@main[] ^macro[a_html;2;

Разработка первой в Украине демонстрационной модели экологически чистого автомобиля с криогенной силовой установкой

Введение

В результате бурного и неконтролируемого роста в мире числа автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) их количество приближается к 1 млрд., а общая мощность двигателей превышает мощность всех энергетических станций на Земле. В результате этого возникла реальная экологическая опасность, прежде всего для жителей городов, где имеются интенсивные потоки автотранспорта на небольших территориях. Отравляющие выхлопные газы ДВС и все большее сжигание в них атмосферного кислорода, ведущее к его локальному обеднению в атмосфере города, представляют реальную угрозу для здоровья населения. Поэтому, в ведущих индустриальных странах мира предпринимаются активные усилия для снижения экологической опасности автомобилей. По мнению авторов статьи [1] и ряда ученых США наиболее эффективной мерой является переход, прежде всего в городах, от автомобилей с ДВС к абсолютно экологически чистым, не требующим углеводородного топлива для заправки, не сжигающим атмосферный кислород криогенным или пневматическим автомобилям, использующим жидкий азот или сжатый воздух в качестве рабочего тела. Несколько лет назад в США были разработаны первые экспериментальные модели криогенных автомобилей (КА) с пневмодвигателями [2,3].

Статья содержит результаты разработки первого на Украине экспериментального КА, предпринятой на основании украинских патентов [4,5] для проверки принципиальных конструкторских решений и расчетных оценок. По мнению авторов подобные автомобили представляют интерес не только с точки зрения экологической безопасности, но и могут помочь решить энергетические проблемы во многих странах, поскольку существенно уменьшат расход нефтепродуктов на нужды транспорта.

1. Устройство и состав изготовленной силовой установки (СУ) криоавтомобиля

Криогенная СУ, работающая на жидком азоте (LN2), предназначена для преобразования тепловой энергии окружающей среды при газификации жидкого азота в механическую энергию, которая затем используется для приведения в движение криогенного автомобиля. В качестве рабочего тела используется молекулярный азот, который, как известно, является дешевым, негорючим и безопасным в эксплуатации газом. Жидкий азот получают из атмосферного воздуха на специальных воздухоразделительных установках с использованием электроэнергии (в среднем на производство 1 л LN2 требуется 0,4-1 кВт ч). По окончанию рабочего цикла в СУ газообразный азот возвращается в атмосферу, не нарушая равновесия окружающей среды.

Экспериментальная криогенная силовая установка [6], состоящая из криогенного бака-газификатора, воздушного теплообменника и пневмодвигателя (Рис. 1) была изготовлена сотрудниками ФТИНТ НАН Украины.

Рис. 1. Экспериментальная криогенная СУ для транспортного средства

Криогенный бак-газификатор представляет собой металлический криостат, рассчитанный на рабочее давление паров азота до 12 атм, объединенный с предварительным кольцевым теплообменником [7]. Параметры газификатора следующие:

  • высота - 900 мм,
  • диаметр - 500 мм,
  • масса - 50 кг,
  • полная масса с жидким азотом - 72 кг,
  • температура газообразного азота на выходе составляет 173 К (-100 С) при давлении 12 атм.

Данный газификатор снабжен устройствами, позволяющими повышать давление паров азота над поверхностью жидкого азота до 12 атм за счет регулируемого теплообмена с окружающим воздухом и подавать парожидкостную смесь со скоростью до 20 грамм жидкого азота в секунду в основной теплообменник криоавтомобиля.

Поскольку на выходе из газификатора температура газообразного азота составляет 100 С, то перед подачей его в пневмодвигатель необходим подогрев до температуры окружающей среды. В этих целях используется наружный теплообменник, изготавливаемый из материалов с высокой теплопроводностью (медь, алюминий). При этом конструкция и размеры теплообменника должны исключать обмерзание и вписываться в общую компоновку криоавтомобиля [8,9].

Для модели криогенного автомобиля был спроектирован и изготовлен теплообменник из латунной трубки с внутренним диаметром 12 мм и длиной 16 м, которая согнута в виде двойного меандра с размерами 1000 мм x 700 мм x 100 мм, с расстоянием между трубками 10 - 12 см (рис. 1). Функционально теплообменник располагался под днищем автомобиля.

