Необходимость охраны среды обитания от загрязнения отработавшими газами автомобилей и требования топливной экономичности поставили перед конструкторами транспортных средств вопрос: насколько бензиновые (карбюраторные) двигатели перспективны для будущего автомобильного транспорта и какие двигатели могут прийти им на смену.
В качестве альтернативных карбюраторному стали предлагаться дизели, роторный двигатель, газовая турбина, паровая поршневая машина, паровая турбина, двигатель «внешнего» сгорания (Стирлинга), инерционный двигатель и некоторые другие.
Токсичность выхлопных газов у карбюраторного и дизельного двигателей
|
Токсичное вещество |
Количество токсичных веществ на 1000 л сжигаемого топлива, кг |
|
|
Карбюраторный двигатель |
Дизель |
|
|
Окись углерода СО |
200 |
25 |
|
Углеводороды СН |
25 |
8 |
|
Окислы азота NOx |
20 |
36 |
|
Сажа |
1 |
3 |
|
Сернистые соединения SOx |
1 |
30 |
|
Итого: |
247 |
102 |
Дизельный двигатель. Считается, что в борьбе за уменьшение загрязнения воздушного бассейна дизельные двигатели могут сыграть существенную роль. Относясь к классу двигателей внутреннего сгорания, дизель отличается от карбюраторного двигателя: имеет более высокие степени сжатия, которые обеспечивают самовоспламенение топлива, ввиду этого отпадает надобность в системах электрического зажигания; вместо карбюратора используются топливные форсунки, осуществляющие под большим давлением впрыск топлива в цилиндры.
Дизельный двигатель выделяет значительно меньше окиси углерода и углеводородов. В его отработавших газах содержится даже меньше окислов азота, если по этому компоненту его сравнивать с бензиновыми двигателями с особо высокой степенью сжатия. Однако крупными недостатками дизелей являются дымность, неприятный запах и более высокий уровень шума. Тем не менее более высокая тепловая экономичность дизелей (эксплуатационный к. п. д. 30—35% вместо 20—25% у карбюраторных двигателей), способность работать на более дешевом (дизельном) топливе, возможность получения относительно больших мощностей предопределили дизелю доминирующее положение в мировом грузовом автомобильном парке и парке автобусов. К этому следует добавить, что ряд автомобильных фирм уже в течение многих лет выпускает и легковые автомобили с дизельными двигателями, причем выпуск таких автомобилей возрастает.
В нашей стране осуществляется дизелизация грузового и автобусного парков и разрабатываются меры по использованию дизелей на легковых автомобилях. Ведутся серьезные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по дальнейшему совершенствованию дизелей: повышению топливной экономичности, удельной мощности, надежности и долговечности, а также снижению металлоемкости, токсичности отработавших газов. Одна из важных мер, позволяющих достичь поставленных целей, — применение так называемого турбонаддува, т. е. постановка на дизель специального турбокомпрессора для нагнетания в цилиндры большего количества воздуха. На лучших образцах получен к. п. д., равный 45%.
Основные выводы из исследований и опыта эксплуатации дизельных автомобилей, проведенных в СССР и за рубежом, сводятся к тому, что предстоит расширение производства этих автомобилей. Прогнозируется, что в мире к 1990 г. 10% всех легковых автомобилей будут иметь дизели, а к 2000 г. их удельный вес возрастет до 25—30%.
Роторный двигатель. Это — бензиновый двигатель, имеющий принципиально иную конструкцию основного силового агрегата. У роторного двигателя нет цилиндров и шатунно-кривошипной группы. Вместо поршней с их возвратно-поступательными движениями он имеет вращающийся ротор, который передает крутящий момент через зубчатую передачу. В роторном двигателе нет клапанов, а лишь впускное и выпускное отверстия.
Не разбирая подробно конструкционные и технико-экономические характеристики этого двигателя (меньшая масса, компактность, высокооборотность, большая удельная мощность на единицу массы, простота производства, отсутствие вибраций, способность работать на топливе с низким октановым числом и др.), отметим, что он дает несколько менее токсичный выхлоп в результате меньшего содержания окислов азота. В силу конструкционных особенностей и компактности роторный двигатель облегчает установку дополнительных приборов для очистки отработавших газов и улучшает протекание реакций в них ввиду более высокой температуры отработавших газов (несмотря на более низкую температуру сгорания).
