CC BY
45<щ
Идея для обсуждения
Использование альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания
С.В. Лохоткин, заместитель директора ООО «Движение», к.т.н.
Предложен способ работы двигателя внутреннего сгорания с преобразованием в полезную работу теплоты, образующейся в результате горения в цилиндре, в котором рабочие такты, основанные на расширении газообразных продуктов сгорания, чередуются с рабочими тактами, основанными на расширении паров сжиженного газа-охладителя (например, жидкий азот). Показана возможность использования газов, полученных из сжиженных углеводородов, одновременно в качестве охладителя и в качестве топлива, когда после такта охлаждения нагретый газ подается в цилиндры уже в качестве топлива.
Ключевые слова: двигатель, альтернативное топливо, жидкий азот, криогенные газы, углеводороды, энергетика, экология, изобретения.
Наметившаяся в последнее время тенденция роста стоимости жидких углеводородов, их ограниченные запасы и перспектива сокращения объемов добычи являются причинами начавшегося активного поиска альтернативных топлив. Особо остро стоит вопрос о замене моторного топлива, так как именно оно занимает львиную долю в общей структуре потребления. Так, в мире число автомобилей приблизилось к 1 млрд, а общая мощность их двигателей превышает мощность всех электростанций на Земле.
Предлагаемые в настоящее время альтернативные топлива, такие как биоэтанол и биодизель, не могут кардинально решить проблему, так как их производство приводит к конфликту «топливо или продовольствие». Кроме того, производство биотоплива имеет ограниченные возможности - его объемы в десятки раз меньше объема потребляемого сейчас углеводородного топлива.
Практически все находящиеся в эксплуатации автомобили приводятся в движение двигателями внутреннего сгорания (ДВС), работающими по принципу, предложенному еще в 1876 г. немецким конструктором
Николаусом Отто, и усовершенствованными в дальнейшем немецкими инженерами Готтлибом Даймлером и Рудольфом Дизелем.
Каждый цикл работы четырехтактного двигателя состоит из следующих этапов (такты):
• впуск горючей смеси;
• сжатие горючей смеси;
• рабочий ход;
• выпуск отработавших газов.
Заметим, что полезная механическая работа совершается двигателем только в течение одного такта - рабочего хода! Остальные три такта являются подготовительными (выпуск, впуск и сжатие) и совершаются они за счет кинетической энергии маховика, вращающегося по инерции.
Вместе с тем с 90-х гг. прошлого века активно ведутся работы по
созданию автомобилей, работающих на альтернативных топливах, в частности, на сжиженном азоте [1, 2].
Автомобили, работающие на сжиженном газе (рис. 1), пока уступают по мощностным и динамическим характеристикам традиционным бензиновым, но обладают экологической чистотой, относительной дешевизной топлива, а также неограниченной возобновляемой сырьевой базой для производства жидкого азота из атмосферного воздуха.
Принцип работы двигателя на жидком воздухе или азоте примерно такой же, как и на углеводородном топливе. Отличие состоит в том, что жидкий азот нагревается и испаряется за счет теплоты окружающей среды, а в обычном двигателе воздух нагревается вследствие сгорания топлива. Азот находится в жидком состоянии при температуре -196 °С, поэтому при контакте с любым веществом, обладающим даже нормальной комнатной температурой, он начинает кипеть и интенсивно испаряться с образованием быстро расширяющегося облака газа. Его объем примерно в 1000 раз больше объема исходного жидкого вещества. Самый большой минус азотного двигателя заключается в том,
«Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (35), октябрь 2013 г.
что скорость испарения и нагрева азота в радиаторе очень мала из-за небольшой разницы температур жидкого азота и окружающего воздуха (около 190 °С), а также низкой скорости теплопередачи, доходящей до десятков минут. В топливном двигателе сгорание и нагрев длятся доли секунды при разности температур более 1000°. При этом азотный двигатель экологически чист и пожаробезопасен, азот можно получать в любом месте в любых количествах прямо из воздуха, и после работы он возвращается обратно в атмосферу, не нарушая равновесия окружающей среды.
