Помимо распространенных и хорошо всем известных ДВС, работающих на бензине и дизеле, существуют несколько менее популярные на газу, этаноле и биодизеле. Но знаете ли вы о попытках создать ДВС, топливом для которого служила бы угольная пыль? А между тем, и знаменитый Рудольф Дизель попытался построить такой двигатель. Если разобраться, совсем не удивительно, что попытки создания ДВС топливом для которого служил бы уголь, предпринимались неоднократно, настойчиво и в первую очередь немцами. На территории германии были лишь небольшие месторождения нефти, зато страна была богата углем. Изобретатели вполне обоснованно полагали, что двигатель, работающий на дешевом и доступном, отечественном топливе, будет востребован.
Сам Рудольф Дизель, в процессе работы над этим «твердотопливным» двигателем, быстро обнаружил немало проблем и, видимо, верно оценив этих проблем масштаб, оставил эту соблазнительную, но трудно осуществимую идею. Однако, нашлись люди, которые довели дело до рабочих образцов.
Как и в привычном нам дизеле, в этих двигателях сжимался чистый, без топлива, воздух, до высокой степени, а после в цилиндр «впрыскивалось» облако мелкодисперсной угольной пыли, которая, воспламенялась от температуры сжатого воздуха. Пробовали два способа подачи топлива.
В первом варианте сухой угольный порошок, из бункера, захватывался струей сжатого воздуха и «вдувался» в цилиндр. Этот метод позволял использовать практически любое твердое измельченное топливо, но требовал мощного турбокомпрессора и системы очистки выхлопа от золы.
Во втором варианте мелкодисперсная угольная пыль смешивалась с жидкостью (дизельным топливом, маслом или даже водой) и подавалась с помощью модифицированного ТНВД. Это отчасти упрощало систему подачи топлива, но угольная пыль в смеси стремительно убивала плунжерные пары и решить эту проблему не удавалось.
Одним из известных проектов, доведенных до рабочих образцов, был двигатель RUPA. Название двигателя происходит от имени и фамилии конструктора. Рудольф Павликовский – инженер, бывший сотрудник Рудольфа Дизеля, пытался воплотить идею, которую его проницательный босс счел безнадежной.
Топливом для этого двигателя служил бурый уголь, измельченный до порошка, частицы которого и мели размер около 4 кубических микрон. Понятно, что сам процесс приготовления и хранения такого порошка был не простым. Информацию о том, как именно это делалось найти не удалось, но можно предположить, что с помощью помола и последующего просеивания. Вопрос, каким образом изготавливалось такое «сито» в 20-х годах прошлого века?
Этот угольный порошок подавался при помощи шнекового механизма и дозирующей камеры, из которой захватывался струей сжатого воздуха и «вдувался» в цилиндр в точно отмеренном количестве и в необходимый момент. Двигатель, как пишут, был предкамерным. Правда, на схемах, которые нам удалось найти, трудно обнаружить что-то похожее на современную форкамеру. Хотя, кто сказал, что должно быть похоже? Да, боимся, что и за достоверность этих схем никто не поручится😊. Ну, что имеем, то имеем. Вот принципиальная схема двигателя.
А это, надо полагать, схема механизма подачи топлива.
Хотелось бы, конечно, большего, но если посмотреть внимательно, то и по этим схемам, в общих чертах, можно представить себе, как это чудо работало.
Двигатель этот был вертикальной компоновки, четырехтактный, диаметр цилиндра (как мы поняли, единственного) составлял 420 мм, ход поршня 630 мм, мощность 80 л.с. при 160 об. мин. Такие показатели считались неплохими (хотя, дизельные двигатели, того же времени, на жидком топливе выдавали удельную мощность в 4, а то и в 8 раз больше). Беда была в том, что главная проблема, которую прозорливо разглядел Рудольф Дизель, так и не была решена. Угольная пыль и зола, остававшаяся после ее сгорания, очень быстро приканчивали и цилиндры, и поршневые кольца, а заодно и турбокомпрессор т.к. эффективную систему очистки выпуска от частиц золы создать так и не удалось. Двигатель RUPA так и остался в истории, как остроумная, но неинтересное с коммерческой точки зрения изобретение.
Однако, на этом попытки изобретателей создать поршневой ДВС на твердом топливе не закончились.
