На заре автомобилизма и даже гораздо позже, в 50-е годы прошлого века, у нас в стране, когда дороги были не так загружены, эту энергию накапливали в самой массе автомобиля. Делалось это так: автомобиль разгоняли примерно до 80 км/ч почти на полной мощности двигателя, а следовательно, и при максимальном КПД. После этого двигатель выключали, а коробку передач ставили в нейтраль. На автомобилях тех лет делать это еще разрешалось. И автомобиль шел с неработающим двигателем и отключенной трансмиссией накатом чуть ли не целый километр, пока скорость не падала ниже 30 км/ч. Затем опять включалась трансмиссия, запускался двигатель и разгон повторялся. И так автомобиль ехал всю дорогу.
Такое движение по научному называется «регулярным импульсивным циклом». Благодаря этому циклу передовые водители-«стахановцы» тех лет экономили до 30 % топлива. При этом энергия двигателя, работающего почти в оптимальном режиме, накапливалась в массе самого автомобиля, как в аккумуляторе, и шла она на движение автомобиля накатом. Конечно же, никакой регулировки скорости движения такого автомобиля-накопителя произвести было невозможно. Его трансмиссия была отключена, разогнанный автомобиль был накопителем и потребителем собственной энергии. Как если бы поставить раскрученное колесо или маховик на ребро и дать ему возможность свободно катиться.
Конечно же, не это было моей целью. Автомобиль должен нести в себе накопленную кинетическую энергию, но при этом быть управляемым, причем лучше всего, чтобы скорость изменялась плавно и бесступенчато, а для этого нужен вариатор.
Супермаховик и супервариатор в помощь двигателю
Мифы и правда об электромобиле
Новая концепция электромобиля
Трудности производства (шуточный рассказ)
Такое движение по научному называется «регулярным импульсивным циклом». Благодаря этому циклу передовые водители-«стахановцы» тех лет экономили до 30 % топлива. При этом энергия двигателя, работающего почти в оптимальном режиме, накапливалась в массе самого автомобиля, как в аккумуляторе, и шла она на движение автомобиля накатом. Конечно же, никакой регулировки скорости движения такого автомобиля-накопителя произвести было невозможно. Его трансмиссия была отключена, разогнанный автомобиль был накопителем и потребителем собственной энергии. Как если бы поставить раскрученное колесо или маховик на ребро и дать ему возможность свободно катиться.
Конечно же, не это было моей целью. Автомобиль должен нести в себе накопленную кинетическую энергию, но при этом быть управляемым, причем лучше всего, чтобы скорость изменялась плавно и бесступенчато, а для этого нужен вариатор.
Супермаховик и супервариатор в помощь двигателю
А теперь попробуем связать колеса автомобиля с «настоящим» емким накопителем энергии – супермаховиком, для чего придадим ему в помощь вариатор с широким диапазоном регулирования – супервариатор. Двигатель при этом останется на своем «законном» месте, только вместо примитивного чугунного маховика с его коленчатым валом повышающей передачей свяжем супермаховик. С ведущими колесами этот супермаховик свяжет уже супервариатор.
Не рискуя ошибиться, могу сказать, что в будущем практически все силовые агрегаты автомобилей будут гибридными: по той или иной схеме, но обязательно содержащими в себе как двигатель, так и накопитель, а также бесступенчатый привод к ведущим колесам, так как автомобилю для движения каждый раз нужна различная мощность, а двигатель экономично может работать только на одной мощности – близкой к максимальной. Поэтому и должен двигатель работать в этом режиме, а излишки мощности переводить в «энергетическую капсулу» – накопитель энергии. А уже эта накопленная дешевая и экологичная энергия будет расходоваться автомобилем по необходимости.
Как же будет работать гибридный силовой агрегат на автомобиле? Перед началом движения двигатель разгонит до стартовых оборотов супермаховик, а заодно и «прогреется». Энергии на это потребуется очень мало – что-то около 1 кВт·ч для автобуса, а для легкового автомобиля и того меньше. «Зарядка» супермаховика может производиться не только во время «прогрева» двигателя, но и тогда, когда на малом ходу автомобиль, скажем, выезжает из гаража или проезжает через двор, – супервариатор, связывающий двигатель, а стало быть, и супермаховик с колесами, вполне позволяет это. Ведущие колеса автомобиля почти всегда связаны с трансмиссией особым редуктором, называемым «главной передачей». Вот с ней и связывается выходной вал супервариатора.
Для гибридов рекомендуются двигатели с пониженной мощностью, что-то около 30—50 % от мощности штатного двигателя. Но если это скоростной автомобиль, то мощность можно и не понижать.
