Хочу немного порассуждать о разных источниках энергии (топлива) для транспортных средств и двигателях работающих на этих самых разных энергоносителях. Желание это появилось из за огромного числа статей на данную тематику, которые однако в большинстве своём мало информативны и повторяют друг друга, зачастую вообще не рассматривая некоторые аспекты.
Для начала перечислю все типы подобных установок актуальных для массового наземного транспорта (ну какие вспомню)...
1) ноги, а точнее мышечная сила человека - на удивление очень массовый вид двигателя, приводящий в движение огромное количество транспорта!
2) Паровой двигатель - винтажный и небезопасный механизм с не самым высоким кпд и сразу двумя расходными материалами, но может быть вполне актуален в ряде случаев даже в наши дни. Ну и тут же его "безопасный" собрат - двигатель Стирлинга, с ещё меньшим кпд но с одним расходником и простой как кусок камня.
3) Двигатель внутреннего сгорания (во всех своих формах, цветах и размерах) - на данный момент самый популярный и распространённый двигатель для наземных транспортных средств и не только (сюда же входят двигатели на водородном топливе).
4) Электрический двигатель (он же электромотор в рамках этой статьи) - тоже бывает всяким разным и набирает популярность.
5) Пневматический двигатель - работает на сжатом воздухе, имеет место быть, но крайне редок.
На этом пожалуй закончу список - есть ещё разные интересные двигатели но в данной статье они будут лишними. Если что то забыл - пишите в комментариях.
И так, теперь давайте сравним всё это дело и посмотрим на достоинства и недостатки каждой категории.
Начнём пожалуй с человека - со стороны естественных природных процессов это самый экологически чистый тип двигателя, но с другой стороны... люди представляют собой причину самой ужасной экологической катастрофы в целом. В любом случае человек довольно спорный вид двигателя - с одной стороны он условно бесплатный и доступен почти всегда, с другой - не может работать бесперебойно поскольку требует периодическую заправку разными видами топлива, нуждается в регулярном отдыхе и, гм, прочих технических операциях... Также каждый отдельно взятый человек имеет свою уникальную эффективность и показатель этот очень сильно варьируется. Поэтому такой тип двигателя обычно используется в спортивно-развлекательных транспортных средствах (роликовые коньки, скейтборды и т.п.) и индивидуальных транспортных средствах малой и средней дистанции (самокаты, велосипеды). Как правило такие транспортные средства плохо подходят для бездорожья и лучше всего подходят для перемещения по ровным качественным дорогам с отсутствием прочих помех.
Теперь очередь парового двигателя. В рамках данной статьи я буду рассматривать поршневые и роторные паровые машины. По конструкции паровой двигатель не уникален и чаще всего представляет из себя один или несколько поршней приводимых в движение давлением пара - это может быть конструкция аналогичная двигателям внутреннего сгорания или конструкция аналогичная гидравлическим/пневматическим моторам (все перечисленные двигатели можно переделать в паровой). Достоинствами парового двигателя являются: большая топливная доступность - топку котла можно топить при желании всем что горит; относительная простота и примитивность конструкции а также низкая требовательность к материалам - простые паровые машины можно сделать из подручных средств с применением простых инструментов и без особых знаний (да, они будут не такими эффективными и безопасными и может получится не с первого раза, но вероятность успеха достаточно высока). Однако у паровых двигателей много серьёзных недостатков: такие двигатели требуют сразу два расходных материала - топливо для нагрева котла и воду которая собственно нагревается и превращается в пар; в силу наличия в системе больших объёмов высокотемпературного пара под высоким давлением такие двигатели весьма опасны; также паровые машины весьма сложны в обслуживании и работе - они чувствительны к давлению и температуре окружающей среды, требуют постоянного контроля состояния котла (уровень воды, давление, температура), требуют контроля количества производства пара и его расхода, требуют регулярных долгих и качественных проверок состояния; в силу наличия высоких температур, высокого давления и воды - все части паровой машины склонны к сильному износу и