Современная концепция развития судовых двигателей внутреннего сгорания

Выпуск 2

УДК 661.769 В. О. Настасенко,

канд. техн. наук, доцент, Херсонский государственный университет (Украина);

А. М. Подкоритов,

Херсонский государственный университет

СОВРЕМЕННАЯ КОНЦЕПЦИЯ РАЗВИТИЯ СУДОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

MODERN CONCEPTION OF DEVELOPMENT OF SHIP INTERNAL COMBUSTION

ENGINES

Работа посвящена поиску возможностей использования нетрадиционных энергетических систем и топлива на флоте. В результате проведенного анализа известных разработок показано, что все они не могут обеспечить переход к нетрадиционным видам энергетики и топлива, однако комплекс, включающий новый вид гидроволновых электрогенераторов, обеспечивающих производство дешевой электроэнергии за счет энергии морских волн, позволяет использовать электролиз для производства водорода, который и будет основным топливом будущих двигателей внутреннего сгорания, в том числе ракетного типа.

This paper is devoted to the search of possibilities of the use of the untraditional power systems and fuels on a fleet. As a result of the conducted analysis of the known developments, it is demonstrated that all of them can not provide passing to the untraditional types of energy and fuels, however a complex, which includes a new kind of hydrowave generators, providing the production of cheap electric power, allows to utilize an electrolysis for the production of hydrogen which will be the basic fuel offuture ship engines.

Ключевые слова: нетрадиционные виды топлива и энергетики, двигатели внутреннего сгорания (ДВС), водород как топливо для ДВС, перспективные судовые двигатели.

Key words: untraditional types offuels and energy on a fleet, engines of internal combustion (EIC), hydrogen as a fuel for EIC, perspective ship engines EIC.

Анализ состояния проблемы, постановка цели и задач исследования

Одними из наиболее распространенных двигателей в настоящее время являются двигатели внутреннего сгорания (ДВС) — бензиновые и дизели, которые применяют во всех видах транспорта: морском, автомобильном, железнодорожном и в малой авиации.

Основным видом их топлива являются продукты переработки нефти, которые при сгорании бесповоротно теряются, поскольку составляющие их высокомолекулярные углеводороды превращаются в углекислый газ и

0 воду и эти процессы необратимы.

По прогнозам ЮНЕСКО, запасы нефти будут исчерпаны до 2050 г., газа — до 2070 г., а с учетом усовершенствования разведки новых и интенсификации добычи заброшенных месторождений — до 2100 г.

Актуальность — поскольку традиционные источники топлива для ДВС на базе нефти и газа в XXI в. могут быть исчерпаны, поэтому потребность перехода на иные источники энергии, в первую очередь возобновляемые, является неизбежной и определена лишь периодом в несколько десятков лет.

Научная новизна — заключается в поиске наиболее перспективных путей развития ДВС и двигателестроения в условиях исчер-паемости традиционных и перехода к нетрадиционным видам топлива.

Практическая значимость — решение задачи перевода ДВС на высокоэффективный и наиболее простой вариант возобновляемого топлива не только повышает технико-экономические показатели в данной сфере, но и позволяет решить проблему мирового энергетического кризиса в целом.

Цель данной работы — анализ возможностей развития нетрадиционной энергетики, в том числе в судоходстве, и ее влияния на разработку будущих поколений двигателей внутреннего сгорания.

Объектом исследования является анализ основных видов нетрадиционных энергетических систем и создание на их базе новых ДВС, работающих на возобновляемых видах топлива.

Предметом исследования является изыскание наиболее перспективных путей развития ДВС будущих поколений, в том числе работающих на возобновляемых видах топлива.

Поиск путей решения проблемы

Преодолеть непрерывно растущую угрозу исчерпаемости источников нефтяных и газовых энергоносителей можно тремя путями.

1. Созданием высокоэффективных и экономичных химико-физических процессов синтеза высокомолекулярных углеводородов из простых исходных продуктов — углерода и водорода, подобных естественному процессу фотосинтеза.