Давно запатентованный немецким механиком Ванкелем роторный двигатель в течение многих лет дорабатывался в ФРГ, где небольшое их производство было начато лишь в 1964 г. Японские промышленники, приобретшие лицензию на двигатель Ванкеля, затратили много времени на его доводку и лишь к середине 60-х годов создали работоспособную конструкцию. В 1967 г. фирма «Тойо Когио» начала серийный выпуск автомобилей «Мацуда» с роторным двигателем и к 1980 г. выпустила миллион таких автомобилей, часть которых была продана за границей.
С 1970 г. автомобили с роторными двигателями начали выпускаться фирмой «Ситроен» во Франции. Концерн «Дженерал моторс», перекупивший лицензию у Японии, также проводил работы над усовершенствованием двигателя Ванкеля и намечал с 1974 г. расширить выпуск автомобилей с роторным двигателем. Однако позднее этот концерн отказался от продолжения работ над указанным двигателем.
В связи с энергетическим кризисом производство автомобилей с роторными двигателями не получило большого развития, за исключением упомянутой выше фирмы в Японии, которая вложила в исследования и организацию производства этих двигателей большие капиталы и которая продолжает их выпуск, совершенствуя одновременно конструкцию.
Главная причина лежит в меньшей экономичности роторного двигателя по сравнению с традиционным поршневым. Кроме этого, до конца не удалось преодолеть существенные конструкционные трудности с обеспечением необходимой плотности между корпусом (блоком) двигателя и ротором по мере износа их в процессе эксплуатации. В силу названных причин новые автомобили с роторными двигателями почти перестали появляться на выставках (салонах) автомобилей. Тем не менее ряд зарубежных фирм продолжают работы над этим двигателем.
У нас в стране также проводятся исследования и разработка роторных двигателей. В течение ряда лет ведутся работы на Волжском автомобильном заводе, где совместно с Автомобильным и моторным институтом (НАМИ) разработаны и изготовлены экспериментальные образцы роторного двигателя, предназначенного для установки на автомобили ВАЗ «Жигули».
Газотурбинный двигатель. В течение последних 25—30 лет проводятся исследования и экспериментальное конструирование газотурбинных двигателей для автомобилей. Газовые турбины, как известно, широко применяются на воздушном транспорте. Они имеют малую массу, рекордную удельную мощность, компактность, малое число подвижных частей, плавность работы и другие качества.
Попытки применить газотурбинный двигатель на автомобиле предприняты давно. Еще в 1959 г. в СССР был создан экспериментальный автобус, оборудованный газотурбинным двигателем. Во время его испытаний были обнаружены существенные недостатки, среди которых важное место занимала низкая топливная экономичность двигателя, а также трудности приспособления его к условиям работы транспортного средства (малая приемистость, невозможность динамического торможения).
Из зарубежных стран интерес к этому двигателю проявили США, Великобритания, Швеция. К настоящему моменту в мире построены сотни газотурбинных экспериментальных автомобилей. Многие конструкторы считают газовую турбину более перспективной для тяжелых грузовых автомобилей и автобусов, хотя имеются прецеденты создания и легковых автомобилей. Так, еще на выставке 1969 г. в Чикаго фирма «Шевроле» показывала легковой автомобиль «Астра-III» с газотурбинным двигателем мощностью 230 кВт при массе турбины 70 кг.
В СССР в 1970 г. был изготовлен карьерный самосвал грузоподъемностью 120 т с газовой турбиной мощностью 880 кВт. Позднее на новой модели грузового автомобиля МАЗ-6422 проходил испытания новый отечественный газотурбинный двигатель мощностью 260 кВт.
