Двигатель внутреннего сгорания

Это самый распространённый в настоящее время тип двигателей. Чем он хорош? Тем, что отлично подходит к имеющемуся в настоящее время топливу – бензину, газу, солярке. Кроме того, конструкция за долгие годы отработана: рассчитать, спроектировать и построить двигатель с необходимыми параметрами не составляет особого труда. Однако, недостатки тоже имеются: низкий КПД, сложность конструкции, высокая шумность и вибрации, большая стоимость, высокий уровень загрязнения воздуха.

КПД бензинового двигателя составляет около 25-30%, дизельных двигателей 30-35% и только на стационарных мощных дизелях достигается КПД до 40% и выше. Увы ! Эти цифры относятся к работе двигателей на оптимальных режимах. Транспортные двигатели вынуждены работать в изменяющихся и неоптимальных режимах, поэтому их КПД в большинстве случаев гораздо ниже максимального – 10-15%.

Сложность конструкции типичного ДВС даже не нужно объяснять – достаточно заглянуть под капот современного автомобиля. Сколько там всяких вспомогательных агрегатов! А ведь в школьном учебнике физики ДВС выглядит очень просто и понятно. К сожалению, практика оказалась весьма далека от теории. И вместо того, чтобы просто использовать двигатель другого типа, целый век продолжают «совершенствовать» ДВС, пытаясь ликвидировать или хотя-бы уменьшить его врождённые недостатки.

Впрочем, не о том сейчас речь. А о том, что ископаемое топливо скоро закончится. Сейчас автомобили стараются перевести «на газ», т.к. он дешевле бензина. Думаю, что скоро начнётся и массовый выпуск автомобилей, работающих только на газе. Действительно, зачем возить внутри автомобиля занимающий немало места бензобак и, кроме того, ещё уменьшать объём багажника газовыми баллонами? Да и бензиновый двигатель при переключении на газ ухудшает свои характеристики – лучше уж сразу поставить мотор, оптимизированный под метан. Хотя, небольшой резервный бензобак на всякий случай можно и оставить – если газ закончится в чистом поле, из канистры ведь не заправишься.

Поскольку газ тоже закончится, да и не ко всем странам подведены магистральные газопроводы, делаются попытки заменить бензин и солярку другими источниками топлива: растительным маслом, спиртом, синтетическим моторным топливом из угля.

Наивно полагать, что растительное масло сможет заменить нефть: человечество и так стоит на пороге всемирного голода – население растёт, а количество пригодных для ведения сельского хозяйства земель стремительно сокращается. Конечно, количество выращиваемого на топливо рапса и прочих масличных культур увеличивается, но это происходит потому, что производить обычную сельхозпродукцию на некоторых полях невыгодно по разным причинам. К тому-же, на развитие биотоплива государство обычно выделяет дотации.

Разумеется, само по себе масло не может использоваться в качестве моторного топлива. Для этого его подвергают реакции взаимодействия с метиловым спиртом и получают диметиловый эфир (ДМЭ). Но для работы на чистом ДМЭ нужна переделка двигателя, поэтому применяется смесь B 30 – 30% ДМЭ и 70% обычного дизтоплива. На такой смеси может работать без переделки обычный дизельный двигатель.

Этиловый спирт (этанол), производимый из сельскохозяйственных отходов – хороший вариант. Но только для тех стран, где много таких отходов. Причём не каких угодно, а желательно – достаточно влажных частей растений (стебли кукурузы или сахарного тростника). К тому-же, теплотворная способность этанола гораздо ниже, чем у бензина. Поэтому на обычных двигателях его можно применять только в качестве добавки к топливу. Для работы на чистом спирте нужно переделывать двигатель, но он при этом не сможет работать на бензине. Понятно, что такое имеет смысл всего в нескольких странах мира. В настоящее время применяются топливные смеси бензина с примесью этанола Е10 и Е85 (10 и 85% этанола соответственно). Такие топливные смеси даже получили собственное название – газохол.

Метиловый спирт (метанол). В принципе, его можно относительно недорого получать из чего угодно – угля, газа, нефти, опилок, с/х отходов. Но для работы на чистом метаноле двигатель также необходимо переделывать. А кроме того, ещё и топливную систему. К тому-же, метанол - достаточно агрессивная жидкость и весьма желательно применять специальные материалы. Не говоря уж о том, что метанол – сильный яд.

Синтетическое моторное топливо. А вот это, в самом деле, неплохой вариант ! Технологии давно отработаны – ещё во вторую мировую войну Германия воевала на синтетическом топливе. А после войны наибольшее развитие эта технология получила в ЮАР, которая осталась без нефти из-за международного эмбарго, вызванного политикой апартеида. Правда, сейчас в ЮАР работает только один завод, да и то на дотации государства – при присутствии на рынке нефти эта технология совершенно неконкурентноспособна. А вот когда нефти не станет – деваться будет некуда. Впрочем, не всё так безоблачно. В мире сейчас добывается в год около 5 млрд. тонн угля и 4 млрд. тонн нефти. Причём, добывать уголь становится всё труднее: увеличивается глубина шахт, уменьшается толщина пластов, горизонтальные пласты вырабатываются, остаются крутопадающие. В общем, чем дальше, тем сложнее и дороже. А ведь для производста тонны синтетического топлива нужны 4 тонны угля. Т.е. чтобы заменить 4 млрд. тонн нефти, нужно дополнительно добывать 16 млрд. тонн угля. Фактически – увеличить добычу угля в 4 раза !

