Щойно закінчився міжнародний автосалон в Москві. Я ходив по ньому з відомим теоретиком автомобільних наук професором Нурбеем Гулиа. Ми прийшли сюди з конкретною метою - знайти автомобіль майбутнього. Не знайшли
Н е знайшли, незважаючи на те, що на салоні були представлені концепт-кари з різних країн світу і від різних фірм. І зовсім не тому, що в відсталу Росію не вважали за потрібне привезти путні новинки. Просто немає ще таких машин навіть в проектах. У світі немає, а у нас є. Росію, звичайно, не можна назвати великою автомобільною державою. Однак саме тут живе людина, яка знає, як буде виглядати автомобіль майбутнього - це той самий Гулиа. Нічого дивного - руками ми робимо погано, але головою думаємо добре.
ВЕРХИ НА бомби
Автомобіль не розкіш, а засіб екологічного самогубства. Це загальновідомо. У великих містах не хімічні та інші промислові підприємства, а саме автотранспорт став основним джерелом забруднення середовища і причиною підвищеної смертності городян. А найсумніше - фахівці стверджують, що заміни двигуна внутрішнього згоряння протягом найближчих 50 - 100 років не буде. І ніякі електромобілі нас не врятують, бо вся ідея електромобіля розбивається об один тільки факт: потужність всіх автомобілів в кілька разів більше потужності всіх електростанцій світу - від чого заряджати акумулятори? Так що рідкого палива на найближчі десятиліття альтернативи дійсно немає.
Потім, звичайно, на масовий автомобіль прийдуть хвалені паливні елементи, про які зараз так багато говорять (і які, до речі, теж будуть функціонувати на бензині або метанолі). Можливо також, що ДВС залишиться на своєму місці - під капотом, просто буде працювати не на бензині, а на водні. Нарешті, вже вибачте за невгамовний політ фантазії, коли-небудь автомобіль замінить якась антигравітаційна платформа. Але найближчі півстоліття-століття ми точно будемо змушені палити нафту і нюхати вихлоп. Питання лише в тому, як скоротити витрату першого і виділення другого.
- Шляхи для вирішення цих двох завдань в Росії вже опрацьовані. І більш цікавих ідей, ніж у нас, в світі поки немає, - каже завкафедрою Московського державного індустріального університету Нурбій Гулиа. - Суть ось у чому ... Теоретичний ККД теплового двигуна дорівнює 43%. Це для економічних дизелів, а у бензинових двигунів він ще менше - приблизно 30%. А в реальності на шосе ККД двигуна 10%, в місті - 5 - 6%. Високий ККД виходить, тільки якщо двигун працює в оптимальному режимі, з повним завантаженням. Чим нижче завантаження, тим нижче ККД. На холостому ходу практичний ККД дорівнює нулю - автомобіль не їде, даремно пече бензин і отруює атмосферу. Причому більшу частину часу двигун працює саме з недовантаженням, тобто з середньою потужністю, в десять разів меншою розрахункової. Адже розраховують його на швидкісну їзду по шосе, а він смикається в «пробках».
Далі. Режим руху реального автомобіля складається з циклів «розгін-гальмування». Чи не встигне машина набрати швидкість, як доводиться всю вироблену з палива енергію, яка перейшла в кінетичну енергію автомобіля, переводити в бездарне тепло, істірая гальмівні колодки перед черговим світлофором.
При покупці машини людина завжди цікавиться, скільки в моторі кінських сил. 75? Добре. 90? Ще краще. І це при тому, що в реальному міському режимі працюють від сили три-чотири кінські сили. Навіщо ж конструктори закладають такий надлишок потужності? Чому не можна зробити двигун, виходячи з реальної середньої завантаження? Тому що така машина не зможе їхати швидше 50 - 60 км / год і розганятися до цієї швидкості буде півгодини. Саме для швидких розгонів і ставлять на автомобілі потужні двигуни. Через це і доводиться миритися з тим, що велика частина палива за час життя автомобіля вигорає даремно.
