АВТОСЧАСТЬЕ ЗАВТРАШНЕГО ДНЯ

Только что закончился международный автосалон в Москве. Я ходил по нему с известным теоретиком автомобильных наук профессором Нурбеем ГУЛИА. Мы пришли сюда с конкретной целью — найти автомобиль будущего. Не нашли

АВТОСЧАСТЬЕ ЗАВТРАШНЕГО ДНЯ

Не нашли, несмотря на то, что на салоне были представлены концепт-кары из разных стран мира и от разных фирм. И вовсе не потому, что в отсталую Россию не посчитали нужным привезти путные новинки. Просто нет еще таких машин даже в проектах. В мире нет, а у нас есть. Россию, конечно, нельзя назвать великой автомобильной державой. Однако именно здесь живет человек, который знает, как будет выглядеть автомобиль будущего — это тот самый Гулиа. Ничего странного — руками мы делаем плохо, но головой думаем хорошо.

ВЕРХОМ НА БОМБЕ

Автомобиль не роскошь, а средство экологического самоубийства. Это общеизвестно. В крупных городах не химические и прочие промышленные предприятия, а именно автотранспорт стал основным источником загрязнения среды и причиной повышенной смертности горожан. А самое печальное — специалисты утверждают, что замены двигателю внутреннего сгорания в течение ближайших 50 — 100 лет не будет. И никакие электромобили нас не спасут, ибо вся идея электромобиля разбивается об один только факт: мощность всех автомобилей в несколько раз больше мощности всех электростанций мира — от чего заряжать аккумуляторы? Так что жидкому топливу на ближайшие десятилетия альтернативы действительно нет.

Потом, конечно, на массовый автомобиль придут хваленые топливные элементы, о которых сейчас так много говорят (и которые, кстати, тоже будут функционировать на бензине либо метаноле). Возможно также, что ДВС останется на своем месте — под капотом, просто будет работать не на бензине, а на водороде. Наконец, уж простите за неуемный полет фантазии, когда-нибудь автомобиль заменит какая-нибудь антигравитационная платформа. Но ближайшие полвека-век мы точно будем вынуждены жечь нефть и нюхать выхлоп. Вопрос лишь в том, как сократить расход первого и выделение второго.

— Пути для решения этих двух задач в России уже проработаны. И более интересных идей, чем у нас, в мире пока нет, — говорит завкафедрой Московского государственного индустриального университета Нурбей Гулиа. — Суть вот в чем... Теоретический КПД теплового двигателя равен 43%. Это для экономичных дизелей, а у бензиновых двигателей он еще меньше — примерно 30%. А в реальности на шоссе КПД мотора 10%, в городе — 5 — 6%. Высокий КПД получается, только если двигатель работает в оптимальном режиме, с полной загрузкой. Чем ниже загрузка, тем ниже КПД. На холостом ходу практический КПД равен нулю — автомобиль не едет, зря жжет бензин и отравляет атмосферу. Причем большую часть времени двигатель работает именно с недогрузкой, то есть со средней мощностью, в десять раз меньшей расчетной. Ведь рассчитывают его на скоростную езду по шоссе, а он дергается в «пробках».

Далее. Режим движения реального автомобиля складывается из циклов «разгон-торможение». Не успеет машина набрать скорость, как приходится всю выработанную из топлива энергию, перешедшую в кинетическую энергию автомобиля, переводить в бездарное тепло, истирая тормозные колодки перед очередным светофором.

При покупке машины человек всегда интересуется, сколько в моторе лошадиных сил. 75? Хорошо. 90? Еще лучше. И это при том, что в реальном городском режиме работают от силы три-четыре лошадиные силы. Зачем же конструкторы закладывают такой избыток мощности? Почему нельзя сделать двигатель, исходя из реальной средней загрузки? Потому что такая машина не сможет ехать быстрее 50 — 60 км/ч и разгоняться до этой скорости будет полчаса. Именно для быстрых разгонов и ставят на автомобили мощные двигатели. Из-за этого и приходится мириться с тем, что большая часть топлива за время жизни автомобиля выгорает зря.

Возникает вопрос: а нельзя ли избежать всех этих недостатков современного автомобиля?.. Для этого нужно, чтобы двигатель всегда работал в оптимальном режиме, то есть практически на полной мощности. Кстати, оптимальная работа позволит не только снизить выхлоп и сэкономить уйму топлива, но и здорово увеличит срок службы самого двигателя. Мощность этого двигателя будет невелика, примерно 10 — 30 «лошадок»... Далее, нам нужно, чтобы при таком слабом движке обеспечивалась хорошая разгонная динамика, то есть чтобы машина рвала с места так, как будто под капотом у нее табун лошадей в сотню... Ну и, наконец, нужно повысить КПД до теоретически положенных тепловому двигателю 43%.

Еще хорошо бы сделать так, чтобы, разогнавшись, автомобиль не терял энергию на торможение безвозвратно. Потому что ее жалко. То есть кинетическую энергию тормозящей машины надо как-то забрать обратно и потом опять использовать для разгона. Другими словами, необходим накопитель, чтобы двигатель молотил в городской «пробке» не вхолостую, а его энергия где-то аккумулировалась и потом из накопителя уходила в колеса, быстро выдавая огромную мощность для рывков со светофора, и чтобы этот накопитель мог еще и энергию торможения накапливать. Есть такой накопитель?

