Двигатель на жидком азоте — Liquid nitrogen engine

Жидкий носитель азот питается от жидкого азота , который хранится в резервуаре. Традиционные конструкции азотных двигателей работают за счет нагрева жидкого азота в теплообменнике , извлечения тепла из окружающего воздуха и использования полученного сжатого газа для работы поршневого или роторного двигателя. Были продемонстрированы автомобили, приводимые в движение жидким азотом, но они не используются в коммерческих целях. Один из таких автомобилей, Liquid Air, был продемонстрирован в 1902 году.

Двигательная установка на жидком азоте также может быть включена в гибридные системы, например, в аккумуляторную электрическую двигательную установку и топливные баки для подзарядки батарей. Такая система называется гибридной жидко-азотно-электрической двигательной установкой. Кроме того, в сочетании с этой системой можно использовать рекуперативное торможение .

Одним из преимуществ транспортного средства с жидким азотом является то, что выхлопные газы представляют собой просто азот, компонент воздуха, и, таким образом, они не вызывают локального загрязнения воздуха в выхлопных газах. Это не делает его полностью свободным от загрязнения, поскольку энергия требовалась в первую очередь для сжижения азота, но этот процесс сжижения может быть удален от работы транспортного средства и, в принципе, может быть обеспечен возобновляемой энергией или источником чистой энергии .

Содержание

Описание

Жидкий азот генерируется криогенными или реверсивными охладителями двигателя Стирлинга, которые сжижают основной компонент воздуха — азот (N ₂ ). Охладитель может работать от электричества или за счет прямой механической работы от гидро- или ветряных турбин . Жидкий азот распределяется и хранится в изотермических емкостях . Изоляция снижает поток тепла в хранящийся азот; это необходимо, потому что тепло окружающей среды приводит к кипению жидкости, которая затем переходит в газообразное состояние. Уменьшение поступающего тепла снижает потери жидкого азота при хранении. Требования к хранению не позволяют использовать трубопроводы в качестве транспортных средств. Поскольку магистральные трубопроводы были бы дорогостоящими из-за требований к изоляции, было бы дорого использовать удаленные источники энергии для производства жидкого азота. Запасы нефти обычно находятся на большом расстоянии от места потребления, но могут передаваться при температуре окружающей среды.

Потребление жидкого азота — это, по сути, производство в обратном порядке. Двигатель Стирлинга или криогенный тепловой двигатель предлагает способ питания транспортных средств и средства для выработки электроэнергии. Жидкий азот также может использоваться в качестве охлаждающей жидкости для холодильников , электрооборудования и кондиционеров . Фактически потребление жидкого азота приводит к кипению и возврату азота в атмосферу .

В двигателе Dearman Engine азот нагревается путем объединения его с теплообменной жидкостью внутри цилиндра двигателя.

В 2008 году Патентное бюро США выдало патент на газотурбинный двигатель, работающий на жидком азоте. Турбина мгновенно расширяет жидкий азот, который распыляется в секцию высокого давления турбины, и расширяющийся газ объединяется с поступающим сжатым воздухом для создания высокоскоростного потока газа, который выбрасывается из задней части турбины. Образующийся газовый поток можно использовать для привода генераторов или других устройств. Система не была продемонстрирована для питания электрических генераторов мощностью более 1 кВт, однако более высокая мощность возможна.

Цикл Карно

Хотя жидкий азот холоднее, чем температура окружающей среды, двигатель с жидким азотом, тем не менее, является примером теплового двигателя . Тепловая машина работает за счет извлечения тепловой энергии из разницы температур между горячим и холодным резервуарами; В случае двигателя с жидким азотом «горячий» резервуар — это воздух из окружающей («комнатной температуры») окружающей среды, который используется для кипячения азота.

Таким образом, азотный двигатель извлекает энергию из тепловой энергии воздуха, и эффективность преобразования, с которой он преобразует энергию, может быть рассчитана по законам термодинамики с использованием уравнения эффективности Карно , которое применяется ко всем тепловым двигателям.

Танки

Резервуары для хранения жидкого азота должны быть спроектированы в соответствии со стандартами безопасности, применимыми для сосудов высокого давления , такими как ISO 11439 .