Виникає питання: а чи не можна уникнути всіх цих недоліків сучасного автомобіля? .. Для цього потрібно, щоб двигун завжди працював в оптимальному режимі, тобто практично на повній потужності. До речі, оптимальна робота дозволить не тільки знизити вихлоп і заощадити багато палива, але і здорово збільшить термін служби самого двигуна. Потужність цього двигуна буде невелика, приблизно 10 - 30 «конячок» ... Далі, нам потрібно, щоб при такому слабкому движку забезпечувалася хороша розгінна динаміка, тобто щоб машина рвала з місця так, як ніби під капотом у неї табун коней в сотню ... Ну і, нарешті, потрібно підвищити ККД до теоретично покладених тепловому двигуну 43%.
Ще добре б зробити так, щоб, розігнавшись, автомобіль не втрачав енергію на гальмування безповоротно. Тому що її шкода. Тобто кінетичну енергію гальмує машини треба якось забрати назад і потім знову використовувати для розгону. Іншими словами, необхідний накопичувач, щоб двигун молотив в міський «пробці" не вхолосту, а його енергія десь акумулювалася і потім з накопичувача йшла в колеса, швидко видаючи величезну потужність для ривків зі світлофора, і щоб цей накопичувач міг ще й енергію гальмування накопичувати. Є такий накопичувач?
Є. Це високооборотний прецизійний маховик. Кращих накопичувачів енергії, ніж шалено обертаються маховики, людство поки не придумало. За щільністю накопиченої енергії на кілограм пристрою їм немає рівних. При невеликих розмірах (приблизно 30 см в діаметрі), невеликій масі (5 - 10 кг) і швидкості в 15 - 20 тисяч обертів на хвилину маховик, що обертається у вакуумній камері (щоб знизити тертя), дозволяє накопичити енергію для проходження автомобілем десятків кілометрів.
Маховик - страшна сила. При аварійному розриві швидкісного маховика виділяється енергії більше, ніж при вибуху тротилу тієї ж маси. Насилу віриться, але це так! Був випадок, коли маховик, який стоїть в підвалі однієї з фабрик, розірвало. Осколок маховика пробив все перекриття багатоповерхової будівлі, дах, злетів у небо, а при падінні знову пробив дах і впав на горище.
Коли я багато років тому експериментував з дерев'яним маховиком, - розповідає Гулиа, - який розкручувався мотором від пилососа, маховик несподівано розірвало. Шматок дерева прошив мій шкіряний портфель і розвернув в ньому все книги.
- І таку штуку ви пропонуєте засунути в автомобіль? Кому ж хочеться їздити на бомбі?
- Ні, ця проблема вже вирішена. До речі, перший патент на безпечний маховик був отриманий в Росії. До речі, мною ... Безпечні маховики роблять з дроту або склеюють з металевою або міцної синтетичної стрічки. Такі маховики отримали назву супермаховиков. Навіть якщо стрічку розриває, нічого страшного не трапляється - бовтається шматок стрічки просто пригальмовує про кожух маховика, поступово гасячи його швидкість.
Безпечний супермаховик цілком можна розкручувати до десятків тисяч обертів на хвилину. На автомобілі, що стоїть з вимкненим двигуном він може за інерцією обертатися цілодобово. (Що, до речі, полегшить зимові пуски двигуна - якщо акумулятор сідає після двох-трьох спроб провернути загусло моторне масло, то енергії, запасеної в маховику, з надлишком вистачить на запуск декількох моторів!)
Як працює гібридний автомобіль, оснащений ДВС і маховиком? Маленький моторчик за кілька хвилин розганяє маховик - це аналогічно прогріванню звичайного мотора. Надалі потужність двигуна використовується тільки для підтримки рівномірного руху автомобіля, а для різких розгонів «позичається» енергія маховика, який потім підкручує мотором на ділянках рівномірного руху. Принадність маховика в тому, що він може миттєво розвинути практично необмежену потужність. Вона обмежується тільки міцністю валів, що передають рух, аби їх не зрізало. Ще маховик може працювати рекуператором енергії: коли машина гальмує, її кінетична енергія не втрачається, а витрачається на розкрутку маховика і потім знову використовується.
