Седма београдска гимназија

МАТУРСКИ РАД ИЗ ФИЗИКЕ

Тема:

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У ХИБРИД ПОМОЋУ

ЕЛЕКТРОЛИЗЕ

Ментор: Ученик:Рада Лазовић Ненад Хубер

Београд, мај 2011. године

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У Х Y БРИД ПОМОЋУ ЕЛЕКТРОЛИЗЕ – Аутор: Ненад Хубер

САДРЖАЈ

Историјат развоја СУС мотора........................................................................3

Definicije, uloga i značaj SUS motora.................................................................4

Клипни СУС мотори......................................................................................5

„Класични“ клипни СУС мотори....................................................................6

Струјни СУС мотори......................................................................................6

Принцип рада СУС мотора..............................................................................6

Процеси у СУС мотору.................................................................................7

Теоријски циклус мотора..................................................................................8

Хибридни погон.................................................................................................9

Ефекти који се постижу применом Хибрид мотора........................................9

Алтернативна аутомобилска горива.............................................................10

Бензински и електромотори.......................................................................11

Водоник као субституционо гориво у СУС моторима...................................12

Заступљеност и једињења.........................................................................12

Историја.......................................................................................................12

Особине.......................................................................................................12

Примена.......................................................................................................12

Супституционо гориво у аутомобилској индустрији.....................................12

Начин производње......................................................................................13

Структура.....................................................................................................13

Реакција.......................................................................................................14

HHO гас...........................................................................................................14

Генератор HHO-електролиза воде................................................................15

HHO генератори..............................................................................................17

Електроде и електролит.................................................................................19

Како трансформисати СУС мотор у хибридни.............................................20

Будућност хибридних мотора........................................................................21

Литература......................................................................................................22

2

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У Х Y БРИД ПОМОЋУ ЕЛЕКТРОЛИЗЕ – Аутор: Ненад Хубер

Историјат развоја СУС мотора

Посматрано кроз историју развоја може се рећи да су упоредо са развојем мотора конструисана возила,чија се брзина повећава у складу са својством, односно снагом мотора.

Енглез Џејмс Ват (James Watt ) 1764. године конструисао је прву парну машину која, по принципу рада, не спада у моторе са унутрашњим сагоревањем, већ у моторе са спољашњим сагоревањем. Међутим, овај проналазак је врло значајан у развоју мотора уопште.

Филип Лебен (Philip Lebon ) 1800.године конструисао је мотор који је као погонско гориво користио светлећи гас, који је сагоревао у цилиндру и вршио притисак на чело клипа, чиме је остваривао кретање клипа у цилиндру. На усавршавању процеса рада овог мотора радио је механичар Леноар, такође Француз. Наиме, он је,у консруктивном смислу, 1860.године делимично осавременио предходни мотор. Овај проналазак није нашао практичну примену,јер је имао низак степен искоришћења енергије (око 4 % ), али се може рећи да је то велики напредак, имајући у виду развој мотора те врсте.

Инжињер Бо де Рош ( Bea de Rochas ), по народности Француз, дошао је до идеје (1861.године) какав би требало да буде и како да ради мотор са унутрашњим сагоревањем,али се то завршило само на теоретском виђењу, јер његов мотор практично никада није прорадио.

Американац Џорџ Брајтон ( George Brighton )1872, године наставио је усавршавање мотора са унутрашњим сагоревањем и захваљујући томе, конструисао је први двотактни мотор.

Године 1875.механичар Маркус конструисао је двотактни мотор за аутомобил који је као погонско гориво користио бензин.Снага мотора преносила се ужетом ,што указује да се радило о врло малој снази.

За развој мотора са унутрашњим сагоревањем посебно је значајна 1876. година, посматрано у континуитету истраживања,јер је те године немачки инжињер Николас Ото (Nikolaus Otto ) усавршио и реализовао идеју француског инжињера Бо де Роша конструисавши четворотактни бензински мотор. Тиме су постављене основе развоју мотора сус. Захваљујући успешном проналаску-конструкцији, ти мотори носе назив „ото-мотори“ .

3

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У Х Y БРИД ПОМОЋУ ЕЛЕКТРОЛИЗЕ – Аутор: Ненад Хубер

Веома значајан допринос развоју аутомобила припада Карлу Бенцу (Karl Benz ), јер је 1879. године потпуно завршио конструкцију двотактног мотора.

Немачки инжињер Рудолф Дизел (Rudolf Diesel ) 1893. године конструисао је мотор који је по њему добио назив „дизел-мотор“ .

Заједничко првим конструкцијама мотора, током њиховог сукцесивног развоја, јесте мали број обртаја (500-600 min-1 ) а самим тим и мала снага (3-4 kW). Постигнути резултати у конструктивним решењима су од фудаменталног значаја, јер су тим техничким решењима рашчишћене многе дилеме и створени темељи за интензивнији рад на конструкцији мотора са бољим карактеристикама, како по броју обртаја тако и снаге мотора,те у вези са тим и боља конструктивна решења возила у целини.

У историјату мотора значајно је напоменути када су пронађени-конструисани поједини уређаји:

-Роберт Бош ( Robert Bosch ) 1887. године конструисао је батеријско паљење,а 1901. године магнетно паљење,

-Мајбах ( Maybach ) конструисао је карбуратор, -Данлоп ( Dunlop ) конструисао је пнеуматике за возило, -оловни акумулатор је пронађен 1860. године, -електропокретач конструисан је 1912. године итд. Примена гасне турбине на моторним возилима започета је њеном уградњом

у аутомобил „Ровер“ 1950. године. Ванкел ( Wankel ) је конструисао мотор са унутрашњим сагоревањем са

ротационим клиповима. Овај проналазак је први пут саопштен 1960. године у Минхену. Фирма NSU је први пут приказала ову новину 1963. године на сајму у Лондону.

