CC BY
44Тра Um
Перспективы применения поршневых двигателей на альтернативных моторных топливах
З.Р. Кавтарадзе,
научный сотрудник НИИЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана, к.т.н., Р.З. Кавтарадзе,
профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.
В статье рассмотрены перспективы транспортных поршневых двигателей на традиционных и альтернативных топливах, а также перспективы альтернативных силовых установок. Даны краткие изложения проблем и перспектив, связанных с применением различных видов топлива в поршневых двигателях. На основе проведенного анализа прогнозируются пути развития транспортного двигателестроения.
Ключевые слова: поршневой двигатель, перспективы, альтернативные топлива, природный газ, водород.
Рerspectives of the usage of piston engines on the alternative fuels
Z.R. Kavtaradze, R.Z. Kavtaradze
The perspectives of transport piston engines on traditional and alternative fuels, as well as the perspectives of alternative propulsion are considered. There are given summaries of problems and perspectives associated with the use of different types of fuels in reciprocating engines. On the basis of the analysis the development of the transport engine is predicted.
Keywords: piston engine, perspectives, alternative fuels, natural gas, hydrogen.
Проблемы, связанные с перспективами применения поршневых двигателей
Проблемы охраны окружающей среды и энергетического обеспечения транспорта являются одними из основных для современной цивилизации. Эти проблемы непосредственно связаны с поршневыми двигателями - основными потребителями природных топлив, играющими существенную роль в загрязнении атмосферы.
Благодаря гениальным изобретениям Н.А. Отто и Р.Дизеля поршневые двигатели с предварительным сжати-
ем и искровым зажиганием (1876 г.), а также с воспламенением от сжатия (1893 г.) горючей смеси быстро вытеснили паровые машины и захватили монополию в транспортной энергетике. Практически вся военная техника (наземная, водная и воздушная), участвовавшая как в первой, так и во второй мировых войнах, была оснащена поршневыми двигателями.
После второй мировой войны многие крупные специалисты утверждали, что поршневые двигатели из транспортной энергетики будут вытеснены более перспективными
газотурбинными двигателями так же, как в свое время ими были вытеснены паровые машины. Для такого прогноза были следующие основания: к этому времени газотурбинные двигатели прочно стали занимать место поршневых двигателей в авиации, и ожидалось, что эта тенденция будет распространяться на наземном и водном транспорте; появились и стали внедряться в качестве транспортных силовых агрегатов роторно-поршне-вые двигатели Ф.Ванкеля, не имеющие кривошипно-шатунного механизма и возвратно-поступательного движения поршня. Однако жизнь показала, что этим прогнозам не суждено было сбыться.
В настоящее время поршневые двигатели активно возвращаются в авиацию общего назначения (малую авиацию), а использование роторно-поршневых двигателей Ванкеля носит эпизодический характер. Более того, поршневые двигатели не имеют конкурентов как на наземном, так и на водном транспорте. Они занимают господствующее положение в автомобильной, сельскохозяйственной, военной, дорожно-строительной и другой технике. Только мировой автопарк на сегодня насчитывает около 900 млн. автомобилей с поршневыми двигателями, а каждый год мировая автомобильная индустрия выпускает примерно 45 млн. автомобилей, подавляющее большинство которых использует топливо нефтяного происхождения (бензин или дизельное топливо). Если еще учесть, что за год каждый из этих автомобилей употребляет в среднем более двух тонн нефтяного топлива, то становится понятной актуальность создания высокоэффективных поршневых двигателей на альтернативных топливах.
В 1970-е гг., когда наступил энергетический кризис, впервые стали обсуждать ограниченность запасов нефти и, естественно, перспективы поршневых двигателей - основных потребителей топлива нефтяного происхождения. По данным того периода эти запасы полностью должны были быть исчерпаны к концу прошлого века. Именно в 1970-х гг. практически впервые
Транспорт на альтернативном топливе
т
серьезно зашла речь о поршневых двигателях, работающих на альтернативных топливах (спирт, водород и др.), а также об электромобилях, использующих в качестве источника энергии аккумуляторные батареи. Заметим, что к альтернативным топливам обычно относятся топлива, не являющиеся продуктами переработки нефти.
