Необычные двигатели

Раздел: Техника

«Главной, пожалуй, или одной из главнейших баз всей нашей экономики»  называл транспорт В. И. Ленин. Развитию транспорта и вопросам улучшения работы автомобильного транспорта в частности уделяется огромное внимание во всех решениях партии и правительства нашей страны. В десятой пятилетке автомобильный парк пополнится новыми машинами большой грузоподъемности. В 1980 г. будет выпущено 2,1— 2,2 млн. автомобилей, в том числе 800—825 тыс. грузовых. Увеличится производство автобусов, автомобилей большой грузоподъемности, прицепов и полуприцепов к ним. Причем особое внимание обращено на улучшение технико-экономических характеристик транспортных средств — на их производительность, экономичность в эксплуатации, снижение материалоемкости, надежность.

Сердце каждой транспортной единицы — двигатель, и все эти требования относятся и к нему. Улучшение топливной экономичности и надежности двигателей, снижение их веса, создание простых и технологичных конструкций, уменьшение токсичности выхлопа и производимого двигателем шума — главные задачи, стоящие перед современным двигателестроением.

В выполнение задач, стоящих перед народным хозяйством, в разработку новых эффективных решений большой вклад вносят советские изобретатели, рационализаторы, новаторы производства. Их работа была высоко оценена на XXV съезде КПСС.

Генеральный секретарь ЦК КПСС товарищ Л. И. Брежнев в докладе на XXV съезде партии «Отчет Центрального Комитета КПСС и очередные задачи партии в области внутренней и внешней политики» подчеркнул:

«...Мы добились заметного роста научно-техническо- го потенциала. Еще шире стал фронт научных исследований. Все больший размах приобретает творчество сотен тысяч изобретателей и рационализаторов».

Возможным типам необычных двигателей ближайшего будущего и главным образом работам наших отечественных изобретателей посвящена эта брошюра.

Если полистать популярные журналы и отыскать там статьи о двигателях, то у неискушенного читателя наверняка создастся впечатление, что дни обычных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) сочтены — столь много в последнее время пишут и говорят о электромобилях, турбовозах и даже паровых двигателях. Впечатление это ошибочно. Многочисленные прогнозы предсказывают, что в 2000 г. будет выпущено 60—75 млн. автомобилей ( 1, кривая 5), а численность парка автомобилей достигнет 500—750 млн. единиц. Почти 95% пассажирских перевозок и почти 90% грузовых будет осуществляться автомобильным транспортом. И львиная доля их ляжет на плечи нестареющего поршневого двигателя.

Несомненно, что ДВС претерпит существенные изменения. Громадные коллективы ученых и инженеров ведут поиск наиболее эффективных решений как по двигателям обычным, так и по двигателям новых, еще не получивших распространения типов.

Возможные количественные контуры сфер влияния различных типов двигателей в мировом выпуске до 2000 г. приведены на  1. Автор считает, что скромный удел знаменитых «ванкелей» (кривая 1) окажется для многих неожиданным. В обозримом будущем они вытеснят не более 5% обычных ДВС, а их выпуск вплоть до 1985 г. не превысит 2 млн. шт. в год. Уже сейчас можно смело утверждать, что основной областью применения этих двигателей станут мотоциклы, катера, мотонарты и снегоходы. К 1985 г. 50% парка подобных машин будет оснащено двигателями ранке- ля. Вместе с тем гораздо менее разрекламированный «стерлинг» вкупе с газовой турбиной демонстрируют невиданные темпы роста (кривая 3). Их массовое производство начнется уже в 1981 г. и к 1985 г. составит до 10% от общего выпуска автомобильных двигателей. Основной областью их применения в первое время будут тяжелые грузовые автомобили. По мере разработки компактных образцов двигателей Стирлинга и газотурбинного двигателя (ГТД) их доля в общем балансе будет неуклонно повышаться.