... Гібридний автомобіль настільки економічний, що виникає резонне питання: а з якої ж причини такі автомобілі до цих пір не виробляються? А з тієї ж причини, по якій більше півтори сотні років чекали свого часу паливні елементи. Адже принцип ТЕ був відкритий задовго до скасування кріпосного права - аж в 1839 році, і вже тоді стали зрозумілі приголомшливі перспективи цієї ідеї. У 1900 році футурологи навіть вважали, що ХХ століття стане століттям паливних елементів. Але, на жаль, технологічні труднощі на шляху від ідеї до конвеєра виявилися такими, що перші працюють зразки ТЕ з'явилися в лабораторіях тільки недавно.
Основна проблема гібридного автомобіля в тому, що до останнього часу конструктори не знали, як передати рух від шалено обертається маховика на колеса. Порівняйте самі: частота обертання колінчастого вала двигуна - 6000 обертів на хвилину, а швидкість маховика - 30 000 оборотів. При такій величезній частоті обертання будь зчеплення згорить за два-три троганья з місця.
РУМУНСЬКА ФАНТОМ
Двадцяті роки тепер уже минулого століття. В СРСР будується комунізм, в Європі народжується фашизм, а європейські газети раптом вибухають повідомленнями про революцію в техніці. Сталося це після винаходу румунським інженером Константинеску якогось прогресивного варіатора. Що ж це за пристрій таке неймовірне, якщо технічна революція застигла революції соціальні? ..
Кожен пристойний громадянин знає, що таке коробка передач. Це редуктор, який змінює передавальне відношення між двигуном і колесами, тому що на початку руху автомобілю потрібен потужний крутний момент при низьких оборотах, а на великій швидкості, навпаки, необхідні високі обороти і низький крутний момент. Потужність двигуна - це як раз твір крутного моменту на обороти. Розподілом потужності «на користь» оборотів або крутного моменту займається якраз коробка передач.
В принципі можна було обійтися і без неї: поставити движок сильніше, щоб він міг зрушити автомобіль, що стояв без всякої коробки передач, і все тут! Ось тільки потужність двигуна тоді довелося б збільшити раз в п'ять, і важив би такий мотор більше тонни. Значить, необхідний редуктор.
Найзручніший редуктор - варіатор ... Звичайна коробка змінює передавальні числа поступово, а варіатор плавно, безступінчатий. Тобто варіатор має як би нескінченне число передач. Це зручно, оскільки дозволяє взагалі не міняти оберти двигуна, з усім впорається варіатор.
Однак при всіх плюсах у воротарів і коробок передач є свої мінуси: передачі потрібно перемикати вручну, а варіатору потрібний зовнішнє управління - автоматичне, потрібно ставити датчики і сервомотори, щоб плавно змінювати передавальне число. Тому і зраділи газети початку минулого століття, коли румун Константинеску винайшов так званий прогресивний варіатор, який зовнішнього управління не вимагає, а сам при підвищенні навантаження знижує обороти, і навпаки, тобто про ручному перемиканні і примхливої автоматиці можна було забути.
На жаль, сенсації не відбулися, тому що варіатор Константинеску був імпульсивним. Тобто він багато разів в секунду міняв напрямок свого руху. Довелося ставити спеціальне пристосування, схоже на храповик, яке «випрямляти» це «тремтячі» рух. Але який же механізм витримає таку тряску? Ось і ламався дуже часто варіатор Константинеску. Недовговічною виявилася технічна революція румунського розливу.
