Удивительная механика - Нурбей Гулиа

Если речь идет об электротранспорте – трамваях, троллейбусах, поездах метро – то эта проблема еще имеет решение, правда частичное. Вот мы уже научились отдавать полученную при торможении энергию обратно в сеть, чтобы ее могли расходовать другие машины. Но практика показала, что этот путь не очень рациональный. Как быть, если, например, большинство водителей таких машин решило тормозить почти одновременно? Ведь это огромный выброс мощности, которую просто невозможно использовать. Поэтому эффект от отдачи энергии торможения в сеть не столь заметен.

Особенно велика роль рекуперации для поездов метро: они движутся очень быстро – до 90 км/ч и тормозят часто. Тот же рваный ритм движения и у трамваев, им приходится тормозить даже еще чаще.

Вот бы сюда «энергетическую капсулу» – накопитель энергии. Затормозил трамвай или поезд метро – и энергия не уходит в тормоза или в сеть, где она не всегда нужна, а целенаправленно через электродвигатель раскручивает маховик. Машина остановлена, а энергия ее накоплена в раскрученном маховике. Настало время разгоняться – энергия из маховика через генератор, в который на время превращается электромотор, направляется в тяговые двигатели машины – поезда или трамвая. Машина разгоняется, а маховик замедляет свое вращение. Основной вопрос в том – где разместить «энергетическую капсулу»: поставить ее на саму машину или установить стационарно вблизи остановки, да еще для безопасности заглубить в землю?

Связь с машиной при этом будет осуществляться по проводам, здесь проблемы нет. Нужно только на время торможения и разгона отсоединять машину от основной силовой сети, чтобы не мешать остальным машинам нормально двигаться. Зато мы не будем стеснены габаритами и массой «энергетической капсулы», да и вопросы безопасности при размещении «капсулы» вблизи остановки решаются проще, чем в случае ее крепления на самой машине, рядом с пассажирами.

Описанная концепция размещения накопителя вблизи трамвайных остановок легла в основу проекта, который мы осуществляем в г. Ганновере совместно с германской энергетической фирмой SEEBa. Маховик, для дешевизны изготовленный из большого железнодорожного колеса, вращается в вакуумной камере на магнитной подвеске и соединяется с мотор-генератором. Последний через частотный преобразователь тока связывается с токоподающи-ми проводами, которые как я уже говорил, на время торможения и разгона отключаются от основной силовой сети. Экономия ожидается в размере около 150 евро с одной трамвайной остановки в сутки.

Маховичный накопитель для рекуперации энергии торможения трамваев

Аналогичные системы можно применять и в метро, только по размерам и массе они будут на порядок больше – ведь энергия тормозящего метропоезда огромна. Под стать этим размерам и экономическая эффективность – тоже на порядок больше, чем у трамвая. Ведь метрополитен – один из главнейших потребителей энергии в крупном городе.

Американские инженеры пошли по другому пути: они установили маховичные накопители энергии прямо в вагонах метропоезда. Храбрецы американцы – это очень рискованный шаг! Ведь маховик-то у них тоже монолитный, кованый, массой 250 кг, набран из нескольких фасонных дисков. Не ровен час – случайно или по злому умыслу – разорвется на полной скорости – ущерб, как от бомбы того же веса. Это же монолит, а не супермаховик, который, если и выходит из строя, то без страшных последствий! К такому маховику «приложен» мотор-генератор в 2 т массой. При этом на каждый вагон требуется по два таких агрегата – итого 5 т лишнего веса. Маховичный метропоезд испытали в Нью-Йорке и получили около 30 % экономии электроэнергии. Такой же эффект можно получить и от стационарного накопителя, только его не надо было бы возить с собой, да и был бы он совершенно безопасным для людей, так как установили бы его в отдельной нише под землей.

Маховичный экспериментальный рекуператор на грузовике УАЗ-450 (а) и экспериментальный рекуператор энергии торможения для автобуса ЛАЗ-695 (б)

Другое дело, если речь идет о транспортном средстве с автономным двигателем, например автобусе. Его, конечно, проводами с неподвижным накопителем не свяжешь – тут придется устанавливать накопитель прямо на машине. Наш опыт изготовления и испытаний автобуса с таким агрегатом на борту в специфических российских условиях описан в шуточном рассказе «Трудности производства».

Изготовляли и испытывали мы автобус и с гидрогазовым накопителем, о котором речь шла еще в начале книги. «Трудности производства» были почти теми же, даже еще «покруче». Сейчас смешно вспоминать, а тогда, когда я сидел на баллоне, в котором было 250 атм. давления, а между ногами у меня проходило два толстенных шланга с тем же давлением, мне было не до смеха. Ведь и баллон, и шланги были экспериментальные, готовые «рвануть» в любой момент. Потом мне рассказывали, что масло под таким давлением не только режет части тела как нож, но и мгновенно заполняет всю кровеносную систему!

Схема гибридного силового агрегата с гидрогазовым накопителем для автобуса ЛАЗ-695

Результаты испытаний маховичного и гидрогазового накопителей-рекуператоров на автобусе оказались практически одинаковыми – экономилось около половины топлива, втрое сокращалась токсичность выхлопа. Казалось бы, радоваться надо, но я постепенно стал понимать, что путь использования на автотранспорте рекуператоров – тупиковый. Не рекуператор со своим особым, дополнительным приводом, пригодным только для торможений и разгонов, нужен автомобилю, а «гибрид» – симбиоз супермаховика и автономной энергетической установки с супервариатором в качестве их общего, единого привода на все случаи жизни!

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.

Зависимость КПД двигателя внутреннего сгорания от мощности

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.