Принципы работы криогенных и традиционных двигателей схожи, но при работе первых необходим постоянный источник теплоты (например, теплообменник), а вторые требуется защищать от перегрева и отводить избыточную теплоту (обычно с помощью воздушной или жидкостной системы охлаждения). Поскольку в этих двух случаях потоки переноса теплоты разнонаправленны, то была предложена новая идея (на основании которой получен патент России на изобретение Ри 2296233 [3] и соответствующий патент Германии DE 20 2007 013002.3) объединить их в одно устройство и подавать в цилиндры попеременно то горючую смесь, то «холодный» сжиженный газ. Тогда в первом случае можно решить проблему охлаждения силовой установки, отказавшись от традиционной системы охлаждения. А во втором случае - увеличить за счет более высокой разности температур скорость нагрева и испарения сжиженного газа (к примеру, азот), что в свою очередь ведет к росту КПД и повышению удельной мощности силовой установки.
Известно, что в современных ДВС только часть энергии, получаемой при сжигании топлива, используется
на совершение полезной работы, а более половины всей теплоты теряется на нагрев деталей двигателя и уносится продуктами сгорания. При этом температура воспламененной рабочей смеси достигает 2200...2500 °С, а средняя температура рабочего цикла составляет 800.900 °С.
При такой высокой температуре необходимо искусственное охлаждение двигателя, для чего обычно применяют систему жидкостного охлаждения с принудительной циркуляцией. Такая система, состоящая из рубашки охлаждения, радиатора, водяного насоса, охлаждающей жидкости и других элементов, сама по себе является достаточно сложной и массивной.
В то же время можно обеспечить эквивалентный отвод теплоты альтернативным способом, задав такой способ работы двигателя, в котором рабочие такты, основанные на расширении газообразных продуктов сгорания, чередуются с рабочими тактами, основанными на расширении паров сжиженного газа-охладителя. В качестве газа-охладителя могут использоваться, например, жидкий азот, жидкий водород или газ из сжиженных углеводородов. Последние в свою очередь могут использоваться одновременно и как горючее, при этом после такта охлаждения нагретый газ подается в цилиндры уже в качестве топлива.
Как правило, переход вещества из жидкого агрегатного состояния в газообразное сопровождается поглощением теплоты, пропорциональной массе вещества и его удельной теплоте парообразования. Также ее поглощение происходит при последующем нагревании паров холодного газа (для азота начальная температура -196 °С) до температуры продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре (средняя температура последних около 800 °С).
С учетом того, что плотность газа во много раз меньше плотности жидкости (например, плотность жидкого азота 808 кг/м3, а плотность газообразного 1,25 кг/м3 при нормальных условиях), при испарении сжиженного газа в малом замкнутом объеме камеры сгорания возникает избыточное давление, которое действует на поршень, совершая полезную работу (рис. 2).
В дальнейшем процесс работы двигателя непрерывно повторяется в указанном порядке. Таким образом, происходит чередование рабочих тактов, основанных главным образом на расширении газообразных продуктов сгорания (3-й такт), с рабочими тактами, основанными на расширении паров сжиженного газа-охладителя (5-й такт).
Условно такой принцип работы можно назвать чередованием «горячих» (с 1-го по 4-й) и «холодных» (с 5-го по 6-й) тактов. Регулируя (возможно, с помощью электронной системы управления) соотношение расхода топлива и хладагента, можно добиться оптимального теплового баланса работы ДВС в широком диапазоне нагрузок и внешних температур без использования традиционной системы жидкостного охлаждения.
