Двигуни, що працюють на водні

Дослідження, проведені в ІПМаш НАН України протягом ряду років показують, що екологічно чистий двигун на базі дизельного можливий при використанні в якості палива водню з криогенною системою збереження, причому з необхідністю внутрішнього сумішоутворення при подачі водню наприкінці такту стиску. Токсичність відробивших газів такого двигуна оцінюється тільки оксидами азоту в 1,5 рази меншими, ніж базового дизельного двигуна. Заміна дизельного палива воднем стримується складностями, що виникають при організації високоефективного робочого процесу і недосконалих систем збереження водню.

Системи збереження водню

Аналіз показує, що найкращими вагогабаритними характеристиками систем збереження водню, з урахуванням прийнятної дальності пробігу, володіє криогенна система. Металлогідридна система збереження виправдана тільки для автонавантажувачів чи кранів, де необхідна велика маса баласту-противаги.

Відкриття і дослідження останнім часом принципово нового способу акумулювання й збереження водню на основі аллотропних модифікацій вуглеводню з класу фулєрєнів, а саме нанотрубок, дає можливість використовувати їх у перспективі, як систему збереження водню для автомобілів. Уже сьогодні одна з фірм випускає компактні акумулятори водню з його масовим змістом 42 %.

Організація робочого процесу двигуна на водні

Використання водню по дизельному циклу утруднено через високу температуру самозапалювання. Дослідження показали, що досягти стійкого самозапалювання в дизельному двигуні не удалося при ступені стиску 29. Тому робочий процес дизеля, конвертованого на водень, організують з урахуванням способу запалення від свічі запалювання, свічі накалювання чи запальної дози дизельного палива. Як правило, усі способи зовнішнього сумішоутворення не забезпечують нормальну роботу двигуна без утрати потужності, зворотних спалахів, детонаційноподібного згоряння і т.д.

Найкращі показники дає внутрішнє сумішоутворення, тобто організація вприскування водню безпосередньо в камеру згоряння двигуна. Подача водню може здійснюватися як на початку, так і наприкінці такту стиску відповідно при низькому й високому тиску. Експериментальні дослідження показують, що вприскування водню наприкінці такту стиску і його запалення свічею накалювання є найбільш ефективним способом організації робочого процесу з керованим процесом згоряння і низкою токсичністю відробивших газів.

Система паливоподачи і запалювання дизеля на водні

Система паливоподачі містить у собі гідропривід, форсунку для подачі водню, і трубопроводи з клапанами для водню і дизельного палива, яке застосоване для керування. Як гідропривід використовується паливний насос високого тиску. Воднева форсунка забезпечує вприскування в камеру згоряння газоподібного водню наприкінці такту стиску під тиском від 6,0 до 15,0 МПа.

Запалення водню здійснюється свічею накалювання, що виключає пропуски запалення в камері згоряння і попередження спалахів у випускній системі. Нагрівальний елемент свічі захищений керамічним ковпачком.

Ефективний ККД дизеля на водні знаходиться на рівні базового дизеля.

 

 

Криогенні двигуни

Одним з багатообіцяючих джерел енергії є конверсія холоду, «запасеного» у твердому і рідкому азоті. Запаси азоту в земній атмосфері практично необмежений (78% по масі) і можуть поповнюватися в результаті виділення азоту після завершення робочого циклу в криогенному двигуні. Азот має незаперечні експлуатаційні переваги, тому що він є хімічно безпечним і непальним газом. Виробництво рідкого азоту досить розвито в індустріальних країнах і сучасній ціні 1 літра зрідженого азоту щонайменше в 10 разів нижче відповідної ціни бензину. Навіть приймаючи в увагу більшу у порівнянні з бензином витрату рідкого азоту на 1 км шляху, оцінки, що враховують екологічні аспекти, свідчать про ряд переваг криогенних двигунів у порівнянні з ДВЗ.

Серйозним аргументом для застосування рідкого азоту як джерела чи резервуара енергії в автомобілі є можливість використання енергозберігаючих технологій і пристроїв на основі високотемпературних надпровідників (ВТНП) - сверхпровідних електромоторів, генераторів, магнітних підшипників, маховичних і індукційних накопичувачів енергії (SMES), які у даний час інтенсивно розвиваються. Зокрема, уже розроблені сверхпровідні асинхронні електромотори потужністю до 40 кВт. Їхня маса й габарити виявляються в 3-5 разів менше, ніж у традиційних електромоторів тієї ж потужності, що може дозволити постачати кожне колесо автомобіля своїм електромотором. Сверхпровідні електрогенератори розробляються в ряді країн, у тому числі в Росії (МАІ).

Використання сверхпровідних електродвигунів підвищує ККД рухової установки в цілому, зменшує теплові втрати, виключає механічну коробку передач і поліпшує характеристику регулювання швидкості автомобіля в залежності від навантаження.