Однако с наступлением XXI в. существенно выросло количество поршневых двигателей, в них по-прежнему в основном используются бензин и дизельное топливо нефтяного происхождения. В целом потребление нефти достигло еще больших масштабов, а ее запасы пока еще не вызывают большую тревогу. Правда, сегодня называются другие сроки. Например, по данным [1], если исходить из нынешних темпов добычи и расходования, то запасов нефти природного происхождения хватит примерно на 40 лет, а запасов природного газа - приблизительно на 60 лет. Тем не менее, какими бы оптимистичными ни были прогнозы, повода для самоуспокоения нет. Разработка и внедрение новейших технологий разведки, открытие новых месторождений, развитие технологий добычи и переработки нефти отодвигают опасный рубеж. Но все равно ясно, что запасы нефти, потребление которой все время растет, не могут быть бесконечными. С другой стороны, нефть становится все более и более труднодобываемой, а используемые технологии более сложными и дорогими. Не исключено, что наступит момент, когда запасы нефти будут еще достаточными, но ее добыча будет прекращена из-за высокой себестоимости. Следовательно, реальная цена нефти (то есть цена, не связанная с политическими или рыночными тенденциями), неуклонно будет расти.
Очевидно, что назрело время, когда необходимо определиться со следующими вопросами:
1. Есть ли альтернатива поршневому двигателю или он сохранит свое монопольное положение в мировой энергетике?
2. Какие виды топлив можно считать перспективными на бли-
жайшее будущее и на долгосрочную перспективу?
3. Какие изменения потребуются в конструкциях поршневых двигателей для их адаптации к новым видам топлив?
Как отмечается в профессионально написанной работе [2], отвечая на подобные вопросы, следует, прежде всего, опираться на собственную компетентность, силу знаний и опыта, полученных в области теории поршневых двигателей, а также на прогнозы ведущих ученых из этой области.
Сохранитли поршневой двигатель монопольное положение в мировой энергетике?
Чтобы ответить на такой вопрос, надо исходить из того, что поршневой двигатель является на сегодняшний день наиболее широко распространенным источником энергии, проникшим практически во все сферы человеческой деятельности. С его применением тесно связаны две глобальные проблемы современной цивилизации - энергетическая и экологическая. Вопрос о том, что есть ли в настоящее время альтернатива поршневому двигателю, способная полностью (или хотя бы частично) сократить его применение, следует также, кроме энергетического и экологического аспектов, рассматривать и в социальном аспекте [2]. Неуклонный рост мирового парка поршневых двигателей, их удельной мощности делает их основными потребителями природных топливных ресурсов. Очевидно, что с этой точки зрения создание и внедрение высокоэффективных двигателей (то есть двигателей с более высоким эффективным КПД или низким удельным расходом топлива, что одно и то же) не являются кардинальным решением глобальной энергетической проблемы.
С другой стороны, поршневые двигатели, как основные потребители природных топливных ресурсов, являются и основными нарушителями природного экологического равновесия нашей планеты. Они выбрасывают в атмосферу вредные вещества: оксид
углерода СО2, оксиды азота N0^ несго-ревшие углеводородные соединения СН и твердые частицы, основной компонент которых сажа. Даже двигатель с «нулевыми» вредными выбросами в окружающую среду, но работающий на традиционных (углеводородных) топливах, остается источником диоксида углерода, выброс которого в связи с парниковым эффектом, по всей видимости, в ближайшие годы будет также ограничен законодательством. Так что создание и внедрение поршневого двигателя «с нулевыми» вредными выбросами также не полностью решает экологическую проблему.
Эти проблемы усугубляются еще тем, что пути решения энергетических и экологических задач не только различаются, но и часто противоречат друг другу. Наглядным примером «конфликта целей» при решении этих задач является расширение температурных пределов цикла, что согласно циклу Карно приводит к повышению его КПД, то есть снижению удельного расхода топлива. В реальности это можно осуществить практически только за счет верхнего предела, то есть за счет увеличения максимальной температуры цикла, так как нижний предел (температура заряда при впуске) практически не может быть значительно изменен. Однако с ростом максимальной температуры цикла создаются благоприятные условия для образования оксидов азота, и их содержание в отработавших газах растет, то есть налицо явный «конфликт» между топливной экономичностью и экологичностью, между эффективностью и качественностью цикла [3].