Резервуар может быть выполнен из:

Волокнистые материалы значительно легче металлов, но обычно дороже. Металлические резервуары могут выдерживать большое количество циклов давления, но их необходимо периодически проверять на предмет коррозии. Жидкий азот, LN2, обычно транспортируется в изотермических цистернах объемом до 50 литров при атмосферном давлении. Эти резервуары, не находящиеся под давлением, не подлежат инспекции. В очень больших резервуарах для LN2 иногда создается давление ниже 25 фунтов на квадратный дюйм, чтобы облегчить перекачку жидкости в точке использования.

Автомобили с жидким азотом

В 1902 году был продемонстрирован автомобиль Liquid Air , приводимый в движение жидким азотом .

В июне 2016 года в Лондоне, Великобритания, начнутся испытания парка транспортных средств для доставки еды в супермаркете J. Sainsbury: с использованием азотного двигателя Dearman для обеспечения питания для охлаждения пищевых грузов, когда транспортное средство неподвижно и главный двигатель выключен. В настоящее время грузовые автомобили в основном имеют вторые меньшие дизельные двигатели для охлаждения двигателя при выключенном основном двигателе.

Выход выбросов

Подобно другим технологиям хранения энергии, не связанным с сжиганием, транспортное средство с жидким азотом перемещает источник выбросов из выхлопной трубы транспортного средства в центральную электростанцию. При наличии источников, свободных от выбросов, чистое производство загрязняющих веществ может быть уменьшено. Меры по контролю выбросов на центральной электростанции могут быть более эффективными и менее дорогостоящими, чем обработка выбросов широко разбросанных транспортных средств.

Преимущества

Транспортные средства с жидким азотом во многом сравнимы с электромобилями , но для хранения энергии используют жидкий азот вместо батарей. Их потенциальные преимущества перед другими автомобилями включают:

• Подобно электромобилям, автомобили с жидким азотом в конечном итоге будут питаться от электросети, что облегчит сосредоточение усилий на сокращении загрязнения из одного источника, в отличие от миллионов транспортных средств на дорогах.
• Транспортировка топлива не потребуется из-за отключения электроэнергии от электросети. Это дает значительную экономическую выгоду. Загрязнение, возникающее при транспортировке топлива, будет устранено.
• Снижение затрат на обслуживание
• Резервуары с жидким азотом можно утилизировать или переработать с меньшим загрязнением, чем батареи.
• Транспортные средства с жидким азотом не ограничены проблемами деградации, связанными с существующими аккумуляторными системами.
• Резервуар можно заправлять чаще и быстрее, чем можно заряжать аккумуляторы, со скоростью заправки, сопоставимой с жидким топливом.
• Он может работать как часть трансмиссии комбинированного цикла в сочетании с бензиновым или дизельным двигателем, используя отходящее тепло от одного двигателя для запуска другого в системе с турбонаддувом . Он даже может работать как гибридная система.

Недостатки

Главный недостаток — неэффективное использование первичной энергии. Энергия используется для разжижения азота, который, в свою очередь, обеспечивает работу двигателя. Любое преобразование энергии имеет потери. Для автомобилей с жидким азотом электрическая энергия теряется в процессе сжижения азота.

Жидкий азот недоступен на общественных заправочных станциях; Однако у большинства поставщиков сварочного газа имеются системы распределения, а жидкий азот является побочным продуктом производства жидкого кислорода.

Критика

Себестоимость продукции

Производство жидкого азота — энергоемкий процесс. В настоящее время практические холодильные установки, производящие несколько тонн жидкого азота в день, работают примерно на 50% эффективности Карно . В настоящее время излишки жидкого азота производятся как побочный продукт при производстве жидкого кислорода .

Плотность энергии жидкого азота

Любой процесс, основанный на фазовом изменении вещества, будет иметь гораздо более низкие плотности энергии, чем процессы, включающие химическую реакцию в веществе, которые, в свою очередь, имеют более низкие плотности энергии, чем ядерные реакции. Жидкий азот как накопитель энергии имеет низкую плотность энергии. Для сравнения: жидкое углеводородное топливо имеет высокую плотность энергии. Высокая плотность энергии делает логистику транспортировки и хранения более удобной. Удобство — важный фактор в принятии решения потребителями. Удобное хранение нефтяного топлива в сочетании с его низкой стоимостью привело к непревзойденному успеху. Кроме того, нефтяное топливо является первичным источником энергии , а не только средством хранения и транспортировки энергии.