На следующем этапе подогретый газообразный азот высокого давления подается в поршневой пневмодвигатель. Пневмодвигатель для демонстрационной модели криоавтомобиля был изготовлен путем реконструкции фреонового компрессора ФАК 1,1 и обладает следующими рабочими характеристиками [10]:

  • двигатель двухцилиндровый с рядным расположением цилиндров,
  • диаметр цилиндров- 40 мм,
  • ход поршней- 45 мм,
  • объем цилиндров- 113 см3,
  • объём общей всасывающей полости головки блока цилиндров- 110 см3,
  • объём общей нагнетательной полости головки блока цилиндров- 120 см3,
  • коленчатый вал с оппозитным расположением шатунных шеек,
  • мощность- 0,7 кВт при 900 об/мин,
  • габариты- 200х200х150 мм3,
  • масса- 33 кг.

Для пуска разработанного пневмодвигателя необходимо, чтобы поршень одного из цилиндров находился в верхней мёртвой точке, что обеспечивает открытие впускного клапана и заполнение впускной полости газом высокого давления. Из газификатора газообразный и нагретый до положительных температур в воздушном теплообменнике азот поступает во впускную полость двигателя. Необходимое давление азота контролируется манометрами. Остановка пневмодвигателя осуществляется закрытием вентиля подачи жидкого азота из криогенного бака (сосуда Дьюара).

Аналогичный пуск и работа пневмодвигателя может осуществляться и от баллона со сжатым газом высокого давления с установленным на нём редуктором, поддерживающим постоянное рабочее давление.

Изменение режима работы пневмодвигателя, увеличение или уменьшение его мощности может выполняться путём изменения давления газа, при работе с баллоном с помощью редуктора, при работе с жидким азотом путём дросселирования жидкого азота вентилем впуска его в газификатор.

Испытания пневмодвигателя на специально разработанном во ФТИНТе стенде по схеме пневмодвигатель-электрогенератор показали, что он имеет мощность 0,6 0,8 кВт при давлении газа 12 атм, расходе газа на уровне 8 литров в секунду и частоте вращения около 900 об/мин [10]. Отметим, что основные эксплуатационные характеристики данного пневмодвигателя, полученные в результате экспериментов, полностью соответствуют результатам теоретических расчетов, выполненных на основе математической модели рабочего цикла поршневого пневмодвигателя, представленной в работе [11].

2. Внешний вид, устройство шасси и кузова модели криоавтомобиля

Для изготовления экспериментальной модели криогенного автомобиля в ХНАДУ были выбраны следующие конструкционные характеристики:

  1. Геометрические параметры:
    • база - 1740 мм^;
    • колея - 1270 мм^;
    • габаритная высота - 1350 мм^;
    • габаритная ширина - 1400 мм^;
    • габаритная длина - 2400 мм^;
    • дорожный просвет - 150 мм.
  2. Масса шасси и кузова (расчетная), не более - 250 кг.
  3. Полная масса (расчетная), не более - 400 кг.
  4. Число мест - 2.
  5. Несущая система - сварная трубчатая рама.
  6. Кузов - стеклопластиковый.
  7. Рулевой механизм реечного типа.
  8. Трансмиссия - четырёхступенчатая коробка передач от мотоцикла "ИЖ-Планета" и симметричный дифференциал от мотоколяски^; главная передача - цепная.
  9. Подвеска передних колес - независимая рычажно-торсионная.
  10. Подвеска задних колес - независимая пружинная.
  11. Тормозная система - двухконтурная с гидроприводом, тормозные механизмы барабанные.
  12. Шины 135-254 (500-10).

Компьютерный дизайн шасси и кузова автомобиля был выполнен в программной оболочке SolidWorks (рис. 2).

Рис. 2. Конструктивная схема криоавтомобиля

Рама рассчитывалась на прочность с использованием программного пакета Cosmos/Motion. Расчет нагрузочных режимов ходовой части проведен в среде MathCAD. Рама изготовлена из труб круглых сечений c наружным диаметром 28…48 мм. Корпус изготовлен из высокопрочных и легких авиационных углепластиков, способных обеспечить малый вес кузова при достаточной прочности.

