Думая о морской перевозке кубовой жидкости из Магадана в Сингапур, мы с Вами пришли вот к чему

Но даже если не заниматься сжиганием мусора, всё-таки обогащенный кислородом воздух под давлением 16 атм. (а хоть и 5 атм.) на судне с теплоэнергетической установкой – это не совсем потеря. Это высококачественный турбонаддув без турбины. Либо самостоятельная энергетическая установка.

А потом мы с Вами узнали о возможностях применения сжатого воздуха на транспортных средствах с ДВС (двигателем внутреннего сгорания). Обратим внимание, что для транспортного средства, перевозящего жидкий воздух (с коммерческими целями) условия отличаются от того, что предоставляет простой турбонаддув или даже запас сжатого воздуха. Мы знаем, что потери жидкого воздуха при перевозке резервуаров с ним составят 0,08%. в сутки. Но каковы свойства этих «потерь»?

Поскольку это воздух, который только что «порвал» со своим жидким существованием, он очень холоден (градусов 130 ниже нуля). И в силу этого, а также в силу того, что давление его как минимум 5 атм., очень плотен. Такой воздух легко (на единицу массы) сжимать, да и вообще вновь переводить в жидкое состояние (так, кстати, и поступают на крупных резервуарах). Но мы с Вами будем его адиабатически сжимать до того давления, при котором его температура возрастёт, допустим, до минус 50°C. Это будет не малый рост давления. Почему до минус 50? Потому что двигатели универсальных транспортных средств не имеют права категорически возражать против впуска в цилиндр воздуха с такой температурой.

А знаете, почему не закрепился в практике принцип швейцарского тепловоза фирмы «Зульцер» с непосредственным соединением шатунов дизеля с колёсными парами? Одна из причин в том, что во время разгона поезда от сжатого в большом резервуаре воздуха, «…сжатый воздух при своём расширении в цилиндрах охлаждал их. Это в свою очередь затрудняло последующее воспламенение жидкого топлива». Да, длительная работа ДВС от сжатого воздуха приводит именно к такому результату. Но что плохо перед запуском, то может оказаться очень хорошо при давно начавшейся работе ДВС с большой нагрузкой… А что, если чередовать обычные рабочие такты дизеля с тактами работы от холодного сжатого воздуха? Это может оказаться перспективно! И не только для транспортного средства, перевозящего жидкий воздух. Для автомобиля вообще, но оборудованного криостатом с запасом жидкого воздуха для цели движения.

Почему? А вот почему.

Более половины теплоты, образуемой сгоранием топлива, уходит в атмосферу без совершения работы. Это в первую очередь теплота цилиндров, отводимая охлаждающей жидкостью.

— А каков потенциал этой теплоты?

— Для наших целей и для имеющегося у нас энергоносителя – жидкого воздуха – потенциал очень не мал. «У работающего двигателя температура головки поршня может быть в пределах 250—500° С, стенок поршня 100—250° С, цилиндра 100—175° С…»

Представьте, после такта выпуска мы очень быстро вдуваем в цилиндр под большим давлением порцию очень холодного воздуха. Что теперь перед нами? Правильно! Цилиндр двигателя Стирлинга. И далее его, стирлинговый, полноценный такт рабочего хода. От бросовой теплоты. Нужда в отводе которой через охладительную систему теперь, как минимум, радикально снижается.

— И что же здесь военного? Турбонаддув чистой воды.

— Не чистой и не воды. Разница большущая.

Да, и при турбонаддуве такт впуска превращается в какой-то мере в рабочий ход. Но нигде Вы не прочитаете, что работа, совершаемая поршнем на такте впуска при турбонаддуве, есть добавка к той работе, которую извлекает из единицы топлива обычный «атмосферный» двигатель. Потому что дополнительная положительная работа в такте впуска почти полностью уравновешивается дополнительной отрицательной работой в такте выпуска. И чем интенсивнее наддув, тем более это соотношение изменяется в пользу отрицательной работы. Поэтому при «жидковоздушном» наддуве (в оличие от обычного турбонаддува) есть смысл вдуть в цилиндр на верхней мёртвой точке очень много очень холодного сжатого воздуха (или весьма холодного, сильно сжатого – подогретого в теплообменнике выхлопными газами) и получить в такте впуска работу того же порядка, как и при рабочем ходе. А потом выпустить большую часть воздуха, а оставшуюся сжать для очередного рабочего хода.

