16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/90/6600.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 14 (90) ноябрь 2007 года

Пороховой двигатель

Наука и новые технологии В. Некрасов, А. Макаров, ТОО «Нетроэн», ФГУП «НЦ ВостНИИ»

Двигатель внутреннего сгорания является самым распространенным устройством для преобразования энергии химических топлив в механическую работу. Поршневые ДВС до сих пор прочно удерживают позиции во многих отраслях– они являются практически единственным видом двигателей в автомобильном, речном и морском транспорте.

Однако дальнейшее развитие ДВС сегодня связано с решением насущных топливных и экологических проблем.



Топливо для тепловых двигателей

Существование ДВС неразрывно связано с химическими топливами, сжигаемыми для получения зарядов сжатых рабочих газов. При этом в качестве топлив в обычных двигателях используются горючие органические вещества и воздушный окислитель из атмосферы. Первичным энергоносителем, как известно, считают горючие вещества, хранимые на борту транспортного средства. Доминирует среди них жидкое горючее нефтяного происхождения (бензин, дизтопливо, керосин). Ежегодно двигатели автомобилей потребляют около 1 млрд. тонн нефтяных топлив. Но запасы нефти ограничены и невозобновляемы.

По оценке специалистов, при существующей тенденции потребления, рентабельные месторождения горючих ископаемых будут исчерпаны примерно через 50 лет. Прогнозы специалистов на период «нефтяного голода» отличаются друг от друга, но все они укладываются в диапазон: от «проблематично» до «катастрофично». Однозначным является то, что эра дешевой нефти уже закончилась и стоимость нефтяного топлива будет лишь неуклонно возрастать – так как нефть, добытая из сверхглубоких скважин и на континентальном шельфе, всегда дороже той, которая добывалась в предыдущие годы.

В ближайшее время реальной замены ДВС, по мнению авторов, скорее всего, не предвидится. В связи с этим идет активный поиск альтернативных энергоносителей для использования в качестве моторного топлива. Впрочем, вопрос об альтернативе существующим видам топлива стоял уже с момента появления ДВС – и даже раньше.

Распространение дымного пороха в Европе XIII века и изобретение пушек навели изобретателей на мысль о возможности использования пороха для получения механической энергии. Такие попытки делали Гойтфель (1678 г.) и Гюйгенс (1680 г.).

В 1688 г. Папен продолжил опыты с пороховой машиной Гюйгенса. Эти попытки не привели к успеху.

Изобретатель процесса газификации древесного топлива француз Лебон, оформив патент на получение генераторного газа, в 1801 г. дал дополнение к своему патенту, в котором он описывает принцип газового двигателя внутреннего сгорания. К сожалению, идея Лебона не была реализована.

В 1820 г. в Англии Сесиль описал опыты с двигателем, работающим на водороде.
Известно, что первый серийный двигатель внутреннего сгорания Ленуара (1860 г.), первый четырехтактный двигатель Отто (1878 г.), ставший прообразом современных четырехтактных двигателей, и первый двухтактный двигатель Клерка (1880 г.), – все они работали на искусственном газе, как единственном виде моторного топлива, доступном в то время.

«Оторвать» ДВС от стационарных газовых сетей и сделать возможным применение его в качестве привода транспортных средств позволило сжигание в цилиндрах ДВС жидкого топлива – керосина. Это было сделано Даймлером и его сподвижником Майбахом, создавшим пульверизационный карбюратор (1893 г.), но приоритет создания пульверизационного карбюратора был отдан венгерскому ученому Банки, описавшему принцип работы карбюратора ранее (что было установлено в 30‑х гг. ХХ века).

Отсутствие нефти в Европе привело к разработке технологии каталитического синтеза жидких углеводородов из угля (реакция Фишера–Тропша). Сейчас синтетическое топливо производится на трех заводах в ЮАР, обеспечивая в стране парк автомобилей жидким топливом.

Освоение технологии сжижения попутного нефтяного газа (пропан-бутана С3Н8, С4Н10) и развитие добычи природного газа (метана СН4) привели к созданию надежных систем питания двигателей, в том числе транспортных, газовым топливом.