поломкам; если применяется классическая схема с топкой и котлом большого объёма то такая система весьма долго приводится в рабочее состояние - воде нужно много времени чтобы нагреться и создать минимальное рабочее давление пара; система в целом имеет не очень высокий кпд - много тепла производимого топливом расходуется впустую, котёл с водой имеет большую массу, вода расходуется, имеется процесс промежуточного преобразования энергии - из тепла в давление из давления в механическую работу, система в целом имеет большие теплопотери, пар сам по себе имеет те же проблемы что и сжатый воздух и тд и тп. Однако если брать современные конструкции паровых двигателей то всё уже выглядит не так плохо: вопервых можно использовать роторную конструкцию вместо поршневой, во вторых уже достаточно давно для паровых двигателей придумали систему рекуперации воды что не устраняет расход воды полностью, но значительно его снижает, в третьих современные паровые двигатели часто имеют другую систему генерации пара - тонкие трубки малого объёма вместо огромного котла - это позволяет нагревать гораздо меньше лишнего объёма воды и намного быстрее превращать нужное количество воды в пар высокого давления а также сильно уменьшает габариты такой установки позволяя разместить её ближе к механической части которую надо приводить в движение, что снижает общую массу двигателя, тепловые потери и расход топлива. Электронный контроль работы систем позволяет сильно упростить управление двигателем. Современное заводское оборудование и современные материалы позволяют изготовить более эффективные системы нагрева, снизить общую массу всей двигательной установки, сделать элементы установки менее восприимчивыми к воздействию высокого давления перегретого водяного пара. Также паровые двигатели вполне позволяют использовать электричество или водород для нагрева, поэтому могут быть весьма экологичны. При этом не так страшно остаться без топлива: даже если у вас закончится водород, сядет аккумулятор или опустеет бензобак - вы с большой долей вероятности сможете найти дрова и топить ими систему пока не доедете до заправки. А в пустыне днём всё что вам нужно - это хорошая мощная фокусирующая линза... В силу всего выше перечисленного современный вариант парового двигателя в целом можно рассматривать как подходящий в определённых случаях - например для регионов в которых есть проблема с обеспечением топлива, для дальних долгих экспедиций где нет проблем с дровами, а в жарких солнечных странах данная установка будет работать вообще без топлива пока светит яркое солнце - главное не остаться случайно без воды (но мы помним что её расход в замкнутой системе с рекуперацией очень мал, а расширительный бачок никто не отменял).
Теперь очередь двигателя Стирлинга. Если ничего не путаю - данный двигатель был придуман как более безопасная (и технологически более простая) альтернатива паровому, поскольку он не имеет в себе большого количества горячего вещества под высоким давлением, а соответственно не склонен взрываться или наносить повреждения выбросами/утечками вещества из негерметичной магистрали. Главным недостатком такого двигателя является его низкий кпд, а вторым недостатком - достаточно большой размер оп отношению к приводимой в движение машине. Основными же достоинствами являются максимальная простота конструкции, малый вес и высокая безопасность (если не считать сильного нагрева или охлаждения одной части конструкции), а также доступность топлива - сойдёт всё чем можно нагреть/охладить. Собрать рабочий двигатель Стирлинга может даже ребёнок и собрать его можно чуть ли не из бумаги и клея (хотя такой вариант не будет иметь никакой практической ценности потому что сможет работать только в холостую, но сойдёт в развлекательных и познавательных целях). Двигатель сам по себе весьма экологичен, поскольку максимально прост в производстве и не особо требователен к материалам, также работает он на разнице температур, которую можно обеспечивать как сжиганием топлива так и природными факторами (например разместить холодную часть в тени, а горячую на солнце). Применять такой двигатель в наземных транспортных средствах, даже в его современном исполнении - весьма неэффективно, он скорее подходит как бесплатный двигатель (можно собрать из консервных банок) для электрогенератора в регионах с ярким солнцем или горячими источниками.