Основни правци даљег развоја и усавршавања данашњих клипних мотора су:

-усавршавање образовања смеше и сагоревања у циљу повећања економичности и смањења токсичности мотора;

-повећање специфичне снаге мотора применом турбопуњења уз примену међухлађења;

-омогућење коришћења алтернативних горива; -побољшање еколошких карактеристика мотора применом посебних

система и уређаја за смањење токсичне издувне емисије мотора; -повећање снаге мотора усавршавањем усисно-издувног система; -усавршавање конструкције у циљу смањења механичких и топлотних

губитака (адијабатски мотори и сл.); -примена електронске регулације рада мотора итд.

Definicije, uloga i značaj SUS motora

Motor je pogonska mašina koja neki vid energije pretvara u mehanički rad. U zavisnosti od toga koji se vid energije pretvara u mehanički rad postoje: elektromotori, toplotni motori, hidraulični motori, pneumatski motori itd..

Toplotni motori hemijskom reakcijom stvaraju radno telo (produkt sagorevanja) sa visokim stepenom potencijalne energije (pritisak produkta sagorevanja) pod čijim dejstvom motorni mehanizam proizvodi mehanički rad. Toplotna energija toplotnih motora dobijena sagorevanjem goriva preobražava se delimično u mehaničku energiju.

4

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У Х Y БРИД ПОМОЋУ ЕЛЕКТРОЛИЗЕ – Аутор: Ненад Хубер

Prema mestu gde goriva sagorevaju,odnosno prema tome da li su produkti sagorevanja istovremeno i radni medijum,toplotni motori se dele na:

-motore sa spoljašnjim sagorevanjem (sss), i -motore sa unutrašnjim sagorevanjem (sus).

U motorima sss gorivo sagoreva i predaje toplotu radnom medijumu (pari ili vazduhu) u posebnom uređaju (parni kotao, грејач ваздуха) чиме се повећава енергетски потенцијал радне материје, изражен његовим притиском и температуром. Радни флуид овако енергетски оптерећен доводи се у мотор,у коме се његова потенцијална енергија ширењем делимично претвара у механичку. (У ове моторе убрајају се парни и ваздушни,а могу бити изведени као клипни или турбински ).

Процес сагоревања мотора сус обавља се у самом мотору. Топлота ослобођена сагоревањем предаје се продуктима сагоревања,чиме се повишава њихов енергетски потенцијал изражен притиском и температуром. Ширењем гасова у склопу мотора, један део топлотне енергије преображава се у механички рад. (У ове моторе убрајају се клипни, турбински и млазни мотори сус)

У топлотним моторима потенцијална енергија радног медијума трансформише се у механичку енергију на два начина.

1) Понављање низа узастопних ширења одређених количина радног медијума у специјалном радном простору мења запремину у одређеним границама. Ширењем гаса у овим одређеним запреминским границама савлађује се спољашњи отпор, при чему се одговарајући део потенцијалне енергије трансформише у механички рад.

Ову групу чине клипни сус мотори, клипне парне машине и мотори система Стирлинг.

Данас се још увек највише користе клипни сус мотори, на које се углавном мисли када се говори о моторима сус.

2) Потенцијална енергија радног медијума претвара се у кинетичку енергију млаза наглим и усмереним ширењем у специјалним млазницама. За савлађавање спољашњег отпора користи се акционо или реакционо дејство млаза флуидне струје. Овде спадају турбински мотори (парне и гасне турбине) и млазни мотори.

Клипни СУС мотори

Клипни мотори са унутрашњим сагоревањем су мотори који се користе на данашњим аутомобилима. Осим на моторним возилима (путничким аутомобилима, камионима, мотоциклима), радним машинама (тракторима, комбајнима и др.) и механизацији уопште, користе се и на бродовима (велики, спороходни дизел

мотори), чамцима, а у мањој мери и за погон локомотива и летелица. Процењује се да се у овим моторима потроши преко 25% укупне светске потрошње енергије (индустрија, транспорт, грејање, ...). У друмском транспорту троше скоро 99% енергије, у воденом преко 75%, док у железничком и ваздушном и мање од 10%. Ови мотори остварују механички рад на рачун потенцијалне енергије продуката сагоревања.

5

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У Х Y БРИД ПОМОЋУ ЕЛЕКТРОЛИЗЕ – Аутор: Ненад Хубер

5-цилиндарски клипни СУС мотор са радијалним рапоредом цилиндара (тј. "звездасти" мотор)

Код моторних возила се у огромној већини користе "класични" клипни мотори (тј. ото и дизел мотори), мада стално има покушаја за увођење ванкеловог мотора. Постоје и покушаји уградње гасне турбине (амерички тенк M 1 Abrams има овакав погон), али то је изводљиво само код тешких возила. У последње време присутни су у хибридни погон, па и електрични.

Аутомобилски мотори као гориво користе (моторни) бензин, дизел гориво или течни нафтни гас - TNG (тзв. плин), евентуално компримовани природни гас - KPG. Због недостатка нафте као основне сировине, аутомобилска индустрија покушава да нађе алтернативне врсте горива.