В качестве моторного топлива используются также спирты – метанол СН3ОН и этанол С2Н5ОН, – как в чистом виде, так и в смесях с бензином, – сокращая потребление последнего и выполняя роль экологически чистых антидетонационных добавок. Спирты производятся в основном из растительного сырья, поэтому их считают «биотопливом». Больших успехов в производстве «моторных» биоспиртов достигла Бразилия – в свое время этот вопрос решался в этой стране как государственная программа.

В некоторых сельскохозяйственных районах, где освоена технология метанового сбраживания отходов, в качестве моторного топлива используется биогаз – метан (70‑80%) в смеси с углекислым газом (20‑30%).

Для дизельных двигателей топливом может служить растительное масло или продукты его обработки метанолом (этанолом) с получением метанольного (этанольного) эфира. Перспективным в этом направлении является использование рапсового масла ввиду высокой масляничности этой культуры. В настоящее время в ряде стран, в частности в Европе, производство рапсового масла и рапсово‑метанольного эфира достигает нескольких тысяч тонн в год.

В последнее время перспективным направлением считается применение водорода. В Германии уже появились водородные заправки и автомобили на водороде, а в США проблема «водородного топлива» решается на уровне национальной программы.
Из приведенного выше краткого анализа можно видеть, что в настоящее время для питания ДВС используется целая гамма первичных энергоносителей, которые можно подразделить на две основные группы: жидкие и газообразные. Из опыта эксплуатации известно, что жидкие энергоносители более технологичны и удобны при хранении; системы жидкостного питания двигателей проще и надежнее, а зона их использования значительно шире, чем газовых двигателей.

Все рассмотренные типы ДВС на жидком или газовом топливе работают по воздушно-тепловым (газовым) циклам. Это значит, что заряд воздуха-газа {2N2 + ½ O2}, предварительно сжатого в цилиндре, за счет «подвода теплоты» реакций сгорания топлива (окислитель – кислород воздуха), нагревается до 2000‑2500 °С. При этом при нагреве его давление повышается.

Следовательно, химическая энергия топливной смеси вначале преобразуется в термическую, а затем – в потенциальную (сжатого газа). Далее газ, расширяясь, давит на поршень, преобразуя энергию избыточного давления в механическую – которая, в свою очередь, преобразуется из линейного движения поршня во вращательное движение вала двигателя. Диапазон нагрева газов, их термодинамические свойства, степень полезного расширения и сопутствующие потери при преобразовании энергии определяют, в целом, эффективность воздушно-тепловых двигателей: бензиновых ДВС – не более 30‑35%, дизельных ДВС – около 40%.



Принцип порохового цикла

Вернемся к идее порохового двигателя. В принципе, огнестрельные орудия – это пороховые ДВС, преобразующие энергию горячих сжатых рабочих газов из объема заряда в механическую (кинетическую) энергию движения снаряда. Здесь не важно, что процесс выстрела расчленен на отдельные операции, а метаемый снаряд не имеет связи с механизмом преобразования движения.

Процесс преобразования химической энергии порохового заряда происходит по другому принципу, отличному от воздушных циклов ДВС. Порох – разновидность унитарных топлив и взрывчатых веществ, содержащих в составе твердой фазы как окислитель (донор кислорода), так и горючее вещество (реципиент кислорода), способные к экзотермической реакции.

Главная особенность порохового цикла – превращение высокоплотной фазы твердых компонентов заряда в низкоплотную фазу рабочих газов. Это – результат необратимых окислительно-восстановительных реакций «горючее + окислитель = продукты-газы». Масса продуктов‑газов равна массе пороха, поэтому объем пороховых газов будет превышать объем пороха – пропорционально отношению плотностей исходного заряда и газовой фазы.

Исторически первым топливом-порохом был так называемый дымный порох – тонкая смесь порошков калиевой селитры КNO3 (68‑75%), серы (10‑15%) и древесного угля (15‑17%) – первое в эпоху Средневековья вещество, обладавшее неизвестными ранее взрывчатыми свойствами. Высокая скорость сгорания пороха (до 400 м/с) объясняется быстрым проникновением горячих поджигающих газов между частицами пороховой смеси. Эпоха дымного пороха длилась свыше 500 лет, до середины XIX века; за это время не было найдено других порохов, удобных для применения.

