ДВС или электромотор?

Нынешняя молодежь уверена, что электромобили – это Tesla и слава Илону Маску! Чистые электро и гибриды – они рождены нашим временем, XXI веком! Ошибочка – это разрабатывается давно и весьма активно в СССР, которую некоторые презрительно именуют «Совок» - читайте статью 1976 года.

Каждую секунду на конвейерных лентах нашей планеты оживают два новых поршневых двигателя. Каждую секунду — два! Через четверть века это число удвоится. Таков научный прогноз. Тем не менее если полистать научные и популярные журналы, то может создаться впечатление, что дни обычных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) уже сочтены. Впечатление это, однако, ошибочно. Так считают многие специалисты, и в том числе инженер К. Чириков, консультант нашего журнала.

Сейчас чуть ли не узаконенным считается срок 15-20 лет, за который новая машина успевает пройти путь от первого, еще «неуклюжего» образца до первой большой серии. Порою в это трудно поверить, но это действительно так. Знаменитый теперь Ванкель начал свои работы еще до второй мировой войны. В 1957 г. им был создан первый промышленный образец, и только через семь лет (в 1964 г.) появилась первая небольшая партия двигателей, а серийный выпуск начат в 1967 г. Но несмотря на исключительную рекламу, проведенную за последние десять лет, двигатели Ванкеля в обозримом будущем вытеснят не более 5% своих основных конкурентов. А их выпуск вплоть до 1985 г. не превысит 2 млн. шт. в год.

График (прогноз) производства автомобильных двигателей:
1 — двигатели Ванкеля;
2 — двигатели для электромобилей;
3 — двигатели Стирлинга и газовые турбины:
4 — традиционные двигатели (карбюраторные и дизельные) с усовершенствованным процессом сгорания топлива, сниженным количеством токсичных веществ в выхлопных газах и повышенной экономичностью;
5 — динамика производства автомобилей.

Даже при особой важности работ срок внедрения нового образца не удается сократить сколь либо существенно. В 1935 г. Сергеем Степановичем Баландиным была создана схема бесшатунного механизма, на основе которой стали проектироваться и строиться уникальные авиадвигатели. А отработанные промышленные образцы мощных двигателей испытывались лишь в 1947—1951 гг.

Более 150 лет насчитывает к настоящему времени история двигателя внешнего сгорания Стирлинга. Где-то в 60-х годах о нем вспомнили голландские инженеры. В 1967 г. появился первый образец. Но с этого момента придется отсчитать более 20 лет, прежде чем начнется победное шествие двигателя этого типа (после 1980 г.).

Двигатель электромобиля соревновался с бензиновым собратом уже в 1900 г. Прошло три четверти века. Но даже если представить, что именно сейчас проходят заключительные испытания электромобиля, то только к 1990 г. можно ожидать его массовый выпуск. При этом и в 2000 г. электромобиль не сумеет вытеснить более 20-35% своих дымящих собратьев (в 2024-2025 гг. доля гибридов составила 20%, а чисто электромобилей 14% - прим. редакции).

Причин тому много. Тут и высокая стоимость создания новых, даже обычных двигателей, и длительность этого процесса, измеряемая десятилетиями.

Многочисленные прогнозы предсказывают, что в 2000 г. будет выпущено 60—76 млн. автомобилей, а численность парка автомашин достигнет 500—750 млн. Почти 95% пассажирских перевозок и почти 90% грузовых будет осуществляться автотранспортом. И львиная доля их ляжет на плечи нестареющего поршневого двигателя! Несомненно, что ДВС претерпят существенные изменения, и база для них закладывается уже сейчас.

Схема пятикамерного двигателя Ванкеля

Ну а как с выпуском других видов двигателей в ближайшие 10—20 лет? Уже сейчас можно смело утверждать, что основной областью применения Ванкелей окажутся мотоциклы, катера, мотонарты и снегоходы. К 1985 г. 50% парка подобных машин будут оснащены этими двигателями.

Вместе с тем массовое производство гораздо менее разрекламированного Стирлинга вкупе с газовой турбиной (основное применение — для грузовых автомобилей) начнется в 1981 г. и к 1985 г. составит до 10% общего выпуска. Что касается динамики производства электромобилей, то уже сейчас парк их насчитывает десятки тысяч. 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. Такое положение в обозримом будущем не смогут изменить ни новейшие и сверхъемкие источники энергии, ни законы об охране Окружающей среды.

