Пороховий двигун
1), оскільки кисень повітря О2 витрачається на утворення оксидів Н2О та СО2. В результаті при однаковій калорійності зарядів Q (і однаковій температурі згоряння Т1) початковий тиск газів у пороховому циліндрі може бути набагато вищим. Після закінчення згоряння термодинамічні процеси в такті розширення будуть приблизно однакові, але з урахуванням більш високого тиску Р1 порохових газів корисна робота продуктів згоряння палива-пороху може бути істотно вищою за роботу «термічного» розширення газів у циліндрах повітряно-теплових ДВС. Таким чином , пороховий цикл не «прив'язаний» до повітряного окислювача, процесів впуску та стиснення в циліндрах ДВЗ. З урахуванням високого газоутворення та вищої калорійності порохових навішень (Q
900 кал/г) у порівнянні з тією ж масою повітряно-нафтової суміші (Q = 630 кал/г) ефективність порохових двигунів може набагато перевищувати потужнісні показники звичайних ДВС.
Сучасні порохові системи Порохові системи теперішнього часу відрізняються складнішим складом. Сьогодні розробляються навіть технології рідких метальних монопалив для артилерії (крім «давно відомих» вибухових речовин із близьким хімічним складом). Але суть твердих або рідких енергонасичених систем залишається незмінною: пороху, ракетні палива та піротехнічні суміші – це концентровані носії і робочих тіл, і хімічної енергії «окислювач + пальне». Як правило, активний кисень у таких енергонасичених системах закріплений в азотних сполуках (у солях-нітратах NO3- і нітросполуках R – NO2), де його зв'язки з азотом менш міцні, ніж знову утворені зв'язки кисню з воднем (Н2О) та вуглецем (СО2, СО). Можливість використання порохових систем як моторнихпалив для двигунів обмежена тією ж ознакою, яка перешкоджала цьому і на зорі створення ДВС. А саме складністю подачі циклової порції (дози) твердого палива в реакційну камеру циліндра. Крім того, сухі порохові суміші надзвичайно пожежонебезпечні; продукти згоряння багатьох енергонасичених систем дуже неекологічні; вартість порохів - дуже і дуже велика. Властивість деяких азотних сполук, багатих киснем, віддавати останній (кисень) для окислення горючих речовин, використовується для форсування деяких ДВС на звичайному рідкому паливі. Так, ще в 1930-ті роки, вирішуючи питання короткочасного збільшення потужності бензинових авіадвигунів літаків на великій висоті, використовували введення в циліндри рідкого закису азоту N2О. При спалаху бензино-повітряної суміші закис азоту легко розпадається в циліндрах ДВС на азот і вільний кисень: N2O = N2 + ½ O2. Реакція розпаду закису азоту – екзотермічна (Q = 445 ккал/кг), з утворенням нових газів (Vн. у. = 763 л/кг). Крім того, масова частка кисню в продуктах розпаду N2O становить 36%, що в 1,6 рази вище вмісту кисню (23%) у повітряному окислювачі. Надлишок кисню в циліндрах (за аналогією з «наддувом» двигуна) дозволяє збільшити подачу пального-бензину, чим досягається форсування ДВЗ, що споживає частину окислювача з рідкої фази N2O, що не вимагає витрат на роботу стиснення. В даний час в спортивному тюнінгу автомобільних двигунів, поряд з підсадженням закису азоту (технологія фірми «NOS»), застосовують добавки в бензин розчинних окислювач містять нітросполук: нітробензол, нітрометан, нітропропан. Механізм дії нітроприсадок аналогічний форсуючій підсадці закису азоту: частина кисню для згоряння паливного заряду несуть у собі самі нітросполуки, де атомиокислювача «зберігаються» у неміцних зв'язках нітрогруп NO2 у рідкій фазі паливного розчину. Широко цей метод не використовується, так як нітроприсадки токсичні і дороги, деякі з них в індивідуальному вигляді вибухонебезпечні. або гелеподібної фази. Дослідження процесів горіння в середині ХХ століття показали, що згоряння багатьох рідких сумішей «пальне + окислювач» схильне до самоприскорення з обуренням і турбулізацією поверхні, що горить (ефект Ландау). У той самий час тверді ракетні палива можуть містити десятки відсотків бризантних вибухових речовин (тротил, гексоген, нітрогліцерин та інших.), але з детонувати, лише горіти за високої щільності (до 1,7 2,0 г/см3) твердопаливного монозаряду. Застосування рідких ракетних палив у звичайній наземній техніці практично виключено - через пожежу - і вибухонебезпечність компонентів, токсичність і дорожнечу (прикладом можуть бути гідразинові палива і гептил космічних ракет). Але зауважимо, що за обов'язковою умовою безпеки і дешевизни можливих енергонасичених композицій саме рідка форма енергоносія забезпечувала б необхідну технологічність. Однак такі двигуни мають бути адаптовані до особливостей азотного палива. Втім, це не виняткова особливість азотних палив: бензинові, дизельні, газові