Сгорание дымного пороха за счет «встроенного» кислорода калиевой селитры протекает, в основном, по следующему уравнению:
2КNO3 + 3C + S = K2S + 3CO2 + N2.

Температура продуктов вспышки дымного пороха достигает до Т1 = 2100 °С, с выделением до Q = 585 ккал теплоты и до Vн. у. = 280 л газов на 1 кг смеси. Продукты реакции содержат примерно 50% по массе твердых и жидких частиц калиевых солей (K2S, K2CO3, K2SO4), почти не участвующих в работе расширения газов (CO2, N2, СО). Это снижает работоспособность заряда из «слабого» дымного пороха – в сравнении с показателями бездымных порохов на основе пироксилина, имеющего более высокую теплоту сгорания и не содержащего в продуктах твердых остатков (Q = 900 ккал/кг, Vн. у. = 1000 л/кг):
C24H29O9 (ONO2) 11 = 12СО2 + 12СО + 6Н2О (пар) + 8,5Н2 + 5,5N2.

Таким образом, главная физико-химическая особенность пороховых систем как энергоносителей состоит в том, что все топливные компоненты (и горючие, и окислители, и рабочие газы), подобно чрезвычайно сжатой пружине, хранятся при весьма высокой плотности кристаллов и молекулярных связей конденсированной фазы (K-фазы). При возбуждении реакции от искры или капсюля-воспламенителя происходит необратимое экзотермическое фазовое превращение вещества (газораспад), когда объем полученных газов превышает объем исходного заряда примерно в тысячу раз. При сжигании навески бездымного пороха в камере постоянного объема V = const, содержащей n0 моль газов, продукты сгорания (n1 моль) по уравнению состояния газов развивают давление Р1 – пропорционально отношению присутствующих количеств газов в камере после реакции и до нее (n1/n0 >>1), умноженному на отношение их абсолютных температур (Т1/Т0).

Из рассмотренного следует, что на первом этапе (подготовка рабочего заряда) процессы в воздушно-тепловых ДВС отличаются от подготовки стрелкового выстрела. Так, топливная смесь в обычных ДВС готовится из двух компонентов: заряда воздуха-окислителя (более 90‑94%) и дозы горючего (менее 6‑10%). Поскольку плотность газов мала, весь воздушный окислитель (все газы) перед сжиганием топливной смеси предварительно сильно сжимают.

В «пороховом» сценарии необходимости в такте сжатия нет. Плотность порохов – «уже» на 3 порядка выше плотности газов. Монотопливо‑порох при плотности 1 г/см3 будет эквивалентно 700-кратно сжатому заряду воздуха с добавкой нефтяного горючего. На этапе сжигания зарядов процессы энерговыделения также идут различно. Сжигая в камере V пороховой заряд, мы получим более высокое начальное давление газов по сравнению с давлением вспышки сжатой воздушно-нефтяной смеси той же массы m и калорийности Q.

Дело в том, что сгорающая пороховая масса образует новые газы, которых ранее не было ,– в дополнение к уже присутствующим (или сжатым) газам в надпоршневом объеме V цилиндра ДВС. Но при сгорании воздушно-нефтяной смеси число молей продуктов воздушного сгорания почти не отличается от числа молей исходного воздуха (n1/n0 ~ 1), поскольку кислород воздуха О2 расходуется на образование оксидов Н2О и СО2. В итоге при одинаковой калорийности зарядов Q (и одинаковой температуре сгорания Т1) начальное давление газов в пороховом цилиндре может быть намного выше. После окончания сгорания термодинамические процессы в такте расширения будут примерно одинаковы, но с учетом более высокого давления Р1 пороховых газов полезная работа продуктов сгорания топлива-пороха может быть существенно выше работы «термического» расширения газов в цилиндрах воздушно-тепловых ДВС.

Таким образом, пороховой цикл не «привязан» к воздушному окислителю, процессам впуска и сжатия в цилиндрах ДВС. С учетом высокого газообразования и более высокой калорийности пороховых навесок (Q ~ 900 кал/г) по сравнению с той же массой воздушно-нефтяной смеси (Q = 630 кал/г) эффективность пороховых двигателей может намного превосходить мощностные показатели обычных ДВС.