Наиболее интенсивный взлет имеет кривая 4, характеризующая выпуск усовершенствованных обычных ДВС. Уже к 1980 г. подавляющее большинство ДВС будет иметь форкамерное зажигание с послойным распределением заряда смеси, непосредственный впрыск топлива или другие усовершенствования рабочего процесса, направленные в первую очередь на снижение токсичности выхлопа. Что касается кривой 2, то она иллюстрирует возможную динамику производства электромобилей. Уже сейчас парк электромобилей насчитывает десятки тысяч штук. В ряде стран программы разработки электромобилей субсидируются правительствами. Созданы аккумуляторы и топливные элементы с повышенной энергоемкостью (свыше 200 Вт-ч на 1 кг веса). И вместе с тем высокая стоимость, а главное существенно меньший пробег электротранспорта от единичной зарядки (заправки) еще долго будут сдерживать его повсеместное распространение. В 1990 г. доля электромобилей будет близка к 10%, а в 2000 г. составит 20—35%.

Закат эры поршневого двигателя отнюдь не подтверждается прогнозными данными. Это скорее своеобразный вид рекламы электромобилей, «ванкелей», газотурбинных двигателей.

Все нападки на существующий автомобиль в первую очередь вызваны токсичностью выхлопа. На долю автомобильного транспорта приходится 35% загрязнения атмосферы. Цифра впечатляющая. Поэтому все высокоразвитые страны выпустили и утвердили в последние годы стандарты на токсичность выхлопных газов автомобилей. Автомобильные компании подняли шумиху, называя требования стандартов «невыполнимыми», «необоснованными», «сверхжесткими». Однако все автомобили 1975 г. соответствуют этим требованиям. Даже мизерное снижение токсичности по сравнению с требованиями стандартов используется в качестве яркой рекламной приманки.

Газетная шумиха и жалобы на жесткость стандартов использованы компаниями для повышения цен на автомобили в среднем на 20—25%, хотя все изменения в основном сводятся' к разработке усовершенствованных карбюраторов, применению систем непосредственного впрыска топлива и дожигателей или катализаторов, установленных в глушителях.

Принципиально новые системы, суть которых заключается, например, в переводе бензина в парообразное состояние с помощью теплообменника или йредвари- тельном расщеплении бензина и превращении его в горючий газ, еще только разрабатываются. Но и эти системы не в силах кардинально разрешить проблему перспективного автомобиля, которая неразрывно связана с выбором вида топлива для двигателя.

В последние годы существенно интенсифицированы работы по газобаллонным автомобилям, использующим в качестве топлива смеси сжиженных углеводородных газов, как правило, жидких пропана и бутара, что позволяет снизить токсичность. Широкому распространению газобаллонных автомобилей препятствуют пока еще ограниченное количество газонаполнительных станций, а также снижение мощности двигателей на 10— 20%.

Более перспективен сжиженный природный газ — метан. Применение сжиженного природного газа позволяет не только резко снизить токсичность выхлопных газов (в силу однородного состава топлива и простоты химического строения), но и значительно повысить моторесурс, или мощность двигателя. Однако низкая температура сжиженного природного газа (—160° С) требует изготовления топливного бака по принципу термоса, что при современном состоянии криогенной техники не представляет сложности.

Широкие работы по переводу автопарка на сжиженный природный газ проведены в США. Экспериментальные автомобили выпущены и европейскими фирмами, такими, как «Штейер-Пух» (Австрия), «Мерседес-Бенц» (ФРГ), «Савьем» (Франция). Парк этих автомобилей уже насчитывает десятки тысяч.

В нашей стране с целью оздоровления атмосферы больших городов приняло постановление о переводе значительного количества грузовых автомобилей на сжиженный углеводородный газ и ведутся работы по использованию в качестве топлива сжиженного природного газа. В 1975 г. на улицах Москвы уже появились первые автомобили, работающие на сжиженном газе. Заполняются они на специальных газонаполнительных станциях.

Рассматривая вопросы перспективности автомобилей на сжиженных газах, нельзя не упомянуть о жидком водороде. Пока он успешно использован лишь в ракетах. Однако это, несомненно, топливо будущего и для автомобилей как в силу неограниченных запасов водорода, так и из-за наибольшей чистоты продуктов сгорания (теоретически продукты сгорания водорода состоят из водяного пара).

