«Техника и наука». 1980, № 7
В технике редко бывает так, чтобы одна, даже очень удачная, конструкция была
конкурентоспособной по всем показателям. Легкость, быстрота запуска машин с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) в свое время побудили инженеров смириться с их невыгодными тяговыми характеристиками, с дороговизной горючего и с вредными выхлопами. Однако сейчас энергетический кризис, рост загрязнения окружающей среды
предъявили конструкторам свои требования. Многие из них посчитали, что единственным решением всех проблем является создание электромобиля, даже несмотря на то что за переход с ДВС на электромотор придется платить ухудшением таких свойств, как дальность пробега и стоимость эксплуатации транспорта. Но единственный ли это выход из создавшегося положения? Конечно нет В статье предлагается еще одно возможное решение.
Вариант парового автомобиля
4-паровой двигатель;5-привод(ФРГ):1-топка;2-пародинамо;6-котёл.3-вращающийся конденсатор.
Обычно об экономичности автомобиля судят по расходу топлива в литрах на 100 км пробега, либо в граммах на 1 л. с. за час постоянной работы двигателя. В этом случае учитывается только степень использования уже доставленного к транспортному средству топлива или энергии. А есть ведь еще затраты, связанные с их получением, переработкой на предприятиях топливодобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, с работой электростанций. Добавим сюда же расходы на транспортировку и хранение. Только теперь, видимо, можно подсчитать истинную эффективность использования топлива в экипаже или общий КПД.
В ФРГ на ЭВМ такие расчеты были выполнены. Для энергетической цепи: каменный уголь — электроэнергия — токонесущие контактные провода — электротранспорт — он составил 6,5%; для цепи сырая нефть — бензин — автомобиль он понизился до 4,2%. В цепи каменный уголь — электроэнергия —аккумуляторная батарея — электромобиль общий КПД не превышал 2%.
Цифры показательные. Причем одним из серьезных факторов, препятствующих коренному улучшению КПД моторного транспорта, является силовая установка. Ведь она должна быть экономичной при сложных, нестабильных режимах — обычных в городских условиях. Параметры работы автомобиля -Жигули», например, здесь таковы: на создание ускорения уходит 40% работы двигателя, на преодоление сопротивления качения 35% и сопротивления воздушной среды 25%- Другими словами, значительная часть мощности двигателя идет на ускорение. Так вот, снижение КПД транспортного сродства по сравнению с КПД установленного на нём двигателя как раз и отражает способность силовой установки экономично работать с переменной нагрузкой.
Парадокс заключается в том, что ДВС, вобрав в себя максимум научно-технических достижений, по своей -тягловой энергетике- мало пригоден для работы в городе. Кроме общеизвестных минусов, для разгона с места и включения передаточных устройств необходим большой запас мощности двигателя, что, в свою очередь, также снижает собственный КПД автомобиля. По имеющимся данным, наибольший КПД бензинового мотора составляет 25—26%, а КПД автомобиля с таким двигателем по нормам расхода топлива оказывается в 2—2,5 раза ниже. Так автомобиль-такси ГАЗ-24 с мотором в 98 л. с. при движении по улицам Москвы (скорость до 60 км/ч) с полной нагрузкой имеет КПД 11,5%. А ведь даже для движения со скоростью 80 км/ч вполне достаточно мощности двигателя в 20 л. с. Ещё пример. Городской автобус ЛиАЗ-677 с двигателем в 180 л. с. (при скорости 60 км/ч с нагрузкой 80 пассажиров) затрачивает на движение только 60 л. с., а его КПД в диапазоне скоростей 20—40 км/ч будет на уровне 12—13%.
Так. может быть, правы те. кто предлагает заменить ДВС на электромобиль? Действительно, электрический двигатель лучше приспосабливается к транспортным нагрузкам, так как у него нет коробки передач и сцепления. Кроме того, среди тяговых двигателей электрический при оптимальной нагрузке имеет наибольший КПД. Однако при пуске и разгоне из-за неизбежных потерь на нагрев его КПД падает более резко, чем У ДВС.
В электромобиле на снижение общего КПД также влияет величина тока, отдаваемого аккумуляторами или топливными элементами. Другими словами, по самой химической природе этих источников тока их КПД стремится к 100%, тогда как отдаваемая ими мощность стремится к нулю. Этими причинами и еще потерями более 50% энергии в электропередаче и зарядном устройстве и объясняется столь низкий (2%) общий энергетический КПД электромобиля. 2% — это значит, что электромобиль израсходовал на движение энергию 2 кг топлива, а на электростанции сверх этих 2 кг должны впустую сжечь, загрязняя среду, еще 98 кг!
