Новый тип ДВС — это вам не фенечка

06/10/2010 в Ликбез 5 736 53

У двигателя Ван Бларигана практически нет паразитных потерь, поскольку нет инерции вращающихся масс (по причине отсутствия этих самых масс), на поршень не действуют боковые силы, которые прижимают его к стенкам цилиндра. Нет подшипников коленвала, шатунов, поршневых пальцев, распредвала,  клапанов. Более того: на каждый цикл работы двигателя приходится два рабочих такта!

Запад окончательно и бесповоротно зациклился на идее экономии и экологии. В рекламных буклетах эти слова попадаются на каждой страничке, и порой не по разу. Гонка за чистоту давно перешагнула черту здравого смысла. «Светодиодный фонарь сэкономит топливо». «Солнечные батареи на крыше пополнят заряд аккумулятора и тем самым сэкономят бензин». И множество других «инноваций, построенных на новейших достижениях технологии». Ах ты, боже мой… Сколько топлива сэкономит светодиодный «поворотник» или «габарит»? Нет, спорить тут бессмысленно – он действительно сбережет бензин. Вопрос в количестве. Обычно в фонарях габаритных огней устанавливают четыре лампы: две 1-Ваттных спереди и две 5-Ваттных сзади. Итого 12 Вт. При мощности самого популярного 1.5-литрового двигателя 70-80 тысяч Вт. Не будем углубляться в тонкости работы электропитания, зарядки АКБ и т.д, здесь важно лишь примерное соотношение мощностей, поскольку речь идет об экономии топлива. Очевидно, что доля габаритных огней в балансе электросети автомобиля ничтожна, а в общем балансе распределения потока мощности (и, значит, экономии топлива) – того меньше. «Поворотник» потребляет электричества чуть больше, но и работает реже. Ну а солнечные батареи на крыше? Их мощности хватит разве что на то, чтобы крутить небольшой вентилятор в салоне. Тоже не ахти. Так сколько можно сэкономить бензина? Может быть, за всю жизнь автомобиля набежит целый литр. А может даже и два. Рублей этак 40-50 можно сберечь. А теперь прикинем. Сколько стоит обычная лампочка для «габаритов»? А светодиод? Вот и получается, что в деньгах никакой экономии нет. А раз ее нет в деньгах, то нет ее и в экологии. В конце концов, на производство тех же солнечных батарей или светодиодов ушло какое-то сырье, электроэнергия на его переработку и т.д. И чем больше затрат, тем дороже изделие. В конечном итоге можно перевести стоимость в киловатты. Это грубо, конечно, но по сути окажется не так уж далеко от истины. И выходит, что для того, чтобы сберечь природу не выбросить в атмосферу лишний миллиграмм СО2, нам предлагают деталь, для выпуска которого пришлось выкинуть в ту же самую атмосферу того же самого СО2 в несколько раз больше, чем было бы можно. Парадокс? Да нет, просто мода. Заботиться об экологии сейчас модно, только и всего. Политику, звезде, да любому публичному человеку лестно (да и выгодно) прослыть поборником борьбы за чистоту воздуха. Поэтому он будет покупать любые экологические примочки. А о том, что толк от них скорей обратный, можно и не думать, ведь явно этого не видно!

Будущее — за электротрансмиссиями

Между тем, отрицать пользу от введения евронорм глупо – во многом благодаря им автомобили стали действительно ощутимо чище и экономичнее. Дальнейшее ужесточение норм выхлопа не оставляет автопроизводителю выбора: автомобили неизбежно станут электрическими в самом ближайшем будущем. А вернее, с электрической трансмиссией (Почему в обозримом будущем невозможно нашествие электромобилей без ДВС – тема отдельная). Преимуществ у такой трансмиссии много. Взять хотя бы характеристики электромотора, идеальные для автомобиля. Он, к примеру, может выдавать максимальную мощность на любых оборотах. Как следствие, чем ниже обороты, тем больше крутящий момент. А максимума он достигает при оборотах равных нулю. Именно поэтому тепловозы могут сдвинуть с места состав массой многие тысячи тонн. Электромотор не надо запускать и заставлять его работать на холостом ходу – он всегда готов к работе. Становятся не нужны такие сложные и дорогостоящие агрегаты, как коробка передач или вариатор. И так далее.

Самый же значительный козырь – рекуперация, то есть способность запасать энергию торможения в аккумуляторе, что в условиях городского движения сильно экономит топливо.

Схема работы гибрида с электротрансмиссией проста: автомобиль всегда едет только на электротяге, а при разрядке аккумулятора запускает ДВС для пополнения заряда. К сожалению, массовый выпуск автомобилей с такой схемой сдерживается двумя факторами: во первых, промышленность не готова массово перейти к новой трансмиссии, а во вторых, пока еще нет недорогих аккумуляторов большой емкости. Однако перспективы вырисовываются радужные. Весьма скоро, с освоением технологий, электротрансмиссия станет дешевле автоматической коробки хотя бы в силу того, что она проще в изготовлении.

Мало того: с элетротрансмиссией сильно упростится ДВС. Поскольку он нужен только для зарядки аккумулятора, при пуске он должен сразу выходить на режим максимальной мощности либо – для экономии топлива – максимального момента. Это значит, что нет надобности организовывать его работу на переходных режимах, ту самую, которая и есть головная боль конструкторов, ради которой строят многоклапанные двигатели, впускные коллекторы переменной длины, управление фазами газораспределения, двойной наддув и прочее. Двигатель, работающий в узком диапазоне оборотов намного проще и, значит, дешевле. Можно вообще обойтись без клапанов, распредвалов, и даже без шатунов и коленвала!