Существуют два очевидных пути одновременного решения экологических и энергетических проблем, связанных с поршневыми двигателями. Рассмотрим их на примерах автомобильного транспорта, оснащенного в настоящее время в основном поршневыми двигателями на углеводородном топливе, а также на примере современных мегаполисов, в которых экологические проблемы наиболее остро ощущаются. Такими путями являются:
1. Одновременное сокращение потребления топлива и количества токсичных выбросов путем снижения числа поездок, то есть путем сокращения числа двигателей, находящихся в эксплуатации, или путем снижения литража двигателя и применения маломощных двигателей (малогабаритных автомобилей).
2. Замена поршневого двигателя альтернативным источником энергии, не использующим нефтепродукты и не загрязняющим окружающую среду.
Рассмотрим эти возможности поподробнее.
Сокращение поездок, числа эксплуатируемых двигателей и применение малолитражных двигателей.
Этот путь непосредственно затрагивает социальный аспект. В США, согласно статистике, ежедневные поездки на работу и с работы составляют примерно 40%, поездки с развлекательной целью - около 30%, поездки по семейным делам (в основном за покупками) - 20% от общего пробега автомобиля [2]. Следовательно, если отказаться от «необязательных» поездок и ездить на автомобиле только на работу, можно практически вдвое сократить пробег автомобилей. Если сократить поездки на работу и обратно за счет использования более экономичного общественного транспорта, сокращения потребления топлива и выбросов токсичных веществ будут еще более существенными. Сокращение литража двигателя автомобиля приведет к пропорциональному снижению расхода топлива и выбросов вредных веществ.
Однако сокращения поездок и литража двигателей можно добиться только запретными методами, что, безусловно, чревато большими социальными потрясениями, так как это однозначно будет квалифицировано, как покушение на личные права владельцев автомобилей. Введение системы штрафов и налогов (запрет поездок или платный проезд, например, в центральной части мегаполиса, зависимость налогообложения от литража двигателя и т.п.), как показывает
жизнь, мало влияет на сокращение поездок и литража эксплуатируемых автомобилей, но вызывает недовольство, прежде всего, владельцев автомобилей.
В работе [2], в которой проблема будущности поршневых двигателей рассмотрена с учетом социальных аспектов, приводится пример, когда искусственное сдерживание числа личных автомобилей в СССР (при наличии достаточно развитого и дешевого коммунального транспорта) весьма отрицательно воспринималось большинством населения. После развала СССР, как только открылась возможность массового ввоза импортных автомобилей, их количество на дорогах резко возросло, несмотря на то, что топливо стало существенно дороже, чем в бывшем СССР.
В качестве другого примера можно привести развитые европейские страны, в которых сравнительно небольшое повышение цен на автомобильные топлива приводило к массовым волнениям и демонстрациям протеста. Также абсолютно бесперспективное дело - ограничивать литраж автомобилей массового потребления и лишать людей возможности ездить на более мощных и комфорта-
бельных моделях. В связи с этим прогнозируется [2], что в ближайшие 50 лет, если не произойдут катаклизмы глобального масштаба, общей тенденцией останется массовое стремление к владению личным транспортом, особенно транспортом с более мощными и комфортабельными двигателями. Это означает, что общее число автомобилей, находящихся в эксплуатации, будет только увеличиваться. На рисунке ниже приведена динамика роста литровой мощности автомобильных двигателей [3], которая показывает четкую тенденцию повышения в обозримом будущем. Очевидно, что, несмотря на повышение топливной экономичности и улучшение экологических показателей современных и будущих двигателей, в целом потребление нефти и выброс вредных веществ будут увеличиваться.
Таким образом, сокращение поездок, числа эксплуатируемых автомобилей и применение малолитражных двигателей не являются кардинальным решением энергетических и экологических проблем, кроме того, они не являются перспективными и с точки зрения правового и социального аспекта. В лучшем случае их можно рассматривать как частный фактор
Динамика роста литровой мощности автомобильных двигателей
Транспорт на альтернативном топливе
шв
улучшения энергетической и экологической обстановки, незначительно влияющий на решение глобальных проблем.
