ДВИГАТЕЛИ НА АЗОТНОМ ТОПЛИВЕ

Вадим Георгиевич НЕКРАСОВ, доцент кафедры автомобильного транспорта Акгюбинского университета, к.т.н.,
Андрей Фадеевич МАКАРОВ, с.н.с. НЦ ВостНИИ, г. Кемерово,
Александр Александрович ЗЛЫДЕННЫЙ, директор машиностроительного завода "Алькор", Алма-Ата, Казахстан,
Ахмет Жакиевич МУРЗАГАЛИЕВ, декан Технического факультета Актюбинского университета, к.т.н.

Тенденция роста стоимости жидких углеводородов и перспектива сокращения объемов добычи нефти являются причинами поиска альтернативных топлив. Особо остро стоит вопрос о замене моторных видов топлива. Производимые в настоящее время альтернативные виды топлива, такие как биоэтанол и биодизель, не могут решить проблемы, так как их производство приводит к конфликту "топливо или продовольствие". Кроме того, производство биотоплива имеет ограниченные возможности на уровне 7…10 % объема потребляемого в настоящее время углеводородного топлива. Другие виды альтернативных топлив, такие как синтетические жидкие топлива, производимые из угля, природного газа имеют ограниченные возможности по условиям стоимости и невозобновляемости сырья. Известны попытки использования в качестве моторного топлива продуктов химического производства, например, метилового спирта (СН₃ОН) или диметилового эфира (С₂Н₆О).

В ракетно-космической технике в качестве топлива используют синтетические энергоносители бинарного типа. Применение в наземной технике общего назначения таких топлив невозможно ввиду токсичности, пожаро- и взрывоопасности этих веществ. Еще меньше перспектив для использования в наземной технике имеют твердые виды унитарного топлива, содержащие в своем составе как горючий компонент, так и окислитель. Как правило, твердотопливные двигатели являются одноразовыми.

Формулирование проблемы

Учитывая положительные особенности синтетических топлив и их недостатки, была поставлена задача найти такое унитарное топливо, которое удовлетворяет ряду требований и обеспечивает возможность его использования в наземной технике массового применения. Указанные требования включают безопасность, технологичность, совместимость с конструкционными материалами, наличие освоенных технологий производства, доступность и возобновляемость сырья, низкую стоимость конечного продукта, используемого в качестве топлива.

Исследованиями установлено, что некоторые продукты азотной промышленности могут рассматриваться как компоненты новых видов унитарных топлив. Такими веществами являются композиция карбамида (CO(NH₂)₂ - горючий компонент) и аммиачной селитры (NH₄NO₃ - окислитель). Применение смеси этих веществ в виде водного раствора, т. е. в жидком виде, открывает новые возможности. Концентрированные растворы этих веществ вблизи стехиометрической пропорции (80 % аммиачной селитры и 20 % карбамида) в условиях повышенной температуры (более 300 °С) под давлением в присутствии катализаторов реагируют экзотермически с высоким газообразованием и тепловыделением по схеме:

3NH₄NO₃ + CO(NH₂)₂ = 8H₂O + 4N₂ + CO₂.

Один килограмм сбалансированной по составу смеси в результате реакции образует 900 л парогаза (смеси водяных паров, азота и углекислого газа), кроме этого выделяется 850 ккал тепловой энергии, повышающей температуру. По энерговыделению отмеченная композиция веществ близка к пироксилиновому пороху и может быть названа "азотным топливом". Азот выделяется в молекулярном виде.

Рассмотрение азотного топлива с точки зрения его производства и процессов, происходящих при энерговыделении, показывает, что оно наиболее полно удовлетворяет принципам, заложенным при поиске нового вида энергоносителя. Оно безопасно, не токсично, технологично, производится из доступного сырья по существующим технологиям на действующих предприятиях, имеет в 2…3 раза меньшую стоимость (в расчете на эквивалентное углеводородному топливу энерговыделение). Существует возможность организации производства азотного топлива из возобновляемых видов сырья - воды, воздуха, биомассы.

Поршневые двигатели на азотном топливе

Для использования азотного топлива в существующих ДВС необходима их модернизация, так как имеются некоторые особенности. Так, азотное топливо при определенном соотношении компонентов может использоваться без потребления атмосферного воздуха. В этом случае режим работы ДВС реализуем в двухтактном цикле.

Расчеты показывают, что наибольшая термическая эффективность достигается, если в составе топлива будет некоторый избыток горючей составляющей, а недостающий окислитель будет получен в виде предварительно сжатого воздуха. Этот режим можно реализовать в типовом двухтактном цикле с продувкой цилиндра воздухом.

Винтовые ступенчатые двигатели

Особенности азотного топлива позволяют рассматривать перспективные схемы двигателей, в которых реализуются циклы, обладающие рядом преимуществ по сравнению с известными для современных ДВС. Как отмечалось выше, азотное топливо при сбалансированном составе горючего и окислителя не требует использования атмосферного воздуха, а процесс можно вести при температуре не более 500…700 °C. Это дает основание рассматривать возможность применения поточных процессов в двигателях объемного типа.

Один из вариантов объемного двигателя поточного принципа действия с вращающимися рабочими элементами - агрегат на основе стандартных цилиндрических роторов с винтовой нарезкой, используемых в винтовых компрессорах. В настоящее время уже накоплен некоторый опыт использования винтовых модулей в качестве двигателей.

Винтовой элемент с цилиндрическими роторами обеспечивает степень сжатия/расширения около 2,5. Для получения суммарной степени расширения на уровне 16 требуются три ступени расширения.

Винтовые двигатели глубокого расширения

Винтовой двигатель объемного типа с поточным процессом глубокого расширения реализуется при использовании конических роторов с винтовой нарезкой. В такой расширительной машине за один проход газов обеспечивается степень расширения 18...20, что характерно для дизельного двигателя.

Расчеты показывают, что мощность 10 кВт при частоте вращения вала 2000 мин-1 может быть получена при большом диаметре ротора 100 мм и его длине 230 мм. Мощность 100 кВт можно получить при той же частоте вращения, диаметре ротора 200 мм и длине 500 мм. Термический к.п.д. в таких двигателях ожидается на уровне 60 %, т.е. близок к поршневым вариантам. В настоящее время разработана технология изготовления сложных пространственных элементов, необходимых для такого двигателя.

Второй вариант ротационного двигателя назван "роторно-волновым". В таком двигателе корпус выполнен коническим с имеющимися винтовыми каналами на внутренней стороне. Ротор также имеет винтовую форму. Кроме того, он помимо вращения совершает движения по образующей конуса.

В результате такого сложного движения винтовые выступы на роторе отсекают объемы газа, которые сдвигаются от центральной узкой части корпуса к периферийной, расширяясь и за счет давления газов создавая вращательный момент на роторе.
Изготовление волнового двигателя требует разработки технологии формирования сложных поверхностей корпуса и ротора.
Таким образом, возможности организации процесса на азотном топливе при высоком давлении, но при умеренной температуре газа открывают перспективу создания нового типа двигателя.

[Напоминаем, что Интернет-вариант статьи сильно сокращен. Ред.]