Первый успешный опыт применения водорода в качестве топлива для дизелей с непосредственным впрыском осуществлен в университете штата Оклахома (США) в 1968—1970 гг., где три опытных двигателя проработали на стенде в течение двух лет, причем их мощностные характеристики практически не изменились. Единственный недостаток водорода — необходимость его хранения в жидком состоянии при крайне низкой температуре —250° С. Поэтому, а также из-за

того, что водород считается взрывоопасным (кстати, необоснованно), внедрения этого вида топлива можно ожидать не ранее широкого распространения автомобилей на сжиженном метане, т. е. где-то за пределами 1990 г.

Правда, не исключено, что недавно найденный способ хранения водорода в порошковых композициях некоторых металлов (например, в лантано-никелевых гидридах) несколько приблизит этот срок. Суть способа в громадной поглотительной способно^и гидридов по отношению к водороду. В единице объема порошка при практически атмосферном давлении водорода запасается почти столько же, сколько в баллоне с давлением 1000 кг/см2!

Интересный принцип использован специалистами Института проблем машиностроения АН УССР в содружестве с коллегами из Москвы, Ленинграда и ряда союзных республик. На базе «Москвича» они создали экспериментальный образец автомобиля, в двигателе которого бензин заменен. водородом. На машине вместо бака с бензином — миниатюрный реактор. Находящийся в нем металлический порошок соединяется с водой. Происходит химическая реакция, в результате выделяется водород. В смеси с воздухом он подается в цилиндр мотора. Топливная система взрывобезопасна.

О перспективности сжиженных газов и водорода говорит тот факт, что уже в настоящее время стоимость сжиженного природного газа не превышает стоимости бензина, а стоимость жидкого водорода близка к ней. Сжиженный газ и жидкий водород могут быть использованы как топливо для любых видов двигателей. Можно предположить, что положительные качества этих видов топлива обеспечат их поэтапное применение на всех новых и усовершенствованных образцах двигателей.

Но самое «чистое» топливо — это, конечно, электричество. Поэтому практически все без исключения статьи о электромобилях начинаются с тезиса о том, что проблему загрязнения окружающей среды можно решить путем их развития. Однако с 1900 г. удельную энергоемкость аккумуляторов удалось повысить лишь с 15 до 40—50 Вт-ч/кг, а для обеспечения конкурентоспособности электромобиля, по мнению экспертов, требуется энергоемкость не менее 220 Вт-ч/кг, т. е. в 4—5 раз выше, чем у существующих типов.

Ожидается, что только в течение ближайших 10 лет получат распространение литиевые, цинково-воздушные и натрий-серные батареи и топливные элементы с удельной энергоемкостью до 200 Вт-ч/кг, т. е. все еще меньше, чем требуется. Поэтому начала широкого выпуска электромобилей можно ожидать не ранее 1985 г. и то только в предположении ускоренного прогресса аккумуляторной техники. В ближайшем будущем развитие этого вида транспорта будет сдерживаться низкой энергоемкостью, значительным весом, ограниченным сроком службы аккумуляторных батарей и рядом других причин.

Работы по увеличению срока службы батарей до 400—500 циклов перезарядки, что равноценно всего 2— 3 годам эксплуатации, еще только ведутся и в этом плане перспективы гораздо менее радужны, чем в направлении увеличения энергоемкости. Немаловажна повышенная стоимость электромобилей, которая определяется не только высокой ценой источников питанияно и широким применением в конструкции относительно дорогостоящих легких металлов и пластмасс. Последнее необходимо хотя бы для приближения общего веса электромобиля к весу атомобиля с ДВС такого же класса.

Не изменяют положения и уже опробованные схемы комбинированных энергетических установок, в которых наряду с электродвигателями используются ДВС. Обычно в таких схемах ДВС работает в одном режиме (с целью снижения токсичности выхлопа) только на подзарядку аккумуляторов. Но при этом потери энергии достигают 40%. Таким образом, особых перспектив схема не имеет.

Реализованная фирмой «Бош» (ФРГ) схема комбинированной энергетической установки, где ДВС с помощью специальной муфты в нужный момент может подключаться к электроприводу колес, снизила величину потерь энергии до 10%. Однако вес такой установки, предназначенной для легкового автомобиля, возрос на 400 кг, а стоимость — на 30% по сравнению с приводом от обычного ДВС. «Этюд фирмы «Бош» в области охраны окружающей среды», — нарекли эту конструкцию конкуренты фирмы.