Замена поршневого двигателя альтернативным источником энергии, не использующим нефтепродукты и не загрязняющим окружающую среду. В настоящее время из всевозможных источников энергии наиболее реальной альтернативой поршневому двигателю является электрический двигатель, используемый на электромобилях с аккумуляторными батареями. Периодически обсуждаемая возможность замены автомобилей устройствами передвижения, использующими силу человеческих мышц (велосипед, скутер и т.п.), нереальна. Так называемые гибридные двигатели, состоящие из обычного поршневого двигателя и электродвигателя, требуют наличия мощного аккумулятора. Электродвигатель при ускорении передает энергию на вал поршневого двигателя, а при торможении работает в режиме генератора - отводит энергию от поршневого двигателя и заряжает аккумуляторную батарею. Очевидно, что такой гибридный двигатель не является альтернативой поршневому двигателю и может быть рассмотрен как частный фактор улучшения энергетической и экологической обстановки.
Замена поршневого двигателя внутреннего сгорания электрическим двигателем в настоящее время считается наиболее реальным из радикальных путей. Это хорошо видно на примере мегаполисов, в которых хорошо развиты трамвайные и троллейбусные сети, подземный и наземный электрический транспорт, а для междугороднего и международного сообщения - электрифицированная железная дорога. В перспективе к ним добавится достаточно большое количество внутригородских электромобилей для общественного транспорта (такая тенденция особенно заметна в США), однако, проблема личного транспорта останется нерешенной,так как электромобиль не соответствует естественному же-
ланию человека «ехать, куда хочу и когда хочу». При этом дело не только в том, что в настоящее время не существует аккумуляторных батарей, энергоемкость которых можно было бы сопоставить с энергоемкостью традиционных для поршневых двигателей топлив. Конечно, нельзя исключить прорыв в науке по аккумулированию электрической энергии, однако, если даже это произойдет и на рынке появится массовый, недорогой и удобный в эксплуатации электромобиль с большим пробегом, то для зарядки его аккумуляторов не хватит производимой всеми электростанциями к настоящему времени электроэнергии. Доказательством такого утверждения является тот факт, что общая мощность, вырабатываемая в целом поршневыми двигателями, в несколько раз превышает установленную мощность всех электростанций. Это подтверждается также статистическими данными [2] на примере США, где в конце прошлого века из всего количества энергоресурсов производство электроэнергии потребляло 18%, а транспорт - 23%. Надежда на то, что производство электроэнергии в обозримом будущем увеличится в несколько раз, нереальна, так как это связано со следующими причинами:
1. Увеличением в ближайшее время добычи, производства и потребления ископаемых топлив, прежде всего угля. Однако это опять-таки приведет к ухудшению экологической обстановки окружающей среды.
2. Внедрением термоядерной энергетики. Однако, если в 70-80-х гг. прошлого века еще были такие надежды, то сегодня считается, что осуществление управляемой термоядерной реакции, по мнению физиков, возможно только через нескольких десятилетий.
3. Расширением сети атомных электростанций. Однако чернобыльская катастрофа, видимо, надолго затормозила ввод новых мощностей. Она привела к тому, что в настоящее время только в нескольких странах придерживаются стратегии развития атомной энергетики (во Франции,
например), в других странах (например, в Иране) это делают против желания общественности.
Таким образом, в целях улучшения экологической обстановки отдельно взятых мегаполисов электромобили в перспективе на ближайшие пару десятков лет могут заменить поршневые двигатели в качестве силового агрегата внутригородского автомобильного транспорта. В городском хозяйстве они могут занять свою нишу подобно электротранспорту, широко используемому в настоящее время для перевозок внутри помещения. Следует также подчеркнуть, что электропривод сложно приспособить для сельскохозяйственной техники, а для водного транспорта, особенно для морских судов, это практически невозможно.
Прогнозируя перспективы применения поршневых двигателей, следует также иметь в виду следующее:
1. До сегодняшнего дня поршневому двигателю по удельному расходу топлива нет равных среди других тепловых двигателей, что является важнейшим фактором на фоне неизбежного и постепенного удорожания топлив.