Итак, автомобиль движется, расходуя энергию только от супермаховика. Покажем, что супервариатор позволяет делать это. Обычно обороты супермаховика при потреблении энергии не снижают больше чем на треть – это разумнее всего. При этом выделяется более половины всей запасенной в нем энергии. Возьмем самый невыгодный случай, когда нужно развить скорость 160 км/ч при минимальном запасе энергии в маховике, то есть при 20 тыс. оборотов в минуту. Не забудем, что двигатель соединен с супермаховиком повышающей передачей с передаточным отношением обычно около 6. Работу самого двигателя, который может подключиться и «помочь» при этом, в расчет не принимаем (эта работа идет в запас). Поделим обороты двигателя, а в данном случае это 3333 оборота в минуту (20000: 6 = 3333), на скорость автомобиля – 160 км/ч и получим особый коэффициент, пропорциональный передаточному отношению супервариатора; в нашем случае он равен 21. А теперь представим себе другой невыгодный случай, когда на предельных оборотах супермаховика – 30 тыс. оборотов в минуту и двигателя – 5 тыс. оборотов в минуту нужно ехать с самой низкой скоростью. Определим ее. Мы уже говорили, что передаточное отношение супервариатора может меняться в 20—25 раз; стало быть, наш коэффициент 21 должен увеличиться примерно до 500. Поделим обороты двигателя – 5 тыс. на 500 и получим 10 км/ч, что вполне приемлемо.
Итак, супервариатор при самых невыгодных условиях позволяет изменять скорость автомобиля от 10 до 160 км/ч как при разгоне, так и при рекуперативном торможении машины. И это все – без помощи двигателя! Нужна скорость меньше 10 км/ч – отсоединяем супермаховик и работаем только на двигателе, который может еще раза в три снизить свою частоту вращения, а стало быть, и скорость автомобиля. Нужна скорость больше 160 км/ч – опять же подключаем двигатель и совместной мощностью с супермаховиком повышаем скорость до 240 км/ч. Скорость больше 240 км/ч и меньше 3 км/ч развить нельзя – не позволит передаточное отношение данного супервариатора. Если нужно ехать со скоростью 300 км/ч или маневрировать с «ползучей» скоростью 1 км/ч, то нужно изменять параметры либо супермаховика, либо супервариатора. Следует заметить, что максимальную скорость автомобиль с супермаховиком в качестве источника практически неограниченной мощности может развить очень быстро, это весьма полезно для проведения маневров и повышения безопасности движения.
Теперь представим себе ситуацию, когда запас энергии в супермаховике максимален, а мощность двигателя используется не в полной мере. Тогда двигатель просто автоматически отключается: покажет тахометр супермаховика 30 тыс. оборотов в минуту – питание двигателя автоматически прекращается и он отсоединяется от супермаховика. Опустились обороты супермаховика до 20 тыс. оборотов в минуту – двигатель подсоединяется к повышающей передаче супермаховика и начинает получать питание; двигатель при этом запустится моментально от энергии супермаховика, причем за мгновение до этого включится маслонасос, подающий масло в двигатель. Заранее скажу, что все вопросы, связанные с остановкой, пуском, смазкой двигателя и т. д., уже решены фирмами, которые занимаются изготовлением автомобилей с гибридными силовыми агрегатами. Так что дополнительных проблем с этим не будет.
С помощью гибридных силовых агрегатов расход топлива снижается в 2-2,5 раза, да и всем экологическим требованиям такие агрегаты соответствуют. Тогда задам, казалось бы, риторический вопрос: почему гибридные силовые агрегаты, раз они так хороши, на автомобилях до сих пор широко не используются?
Ответ на этот вопрос таков. Во-первых, автомобили с гибридами, хоть малыми сериями, но производятся и оправдывают все ожидания. Супермаховики, энергоемкостью порядка 1 кВт·ч, требуемые для этого, никакой проблемы не представляют, необходимая автоматика тоже. Проблему представляет привод от супермаховика на колеса, вернее, на главную передачу автомобиля. Этот привод должен, во-первых, иметь диапазон 20—25, не меньше, о чем уже говорилось; во-вторых, КПД его должен быть предельно высоким. Почему же «предельно», а не просто высоким? Просто высокого КПД, то есть порядка 0,9, хватило бы для привода автомобиля только от двигателя; кстати, и диапазона 6-8 тоже вполне хватило бы, и не нужно этих фантастических показателей – 20—25. Но если про необходимость большого диапазона мы уже говорили, то про необходимость предельно высокого КПД пока еще ничего не сказали.
По сравнению с обычным приводом автомобиля от двигателя, в гибриде мощность постоянно циркулирует по трансмиссии, допустим, по вариатору – от колес до супермаховика, и обратно. Когда тяговое усилие автомобиля направлено вперед, мощность идет от супермаховика через вариатор на колеса. При спуске или торможении двигателем мощность меняет свое направление на обратное. И если в обычном автомобиле эта направленная вспять мощность гасится, принудительно прокручивая двигатель, то в гибриде происходит процесс рекуперации. Энергия снова возвращается в супермаховик, значительно, процентов на 30, повышая экономичность автомобиля. Поэтому значение КПД привода нужно принимать как бы в «квадрате», умножая само на себя. Например, при КПД привода 0,9, циркуляция мощности снизит его до 0,92, то есть до 0,81. А это уже недопустимо мало! Вот 0,98, даже 0,97, пожалуй, хватило бы – тогда реальный КПД при рекуперации был бы не менее 0,95, что еще допустимо. Но таких приводов, кроме супервариатора, просто нет. Поэтому и используется в гибридах чаще всего электропривод, который позволяет обеспечить достаточный диапазон регулирования, правда, за счет сильного снижения КПД. Еще бы – механическую энергию двигателя нужно переводить в электрическую, а потом – обратно, чтобы подавать на колеса. Да и тяговые двигатели очень тяжелы и неэкономичны – как-никак крутящий момент нужно менять раз в 20—25, если использовать их для гибридов. Но все равно, и такие электромеханические гибриды дают большую экономию топлива. А супервариаторы пока на стадии опытных образцов. Что ж, подождем!
