Введение

К оглавлению
1 2 3 4 5 6 7 8 

«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 — главтше 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 «От­

чет Центрального Комитета КПСС и очередные задачи партии в области внутренней и внешней политики» под­черкнул:

«...Мы добились заметного роста научно-техническо­го 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 (рис. 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 рис. 1. Автор считает, что скром­ный удел знаменитых «ванкелей» (кривая /) 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 предварительном 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 принято 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 способности 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 порш­невим 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. элек­тро- 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 га­

за^ли ДВС. И лишь по мере расходования минераль­ных 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 рис. 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 не­

обходимость внесения изменений в их конструкцию, так и преемственность многих решений, предлагает чита­телю сначала бегло ознакомиться с историей двигателя.