Как создать азотную силовую установку

К рассмотрению предлагается азотная силовая установка в сочетании с электромобилем. Автор рассчитывает, что этот вариант может быть использован в качестве альтернативы экологически небезопасным двигателям внутреннего сгорания.

Конструктивное объединение двигателя и трансмиссии носит устоявшееся название силовая установка. В зависимости от вида преобразуемой энергии различают двигатели внутреннего сгорания, электродвигатели и комбинированные двигатели – гибридные силовые установки.



Проблемы экологии ДВС

Двигатель внутреннего сгорания преобразует химическую энергию сгорающего топлива в механическую работу. Известными типами ДВС являются поршневой двигатель, роторно-поршневой двигатель, газотурбинный двигатель. Наибольшее распространение получили поршневые двигатели внутреннего сгорания, использующие в качестве источника энергии жидкое топливо (бензин, дизельное топливо) или природный газ.

Для работы электродвигателя требуется электрическая энергия, источником которой могут быть аккумуляторные батареи или топливные элементы. Основным недостатком электромобилей, ограничивающим их широкое применение, является небольшая емкость источника электрической энергии и, соответственно, низкий запас хода. Гибридная силовая установка объединяет двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель, связь которых осуществляется через генератор. Широкое распространение ДВС объясняется высокими энергетическими свойствами углеводородного топлива, благодаря чему автомобили с ДВС имеют большой запас хода на одной заправке топливного бака.

До середины прошлого века все казалось прекрасно, пока автомобилей было сравнительно мало. Однако уже в 1950 х годах жители американского штата Калифорния впервые начали ощущать оборотную сторону использования черного золота, когда от удушающего смога от выхлопных газов автомобилей стали задыхаться жители Лос-Анджелеса. В результате осознания приносимого вреда и многократного увеличения количества автомобилей в развитых странах было введено законодательство о требованиях к содержанию вредных выхлопов автомобилей. Вместе с тем, с 1970 х годов стал ощущаться дефицит углеводородов из за сокращения их запасов и усложнения их добычи в новых труднодоступных районах. Несмотря на постоянное совершенствование ДВС и ужесточение требований к содержанию вредных выбросов, автотранспорт с ДВС и сегодня является главным загрязнителем атмосферы крупных городов. Назрела необходимость внедрения автотранспорта с малыми или нулевыми выбросами вредных веществ. Имеются в виду прежде всего электромобили, серийное производство и продажи которых организованы почти во всех развитых странах.



Почему не распространены электромобили

Следуя мировому тренду, в России тоже предполагаются такие работы. Да, в России много нефти, но стоимость бензина в последнее время растет, а крупные российские мегаполисы задыхаются в выхлопных газах. Поэтому сейчас так активно продвигаются проекты по использованию электромобилей для коммерческих и грузовых перевозок в крупных городах.

Но и у электромобилей масса недостатков:

∙ аккумуляторы за полтора века эволюции так и не достигли удовлетворительной плотности энергии;

∙ проблемой является производство и утилизация аккумуляторов, которые часто содержат ядовитые компоненты (например, свинец или литий) и кислоты;

∙ для массового применения электромобилей требуется создание соответствующей инфраструктуры для подзарядки аккумуляторов («автозарядные» станции);

∙ длительное время зарядки аккумуляторов по сравнению с заправкой топливом;

∙ малый пробег большинства электромобилей на одной зарядке (литиевая батарея емкостью 24 кВт-ч позволяет электромобилю проехать около 160 километров);

∙ использование кондиционера, отопителя салона, загрузка электромобиля пассажирами или грузом, движение с частым разгоном / торможением и скоростью более 90 100 км / ч уменьшают пробег до двух раз;

∙ высокая стоимость литиевых батарей или высокий вес свинцовых батарей;

∙ высокая стоимость батарей в свою очередь приводит к удорожанию электромобиля по отношению к схожему автомобилю с ДВС минимум в два раза;

∙ деградация литиевых и других батарей с возрастом (в лучших моделях литиевых батарей через пять-восемь лет остается менее 80 процентов емкости).

Ввиду перечисленных недостатков мировое производство электромобилей будет не столь массовым.



Удел пневматики

К числу транспортных средств с нулевой эмиссией относятся средства передвижения с пневмодвигателем. Впервые такие устройства появились еще в конце XIX века во французском городе Нант, где был запущен первый в мире трамвай, работающий на энергии сжатого воздуха. Позже аналогичное транспортное средство пытались сконструировать в середине 1930 х годов в США. Принцип устройства силовой установки с пневмодвигателем был прост – струя сжатого воздуха попадала в импровизированную турбину, вал которой крепился к колесу и тем самым вращал его. Испытания показали, что энергия сжатого воздуха куда меньше, чем у сгораемого бензина, поэтому такие пневмодвигатели в то время не прижились. Позднее, в 1978 году австралийский автоконструктор Анджело Ди Пьетро создал принципиально новый пневмодвигатель. В нем было несколько камер для подачи сжатого воздуха, который выталкивали поршни. Те в свою очередь ритмично давили на ротор, вращающийся при помощи системы колесиков вокруг центрального вала. Данный двигатель оказался очень легким и компактным, что позволило установить его непосредственно на колеса автомобиля. А еще он позволял выдавать максимальный крутящий момент на любых оборотах, поэтому не нуждался в коробке передач.