„Класични“ клипни СУС мотори

Међу клипним СУС моторима апсолутну доминацију у примени имају транслаторни (линијски) клипни мотори са унутрашњим сагоревањем (СУС), тј. "класични" клипни СУС мотори. Ту спадају ото (Otto Nikolaus ) - називани још и бензински мотори и дизел мотори (Rudolf Diesel ). Они се међусобно разликују по термодинамичком циклусу по којим раде (и по којима су и добили имена), из чега произилази и принципијелна разлика у врстама горива које користе: ото мотори користе моторне бензине, али и алтернативна горива, као што су TNG, KPG i TPG, алкохолна горива, евентуално и биогас, док дизел мотори користе дизел гориво и биодизел, евентуално делимично и KPG i TPG. И једни и други могу бити двотактни или четворотактни. Остале разлике су следеће:

Ото мотори: након сабијања смеше горива и ваздуха, до њеног упаљења долази варницом, која настаје на свећици. Нема експлозије, сагоревање се врши по слојевима. Смеша се код старијих модела мотора формирала у карбуратору, а данас убризгавањем горива ("injection motori"), било испред цилиндра (једна или више бризгаљки), било директно у цилиндар (што је ретко). За чишћење њихових издувних гасова користи се "катализатор".

Дизел мотори: сабија се чист ваздух и након убризгавања горива долази до спонтаног паљења и сагоревања, услед повишене температуре и притиска, насталих сабијањем ваздуха. Нема свећица (осим грејача на неким моторима, који се накад називају и дизел свећице). Спородохнији су и вежи/тежи по јединици снаге (осим код турбо мотора), али ефикаснији. За филтрирање издувних гасова дизел мотора се користи DPM филтер (Diesel Particulate Matter, дизел посебна материја тј. чађ).

Могу се поделути по више критеријума, нпр. по броју цилиндара (једноцилиндарски, двоцилиндарски, троцилиндарски, четвороцининдарски, ...) и распореду цилиндара (линијски, В, W, боxер, звезда...).

Струјни СУС мотори

Код струјних мотора, рад се остварује на рачун кинетичке енергије продуката сагоревања, који експандирају у облику млаза који се користи било за стварање потиска било обртног момента.

6

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У Х Y БРИД ПОМОЋУ ЕЛЕКТРОЛИЗЕ – Аутор: Ненад Хубер

Гасна турбина користи за свој погон гас, млазни мотори користе керозин, а ракетним осим горива, треба испоручивати и кисеоник.

Принцип рада СУС мотора

Радни циклус свих мотора сус обавља се у цилиндру мотора периодичним ширењем одређених количина радне материје између два крајња положаја клипа (СМТ-спољне мртве тачке и УМТ-унутрашње мртве тачке ). Радни простор је формиран од цилиндра који је са једне стране затворен цилиндриском главом, а са друге стране померљивим клипом . Потискивањем клипа гасови савлађују спољни отпор и врше механички рад. Преко клипњаче,која је зглобно везана са клипом и коленастим вратилом ,остварује се праволинијско осцилаторно кретање коленастог вратила.

Процеси у СУС мотору

Сваки СУС мотор у току свог рада мора обавити основна 5 процеса:- усисавање,- сабијање (компресија),- сагоревање,- ширење (експанзија) и- издувавање.

Разлике између типова СУС мотора су у времену, месту и начину вршења ових процеса. Неки мотори врше све процесе у исто време, али на различитим местима у мотору (нпр. млазни мотор), а неки врше процесе на истом месту, али у различито време (нпр. клипни Ото и Дизел мотори).

1. УсисавањеПрви процес у току рада СУС мотора је усисавање. У овом процесу се

смеша ваздуха и горива усисава у мотор (код мотора са спољашњим образовањем смеше, нпр. Ото мотор са карбуратором) или се усисава само ваздух, а гориво се убризгава под притиском (Ото мотор са директним убризгавањем). Код неких мотора се гориво убризгава тек у процесу компресије (Дизел мотор). Задатак процеса усисавања јесте да мотор обезбеди смешу горива или само ваздух за касније сагоревање.

2. СабијањеПроцес компресије је врло битан, јер се у њему обезбеђују услови за

сагоревање. У овом процесу мотор сабија усисану смешу, или само ваздух, повећавајући јој притисак и температуру. Већи притисак омогућава брже и експлозивније сагоревање, јер су молекули кисеоника из ваздуха и горива збијени и гориво много брже "похвата" молекуле кисеоника, брже реагује са њима при сагоревању. Код Дизел мотора, при крају сабијања се убризгава гориво и образује смешу.

3. СагоревањеУ процесу сагоревања смеша горива и ваздуха се пали и сагорева

ослобађајући огромну количину енергије. Гасови настали као производ сагоревања

7

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У Х Y БРИД ПОМОЋУ ЕЛЕКТРОЛИЗЕ – Аутор: Ненад Хубер

су под знатно већим притиском и температуром него смеша и имају огромну потенцијалну енергију. Начин паљења и сагоревања се разликује међу врстама мотора.

4. ШирењеЕкспанзија је процес који даје снагу мотору, тј. врши користан механички

рад. Сви остали процеси постоје само да би створили услове за овај процес. У овом процесу сагорели гасови са огромном потенцијалном енергијом се шире, потискујући клип у клипном мотору, ротор у ванкел мотору, турбину у елисном млазном мотору или стварајући директан потисак у потисном млазном мотору; вршећи механички рад.

5. ИздувавањеКад сагорели гасови своју потенцијалну енергију претворе у механички рад,

постају бескорисни. Процес издувавања је задужен да бескорисне гасове избаци у атмосферу.

Код клипних мотора, због брзине одвијања ових процеса и инерције гасова, често се 2 процеса врше у исто време (следећи почне пре него што се претходни завршио). Нпр. процес сагоревања код четворотактних Ото и Дизел мотора се често "преклапа" са процесима сабијања и ширења.

Теоријски циклус мотора

Код свих мотора радни циклус обухвата следеће процесе: пуњење цилиндра свежом радном материјом, сабијање свеже радне материје, сагоревање, ширење продуката сагоревања и избацивање продуката сагоревања из цилиндра. Циклуси се периодично понављају на рачун ослобођене топлоте сагоревањем горива. Величина развијеног рада и ефиканост енергетске трансформације зависе од начина одвијања .кружног процеса током радног циклуса мотора. Одвијање наведених циклусних фаза праћено је енергетским губицима, који су резултат великог броја разноврсних утицаја, који варирају од мотора до мотора.