2. Постепенным уменьшением расхода нефтяного и газового топлива и заменой их другими видами топлива, из которых наиболее перспективными считаются возобновляемые.

3. Переходом к иным (нетрадиционным) возобновляемым источникам энергии и энергетическим машинам.

Первый путь (синтез) пока слишком сложен и дорог, поэтому является лишь очень далекой перспективой, хотя уже разработаны простые технические способы превращения в бензин различных отходов из высокомолекулярных углеводородов, например резиновых автомобильных покрышек, пластиковых банок и тому подобных продуктов.

Однако начальные продукты этих отходов тоже созданы из нефти или газа, поэтому данный путь ведет лишь к их экономии, но главное — к улучшению экологической обстановки, что делает его перспективным при любых других условиях. Кроме того, этих продуктов недостаточно даже для возобнов-

ления выпуска начальных изделий из нефти или газа, поскольку потребности общества в них тоже постоянно растут.

Второй путь (традиционный) развивается за счет:

1) усовершенствования бензиновых и дизельных двигателей, в первую очередь их камер сгорания и цилиндров, систем сжигания, ввода и отвода топлива и продуктов его сгорания. Но они подошли к пределам своих возможностей, поэтому данный путь требует больших экономических затрат и кропотливого инженерного труда, а улучшения возможны лишь за счет развития научно-технического прогресса и создания новых прогрессивных открытий и изобретений, что является сложнопрогнозируемым умственным процессом, перспективы которого неясны. Однако любое совершенствование ДВС не позволяет полностью отказаться от использования нефти и газа, что не дает возможности решить эту проблему в требуемом в данной работе виде.

2) перехода на другие виды топлива, в том числе газовое, водно-угольное и др. Если газовое топливо в ДВС применяется давно и успешно, то использование угля в ДВС находится еще лишь в начальной стадии.

Однако запасы газа и угля тоже исчерпаемы, хотя угля хватит на больший срок (200-300 лет), чем газа. Но его добыча в шахтах значительно сложнее и опаснее, чем добыча нефти или газа, и по мере исчерпаемости угольных запасов эта опасность будет расти. Кроме того, сами двигатели и системы подачи водно-угольной топливной смеси являются более сложными, чем аналогичные системы для топлива из нефти и газа, но самым большим их недостатком является возможность выпадения угля в осадок при подаче и хранении топлива.

Нетрадиционные виды топлива для второго пути:

1. Полученные топлива из семян растений (рапса, подсолнуха, сои и других маслянистых культур), или из продуктов, перегоняемых в спирты (сахарного тростника, свеклы и др.), или из отходов растений (соломы, стеблей, веток и т. д.), или из отходов животноводства и продуктов его жизнедеятельности (биологические газы и др.).

Выпуск 2

Выпуск 2

Однако эти возможности ограничены площадями и плодородием земель. Например, при урожайности рапса в 70 центнеров с гектара, из него можно получить не больше 5 тонн дизельного топлива, потому для судна с суточной нормой расхода 150 тонн нужны 30 гектаров земли, а для годовой нормы — около 10 тыс. гектаров, или участок 10^10 км2 плодородных земель.

Для продуктов животноводства существуют такие же проблемы, и они растут, так как увеличивается количество переделов исходных пищевых продуктов.

Иной путь получение биогаза — из отходов жизнедеятельности людей и свалок мусора — пока еще несовершен, но и при его усовершенствовании в первую очередь этот газ будет применяться для нужд городов, а не суден.

Использование биоотходов на судах проблематично, выполненный в 2008 г. дипломный проект [1] показал, что отходы жизнедеятельности на судне с экипажем 10-15 человек дают 1-1,5 м3 биогаза в сутки, и даже на пассажирских судах с тысячами пассажиров его доля не превышает 5 % от суточных потребностей газа для главных двигателей. Но и этот показатель значительно снижают моющие средства, которые почти всегда попадают в систему создания биогаза и угнетают работу полезных бактерий.

Поэтому покрытие биотопливом потребностей флота и других отраслей производства и быта человечества в полной мере невозможно.

