ГОРЮЧЕЕ - КАКИМ ЕМУ БЫТЬ?

Александр Идин

Основным горючим, применяемым на Земле, является углерод. Он в разных количествах содержится в древесине, угле, нефти, природном газе и т.д. Сжигание содержащих углерод топлив (соединение углерода топлива с кислородом) - экзотермическая химическая реакция, при которой выделяется тепловая энергия. Сейчас довольно трудно установить, когда первобытный человек стал пользоваться этой энергией. Не понимая ничего в химии горения, он был доволен тем, что мог греться у костра и готовить пищу.

Прошли тысячелетия, прежде чем огонь стали использовать при изготовлении новых материалов (керамики из глины, железа из металлических руд и т.д.). И только за несколько столетий до нашей эры тепло и пар, полученные с помощью огня, позволили заработать некоторым механизмам (например, статуи нереид Александрийского маяка "могли" поворачиваться и бить в колокола).

Но должны были пройти века, прежде чем человек придумал тепловой двигатель. Сначала это был двигатель внешнего сгорания (паровой), который нашел применение в насосах, шахтах, на фабриках, а после и на кораблях (пароходах) и железнодорожных локомотивах (паровозах). Были довольно успешные попытки применить паровую машину в автомобиле и совсем безуспешные - на самолете.

Только с изобретением двигателя внутреннего сгорания (ДВС) промышленная энергетика и особенно транспорт вышли на современный этап своего развития. Для работы ДВС необходимо подать внутрь какое-либо горючее. Это горючее должно быть смешано с окислителем, как правило, с кислородом воздуха, а затем подожжено. В результате теплота, выделенная при сгорании, увеличивает объем рабочих газов, и это увеличение объема преобразуется в механическую работу. В двигателях совершенно разных конструкций может применяться одно и тоже горючее. Встречаются и такие конструкции, которые могут работать на разных видах горючего.

К горючему, используемому в ДВС, с самого начала предъявлялись определенные требования, практически не изменившиеся до настоящего времени. Еще в начале прошлого века среди основных требований перечислялись следующие:

Надо заметить, что поиск горючего для двигателя внутреннего сгорания шел одновременно с разработкой конструкции самого двигателя.

Первая попытка использования силы взрыва газов для производства механической работы была предпринята в 1678 г. французским аббатом Хаутефюлле. Он предложил взрывать порох в закрытом сосуде, снабженном клапанами, и использовать разряжение, образующееся в этом сосуде после расширения и охлаждения газов, для подъема воды (до нас эти предложения дошли в записках Христиана Гюйгенса, известного изобретателя и ученого). В 1682 г. тот же автор предложил использовать силу газов от взрыва пороха уже непосредственно для подъема воды. С 1688 г. известнейший механик XVII века Дени Папен в течение долгого времени пытался воплотить это устройство и признал порох непригодным для такого дела.

В 1794 г. Роберт Стрит запатентовал двигатель, в котором во время движения поршня вначале происходило испарение горючего и смешивание его с воздухом, после чего смесь воспламенялась и силой взрыва толкала поршень.

В 1801 г. Франсуа Лебон придумал двигатель, работающий на светильном газе. В 1823 г. Самуил Браун его построил, причем с водяным охлаждением. В 1838 г. Уильям Барнет создал двигатель, в котором газ и воздух перед подачей в цилиндры сжимались специальными насосами (прототипами современных турбонагнетателей), а воспламенение смеси происходило при положении поршня в верхней мертвой точке. Первый двигатель, получивший практическое применение (как водоподъемная машина), был создан французским механиком Этьеном Ленуаром в 1860 г. В 1867 г. Н. Отто и Э. Ланин экспериментировали с двигателем на светильном газе. Ими был впервые предложен четырехтактный цикл (цикл Отто), теоретически обоснованный в 1824 г. Н. Сади-Карно. Первый реально работающий двигатель по циклу Отто построен в 1871 г. французским инженером Боде-Роша. Он вошел в историю как создатель современного двигателя.