И все же предполагается наиболее интенсивный рост выпуска усовершенствованных обычных ДВС. Уже к 1980 г. подавляющее большинство ДВС будут иметь форкамерное зажигание с послойным распределением заряда смеси, непосредственно впрыск топлива или другие усовершенствования рабочего процесса.

Таким образом, закат эры поршневого мотора отнюдь не подтверждается имеющимися данными. Ведь и двигатель Стирлинга, по сути своей, тот же поршневой мотор, и наладить его выпуск без труда может любой моторостроительный завод. Поэтому без дела моторостроители-поршневики не останутся. Даже в худшем случае для них выпуск поршневых моторов (с учетом Стирлинга) на десятилетия стабилизируется где-то на уровне 1980 г. А это 50—60 млн. штук машин в год!

Схема двигателя внешнего сгорания Н. Андреева и А. Меркулова. КПД двигателя может превышать 50—60% за счет применения тепловых трубок, перераспределяющих тепло между камерами нагрева рабочих поршней двустороннего действия, и бесшатунного механизма С. Баландина, увеличивающего механический КПД двигателя:

1 — рабочие поршни;
2 — поршни-вытеснители;
3 — холодильники;
4 — регенераторы;
5 — тепловые трубки;
6 — механизм Баландина.
Стрелками показан подвод тепла.

Все нападки на существующий автомобиль, в первую очередь, связаны с видами топлива, на которых он вынужден работать, 35% загрязнения городской атмосферы приходится на долю автомобильного транспорта. 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 уже в 1975 г. большинство автомобилей соответствовало этим требованиям. Правда, 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 (СУГ), — как правило, жидких пропана и бутана, — что позволяет снизить токсичность. Широкому распространению газобалонных автомобилей препятствуют, однако, ограниченные ресурсы СУГ и снижение мощности конвертированных двигателей на 10—20%.

Более перспективным топливом является сжиженный природный газ (СПГ) — метан. В настоящее время этот вид топлива считается одним из самых многообещающих. Применение СПГ 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. Особенностью СПГ является низкая температура (минус 160°С), требующая изготовления топливного бака по принципу термоса, что при современном состоянии криогенной техники не представляет сложности.

Схема автомобильной паровой машины:
1 — источник тепла; 2 — котел;
3 — парораспределительный механизм;
4 — двигатель;
5 — вентилятор;
6 — конденсатор (радиатор);
7 — рекуперативный теплообменник;
8 — насос.
Повышенный интерес к паровым машинам вызван возможностью обеспечить низкую токсичность продуктов сгорания при высокой удельной мощности (л.с./л объема) и надежности.

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 по причине наибольшей чистоты продуктов сгорания (теоретически продукты сгорания водорода состоят из водяного пара).

Первый успешный опыт применения водорода в качестве топлива дизелей с непосредственным впрыском осуществлен. Единственным недостатком водорода является необходимость его хранения в жидком состоянии при крайне низкой температуре, равной минус 250°С. Поэтому, а также в силу определенной инерции общественного мнения, считающего водород опасным (кстати, необоснованно; можно напомнить, что и бензобаки первых автомобилей по степени опасности приравнивались к взрывчатке), внедрения этого вида топлива можно ожидать не ранее широкого распространения автомобилей на СПГ, т. е. где-то за пределами 1990 г.

Правда, не исключено, что недавно найденный способ хранения водорода в порошковых композициях некоторых металлов (например, лантано-никелевые гидриды) несколько приблизит этот срок. Суть способа в громадной способности гидридов поглощать водород. В единице объема порошка при практически атмосферном давлении водорода запасается почти столько же, сколько в баллоне с давлением 1000 атм. Сдерживающим фактором будет являться лишь высокая цена гидридов.

За перспективность СПГ и водорода говорит тот факт, что уже в настоящее время стоимость СПГ не превышает стоимости бензина, а стоимость жидкого водорода близка к ней.

Таким образом, можно отметить, что и СУГ, и СПГ, и водород могут быть использованы в качестве топлива любых видов двигателей: конвертированных обычных ДВС, РПДВС (роторнопоршневой двигатель внутреннего сгорания), Стирлингов, ГТД (газотурбинный двигатель) и др. Можно предположить, что положительные качества этих видов топлива обеспечат их поэтапное применение на всех новых и усовершенствованных образцах двигателей.