Прямое применение растений и древесины в качестве брикетов топлива ограничено неудобством подачи их в камеру сгорания и хранения, а перегонка их в спирты или в другой вид жидкого топлива, ведет к дополнительному переделу, то есть к росту потерь и экономических затрат. Дополнительной проблемой по-прежнему является ограничение площадей плодородных земель и площадей лесов, в том числе их хищническое уничтожение.

К пока еще нетрадиционным видам топлива в гражданском флоте следует отнести ядерное.

Однако ядерная энергетика способна обеспечить замену традиционных видов топ-

лива лишь на крупных судах и является опасной, как для экологии, так и для общества, особенно в условиях международного терроризма и пиратства.

Более перспективным топливом для ДВЗ может быть водород, в первую очередь получаемый из воды электролизом, который является наиболее простым и технически доступным процессом его получения. Однако затраты электроэнергии на электролиз велики, что при нынешней ее цене экономически невыгодно, а получаемая затем при сжигании водорода энергия значительно меньше той, что была потрачена за два передела: 1) на выработку электроэнергии; 2) на сам электролиз. Поэтому экономически более целесообразно топливо для электростанций, которое идет на выработку электроэнергии для дальнейшего электролиза, напрямую сжигать в ДВС.

Таким образом, проведенный анализ показал, что ни одно из рассмотренных топлив не позволяет полностью решить поставленную в данной работе задачу развития ДВС.

Третий путь — переход на двигатели нетрадиционной энергетики.

В настоящее время выделяют три вида нетрадиционной (альтернативной) энергетики и их комбинации: 1) ветровую; 2) солнечную;

3) гидроволновую. В принципе они могут удовлетворить 100 % энергетических потребностей на суше, но для судов имеются свои ограничения, связанные с их габаритами, большой мощностью и условиями эксплуатации.

Анализ показал, что наибольшие удельные мощности среди этих видов энергетики имеет гидроволновая, с использованием механической энергии морских волн. Однако для судов 3-го и последующих поколений, имеющих более 250 м в длину и 35 м в ширину, качка волнами несущественна, даже при волнении в 7 баллов (зоны больших штормов рекомендуется обходить).

Солнечные энергетические установки теплового вида имеют низкий КПД < 10 %, что требует больших их размеров или количества. для которых на судне не хватает места, а на базе полупроводниковых фотоэлектрических элементов КПД увеличивается до 20 %, но они быстро разрушаются от воздействия морской воды и воздуха и являются более до-

рогостоящими. Кроме того, все они работают лишь в светлое время суток, что фактически требует удвоения их на судне для накопления энергии на ночной период и наличия для этого аккумуляторов или конденсаторов, что снижает грузоподъемность.

Ветровой энергетике в современных условиях уделяется наибольшее внимание, на суше ветроэлектроэнергетические установки лопастного типа нашли широкое применение. Однако размеры их лопастей составляют величину «10 м на 1 кВт вырабатываемой электроэнергии, поэтому на судне для них нет места, которое должно обеспечивать возможность их поворота за направлением ветра. Кроме того, их лопасти опасны, а их мелькание может вызывать эпилепсию и другие расстройства здоровья экипажа.

Самым простым вариантом использования ветра для суден является проект “8ку8аЙ8” с надувным парусом типа летящего крыла, закрепленного в носовой части судна [2], который в 2008-2009 гг. прошел широкомасштабные эксплуатационные испытания. При попутном ветре в секторе ±50о к ходу судна его тяговая сила увеличивается до 20 %, что не решает всех проблем. Дополнительное их преимущество — меньший крен от действия ветра. Однако узкий сектор эффективного действия ветра (±50о) существенно ограничивает возможности использования данной системы, кроме того, оно возможно лишь на магистральном пути и невозможно в узостях плавания. Недостатком также является потребность квалифицированного контроля и управления парусом, особенно при его запуске и спуске, и возможность его повреждения при свертывании, особенно при падении в воду. Кроме того, одного такого паруса недостаточно для полной замены главного двигателя. Хотя при использовании большего их количества этот недостаток значительно снизится, но при этом растет сложность управления парусами, в частности потребности избежания их столкновения, перекрещивания и перекручивания от действия ветра во время хода судна, а особенно при их подъеме и спуске. Поэтому полная замена ДВС на систему “8ку8аЙ8” невозможна.