В любом случае, на ближайшие десятилетия двигатель внутреннего сгорания останется основным типом двигателей для наземных транспортных средств.

Двигатель с внешним подводом тепла ("внешнего сгорания")

Наиболее распространены два типа этих источников энергии: паровые котлы и двигатели Стирлинга. В отличие от двигателей внутреннего сгорания источник нагрева здесь может быть любой: нефть, газ, дрова, уголь, солнечная, геотермальная или ядерная энергия. Кроме независимости от типа топлива есть и ещё один козырь: топливо сгорает в стационарном режиме при невысоком давлении, благодаря чему содержание окислов углерода и азота в выхлопных газах крайне мало.

Классические варианты использования «внешников» на транспорте – паровоз и пароход. Паровые автомобили в конце 19-го / начале 20-го веков также выпускались, но проиграли бензиновым автомобилям. Основная причина этого – большие габариты и масса паровой силовой установки по сравнению с двигателями внутренего сгорания той-же мощности.

В настоящее время паровые котлы в связке с паровыми турбинами применяются только на судах. Дело в том, что паровая турбина имеет высокие показатели экономичности только на стационарных режимах работы, что препятствует её применению на легковом и железнодорожном транспорте (даже без учёта массо-габаритных показателей). А вот на судах, где режим движения может не меняться сутками и нет ограничений по массе и размерам, такой тип силовой установки пришёлся как нельзя кстати. Топливом для парового котла служит топочный мазут или другие нефтяные фракции. Но при необходимости котёл вполе можно переоборудовать на сжигание водно-угольной суспензии.

Более перспективным двигателем внешнего сгорания является двигатель Стирлинга. Изобретённый в 1816 году, он переживает сейчас второе рождение. Связано это прежде всего с энергосбережением и альтернативной энергетикой: источником тепла может служить не только сжигаемое органическое топливо, но и концентрированный солнечный свет. Также, двигатель Стирлинга обеспечивает максимальный практический КПД при заданной разнице нагревателя и холодильника, что важно при использовании низкопотенциальных источников тепла (например, геотермальная энергия). Кроме того, колоссальные деньги в разработку двигателей Стирлинга сейчас вкладывают военные. Дело в том, что двигатели этого типа идеально подходят для подводных лодок. В отличие от дизельных подводных лодок они могут находиться в подводном положении больше месяца, но стоят при этом в 5 раз дешевле атомных. Сейчас серийно строятся лодки такого типа в Швеции, Японии, Франции и Австралии, за ними вдогонку ринулись Германия и США.

Двигатель Стирлинга имеет следующие преимущества:

• практически всё тепло нагревателя проходит через двигатель, совершая работу, что позволяет извлечь максимум энергии из перепада температур
• высокий практический КПД – в уже существующих моделях достигается 40%, а при изготовлении двигателей из керамики ожидается его увеличение до 60
• практическая многотопливность двигателя – ему, в отличие от ДВС, подойдёт в буквальном смысле слова «всё что горит»
• двигателю важен перепад температур, а не её значения – он будет работать и в том случае, если охлаждается холодный цилиндр, а не нагревается горячий
• двигатель герметичен, что предотвращает попадание в него пыли и абразивный износ
• поскольку сгорание происходит вне рабочего объёма, масло не соприкасается с продуктами горения и не окисляется
• в отличие от ДВС, двигатель работает без взрывных процессов в цилиндрах, т.е плавно, без особых вибраций и шума.
• двигатель не имеет выпускных клапанов и резко расширяющихся выхлопных газов, что опять-же делает двигатель почти бесшумным и исключает необходимость в глушителе
• может работать вообще без сжигания топлива – на тепловых аккумуляторах
• большой моторесурс и надёжнось двигателя

Недостатки также имеются:

• для эффективной теплопередачи (а она осуществляется переносом нагретого газа) необходимы давления 40-200 атмосфер
• в двигателе должно обеспечиваться малое гидродинамическое сопротивление, для чего применяют в качестве рабочего тела обладающие малой вязкостью водород или гелий; однако, благодаря этому они также имеют способность просачиваться в малейшую трещинку и необходимо применять очень надёжные уплотнения
• в отличие от ДВС, тепло подводится к рабочему телу «издалека», через стенку цилиндра, поэтому двигатель Стирлинга медленнее изменяет режим работы
• поскольку через двигатель проходит вся тепловая энергия, необходимо обеспечить эффективный отвод тепла от холодного цилиндра (в ДВС с выхлопными газами уходит 80% тепла), для чего нужен большой радиатор

Таким образом, самым очевидным местом применения двигателей Стирлинга является водный транспорт, где забортная вода для охлаждения имеется в неограниченном количестве и нет резких разгонов/остановок.

На автомобильном транспорте применение этого двигателя рационально только в составе гибридной силовой установки – в качестве постоянно работающего маломощного двигателя, подзаряжающего тяговые аккумуляторы. Но подходящих для этой роли ДВС и так имеется в избытке, так что пока есть нефть - никто экспериментировать не будет. А когда она закончится, возможно мы увидим на транспорте стирлинги, работающие на водно-угольной суспензии или любом другом виде топлива, которое будет распространено в то время.