Услед овакве сложености одвијања стварних циклуса, приступа се увођењу и проучавању упрошћених циклуса, код којих су занемарени утицаји секундарног значаја а узети су у обзир само најутицајнији чиниоци. Овакве поједностављене циклусе називамо теоријским циклусима. Поједине циклусне фазе одвијају се по законима термодинамике, па се називају и термодинамички циклуси. Одвијање теоријских циклуса обављало би се у идеалним условима, у идеалној машини, без губитака, па се зато називају и идеални циклуси. Идеални циклуси омогућавају добијање математичких израза за теоријски степен искоришћења и средњи теоријски притисак, помоћу којих се врши анализа главних утицаја на побољшање ових карактеристика.

8

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У Х Y БРИД ПОМОЋУ ЕЛЕКТРОЛИЗЕ – Аутор: Ненад Хубер

Стварни радни процес ИВ-тактног мотора

Хибридни погон

Хибридни погон (прецизније: хибридни систем погона) је назив који означава покретање возила помоћу неколико различитих извора енергије. Обично се под овим подразумева комбинација електромотора и СУС мотора. Користи се пре свега код друмских и железничких возила. Хибридни погон обједињује предности погонских система који га сачињавају, тако што при различитим режимима вожње, користи предности различитих система погона.

Данас се развијају и тестирају следеће врсте хибридног погона:СУС мотор + електромотор + акумулатор (преовлађујуће)СУС мотор + електромотор + спољашњи извор електричне енергије (трола)СУС мотор + замајацгасна турбина + генератор + акумулатор + електромотор

Ефекти који се постижу применом Хибрид мотора

Предности: Хибридни погон омогућава искоришћавање појединачних предности погонских система:

електромотор: низак ниво буке, нулту емисију издувних гасова и висок степен корисности (до 90%);

СУС мотор: велика аутономија возила, по потреби велики обртни момент и могућност кретања великом брзином.

Још једна велика предност је могућност да интегрисани погонски систем ради у области рада са високим степеном корисности, што доводи до смањења потрошње енергије.

9

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У Х Y БРИД ПОМОЋУ ЕЛЕКТРОЛИЗЕ – Аутор: Ненад Хубер

Мане: Велики набавни трошкови, већа маса возила (маса акумулатора и електро мотора) и мањи товарни простор.

Примери возила са хибридним погоном

Аутобус марке „Solaris Trollino 12 AC“ са помоћним дизелагрегатом, на улицама града Опава у Чешкој

Хибридни тројелбус (дуобус) - тролејбус опремљен (поред уобичајног електромотора) електро-агрегатом или акумулатором или чак независним СУС мотором, што им омогућава кретање ван електро-мреже (као аутобуси).

Хибридна дизел локомотива - дизел локомотива са дизел-агрегатом.Електрична маневарска локомотива са вагоном са батеријама - Чешка

железница је адаптирала неколико својих стандардних електролокомотива, тако да могу да се користе и на не-електрофикованим пругама. Преправљене локомотиве могу да раде у два режима: режим 'трола' (као обична електролокомотива) и режим 'акумулатор', када се енергија црпе из акумулатора на посебном вагону. Тако могу да маневришу и на колосецима која немају електромрежу, или да опслуже индустријски колосек који нема електроводове, а прикључен је на електрификовану пругу, тако да би било нерентабилно слати дизел локомотиву.

Алтернативна аутомобилска горива

У алтернативна аутомобилска горива спадају практично сва горива за аутомобилске моторе, осим моторних бензина и дизел горива ("класична").

Што се тиче угљоводоничних горива, осим горива која спадају у биогорива (биодизел, алкохолна горива...), у алтернативна се убрајају и течни нафтни гас (TNG), компримовани (KPG) и течни природни гас (TPG).

Условно би се овде могла поменути и соларна енергија, као извор енергије за возила покретана енергијом из сопствених соларних ћелија. Оваква возила су још далеко од практичне примене.

Постоји више начина на које се покрећу хибридни аутомобили. Сама идеја хибридног погона је ослањање на више различитих типова мотора како они раде. Према томе постоји подела возила које користе хибридни погон. Ова подела није строго дефинисана јер нове технологије које се развијају немају увек јасно дефинисане границе медју њима. Када се дода и стални труд инжињера који

10

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У Х Y БРИД ПОМОЋУ ЕЛЕКТРОЛИЗЕ – Аутор: Ненад Хубер

покушавају на све могуће начине да смање потрошњу и повећају ефикасност ових система можемо да покушамо да бар донекле разврстамо какви системи су највише у употреби и развоју.

Бензински и електромотори

Када се каже хибридна возила најчешће се мисли на ова возила. Само име нам открива да је у питању комбинација бензинског мотора са унутрашњим сагоревањем и елктричних батерија које дају енергију електромоторима. Најпознатији представник овог типа је Toyota Prius . Користе се и изрази потпуни хибрид или полу-хибрид. Иако раде и заснивају се на истом систему мале разлике које у њима постоје се односе на могућношћу да потпуни хибриди поседују могућност да раде у потпуно електричном моду, значи без икакве "помоћи" бензинског мотора, док полу хибриди немају ову опцију. И једна и друга варијанта имају своје предности и мане.