Следующее интересное изобретение принадлежало британцу Дэвиду Кригсману. В годы второй мировой войны существовал сильно отличный от нуля риск потери англичанами доступа к жидкому топливу. Именно поэтому и для них стала актуальной идея двигателя на твердом (во всех смыслах😊), отечественном топливе.
Это был оппозитный двигатель, в каждом цилиндре которого было два противоположно движущихся поршня. Головки поршней имели полусферические выемки. Когда поршни в мертвой точке сходились образовывалась камера сгорания идеальной сферической формы. Предполагалось, что такая форма будет способствовать лучшему смесеобразованию и наиболее полному сгоранию топлива (угольной пыли). В момент максимального сближения кольцевой выступ одного поршня входил в соответствующую проточку встречного (см схему ниже).
В отличии от двигателя RUPA, где угольная пыль «вдувалась» в цилиндр в конце такта сжатия (в т.ч. по этой причине двигатель RUPAдолжен был работать на очень низких оборотах, иначе топливо просто не успевало бы сгорать), в двигателе Кригсмана топливо попадает в цилиндр в начале такта сжатия. Угольная пыль, вместе с воздухом, под давлением подавалась через патрубок в стенке цилиндра (1 на схеме), затем, двигалась через радиальный канал в теле поршня и выбрасывалась из центрального осевого отверстия непосредственно в сферическую камеру (2 на схеме).
Самым интересным в этом двигателе был пневматический бесконтактный уплотнитель. Для борьбы с абразивными свойствами угольной были, которая очень быстро поршневые кольца и стенки цилиндров, Кригсман предложил это необычное решение. В теле каждого поршня, между соседними компрессионными кольцами, выполнялась кольцевая проточка (4 на схеме). В эту проточку, через канал в стенке цилиндра из патрубка (3 на схеме), в момент вдувания угольной пыли, подавался сжатый воздух. Этот воздушный барьер, по замыслу, должен был предотвращать попадание угольной пыли и золы между поршневыми кольцами и стенкой цилиндра и далее в зазор между поршнем и стенкой цилиндра. В этот же сжатый воздух добавлялось небольшое количество моторного масла для смазки.
Нам не совсем понятно каким образом сжатый воздух между компрессионными кольцами должен был защитить от абразивного износа верхнее компрессионное кольцо и стенку цилиндра. Как это работало бы в жизни никто не знает, ибо этот необычный проект остался на бумаге. Дело не дошло даже до рабочего образца. А жаль! Идея, согласитесь, очень любопытная.
А вот, двигатель для тепловоза ТЭ1Г на угольном топливе, разработанный коллективом инженеров под руководством Якобсона Петра Васильевича в послевоенном СССР, не только не остался «на бумаге», но и находился в реальной эксплуатации, им оснастили 16 локомотивов.
В СССР 40-х, начала 50-х годов нефтяная промышленность еще не была развита так, как в последствии, а угля было сколько угодно. Мы помним, что советские железные дороги, конечно, были самыми железнодорожными в мире, но о ту пору еще не были электрифицированы. А паровозы? Паровозы к тому моменту уже морально устарели. Коэффициент полезного действия парового двигателя оставлял желать много лучшего. Итак, основным локомотивом становился тепловоз, а необходимое ему дизельное топливо производилось в недостаточном количестве. Понятно, что взоры советских инженеров, как до этого немецких и британских обратились к углю.
Однако, советские конструкторы, видимо, учли ошибки буржуинских предшественников и пошли несколько иным путем. Вместо того, чтобы строить двигатель на угольной пыли, они изменили устанавливавшийся на тепловозы обычный дизельный двигатель Д50, таким образом, чтобы он мог работать на газу, а вот газ этот получали из угля при помощи, разработанного специально для этого, газгенератора. Суть заключалась в том, что уголь сжигали в условиях недостачи кислорода, в результате происходило образование горючего газа. Газогенератор размещался на отдельной четырехосной секции, которая цеплялась к тепловозу. Газ подавался в цилиндры двигателя вместе с небольшой (15-20%) порцией дизельного топлива, которое служило «запалом». От его вспышки воспламенялась основная газовоздушная смесь. Такая схема позволяла избежать больших изменений в конструкции двигателя Д50 и не сильно снижала его КПД.