Чуть позже, в конце 1980 х годов, в СССР был создан свой пневмо­двигатель, автором которого стал Николай Пустынский – главный конструктор Заволжского моторного завода. На 95 процентов он был аналогичен стандартному ДВС, только вместо топливовоздушной смеси в камеру сгорания (которая в этом случае по сути таковой не являлась) подавался сразу сжатый воздух под давлением 300 атмосфер, который и давил на поршни. Такой двигатель был очень дешев и практичен, но слабо подходил для крупных автомобилей, поэтому он нашел свое применение только в небольших пневмокарах, использующихся внутри предприятий.



Криоальтернатива

По мнению автора, более перспективны машины, работающие на жидком азоте. В 2005 году харьковские ученые презентовали одну из первых в мире таких машин. Новая модель, по словам ученых, должна стать прототипом отечественного городского криомобиля, используемого, в том числе, как маршрутное такси. Причем изготовить его технически гораздо проще, чем электромобиль или, скажем, водородный автомобиль.

Если сложить три фактора – затраты энергии на производство жидкого азота, КПД в городском движении мегаполисов и энергоемкость, то по материальным затратам криомобиль ничуть не уступает традиционным автомобилям с ДВС.

При этом стоит напомнить, что реальный КПД последних не превышает 0,1, или 10 процентов. Если учесть еще и затраты энергии на геологоразведку месторождений нефти, на добычу, ее переработку для получения бензина или дизельного топлива и транспортировку от месторождения, то окажется, что на полезную механическую работу используется, вероятно, не более 5 процентов теплотворной способности нефти. Остальные 95 процентов энергии углеводородов сжигаются не просто бесполезно, а превращаются в губительные для всего живого вредные вещества.

Поэтому если принять во внимание экологическую и пожарную безопасность криомобилей, то экономический эффект от их массовой эксплуатации сразу же увеличивается. К тому же их производство будет стоить в полтора-два раза дешевле автомобилей с ДВС. Энергию для движения криомобили получают за счет так называемой «конверсии холода», запасенного в криогенных аккумуляторах. Такой аккумулятор представляет собой бак-криостат с жидким (при температуре около минус 196 °С) негорючим азотом.



Достоинства азота

Сжиженный азот получают на специальных воздухоразделительных установках из окружающей атмосферы. Азот не нужно разведывать, его содержание в приземном воздухе в любом месте составляет 78 процентов. Особенностью криогенных газов является их способность кипеть при температуре окружающей среды, то есть создавать пар, в том числе высокого давления. Пар подогревается в теплообменном устройстве за счет тепла окружающей среды и подается в пневматический двигатель. В этом азотная силовая установка принципиально отличается от автомобиля со сжатым воздухом. Сжатие воздуха производится вне автомобиля в компрессорах, обычно с приводом от электродвигателя, то есть с использованием внешнего источника электроэнергии, и таким образом сжатый воздух в баллоне пневмомобиля уже обладает энергией и готов к работе. Криомобиль больше похож на паровую машину, с той разницей, что для производства пара крио­мобилю не требуется топлива. Так же­, как на паровозе, азот получает энергию только на криомобиле, и для его испарения и нагрева требуется значительное время. Паровозу тоже, прежде чем начать движение, требуется несколько часов, чтобы получить водяной пар и постоянно подавать топливо в топку котла, даже во время длительной стоянки. Именно по этой причине паровозы стали заменять на ДВС, которым для начала работы достаточно нескольких минут.

Вероятно, поэтому криомобили пока не находят применения, хотя у них много преимуществ. В жидком состоянии азот может храниться при нормальном атмосферном давлении, не требует применения тяжелых баллонов высокого давления и занимает достаточно малый удельный объем. Расчеты показывают, что при изотермическом рабочем цикле может быть получена механическая работа до 0,4 МДж на каждый килограмм жидкого азота (или около 110 Вт-ч на килограмм). Эта величина в несколько раз больше, чем у современных электрохимических аккумуляторов.

Стоит учесть, что, помимо всего прочего, криоавтомобиль является пожаробезопасным видом транспорта, а это может обусловить, кроме обычных, ряд его специфических применений – в шахтах, на пожароопасных предприятиях, в нефтегазовой и оборонной промышленности. Уже созданы пожарные машины с жидким азотом, которые незаменимы при тушении пожаров в местах, где отсутствует вода. Согласно американским данным, на производство 1 килограмма жидкого азота необходимо 0,44 кВт-ч электроэнергии, а на 1 килограмм бензина – 5 кВт-ч. Кроме того, такой транспорт может решить проблему ограниченности ресурсов углеводородного топлива и снизить зависимость большинства стран от поставщиков и производителей нефти и газа.



