Экологически чистый каталитический двигатель

  На рубеже ХХI века крайне обострилась проблема экологии. Атмосфера городов насыщена парами ядовитых соединений настолько, что само существование человека поставлено под угрозу. Основной вклад в загрязнение воздушного бассейна города вносит автомобильный транспорт – до 60 %, выбросы котельных и ТЭЦ составляют до 30 % и лишь 10 % составляют выбросы промышленных предприятий. Причем особую опасность представляют из себя диоксины, бенз(а)пирен и тетраэтилат свинца, а также СО и СН, содержащиеся только в выхлопных газах. Окись углерода связывает кислород, находящийся в кровообращении человека и приводит к отравлению организма собственными метаболитами, удушью [1]. Диоксины вызывают кожные заболевания, поражение имунной системы, а тетраэтилат свинца приводит к раковым заболеваниям.
   Решение проблемы по части ТЭЦ было найдено в МЭИ на основе концепции экологически чистой солнечно-топливной электростанции [2]. Основную роль в снижении выбросов NOх, SOx, и других вредных соединений обеспечивал каталитический парогенератор, работающий на органическом топливе и практически не загряз-няющий окружающую среду. В настоящее время разработан эскизный проект и действующая модель такой электростанции, и возможно, в скором времени будет создан первый головной образец тепловой мощностью 2 МВт, аналогов которому еще нет и за рубежом.
   Однако проблема создания экологически чистого автомобильного двигателя еще далека от своего решения. Причин этому несколько. Главной трудностью является обеспечение требуемой мощности двигателя на 1 кг веса автомобиля. Бензиновые и дизельные двигатели достигли в настоящее время такого совершенства, что за ними не угнаться ни электромобилю, ни водородному двигателю. Для сравнения заметим, что 1 кг бензинового двигателя эквивалентен мощности 2400 Вт, тогда как в электромобиле можно достичь величины не более 16 Вт. К тому же пробег электромобиля без подзарядки не превышает 100 км, а его грузоподъемность ничтожна. Водородный двигатель еще не может работать автономно. Для него необходим запас жидкого водорода в виде топлива, закаченного в криогенные баки автомобиля. Жидкий водород обладает высокой взрывоопасностью, что необходимо учитывать при проектировании автомобиля.
   В ЭНИНе им. Кржижановского в 1999–2000 гг. по заказу ОАО «Энергомашкорпорация» были проведены исследования возможности создания каталитического двигателя для автомобиля, работающего как на природном газе, так и на очищенном бензине. Результаты работ показали, что такой двигатель возможен, и по своим техническим характеристикам он будет даже превосходить серийно освоенные двигатели. Здесь следует отметить принципиальную разницу в способе получения механической энергии от двигателя. Все существующие на сегодняшний день двигатели выполнены по схеме «ДВС» (двигателя внутреннего сгорания). Топливо непосредственно сжигается в рабочей камере (в головке блока цилиндров) и тепловая энергия расширяющегося газа передается на поршни двигателя, совершающие поступательное движение. Поршни приводят во вращательное движение коленчатый вал, соединенный с трансмиссией автомобиля. Далее крутящий момент передается на колеса.
   В отличие от ДВС каталитический двигатель выполнен по давно забытому способу внешнего сгорания, применявшемуся на первых паровых машинах. Глубокое беспламенное окисление топлива происходит во внешнем объеме двигателя, в паровом котле-парогенераторе 1 (рис. 1). Перегретый пар с выхода бортового котла-парогенератора направляется на турбоэкспандер 2, где расширяется до температуры +900С, производя полезную механическую работу. Рабочий вал турбоэкспандера, вращаясь с частотой 6000 об/мин, приводит в движение электрогенератор 3 и крыльчатку вентилятора. По проводам ток подводится через управляющее устройство (УУ) к системе мотор-колесо 4. Схема с электроприводом колес в настоящее время применяется лишь на большегрузных автомобилях типа «Белаз», однако ее преимущество для автомашин несомненно: исчезает необходимость в трансмиссии и коробке передач, возрастает проходимость машины, улучшается динамика разгона.
   Отработавший пар направляется в воздушный конденсатор 5, где полностью превращается в жидкость. Особенностью схемы является необходимость отвода большого количества низкопотенциального тепла в окружающую среду при невысоких значениях Т, что продиктовано заботой о повышении КПД двигателя. Поэтому воздушный конденсатор 5 имеет разветвленную поверхность, намного превышающую поверхность водяного радиатора охлаждения обычного автомобиля. Кроме того, воздушный поток создаваемый крыльчаткой вентилятора, намного превышает расход воздуха для охлаждения в традиционном автомобиле.
   Рабочее тело в жидкой фазе подается конденсатным насосом 6 в парогенератор 1 и процесс повторяется вновь. Запас топлива находится в баках 7, откуда оно поступает через подогреваемый карбюратор в рабочую полость парогенератора. Выхлопные газы перед сбросом в атмосферу проходят через рекуператор 8, где от них отбирается тепло для подогрева кабины водителя. Руководством завода ПО «Белаз» был проявлен большой интерес к разработке ЭНИНа, и за основу была взята модель грузовика «Белаз - 75131», грузоподъемностью 80 тонн и уже имеющая электротрансмиссию. По мнению специалистов такая машина очень нужна в условиях крайнего Севера, на карьерах и рудниках. К сожалению, проект был приостановлен в 2000 году из-за нехватки финансирования.
   Аналогичные работы проводит японская фирма «Toуota» в классе легковых машин. Первая машина с каталитическим двигателем появится на автодорогах уже в 2003 году. И как всегда, наши разработчики будут плестись в хвосте мировых открытий, хотя идея создания каталитического двигателя принадлежит российским ученым.

Библиографический список
   1. Поливода А. И. Жизнеобеспечение экипажей космических кораблей. М., Машиностроение, 1967.
   2. Лысков М. Г.,  Поливода Ф. А.,   Прохоров В. Б. Высокоэффективные автономные экологически чистые каталитические теплоэлектростанции // Строительные материалы и технологии ХХI века, № 5, 6, 2001.