2. За почти полуторавековое существование поршневых двигателей созданы настолько отлаженные технологии массового производства, что их себестоимость по отношению к другим тепловым двигателям (газовые турбины, двигатели Стирлинга и др.) получается значительно ниже.
В связи с этим можно утверждать, что поршневой двигатель остается перспективным двигателем XXI в. как для наземного, так и для водного транспорта и скорее всего он сохранит свое монопольное положение в мировой энергетике нынешнего столетия. Но тогда решение энергетических и экологических проблем и дальнейшее развитие транспортной энергетики потребуют уже в ближайшем будущем применения нетрадиционных (альтернативных), не получаемых из нефти, топлив.
* * *
Краткий анализ перспектив внедрения альтернативных топлив
для поршневых двигателей
В качестве альтернативы топливу нефтяного происхождения для поршневых двигателей в настоящее время наиболее часто рассматриваются синтетические топлива, угольные суспензии, спирты, эфиры, топлива из растительных масел, из газовых конденсатов, газообразные углеводородные топлива, водород, синтез-газы, сжиженные газы.
В рамках данной статьи нет возможности подробного их рассмотрения, поэтому ниже приведем краткую сравнительную оценку их перспектив в качестве топлив для поршневых двигателей.
Синтетические топлива. При
ограниченных запасах нефти можно организовать производство бензина и дизельного топлива из других полезных ископаемых, таких, как бурый и каменный уголь, горючие сланцы, битуминозные (нефтеносные) пески, природный газ, торф. Кроме того, возможно их получение из биомассы и древесины.
Промышленный метод получения синтетических моторных топлив из угля основан на процессе, разработанном немецкими учеными Ф.Фишером и Г.Тропшом. Процесс Фишера-Тропша - это химическая реакция, происходящая в присутствии катализатора, в которой монооксид углерода (СО) и водород (Н2) преобразуются в различные жидкие углеводороды. Обычно используются катализаторы, содержащие железо и кобальт. Принципиальным значением этого процесса является производство синтетических углеводородов для использования в качестве синтетического топлива или синтетического смазочного масла. Процесс был изобретен в Германии, бедной нефтью, но богатой углем, в 1920-е гг. для производства жидкого топлива. Он использовался Японией и Германией во время второй мировой войны для производства альтернативного топлива. При этом годовое производство
синтетического топлива в Германии достигло более 124 тыс. баррелей в день (1 американский нефтяной баррель = 136,4 кг нефти, более точно его величина зависит от марки нефти и ее плотности) и только в 1944 г. составило более 6 млн. т, так что технология получения дизельного топлива и бензина из угля имеет свою традицию и в настоящее время достаточно хорошо разработана. Основное преимущество этой технологии заключается в том, что позволяет получать жидкие углеводородные топлива со свойствами, близкими к современным бензинам и дизельным топливам. Тем самым сохраняется возможность продолжения производства и эксплуатации поршневых двигателей без каких-либо кардинальных изменений в их конструкции. Однако, рассматривая перспективы таких топлив, надо учесть следующие обстоятельства:
1. В настоящее время эта технология рассматривается, как альтернатива технологии производства топлива из нефти, когда нефть станет дороже. Синтетическое топливо, произведенное из угля, конкурентоспособно при цене на нефть выше 40 долл. США за баррель. Капитальные вложения, которые требуются при этом, составляют около 7-9 млрд. долл. США для запуска производства синтетического топлива из угля с мощностью 80 тыс. баррелей в день. Для сравнения, аналогичные мощности по переработке нефти стоят примерно в четыре раза дешевле [5, 6].
2. Природные запасы угля, конечно, больше, чем запасы нефти, однако, они тоже ограниченны. Мировых запасов угля при современном уровне добычи может хватить на 200-250 лет [4], а при полном переводе транспорта на синтетическое топливо придется увеличить добычу угля в 8-10 раз [2]. Это потребует глобальной перестройки отрасли (увеличения численности работающих и горнодобывающей техники, массового строительства перерабатывающих заводов), которую невозможно будет осуществить в короткие сроки. Поэтому очевидно, что необходимо уже сегодня осваивать производство
синтетических топлив. В США, например, в 2006 г. приняты проекты строительства 9 заводов по производству синтетического топлива из угля суммарной мощностью 90-250 тыс. баррелей в день. Китай планирует в 2010-2015 гг. строительство заводов по производству синтетического топлива из угля суммарной мощностью около 16 млн. т в год, что составляет 5% от потребления и 10% от импорта нефти в страну в 2005 г.