Не рискуя ошибиться, могу сказать, что в будущем практически все силовые агрегаты автомобилей будут гибридными: по той или иной схеме, но обязательно содержащими в себе как двигатель, так и накопитель, а также бесступенчатый привод к ведущим колесам, так как автомобилю для движения каждый раз нужна различная мощность, а двигатель экономично может работать только на одной мощности – близкой к максимальной. Поэтому и должен двигатель работать в этом режиме, а излишки мощности переводить в «энергетическую капсулу» – накопитель энергии. А уже эта накопленная дешевая и экологичная энергия будет расходоваться автомобилем по необходимости.
Как же будет работать гибридный силовой агрегат на автомобиле? Перед началом движения двигатель разгонит до стартовых оборотов супермаховик, а заодно и «прогреется». Энергии на это потребуется очень мало – что-то около 1 кВт·ч для автобуса, а для легкового автомобиля и того меньше. «Зарядка» супермаховика может производиться не только во время «прогрева» двигателя, но и тогда, когда на малом ходу автомобиль, скажем, выезжает из гаража или проезжает через двор, – супервариатор, связывающий двигатель, а стало быть, и супермаховик с колесами, вполне позволяет это. Ведущие колеса автомобиля почти всегда связаны с трансмиссией особым редуктором, называемым «главной передачей». Вот с ней и связывается выходной вал супервариатора.
Для гибридов рекомендуются двигатели с пониженной мощностью, что-то около 30—50 % от мощности штатного двигателя. Но если это скоростной автомобиль, то мощность можно и не понижать.
Схема гибридного силового агрегата автомобиля с маховичным накопителем
Допустим, что автомобиль едет по городу со скоростью 50—60 км/ч, расходуя малую часть мощности двигателя. При этом, если в супермаховике недостает энергии, то «зарядка» может выполняться прямо на ходу. Считаем, что максимальная энергия будет накоплена в супермаховике при 30 тыс. оборотов в минуту. При достижении этих оборотов двигатель автоматически выключается и отсоединяется от супермаховика. Фактически двигатель должен быть отрегулирован на один-единственный режим работы – оптимальный. Альтернатива ему – стоянка, никаких холостых ходов с выбросами самых вредных газов. Все приборы, которые необходимо питать, приводятся в действие от постоянно вращающегося супермаховика.Итак, автомобиль движется, расходуя энергию только от супермаховика. Покажем, что супервариатор позволяет делать это. Обычно обороты супермаховика при потреблении энергии не снижают больше чем на треть – это разумнее всего. При этом выделяется более половины всей запасенной в нем энергии. Возьмем самый невыгодный случай, когда нужно развить скорость 160 км/ч при минимальном запасе энергии в маховике, то есть при 20 тыс. оборотов в минуту. Не забудем, что двигатель соединен с супермаховиком повышающей передачей с передаточным отношением обычно около 6. Работу самого двигателя, который может подключиться и «помочь» при этом, в расчет не принимаем (эта работа идет в запас). Поделим обороты двигателя, а в данном случае это 3333 оборота в минуту (20000: 6 = 3333), на скорость автомобиля – 160 км/ч и получим особый коэффициент, пропорциональный передаточному отношению супервариатора; в нашем случае он равен 21. А теперь представим себе другой невыгодный случай, когда на предельных оборотах супермаховика – 30 тыс. оборотов в минуту и двигателя – 5 тыс. оборотов в минуту нужно ехать с самой низкой скоростью. Определим ее. Мы уже говорили, что передаточное отношение супервариатора может меняться в 20—25 раз; стало быть, наш коэффициент 21 должен увеличиться примерно до 500. Поделим обороты двигателя – 5 тыс. на 500 и получим 10 км/ч, что вполне приемлемо.
Итак, супервариатор при самых невыгодных условиях позволяет изменять скорость автомобиля от 10 до 160 км/ч как при разгоне, так и при рекуперативном торможении машины. И это все – без помощи двигателя! Нужна скорость меньше 10 км/ч – отсоединяем супермаховик и работаем только на двигателе, который может еще раза в три снизить свою частоту вращения, а стало быть, и скорость автомобиля. Нужна скорость больше 160 км/ч – опять же подключаем двигатель и совместной мощностью с супермаховиком повышаем скорость до 240 км/ч. Скорость больше 240 км/ч и меньше 3 км/ч развить нельзя – не позволит передаточное отношение данного супервариатора. Если нужно ехать со скоростью 300 км/ч или маневрировать с «ползучей» скоростью 1 км/ч, то нужно изменять параметры либо супермаховика, либо супервариатора. Следует заметить, что максимальную скорость автомобиль с супермаховиком в качестве источника практически неограниченной мощности может развить очень быстро, это весьма полезно для проведения маневров и повышения безопасности движения.