Так что, несмотря на обилие экспериментальных и даже серийных электромобилей, они не могут рассматриваться как серьезный конкурент автомобилей с поршневым двигателем.

То же самое можно сказать и пока об экзотических гиромобилях, в которых аккумулятор энергии — гироскоп (маховик). Исследовательские и опытно-конструкторские работы, проводимые в том числе, и в нашей стране, позволяют считать этот вид транспорта конкурентом в первую очередь электромобилей. Действительно, будучи соизмеримыми с последними по весу и величине пробега, гиромобили. могут восполнять недостаток энергии практически от любой электрической розетки, что служит их несомненным преимуществом.

Необходимо заметить, что все работы по электро- и гиромобилям страдают своего рода однобокостью. Рекламируя «стерильность» этого вида транспорта, авторы не учитывают необходимости комплексного научного исследования проблемы их использования. Ведь, по существу, электромобили выносят источник загрязнения лишь за пределы городов, перекладывая его на плечи электроэнергетики. Подсчитано, что если заменить 14 млн. автомобильных ДВС (уровень 1974 г. в ФРГ) на электродвигатели, батареи которых ежедневно с 22 до 6 часов утра будут заряжаться, то потребление электроэнергии составит около 100000 МВт. Обеспечить такое энергопотребление смогут, например, 500 (!) атомных ТЭЦ мощностью по 200 МВт (!) каждая. Одно тепловыделение подобной энергосистемы колоссально. Учет этого аспекта, а также перспективного баланса электроэнергии для каждой отдельной страны (в США уже сейчас отмечается дефицит электроэнергии) скорее всего приведет к тому, что и за пределами 2000 г. элек- тро- и гиромобили будут отнюдь не превалирующим видом транспорта.

Немаловажным фактором, который выглядит парадоксально, является и низкая эффективность использования энергии в системе «электростанции—электромобиль». Ее КПД не превышает 15%. Эксплуатация системы в масштабах планеты равносильна разбазариванию энергии. Такую роскошь человечество может себе позволить лишь ввиду крайних обстоятельств, с целью сохранения жизнеспособности больших городов, атмосфера которых все больше отравляется выхлопными газа^ли ДВС. И лишь по мере расходования минеральны^ ресурсов планеты, совершенствования методов получения электроэнергии и самих электромобилей их число, возможно, резко возрастет. Возможно, так как немногие отваживаются пока заглядывать за рубеж второго тысячелетия. И не исключено, что к тому времени родится какой-то невиданный вид индивидуального транспорта.

В нашей стране наиболее крупным потребителем электромобилей в обозримом будущем станет сфера обслуживания. Работы в этом направлении ведут ученые и инженеры Москвы, Харькова, Калининграда, Еревана, Запорожья. А легковой электромобиль индивидуального пользования помчится по дорогам не ранее 1990 г.

В последние годы можно было услышать мнение, что сейчас заниматься разработкой новых типов двигателей бессмысленно: грядет-де век турбин и электродвигателей. Этот тезис полностью опровергается данными  1 даже с учетом несовершенства прогнозов: вплоть до 2000 г. не менее половины вновь выпускаемых (!) двигателей сохранит верность схемам, изобретенным в прошлом столетии: Отто, Дизель, Стерлинг. Однако современный уровень развития общества требует внесения существенных усовершенствований как в конструкцию этих двигателей, так и в реализуемые ими рабочие процессы с целью повышения КПД и экономичности, снижения веса, уменьшения вредного влияния на окружающую среду. Перспективность тех или иных поисковых и опытно-конструкторских работ, осуществляемых как в государственном масштабе, так и отдельными энтузиастами, можно представить в такой последовательности:

1.         Усовершенствования ДВС обычного типа.

2.         Разработка двигателей внешнего сгорания и газовых турбин.

3.         Усовершенствование электропривода для автотранспорта.

4.         Создание роторно-поршневых двигателей.

Конечно, такое распределение весьма условно. Однако в настоящей брошюре, посвященной главным образом поршневым и роторно-поршневым двигателям, автор предпочитает придерживаться именно такой последовательности. А чтобы показать как историческую необходимость внесения изменений в их конструкцию, так и преемственность многих решений, предлагает читателю сначала бегло ознакомиться с историей двигателя.