Современные пороховые системы

Пороховые системы настоящего времени отличаются более сложным составом. Сегодня разрабатываются даже технологии жидких метательных монотоплив для артиллерии (не считая «давно известных» взрывчатых веществ с близким химическим составом). Но суть твердых или жидких энергонасыщенных систем остается прежней: пороха, ракетные топлива и пиротехнические смеси – это концентрированные носители и рабочих тел, и химической энергии «окислитель + горючее». Как правило, активный кислород в таких энергона-сыщенных системах закреплен в азотных соединениях (в солях-нитратах NO3- и нитросоединениях R – NO2), где его связи с азотом менее прочные, чем вновь образуемые связи кислорода с водородом (Н2О) и углеродом (СО2, СО).

Возможность использования пороховых систем как моторных топлив для двигателей ограничена тем же признаком, который препятствовал этому и на заре создания ДВС. А именно – сложностью подачи цикловой порции (дозы) твердого топлива в реакционную камеру цилиндра. Кроме того, сухие пороховые смеси чрезвычайно пожароопасны; продукты сгорания многих энергонасыщенных систем – весьма неэкологичны; стоимость порохов – весьма и весьма велика.

Свойство некоторых азотных соединений, богатых кислородом, отдавать последний (кислород) для окисления горючих веществ, используется для форсирования некоторых ДВС на обычном жидком топливе. Так, еще в 1930‑е годы, решая вопрос кратковременного увеличения мощности бензиновых авиадвигателей самолетов на большой высоте, использовали введение в цилиндры жидкой закиси азота N2О. При вспышке бензино-воздушной смеси закись азота легко распадается в цилиндрах ДВС на азот и свободный кислород:
N2O = N2 + ½ O2.

Реакция распада закиси азота – экзотермическая (Q = 445 ккал/кг), с образованием новых газов (Vн. у. = 763 л/кг). Кроме того, массовая доля кислорода в продуктах распада N2O составляет 36%, что в 1,6 раза выше содержания кислорода (23%) в воздушном окислителе {2N2 + ½ O2}. Избыток кислорода в цилиндрах (по аналогии с «наддувом» двигателя) позволяет увеличить подачу горючего–бензина, чем достигается форсирование ДВС, потребляющего часть окислителя из жидкой фазы N2O, не требующей затрат на работу сжатия. В настоящее время в спортивном тюнинге автомобильных двигателей, наряду с подсадками закиси азота (технология фирмы «NOS»), применяют добавки в бензин растворимых окислительсодержащих нитросоединений: нитробензол, нитрометан, нитропропан. Механизм действия нитроприсадок аналогичен форсирующей подсадке закиси азота: часть кислорода для сгорания топливного заряда несут в себе сами нитросоединения, где атомы окислителя «хранятся» в непрочных связях нитрогрупп NO2 в жидкой фазе топливного раствора. Широко этот метод не используется, так как нитроприсадки токсичны и дороги, некоторые из них в индивидуальном виде взрывоопасны.

В ракетной, космической и оборонной технике известны смесевые топлива на основе соединений азота, содержащие и горючие компоненты, и окислители в твердой, жидкой или гелеобразной фазе.

Исследования процессов горения в середине ХХ века показали, что сгорание многих жидких смесей «горючее + окислитель» склонно к самоускорению с возмущением и турбулизацией горящей поверхности (эффект Ландау). В то же время твердые ракетные топлива могут содержать десятки процентов бризантных взрывчатых веществ (тротил, гексоген, нитроглицерин и др.), но не детонировать, а лишь гореть при высокой плотности (до 1,7‑2,0 г/см3) твердотопливного монозаряда. Применение жидких ракетных топлив в обычной наземной технике практически исключено – по причине пожаро- и взрывоопасности компонентов, токсичности и дороговизны (примером могут служить гидразиновые топлива и гептил космических ракет). Но заметим, что при обязательном условии безопасности и дешевизны возможных энергона-сыщенных композиций именно жидкая форма энергоносителя обеспечивала бы необходимую технологичность.