Плотность энергии, полученная из изобарной теплоты испарения азота и удельной теплоты в газообразном состоянии, которая теоретически может быть получена из жидкого азота при атмосферном давлении и температуре окружающей среды 27 ° C, составляет около 213 ватт-часов на килограмм (Вт · ч / кг) , в то время как обычно в реальных условиях можно достичь только 97 Вт · ч / кг. Для сравнения: 100–250 Вт · ч / кг для литий-ионной батареи и 3 000 Вт · ч / кг для бензинового двигателя внутреннего сгорания, работающего с тепловым КПД 28%, что в 14 раз превышает плотность жидкого азота, используемого при КПД Карно.

Для того чтобы двигатель изотермического расширения имел диапазон, сопоставимый с двигателем внутреннего сгорания, требуется изолированное бортовое хранилище емкостью 350 литров (92 галлона США). Практичный объем, но заметно больше, чем у типичного бензобака объемом 50 литров (13 галлонов США). Добавление более сложных энергетических циклов снизит это требование и поможет обеспечить работу без замерзания. Однако коммерчески практических примеров использования жидкого азота для движения транспортных средств не существует.

Образование инея

В отличие от двигателей внутреннего сгорания, использование криогенного рабочего тела требует теплообменников для нагрева и охлаждения рабочего тела. Во влажной среде образование инея препятствует тепловому потоку и, следовательно, представляет собой техническую проблему. Чтобы предотвратить образование инея, можно использовать несколько рабочих жидкостей. Это добавляет циклы доливки, чтобы теплообменник не опускался ниже точки замерзания. Для обеспечения работы без замерзания потребуются дополнительные теплообменники, вес, сложность, потеря эффективности и расходы.

Безопасность

Какой бы эффективной ни была изоляция топливного бака с азотом, неизбежны потери из-за испарения в атмосферу. Если автомобиль хранится в плохо вентилируемом помещении, существует некоторый риск того, что утечка азота может снизить концентрацию кислорода в воздухе и вызвать удушье . Поскольку азот — это газ без цвета и запаха, который уже составляет 78 процентов воздуха, такое изменение будет трудно обнаружить.

Криогенные жидкости опасны при проливании. Жидкий азот может вызвать обморожение и сделать некоторые материалы чрезвычайно хрупкими.

Поскольку жидкий N2 холоднее 90,2К, кислород из атмосферы может конденсироваться. Жидкий кислород может самопроизвольно и бурно реагировать с органическими химическими веществами, включая нефтепродукты, такие как асфальт.

Так как степень расширения жидкости и газа этого вещества составляет 1: 694, огромное количество силы может быть создано, если жидкий азот быстро испаряется. Во время инцидента в Техасском университете A&M в 2006 году устройства для сброса давления резервуара с жидким азотом были закрыты латунными заглушками. В результате танк катастрофически вышел из строя и взорвался.

Двигатель закиси азота — Nitrous oxide engine

Закиси азота двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания , в котором кислород для сжигания топлива происходит от разложения закиси азота , N ₂ O, а не воздух. Система увеличивает выходную мощность двигателя, позволяя горючему сгорать с большей скоростью, чем обычно, из-за более высокого парциального давления кислорода, впрыскиваемого с топливной смесью. Закись азота не воспламеняется при комнатной температуре или под высоким давлением. Системы впрыска азота могут быть «сухими», когда закись азота впрыскивается отдельно от топлива, или «мокрыми», когда дополнительное топливо подается в двигатель вместе с закисью. Системы закиси азота могут быть запрещены для использования на улицах или шоссе, в зависимости от местного законодательства. Использование закиси азота разрешено в некоторых классах автогонок. Надежная работа двигателя с впрыском азота требует особого внимания к прочности компонентов двигателя и точности смесительных систем, в противном случае могут произойти разрушительные взрывы или превышение максимально допустимых значений инженерных компонентов. Системы впрыска закиси азота применялись еще во время Второй мировой войны для некоторых авиационных двигателей.