Комплексное решение проблем транспортной энергетики и охраны окружающей среды известно: оно достижимо с применением принципиально иных силовых установок — с двигателями -внешнего» сгорания. В этих установках рабочее тело двигателя (пар или газ) получает тепло от внешнего источника.
Зарубежные концерны упорно ведут работы по таким установкам — паровым и двигателям Стирлинга. При этом в их публикациях прослеживается узкокартельный подход к использованию результатов этих разработок. Так, весьма сдержанно сообщая о паромобилях, усиленно рекламируют разработки по Стирлингу, необъективно представляя преимущества и затушевывая недостатки этого двигателя. Однако работы по паровым установкам ведутся в автомобильных корпорациях концернов «Форд». -Фиат-, -Дженерал моторе». -Крайслер». -Вольво—Сааб». «Мицубиси моторс». Причем масштабы работ таковы, что уже в недалеком будущем паровой -джинн» способен вырваться из сети монопольных соглашений на шоссейные дороги.
Паровой двигатель лучше всех других удовлетворяет нуждам транспорта. Он способен развивать требуемую мощность при любом числе оборотов, не меняя экономичности, обладая хорошей приемистостью, допускает работу со значительной перегрузкой, без коробки передач и сцепления. Важно отметить, что в силу этого КПД всего транспортного средства мало отличается от КПД его парового двигателя.
Знакомство наших инженеров с паровым приводом относится к 1935 г. Тогда из США были доставлены несколько легковых, работавших на керосине, паровых автомобилей фирм -"Добл" и "Беслер". В большой статье, опубликованной в газете «Техника» от 9 мая 1935 г., инженеры автозавода ЗИС И. Митепьман и А. Брюшков сообщали: -В мае с. г. паровой автомобиль -Добл-подвергся в Москве испытанию в дорожных условиях и пересеченной местности. Несмотря на то что автомобиль имеет за собой 105 тыс. км пробега, автоматические приборы работали вполне надежно, и машина показала исключительную по своему эффекту тяговую характеристику: приемистость, плавность и бесшумность езды — качества, не присущие нормальным бензиномоторным машинам». Автомобили -Добл» и «Беслер» по весу и габаритам не отличались в своём классе от автомобилей с ДВС. Паровой двигатель автомобиля -Добл» имел КПД 17% и развивал мощность до 100 л. с. Двигатель, объединенный с картером заднего ведущего моста с полуосями весил 225 кг и обеспечивал паромобилю высокую приемистость — разгон с места до скорости 100 км/ч. на пути 300м (современный автомобиль высшего класса ЗИЛ-117 разгоняется на этом же пути до такой же скорости, но с двигателем в 300 л. с.).
В 1947—1954 гг. отечественная авто промышленность провела работы по паровым экипажам, правда, целью этих работ было только расширение топливных ресурсов (паровые грузовые автомобили работали на дровах). В дальнейшем в связи с ростом нефтедобычи и производства жидкого топлива работы по паромобилям были свернуты, а все имевшиеся образцы зарубежной и отечественной постройки были обращены в металлолом...
Но именно бесшумные паромобили вполне удовлетворяют самым высоким современным санитарным нормам. К тому же они потребляют более дешевое топливо. Поэтому-то за рубежом ряд фирм уже создал образцы паромобилей — легковых, такси, автобусов. В США серийно выпускаются паросиловые установки для легких катеров мощностью 5—10 л. с. и более. Однако широкое внедрение паровых установок за рубежом наталкивается на серьезное сопротивление. Так. по свидетельству шведского инженера X. Дилна. ранее работавшего в США. нефтяные концерны делают все. чтобы помешать развитию парового автомобиля, из опасения, что резко снизится потребление производимого ими бензина. В угоду концернам замалчивается и доклад Академии наук США, представленный конгрессу еще в мае 1973 года. В нем указывалось, что из рассмотренных различных двигателей, способных быть альтернативой бензиновому по всем показателям, наиболее перспективны только паровые (рассматривались ДВС, газовая турбина, двигатель Стирлинга, паровые, электромобили на аккумуляторах и топливных элементах).