Фердинанд Порше је још давне 1900 године направио први бензинско-електрични мотор на свету. Поставио је брзински рекорд користећи 2 електрична мотора у точковима који су добијали енергију из мотора са унутрашњим сагоревањем. Иако ова комбинација хибрида постоје још из 19 века, највећи допринос овој технологији је дао David Arturs електро инжињер из Спрингдејл (Арканзас, САД) који је 1978-79 године изумео кочиони систем који је допуњавао струјом батерије које користи електрични мотори. Његов преправљени Opel GT је имао потрошњу мању од 6 литара на 100 предјених километара.

Данас се све више појављују plug-in-electric-vehicle (PEV) возила која могу да се допуњују на обичним струјним прикључцима. Бензински мотори служе само као друга опција за случај када не постоји могућност допуне батерија преко струјног кабла.

Toyot-ин хибридни систем (THS) је иновативна технологија која мање штети околини, настала комбиновањем Atkinson 1,5-литарског бензинског мотора с електричним мотором с 0 (нула) испуштања штетних гасова, те 53 kW/72 KS бензинским мотором и 33 kW/45 KS електричним мотором, ког покреће посебно израђена, снажна, никал-метал хибридна (Ni-Mh) батерија, управља рачунар који надзире положај гаса у свим ситуацијама у вожњи.

Посебну групу чини водоник. Његова употреба као горива је још у експерименталној фази.

11

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У Х Y БРИД ПОМОЋУ ЕЛЕКТРОЛИЗЕ – Аутор: Ненад Хубер

Водоник као субституционо гориво у СУС моторима

Водоник (H, lat. hydrogenium настао од латинског стваралац воде) је најлакши хемијски елемент.

Јавља се у облику два стабилна изотопа 1H (protijum) и 2H (deuter и jum , који се такође означава симболом D) као и једног нестабилног - 3H (tr i c i um , који се означава Т).

Пошто је један од стабилних изотопа два пута тежи од другог, они се међусобно доста разликују по хемијским својствима.

Заступљеност и једињења

Иако је водоник најзаступљенији елемент у васиони, на Земљи се јавља у малим количинама (0,9% у горњим слојевима), углавном у облику хемијских једињења (вода).

Он улази у састав многих битних једињења: воде, киселина, база и у већину органских једињења. Због тога је он биогени елемент.

У слободном облику јавља се у виду двоатомних молекула H2. Катјон водоника H+ (у воденим растворима је хидратисан: oksonijum јон H3O + , Цунделов (Zundel) катјон, H5O2

+, Ајгенов (Eigen) катјон, H9O4+) настаје услед дисоцијације

киселина. Концентрација водоникових јона изражава се помоћу pH вредности.

Историја

Водоник је први у лабораторији произвео Teofrat Bombast fon Hoenhajm мешањем метала и киселине, али он није био свестан да је експлозиван гас који је добио био водоник. Званично водоник је открио 1766. године Хенри Кевендиш.

Особине

Под нормалним условима је у гасовитом агрегатном стању, није отрован, запаљив (граница експлозивности у ваздуху од 4-94%). Минимална енергија иницијације паљења 0,02 MJ. Температура пламена при стехиометријском сагоревању је 1930°C.

Примена

У процесима сагоревања (индустрије стакла, обрада драгог камења, сечења и заваривања метала);

У хемијској индустрији за производњи синтезних смеша, редукцији, хидрогенизацији и десулфуризацији;

У производњи електричне енергије;У инструменталној аналитици;У метеорологији, у производњи ел. енергије итд.;У електроници;У производњи полупроводника;У стварању редукционих атмосфера у металургији, рафинацији метала, у

термичкој обради метала.

Супституционо гориво у аутомобилској индустрији

12

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У Х Y БРИД ПОМОЋУ ЕЛЕКТРОЛИЗЕ – Аутор: Ненад Хубер

Начин производње

Добија се селективном абсорбцијом примеса из сировог водоника (из хлор алкалних комплекса, електролизе воде, парцијалне оксидације угљоводоника и угља итд.)

Трансформација хемијске енергије у електричну у великој већини случајева се врши посредно - преко механичке енергије: мотор претвара хемијску енергију горива ослобођену његовим сагоревањем у механичку енергију, која се у електричним генераторима претвара у електричну.

Горивне ћелије електричну енергију производе непосредно и стога би требало да буду ефикасније, једноставније и поузданије. За сада, њихову употребу спречавају техничке препреке.

Данас се наде полажу у водонично-кисеоничне горивне ћелије, које би се користиле за погон аутомобила (тачније њихових електромотора). Водоник потребан за процес се мора произвести (нпр. електролизом воде) и довести до ћелија, док се потребан кисеоник може 'узимати' непосредно из атмосфере. Складиштење водоника је за сада највећи проблем, с обзиром на то да је водоник у смеси са ваздухом веома експлозиван, а и масе резервоара су проблематичне. Степен искоришћења целог циклуса (струја → водоник → струја) је око 30-40 % (код ото мотора – 18%).

Тренутно се горивне ћелије већ користе на ракетним космичким летелицама и подморницама.

Структура

Горивна ћелија састоји се од две електроде, које су одвојене мембраном или електролитом. На аноду се доводи гориво (нпр. водоник, метан, метанол, сирћетна киселина, раствор глукозе), и оно ту оксидује. На катоду се доводи оксидационо средство (нпр. кисеоник, водоник пероксид, ...), које се ту редукује.

Електроде су обично направљене од различитих метала, или могу бити угљеничне наноцевчице. Могу бити и пресвучене катализатором (нпр. платином или паладијумом), чиме се постиже већа ефикасност. Данас се обично користе електроде са количином катализатора 5g/m2.

Као електролит могу послужити разне киселине (претежно H3PO4) или базе (најчешће KOH), керамички материјали или мембране. У специфичним горивним ћелијама као електролит се користи гас под високим притиском. Данас се као електролит највише користи KOH, који се користио већ у ћелијама пројекта Apolo, а чија је мана да оксиданс мора да се чисти од CO2, јер би иначе долазило до реакције CO2 са електролитом и настало једињење би престало да врши функцију електролита.