И вот настала очередь двигателя внутреннего сгорания. Двигатель сей весьма противоречив. В отличии от парового двигателя и двигателя Стирлинга он работает не на разнице температур, а на давлении которое образуется только и исключительно благодаря сжиганию топлива (да, вышеупомянутые двигатели тоже приводятся в движение давлением, но создаётся оно как правило нагревом и нагревать можно любым доступным способом - сжигать что либо вовсе не обязательно). Отсюда основной недостаток двигателя внутреннего сгорания - ему обязательно нужно сжигаемое топливо, причём не любое а подходящее. Отсюда вобщем то и все проблемы этого типа двигателей - низкая экологичность и низкая доступность топлива (где же вы посреди леса, моря или пустыни найдёте бензин...). Восполнить запас топлива к такому двигателю в походных условиях невозможно и приходится возить с собой большой объём топлива что само по себе затратно и малоэффективно. Почти любой двигатель внутреннего сгорания можно переоборудовать в пневматический или паровой, но сделать это можно только в условиях хоть какой то мастерской. Также двигатели внутреннего сгорания склонны иметь более сложную конструкцию и быть более требовательны к её качеству, зачастую они менее ремонтопригодны в походных условиях, а для производства требуют более сложного оборудования и более современные материалы. Теоретически для особо походных условий можно подстраховаться и заранее сделать возможность работы двигателя от пневматической магистрали (тоесть от сжатого воздуха), но тут мы внезапно переходим к недостатку пневматических двигателей - большой расход воздуха и сложность его хранения, хотя конечно воздух вы сможете достать практически везде - главное суметь его сжать... В теории, если вы находитесь не в пустыне, тоесть под рукой есть хоть какая то растительность - вы можете возить с собой перегонную установку и делать спирт, от которого будет работать ваш двигатель внутреннего сгорания, но решение это тоже весьма сомнительное, иначе уже давно повсеместно бы применялось и мне кажется что проще эту же растительность банально сжигать и топить таким образом паровой котёл... Что касается вопроса экологичности - двигатель внутреннего сгорания менее экологичен в вопросе производства, а работать он может на достаточно экологичном водородном топливе, только вот экологичным это топливо будет при условии экологичности процесса его получения. Если не ошибаюсь - получение и хранение водорода это весьма непростые задачи, да и не особо безопасные, к тому же для получения водорода также надо потратить какую то другую энергию, которую проще применить напрямую к двигателю другого типа, избежав тем самым потерь на преобразовании энергоносителя из одного в другой. Вобщем с экологичностью у этого двигателя пока что хуже всего и радужных перспектив не сильно есть, особенно учитывая что выхлоп данного двигателя (кроме водородной версии) весьма неполезен для здоровья тех кто его использует. Единственное достоинство таких двигателей - высокая энергоэффективность топлива (небольшой объём топлива даже при не самом высоком кпд двигателя позволяет получать достаточно высокую выходную мощность). Ну и двигатель при этом относительно компактен и безопасен. Как результат - двигатель имеет место быть в первую очередь в силу компактности и эффективности (у электродвигателей долгое время слабым местом являлись аккумуляторные батареи), удобен в применении в местах с развитой цивилизацией или на специально оборудованных заправками объектах, крайне неудобен в местах, где этих самых заправок нет (ну если конечно рядом не стоит цистерна с топливом), также могут возникать проблемы с ремонтом и обслуживанием.
Время переходить к электрическому двигателю. Это пожалуй самый перспективный двигатель на данный момент - в современных исполнениях он компактный, безопасный, имеет неплохой показатель кпд, достаточно прост в обслуживании, ремонте, изготовлении. По экологичности производства уступает разве что двигателю Стирлинга. Что касается топлива - сама по себе электрическая энергия очень экологична! Вопрос скорее в способах её получения и хранения, но тут всё настолько вариативно что есть как абсолютно неэкологичные так и максимально экологичные варианты. И на сегодняшний день даже есть неплохие варианты по соотношению экологичность/эффективность, хотя что касается накопителей электроэнергии (аккумуляторных батарей), на данный момент массово применяются далеко не самые экологичные из них, но тут есть поле для научной деятельности и достаточная вероятность в обозримом будущем получить что то намного более удовлетворительное, поскольку данное направление в любом случае сейчас очень активно развивается. Одним из интересных качеств электродвигателей является постоянная масса двигательной установки - аккумуляторы не склонны менять свой вес не зависимо от того заряжены они или разряжены, что делает массу транспортного средства более стабильной и предсказуемой. Электроэнергия также вполне восполняема хотя и не как добываемый природный ресурс, но как ресурс вырабатываемый множеством способов, в том числе механических (можно возить с собой ветряные электрогенераторы, различные термические электрогенераторы ну и в крайнем случае всегда есть солнечные батареи). Если