К сожалению, из-за искусственного сдерживания разработок паромобилей не накоплен опыт по технологии их массового производства. Однако нет и неразрешимых технических проблем, препятствующих внедрению этой техники. Тем более что сам паровой двигатель значительно проще двигателя Стирлинга и ДВС, работает без взрывного горения в цилиндрах, при умеренных температурах, и потому более дёшев и долговечен.
Качественно новые возможности дает замена не очень дешевого котла с автоматическим топочным устройством на тепловой аккумулятор. Такое транспортное средство в отличие от паромобиля названо теплокаром, наши и зарубежные проработки показывают: среди всех известных способов аккумулирования энергии для транспорта наиболее перспективен именно тепловой аккумулятор. Это теплоизолированный бак, заполненный теплоемким веществом и оснащенный электронагревателем для зарядки теплом от внешней электросети. В сравнимых условиях достижима удельная энергоемкость (в кВт/ч. снимаемых по эквиваленту с тонны полного веса аккумулятора) в десятки раз превышающая емкость современных электрохимических аккумуляторов
Это не только решает вопрос пробега на одну зарядку, но. что гораздо важнее.
Динамические характеристики движения легкового автомобиля.
Диаграмма удельной энергоемкости транспортных аккумуляторов.
открывает путь для внедрения электрификации • полеводство — с применением аккумуляторных тракторов, т. е. тракторных теплокаров. Расчеты показывают, что теплокар способен вести пахоту без перезарядки в течение полной рабочей смены. Энергоемкость аккумулятора теплокара зависит от максимально допустимой температуры (в конце зарядки) и от теплоемкости вещества-заполнителя, значительные количества тепла выделяются при обратимых фазовых переходах — таких, как кристаллизация, полимеризация, сублимация.
Значительной теплоемкостью обладает вода. Удельная энергоемкость водяного аккумулятора, например, в 8.5 раза превышает энергоемкость свинцово-ки-слотных аккумуляторов. Недостатком воды является быстрое повышение давления с ростом температуры. Поэтому водяной аккумулятор должен иметь прочный стальной баллон. То, что вода в этом случае может одновременно слу-жить рабочим телом, поставляя тепло тяговому двигателю, значительно упрощает схему установки в целом.
Более высокую энергоемкость имеют тепловые аккумуляторы, в которых генерирование пара происходит в теплообменнике, в простейшем случае — трубчатом змеевике, размещенном в массе теплоаккумулирующего вещества. Если это вещество не нагружает аккумулятор большим внутренним давлением, корпус его может быть выполнен легким, тонкостенным. Значительный интерес представляют соединения лития — наименее химически активного в ряду щелочных металлов. Сама же паросиловая установка теплокара представляет замкнутый контур: пар из испарителя в аккумуляторе поступает в паровую машину, совершив работу, он направляется в охлаждаемый воздухом радиатор. Конденсат насосом возвращается в аккумулятор, и цикл замыкается.
В целом у теплокара по схеме силовой установки много общего с обычным бытовым холодильником: возможность периодической подзарядки от электро-сети, наличие теплообменников для очередной зарядки, а также для испарения и конденсации, тепловой машины — компрессора и аппаратуры регулирования. Подобная установка не нуждается в квалифицированном уходе и годами не требует ремонта.
Существенно, что в отличие от аккумуляторных установок с двигателем Стирлинга. аккумулятор теплокара работает в диапазоне умеренных температур, стоимость его низка, а срок службы практически не ограничен. Для транспорта ценно также, что время зарядки (нагрева) зависит только от мощности электросети и электронагревателя. Зарядка осуществляется постоянным и переменным током любого напряжения и частоты. Отметим, что тепловой аккумулятор способен накапливать энергию от любого маломощного источника; в перспективе это может быть компактный изотопный источник тепла со сроком службы до нескольких лет. Потери на внешнее охлаждение через теплоизоляцию аккумулятора незначительны, составляя 1—3%, и поэтому КПД всего теплокара при эксплуатации будет близок к КПД его парового двигателя. Одним словом, КПД теплокара будет выше, чем парового автомобиля. Общий же КПД по всей цепи электростанция — электросеть — теплокар будет также выше, чем у обычного автомобиля, поскольку потери в электропередаче, как указывалось выше, меньше потерь при нефтепереработке, транспортировке и хранении жидкого топлива.
Внедрение в транспортной энергетике тепловых аккумуляторов в сочетании с надежностью и превосходными тяговыми свойствами парового двигателя дает радикальное решение проблемы охраны окружающей среды.
А МАЛИНИН. инженер
