Folyékony levegővel működő motor – Dearman Engine
Folyékony levegővel hajtott motort fejlesztenek hűtőfelépítményekhez az Egyesült Királyságban. A koncepció mögött álló Dearman Engine cég szerint 2014 nyarán már a járműves tesztekre kerül sor. Az innovatív motor koncepciót a MIRA (Motor Industry Research Association), az Air Product, a Ricardo és számos brit egyetem (Leeds , Birmingham , Loughborough és Brighton) közösen fejlesztik, a kezdeményezéshez több befektető és a brit kormány is anyagi támogatást nyújtott. A folyékony nitrogénnel üzemelő motor 2 éven belül kerülhet sorozatgyártásba. A 2013 végén futtatott első tesztek után egy három hónapos program vár a motorra ahol számos tesztnek vetik alá és felmérik a teljesítményét. A MIRA jövőbeli szállítmányozási technológiákkal és intelligens mobilitással foglalkozó részlegének kereskedelmi igazgatója, Chris Reeves elmondta: „a MIRA büszke arra, hogy az első folyékony levegővel működő motor megalkotásának projektjét vezetheti. A folyékony levegő egy izgalmas, új energiahordozó, amely hozzájárulhat a közlekedési ágazat szén-dioxid kibocsátásának csökkentéséhez.”
A motor bemutatása előtt nézzük meg, milyen potenciálok rejlenek a cseppfolyósított levegőben. A Linde-eljárás feltalálása óta az előállítása nem okoz problémát: a gázt 200 bar-os nyomásra komprimálják (2 lépcsőben) és visszahűtik, majd a nagynyomású tartályból a levegőt egy fojtáson keresztül egy másik tartályba engedik „szivárogni”. Ahogy a gázelegy veszít a nyomásából és tágul, úgy hőmérséklete is csökken, egészen -200 °C-ig. Ezen a hőmérsékleten már a levegő minden alkotóeleme folyékony halmazállapotú. Mivel a levegőben lévő gázok forráspontja különböző, ezért gázszeparációra is kiválóan alkalmas az eljárás. Mivel a mai iparban a levegő-komponensekre külön-külön nagyobb az igény, ezért – a főleg orvostudományban használatos – folyékony levegőt cseppfolyósított nitrogén és oxigén 80:20 arányú keverékéből képezik. A szintetikus előállítás költsége 12-18 Ft. kilogrammonként, a szállítási költsége pedig ennek kétszerese. Egy brit tanulmány szerint az autós alkalmazások költsége úgy csökkenthető, hogy a töltőállomásokon állítanak elő folyékony nitrogént, felhasználva az LNG (folyékony földgáz) visszagázosításakor nyert „hideget”. A két folyamat párosításával 60%-kal kevesebb energia szükséges a cseppfolyósítási folyamathoz. A tanulmány szerint ezzel az eljárással az tüzelőanyagra fordított költségeket tekintve gazdaságosabbá válik a folyékony levegő, mint a fosszilis energiák.
A diagramokból az is megfigyelhető, hogy az elektromos áram előállítása és közvetlen felhasználása a legkifizetődőbb az autós alkalmazásokban. A gazdasági kitekintés után bemutatjuk a folyékony levegővel (vagy nitrogénnel) hajtott motor működését. A működési folyamatok a 2. ábrán láthatók.
A rendszer a belsőégésű motor által generált hőveszteség egy részét használja fel: a felmelegített folyadékot (angol rövidítéssel HEF-nek – Heat Exchange Fluidnak – magyarul hőcserélő folyadéknak nevezik) beporlasztják a hengerbe, ahova a felső holtponti pozícióban a kriogenikus folyadékot (tartósan kis hőmérsékleten tartva folyékony halmazállapotú, szobahőmérsékleten gáznemű anyag) közvetlenül a hengerbe fecskendezik (3. ábra).
A hőcserélő folyadékkal történő találkozáskor a folyékony levegő (vagy nitrogén) hőt vesz fel és párologni kezd, ezzel együtt növeli a nyomást a hengerben. Az expanzió során a nyomásnövekedésből mechanikus munka lesz, ugyanis a felszabaduló gáz a nyomás hatására a dugattyút lefele nyomja. A közvetlen kontakt a két folyadék között közel izotermikus expanziót eredményez, aminek a fajlagos munkavégző képessége nagyobb, mint az adiabatikus expanzióé (4. ábra).
Az alsó dugattyúpozícióban a kialakult keverék távozik a hengerből, a gáz – ami lényegében levegő (vagy nitrogén, ami a levegő 78%-át alkotja) – kikerül a környezetbe, a HEF, vagyis a hőcserélő folyadék pedig visszakerül a keringető rendszerbe, ahol a belsőégésű motor felhevíti, így újra hasznosíthatóvá válik. A működés során a „léghajtású” motor legkisebb hőmérséklete -196 °C, míg a felső korlát a külső, környezeti hőmérséklet.
Előzetes számítások szerint a technológia nehézgépjárművekben történő alkalmazása az Egyesült Királyság gázolajfogyasztását 1,3 milliárd literrel csökkentené, a CO2-kibocsátást pedig több, mint 1 millió tonnával 2025-ig. A karcinogén részecskék mennyisége 180 tonnával csökkenne évente, ami ekvivalens 367 000 modern tehergépjármű forgalomból történő kivonásával.
Az új technológia koncepciója magában foglal egy dízel-hibrid alkalmazást is, ami a belsőégésű motorok hőveszteségének hasznosításával állítólag 25%-os tüzelőanyagfogyasztás-csökkentést eredményez.
Ő. P.