транспортное средство оборудовано мотор-колёсами то поломка одного мотора не лишит транспорт подвижности, к тому же в силу большей компактности можно возить с собой запасные моторы и их системы управления. При правильной организации электроцепи даже выход из строя части аккумуляторов не лишит транспорт возможности двигаться работая от оставшихся неповреждённых элементов питания. Такая техника должна хорошо подходить для экспедиций и регионов с низким уровнем развития, поскольку позволяет обойтись без топливных запасов. Что касается ремонтопригодности - перемотать обмотку например может получиться и в домашних условиях, электронная же начинка блоков управления не менее доступна чем электронные блоки управления современными двигателями внутреннего сгорания. Но в целом можно иметь некоторый запас и моторов и блоков управления в качестве запчастей. Основной недостаток электрических двигателей на данный момент - высокая цена на все их компоненты (моторы, блоки управления, аккумуляторы), но понемногу этот показатель снижается (не стоит забывать что это пока намного менее массовый тип двигателей чем двигатели внутреннего сгорания). Вывод - перспективный тип двигателя, подходящий как для развитых регионов - тихий, не создаёт вредных выбросов в атмосферу во время работы, топливные элементы можно быстро заряжать от станций зарядки или медленно от бытовой электросети, так и для дальних экспедиций и малонаселённых регионов с неразвитой инфраструктурой - простота ремонта и обслуживания, возможность зарядки от перевозимого с собой безтопливного генератора электричества. Непонятно почему сложилось мнение что в удалённых регионах где нет станций зарядки такая техника бесполезна - заряжать её можно как от стационарных так и от мобильных генераторов электричества любого типа - хоть дизельных, хоть ветровых, хоть каких (видимо в первую очередь на мысли о бесполезности наталкивает малый запас хода - в среднем 150км, но никто не мешает увеличить размер батареи в тех случаях когда это важно - вас же не смущает что для двс при таком же раскладе надо с собой бочку с топливом или вообще бензовоз брать). И если возить с собой подходящий мобильный генератор то можно не бояться остаться без топлива, даже если на заправку уйдёт пара-тройка дней а не пять минут. Ждём экологичных аккумуляторных батарей большой мощности.
Ну и под конец - пневматический двигатель. Имеет много проблем и низкий кпд, хотя в последние лет 30 есть попытки как то улучшить это дело. Основная проблема - необходимость хранить большой запас воздуха под высоким давлением: на данный момент есть проблемы как с ёмкостями для такого хранения так и с насосами способными нагнетать воздух под таким давлением в больших объёмах, к тому же масса у сжатого воздуха никуда не пропадает и баллоны заправленные воздухом очень много весят, потому что расход воздуха достаточно большой и как результат чтобы двигатель мог работать не 15 минут а несколько часов - надо очень много воздуха. Основная работа ведётся именно в направлении сокращения расхода воздуха, что позволит обходиться намного меньшим его количеством. Также при сжатии воздух нагревается, что затрудняет его сжатие и требует отвода тепла, а при расширении он охлаждается что сильно снижает кпд, поэтому где то в районе рабочей камеры двигателя воздух желательно греть... и все идут разными путями - кто то пытается сделать рекуперацию тепла, кто то подогревает воздух очень незначительным количеством топлива, кто то пытается греть воздух в предварительной камере толи от атмосферы толи хрен пойми от чего... вобщем с пневматическими двигателями пока что всё не очень хорошо - они достаточно экологичны, если сжимать воздух безтопливным способом (например механическим приводом насоса от ветра) но это в любом случае перевод энергии из одного энергоносителя в другой с достаточно большими потерями, к тому же нужно обеспечивать очень высокую степень герметичности воздушной магистрали в транспортном средстве чтобы сжатый воздух мог долго храниться обеспечивая не только запас хода но и большое время простоя иначе как доехать до заправки если транспорт стоял несколько дней? Да, подобный транспорт также можно заправлять мобильным генератором/насосом, но это уже более сложное оборудование и сама заправка возможно будет намного дольше, а если контур где то потеряет герметичность то транспорт вообще никуда не поедет. Так что подобные моторы хороши пожалуй только в определённых обстоятельствах - в первую очередь там, где уже в любом случае есть в наличии сжатый воздух желательно под высоким давлением (например заводы), ещё можно использовать такие двигатели в городском транспорте, где всегда есть возможность заправиться в автопарке или на специальных промежуточных станциях, а также налажены ремонт и обслуживание такого транспорта, может быть ещё в авто/мото спорте есть смысл применять. Для применения на персональном или экспедиционном транспорте мне пневматический двигатель кажется весьма неудачной идеей.
Итог: самый экологичный двигатель это человек! А самый перспективный на данный момент двигатель - электрический. Но и безтопливный паровой двигатель согласитесь звучит интересно!
Спасибо всем кто читал, надеюсь вы нашли для себя что нибудь полезное в этой горе текста статье.