Теперь представим себе ситуацию, когда запас энергии в супермаховике максимален, а мощность двигателя используется не в полной мере. Тогда двигатель просто автоматически отключается: покажет тахометр супермаховика 30 тыс. оборотов в минуту – питание двигателя автоматически прекращается и он отсоединяется от супермаховика. Опустились обороты супермаховика до 20 тыс. оборотов в минуту – двигатель подсоединяется к повышающей передаче супермаховика и начинает получать питание; двигатель при этом запустится моментально от энергии супермаховика, причем за мгновение до этого включится маслонасос, подающий масло в двигатель. Заранее скажу, что все вопросы, связанные с остановкой, пуском, смазкой двигателя и т. д., уже решены фирмами, которые занимаются изготовлением автомобилей с гибридными силовыми агрегатами. Так что дополнительных проблем с этим не будет.
С помощью гибридных силовых агрегатов расход топлива снижается в 2-2,5 раза, да и всем экологическим требованиям такие агрегаты соответствуют. Тогда задам, казалось бы, риторический вопрос: почему гибридные силовые агрегаты, раз они так хороши, на автомобилях до сих пор широко не используются?
Ответ на этот вопрос таков. Во-первых, автомобили с гибридами, хоть малыми сериями, но производятся и оправдывают все ожидания. Супермаховики, энергоемкостью порядка 1 кВт·ч, требуемые для этого, никакой проблемы не представляют, необходимая автоматика тоже. Проблему представляет привод от супермаховика на колеса, вернее, на главную передачу автомобиля. Этот привод должен, во-первых, иметь диапазон 20—25, не меньше, о чем уже говорилось; во-вторых, КПД его должен быть предельно высоким. Почему же «предельно», а не просто высоким? Просто высокого КПД, то есть порядка 0,9, хватило бы для привода автомобиля только от двигателя; кстати, и диапазона 6-8 тоже вполне хватило бы, и не нужно этих фантастических показателей – 20—25. Но если про необходимость большого диапазона мы уже говорили, то про необходимость предельно высокого КПД пока еще ничего не сказали.
По сравнению с обычным приводом автомобиля от двигателя, в гибриде мощность постоянно циркулирует по трансмиссии, допустим, по вариатору – от колес до супермаховика, и обратно. Когда тяговое усилие автомобиля направлено вперед, мощность идет от супермаховика через вариатор на колеса. При спуске или торможении двигателем мощность меняет свое направление на обратное. И если в обычном автомобиле эта направленная вспять мощность гасится, принудительно прокручивая двигатель, то в гибриде происходит процесс рекуперации. Энергия снова возвращается в супермаховик, значительно, процентов на 30, повышая экономичность автомобиля. Поэтому значение КПД привода нужно принимать как бы в «квадрате», умножая само на себя. Например, при КПД привода 0,9, циркуляция мощности снизит его до 0,92, то есть до 0,81. А это уже недопустимо мало! Вот 0,98, даже 0,97, пожалуй, хватило бы – тогда реальный КПД при рекуперации был бы не менее 0,95, что еще допустимо. Но таких приводов, кроме супервариатора, просто нет. Поэтому и используется в гибридах чаще всего электропривод, который позволяет обеспечить достаточный диапазон регулирования, правда, за счет сильного снижения КПД. Еще бы – механическую энергию двигателя нужно переводить в электрическую, а потом – обратно, чтобы подавать на колеса. Да и тяговые двигатели очень тяжелы и неэкономичны – как-никак крутящий момент нужно менять раз в 20—25, если использовать их для гибридов. Но все равно, и такие электромеханические гибриды дают большую экономию топлива. А супервариаторы пока на стадии опытных образцов. Что ж, подождем!
Мифы и правда об электромобиле
Честно говоря, я не понимаю людей, которые авторитетно пишут и говорят: «Вот придумают емкий и эффективный аккумулятор энергии, и тогда придет конец автомобилям – будут одни электромобили!» Да полноте, господа хорошие, знаете ли вы, сколько сейчас в мире автомобилей и какова суммарная мощность их двигателей? Точное число, конечно, назвать трудно, но каждый год в мире выпускают 40—50 млн автомобилей, только половина из которых идет на замену износившегося парка. Получается, что в мире эксплуатируются сотни миллионов автомобилей. Если заменить их на аккумуляторные электромобили, то от чего заряжать-то их будем? Ведь суммарная мощность всех автомобильных двигателей многократно превышает мощность всех электростанций мира. А электроэнергии и так не хватает – про «веерные» отключения, надеюсь, не забыли? Из-за перегрузки электросетей отключаются крупные районы даже в благополучных странах. И подключение на зарядку сотни-другой миллионов электромобилей – не более чем кошмарный сон энергетика. Если речь идет только о городском транспорте, об электрокарах или микроэлектромобилях для обслуживания пресытившихся игроков в гольф – то в этом случае, энергетики могут еще спать спокойно. Много говорят об экономичности аккумуляторных электромобилей. Дескать, прожорливый двигатель не сравнить с экономичным аккумулятором. «Не верю!» – как любил говорить К. С. Станиславский, давайте убедимся сами, какой путь проходит электроэнергия от электростанции до аккумулятора электромобиля.
Но есть еще один тип электромобилей, который потенциально способен заменить все автомобили с двигателями внутреннего сгорания. Это – электромобиль на топливных элементах, или, как еще его называют, электромобиль на электрохимических генераторах. Вот кого должен опасаться автомобиль!