Как уже говорилось ранее, всего в СССР эксплуатировалось 16 тепловозов с такой необычной силовой установкой, а еще два даже были переданы в КНР, где, надо полагать, имели место схожие проблемы с нефтепродуктами.
В условиях реальной эксплуатации, в отличии от режима испытаний, наряду с неоспоримыми достоинствами выявились и весьма существенные недостатки этих, на тот момент, инновационных агрегатов. Главным недостатком снова оказался абразив! В горючем газе содержались микрочастицы угольной пыли и золы, которые несмотря на системы очистки, попадали в цилиндры и сокращали ресурс двигателя до неприемлемых значений. Кроме того, пробег такого тепловоза без дозаправки составлял всего 500 км в то время, как обыкновенного 1200.
В итоге и этот проект закрыт отчасти из-за выявленных в процессе эксплуатации проблем, а отчасти потому, что во второй половине 50-х нефтяная промышленность СССР уже начала бурно развиваться и надобность в «угольном» двигателе отпала.
Но на этом, попытки инженеров приспособить уголь для какого-нибудь двигателя, кроме парового не закончились! В 1978 году, на этот раз за океаном, компания General Motors оснастила автомобиль Cadillac Eldorado газотурбинным двигателем, работавшим на угольной пыли! Это все началось у них после нефтяного эмбарго 1973, когда цены на нефть и нефтепродукты в течении считанных месяцев взлетели едва не в четыре раза. Понятно, что в стране с огромными запасами угля… короче, мотивы, как и вышеописанных историях. У GM на тот момент уже был сорокалетний опыт разработки турбин. Правда, до GM в США уже пытались приспособить газотурбинный двигатель, работающий на угольной пыли для локомотивов и эти эксперименты потерпели неудачу, но то ли специалисты GM были не в курсе деталей той истории, то ли самоуверенно полагали, что уж они-то справятся с любыми проблемами, но только они взялись за создание (звучит-то как!) автомобильного газотурбинного двигателя на угольной пыли.
Нет, угольная пыль не сжигалась непосредственно в камере сгорания турбины. Как и в советском тепловозе ТЭ1Г угольная пыль сжигалась в газогенераторе, а в турбину подавался полученный горючий газ. Устройство получилось навороченное! Вместо бензобака в машине был бункер с угольной пылью. Что бы пыль не слеживалась и не превращалась в монолит ее необходимо было периодически встряхивать. Для этого бункер оснастили вибратором. К газогенератору угольную пыль порционно подавал маленький конвейер. Нажатие на газ не открывало дроссель, а ускоряло движение этого конвейера. Кроме того, в автомобиле имелся небольшой бак для жидкого топлива (керосина или солярки), которое использовалось для запуска турбины, а после система переключалась на «угольный газ».
Построенный образец не только ездил, но даже отлично стартовал за счет отличного крутящего момента турбины, но проблем с ним было! Мама не горюй!
Газотурбинные двигатели и сегодня имеют некоторую задержку между «нажатием на газ» и увеличением оборотов, а в те годы она была более продолжительной. В случае же с этим автомобилем, к турбо-лагу добавлял дополнительные секунды угольный конвейер, что делало машину просто опасной в потоке. Но это было бы пол беды, со временем, водители конечно привыкли бы к такому управлению и просто на рефлексах делали бы поправки на задержку. Скажем, на вертолете задержка на управляющие действия тоже будь здоров какая, но управляют же ими пилоты!
Второй проблемой оказалась заправка автомобиля угольной пылью. Мелкая угольная пыль летала по всюду и пачкала все! Наверняка эту проблему можно было решить, но оказалось, что решать ее не за чем, потому что третья проблема начисто убила проект.
Этой третьей проблемой оказался… Правильно! Абразив. В американском автомобиле, ровно также, как и в советском тепловозе, мельчайшие абразивные частицы, содержавшиеся в горючем газе, очень быстро приканчивали лопатки турбин и победить это проблему специалисты GM, как и все вышеперечисленные, ранее экспериментировавшие с угольной пылью, не сумели.
Похоже, что уголь пригоден только для того, чтобы при сжигании нагревать воду и двигать паровоз или вращать турбину на электростанции. Добытым через сжигание угля электричеством, безусловно, можно зарядить аккумулятор электромобиля. Вот только имеет ли это смысл? На сегодняшний день кажется, что скорее нет, чем да. А что будет дальше? Поживем-увидим! Может быть…