Помимо этого, предлагаемый вариант двигателя имеет два рабочих хода поршня на каждые три оборота коленчатого вала (два такта из шести) против одного рабочего хода на два оборота коленчатого вала (один такт из четырех), как в обычном ДВС, что дает возможность уменьшить массу двигателя на единицу мощности, а также экономить углеводородное топливо, поскольку сгорание происходит только в одном такте из шести. Так как при данном способе происходит более полное преобразование теплоты в полезную работу, то повышается КПД двигателя и уменьшаются
«Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (35), октябрь 2013 г. Гав^^^ь. Л ¡0П ja^^S^, ВД щЩр DDI iSSHSS
Идея для обсуждения
а
б
в
г
Д
е
Рис. 2. Схема работы двигателя, построенного по такой схеме с системой впрыска сжиженного газа-охладителя, может быть следующей: а - впуск горючей смеси (1-й такт); б - сжатие горючей смеси (2-й такт); в - воспламенение горючей смеси и рабочий ход (3-й такт); г - выпуск газообразных продуктов сгорания (4-й такт); д - впрыск газа-охладителя в горячую камеру сгорания, его испарение и рабочий ход (5-й такт); е - выпуск газа-охладителя (6-й такт)
вредные выбросы в атмосферу при использовании для охлаждения безвредных сжиженных газов (например, азот).
Если в качестве газа-охладителя используется само топливо (например, сжиженный метан или сжиженный водород), то после «холодного» такта выпуск паров газа-охладителя необходимо осуществлять не в атмосферу, а подавать его снова в цилиндры уже в качестве топлива.
В зависимости от конкретных видов топлива и хладагента, температуры окружающей среды и других факторов возможны варианты построения двигателя, в котором на один «горячий» такт будут приходиться два или более «холодных» тактов или, наоборот, на один «холодный» - несколько «горячих».
Таким образом, можно добиться заметного уменьшения расхода не-возобновляемого углеводородного топлива, которое в значительной мере замещается более дешевым, экологически безопасным и неисчерпаемым жидким азотом либо любым другим подходящим сжиженным газом. Уменьшение же количества сжигаемых нефтепродуктов положительно скажется на экологии, особенно в мегаполисах. Более высокий КПД и меньшая масса двигателя на единицу
мощности позволят создавать более компактные автомобили, что дополнительно поможет разгрузить дороги и уменьшить пробки.
Сейчас для решения этих задач делается упор на гибридные силовые установки, а также водородные двигатели, строятся экспериментальные электромобили и пневмоавтомоби-ли, работающие на компримирован-ном воздухе. Серийно же выпускаются только гибриды, которые дают определенную экономию топлива, но пока слишком дороги для массового потребителя, а изготовление аккумуляторных батарей для таких автомобилей отнюдь не безвредное производство. Предлагаемый 6-тактный двигатель конструктивно мало отличается от традиционных ДВС, и его производство не потребует значительных капитальных затрат, он также может использоваться в схемах с гибридной силовой установкой или работать на водороде.
Отдельно следует упомянуть элек-трогенерирующие установки. Как правило, мощность электростанций избыточна ночью, но днем сеть испытывает резкие пики потребления. Известно немало способов решения этой проблемы, но идеальных нет. Новый способ накопления энергии
предложили Юйлун Дин (Yulong Ding) из университета Лидса (University of Leeds) и его коллеги [4]. Ученые решили, что оптимальный, чистый и притом дешевый метод аккумуляции - превращение электричества в криогенные газы. Избытки мощности во время спадов ее потребления, по мнению авторов концепции, следует направлять в установки, вырабатывающие жидкие азот и кислород. Последние нужно накапливать в емкостях тут же на территории тепловой электростанции.
Во время пиков нагрузки жидкий азот можно закачивать в теплообменник и доводить до кипения энергией атмосферы, а также бросовой теплотой от обычных энергоустановок. Азот будет крутить резервные турбогенераторы. Как гласит пресс-релиз университета, используя такую интегрированную систему, можно сократить на 50 % количество топлива, необходимого для удовлетворения пикового спроса. И выбросы парниковых газов будут ниже.
Позднее был испытан промышленный вариант хранения энергии в жидком воздухе. Британская компания Highview Power Storage в течение девяти месяцев проводила первую фазу испытаний пилотной установки
НИ ЙЯЯВВР Л Ф® вя# J^tefet Щ фЩ
«Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (35), октябрь 2013 г.