В 70-х годах компания «Вильямс» (США) разработала газовую турбину для массового легкового автомобиля мощностью 60 кВт. В качестве достоинств этого двигателя называли отсутствие вибрации, малошумность, возможность работы без системы водяного охлаждения и достаточно чистые отработавшие газы. Тогда же были опубликованы прогнозы, согласно которым в США в 1980 г. намечалось выпускать 50 тыс. автомобилей с газотурбинными двигателями. Однако прогнозы эти не оправдались. Основная причина заключается в меньшей экономичности созданных газовых турбин против карбюраторного двигателя и особенно дизеля.
Недостаточный к. п. д. газовой турбины связан с относительно невысокой температурой рабочего процесса. Повышение этой температуры требует применения дорогих жаропрочных металлов и сложных конструкций турбинных лопаток. В этом смысле большой интерес представляют сообщения печати об испытании в Швеции экспериментального автомобиля с газовой турбиной, в конструкции которой использована жаропрочная керамика. Пока же газотурбинный двигатель остается сложным по конструкции и дорогим.
Что касается отработавших газов, то результаты большинства испытаний говорят о существенно меньшей их токсичности в части окиси углерода и углеводородов. Об удельном весе окислов азота приводятся противоречивые данные: по одним сведениям окислов азота у газовых турбин меньше, чем у дизелей и карбюраторных двигателей, по другим — больше. Дальнейшие эксперименты позволят устранить это противоречие.
Таким образом, пока недостаточно оснований считать газовую турбину серьезной альтернативой традиционным автомобильным поршневым двигателям внутреннего сгорания.
Паровой двигатель. Требование сохранить в чистоте воздушный бассейн заставило некоторых конструкторов снова вернуться к почти забытой идее создания парового автомобиля. Во Франции и в ряде других, стран они появились более 100 лет назад. Тихоходные, но работоспособные паровые «омнибусы» в Париже совершали рейсы еще в 1873 г. Тогда же были созданы и легковые автомобили с паровыми двигателями. Один экземпляр такого автомобиля на четыре места, построенного французской фирмой «Жардне-Серполле», можно видеть сейчас в национальном музее в Праге. Паровая машина, размещенная под полом автомобиля, позволяла ему развивать скорость 65 км/ч. Паровые автомобили продолжали выпускаться и работать много лет спустя и после создания двигателя внутреннего сгорания и были окончательно сняты с производства в начале 30-х годов (в Великобритании).
В США, Японии, Австралии и ряде европейских стран сделаны попытки создать образцы современных паровых автомобилей разных категорий. Так, в США еще в 1968 г. были построены две модели легковых автомобилей. Конструкция их включает водотрубный парогенератор, двигатель — паровую машину высокого давления, вспомогательную машину низкого давления (для приведения в действие водяного насоса и вентилятора радиатора).
Однако усовершенствованная паровая машина, а позднее легкий бензиновый двигатель, высокоэкономичный дизель и, наконец, газовая турбина полностью вытеснили громоздкий, плохо сбалансированный (а потому шумный), неэкономичный воздушный двигатель. Сейчас этот двигатель возрождается на новой технической основе.
Современный двигатель внешнего сгорания представляет собой герметически закрытый цилиндр, заполненный над поршнем сжатым гелием или водородом. При сгорании топлива газ через стенку цилиндра нагревается и опускает поршень. Отработавший газ направляется в камеру охлаждения, а поршень возвращается в исходное положение. После этого порция холодного газа поступает в камеру расширения (над поршнем) для нагрева и рабочего хода.
Помимо высокого к. п. д., равного 35—40% и более, двигатель внешнего сгорания может работать на любом топливе и дает минимальное загрязнение воздуха окисью углерода и углеводородами, поскольку горелка работает в стабильном режиме с оптимальным соотношением топлива и воздуха. Он практически бесшумен.
Полагают, что при использовании тепла, например, расплавленного лития, такой двигатель может вообще обходиться без сжигания топлива, что важно и реально при работе в черте города. Фирма «Филипс» разработала аккумуляторы тепла энергоемкостью до 23 кВт-ч.
