Аммиак не отличается высокими энергетическими показателями. Его энергетические показатели значительно ниже по сравнению с бензином и водородом (табл. 2), зато энергоплотность выше, чем у водорода.
Моторные качества
Аммиак обладает высокой детонационной стойкостью. Его октановое число, определенное по моторному методу, равно 111, а по исследовательскому — 130. Вместе с тем он отличается низким стехиометрическим коэффициентом, высокой температурой воспламенения аммиачно-воздушной смеси (650° С) и вялым ее сгоранием. Вялое сгорание является следствием низкой температуры пламени аммиака (1682 °С по сравнению с 2063°С у бензина), что замедляет самоускорение реакции горения. Поэтому при использовании аммиака в двигателях с искровым зажиганием требуется повышенная энергия зажигания, что может обеспечить применение высокотемпературных свечей с большим искровым промежутком и мощных индукционных катушек зажигания.
Весьма перспективным для двигателей, работающих на аммиаке, окажется применение плазменного зажигания (см. «КЯ» № 113).
Для ускорения сгорания аммиачно-воздушной смеси в результате уменьшения расстояния, проходимого фронтом пламени (от очага воспламенения до стенок), предложено использовать сферическую камеру сгорания в поршне (см. рис.) и свечу зажигания с удлиненными электродами. При использовании системы зажигания от магнето, степени сжатия 12—16 и искровом промежутке между электродами свечи 0,2—0,3 мм было получено устойчивое зажигание. Однако из-за медленного сгорания аммиачной смеси двигатель мог работать на ограниченной частоте вращения коленчатого вала — не более 3000 об/мин. Впрыск небольшого количества водорода (около 1,5%) позволил увеличить частоту вращения до 4500 об/мин.
Расчет технико-экономических показателей автомобиля «ЗИЛ-130» при работе на бензине, аммиаке и водороде выявил некоторое преимущество аммиака (с учетом сложности эксплуатации криогенной системы хранения водорода).
Опыты, проведенные в лаборатории топлив и масел военного ведомства США, показали, что для обеспечения надежного воспламенения аммиака в дизелях требуется увеличить степень сжатия до 35 и одновременно повысить до 150°С температуру во впускном коллекторе и системе охлаждения двигателя. Рабочий процесс характеризуется повышенной жесткостью.
Ускорению процесса воспламенения и горения аммиака способствуют впрыск запального топлива или добавка активизирующих присадок (в том числе газов). В качестве запального топлива в дизелях используют дизельное топливо с высоким цетановым числом (ЦЧ). Этим достигается устойчивое сгорание аммиака при степени сжатия 30. В качестве эффективных активирующих присадок применяют амилнитрат (ЦЧ = = 100) или диметилгидразин (ЦЧ = 67). Эти присадки обеспечивают надежное сгорание аммиака при обычных степенях сжатия порядка 12—14. Применение диметилгидразина предпочтительнее, так как по своим свойствам он близок к аммиаку.
Улучшению сгорания аммиака способствует добавка таких высокооктановых газов, как водород и ацетилен. Добавка 6—10% водорода обеспечивает устойчивое сгорание аммиака, начиная со степени сжатия 21 и температуре на впуске 65 °С. Еще более эффективна добавка ацетилена в количестве 15—20%, позволяющая снизить степень сжатия до 16 и уменьшить жесткость работы двигателя.
Преимущества аммиака
Главными преимуществами аммиака являются его относительно низкая стоимость (так же как у водорода), практически неограниченная сырьевая база и малая токсичность отработавших газов. К этому следует добавить относительно малую пожарную опасность. Пределы воспламенения смеси аммиака с воздухом составляют 15—18% по объему, температура самовоспламенения — 651 °С.
В продуктах сгорания аммиака содержится только один токсичный компонент — окислы азота. Исследования, проведенные в университете штата Теннесси (США) на стандартном двигателе при частоте вращения 2000 об/мин, полностью открытой дроссельной заслонке и составе смеси, характеризуемом отношением топлива к воздуху 7,6 (α = 1,24), показали незначительное содержание окислов азота в отработавших газах.
Недостатки
Специфический резкий запах аммиака вызывает раздражение слизистых оболочек носа, рта, дыхательных путей, сопровождающееся иногда кашлем. Однако этим же в значительной степени снижается опасность аммиака: его можно обнаружить даже при самой малой концентрации паров 5·10—2 мг/м3. Согласно ГОСТ 12.1005—76 «Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования», предельно допустимая концентрация аммиака в воздухе рабочей зоны составляет 20 мг/м3. Для воздуха населенных мест среднесуточная и максимальная разовая концентрации составляют 0,2 мг/м3. Другими словами, аммиак в четыре раз менее вреден, чем метанол.
Недостатком аммиака является также его коррозионная активность по отношению к таким цветным металлам, как медь, латунь, бронза. Это объясняется щелочными свойствами аммиака.
Перспективы. Учитывая простоту производства, относительно низкую стоимость, удовлетворительные термодинамические показатели и малую токсичность отработавших газов, аммиак может рассматриваться как реальный заменитель бензина и дизельного топлива в рамках энергетики будущего.
В настоящее время производство аммиака достигло больших масштабов. Его стоимость сравнима со стоимостью бензина, но вследствие низкого энергосодержания стоимость аммиака как моторного топлива оказывается в 2—2,5 раза выше. Можно ожидать, что в связи с постоянным ростом цен на нефтепродукты и вполне возможным снижением затрат на производство синтетического топлива применение аммиака может стать реальным уже к 1990 г.
Примечания
1. Перспективным видам топлива были посвящены уже три статьи того же автора, опубликованные в «КЯ» №99, №107, №108.