Гибридная установка

Автор предлагает еще одну комбинацию гибридной азотной силовой установки в сочетании с электромобилем, которую можно собрать «своими руками».

Первым ее элементом является криоемкость с жидким азотом, в качестве которых предлагаются, например, вертикальные сосуды Дьюара. Сосуд должен быть заполнен примерно на две трети, чтобы в верхней части азот был в газо­образном состоянии, при этом его температура будет равна температуре кипения. Из сосуда газообразный азот под собственным давлением подается через вентиль стравливания в радиаторы. Радиаторы обычные отопительные алюминиевые. Количество секций следует определять опытным путем в зависимости от емкости сосуда Дьюара с таким расчетом, чтобы на выходе из радиатора температура азота была близкой к температуре окружающей среды.

Радиаторы следует покрасить в черный цвет и установить их на крыше автомобиля, чтобы они нагревались как можно сильнее. Поскольку температура азота в радиаторах отрицательная, то они будут покрываться инеем, который периодически следует оттаивать, при плюсовой температуре окружающего воздуха – перекрыв на время вентиль стравливания, а при отрицательной – обдувом теплым воздухом. Радиаторы должны устанавливаться на поддоны для сбора воды, образующейся при оттаивании инея. Эту воду после очистки можно использовать как питьевую и в других целях.

Из радиатора нагретый азот подается в детандер, в качестве которого можно использовать пневматический гайковерт. Гайковерт-детандер должен иметь отвод выходящего из него азота, охладившегося после совершения механической работы. Далее азот поступает в холодильник, температура в котором регулируется специальным вентилем, и в кондиционер с регулировочным вентилем.

Давление в сосуде Дьюара регулируется вентилем выпуска азота в атмосферу и контролируется по манометру. На шпиндель гайковерта устанавливается шкив ременной передачи, которая передает крутящий момент на обычный автомобильный генератор, соединенный электрокабелем с автомобильными аккумуляторами. Через муфту сцепления момент может одновременно передаваться на ведущие колеса автомобиля. Диаметры шкивов подбираются опытным путем, так чтобы генератор обеспечивал зарядку аккумуляторов.

Аккумуляторы соединены кабелем с мотор-генератором, который постоянно механически связан с ведущими колесами. Благодаря мотор-генератору обеспечивается возврат кинетической энергии автомобиля в аккумуляторы при его торможении. Это повышает эффективность торможения и позволяет уменьшить износ механических тормозов.

Теплый азот из радиаторов подается, кроме того, через вентиль заливки в нижнюю часть сосуда Дьюара с помощью компрессора низкого давления с электродвигателем, питающимся от аккумуляторов через кабель. Теплый азот, проходя через слой жидкого азота, будет способствовать его интенсивному кипению и частично восполнять убыль газообразного азота из сосуда.

Несмотря на интенсивное кипение жидкого и увеличившийся расход газообразного азота через вентиль и радиаторы, итоговый расход газа из сосуда должен сократиться. Таким образом, как бы увеличивается емкость сосуда и реально увеличивается запас хода гибридного криомобиля.

В качестве компрессора низкого давления можно использовать автомобильный пылесос. Этот компактный автопылесос не только быстро очистит салон вашего автомобиля от скопившейся в нем пыли, но и составит отменную конкуренцию привычным компрессорам, которые способны выполнять лишь одну функцию.



Для сравнения

Теперь сравним энергоемкость батареи продающегося в России электромобиля Mitsubishi i-MiEV с энергоемкостью жидкого азота. Современный литиево-ионный аккумулятор имеет удельную энергоемкость 110 150 Вт-ч / кг, а жидкий азот, как указывалось выше, 110 кВт-ч на килограмм, то есть в среднем практически одинаковую. Mitsubishi i-MiEV имеет литиевую батарею емкостью около 16 кВт-ч и весом около 150 килограммов, которая обеспечивает ему запас хода порядка 100 километров.

При создании гибрида электромобиля с азотной силовой установкой вес и энергоемкость аккумулятора целесообразно уменьшить в четыре-пять раз, установив взамен емкость Дьюара объемом 200 250 литров и обеспечив, таким образом, равноценную энергетику гибрида.

Такой гибрид будет при этом дешевле. Для его эксплуатации не потребуются электрозарядные станции, так как подзарядка аккумуляторов меньшей емкости будет осуществляться за счет криоэнергии жидкого азота.

Что касается заправки жидким азотом, то владельцы автозаправок могут оборудовать на бензозаправке установку для сжижения азота и оснащать им криоавтомобили так же быстро, как и бензиновые автомобили, в отличие от продолжительной зарядки аккумуляторов.

Представленную автором схему азотной силовой установки следует рассматривать как экспериментально-лабораторную. В случае подтверждения изложенных замыслов она может применяться на любых наземных и водных транспортных средствах, разработанных и изготовленных с применением специальных комплектующих и промышленных технологий.

Вячеслав ЛАРИОНОВ