3. Проведение испытаний криогенного автомобиля на сжатом газе

С целью экономии средств на первичные испытания КА, они были проведены на сжатом газе. В качестве аккумулятора рабочего газа высокого давления использовался стандартный баллон со сжатым азотом. Схема питающей части СУ для испытания КА на сжатом газе изображена на рис. 3.

Рис. 3. Схема подачи сжатого газа в пневмодвигатель: 1 - источник рабочего газа высокого давления^; 2 - ресивер^; 3 - манометр^; 4 - магистральный вентиль^; 5 -воздушный фильтр (размер ячейки 34 мкм)^; 6 - расходный вентиль^; 7 - пневматический двигатель

Методика испытаний КА на сжатом газе состояла из следующих этапов.

  • Проверка надёжности затяжки всех резьбовых соединений.
  • Открытие магистрального вентиля 4.
  • Выжимание сцепления КА и включение нейтральной передачи в коробке передач.
  • Открытие на ? от максимального угла поворота рукоятки расходного вентиля.
  • Запуск двигателя резким поворотом рукой маховика на себя (против часовой стрелки).
  • Полное плавное открытие расходного вентиля.
  • Выжимание сцепления и включение первой передачи.
  • Плавный отпуск сцепления.
  • Проезд 10-15 метров, выжимание сцепления и торможение автомобиля.
  • Включение нейтральной передачи.
  • Закрытие расходного вентиля.
  • Закрытие магистрального вентиля.

В ходе экспериментальных исследований в декабре 2003 г. были выполнены четыре серии экспериментальных пусков КА. В результате этих экспериментов были установлено:

  • расход сжатого газа является таким, что баллон ёмкостью 40 л с газообразным азотом под давлением 140 атм расходовался за 10 мин при максимальной его подаче под давлением 12 атм. Это соответствует расходу рабочего газа на уровне 10 г/с.
  • максимальная скорость КА составляла 10 км/ч^;
  • вес КА вместе с водителем был равен приблизительно 300 кг^;
  • максимальная частота вращения выходного вала пневмодвигателя на холостом ходу при давлении 8 атм составила около 2000 об/мин^;
  • по косвенным показателям - КА одинаково хорошо может "тронуться с места" как с первой, так и с четвёртой передачи - можно установить, что коэффициент приемистости у пневматического двигателя гораздо выше, чем у ДВС (подробное сопоставление эксплуатационных и энергетических характеристик пневмодвигателя и ДВС представлено в работе [12]).

4. Испытания криогенного автомобиля на жидком азоте

Целью первичных испытаний в октябре 2004 г. модели криогенного автомобиля, собранного в ХНАДУ, являлась демонстрация принципиальной возможности создания экологически чистого транспортного средства с криогенной силовой установкой на жидком азоте, использующей тепловую энергию окружающей среды для получения рабочего газа высокого давления. Последовательность испытаний состояла в обеспечении режимов пуска, движения и остановки криогенного автомобиля.

Для пуска и движения криогенного автомобиля необходимо:

  • Заправить криобак жидким азотом.
  • Запустить газификатор и обеспечить давление в ресивере на уровне 10 атм. Контроль заданного давления осуществлять по манометру.
  • Открыть магистральный вентиль.
  • Выжать сцепление и включить нейтральную передачу в коробке передач.
  • Открыть на ? от максимального угла поворота рукоятки расходный вентиль.
  • Запустить двигатель, резко повернув рукой маховик на себя (против часовой стрелки).
  • Плавно полностью открыть расходный вентиль.
  • Выжать сцепление и включить первую передачу.
  • Плавно отпустить сцепление.
  • Проехать заданную дистанцию, выжать сцепление и включить следующую передачу и т. д.

Для остановки криогенного автомобиля требуется:

  • Затормозить автомобиль.
  • Включить нейтральную передачу.
  • Закрыть расходный вентиль.
  • Закрыть магистральный вентиль.
  • Закрыть вентиль газификатора.
  • Открыть вентиль сброса избыточного давления газификатора (до нормального давления окружающей атмосферы).

Длительность полной заправки криогенного бака-газификатора массой 50 кг жидким азотом массой 22 кг (27 л) из резервуара длительного хранения (рис. 4) составила 12 мин.