Електрични напон који настаје је теоретски око 1.23 V а зависи од врсте горива и квалитета ћелије. Код ћелија које се данас највише користе, напон је обично око 0.95 V. Да би се добио већи напон, неколико ћелија се везује у серију.

13

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У Х Y БРИД ПОМОЋУ ЕЛЕКТРОЛИЗЕ – Аутор: Ненад Хубер

Шематски приказ процеса у горивној ћелији

Реакција

Гориво (нпр. водоник) се на аноди каталитички трансформише у катјоне (у случају водоника јоне H+). Ослобођене електроне привлачи анода и ствара електричну струју, која преко електро потрошача тече ка катоди. На катоди се оксидационо средство (већином кисеоник) редукује у анјоне (O2-), а они онда реагују са H+ јонима, стварајући воду.

HHO гас

Вода је течност која има молекул са ДВА АТОМА ВОДОНИКА и ЈЕДАН АТОМ КИСЕОНИКА.

Водоник је најлакши хемијски елемент и гас без боје, укуса и мириса. Запаљив је у концентрацији од 4 до 94%. Потпуно је безопасан за човека и околину. Потпуно је безопасан за све моторе са унутрашњим сагоревањем.

Водоник има највишу потенцијалну енергију, по јединици масе, свих познатих горива. Тако да слободно можемо рећи да је водоник енергетски „најјаче” познато гориво. Већ је почела трка великих светских произвођача аутомобила у производњи возила 100% на водоник. Али таква возила су још веома скупа и некомерцијална. Водоник који корисник точи на пумпи је веома скуп и неисплатив за ширу примену. Оваква возила су додатно компликована због великих боца за резерву водоника који је у њима смештен под високим притиском. За разлику од овог система наш развијен је и самосталан уређај који користи електричну енергију са алтернатора возила и производи водоник који без складиштења под малим притиском иде директно у усисни систем ваздуха, на мотору возила. Овим системом без притиска и резервоара водоника, обезбеђујемо беспрекорну сигурност у било којим условима на датом возилу.

Водоник, када се упали сагорева 100% брже од било ког познатог горива. У компресионом простору мотора, својим особинама, помаже сагоревање главног горива тако што повећава укупан учинак искоришћености постојећег горива. Стандардна искоришћеност енергије горива, бензина или дизел горива, при

14

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У Х Y БРИД ПОМОЋУ ЕЛЕКТРОЛИЗЕ – Аутор: Ненад Хубер

сагоревању у мотору, у односу на укупну масу потрошеног горива, износи од 60 до 90% у зависности од техничке савремености и укупног броја радних сати датог мотора. Увођењем “HHO” (duoatomna смеша водоника и кисеоника) гаса у возило повећава се искоришћеност постојећег дизел и бензин горива и даје ефекат преласка дужег пута са истом количином горива.

Генератор HHO-електролиза воде

Темеље елекролизе воде поставио је познати британски научник Mиchael Faraday.

Mиchael Faraday Британски научник који је још у 19. веку направио опсежно истраживање електролизе воде.

Експериментално је доказао да је за електролизу воде довољан напон од 1,24 V. Такође је израчунао да је за производњу од једне литре гаса на сат потребна снага од 2,16W при собној температури.

Било је то најопширније истраживање електролизе које је икада направљено и које је математички потпуно поткрепљено.

Електролиза је електрохемијска реакција разлагања (разградње) електролита деловањем једносмерне електричне струје. Кад се у раствор електролита, уроне електроде спојене с извором једносмерне електричне струје, јони настали електролитском дисоцијацијом би ће привучени електродом супротна поларитета. Због проласка струје кроз електролит, негативно набијени јони (аниони) раствора, кретаће се према позитивној електроди (аноди), а позитивно набијени јони (катјони) према негативној електроди (катоди), тј. од плуса (+) према минусу (-). Тј. катјоне (позитивне честице) привлачи катода (негативна електрода), а ањоне (негативне честице) анода (позитивна електрода). На електродама се јони избијају и излучују као атоми или као молекули. Притом ањони предају аноди вишак електрона (оксидација), а истодовремено на катоди катјони примају једнаку количину електрона (редукција)-јер се на електродама почињу вршити електродне реакције. Тако се посредовањем јона електрицитет преноси с једне електроде на другу, па кроз раствор електролита тече електрична струја.

Најприхватљивија (најпожељнија) је електролиза с волтажом око 9V-12V. Ако је могуће више истовремених различитих електродних реакција, одвијаће се она за коју треба најмање енергије. Код свих метала чији је стандардни редукцијски електродни потенцијал већи од 1.5 V, електролизом водених раствора њихових соли на катоди се врши редукција јона тих метала. Ако је стандардни редукцијски електродни потенцијал мањи од 1.5V, на катоди се врши редукција воде. На аноди се током електролизе водених раствора соли које садрже једноставне ањоне увек врши оксидација тих ањона. Ако соли садрже сложене јоне, на аноди се увек врши оксидација воде. Како се током електролизе на обема електродама издвајају различите материје, ствара се галвански елемент (електрода), па се електролиза може наставити само ако је напон спољњег извора струје супротан и већи од напона (електромоторне силе) тако насталог елемента. Према томе, да би се јони избијали на електродама, потребан је одређени напон (напон разлагања) карактеристичан за поједине електролите.

Генератор HHO је уређај у коме се одвија електрохемијска реакција ЕЛЕКТРОЛИЗА ВОДЕ. Ово је одавно познат процес добијања гаса водоника и кисеоника.