Правда, у топливных элементов есть серьезные недостатки, которые мешают им конкурировать с обычными двигателями. Прежде всего следует вспомнить уже описанные цинко-воздушные элементы. В режиме работы гальванических элементов цинковый анод просто окисляется кислородом воздуха, а катод из пористого никеля практически не расходуется. Попросту говоря, цинковые аноды здесь являются топливом, и их приходится заменять, отправляя получаемые окислы цинка на переработку. Нельзя сказать, чтобы цинковое топливо было очень удобным или дешевым, но плотность энергии в цинко-воздушных элементах очень уж велика – она почти рекордная для химических батарей. Да и плотность мощности достаточна для привода электромобиля. Но рассматривать цинк как топливо для автомобилей всерьез все-таки вряд ли кто отважится. И хлопот не оберешься с утилизацией этих окислов цинка – у нас, например, эту «кашу» будут просто выбрасывать, и запасы цинка быстро иссякнут, по крайней мере на территории России.
Гораздо большую перспективу представляют топливные элементы на основе водорода, о которых тоже говорилось ранее. При этом совершенно необязательно заправлять автомобили с такими топливными элементами чистым водородом и кислородом. Первое время, во всяком случае. Заправка таких автомобилей будет производиться так же, как и обычных, – сжиженным или сжатым газом, бензином или соляркой. Уже на самой машине это топливо будет проходить через особый конвертор, вырабатывающий водород. Кислород же будет забираться из воздуха. Конечно же, у таких топливных элементов КПД будет ниже, чем у тех, что работают на чистом водороде и кислороде. Да и переработка топлива в конверторе тоже даром не обходится – и КПД топливного элемента падает с 70 до 56 %. Но все равно, даже у таких топливных элементов экономичность огромна, она вдвое выше, чем у бензиновых двигателей, работающих в оптимальном режиме. Но вот плотность мощности – сегодня около 60 Вт/кг при оптимуме КПД – совершенно неприемлема для автомобилей. Посудите сами, чтобы развить мощность 100 кВт, которую мы обычно принимали для двигателя легкового автомобиля, пришлось бы возить с собой более полутора тонн топливных элементов. Существуют проекты, основанные на «симбиозе» топливных элементов с конденсаторами, но такие проекты не кажутся мне удачными: уж очень мала плотность энергии конденсаторов, и по-прежнему сохраняется необходимость в использовании тяжелых и дорогих тяговых электродвигателей.
И у меня созрел совершенно особый план создания электромобиля на основе перспективных топливных элементов. Да-да, вы не ошиблись – с использованием одновременно супермаховиков и супервариаторов!
«Статьи» расхода энергии на пути от электростанции до электромобиля
Газ, уголь или мазут на тепловых электростанциях, а их подавляющее большинство производят электроэнергию со средним КПД около 40—45 %. Можно спорить о теплофикации и других способах использования бросового тепла, но ведь и на автомобилях есть печки, потребляющие бросовое тепло двигателя. Так что давайте считать по-крупному. После электростанций ток идет на повышающие трансформаторы, затем на линии электропередач разной дальности с различными потерями энергии в них. Потом напряжение должно снова понижаться – один или несколько раз, после чего энергия поступает уже в городскую сеть, где часть ее снова теряется. Затем зарядная станция с выпрямителем еще возьмет свой налог; да и КПД при зарядке аккумуляторов тоже не блещет своей величиной. А в результате в батарее аккумуляторов электромобиля накопится весьма небольшая часть энергии сгоревшего топлива, КПД будет соизмерим с нынешним на обычных автомобилях. И экономичность электромобилей, по крайней мере, вдвое меньше, чем у автомобилей с гибридными силовыми агрегатами. Поэтому не будем возлагать столь большие надежды на массовый электромобиль или автомобиль, чья работа основывалась бы на использовании того или иного вида накопителя энергии, будь то электрохимическая батарея, конденсатор или супермаховик, ибо никакая революция в энергетике не способна обеспечить то количество энергии, что сейчас вырабатывается в двигателях автомобилей. Так что автомобили с автономными двигателями еще долго будут служить нам. А если эти автомобили станут еще и гибридными, то и заменять их электромобилями на аккумуляторах вообще не имеет смысла – первые и экономичнее, и экологичнее вторых.Но есть еще один тип электромобилей, который потенциально способен заменить все автомобили с двигателями внутреннего сгорания. Это – электромобиль на топливных элементах, или, как еще его называют, электромобиль на электрохимических генераторах. Вот кого должен опасаться автомобиль!
Правда, у топливных элементов есть серьезные недостатки, которые мешают им конкурировать с обычными двигателями. Прежде всего следует вспомнить уже описанные цинко-воздушные элементы. В режиме работы гальванических элементов цинковый анод просто окисляется кислородом воздуха, а катод из пористого никеля практически не расходуется. Попросту говоря, цинковые аноды здесь являются топливом, и их приходится заменять, отправляя получаемые окислы цинка на переработку. Нельзя сказать, чтобы цинковое топливо было очень удобным или дешевым, но плотность энергии в цинко-воздушных элементах очень уж велика – она почти рекордная для химических батарей. Да и плотность мощности достаточна для привода электромобиля. Но рассматривать цинк как топливо для автомобилей всерьез все-таки вряд ли кто отважится. И хлопот не оберешься с утилизацией этих окислов цинка – у нас, например, эту «кашу» будут просто выбрасывать, и запасы цинка быстро иссякнут, по крайней мере на территории России.