Для бензиновых двигателей с инжектором «прямого впрыска» и для дизельных это без проблем. Для карбюраторных, к сожалению, невозможно. Для последних по максимуму видится режим, при котором в цилиндр на такте впуска вдувается холодной воздушно-топливной смеси раза в 4 больше, чем при «атмосферной» работе. По окончании всасывания (и совершения некоторой работы) половина заряда перепускается в цилиндр, где сейчас впуск, а оставшаяся сжимается для очередного рабочего такта.

Не забываем, что воздух-то – не совсем воздух, а кубовая жидкость после испарения: балластная компонента такого воздуха меньше, потому эффективность выше.

— Так ведь вновь сжатый воздух всё равно будет очень холоден!

— Не будет. Расширение было не адиабатическое, а с притоком теплоты от внутренностей цилиндра. Т.е. необратимое. Сжатый для очередного рабочего хода воздух холодным не будет. Но не будет и горячим. Мы не позволим. Хотим мы того или не хотим, а в нашем автомобиле имеются: а) очень холодный, очень плотный газообразный воздух в полости криостата над жидкой фазой, б) жидкий воздух, в) забортный воздух. Варьирование а), б) и в) даёт в руки инструмент нужного нам ограничения температуры сжатого заряда без снижения массы последнего. И без потери энергии сгоревшего топлива. При сколь угодно нагруженном режиме двигателя и неблагоприятных условиях окружающей среды.

О таком инструменте конструкторы автомобилей могли только мечтать. Этот инструмент делает притягательным использование жидкого воздуха даже на карбюраторных автомобилях. Дело в том, что КПД двигателя внутреннего сгорания в конечном итоге зависит только от степени сжатия, а мощностные свойства (удельная мощность) зависят от интенсивности турбонаддува (от массы заряда). Однако погоня как за высокой степенью сжатия, так и за интенсивностью турбонаддува при высокой нагруженности двигателя приводит к одному: к недопустимому росту температуры заряда, сжатого перед рабочим тактом. И как следствие (для бензиновых двигателей) – к детонации. Поэтому технический прогресс последних десятилетий в области автомобильных двигателей сводился к требованию применения всё более высокооктанового бензина. Что вообще-то само по себе – не подарок. Даже для работы самого двигателя. Высоконагруженный режим требует высокооктанового бензина. Но автомобильный двигатель и в режиме низкой нагруженности работает не редко. Низкооктановый бензин в таких случаях лучше. Во-вторых, высокооктановый (девяносто пятый) бензин процентов на 17 – 18 дороже, чем низкооктановый (восьмидесятый). В-третьих, метилтретбутиловый эфир, единственно и применяемый в России и в Европе для повышения октанового числа (независимо от красоты торговых названий присадок), хоть и не такая гадость, как тетраэтиловый свинец, но тоже дрянь порядочная: он летуч и обладает свойством накапливаться в воде. В США запрещён.

— А нельзя ли что другое применять для повышения октанового числа?

— Можно. Но тогда цена высокооктанового бензина ещё возрастёт в сравнении с низкооктановым.

Тяжкая (не для нас) борьба с высокой температурой в конце такта сжатия дошла до экономически неприличного: в ход пошли интеркулеры — охладители сжатого турбонагнетателем наддуваемого воздуха. Использование жидкого воздуха на гибридном автомобиле позволяет ограничивать сколь нужно температуру в конце такта сжатия. В т.ч. при самой высокой нагруженности двигателя и неблагоприятных погодных условиях. А коль так, то можно… перейти на низкооктановый бензин.

Забавно: Сибирский антициклон обезопасит множество людей проживающих за тысячи километров от Сибири от вдыхания метилтретбутилового эфира. Что не только для здоровья хорошо, но и для кошелька неплохо. 🙂

При использовании жидкого воздуха в автомобиле возможны очень интересные решения. Например, при необходимости получить от двигателя очень большую мощность – перевод его на двухтактный режим работы. Без конструктивных изменений и роста механических нагрузок на детали цилиндро-поршневой группы… Но это тематика иного текста.

Конструктивные изменения двигателя не сложны. В частности, распред. валу даётся степень свободы вдоль его оси, и при переходе с одного режима работы на другой в контакт с клапанами входит другой набор кулачков. Вот он, гибридный ДВС, необходимый нам для начала использования на транспорте жидкого воздуха.

Кстати, а на жидком воздухе в условиях России ездить можно? Можно. Летом в жару, по городу уместно. Нет жары (но тепло), по трассе — на гибриде. Бензин или солярка (метан, в перспективе водород) + жидкий воздух.