Самое «чистое» топливо — это, конечно, электричество. Поэтому практически все разговоры об электромобилях начинаются с тезиса о том, что проблему загрязнения окружающей среды можно решить лишь путем их развития. Однако с 1900 г., т. е. за 75 лет, удельную энергоемкость аккумуляторов удалось повысить всего с 15 до 40—50 Вт • ч/кг, а для обеспечения конкурентоспособности электромобиля, по мнению экспертов, требуется энергоемкость не менее 200 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 меньшей, чем требуется. Поэтому начала широкого выпуска электромобилей можно ожидать не ранее 1985 г. и то лишь в случае ускоренного прогресса аккумуляторной техники.

Работы по увеличению срока службы батарей до 400—500 циклов перезарядки, что равноценно всего двум-трем годам эксплуатации, еще только ведутся, и в этом плане перспективы гораздо менее радужны, чем в направлении увеличения энергоемкости.

Немаловажным тормозом является и высокая цена электромобилей, которая определяется не только стоимостью источников питания, но и широким применением в конструкции относительно дорогостоящих легких металлов и пластмасс. Последнее необходимо хотя бы для приближения общего веса электромобиля к весу автомобиля с ДВС такого же класса.

Не изменяют положения и уже опробированные схемы комбинированных энергетических установок (КЭУ), где электродвигатель соседствует с обычным 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%, чем и объясняется, что особых перспектив схема не имеет.

Реализованная в ФРГ схема КЭУ, где ДВС с помощью специальной муфты может подключаться к приводу колес, снизила величину потерь энергии до 10%. Однако вес такой КЭУ, предназначенной для легкового автомобиля, возрос на 400 кг, а стоимость — на 30% по сравнению с приводом от обычного ДВС.

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

Схема шарнира Гука (вверху) и схема трансформации этого шарнира в механизм, позволяющий осуществить в каждой из четырех образующихся полостей цикл четырехтактного двигателя или цикл двухтактного двигателя в любой паре полостей. Полости образованы диафрагмой 1, сегментами 2 и 3 и условно показанной сферической оболочкой 4.

То же самое можно сказать и о пока экзотических гиромобилях. Исследовательские и опытно-конструкторские работы, проводимые 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 является их несомненным преимуществом.

Здесь необходимо заметить, что все работы по электро- и гиромобилям страдают, я бы сказал, однобокостью. Рекламируя «нейтральность» этого вида транспорта, авторы не учитывают необходимости комплексного научного исследования проблемы их использования. Ведь по существу электромобили выносят источник загрязнения лишь за пределы городов. Подсчитано, кроме того, что если заменить 14 млн. автомобильных ДВС (уровень 1974 г. в ФРГ) на электродвигатели, батареи которых ежедневно с 22 до 6 часов будут заряжаться, то потребление электроэнергии составит около 100 000 МВт. Обеспечить такое энергопотребление смогут, например, 500 (!) атомных ТЭЦ мощностью по 200 МВт (!) каждая. Одно тепловыделение подобной энергосистемы колоссально. Круг замыкается. Поэтому, слегка утрируя, в масштабе планеты все усилия по созданию электромобилей можно сравнить с «переливанием из пустого в порожнее». Учет этого аспекта, а также перспективного баланса электроэнергии для каждой отдельной страны скорее всего приведет к тому, что и на уровне 1990—2000 гг. электро- и гиромобили не станут доминирующим видом транспорта.

Немаловажным фактором, который выглядит парадоксально, является и низкая эффективность использования энергии в системе «электростанция-электромобиль». Ее КПД не превышает 15%. Следовательно эксплуатация системы в масштабах планеты равносильна разбазариванию энергии. Такую роскошь человечество может себе позволить только ввиду крайних обстоятельств — сохранения жизнеспособности больших городов. И лишь по мере расходования минеральных ресурсов планеты, совершенствования получения электроэнергии и самих электромобилей их число, возможно, резко возрастет. И не исключено, что к 2000 г. родится какой-то невиданный вид индивидуального транспорта.

В нашей стране наиболее крупным потребителем электромобилей в обозримом будущем станет, да собственно уже становится, сфера обслуживания. Работы в этом направлении ведут ученые и инженеры Москвы, Харькова, Калининграда, Еревана, Запорожья. (Один из вариантов советских электромобилей показан здесь — Ред.) А легковой частный электромобиль помчится по дорогам не ранее 1990 г.

Можно, конечно, спорить, грядет или не грядет век турбин и электромоторов, одно бесспорно, что вплоть до 2000 г. не менее половины вновь выпускаемых (!) двигателей сохранит верность схемам, изобретенным в прошлом столетии: Отто, Дизель, Стирлинг.

К. Чириков, инженер
«Техника и наука» №8 1976 год