15

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У Х Y БРИД ПОМОЋУ ЕЛЕКТРОЛИЗЕ – Аутор: Ненад Хубер

Генератор HHO

Апарати за електролизу воде некада су били велики, скупи и комерцијално неупотребљиви. Генератор HHO је уређај за уштеду горива на свим типовима мотора са унутрашњим сагоревањем. Ћелија као главни део апарата има мале габарите а може да произведе велику количину водоника. Водоник се путем електролизе као гас добија директно из воде, затим се спроводи у усисну грану возила. Овде приказан ГЕНЕРАТОР HHO може да производи 640 литара „HHO“ гаса на сат и намењен је за уштеду горива од 10 до 30% на камионима и аутобусима са моторима запремине од 10 до 16 литара. Уградњом ГЕНЕРАТОРА HHO на возила добија се повећање снаге мотора и коначно прелази се возилом већи пут са истом количином горива. Смањују се штетни састојци у издувним гасовима и продужава се век трајања мотора.

16

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У Х Y БРИД ПОМОЋУ ЕЛЕКТРОЛИЗЕ – Аутор: Ненад Хубер

HHO генератори

HHO генератори се своде на неколико основних типова.Прва подела, коју можемо направити, је према поступку разбијања молекула

воде. Тако разликујемо електролизере који користе поступак електролизе и резонаторе који користе резонантне вибрације.

Електролизери су релативно једноставни уређаји који користе грубу силу електролизе и чија ефикасност је увек испод оне коју је задао Faraday, а то је 2,16 W за производњу једне литре HHO гаса у сат времена на собној температури. Добри електролизери достижу ефикасност и до 96% Faraday-евих прорачуна.

Резонатори су пуно сложенији уређаји који достижу ефикасност и до 900% у односу на Faraday-еве прорачуне. Њихова конструкција је врло осетљива и захтевна и функционирају само уз сложене електроничке склопове помоћу којих искориштавају енергију нултог поља. Управо због тога и јесу десетак пута ефикаснији од електролизера.

Другу поделу можемо направити према конструкцијским детаљима.

Жичане спирале су се најпре појавиле као предлог за самоградњи. Ради се о два намотаја жице од нерђајућег челика који су међусобно изоловани и потопљени у раствор соде бикарбоне у води. Једна спирала спојена је на (+) пол батерије, а друга на (-) . Све заједно, смештено је у теглу од киселих краставаца.

Изненађујуће је то што неки и данас пропагирају ове несигурне и неефикасне уређаје чија искоришћеност не прелази 10%. Остатак енергије претвара се у топлоту и штетно загрејавање електролита. Не препоручујем их никоме, а спомињем их само из историјских разлога.

17

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У Х Y БРИД ПОМОЋУ ЕЛЕКТРОЛИЗЕ – Аутор: Ненад Хубер

Паралелне плоче су биле следећи корак у самоградњи. Ради се о наизменично постављеним анодама (+) и катодама (-) које су потопљене у електролит. Све аноде су међусобно спојене, као и све катоде (паралелна веза). Напон између сваке аноде и катоде је 13,8V што, такође, даје ефикасност од свега 10%.

Конструктори су се водили идејом да ће већа укупна површина плоча дати већу производњу HHO гаса, што се показало као сасвим погрешна претпоставка.

Резултат је био велика потрошња енергије уз јако загрејавање и велику производњу водене паре. Овакве уређаје треба избегавати, јер се данас продају под 'бомбастичним' називима. На сликама видите две типичне варијанте.

Концентричне цеви су прва конструкција у којој су се појавиле такозване 'неутралне' електроде. На жалост, све су електроде биле потопљене у електролит тако да је струја лако заобилазила неутралне цеви и стварала топлотне губитке.

Данас се производе цевни генератори код којих је осигурано добро заптивање између електрода, а неки од њих достижу преко 90% ефикасности. На левој слици је приказан цевни генератор каквог требате избегавати, а на десној слици је квалитетна израда генератора с херметички одвојеним паровима електрода.

Плочасти серијски генератори појављивали су се у разним израдама. Ради се о плочастим електродама које су спојене серијски тако да сваки пар (анода-катода) преузима део напона (око 2V) од 13.8 V. Код овакве израде најважније је да између парова нема слободног протока струје кроз електролит.

На првој слици видите серијски повезане електроде које су потопљене у електролит. Обзиром да је између прве и задње плоче највећи напон, струја заобилази остале плоче и велики део енергије троши се на штетно прегрејавање.

На другој слици парови електрода су херметички одвојени, тако да сва струја пролази кроз плоче. На тај начин постиже се врло висока ефикасност електролизе (преко 90%).

18

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У Х Y БРИД ПОМОЋУ ЕЛЕКТРОЛИЗЕ – Аутор: Ненад Хубер

Трећа слика је посебно занимљива, јер приказује исти број и површину електрода у знатно мањем простору. Слика је увећана да бисте боље видели како иста плоча служи као катода с једне стране и као анода с друге стране. Истовремено, електроде служе за херметичко одвајање електролита.

Bob Boyce je, на овај начин, конструисао HHO генератор од 101 плоче који је радио на напон од готово 200 V. Касније је, на истој конструкцији, уз додатак импулсне електронике направио резонатор који је 600% до 1000% ефикаснији од Faradaya.

Четврта слика приказује израду HHO генератора која се, у разним варијантама, данас највише користи. Реч је о такозваним сувим генераторима који се погрешно називају сувим ћелијама (HHO dry cell). Ово не треба мешати са 'правим' сувим ћелијама које раде на потпуно другом принципу.

Придјев 'суви' добили су зато што се не потапају у електролит, него се електролит дозира у генератор. Електроде су међусобно раздвојене помоћу гумених или силиконских заптивки, а кроз рупе не електродама поравнава се раствор електролита и одводи се HHO гас.