Содержание

Терминология

В контексте гонок закись азота часто называют закисью азота или БДУ . Термин NOS происходит от инициалов названия компании Nitrous Oxide Systems , одной из первых компаний в разработке систем впрыска закиси азота для использования в автомобилях, и стал универсальной торговой маркой . Нитро также иногда используется, хотя и неправильно, поскольку оно больше относится к нитрометановым двигателям .

Механизм

Когда моль закиси азота разлагается, он выделяет половину моля молекул O ₂ (газообразный кислород) и один моль молекул N ₂ (газообразный азот). Это разложение позволяет достичь концентрации кислорода 36,36%. Газообразный азот негорючий и не поддерживает горение. Воздух, который содержит только 21% кислорода, остальное — это азот и другие в равной степени негорючие и не поддерживающие горение газы, допускает на 12 процентов меньший максимальный уровень кислорода, чем у закиси азота. Этот кислород поддерживает горение; он сочетается с такими видами топлива, как бензин, спирт, дизельное топливо , пропан или КПГ, с образованием диоксида углерода и водяного пара, а также тепла, которое заставляет два первых продукта сгорания расширяться и оказывать давление на поршни, приводя в движение двигатель.

Закись азота хранится в резервуарах в виде жидкости, но в атмосферных условиях представляет собой газ. При впрыске в виде жидкости во впускной коллектор испарение и расширение вызывают снижение температуры заряда воздуха / топлива с соответствующим увеличением плотности, тем самым увеличивая объемный КПД цилиндра .

Поскольку разложение N ₂ O на кислород и газообразный азот является экзотермическим и, таким образом, способствует повышению температуры в двигателе внутреннего сгорания, разложение увеличивает эффективность и производительность двигателя, что напрямую связано с разницей в температуре между несгоревшей топливной смесью и топливной смесью. горячие газы сгорания, образующиеся в цилиндрах.

Все системы основаны на одноступенчатом комплекте, но эти комплекты могут использоваться в нескольких (так называемые двух-, трех- или даже четырехступенчатые комплекты). Самые современные системы управляются электронным блоком прогрессивной доставки, который позволяет одному комплекту работать лучше, чем несколько комплектов. Большинство Pro Mod и некоторые дрэг-гоночные автомобили Pro Street используют три ступени для дополнительной мощности, но все больше и больше переходят на импульсную прогрессивную технологию. Прогрессивные системы имеют преимущество использования большего количества закиси азота (и топлива) для получения еще большего увеличения мощности, поскольку дополнительная мощность и крутящий момент вводятся постепенно (в отличие от немедленного применения к двигателю и трансмиссии), что снижает риск механических повреждений. шок и, как следствие, повреждение.

Идентификация

Автомобили с двигателями, оснащенными закись азота, можно идентифицировать по «продувке» системы подачи, которую большинство водителей проводят перед тем, как выйти на стартовую линию. Отдельный клапан с электрическим приводом используется для выпуска воздуха и газообразной закиси азота, попавших в систему подачи. При этом жидкая закись азота поднимается по трубопроводу от резервуара для хранения к соленоидному клапану или клапанам, которые выпускают его во впускной тракт двигателя. Когда система продувки активирована, на мгновение будут видны один или несколько шлейфов закиси азота, поскольку при выпуске жидкость превращается в пар. Цель продувки азотом — обеспечить подачу правильного количества закиси азота в момент активации системы, так как форсунки закиси азота и топлива подобраны таким образом, чтобы обеспечить правильное соотношение воздух / топливо, и поскольку жидкий закись азота более плотный, чем газообразный закись азота, любые Пар закиси азота в трубопроводах приведет к тому, что автомобиль на мгновение «застрянет» (так как соотношение закись азота к топливу будет слишком высоким, что снижает мощность двигателя), пока жидкая закись азота не достигнет форсунки.

Типы азотных систем

Есть две категории: азотистых систем сухой и мокрой с четырьмя основными способами доставки азотистых систем: одно сопло , прямой порт , пластины , и бар , используемых для нагнетания закиси азота в нагнетательных в впускном коллекторе . Почти во всех системах закиси азота используются специальные вставки с отверстиями, называемые форсунками, наряду с расчетами давления для измерения закиси азота или закиси азота и топлива во влажных системах, обеспечиваемых для создания надлежащего соотношения воздух-топливо (AFR) для требуемой дополнительной мощности.