CryoEnergy System (CES). Она призвана помогать обычной тепловой электростанции во время пиков энергопотребления, сглаживая нагрузку на основное оборудование.
Опытная установка CES мощностью 300 кВт была смонтирована на одной из электростанций компании SSE, причем систему подключили к национальной энергосети. Как информирует Gizmag [5], к концу 2012 г. Highview планирует запустить в работу коммерческую энергетическую систему на жидком воздухе выходной мощностью 3,5 МВт, а в 2014 г. - нарастить производительность своего комплекса до 8...10 МВт.
По аналогичной схеме можно сглаживать пиковые нагрузки применительно к дизельным или газопоршневым электрогенераторам, если те будут работать по 6-тактной схеме. В ночное время вся избыточная мощность электростанции идет на накопление жидкого азота, а в остальное
Идея для обсуждения
ш
время этот азот участвует в работе силовой установки как газ-охладитель. То есть снабжать станцию, возможно, потребуется только одним компонентом топлива.
Похожий механизм может быть применен и к автомобилям - днем они расходуют горючее и сжиженный газ, а ночью, например, в гараже, запас криогенного топлива пополняется за счет работы соответствующей электроустановки. Это позволило бы значительно упростить инфраструктуру по заправке подобных
автомобилей, оставив по сути одни только привычные АЗС.
Таким образом, развитие технологии в этом направлении представляется достаточно перспективным. Полного отказа от сжигания углеводородов в данном случае не происходит, но даже уменьшение этих объемов может стать существенным шагом в направлении улучшения экологии и повышения качества жизни (особенно в больших городах), а также в деле борьбы с глобальным парниковым эффектом.
Литература
1. Knowlen C., Mattick A.T., Hertzberg A., Bruckner A.P. Ultra-low emission liquid nitrogen automobile // Future Transportation Technology Conference and Exposition, Costa Mesa, CA, August 17-19, 1999. SAE Technical Paper Series 1999-01-2932.
2. В. Щербаков. Конкуренты. Криогенный автомобиль? // Информационный экспресс-бюллетень «ПерсТ» (Перспективные Технологии - наноструктуры, сверхпроводники, фуллерены). - 2001. - № 21.
3. Пат. 2296233 Росийская Федерация, МПК F02B75/02; Способ работы двигателя внутреннего сгорания с охлаждением сжиженным газом / С.В. Лохоткин; № 2005118257/06; заявл. 15.06.2005; опубл. 27.03.2007, Бюл. № 9.
4. Haisheng Chen, Yulong Ding, Toby Peters, Ferdinand Berger. Energy storage and generation. United States Patent No. 2009/0282840.
5. http://www.gizmag.com/liquid-air-energy-storage/18148/.
Sc
000 «Бэпскгги» - ведущий производитель автомобильных баппонов для сжижен кого углеводородного газа, занимающий лидирующую по эицию на российском рынкв Компания явпявтся эксклюзивным по ставщиком газовых баллонов на конвейер Горьковского автомобиль кого завода (ГАЗ).
ПРОДУКЦИЯ
г.Москва, 119071. Ленинский проспект 29, Офис No 62В +7 (495) 955 41 95 balcity®balcity.ru www.balclty.ru
АВТОМОБИЛЬНЫЕ БАЛЛОНЫ ДЛЯ СУГ:
Тороидальные и спаренные баллоны - от 42 до 95 л Цилиндрические баллоны - от 30 до 220 л
ГАЗГОЛЬДЕР Шл
На предприятии компании йивдрена н действует система менеджмента качества в соответствии с ГОСТ Р ИС0 9001 2008 (150 ЯСЫ 2008} баллоны сертифицированы по Международным правилам ЁЭК ООН № 67 ОI с дополнении.™ 1 Э, а также на соответствие требованиям Технического регламента м0 безопасности колесных транспортных средс г е",
«Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (35), октябрь 2013 г.
^^ Ä Ö IP* w ВШш вВВ ИИ