Рис. 4. Заправка криогенного автомобиля жидким азотом

Максимальное давление газообразного азота на выходе из газификатора достигало 12 атм в течение 1-2 мин подогрева первичного теплообменника газификатора окружающим воздухом, имеющим температуру +10 С (рис. 5).

Рис. 5. Газификация азота перед подачей в основной теплообменник

Во время испытаний криогенная силовая установка приводила в движение автомобиль общей массой 300 кг при рабочем давлении на входе пневмодвигателя, равном 10 атм (рис. 6). Пневмодвигатель начинал устойчиво работать при давлении большем 8 атм, максимальное давление в магистрали достигало 12 атм.

Рис. 6. Криогенный автомобиль на ездовых испытаниях

Полной заправки криобака хватило на 14 мин передвижения автомобиля по кольцевой траектории и 6 мин работы пневмодвигателя на холостом ходу (включая предпусковую подготовку газификатора).

Испытания выявили необходимость дальнейшего совершенствования разработанной конструкции криоавтомобиля:

  • повышения эффективной площади поверхности воздушного теплообменника путем применения оребреных труб или установки добавочного теплообменника в целях повышения температуры газа на входе в пневмодвигатель, увеличения его КПД и для исключения его захолаживания (рис. 7)^;
    Рис. 7. Обмерзание поверхности пневмодвигателя после длительного периода эксплуатации
  • установки добавочного ресивера на входе в пневмодвигатель для сглаживания пульсаций давления и повышения эффективной мощности пневмодвигателя^;
  • повышения герметичности соединений в вентилях и кранах газификатора, магистрали высокого давления и местах крепления манометров для предотвращения непроизводительных утечек жидкого и газообразного азота^;
  • снижения потерь на трение в ходовой части автомобиля.

В ходе дальнейших работ авторами были выполнены указанные доработки конструкции модели криогенного автомобиля. В частности, были установлены два дополнительных компактных теплообменника и ресивер емкостью 18 л на входе в пневмодвигатель (см. рис. 8). В следующей серии испытаний криогенного автомобиля, проведенных в апреле 2005 года, удалось получить существенное улучшение его динамических и эксплуатационных характеристик, а также дополнительную информацию, необходимую для оптимизации силовой установки.

Рис. 8. Дополнительное оборудование, установленное на модель криогенного автомобиля

Температура рабочего газа на входе в пневмодвигатель достигала температуры окружающей среды и в течение всего времени лабораторных и ездовых испытаний пневмодвигатель оставался теплым (рис. 9). Кроме того, возросли обороты двигателя до 1400 об/мин и повысилась устойчивость его работы. В результате силовая установка работала на одной заправке (22 кг жидкого азота) в течение 42 мин, а скорость криоавтомобиля достигала 6 10 км/ч. При этом, возросли приемистость и мощность силовой установки - криоавтомобиль c пневмодвигателем мощностью 0,7-0,8 кВт уверенно передвигался с водителем и тремя пассажирами на борту!

Рис. 9. Поверхность пневмодвигателя остается теплой в результате всего периода работы усовершенствованной силовой установки

На следующем этапе актуальной представляется разработка высокоэффективного пневматического двигателя мощностью 10-20 кВт для модели городского двухместного экологически чистого криогенного или пневматического автомобиля, который мог бы передвигаться со скоростью до 60 км/ч и дальностью пробега до 100 км на одной заправке 100-150 л жидкого азота. Данная задача составляет предмет наших дальнейших исследований.

В разработке и проведении испытаний первой на Украине экспериментальной модели криогенного автомобиля принимал участие коллектив сотрудников из ХНАДУ и ФТИНТ НАН Украины (см. рис. 10).

Рис. 10. Авторский коллектив разработчиков у модели криогенного автомобиля

Заключение

Успешно проведенные демонстрационные испытания модели первого на Украине криогенного автомобиля показали принципиальную правильность конструкторских решений разработчиков КА. На их основе можно переходить к разработке более мощного и скоростного криоавтомобиля для конкретного потребителя.

Учитывая возможность увеличения мощности пневмодвигателя, разрабатываемый авторами экологически чистый криогенный автомобиль, не требующий ни бензина, ни природного газа для своего движения и предназначенный для использования в городах с высокой плотностью населения, курортных зонах, аэропортах и закрытых помещениях, может быть конкурентоспособным по отношению к автомобилям на основе двигателей внутреннего сгорания, электромобилям, использующими дорогие и тяжелые электрохимические аккумуляторы, и водородным автомобилям (учитывая безопасность в эксплуатации и ожидаемую низкую себестоимость производства криоавтомобиля с пневмодвигателем).