Сухой

В сухой системе закиси азота способ доставки закиси азота обеспечивает только закись азота. Требуемое дополнительное топливо подается через топливные форсунки , сохраняя коллектор сухим от топлива. Это свойство и дало название сухой системе. Расход топлива можно увеличить либо за счет увеличения давления, либо за счет увеличения времени, в течение которого топливные форсунки остаются открытыми.

Системы сухой закиси азота обычно полагаются на один метод подачи через сопло, но все четыре основных метода подачи могут использоваться в сухих применениях. Сухие системы обычно не используются в карбюраторных системах из-за характера функции карбюратора и неспособности подавать большие количества топлива по запросу. Системы с сухим азотом на двигателях с впрыском топлива будут использовать повышенное давление топлива или ширину импульса форсунки при активации системы как средство обеспечения правильного соотношения топлива для закиси азота.

Мокрый

В мокрой системе закиси азота метод подачи закиси азота обеспечивает совместное использование закиси азота и топлива, в результате чего впускной коллектор оказывается «влажным» от топлива, что и дает название категории. Влажные системы закиси азота могут использоваться во всех четырех основных способах доставки.

В мокрых системах на топливных двигателях / двигателях с прямым впрыском необходимо проявлять осторожность, чтобы избежать возгорания, вызванного скоплением топлива во впускном тракте или коллекторе и / или неравномерным распределением смеси закиси азота и топлива. Двигатели с левым впрыском и прямым впрыском топлива имеют впускные системы, рассчитанные на подачу только воздуха, а не воздуха и топлива. Поскольку большинство видов топлива тяжелее воздуха и не находится в газообразном состоянии, при использовании с азотными системами, оно не ведет себя так же, как только воздух; таким образом, возможность неравномерного распределения топлива по камерам сгорания двигателя, вызывающего бедные условия / детонацию и / или скопление в частях впускного тракта / коллектора, представляя опасную ситуацию, при которой топливо может воспламениться неконтролируемым образом, вызывая катастрофический отказ компонентов . В двигателях с карбюратором и одноточечным впрыском / дроссельной заслонкой используется конструкция с мокрым коллектором, которая спроектирована для равномерного распределения топливных и воздушных смесей по всем камерам сгорания, что в большинстве случаев не представляет проблемы для этих приложений.

Одно сопло

Система закиси азота с одним соплом вводит закись азота или топливно-азотную смесь через единственную точку впрыска. Форсунка обычно размещается во впускной трубе / тракте после воздушного фильтра, перед впускным коллектором и / или корпусом дроссельной заслонки в приложениях с впрыском топлива и после корпуса дроссельной заслонки в приложениях с карбюратором. В мокрых системах высокое давление впрыскиваемого закиси азота вызывает аэрозолизацию топлива, впрыскиваемого последовательно через форсунку, что обеспечивает более тщательное и равномерное распределение смеси закиси азота и топлива.

Прямой порт

Система закиси азота с прямым отверстием вводит закись азота или смесь топлива / закиси азота как можно ближе к впускным отверстиям двигателя через отдельные форсунки непосредственно в каждом впускном желобе. В системах закиси азота с прямым портом будут использоваться те же или аналогичные форсунки, что и в системах с одним форсунком, только в количестве, равном или кратном количеству впускных каналов двигателя. Поскольку системы с прямым портом не должны полагаться на конструкцию впускного тракта / коллектора для равномерного распределения закиси азота или топливно-азотной смеси, они по своей природе более точны, чем другие методы подачи. Большее количество форсунок также позволяет подавать большее количество азота, чем другие системы. Несколько «стадий» закиси азота могут быть выполнены путем использования нескольких наборов форсунок на каждом впускном отверстии для дальнейшего увеличения энергетического потенциала. Системы закиси азота с прямым портом являются наиболее распространенным методом доставки в гоночных автомобилях.