Одмах је видљиво да оваква израда захтева посебану посуду за електролит. То и није тако лоше, јер се посуда користи и као сепаратор у коме се гас одваја од остатака електролита. Још једна предност овакве израде је да је пуно лакше пронаћи место у простору мотора за два мања уређаја, него за један велики.

На слици лево види се једна од многобројних израда сувог HHO генератора. Иако су малих димензија ови генератори су врло ефикасни и без проблема производе једну литру у минути уз струју од десетак ампера. То је сасвим довољно за боостер мотора испод 2000 ccm.

За веће моторе, довољно је пустити више струје (већа концентрација електролита) или паралелно додати још један комплет електрода.

Електроде и електролит

Већ сам споменуо да се за електроде користи нерђајући челик. Могуће је користити 1.4307 (X2CrNi18-9), али се препоручује коришћење 1.4432 (X2CrNiMo17-12-3), јер даје најбоље резултате.

Нажалост, откривено је да се приликом електролизе, из нерђајућег челика, издваја хексавалентни хром који је врло отрован и штетан за околину. Осим тога, ствара се доста рђе која се таложи у генератору и захтева редовно чишћење. Због свега тога, троше се електроде и с временом их треба мењати.

19

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У Х Y БРИД ПОМОЋУ ЕЛЕКТРОЛИЗЕ – Аутор: Ненад Хубер

Ово се може врло лако избећи кондиционирањем електрода у генераторима с такозваним сувим ћелијама. Поступак чишћења и кондиционирања електорда траје неколико дана и спроводи се искључиво у натријевој бази. Након тога, генератор неће производи хексавалентни хром нити ће се електроде трошити.

Најновија генерација HHO генератора израђује се од племенитих метала као што су титан и никал. Због великог електричног отпора, анода титана мора се обложити мешавином металних оксида племенитих метала као што су иридиј и родениј. Све то значајно поскупљује уређај, али зато даје пуно квалитетнији HHO гас и практично неуништиви генератор.

Како трансформисати СУС мотор у хибридни

HHO booster је једноставан уређај који се уграђује у аутомобил с намером да побољша сагоревање постојећег горива у мотору (бензин или дизел). Уређај ради на принципу електролизе воде при чему се ствара смеша кисеоника O2 и водоника H2 позната под називом HHO. Струја за електролизу се узима из алтернатора, односно, акумулатора.

Количина произведене HHO смеше релативно је мала у односу на количину горива, али изузетно побољшава потпуно сагоревање бензина или дизела. На тај начин остварују се уштеде горива од 20 до 60%. Због тога се уређај назива booster (појачивач). Уштеда горива није једина добробит уградње HHO booster-a.

Због потпуног сагоревања горива, значајно се смањује емисија штетних издувних гасова и честица, не долази до стварања наслага чађи и угљеника у цилиндру и на клипу мотора који се спирају у уље. Из тог разлога уље дуже траје, а мотор је пуно чистији, мирније ради и мање се загрева.

Убацивањем HHO смеше у цилиндар долази до промене адијабатске корисности мотора. Последица тога је да се повећава обртни момент и снага мотора уз мању потрошњу горива, трошкови одржавања мотора се, такође, смањују.

20

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У Х Y БРИД ПОМОЋУ ЕЛЕКТРОЛИЗЕ – Аутор: Ненад Хубер

Будућност хибридних мотора

Рационално је предвидети да је гориво будућности водоник. Наравно потребно је у потпуности појефтинити процес производње водоника тако да постане доступан свима у потребној количини за рад СУС мотора. Садашња истраживања се воде на веома великом броју универзитета у свету и то:

МИТ – Масачусец институт за технологију;Монаш универзитет из Аустралије;Националној лабораторији за обновљиву енергију Голден, Колорадо,и многе друге.Stanley Meyer, William A. Rhodes, Daniyel Dingal, Bob Boyce, ...Поред наведених изузетан допринос у појефтињењу добијања водоника из

воде су и радови Danyel Nocer-a, Bjorn Vinther-Jensen.

21

ТРАНСФОРМАЦИЈА СУС МОТОРА У Х Y БРИД ПОМОЋУ ЕЛЕКТРОЛИЗЕ – Аутор: Ненад Хубер

Литература

1. HOUSECROFT C. E., SHARPE A. G. (2008). Inorganic Chemistry, 3rd, Prentice Hall. ISBN 978-0131755536.

2. PARKES, G.D. & PHIL, D. (1973). Мелорова модерна неорганска хемија. Београд: Научна књига.

3. Encyclopedia Britannica. Encyclopedia Britannica: Internal Combustion engines. Britannica.com. Приступљено дана 2011-04-08

4. Internal combustion engine. Answers.com (2009-05-09). Приступљено дана 2011-03-205. Columbia encyclopedia: Internal combustion engine. Inventors.about.com. Приступљено

дана 2011-04-186. Private Tutor. Infoplease.com. Приступљено дана 2011-03-187. SIERENS, R., and ROSSEEL, E., 1998. Variable Composition Hydrogen-Natural Gas

Mixtures for Increased Engine Efficiency and Decreased Emissions.ASME Spring Engine Technology Conference. April, 26-29, Fort Lauderdale, Florida, USA.

8. KING, R. O., and RAND, M., 1955. The Hydrogen Engine. Canadian Journal Technology, 33:445–69.

9. KING, R. O., and RAND, M., 1955. The Hydrogen engine. Canada Journal of Technology, 33:452–73.

10. KOCH, H. J., 1999. Automotive Fuels For The Future. Third Edition. International Energy Agency Press. Denmark, 92 p.

22