Варианты использования азотных топлив

Азотные энергоносители могут использоваться в поршневых, роторных и газотурбинных двигателях. Однако такие двигатели должны быть адаптированы к особенностям азотных топлив. Впрочем, это не исключительная особенность азотных топлив: бензиновые, дизельные, газовые двигатели также имеют свои особенности, характерные для используемого вида топлива. Остановимся на поршневых двигателях.

При использовании сбалансированных по кислороду сплавов топливных стехиометрий или их растворов может быть применен двухтактный цикл без впуска воздуха (подобный цикл используется, например, в поршневых двигателях морских торпед). Более широкие возможности по диапазону рабочих температур и хранению топлива в жидкой фазе имеют водно‑солевые и водно-аммиачные растворы-эвтоники азотных компонентов. В этом случае топливная масса будет содержать 2‑4 -кратный избыток горючих веществ (без использования специальных компонентов). Здесь должен применяться двухтактный цикл с впуском и сжатием воздуха, но количество воздуха в таком случае требуется меньшее (до 10‑15 раз) по сравнению с подобными циклами на нефтяном топливе, так как часть окислителя содержится в топливной смеси. Следовательно, затраты энергии на предварительное сжатие воздуха для сжигания окислительсодержащих азотных топлив будут меньшими. Учитывая, что для быстрого разложения топливного окислителя-АС необходима температура не менее 300 оС, а объем цикловой дозы и теплоемкость азотных топлив выше, чем нефтепродуктов по дизельному циклу,  теплоты сжатого воздуха может быть недостаточно для запуска двигателя. Поэтому в пусковом режиме необходимо применять подогреваемую камеру термолиза. Для этого применимы свечи накаливания. В режиме установившейся работы двигателя камера термолиза разогревается за счет теплоты реакций сгорания. С учетом потенциальной энергонасыщенности азотных топлив возможны технические решения организации запуска двигателя без впуска и сжатия воздуха.

Расширение газов в цилиндре «воздушно-порохового» ДВС целесообразно более полное, до давления выпуска, близкого к атмосферному. Расчеты показывают, что при параметрах сжатия и сгорания, близких к показателям обычных воздушно-тепловых ДВС, термический КПД «воздушно-порохового» цикла может достигать 80‑85%.

Теплонапряженность двигателя на водо-нитратных топливах будет существенно ниже ввиду меньших температур процесса (в 1,5‑2 раза) – по сравнению с обычными ДВС на нефтяном топливе. В связи с этим целесообразен отказ от системы жидкостного охлаждения ДВС; необходимый уровень температуры стенок цилиндров обеспечит организация воздушного охлаждения. Соответственно, потери теплоты будут меньшими, а индикаторный КПД цикла ожидается на уровне 70‑75%.

Водо-нитратные растворы не допускают контакта топлива с маслом в связи с возможностью эмульгирования и старения масел, с потерей ими смазывающих свойств. Поэтому кинематическая схема двигателя должна предусматривать крейцкопфный узел в механизме преобразования движения и отделение цилиндра от картера двигателя. В качестве такого варианта может применяться кривошипно-кулисный механизм преобразования движения с линейным движением штока поршня, отделением цилиндра от масляного картера и использованием подпоршневого объема в качестве продувочного насоса в двухтактном цикле. Уплотнение поршня в цилиндре может быть сухим с применением компрессионных колец из железо-графита.

В качестве механизма газораспределения применима клапанно-щелевая схема с выпуском отработавших газов через клапаны в головке цилиндра и впуском продувочного воздуха через окна в средней части цилиндра с поворотной гильзой.

Учитывая особенности кривошипно-кулисного механизма, обладающего более высоким механическим КПД по сравнению с традиционным кривошипно-шатунным механизмом, эффективный КПД двигателя на азотных топливах может быть близок к 70%, что примерно в два раза выше, чем для бензиновых или дизельных двигателей.

Все отмеченные конструктивные особенности двигателя технически реализуемы и позволяют выполнить такой двигатель для использования в нем азотных топлив по обычным машиностроительным технологиям.