Гораздо большую перспективу представляют топливные элементы на основе водорода, о которых тоже говорилось ранее. При этом совершенно необязательно заправлять автомобили с такими топливными элементами чистым водородом и кислородом. Первое время, во всяком случае. Заправка таких автомобилей будет производиться так же, как и обычных, – сжиженным или сжатым газом, бензином или соляркой. Уже на самой машине это топливо будет проходить через особый конвертор, вырабатывающий водород. Кислород же будет забираться из воздуха. Конечно же, у таких топливных элементов КПД будет ниже, чем у тех, что работают на чистом водороде и кислороде. Да и переработка топлива в конверторе тоже даром не обходится – и КПД топливного элемента падает с 70 до 56 %. Но все равно, даже у таких топливных элементов экономичность огромна, она вдвое выше, чем у бензиновых двигателей, работающих в оптимальном режиме. Но вот плотность мощности – сегодня около 60 Вт/кг при оптимуме КПД – совершенно неприемлема для автомобилей. Посудите сами, чтобы развить мощность 100 кВт, которую мы обычно принимали для двигателя легкового автомобиля, пришлось бы возить с собой более полутора тонн топливных элементов. Существуют проекты, основанные на «симбиозе» топливных элементов с конденсаторами, но такие проекты не кажутся мне удачными: уж очень мала плотность энергии конденсаторов, и по-прежнему сохраняется необходимость в использовании тяжелых и дорогих тяговых электродвигателей.
И у меня созрел совершенно особый план создания электромобиля на основе перспективных топливных элементов. Да-да, вы не ошиблись – с использованием одновременно супермаховиков и супервариаторов!
Новая концепция электромобиля
Начнем с расчета, во что выльется накопитель на основе самого современного конденсатора для легкового автомобиля с топливными элементами. Выберем эти топливные элементы для пробега автомобилем 600 км. При плотности энергии топливных элементов 400 Вт·ч/кг, масса их для такого пробега составит всего около 150 кг. Но эти 150 кг элементов смогут дать только около 9 кВт номинальной мощности. Маловато для автомобиля! Минимум, что нужно для легкового электромобиля массой в 1 т – это 50 кВт, чтобы при отличных шинах и обтекаемости кузова развить скорость хотя бы 150 км/ч, необходимую для обгонов и маневров. Продолжительность последних должна быть обеспечена на протяжении не менее 6 минут в час, это минимум, что нужно для безопасности. Остальное время можно ехать с крейсерской скоростью до 90 км/ч, что обеспечивается батареей топливных элементов, и для города, например, вполне достаточно. Тогда дополнительный источник мощности, обеспечивающий добавочные 40 кВт хотя бы в течение 6 минут, должен иметь запас энергии около 4 кВт·ч. Наилучшие современные молекулярные конденсаторы («ультраконденсаторы» фирмы «Максвелл», США) могут обеспечить около 7 Вт·ч/кг. Тогда для 4 кВт.·ч энергии понадобится 570 кг «ультраконденсаторных» батарей. Это для легкового-то автомобиля! Не будем при этом забывать и тяжелые тяговые электродвигатели.
Для разгона супермаховика нужен скоростной электродвигатель мощностью 10 кВт при 30 тыс. оборотов в минуту. Даже средний по качеству электродвигатель будет иметь массу не более 10 кг (вспомним американский электродвигатель для махомобиля Рабенхорста мощностью 30—40 кВт и массой всего 18 кг, даже при меньших оборотах!).
А дальше вращение от супермаховика передается ведущим колесам электромобиля посредством супервариатора через главную передачу. Никаких тяговых электродвигателей – почти чисто автомобильная схема! Масса супервариатора – около 50 кг. В результате масса добавочных агрегатов – чуть более 200 кг. При этом с обычного шасси автомобиля демонтируются: двигатель, бензобак с топливом, глушитель, аккумуляторы, стартер и генератор, радиатор, да и мало ли еще что. Масса всех этих агрегатов куда больше 200 кг. Таким образом, кузов и шасси серийно выпускаемых автомобилей вполне пригодны для электромобилей новой концепции.
Дополнительным компоновочным преимуществом супервариатора является то, что по форме и размерам он вполне соответствует ведущим колесам автобуса, что дает возможность разместить его непосредственно внутри обода колеса. Это позволит сэкономить много места в салоне автобуса, понизить уровень его пола, сделав машину более комфортабельной.
Хотелось бы отметить неадекватную позицию некоторых зарубежных автомобильных компаний на наши предложения. Не рассматривая их по существу, они выражают удивление по поводу того, что коль выгода от них столь очевидна, то почему российские предприятия сами не реализуют эти предложения. И мне нечего им ответить. Но, к счастью, не все зарубежные фирмы так неадекватны, и нам, как Остапу Бендеру, остается надеяться, что «заграница нам поможет». Кстати, она уже нам помогает, только бы не сглазить!