3. Внедрение технологии производства синтетического топлива из угля может решить энергетическую проблему частично, передвинув ее решение на более поздний срок в связи с конечными запасами угля. Однако энергетическая проблема при этом останется. Более того - она усугубится, в частности, увеличится эмиссия диоксида углерода СО2 («парникового газа»). По данным Национальной лаборатории по возобновляемым источникам энергии США (National Renewable Energy Laboratory), выбросы парниковых газов при сжигании синтетических топлив из каменного угля примерно вдвое выше, чем при сжигании бензина. Проблема эмиссии других вредных компонентов (NOx, CH, CO, сажи) останется, как и в случае использования топлив нефтяного происхождения. Важной проблемой при производстве синтетического топлива является и высокое потребление воды, которой необходимо в 5-7 раз больше по сравнению с полученным топливом [5,6].
Горючие сланцы, а также битуминозные пески могут служить только в качестве вспомогательного сырья для производства синтетических топлив, так как их запасы сильно ограниченны. Они содержат природные смолы (битумы и тяжелые нефти) в полутвердом и твердом состоянии. Синтетические моторные топлива получают путем термического разложения сланцев с выделением сланцевой смолы, выход которой составляет примерно 20% от массы исходного сырья [4], а по другим данным [2] всего 10%. Легкие фракции этой смолы используются для производства топлив, близких по свойствам к стандартным дизельным
Транспорт на альтернативном топливе
топливам. Очевидно, что добыча и переработка горючих сланцев для получения синтетического топлива сопряжены с переработкой огромного количества отходов. В настоящее время производство синтетических топлив из горючих сланцев обходится дешевле, чем из угля, однако полученные из сланцев топлива, как правило, имеют повышенное содержание серы и азота и требуют дополнительных мер для очистки отработавших газов.
Природный газ, основным компонентом которого является метан, кроме того, что непосредственно используется в качестве моторного топлива, может служить и в качестве сырья для производства синтетических топлив. Это производится путем окисления природного газа в присутствии катализатора, в результате чего получается так называемый синтез-газ, представляющий собой смесь из монооксида углерода СО и водорода Н2. Синтез-газ в промышленности получают паровой конверсией метана, парциальным окислением метана, газификацией угля. В зависимости от способа получения соотношение СО:Н2 варьируется в диапазоне от 1:1 до 1:3. Из синтез-газа с помощью процесса Фишера-Тропша получают жидкие синтетические топлива, при этом из 1 м3 синтез-газа получается примерно 120-180 г жидких углеводородов. Смешивание этих углеводородов между собой позволяет получить топливо для поршневых двигателей с заданными физико-химическими свойствами.
Важным преимуществом синтетического дизельного топлива, полученного путем газожидкостной конверсии, является то, что содержание серы в нем практически равно нулю. Кроме того, синтетическое топливо содержит существенно меньше полиароматических компонентов в сравнении с дизельным топливом, производимым из сырой нефти. Благодаря этому синтетическое топливо горит чисто, практически без сажи. В настоящее время производство синтетических топлив из природного газа примерно в два раза дороже нефтяных прежде всего из-за большой энергоемкости
используемого процесса Фишера -Тропша. Следует учесть, что огромное количество природного и попутного газа при нефтедобыче просто уходит в атмосферу. Превращение газа прямо на месторождении в жидкие компоненты очень выгодно экономически, поскольку газ трудно транспортировать: на его перевозку обычно затрачивается от 30 до 50% стоимости готового продукта.
За рубежом производство синтетических топлив из природного газа освоено на промышленном уровне (производственная мощность завода фирмы «Shell» в Малайзии, например, составляет порядка 14 тыс. баррелей в сутки, а мощность строящегося завода этой же фирмы в Катаре будет в десять раз больше и составит порядка 140 тыс. баррелей в сутки). В России работа в этом направлении ведется на уровне лабораторных исследований в ряде научных учреждений. В целом синтетические топлива, наверное, в первой половине текущего столетия покроют часть дефицита горючего, полученного из нефти [2].