Следует учитывать, что по объемному расходу азотного топлива двигатель будет уступать показателям расхода горючего нефтяных ДВС до 2– 2,5 раза. Это может отразиться на емкости топливных баков на автомобиле, но не более. Стоимость единицы механической энергии, произведенной с использованием азотных топлив, по сравнению с эксплуатационными расходами на нефтяные моторные топлива будет снижаться примерно в 3 раза (при существующих мировых ценах на бензин около 1500 долл./т или 1,1 долл./л).

Азотное топливо должно рассматриваться как новое направление в получении и использовании альтернативных, возобновляемых и экологически чистых энергоносителей применительно для автомобильного, железнодорожного, речного, морского транспорта, а также для электроэнергетики (в основном, для автономных и локальных энергоустановок), для привода дорожно‑строительных и подъемно-транспортных машин и механизмов, для привода двигателей механизмов в шахтах и горных выработках, для снабжения сжатым газом пневматического инструмента и механизмов. Но, учитывая, что в современных условиях автомобильный транспорт является основным потребителем энергии химических топлив, именно автомобильная промышленность может и должна одной из первых освоить применение этого перспективного топлива.
ДЛЯ СПРАВКИ

Оказывается, аккумулировать механическую энергию газов удобно в легкоплавких смесях («окислитель + горючее + вода») азото-водородных топлив. Смеси промышленных растворов аммиачной селитры NH4NО3, карбамида CO (NH2) 2 и др. (например, жидких азотных удобрений) по энергозапасу могут быть сравнимы с бездымным порохом, но при этом – пожаро-взрывобезопасны, экологичны и не требуют кислорода воздуха.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 14 (90) ноябрь 2007 года:

  • Препятствий для внедрения роторно-лопастных двигателей нет

    Среди двигателей внутреннего сгорания необычных схем наиболее перспективным считается так называемый роторно-лопастной ДВС. Отличительной особенностью этого типа ДВС является наличие кольцевой камеры, в которой вращаются в одном направлении с переменной угловой скоростью два ротора с двумя парами лопастей. Кольцевая камера создается между круговой (например, цилиндрической) расточкой в корпусе (рабочая полость) и концентрически распол...

  • Блиц

    Тепловые электростанции ближайшей зимой должны будут покрыть значительный рост энергопотребления. Об этом на совещании в РАО ЕЭС заявил Анатолий Чубайс. По его данным, рост энергопотребления, который придется обеспечить тепловой генерацией, составит 17,6 процента. В то же время максимальный прирост поставок газа составит в лучшем случае 3 процента. Следовательно, существенная роль предстоящей зимой отводится угольной генерации и испо...

  • Великобритания: Автобусы на пищевом жире

    В рамках нового проекта по выпуску экологически чистого транспорта власти шотландского графства Эршир введут в эксплуатацию городские автобусы, в которых вместо бензина будут использоваться пищевые жиры. Стопроцентно экологически чистым топливом будут служить жир, оставшийся после приготовления пищи, и другие отходы пищевой отрасли. Первые 10 минут курсирования по маршруту автобусы будут работать на бензине. После того как температура ...

  • Компания «Промтехресурсы» оснащает лидеров
    Компания «Промтехресурсы» оснащает лидеров

    Более двух тысяч зрителей собрались 17 сентября в летнем амфитеатре Витебска на торжественную церемонию открытия IV Международных соревнований оперативно-ремонтного персонала предприятий распределительных электрических сетей СНГ. Председатель исполнительного комитета Электроэнергетического совета СНГ Е. Мишук начал церемонию открытия с приветствия команд-участниц из России, Белоруссии, Армении, Казахстана, Таджикистана, Киргизии и Узб...

  • Игра в катастрофу
    Игра в катастрофу

    «…Спустя двадцать лет после трагедии на Чернобыльской АЭС, в 2006 году, произошел новый взрыв. Со стороны это выглядело так, будто все похороненное под саркофагом ядерное топливо разом взлетело на воздух, но, как выяснилось позже, эпицентр взрыва находился не у блоков самой АЭС, а в километре от них… Тем временем зона катастрофы кардинально менялась, становилась опаснее». К счастью, это цитата не из ленты новостей, а плод воображения ав...