Авторы проекта приглашают к сотрудничеству все заинтересованные научные и промышленные организации для разработки совместной перспективной модели криогенного автомобиля с улучшенными технико-эксплуатационными показателями.

Список литературы

  1. Туренко А.Н., Пятак А.И., Кудрявцев И.Н., Тимченко И.И., Жадан П.В., Бондаренко С.И., Левин А.Я., Самарский В.А. Экологически чистый криогенный транспорт: современное состояние проблемы // Вестник ХГАДТУ. Сб. науч. тр., Харьков. 2000. Вып. 12-13. С. 42-47.
  2. Plummer M.C., Ordonez C.A., Reidy R.F. A review of liquid nitrogen propelled vehicle programs in the United States of America // Bulletin of the Kharkov National Automobile and Highway University (Ukr). 2000. V.12-13. P. 47-52.
  3. Knowlen C., Mattick A.T., Hertzberg A., Bruckner A.P. Ultra-low emission liquid nitrogen automobile // Future Transportation Technology Conference and Exposition, Costa Mesa, CA, August 17-19, 1999. SAE Technical Paper Series 1999-01-2932.
  4. Пат. 22721 А Украины, МКИ F01 K25/00. Двигательная установка транспортного средства / С.И.Бондаренко, В.Н.Фенченко // Промышл. собственность (Укр). Бюл. № 4, 07.04.1998.
  5. Пат. 62513 А Украины, МКИ F02 B43/00. Пневматический двигатель / С.И.Бондаренко, И.Н.Кудрявцев, А.И.Пятак, Б.Н.Муринец-Маркевич, Н.М.Левченко // Промышл. собственность (Укр). Бюл. № 12, 15.12.2003.
  6. Бондаренко С.И., Кудрявцев И.Н., Левин А.Я., Левченко Н.М., Муринец-Маркевич Б.Н., Пятак А.И. Разработка криогенной силовой установки для экологически чистого автомобиля // Вопросы атомной науки и техники. Серия "Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники" (14). Научно-технический сборник, Харьков. 2004. № 6. С. 152-157.
  7. Бондаренко С.И., Кудрявцев И.Н., Левченко Н.М., Пятак А.И., Пламмер М., Мовчан С.П. Разработка системы хранения газа для экологически чистого криогенного автомобиля // Вестник Инженерной Академии Украины. 2004. № 2. С. 88-94.
  8. Бондаренко С.И., Левин А.Я., Кудрявцев И.Н., Пятак А.И. Разработка эффективного воздушного теплообменника для автомобиля на жидком азоте // Вопросы атомной науки и техники. Серия "Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники" (13). Научно-технический сборник, Харьков. 2003. № 5. С. 152- 158.
  9. Бондаренко С.И., Левин А.Я., Левченко Н.М., Пятак А.И., Кудрявцев И.Н. Экспериментальный стенд и исследования модели воздушного теплообменника для криоавтомобиля в условиях инееобразования // Вестник ХНАДУ. Сб. науч. тр., Харьков. 2003. Вып. 23. С. 22-29.
  10. Бондаренко С.И., Кудрявцев И.Н., Крамской А.В., Левченко Н.М., Муринец-Маркевич Б.Н., Пятак А.И., Архипов А.В. Разработка пневматического двигателя мощностью до одного киловатта для модели криогенного автомобиля // Механика и машиностроение. 2004. № 2. С. 102-110.
  11. Туренко А.Н., Богомолов В.А., Кудрявцев И.Н., Крамской А.В., Пятак А.И., Пламмер М.С. Математическая модель пневматического цилиндра с двусторонним приводом // Автомобильный транспорт. Сб. науч. тр., Харьков. 2002. Вып. 10. С. 10-16.
  12. Кудрявцев И.Н., Пятак А.И., Бондаренко С.И., Левин А.Я., Муринец-Маркевич Б.Н., Пламмер М.Ч. Эффективность использования пневмодвигателя в автомобиле // Альтернативная энергетика и экология. 2005. № 2(22). С. 41-47.
]