанавливали на автомобиль согласно схеме, представленной на рис. 4.

Генератор газа ННО подключается следующим образом:

– устанавливается реле, которое соединяется с управляющим кабелем от замка включения зажигания и “массой” автомобиля;

– к реле от аккумуляторной батареи через предохранитель подключается силовой плюсовой кабель;

– в салоне автомобиля в легкодоступном для водителя месте устанавливается регулятор силы тока, к входным клеммам которого подключаются плюсовой кабель от реле и минусовой кабель от аккумуляторной батареи;

– устанавливается и крепится генератор газа ННО;

– от генератора газа ННО до патрубка впускного коллектора двигателя внутреннего сгорания прокладывается магистраль, по которой будет поступать газ ННО;

– магистраль подводится и подключается после воздушного фильтра впускного коллектора двигателя внутреннего сгорания;

– выходящие плюсовой и минусовой кабели из регулятора силы тока подключаются к соответствующим контактным пластинам генератора газа ННО.

Испытания размещенного и подключенного генератора газа ННО проводили на автомобиле Chevrolet Captiva с бензиновым двигателем V6 объемом 3.2 л при режиме силы тока 20 А.

Для возможности проведения испытания генератора газа ННО была выполнена корректировка исходных программных параметров электронного блока управления двигателя – чип-тюнинг (рис. 5а). Эта операция необходима, чтобы адаптировать параметры смесеобразования (в данном случае обеднить смесь) и считываемые параметры кислородных датчиков (λ-зондов), так как в рабочую смесь помимо основного топлива и воздуха будет поступать газ ННО.

Испытания проводили на прогретом двигателе на холостых оборотах с помощью газоанализатора фирмы “Инфракар”. Установку зонда газоанализатора в глушитель выпускной магистрали двигателя внутреннего сгорания проводили согласно рис. 5б.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Первым этапом проводили замер без использования генератора газа ННО (т.е. в выключенном состоянии). Показания газоанализатора при данном замере представлены на рис. 6а.

На втором этапе включили генератор газа ННО на режим 20 А и через 3 мин провели повторный замер (рис. 6б).

Далее было проведено три замера также с интервалом 3 мин. На рис. 6в–6д показаны результаты замеров.

Проанализировав все проведенные замеры после включения подачи газа ННО во впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания, можно сделать следующие выводы:

– концентрация углекислого газа (СО₂) падает с 4.02 до 3.9%. Вначале наблюдается небольшой рост концентрации соединений СО₂, но на последних замерах происходит резкий спад концентрации;

– концентрация оксидов азота (NO_x) имеет незначительное колебание в интервале от 15.71 до 15.65 млн^–1;

– концентрация углеводородных соединений (СН) снижается с 7 до 2 млн^–1;

– концентрация угарного газа (СО) снижается с 0.08% до нулевых значений.

Согласно проведенному испытанию построены соответствующие графики зависимости изменения концентрации отработавших газов от времени замеров (рис. 7).

Газ Брауна при добавлении в топливовоздушную смесь значительно увеличивает скорость сгорания топлива. Это происходит потому, что скорость детонации газа ННО примерно в 10 раз больше скорости детонации воздушно-бензиновой смеси [4]. Сжигается не только бензин, но и остаточные оксиды топлива.

В результате гораздо меньшее количество топлива, которое не сгорело, выбрасывается из двигателя в виде загрязняющих веществ и токсичных отходов.

ВЫВОДЫ

Таким образом, добавление газа Брауна (газа ННО) в топливовоздушную смесь через впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания действительно оказывает значительное влияние на снижение концентрации вредных веществ в отработавших газах двигателя внутреннего сгорания.

По результатам испытаний видно, что происходит заметное уменьшение количества выбросов загрязняющих атмосферу веществ. Данный эффект несомненно окажет положительное влияние на окружающую среду, экологическую обстановку в крупных городах и здоровье человека.