Во второй половине ХХ в. разрабатывались также проекты мачтовых парусных судов [3, с. 22-27]. Наиболее простым вариантом является автоматически свертываемый парус типа переносного киноэкрана, на всю высоту мачты. Однако система мачтовых парусов не очень надежна и опасна, особенно в штормовой обстановке, а ее зависимость от силы ветра не гарантирует нужной скорости для своевременной доставки груза. Другим недостатком использования мачт является существенное изменение остойчивости судна. Кроме этого, для крупнотоннажных суден нужна большая парусность и количество мачт (« 1200 м2 и одна мачта на 3 тыс. тонн водоизмещения судна), что усложняет управление ими и исключает размещение грузов на палубе.

Таким образом, парусно-мачтовая система является неперспективной для крупнотоннажных судов, а система “8ку8аЙ8” сделала подобные проекты нецелесообразными. Однако паруса могут широко применяться для яхт и малотоннажных судов с нерегулярными перевозками.

Более перспективными, как показали выполненные в 2009-2010 гг. дипломные проекты [4-6], являются роторные и карусельные ветровые электрогенераторные установки. Однако недостаток места для их размещения на судне ограничивает их реальную мощность «

10 % от мощности главных ДВС (у танкеров и паромов с большими палубами он увеличивается до 50 %, но на танкерах применять их нельзя по правилам пожаробезопасности, а для паромов следует преодолеть инерцию мышления судовладельцев).

Более перспективными по удельной мощности являются гидроволные электроэнергетические установки. Однако недостатком известных установок является сложный механизм для преобразования кинетической энергии поступательного движения морских волн во вращательное, необходимое для привода электрогенератора. Кроме того, такие механизмы часто ломаются под ударами мощных волн (фактическая их жизнеспособность — до первого сильного шторма), а повышение их прочности и надежности увеличивает нижний порог восприятия колебаний

Выпуск 2

Выпуск 2

волн, что ограничивает условия их применения и удорожает конструкцию.

Указанные недостатки устраняет новый гидроволновой электрический генератор, созданный в патенте РФ № 2396673 [7].

Главное отличие предложенных в нем гидроволновых электрических генераторов от известных — отсутствие механической части для превращения движения волн во вращение статора или ротора, что не только упрощает их конструкцию, но и способствует росту КПД до 75-85 %, который во всех известных видах нетрадиционных энергетических установок не превышает 25-35 %, а также обеспечивает повышение надежности и долговечности этой системы. Данные генераторы имеют гравитационный принцип действия и производят электрический ток при качании ротора и статора относительно друг друга. На рис. 1, а ротор 1 закреплен на остове плавающего средства 4, а статически неуравновешенный статор 2 генератора 3 свободно подвешен, поэтому он обретает строгую ориентацию Р к центру Земли, за счет сдвига е его центра масс Ом относительно центра Ов ротора. При качании плавающего средства волнами на угол ±а относительное движение образовывающих электрический ток обмоток статора и ротора ведет к появлению в них ЭДС и к выработке электрического тока.

Аналогичные действия возможны при закреплении на плавсредстве 4 статора 2 генератора 3 и подвешивании груза 5 к ротору 1 (рис. 1, б).