Новая концепция электромобиля
Между тем, выпускаемые промышленностью США супермаховики из графитового волокна давно уже обеспечивают плотность энергии в 200 Вт·ч/кг, а в перспективе – свыше 500 Вт·ч/кг. О супермаховиках из суперкарбона, способных обеспечить в тысячи раз большую плотность энергии, здесь не будем даже упоминать. Для наших 4 кВт·ч понадобится всего 20 кг обычных супермаховиков. Если взять супермаховик даже 30 кг массой, и это для автомобиля не помеха, он обеспечит 6 кВт·ч энергии и приблизит динамику этого электромобиля к современным требованиям. Напомню, что тяговые электродвигатели ограничены по крутящему моменту и «блестящей» динамики от них ждать не приходится. Так вот, супермаховик, связанный с колесами механической передачей, может обеспечить огромную мощность при разгонах – механическая передача гораздо менее ограничена нагрузкой по сравнению с электрической.Для разгона супермаховика нужен скоростной электродвигатель мощностью 10 кВт при 30 тыс. оборотов в минуту. Даже средний по качеству электродвигатель будет иметь массу не более 10 кг (вспомним американский электродвигатель для махомобиля Рабенхорста мощностью 30—40 кВт и массой всего 18 кг, даже при меньших оборотах!).
А дальше вращение от супермаховика передается ведущим колесам электромобиля посредством супервариатора через главную передачу. Никаких тяговых электродвигателей – почти чисто автомобильная схема! Масса супервариатора – около 50 кг. В результате масса добавочных агрегатов – чуть более 200 кг. При этом с обычного шасси автомобиля демонтируются: двигатель, бензобак с топливом, глушитель, аккумуляторы, стартер и генератор, радиатор, да и мало ли еще что. Масса всех этих агрегатов куда больше 200 кг. Таким образом, кузов и шасси серийно выпускаемых автомобилей вполне пригодны для электромобилей новой концепции.
Схема электробуса новой концепции
Расчет показывает, что для городского электробуса с пробегом 400 км в день масса добавочных агрегатов составит около полутора тонн, что даже меньше демонтируемых с автобуса агрегатов.Дополнительным компоновочным преимуществом супервариатора является то, что по форме и размерам он вполне соответствует ведущим колесам автобуса, что дает возможность разместить его непосредственно внутри обода колеса. Это позволит сэкономить много места в салоне автобуса, понизить уровень его пола, сделав машину более комфортабельной.
Хотелось бы отметить неадекватную позицию некоторых зарубежных автомобильных компаний на наши предложения. Не рассматривая их по существу, они выражают удивление по поводу того, что коль выгода от них столь очевидна, то почему российские предприятия сами не реализуют эти предложения. И мне нечего им ответить. Но, к счастью, не все зарубежные фирмы так неадекватны, и нам, как Остапу Бендеру, остается надеяться, что «заграница нам поможет». Кстати, она уже нам помогает, только бы не сглазить!
Трудности производства (шуточный рассказ)
Трудности эти касались изготовления «железа», то есть научных экспериментальных установок. И тут научные работники использовали различные «средствА» – в зависимости от места своей работы.
А «средствА» эти, например для сотрудников вузов были такими: кто-нибудь из работников завода обязательно учился на вечернем отделении, тогда мало кто имел высшее образование, а для руководства завода оно было очень желательно. Заключался «джентльменский» договор: вы нам – установку, а мы вам – оценку, а деньги, если и проплачивались, то только для проформы.
Такой «бизнес» цвел махровым цветом в городе Тольятти, где я тогда жил и работал в Политехническом институте. Вуз в городе был один, и все руководство тольяттинских заводов стройными рядами подрядилось помогать нашей науке. Это был период расцвета вузовской науки – экспериментальные стенды и установки изготовлялись «за милую душу», вернее, за положительную оценку. Конечно, были и производственные трудности, о которых я хочу рассказать. Эти трудности касались изготовления и испытаний рекуператора энергии торможения для автобуса. С директором завода – моим студентом-«вечерником», договоренность была достигнута, и работа пошла…
На стадии проектирования почти каждую ночь меня озаряли новые идеи, а утром конструктор с ужасом узнавал, что чертежи опять надо переделывать. Наконец документация была готова, ее размножили и отдали на завод, где после долгих уговоров согласились изготовить «этакую маленькую модельку». Начальник производства, увидев чертежи, наотрез отказался от работы, заявив, что это не «моделька», а настоящая адская машина, и что она «не пойдет», то есть не будет работать. С полчаса мы препирались, пока я не спросил, а почему, собственно, «не пойдет»?
– Был у нас тут один доцент, – ответил начальник производства, – мы ему сделали тоже инерционный, но не рекуператор, а грохот. Грохот не работал. Стало быть, и ваш не будет.
Я столь же убедительно возразил:
– То был доцент, а я профессор, и наша конструкция будет работать.
Короче говоря, машину все-таки, не без вмешательства директора, запустили в производство. И тут началось…
Прежде всего корпус, в котором должен был вращаться маховик, изготовили меньшего диаметра, чем сам маховик. Пробовали затолкнуть его туда прессом, но я категорически запротестовал. Тогда решили расточить корпус и обточить маховик. Обрабатывая корпус, начисто срезали ему один бок, а обтачивая маховик, сбили ему центровку – появилась статическая неуравновешенность. На корпус наварили длинную латку, после чего его ужасно искривило, и подшипники не полезли в гнезда. Маховик переточили и к статической добавили динамическую неуравновешенность. Я совершенно было потерял голову, но заводчане, воспользовавшись моей вынужденной командировкой, затолкнули все-таки маховик в корпус на стотонном прессе и, выкрасив агрегат в голубой цвет, торжественно передали нам. Пришлось принять, хотя я и заметил им, что можно было не трудиться и не красить, во всяком случае, поверхности трения. Но радушные за-водчане ответили, что для хороших людей им ничего не жалко, и отгрузили рекуператор.