Тарелка

В пластинчатой системе закиси азота используется прокладка, размещенная где-то между корпусом дроссельной заслонки и впускными отверстиями с отверстиями, просверленными вдоль ее внутренних поверхностей, или в трубке, которая подвешена к пластине, для распределения азота или смеси топлива / закиси азота. Системы пластин обеспечивают решение, не требующее сверления, по сравнению с другими методами доставки, поскольку пластины, как правило, зависят от конкретного применения и подходят для существующих компонентов, таких как дроссельная заслонка от впускного коллектора или от верхнего впускного коллектора к нижнему впускному коллектору. переходы. Системы пластин, требующие немногим больше, чем более длинные крепежные детали, являются наиболее легко изменяемыми системами, поскольку они практически не требуют постоянных изменений во впускном тракте. В зависимости от области применения пластинчатые системы могут обеспечивать точное распределение закиси азота или топливно-азотной смеси, аналогичное таковому в системах с прямым впуском.

В стержневой системе закиси азота используется полая трубка с просверленными по ее длине множеством отверстий, помещенная внутри впускной камеры для подачи закиси азота. Методы подачи закиси азота в прутке — это почти исключительно сухие системы закиси азота из-за неоптимальных возможностей распределения топлива в прутке. Барные системы закиси азота популярны среди гонщиков, которые предпочитают, чтобы их использование закиси азота было скрытым, поскольку метод распределения закиси азота не сразу очевиден, и большинство связанных компонентов системы закиси азота могут быть скрыты из поля зрения.

Пропан или СПГ

Системы с азотом могут использоваться с газообразным топливом, таким как пропан или сжатый природный газ. Это имеет то преимущество, что технически это сухая система, поскольку топливо не находится в жидком состоянии при попадании во впускной тракт.

Проблемы надежности

Использование закиси азота влечет за собой опасения по поводу надежности и долговечности двигателя, присутствующего со всеми сумматорами мощности. Из-за значительного увеличения давления в цилиндрах двигатель в целом подвергается большей нагрузке, в первую очередь те компоненты, которые связаны с вращающимся узлом двигателя. Двигатель с компонентами, неспособными справиться с повышенным напряжением, вызванным использованием систем закиси азота, может получить серьезные повреждения двигателя, такие как треснувшие или разрушенные поршни, шатуны, коленчатые валы и / или блоки. Правильное усиление компонентов двигателя в дополнение к точной и адекватной подаче топлива является ключом к использованию системы закиси азота без катастрофического отказа.

Уличная законность

Системы впрыска закиси азота для автомобилей запрещены для использования на дорогах в некоторых странах. Например, в пункте 3.1.5.7.3 в Новом Южном Уэльсе , Австралия, Правила дорожного движения и управления дорожным движением по модификации легковых автомобилей (используются с 1994 года) говорится, что использование или установка систем впрыска закиси азота не разрешается.

В Великобритании нет ограничений на использование N
2 O , но об изменении необходимо заявить в страховую компанию, что может привести к более высокой премии по страхованию транспортных средств или отказу в страховании.

В Германии, несмотря на строгие правила TÜV , система закиси азота может быть установлена ​​и легально использована в уличных автомобилях. Требования к техническим стандартам системы аналогичны требованиям, предъявляемым к конверсии природного газа на вторичном рынке .

Правила гонок

Некоторые органы, санкционирующие соревнования по дрэг-рейсингу, разрешают или запрещают использование закиси азота в определенных классах или имеют определенные классы закиси азота. В соревнованиях Formula Drift разрешено использование закиси азота .

История

Аналогичный базовый метод был использован во время Второй мировой войны с люфтвафф самолетами с ГМ-1 системой для поддержания выходной мощности авиационных двигателей , когда на большой высоте , где плотность воздуха ниже. Соответственно, он использовался только специализированными самолетами, такими как высотные разведывательные самолеты, скоростные бомбардировщики и высотные перехватчики. Он иногда использовался Люфтваффе с формой впрыска метанола и воды , обозначенной MW 50 (оба обозначены как краткосрочные меры повышения мощности Notleistung ), для существенного увеличения характеристик истребителей в течение коротких периодов времени , как и при их комбинированном использовании. на прототипах истребителя Focke-Wulf Ta 152 H.

Использование инжекторных систем закиси азота в Британии во время Второй мировой войны было модификацией двигателей Merlin , произведенных Heston Aircraft Company для использования в некоторых вариантах ночных истребителей de Havilland Mosquito и PR-версиях Supermarine Spitfire .