Угольные пыли (порошки) и суспензии. Задача создания поршневого двигателя, работающего на угольной пыли, побудила Р.Дизеля разработать принципиально новый двигатель, который стал бы альтернативным двигателю Н.А. Отто, имевшему к тому времени наилучшие эффективные показатели в сравнении с другими тепловыми двигателями. Проблема создания двигателя, работающего на угольной пыли, особенно важна была для Германии, которая при больших запасах каменного угля не имеет природных запасов нефти. Однако Р.Дизель не смог осуществить провозглашенные им «три основных условия совершенного сгорания» [9]: получение максимальной температуры цикла до сгорания (в конце процесса сжатия) с помощью высокой степени сжатия воздуха; постепенное введение в этот сильно сжатый, высокотемпературный воздух сильно размельченного топлива (угольную пыль) такими порциями, чтобы сгорание, осуществляемое при перемеще-
нии поршня к нижней мертвой точке, не вызывало повышение температуры рабочего тела (изотермическое сгорание); обеспечение в цилиндре наличия такого количества воздуха, чтобы двигатель мог работать без системы охлаждения. При этом Р.Дизелю не удалось осуществить изотермическое сгорание и в случае жидкого топлива, в результате им был разработан двигатель, работающий на жидком топливе по термодинамическому циклу с изобарным подводом теплоты (цикл Дизеля). В дальнейшем работы в данном направлении продолжались и продолжаются в настоящее время [7], однако внедрению таких двигателей на практике препятствуют нерешенные проблемы, связанные с подготовкой топлива, организацией процессов топливоподачи и сгорания. Оптимальные размеры частиц угольной пыли зависят, прежде всего, от быстроходности дизеля и меняются от 15 мкм (для высокооборотных) до 45 мкм (для малооборотных дизелей) [7].
Перспективным считается рабочий цикл дизеля, где в качестве топлива используются угольные суспензии, более удобные и технологичные при применении, чем угольная пыль (угольный порошок). При этом могут быть применены как топливоуголь-ные (с дизельным или другим жидким топливом), так и водоугольные суспензии. Кроме того, следует учесть, что угольные суспензии, в зависимости от содержания угольной пыли, по своим физическим свойствам существенно отклоняются от ньютоновских жидкостей, что значительно усложняет конвертирование существующих дизелей и требует разработку новых стратегий при проектировании системы топливоподачи.
В настоящее время накоплен достаточно большой опыт, согласно которому можно сформулировать ряд других проблем в этом направлении. В частности, применение пылеуголь-ного топлива в двигателях с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием не привело к успеху в связи с неудовлетворительной работой смесителя (или карбюратора) [10], а теоретически возможные
+Ш ЯЯИИР Л «ер в^&ь ittJl ФЩ
«Транспорт на альтернативном топливе» № 6 (12) ноябрь 2009 г.
способы подачи такого топлива под давлением во впускную систему без этих устройств практически не исследованы. Подача угольной пыли с помощью сжатого воздуха несет в себе опасность взрыва горючей смеси. Кроме того, основная проблема сжигания твердого топлива в дизеле - это его зольность, существенно влияющая на износ основных деталей, так как зола осаждается на их поверхностях, покрытых маслом. Надо учесть и то, что применение угольной пыли и суспензии в дизелях предусматривает использование других природных топлив (твердых или жидких), запасы которых также ограниченны. Если также иметь в видууровень современных разработок данного направления с учетом жестких экологических и экономических требований, предъявляемых к современным и перспективным двигателям, то становится очевидным, что двигатели, работающие на угольной пыли или суспензии, вряд ли займут существенное место в транспортном двигателестроении обозримого будущего.