двигуни також мають свої особливості, характерні для виду палива, що використовується. Зупинимося на поршневих двигунах. При використанні збалансованих по кисню сплавів паливних стехіометрій або їхрозчинів може бути застосований двотактний цикл без впускання повітря (подібний цикл використовується, наприклад, у поршневих двигунах морських торпед). Більш широкі можливості щодо діапазону робочих температур та зберігання палива в рідкій фазі мають водно-сольові та водно-аміачні розчини-евтоніки азотних компонентів. У цьому випадку паливна маса міститиме 2 4 -кратний надлишок горючих речовин (без використання спеціальних компонентів). Тут повинен застосовуватися двотактний цикл з впуском і стисненням повітря, але кількість повітря в такому випадку потрібно менше (до 10 15 разів) в порівнянні з подібними циклами на нафтовому паливі, оскільки частина окислювача міститься в паливній суміші. Отже, витрати енергії на попереднє стиснення повітря для спалювання окислювачсодержащих азотних палив будуть меншими. Враховуючи, що для швидкого розкладання паливного окислювача-АС необхідна температура не менше 300 оС, а обсяг циклової дози та теплоємність азотних палив вище, ніж нафтопродуктів за дизельним циклом, теплоти стисненого повітря може бути недостатньо для запуску двигуна. Тому в пусковому режимі необхідно застосовувати камеру термолізу, що підігрівається. Для цього застосовні свічки розжарювання. У режимі роботи двигуна камера термолізу розігрівається за рахунок теплоти реакцій згоряння. З урахуванням потенційної енергонасиченості азотних палив можливі технічні рішення організації запуску двигуна без впуску і стиснення повітря. Розрахунки показують, що при параметрах стиснення та згоряння, близьких до показників звичайних повітряно-теплових ДВС, термічний ККД «повітряно-порохового» циклу може досягати 80 85%. Тепло-напруженістьдвигуна на водо-нітратних паливах буде суттєво нижчим через менші температури процесу (в 1,5 2 рази) – порівняно із звичайними ДВС на нафтовому паливі. У зв'язку з цим доцільна відмова від системи рідинного охолодження ДВС; необхідний рівень температури стінок циліндрів забезпечить організація повітряного охолодження. Відповідно, втрати теплоти будуть меншими, а індикаторний ККД циклу очікується на рівні 70-75%. Тому кінематична схема двигуна повинна передбачати крейцкопфний вузол у механізмі перетворення руху та відокремлення циліндра від картера двигуна. Як такий варіант може застосовуватися кривошипно-кулісний механізм перетворення руху з лінійним рухом штока поршня, відділенням циліндра від масляного картера та використанням підпоршневого об'єму як продувний насос у двотактному циклі. Ущільнення поршня в циліндрі може бути сухим із застосуванням компресійних кілець із залізо-графіту. В якості механізму газорозподілу застосовна клапанно-щілинна схема з випуском відпрацьованих газів через клапани в головці циліндра і впуском продувного повітря через вікна в середній частині циліндра з поворотною гільзою . З огляду на особливості кривошипно-кулісного механізму, що володіє вищим механічним ККД порівняно з традиційним кривошипно-шатунним механізмом, ефективний ККД двигуна на азотних паливах може бути близьким до 70%, що приблизно вдвічі вище, ніж для бензинових або дизельних двигунів. Всі зазначені конструктивні особливості двигуна технічно реалізуються і дозволяють виконати такий двигун для використання в ньому азотних палив за звичайнимимашинобудівним технологіям. Слід враховувати, що за об'ємною витратою азотного палива двигун поступатиметься показниками витрати пального нафтових ДВЗ до 2-2,5 рази. Це може вплинути на ємності паливних баків на автомобілі, але не більше. Вартість одиниці механічної енергії, виробленої з використанням азотних палив, порівняно з експлуатаційними витратами на нафтові моторні палива знижуватиметься приблизно в 3 рази (при існуючих світових цінах на бензин близько 1500 дол./т або 1,1 дол./л). 5>Азотне паливо має розглядатися як новий напрямок в отриманні та використанні альтернативних, відновлюваних та екологічно чистих енергоносіїв стосовно автомобільного, залізничного, річкового, морського транспорту, а також для електроенергетики (в основному, для автономних та локальних енергоустановок), для приводу дорожньо- будівельних та підйомно-транспортних машин та механізмів, для приводу двигунів механізмів у шахтах та гірничих виробках, для постачання стисненим газом пневматичного інструменту та механізмів. Але з огляду на те, що в сучасних умовах автомобільний транспорт є основним споживачем енергії хімічних палив, саме автомобільна промисловість може і повинна однією з перших освоїти застосування цього перспективного палива.