Додаткове підвищення ККД силової установки криогенного автомобіля може бути досягнуте при заміні підшипників качіння на сверхпровідні магнітні підшипники. Відмінною рисою цих підшипників є можливість здійснення просторової пасивної магнітної підвіски без використання активних коригувальних елементів.

Початкові теоретичні й експериментальні дослідження теплових машин, що використовують навколишнє середовище як резервуар тепла і криогенне середовище як резервуар з холодом, були виконані в США й в Україні.

У криогенному автомобілі із силовою установкою на рідкому азоті після заправлення криогенна рідина зберігається в баці-кріостаті. Рідкий азот, що надходить з бака в теплообмінник, який обдувається повітрям, за рахунок додаткового тиску, створюваного стиснутим у балоні газом чи крионасосом, нагрівається, випаровується й розширюється зі збільшенням тиску. З теплообмінника газ високого тиску надходить у поршневий чи турбінний пневмомотор, обертання якого через коробку передач передається на колеса. Шасі можуть бути постачені магнітними підшипниками на ВТНП, що обертаються без тертя. В іншому варіанті конструкції обертання від пневмомотора може передаватися на ВТНП-електрогенератор, електричний струм якого може приводити в обертання ВТНП-електромотори, що установлені на кожній парі шасі.

Проведено попередні чисельні оцінки експлуатаційних характеристик ізотермічного криогенного двигуна на рідкому азоті, що виконує роботу при випарі, нагріванні до температури навколишнього середовища і розширенні робочого газу.

При вхідному тиску газу p = 20 МПа, робочій температурі Т = 273К и ККД процесу розширення h_т = 0.8 величина питомої роботи при ізотермічному розширенні азоту в пневмодвигуні складає l_уд = 364,8 кДж/кг.

Як відомо, механічний ККД сучасних автомобільних двигунів, складає 0.70-0.85. З врахуванням ненапруженого теплового режиму ізотермічного пневмодвигуна для подальших оцінок можна прийняти, що значення механічного ККД азотного двигуна складає h_м = 0.8. Отже, питома робота, одержувана в пневмодвігуні, з урахуванням механічних утрат, дорівнює l_уд.мех. ⁼ 291.8 кДж/кг.

Тому, при максимальному тиску азоту в циклі p_max = 20 МПа і ККД процесу розширення h_т = 0.8 величина питомої роботи азоту в силовій установці складає l = 260 кДж/кг з обліком 20% механічних втрат у пневмодвігуні, а також витрат роботи на привод криогенного насоса і вентилятора.

Техніко-економічна оцінка ефективності криоавтомобіля на рідкому азоті заснована на тому, що для автомобіля (наприклад, УАЗ-451М с двигуном ЗМЗ-451) у міському циклі економічної їзди питомий викид в атмосферу еквівалентної кількості СО складає 320 г/км, а його річна кількість - 14.9 тонни. При цьому річний збиток від експлуатації базового варіанта автомобіля на бензині складає 2816 $/рік, а питомий збиток - 6.1 цента/км. Нормована витрата палива при русi на рівній дорозі зі швидкістю 60 км/год складає 12 л/100 км. При експлуатації цього вантажного автомобіля в міських умовах контрольна витрата палива складає близько 16 л/100 км.

Рух криогенного автомобіля зі швидкістю 50 км/год вимагає потужності двигуна близько 14 кВт. При цьому витрата азоту складе 191 кг/год, а загальний пробіг на одному заправленні (600 кг рідкого азоту) - не менш 150 км, що цілком прийнятно в міському циклі їзди. Середня витрата рідкого азоту на 1 км пробігу автомобіля складе менш 4 кг/км. Таким чином, вартість 1 км пробігу автомобіля на рідкому азоті складе від 7.6 до 22.8 цента/км при вартості азоту 2-6 центів/кг.

Зіставлення економічних витрат на експлуатацію традиційного автомобіля з двигуном внутрішнього згоряння і криоавтомобіля на рідкому азоті з урахуванням суспільного збитку для навколишнього середовища і здоров'я населення від шкідливих викидів вихлопних газів показало, що з погляду суспільних інтересів експлуатація азотного автомобіля з нульовими викидами шкідливих речовин в атмосферу в районах з високою щільністю населення економічно виправдана вже сьогодні навіть при відносно низьких цінах на бензин.

Як показує виконаний аналіз, розвиток екологічно чистого автомобілебудування на базі криогенних технологій є перспективним і економічно виправданим напрямком. Успішне застосування криоавтомобілей дозволить вирішити ряд серйозних енергетичних і транспортних проблем в економіці України й інших індустріально розвитих держав, особливо в районах із високою щільністю населення. Тому передбачається зосередити зусилля на розробці силової установки для автобусів, маршрутних таксі, а також невеликих вантажних автомобілів, на частку яких приходиться основний обсяг внутріміських перевезень.