Их работа возможна при наименьшем колебании волн, начиная с 1 балла, и их мощность растет пропорционально силе колебания волн. Однако, как отмечалось ранее, крупнотоннажные суда малочувствительны к качке, и прямое их применение нецелесообразно, поскольку ведет к незначительному количеству производимой электроэнергии. Кроме того, выполненный в 2008 г. дипломный проект [8] показал, что для судна дедвейтом 12 тыс. тонн и мощностью главного двигателя 4500 кВт, развивающего скорость 12 узлов, нужны 240 таких гидроэлектрогенераторов, имеющих диаметр 1,6 м, длину 1,3 м и массу 5 тонн, что уменьшает полезную массу перевозимых грузов на 15 %. При этом исходная мощность генераторов рассчитана для волнения в 3 балла и растет от силы волн, поэтому при меньшем волнении груз не будет доставлен в срок, а при большем — количество таких генераторов становится завышенным, лучше заменять их полезным грузом.

Таким образом, прямое применение таких систем на судах также нецелесообразно, кроме маломерных судов для нерегулярного плавания, в том числе разработанных по патенту РФ № 2397104 от 12.01.2009 г. [9] спасательных шлюпок.

Проведенный анализ показал, что ни один из известных вариантов нетрадиционной энергетики не может обеспечить 100-процентной замены судовых ДВС, поэтому они не могут быть рекомендованы как основные, а лишь как дополнительные источники энер-

Рис. 1. Варианты размещения на плавсредствах гравитационных гидроволновых электрогенераторов

и схемы их принципиальной работы

гии, что не позволяет решить поставленную в данной работе задачу. Поскольку потребность в судовых ДВС сохраняется для современного уровня развития техники, поэтому необходим поиск новых путей решения поставленной задачи — создание ДВС, работающих на возобновляемых видах топлива и обеспечение выбора этого топлива.

Предлагаемый путь перехода от традиционных к нетрадиционным системам ДВС

В данной работе предложен новый вариант — использование нового вида гидроволновых генераторов для прибрежных электростанций, размещаемых в местах, где волны образуются наибольшее число дней в году. В северных морях всегда имеется волнение. В южных морях СНГ волнение хотя бы в

1 балл имеется 320 дней в году, а в остальные дни его нет лишь 2-4 часа в предутреннее время суток летних месяцев, что компенсируется размещением таких электростанций в других местах или в других морях и часовых поясах, с переброской электроэнергии по электросетям.

Вырабатываемая при этом электроэнергия будет в 6-7 раз дешевле, чем от ТЭЦ, поскольку исключаются: затраты на топливо, составляющие « 1/2 от общих затрат; а также котлы, паропреобразователи, турбины и системы их обслуживания, наличие и содержание которых составляет « 1/3 от общих затрат. Кроме того, сокращение общей цепи повышает ее КПД.

Таким образом, значительное удешевление выработки электроэнергии делает экономически целесообразным процесс электролиза воды и получение при этом водорода как топлива для ДВС будущих поколений. Данный вывод положен в основу разработки новой концепции развития ДВС.

Общие выводы и разработка новой концепции

Водород является экологически чистым, восстанавливаемым и практически неисчерпаемым источником энергии, поскольку при его сгорании в кислороде образуется вода,

которая при электролизе снова распадается на водород и кислород, что обеспечивает возможность их взаимного превращения в бесконечном количестве циклов.

С учетом выявленных недостатков, преимуществ и требований для традиционных и нетрадиционных судовых топлив и энергетических систем предложено сформулировать исходные данные для последующей разработки новой концепции в сфере развития судового и общего двигателестроения.

1. Все известные нетрадиционные энергетические установки и топлива для многотоннажных суден могут быть лишь дополнительными источниками энергии.

2. Нетрадиционные энергетические установки и топлива могут быть основными источниками лишь для маломерных суден, при обязательной комбинации разных их видов, среди которых наиболее целесообразна пара — гидроволновые генераторы по патенту РФ № 2396673 и фотоэлектрические элементы для выработки электрического тока во время отсутствия волн.

3. Без усиленных поисков новых технических решений в данном направлении создание высокоэффективных нетрадиционных энергетических установок для суден будет откладываться на все более далекое будущее, что не отвечает требованиям уменьшения расхода топлива на транспорте.

4. Для крупных судов наиболее перспективным является переход к ДВС на водородном топливе, которое получено электролизом воды за счет электрического тока, производимого прибрежными электростанциями с гидроволновыми генераторами по патенту РФ № 2396673.