ТЕРТЯ НЕ ЗАВЖДИ ПОГАНО
З тих пір пройшло багато-багато років. Майже століття. Конструктори навигадували цілу купу різних воротарів. І всі вони здебільшого були невдалими. Оглянувшись навколо, ви самі це побачите - рідкісний автомобіль забезпечений варіатором. Решта машин в усьому світі їздять або на механічних коробках передач з дідівським ручним перемиканням, які прийшли до нас з ХІХ століття, або на дуже складних і примхливих гідротрансформаторах, які дуже дорого коштують, дуже погано ремонтуються та ще й з'їдають чималу частку від потужності двигуна, даремно переводячи її в тепло. До того ж автомобілі з гідротрансформаторами (їх ще називають автоматичними коробками передач) не можна буксирувати далі, ніж на 30 кілометрів - гідротрансформатор виходить з ладу, а коштує він до 5 - 7 тисяч доларів.
І ось кілька років тому сталося те, що рано чи пізно мало статися. У Росії був винайдений прогресивний багатодисковий варіатор на ефекті стекленеющей мастила. Малогабаритний. Який практично не зношується. Що не вимагає дорогої автоматизації. Чи не жруще даремно потужність. З величезним ККД. Справжня революція в області механіки! .. Ніхто цього не помітив. Ех, треба було винахіднику народитися в Румунії! ..
Винайшов дивовижну штуку все той же фанатик маховикові автомобілів Нурбій Гулиа. Винайшов не водночас, майже тридцять років над ним працював. (Ми, люди, оточені комп'ютерами і телевізорами, звикли до всемогутність електроніки. Здається, ера механіки пройшла ще за часів Ньютона. Тим часом резерви «простих» залозок аж ніяк не вичерпані. Більш того, саме винахід механічних пристроїв часом дається найважче. Наприклад, вертолітний фірма «Камов» билася над конструкцією механічного приводу співвісних гвинтів аж чверть століття. І більше нікому в світі цього зробити не вдалося. Так що не варто дивуватися духовному подвигу московського професора, він не безпрецедентний.)
- За прототип я взяв найперспективніший варіатор - багатодисковий. Я зробив фрикційні диски упругоподатлівимі, поєднав в одній площині тихохідні і швидкохідні диски і зробив незалежним їх притиск один до одного. Цього раніше не робив ніхто, а результат виявився приголомшливим - зменшення обсягу і маси варіатора відразу раз в 5! А ККД в середньому збільшився на 10%! .. При цьому механічний варіатор багато дешевше автоматичної коробки передач. Дослідні зразки варіатора вже побудовані і успішно випробувані. Власне кажучи, їх вже можна ставити замість сьогоднішніх коробок передач на звичайні автомобілі. Тоді у водія будуть під ногами тільки дві педалі - газ і гальмо. При натисканні на газ варіатор сам, без будь-яких управляючих систем, розбереться, як йому розподілити потужність двигуна - на користь оборотів або на користь крутного моменту ...
Але найголовніше, тільки цей варіатор підходить для маховичного автомобіля. (Для фахівців: інші відомі науці варіатори не годяться через низький діапазону варіювання потужності, він у звичайних воротарів дорівнює 6 - 8, а для маховикові машини потрібно 20 - 25, якраз стільки, скільки у варіатора Гулиа, який марнославний автор назвав суперваріатором за аналогією з супермаховиком.)
І це означає одне - останній бар'єр на шляху до автомобіля майбутнього зламаний. Незабаром по світу побіжать нові автомобілі, схожі на сучасні машини зовні, але кардинально відмінні всередині. Цікаво тільки, шильдик чиїй фірми буде блищати у них на кормі ...
Олександр НІКОНОВ
У матеріалі використані фотографії: Костянтина Кокошкін, Володимира СМОЛЯКОВА
Навіщо ж конструктори закладають такий надлишок потужності?Чому не можна зробити двигун, виходячи з реальної середньої завантаження?
Виникає питання: а чи не можна уникнути всіх цих недоліків сучасного автомобіля?
Є такий накопичувач?
І таку штуку ви пропонуєте засунути в автомобіль?
Кому ж хочеться їздити на бомбі?
Як працює гібридний автомобіль, оснащений ДВС і маховиком?
Гібридний автомобіль настільки економічний, що виникає резонне питання: а з якої ж причини такі автомобілі до цих пір не виробляються?
Що ж це за пристрій таке неймовірне, якщо технічна революція застигла революції соціальні?