Свободный поршень

Это называется «двигатель со свободным поршнем» (FPE). Его особенность в том, что движение поршня определяется не механической связью, а соотношением нагрузки к силе расширяющихся газов. Устроен он просто. По сути, это труба с глухими концами, внутри которой скользит поршень. На каждом конце трубы – форсунка, свеча, впускное и выпускное окно. Движущаяся деталь всего одна. Поршень в таком моторе движется линейно, возвратно-поступательно, между двумя камерами сгорания, как шарик пинг-понга.

КПД такого мотора теоретически больше 70%. Он легок и прост в производстве, а, значит, дешев. Но не смотря на то, что этот двигатель известен без малого почти сто лет, распространения он не получил. Причин тому несколько, и самая главная из них состоит в том, что до последнего времени было совершенно неясно, как снять мощность с поршня, летающего взад-вперед внутри трубы 20000 раз в минуту.

Решение нашел профессор Питер Ван Блариган. Он просто встроил в поршень мощные магниты из неодимового сплава, а на цилиндре поместил медную обмотку. Он построил даже опытный образец, двухтактный линейный генератор под названием FPLA, мощностью 40 кВт. Термический КПД генератора, работающего на пропане, 56%! Любопытно, что этот двигатель может работать не только на пропане, но и на бензине, водороде, солярке, спирте и т.д.

Но в каждой бочке меда встречается своя ложка дегтя. В случае с FPLA ею стала проблема  управления поршнем. Дело в том, что в обычном ДВС верхняя мертвая точка траектории поршня задается геометрией кривошипно-шатунного механизма, а в линейном она зависит от степени сжатия и скорости сгорания топливовоздушной смеси. Иными словами, поршень тормозит, создавая давление в камере. Получается, что  длительность тактов и верхняя мертвая точка могут меняться. А это значит, что при неточной работе форсунки поршень либо остановится, либо ударится в стенку.

Для такого двигателя нужна быстродействующая система управления. Это сложно, но выполнимо. В конце концов, процессоры сейчас весьма мощные и дешевые, а поршень можно тормозить магнитными катушками цилиндра, ведь внутри него мощные магниты. Не исключено, что полноценный прототип генератора с готовой системой управления будет готов к концу этого года. КПД обещан грандиозный — 50%.

Объяснить причины столь высокого КПД просто. У двигателя Ван Бларигана практически нет паразитных потерь, поскольку нет инерции вращающихся масс (по причине отсутствия этих самых масс), на поршень не действуют боковые силы, которые прижимают его к стенкам цилиндра. Нет подшипников коленвала, шатунов, поршневых пальцев, распредвала,  клапанов. Более того: на каждый цикл работы двигателя приходится два рабочих такта!

Разумеется, на моторе FPLA свет клином не сошелся, есть и другие интересные проекты. Факт в том, что автомобилестроение стоит на пороге революционных изменений: грядет упрощение ДВС и электрические трансмиссии. Что на самом деле можно назвать инновацией. В отличие от всевозможных бирюлек и фенечек, которые автопроизводители так любят нам с вами впаривать. Давайте будем отличать цветные стекляшки от бриллиантов.

Иллюстрации http://www.hybridcars.com/

3 ответа на Новый тип ДВС — это вам не фенечка

  1. Очевидно, Вы несколько позабыли физику 6-го класса школы.
    Момент силы (он же — крутящий момент) — это векторная физическая величина, равная произведению радиус-вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы. Характеризует вращательное действие силы на твердое тело.
    Если сила совершает действие на каком-либо расстоянии, то она совершает механическую работу. Также если момент силы совершает действие через угловое расстояние, он совершает работу.
    Р = МОМЕНТ СИЛЫ * УГЛОВАЯ СКОРОСТЬ
    В системе СИ мощность измеряется в Ваттах, момент силы в ньютон-метрах, а УГЛОВАЯ СКОРОСТЬ в радианах в секунду.
    Если непонятно — скажу на пальцах. Мощность — это момент, умноженный на обороты (плюс коэффициент). Поскольку электромотор способен выдавать максимальную мощность во всем диапазоне оборотов, соответственно, момент с понижением оборотов РАСТЕТ. Понимаете? Мощность остается неизменной, а момент меняется.
    В той же системе СИ электрическая мощность равна ТОК * НАПРЯЖЕНИЕ. Измеряется опять же в Ваттах.

    Максимальная скорость связана с мощностью, но совсем не по формуле mV^2/2, потому как это формула кинетической ЭНЕРГИИ, а вовсе НЕ МОЩНОСТИ.
    Зная силы, можно определить величины потребных мощностей, — при этом мощности, затрачиваемые на преодоление сопротивления качению и подъему, вычисляются как произведения соответствующих сил на скорость, а значит, они пропорциональны скорости. Иначе ведет себя по скорости мощность, потребная на преодоление воздушного сопротивления, — если сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости, то мощность — уже кубу.
    Видимо, Вы основательно подзабыли физику за 6-ой класс…

    Кстати, а что за сила Ампера, о которой Вы пишете? Может быть, Вы хотели написать «сила тока»?

  2. Возможно, мой вопрос совсем далек от темы статьи, но…
    Насколько комфортное будет (или уже есть) управление скоростью движения автомобиля педалью акселератора в случае использования ЭМ в качестве привода на колесо без КПП? Речь идет о чувствительности педали «газа», ведь теперь она должна непрерывно работать во всем диапазоне числа оборотов ЭМ. Все-таки удобнее, когда педаль относительно короткоходная. Оговрюсь сразу, что опыта еды на троллейбусе у меня нет :-)

  3. Но чувствительность педали пропорционально мощности, а не скорости… Когда Вы едете на 4 (или 5) передаче — ход педали «размазывается» от 50 кмч до максимальной, и Вы не чувствуете дискомфорта.

Прокомментировать

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *