Удивительная механика Гулиа Нурбей

Каков КПД автомобиля?

Да простит меня читатель, если я задам ему детский вопрос: каков КПД у автомобильного двигателя? «Совсем профессор от жизни отстал», – скорее всего подумает он и ответит, что из учебника физики следует: КПД бензинового двигателя достигает примерно 25 %, а дизельного – приближается к 40 %.

А может, не будем верить печатному слову, а лучше убедимся в этом сами. Заправим бак топливом «по горлышко» и проедем по городу, разумеется, без происшествий и «пробок», 100 км. А затем дольем бак из мерного сосуда снова до прежнего уровня. Если ваш автомобиль весит около тонны и работает на бензине, то долить придется в среднем около 10 л; для автомобиля той же массы с дизельным двигателем потребуется примерно 7 л солярки. Так как научные расчеты производятся не в литрах, даже не в поллитрах, а в килограммах, то для бензина, с учетом его плотности, это составит 7 кг, а для солярки – чуть больше 5 кг. При сжигании эти килограммы топлива выделят (можете проверить по справочнику!) 323 и 250 МДж энергии, соответственно. А затратит ваш автомобиль при движении со скоростью 50—60 км/ч (и это еще хорошо для города!) в среднем 25 МДж, о чем мы уже говорили выше. Поделим эту полезную работу на затраченную энергию и получим КПД для бензинового двигателя 7-8 %, а для дизеля – 10 %. Вот вам теория – 25 и 40 %, а вот суровая правда жизни – 7,5 и 10 %! Конечно, кое-что теряется и в трансмиссии, но это крохи по сравнению с потерями в двигателе.

Так что ж, врут авторы учебников? Нет, не врут, но лукавят. Тот КПД, что в них указан, относится к одному единственному режиму работы, называемому оптимальным.

А как, собственно, в научных институтах получают этот расход топлива? Испытуемый двигатель (не будем уточнять: оснащенный дополнительными системами – вентилятором, компрессором, генератором и т. д. или нет) устанавливают на специальный стенд, где его нагружают сопротивлениями, попросту – тормозят. Изменяют подачу топлива, момент сопротивления, частоту вращения, ведут строгий учет расхода топлива. Зная момент сопротивления и частоту вращения, можно определить мощность, а умножая эту мощность на время, получить работу в киловатт-часах. Правильнее, конечно, было бы выразить ее в джоулях. Так вот – 1 кВт·ч равен 3,6 МДж. Теперь, зная расход топлива в килограммах, можем отнести его к произведенной двигателем работе и получить так называемый удельный расход топлива. Чем современнее двигатель, тем меньше удельный расход топлива при наибольшей мощности и тем больше его КПД. Вот откуда эти 25 и 40 %!

А какова мощность, расходуемая двигателем при движении автомобиля со средней скоростью 50—60 км/ч? Оказывается, для оговоренной массы автомобиля она составляет около 4 кВт. Трудно в это поверить, но автомобиль с двигателем около 100 кВт тратит при этой скорости всего 4 % мощности. И какой КПД вы еще хотите получить при этом? Особенно с учетом привода от двигателя множества всяких дополнительных агрегатов.

Что же делать? Если попробовать ехать на нашем автомобиле при оптимальном режиме работы двигателя, то это составит около 180 км/ч, что не всегда нужно. Да и, честно говоря, при такой скорости почти все топливо уйдет на взбалтывание воздуха, или, по-научному, на аэродинамические потери.

Можно пойти по другому пути, поставив на наш автомобиль двигатель мощностью 5 кВт, то есть в 20 раз меньшей мощности. Тогда при скорости 60—70 км/ч наш автомобиль покажет рекордную экономичность, а двигатель – именно тот КПД, что указан в учебниках. Но, увы, такая скорость движения никого не устроит, не говоря уже о том, что разгоняться наш автомобиль будет медленнее товарного поезда.

Как же разрешить это противоречие, неужели никто об этом раньше не думал? Да нет же, думали. Уже чуть ли не полвека прошло с тех пор, как была предложена концепция так называемого «гибридного» силового агрегата. Предлагалось включать двигатель только при оптимальном режиме, чтобы запасать выработанную им «экономичную», а к тому же и «экологичную» энергию в накопителе, и выключать двигатель, когда он переполняется энергией (пусть отдохнет!), то есть использовать для движения автомобиля именно эту, самую дешевую и чистую энергию!

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

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.

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.

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.

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.

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.

Ох уж эта весна! Какую злую шутку сыграла она с нами! Вернувшись из командировки в радужном настроении, я заглянул в наш подвал и… обомлел. При тусклом свете лампы невозмутимый лаборант с сигаретой в зубах стоял в болотных сапогах чуть не по пояс в грязной воде. В руках он держал шланг, по которому мощная помпа гнала глинистый раствор наружу, через спасительную щелку в потолке. Подвал не был гидроизолирован, и в него прорвались талые воды. Две недели откапывали мы ржавые детали, узлы и, отчаявшись очистить их от грязи и ржавчины, собирали рекуператор как попало.

Настало время посылать агрегат заказчику для установки его на автобусе. Наученный горьким опытом, я тщательно гидроизолировал ящик для рекуператора и только после этого отправил груз на товарную станцию. Но и этой предосторожности оказалось недостаточно. По дороге крышку ящика повредили, и на завод он пришел полный воды. Рекуператор плавал в ней, как огурец в рассоле.

Установив наш агрегат на автобусе и убедившись, что он не работает, заказчик возвратил его нам обратно вместе с автобусом. Опять грязегидравлические испытания, теперь по ноябрьским дорогам. Пробуем пустить машину сами – передача разлетается на куски. В чем дело? Ого! Приваривая ушко для крепления, сварщик заказчика прожег корпус и накрепко приварил к нему маховик.

Наконец выкатили автобус во двор. Машиной управлял лаборант, а рекуператором с заднего сиденья – я. Договорились подавать сигналы друг другу свистками: один долгий – тормоза отпустить, два коротких – нажать. Предстартовая нервозность сыграла свою роль, и я, запуская рекуператор, вместо одного длинного свистка дал два коротких. От обломков передачи пришлось спасаться бегством.

Я заметил, что каждый новый ремонт рекуператора занимал у нас все меньше времени. Мы привыкли к постоянному ремонту и не вылезали из-под автобуса. Нас даже прозвали «Карлсонами, которые живут под автобусом». Оттуда я консультировал студентов, там же выслушивал институтские новости и подписывал бумаги. Зимой мы примерзали спиной к асфальту. Нас вытаскивали из-под автобуса заботливые студенты.

Опять наступила весна. Мы вывели автобус бережно, как норовистого коня. Выбрали тихую улочку, разогнались, и я уверенно включил рекуператор. Но это я лишь решил, что включил его. На самом деле я перепутал тумблеры, которые были заменены только накануне, и вместо «пуска» включил «аварийную остановку». Полетела прочнейшая стальная лента, связывающая маховик с колесами машины. Тут же склеили ее клеем N 88. Попробовали катить автобус – катится. Остановили – что-то с глухим стуком упало на асфальт. Глянули под автобус – батюшки, кардан! Поставили кардан, поехали. Снова включили рекуператор – не работает. Остановились, выбежали, осмотрели – ничего непонятно. Я в сердцах стукнул по нему кулаком – и автобус пошел – сам! – плавно набирая скорость. Едва догнали его. Теперь работает, и еще как – экономит почти половину горючего!

Гибридные автомобили современности

Нет, наш труд, хотя кое-кто из пессимистов называл его «мартышкиным», не пропал даром. Говоря «высоким штилем» – из искры стало разгораться пламя, причем созидательное. Я далек от мысли, что это созидательное пламя разгорелось только от нашей скромной искорки. Но все наши изобретения, а их около трех сотен, были запатентованы, а патенты специалистами изучаются. Все наши находки и ошибки, концепции и расчеты, данные испытаний и планы на будущее публиковались в сотнях статей и десятках книг, изданных в том числе «за бугром». Работы эти цитировались и обсуждались в книгах и статьях зарубежных авторов, поэтому логично предположить, что кое-что из прочитанного использовалось и на практике. И я бываю просто счастлив, когда среди новых зарубежных конструкций и расчетов встречаю такие знакомые мне решения…

Конечно же, главное предназначение «энергетической капсулы», по крайней мере на ближайшее будущее, – это гибридные силовые агрегаты автомобилей. Сейчас многие промышленно развитые страны приступают к их выпуску. Существует много концепций гибридов, главным образом связанных с электроаккумуляторами и электроприводами. Ведь почти все преимущества супермаховика основаны на использовании механической трансмиссии с высочайшим КПД, иначе говоря – супервариатора. А его пока в промышленном исполнении нет – уж очень недавно он изобретен.

Пожалуй, самым известным гибридом является автомобиль «тойота приус». В этом гибриде двигатель соединен с генератором переменного тока, который заряжает аккумуляторную батарею, питающую опять же электрические тяговые двигатели переменного тока. Стало быть, преобразуется не только механическая энергия в электрическую, но и переменный ток в постоянный, и обратно. Однако этим дело не ограничивается – тяговые двигатели связаны сложной дифференциальной передачей, имеющей две степени свободы, с генератором и главной передачей автомобиля. Даже тепло от двигателя через специальные накопители тепла нагревает особый химический реактив – гидрид никеля, который выделяет водород, поступающий для сгорания в тот же двигатель! Что ж, «богатенькие» японцы здесь развернулись на славу! Не хватает только солнечных батарей и ветроколес для подзарядки батарей в солнечную или ветреную погоду. Себестоимость такого автомобиля баснословная, хотя продается он, видимо, по рекламным соображениям, не так уж дорого.

Ближе к реальной жизни, на наш взгляд, гибридный легковой автомобиль, проект которого разработан в США совместно с германской фирмой «BMW». При общей массе 1500 кг его двигатель потребляет всего 3 литра топлива на 100 км пробега. Если с бензиновым штатным двигателем такой автомобиль имел бы мощность 100 кВт, то в гибридном варианте оказалось достаточном дизельного двигателя мощностью 27 кВт и добавочных 50 кВт от супермаховичного накопителя с запасом энергии 1,5 кВт·ч. Обороты супермаховика – от максимальных 35 тыс. до минимальных – 17 тыс. оборотов в минуту. Схема гибрида обычная – дизель вращает генератор, который обеспечивает мощностью как тяговые двигатели автомобиля, так и разгонный электродвигатель супермаховика. Общая масса накопителя с электродвигателем, подвеской, супермаховиком и корпусом – 50 кг.

Интерес представляет конструкция супермаховичного накопителя. Супермаховик из композитного материала подвешен на колоколообразной ступице в вакуумированном корпусе. Подвеска – магнитная, с постоянными магнитами и фиксирующими шарикоподшипниками. Между верхними и нижними подшипниками установлен скоростной мотор-генератор, дающий дополнительную мощность тяговым электродвигателям. Сам супермаховик и ротор мотор-генератора можно видеть на фотографии.

Более смелый проект предложила известная американская фирма «Крайслер» для своей спортивной модели «Patriot». Скоростной газотурбинный двигатель объединен в один агрегат с генераторами, дающими ток как для движения автомобиля, так и для подзарядки супермаховичного накопителя. Все агрегаты выполнены как бы в миниатюре специально для небольшого спортивного автомобиля массой около 700 кг и мощностью почти 500 лошадиных сил (370 кВт).

Супермаховичный накопитель содержит цилиндрический супермаховик, выполненный из графитового композита и помещенный в вакуумный корпус. Хотя об этом впрямую не говорится, подвеска, конечно, магнитная – другой здесь и быть не может. Мотор-генератор развит в размерах по диаметру, чтобы обеспечить огромную мощность, хотя бы в сравнении с предыдущим проектом.

Что ж, получился вполне компактный скоростной автомобиль, стоимостью в сотни тысяч долларов. Этакий гибридный «болид» для профессионального гонщика, а может быть, для богатого и столь же смелого автолюбителя. Но настоящим автомобилем, вернее электромобилем будущего, я бы назвал гибридный автомобиль-такси, разработанный в США. Его основной источник энергии – топливные элементы, работающие на водороде, который получают из метана, метанола или углеводородного жидкого топлива в конверторе на самом автомобиле. Вспомним, что ранее говорилось о топливных элементах, об их малой плотности мощности, несмотря на огромную плотность энергии и высокий КПД. Стало быть, для повышения мощности автомобиля нужно что? Да, конечно же, супермаховик! Его и использовали создатели нового электромобиля, серийный выпуск которого запланирован на 2010 год. Запас энергии в супермаховике – 2 кВт·ч; мощность его мотор-генератора номинальная – 50 кВт, но может быть временно повышена и до 100 кВт. Обороты супермаховика максимальные – 30 тыс. оборотов в минуту. Устройство накопителя – обычное. Супермаховик из композита, вероятно графитового, подвешен в магнитной подвеске в вакуумном корпусе. Мотор-генератор на основе постоянных магнитов для экономичности. Обхватывающее корпус защитное кольцо – на случай разрыва супермаховика. Читатель может спросить, а что же отличает эти гибриды от электромобиля, который предлагал автор? А отличие состоит в том, что привод в описанных гибридах электрический вместо супервариатор-ного. В результате масса – больше, а КПД – меньше. Но ведь сегодня нет реального привода к гибриду, кроме электрического. Ведь супервариатор пока – журавль в небе, а электропривод – синица в руках!

Вспомним, что раньше некоторые ученые считали супермаховик глупой фантазией, уверяя, что маховики надо лить или ковать из стали. А сейчас супермаховичный накопитель можно просто заказать. Вот я читаю рекламку: «Полная супермаховичная система с ротором из углепластика; мощность – 100 кВт; запас энергии – 1кВт·ч; КПД – более 0,92; дизайн, цена – договорные. Калифорния, национальная лаборатория „Лауренс-Ливермор“ – и далее адрес и факс. „Лауренс-Ливермор“ – это вам ничего не говорит? Да это же одна из самых высокотехнологичных военных лабораторий в США, а пожалуй, и в мире.

Да, теперь супермаховик – в надежных руках!