Для стендовых испытаний рекуператора институт выделил нам подвал в только что выстроенном здании. Стояла холодная зима, а в подвале было тепло, и это нас радовало. Мы целыми днями разбирали рекуператор на детальки и исправляли заводские дефекты. Убедились, что стотонный пресс на заводе работает хорошо: выпрессовать маховик мы так и не смогли. Пришлось заливать в корпус азотную кислоту и таким неслыханным способом выпрессовывать, а заодно и балансировать маховик. Помогали нам энтузиазм и сноровка, мешали пары азотной кислоты и темнота в наглухо закупоренном подвале.
Основные дефекты мы ликвидировали, оставалось только собрать рекуператор. Детальки были аккуратно разложены на полу, завернуты в бумажки и пронумерованы, на потолке горела недавно установленная лампочка, а в просверленную в потолке щелку проникало дыхание наступающей весны. Я спокойно уехал в командировку отчитываться о проделанной работе, поручив лаборанту сборку рекуператора, которую нужно было провести не торопясь, тщательно, а самое главное, соблюдая чистоту деталей и смазки.
А «средствА» эти, например для сотрудников вузов были такими: кто-нибудь из работников завода обязательно учился на вечернем отделении, тогда мало кто имел высшее образование, а для руководства завода оно было очень желательно. Заключался «джентльменский» договор: вы нам – установку, а мы вам – оценку, а деньги, если и проплачивались, то только для проформы.
Такой «бизнес» цвел махровым цветом в городе Тольятти, где я тогда жил и работал в Политехническом институте. Вуз в городе был один, и все руководство тольяттинских заводов стройными рядами подрядилось помогать нашей науке. Это был период расцвета вузовской науки – экспериментальные стенды и установки изготовлялись «за милую душу», вернее, за положительную оценку. Конечно, были и производственные трудности, о которых я хочу рассказать. Эти трудности касались изготовления и испытаний рекуператора энергии торможения для автобуса. С директором завода – моим студентом-«вечерником», договоренность была достигнута, и работа пошла…
На стадии проектирования почти каждую ночь меня озаряли новые идеи, а утром конструктор с ужасом узнавал, что чертежи опять надо переделывать. Наконец документация была готова, ее размножили и отдали на завод, где после долгих уговоров согласились изготовить «этакую маленькую модельку». Начальник производства, увидев чертежи, наотрез отказался от работы, заявив, что это не «моделька», а настоящая адская машина, и что она «не пойдет», то есть не будет работать. С полчаса мы препирались, пока я не спросил, а почему, собственно, «не пойдет»?
– Был у нас тут один доцент, – ответил начальник производства, – мы ему сделали тоже инерционный, но не рекуператор, а грохот. Грохот не работал. Стало быть, и ваш не будет.
Я столь же убедительно возразил:
– То был доцент, а я профессор, и наша конструкция будет работать.
Короче говоря, машину все-таки, не без вмешательства директора, запустили в производство. И тут началось…
Прежде всего корпус, в котором должен был вращаться маховик, изготовили меньшего диаметра, чем сам маховик. Пробовали затолкнуть его туда прессом, но я категорически запротестовал. Тогда решили расточить корпус и обточить маховик. Обрабатывая корпус, начисто срезали ему один бок, а обтачивая маховик, сбили ему центровку – появилась статическая неуравновешенность. На корпус наварили длинную латку, после чего его ужасно искривило, и подшипники не полезли в гнезда. Маховик переточили и к статической добавили динамическую неуравновешенность. Я совершенно было потерял голову, но заводчане, воспользовавшись моей вынужденной командировкой, затолкнули все-таки маховик в корпус на стотонном прессе и, выкрасив агрегат в голубой цвет, торжественно передали нам. Пришлось принять, хотя я и заметил им, что можно было не трудиться и не красить, во всяком случае, поверхности трения. Но радушные за-водчане ответили, что для хороших людей им ничего не жалко, и отгрузили рекуператор.
Для стендовых испытаний рекуператора институт выделил нам подвал в только что выстроенном здании. Стояла холодная зима, а в подвале было тепло, и это нас радовало. Мы целыми днями разбирали рекуператор на детальки и исправляли заводские дефекты. Убедились, что стотонный пресс на заводе работает хорошо: выпрессовать маховик мы так и не смогли. Пришлось заливать в корпус азотную кислоту и таким неслыханным способом выпрессовывать, а заодно и балансировать маховик. Помогали нам энтузиазм и сноровка, мешали пары азотной кислоты и темнота в наглухо закупоренном подвале.
Основные дефекты мы ликвидировали, оставалось только собрать рекуператор. Детальки были аккуратно разложены на полу, завернуты в бумажки и пронумерованы, на потолке горела недавно установленная лампочка, а в просверленную в потолке щелку проникало дыхание наступающей весны. Я спокойно уехал в командировку отчитываться о проделанной работе, поручив лаборанту сборку рекуператора, которую нужно было провести не торопясь, тщательно, а самое главное, соблюдая чистоту деталей и смазки.