До этого момента конструкторы рассматривали в качестве горючего светильный газ. Поджигание газа в цилиндре двигателя осуществлялось специальными устройствами. В 1884 г. Даймлер разработал двигатель, работающий на другом, уже жидком горючем - бензине. Новое топливо позволило увеличить частоту вращения вала двигателя со 150 до 800 оборотов в минуту.
В 1893 г. Рудольф Дизель изобрел двигатель, в котором горючее (угольная пыль!) должно было самовоспламеняться вследствие нагрева до высокой температуры при сжатии. Мощность двигателя должна была составлять 100 л.с. Закончив в 1897 г. серию опытов, он понял, что угольная пыль не годится, а наилучшими видами горючего для его двигателя являются керосин и нефть.
С тех пор прошло более века. Появились новые конструкции двигателей внутреннего сгорания (например, двигатель Ванкеля), продолжалась модернизация существующих конструкций, но горючим для всех двигателей так и оставались газ, бензин и дизельное топливо. Так продолжалось бы и дальше, если бы не некоторые обстоятельства, из которых два наиглавнейших: угроза глобального потепления из-за выбросов СО2 (парниковый газ) и истощение мировых запасов углеводородного топлива.
Этими проблемами ученые и конструкторы автомобилей начали вплотную заниматься в 60-70 годах прошлого века. Поиск решения шел по нескольким путям. Во-первых, совершенствовался сам двигатель (снижение удельного расхода горючего, улучшение процессов горения, уменьшение механических потерь в двигателе и трансмиссии и т.д.). Во-вторых, внедрялись различные каталитические нейтрализаторы отработавших газов двигателя, что существенно повысило стоимость автомобиля. И, в-третьих, осуществлялся поиск альтернативного горючего. С этим связана необходимость разработки новой конструкции двигателя, а то и всей силовой установки автомобиля.

В данной статье поговорим о перспективных, может быть даже экзотических, видах горючего.

Если посмотреть на периодическую систему химических элементов Д.И. Менделеева, то можно увидеть, что рядом с углеродом (С) находится кремний (Si), который вместе с германием, оловом и свинцом входит в подгруппу углерода. Всем известно, что кремний является составной частью обычного песка, а в земной коре его почти 28 %.

Никто и не задумывался о том, что кремний - тоже горючее, пока не произошел любопытный случай на одной из немецких химических фабрик. Там на складе неожиданно "закипел" мелкодисперсный порошок кремния, хранившийся в герметичной медной таре в среде азота.

Этим заинтересовался профессор химии Норберт Аунер, который выяснил, что порошок кремния может вступить в реакцию с азотом в присутствии катализатора - окиси меди. Реакция начинается при условии предварительного нагрева компонентов до 500 °С.

То, что на нашей Земле песка хоть отбавляй, всем известно. Так что истощение запасов этого топлива не грозит. Мало того (и это самое главное), в результате этой реакции в атмосферу не попадает ни грамма СО2 - основного газа, вызывающего парниковый эффект.

Чистый кремний получают в результате реакции восстановления оксида SiO2 избытком магния при нагревании:
SiО2 + 2·Mg = Si + 2·MgO.

Энергия, затраченная на нагрев, компенсируется той энергией, которая получается при реакции с азотом. Всю энергетику можно перевести на кремний. Автомобили тоже можно заправлять кремниевым порошком. Кстати, все новое, это хорошо забытое старое: опыты по использованию кремния в виде горючего уже проводились, причем довольно давно. На немецкой фирме "Вакер" в бак автомобиля залили вместо бензина кремнийсодержащую жидкость - тетраметилсилан. Теплотворная способность этой жидкости такая же, как и у бензина. Тогда эксперимент провалился из-за того, что песок, образовывавшийся при горении, быстро выводил двигатель из строя.

И хотя это другая, но все же проблема. И уже есть путь для ее решения - изготовление поршней, цилиндров и других деталей из керамики. Это сложно, требуются дорогостоящие исследования, но зато будет решена проблема защиты атмосферы от отработавших газов. Ведь в результате горения получается все тот же песок, но только нитратный. Из нитрида кремния можно получить аммиак, а из него, в свою очередь, водород. Причем такое производство обойдется примерно на порядок дешевле, чем получение водорода из воды, а это позволит еще шире открыть дверь в водородную энергетику. Поэтому в перспективе водителю автомобиля придется не выбрасывать образовавшийся в двигателе "песок" на дорогу, а везти его на автозаправку и там менять (с доплатой, разумеется) на кремниевый порошок.

Возможно еще одно решение. В журнале "Двигатель" (№ 2, 3 - 2005 г.) были опубликованы статьи о двигателе Стирлинга, относящемся к двигателям внешнего сгорания. В этом двигателе камера сгорания изолирована от движущихся частей. Тем самым решается проблема защиты от образующегося нитрида кремния. Да и собирать его будет проще.
Еще одна немаловажная деталь - кремний, в отличие от всех других видов горючего, совершенно безопасен: пока рядом нет катализатора (окиси меди) даже удар молнии или взрыв гранаты его не подожгут.

(Продолжение следует)