Спирты. К настоящему времени накоплен достаточно большой опыт применения в поршневых двигателях в качестве топлива метанола (метилового спирта) СН3-ОН и этанола (этилового спирта) С2Н5-ОН. Как видно, названия спиртов происходят от названий соответствующих углеводородных радикалов. Использование спиртов в поршневых двигателях приводит к существенному снижению содержания монооксида углерода и других токсичных компонентов в отработавших газах, поэтому интерес к этим топливам особенно вырос с 70-х гг. прошлого века, после введения законодательных ограничений количества вредных компонентов в продуктах сгорания. В настоящее время наиболее выгодным считается производство метанола из угля и этанола из биомассы. Очевидно, что для массового производства потребуется увеличение добычи угля, ресурсы которого тоже ограниченны. Получение этанола из биомассы, как из возобновляемого источника, в этом смыс-
ле безусловно имеет преимущества, несмотря на сравнительно большие затраты на производство.
Внедрению спиртов в качестве моторного топлива способствуют хорошо отработанные промышленные технологии производства, что позволило, например, в Бразилии, где в качестве сырья для получения спирта используются отходы производства сахарного тростника, перевести часть транспорта на спиртовое топливо. В настоящее время в Бразилии этиловый спирт, произведенный из сахарного тростника, составляет около 40% горючего для автомобилей. В США примерно 20% урожая кукурузы перерабатываются в этиловый спирт, который смешивается с бензином в пропорции 1:9 для получения так называемого реформулированного (более чистого) бензина. Согласно закону о национальной политике в области энергетики США планируют к 2012 г. удвоить производство этилового спирта (в настоящее время он составляет 2% от общего объема потребления топлива) [11]. Цена этилового спирта в таком случае зависит от затрат удобрений, воды, природного газа и электроэнергии, используемых при производстве этилового спирта из кукурузы. Более эффективным является получение этилового спирта из целлюлозной биомассы (стерни и отходов растений, не используемых в качестве корма для животных). Очевидно, что производить в промышленном масштабе такое топливо могут позволить себе только страны, имеющие соответствующие климатические условия и стабильно производящие продукцию растениеводства.
По своим физико-химическим свойствам метанол и этанол близки к бензинам (повышенная испаряемость, относительно невысокая плотность и вязкость, октановое число у метанола 91, а у этанола - 92), однако, их широкому применению в качестве моторного топлива препятствует высокая себестоимость по сравнению с бензином. При использовании спиртов в качестве дизельного топлива к этому добавляется необходимость су-
щественного изменения конструкции дизеля, вызванная низкой воспламеняемостью спиртов. В перспективе на ближайшие 20-30 лет спирты могут составить не более 5-10% из всего употребляемого поршневыми двигателями топлива.
Литература
1. Esso Deutschland GmbH: Energieprognose 2001 - Potential Gasvorräte. Exxon Mobil Central Europe Holding GmbH, 2002.
2. Галышев Ю.В., Магидович Е.М. Перспективы применения газовых топлив в ДВС. - Двигателестрое-ние, № 3, 2001. - С. 31-35.
3. Кавтарадзе Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - С. 720.
4. Гайворонский А.И., Марков
B.А., Илатовский Ю.В. Использование природного газа и других альтернативных топлив в дизельных двигателях. М.: Изд-во «ИРЦ Газпром», 2007.
C. 480.
5. Big Coal Tries to Recruit Military to Kindle a Market. The Wall Street Journal, 11.09. 2007.
6. Процесс Фишера-Тропша. http://ru.wikipedia.org
7. Марков В.А., Гайворонский А.И., Грехов Л.В., Иващенко Н.А. Работа дизелей на нетрадиционных топ-ливах. М.: Изд-во «Легион - Автодата», 2008. - С. 464.
8. Льотко В., Луканин В.Н., Ха-чиян А.С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. М.: Изд-во МАДИ (ТУ), 2000. - С. 311.
9. Diesel R. «Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors zum Ersatz der Dampfmaschine und der heute bekannten Wärmemotoren». Berlin. Springer-Verlag. 1893. 96 S. Reprintfus-gabe, Düsseldorf, VDI-Verlag, 1986. 96 S.
10. Колеров Л.К. Применение пы-леугольного топлива в дизелях. Дви-гателестроение, № 2, 1982. - С. 51-53.
11. Хэйвуд Дж. Горючее будущего. В мире науки, № 1, 2007. С. 28-31.
Окончание в следующем номере.