5. При этом на судах перевозить можно лишь водород, что значительно уменьшает объемы и массу емкостей, а кислород добывать из атмосферы, используя компрессоры и газоразделяющую технику, например криогенную.

6. Учитывая относительно низкий КПД 155 ДВС поршневого типа, более перспективным является переход на ракетные двигатели

на водородном топливе. При этом для крупнотоннажных суден исходными могут быть двигатели, разработанные для ракеты «Про-

Выпуск 2

Выпуск 2

гресс» — носителя космического челнока «Буран».

Эти исходные положения являются основой для разработки новой концепции развития ДВС для судов и других видов транспорта и систем, где их применяют, что позволяет заблаговременно направить необходимые научные, материальные и человеческие ресурсы в нужном направлении, ускорить разработки, избежав непродуктивных потерь.

Украина и Россия, с их еще достаточно большим научно-техническим потенциалом, не должны оставаться позади передовых зарубежных фирм, которые ведут подобные исследования, а учет предложенной концепции уже в ближайшее время даст существенные преимущества на начальном этапе работ отечественным ученым, конструкторам и произ-

водителям двигателей внутреннего сгорания в соревновании с зарубежными.

Таким образом, все поставленные в данной работе цели и задачи выполнены. Показано, что наиболее перспективным из известных топлив является водородное, получаемое электролизом воды на базе выработки дешевой электроэнергии электрогенераторами по патенту РФ № 2396673. Показано, что наиболее перспективными среди известных являются ДВС на водородном топливе. Показано. что дальнейшее развитие ДВС для суден и другой техники, в том числе железнодорожной, возможно на базе ракетных двигателей. Концепция предпочтительности разработки ДВС на водородном топливе с возможностью перехода на ракетные двигатели в судостроении предложена впервые.

Список литературы

1. Проценко О. П. Аналіз умов експлуатації і підвищення паливної економічності суднових енергетичних установок шляхом використання біоенергетичних установок: диплом. проект / О. П. Проценко. — Херсон, ХДМІ, 2008. — 130 с.

2. Zeppelin SkySails, Sales and Servise. — Hamburg, 2007. — 32 p.

3. Перестюк И. Н. Паруса атомного века / И. Н. Перестюк // Катера и яхты. — 1983. — № 1.

4. Мусіенко В. М. Підвищення техніко-економічних показників експлуатації енергетичної установки судна “Ліра” шляхом використання підйомних вітроенергетичних двигунів: диплом. проект / В. М. Мусіенко. — Херсон: ХДМІ, 2009. — 120 с.

5. Резніков С. В. Підвищення техніко-економічних показників експлуатації енергетичної установки судна “Orion” шляхом використання підйомних вітроенергетичних двигунів: диплом. проект / С. В. Резніков. — Херсон: ХДМІ, 2009. — 120 с.

6. Алєксєєв А. М. Підвищення техніко-економічних показників експлуатації суднової енергетичної установки порому типу “Сюф-2” проекту CNF 03.01 шляхом використання вітрогенераторних установок: диплом. проект / А. М. Алєксєєв. — Херсон: ХДМІ, 2010. — 120 с.

7. Пат. 2396673. МПК H02K 19/00. Генератор электрического тока, его варианты и способы их установки / Настасенко В. А. (РФ) № 2009100832/09. — Заявл. 12.01.09 // БИ. — 2010. — 10 авг. — № 22.

8. Корчагін П. Ю. Аналіз умов експлуатації суднових енергетичних установок і можливостей заміни двигунів головного руху застосуванням модульних хвильових енергетичних установок: диплом. проект / П. Ю. Корчагін. — Херсон: ХДМІ, 2008. — 130 с.

9. Пат. 2397104. МПК B63C 9/02. Спасательная шлюпка с устройством для обеспечения ее хода и ее непрямое применение / Настасенко В. А. (РФ) № 2009100835/09. — Заявл. 12.01.09 // БИ. — 2010. — 20 авг. — № 23.