К настоящему моменту построено достаточно много опытных образцов двигателя Стирлинга мощностью от 7 до 265 кВт, предназначенных для автомобилей, автобусов, судов и в качестве стационарных. Испытания таких двигателей ведутся в СССР, США, ФРГ, Швеции, Нидерландах и других странах.
К трудным и еще не полностью решенным проблемам относятся: сложность конструкции и необходимость обеспечения в течение срока эксплуатации двигателя полной герметичности для сохранения рабочего тела (гелия или водорода). Отмечается также высокая стоимость двигателя Стирлинга. Поэтому двигатель Стирлинга пока не может конкурировать с двигателями внутреннего сгорания.
Инерционный двигатель (маховик) — самый древний двигатель, так как гончарный круг, которому более 5 тыс. лет, по существу является маховиком. Идея использования кинетической энергии маховика для движения не нова. Более 100 лет назад русский инженер В. И. Шуберский исследовал возможности маховика как транспортного двигателя. Однако реализацию эта идея получила в середине XX в. В этот период в Швейцарии было выпущено 17 городских «жиробусов», которые эксплуатировались в течение 16 лет в Швейцарии.
Основу двигателя на этих машинах представлял маховик массой 1,5 т (10% от массы автобуса), который перед началом движения в течение 25 мин раскручивался электродвигателем до 3000 об/мин и «запасал» 9 кВт-ч энергии. После раскручивания обратимый электродвигатель, соединенный с маховиком, работал уже как динамомашина, питая тяговые двигатели жиробуса, который мог развивать скорость до 50 км/ч и проходить путь до следующей подзарядки (раскручивания) до 5 км. Фактически скорость жиробуса составляла 20—25 км/ч. На пути 2,5 км он расходовал 60% запаса энергии и требовал подзарядки. Поэтому зарядные устройства были размещены через 1,0—1,2 км, что соответствовало и требованиям размещения остановок для пассажиров.
Большим преимуществом маховика является его экологическая чистота, имея в виду отсутствие токсичных отходов и практическую бесшумность, а также высокий к. п. д. Но самым главным недостатком следует признать его малую энергоемкость, а следовательно, незначительный пробег между подзарядками. Тем не менее исследования и эксперименты с этим типом двигателя продолжаются. В США, например, спроектирован супермаховик массой 100 кг, который, по расчетам авторов, при 30 000 об/мин может обеспечить пробег легковому автомобилю 160 км. Хотя реализация такого проекта принципиально возможна, предстоит решить немало сложных научно-технических задач и определить экономическую целесообразность его применения в массовом производстве.
Оригинальный легковой автомобиль разработан и выпущен в конце 70-х годов в США. Автомобиль шестиместный с экономичным двигателем мощностью 44 кВт. В багажнике смонтирован тяжелый стальной маховик диаметром 950 мм и массой 231 кг. Вращаясь на магнитных подшипниках в вакууме, маховик при 15 000 об/мин развивает мощность 100 кВт. Через электрогенератор эта мощность передается тяговому электродвигателю, а затем на ведущие передние колеса. Начальная раскрутка маховика производится от внешней электросети. Данный автомобиль может работать как: обыкновенный на двигателе внутреннего сгорания при остановленном маховике; электромобиль от маховика, обеспечивающего запас хода в 36 км при скорости 48 км/ч; машина от двигателя внутреннего сгорания и маховика одновременно. В границах населенных пунктов водитель может выключать двигатель и использовать только энергию маховика, а за их пределами — экономичный двигатель внутреннего сгорания, резко повышая мощность силовой установки за счет подключения энергии маховика при кратковременной необходимости ускорить разгон или поднять скорость движения на крутом подъеме, при обгоне и в других ситуациях (до 151 км/ч). Нетрудно понять, что такой сложный автомобиль дорог как в устройстве, так и в эксплуатации.
В Советском Союзе исследуется возможность использования маховиков как источников энергии для транспортных средств. В этом направлении, в частности, ведутся работы в Институте проблем механики АН СССР.
Источник: И.Я. Аксенов, В.И. Аксенов. Транспорт и охрана окружающей среды. Изд-во «Транспорт». Москва. 1986