Есть. Это высокооборотный прецизионный маховик. Лучших накопителей энергии, чем бешено вращающиеся маховики, человечество пока не придумало. По плотности накопленной энергии на килограмм устройства им нет равных. При небольших размерах (примерно 30 см в диаметре), небольшой массе (5 — 10 кг) и скорости в 15 — 20 тысяч оборотов в минуту маховик, вращающийся в вакуумной камере (чтобы снизить трение), позволяет накопить энергию для прохождения автомобилем десятков километров.

Маховик — страшная сила. При аварийном разрыве скоростного маховика выделяется энергии больше, чем при взрыве тротила той же массы. С трудом верится, но это так! Был случай, когда маховик, стоящий в подвале одной из фабрик, разорвало. Осколок маховика пробил все перекрытия многоэтажного здания, крышу, взлетел в небо, а при падении вновь пробил крышу и рухнул на чердак.

Когда я много лет назад экспериментировал с деревянным маховиком, — рассказывает Гулиа, — который раскручивался мотором от пылесоса, маховик неожиданно разорвало. Кусок дерева прошил мой кожаный портфель и разворотил в нем все книги.

— И такую штуку вы предлагаете засунуть в автомобиль? Кому же охота ездить на бомбе?

— Нет, эта проблема уже решена. Кстати, первый патент на безопасный маховик был получен в России. Кстати, мною... Безопасные маховики делают из проволоки или склеивают из металлической или прочной синтетической ленты. Такие маховики получили название супермаховиков. Даже если ленту разрывает, ничего страшного не случается — болтающийся кусок ленты просто притормаживает о кожух маховика, постепенно гася его скорость.

Безопасный супермаховик вполне можно раскручивать до десятков тысяч оборотов в минуту. На стоящем автомобиле с выключенным двигателем он может по инерции вращаться сутками. (Что, кстати, облегчит зимние пуски двигателя — если аккумулятор садится после двух-трех попыток провернуть загустевшее моторное масло, то энергии, запасенной в маховике, с избытком хватит на запуск нескольких моторов!)

Как работает гибридный автомобиль, оснащенный ДВС и маховиком? Маленький моторчик за несколько минут разгоняет маховик — это аналогично прогреву обычного мотора. В дальнейшем мощность двигателя используется только для поддержания равномерного движения автомобиля, а для резких разгонов «одалживается» энергия маховика, который потом подкручивается мотором на участках равномерного движения. Прелесть маховика в том, что он может мгновенно развить практически неограниченную мощность. Она ограничивается только прочностью валов, передающих движение, лишь бы их не срезало. Еще маховик может работать рекуператором энергии: когда машина тормозит, ее кинетическая энергия не теряется, а тратится на раскрутку маховика и потом снова используется.

...Гибридный автомобиль настолько экономичен, что возникает резонный вопрос: а по какой же причине такие автомобили до сих пор не производятся? А по той же причине, по которой больше полутора сотен лет ждали своего часа топливные элементы. Ведь принцип ТЭ был открыт задолго до отмены крепостного права — аж в 1839 году, и уже тогда стали понятны потрясающие перспективы этой идеи. В 1900 году футурологи даже полагали, что ХХ век станет веком топливных элементов. Но, увы, технологические трудности на пути от идеи до конвейера оказались такими, что первые работающие образцы ТЭ появились в лабораториях только недавно.

Основная проблема гибридного автомобиля в том, что до последнего времени конструкторы не знали, как передать движение от бешено вращающегося маховика на колеса. Сравните сами: частота вращения коленчатого вала двигателя — 6000 оборотов в минуту, а скорость маховика — 30 000 оборотов. При такой громадной частоте вращения любое сцепление сгорит за два-три троганья с места.

РУМЫНСКИЙ ФАНТОМ

Двадцатые годы теперь уже прошлого века. В СССР строится коммунизм, в Европе рождается фашизм, а европейские газеты вдруг взрываются сообщениями о революции в технике. Произошло это после изобретения румынским инженером Константинеску некоего прогрессивного вариатора. Что же это за устройство такое невероятное, если техническая революция застила революции социальные?..

Каждый приличный гражданин знает, что такое коробка передач. Это редуктор, который меняет передаточное отношение между двигателем и колесами, потому что в начале движения автомобилю нужен мощный крутящий момент при низких оборотах, а на большой скорости, наоборот, необходимы высокие обороты и низкий крутящий момент. Мощность двигателя — это как раз произведение крутящего момента на обороты. Распределением мощности «в пользу» оборотов или крутящего момента занимается как раз коробка передач.

В принципе можно было обойтись и без нее: поставить движок посильнее, чтобы он мог стронуть стоящий автомобиль без всякой коробки передач, и все тут! Вот только мощность двигателя тогда пришлось бы увеличить раз в пять, и весил бы такой мотор больше тонны. Значит, необходим редуктор.

Самый удобный редуктор — вариатор... Обычная коробка меняет передаточные числа ступенчато, а вариатор плавно, бесступенчато. То есть вариатор имеет как бы бесконечное число передач. Это удобно, поскольку позволяет вообще не менять обороты двигателя, со всем справится вариатор.

Однако при всех плюсах у вариаторов и коробок передач есть свои минусы: передачи нужно переключать вручную, а вариатору требуется внешнее управление — автоматическое, нужно ставить датчики и сервомоторы, чтобы плавно менять передаточное число. Потому и возликовали газеты начала прошлого века, когда румын Константинеску изобрел так называемый прогрессивный вариатор, который внешнего управления не требует, а сам при повышении нагрузки понижает обороты, и наоборот, то есть о ручном переключении и капризной автоматике можно было забыть.

Увы, сенсации не состоялось, потому что вариатор Константинеску был импульсивным. То есть он много раз в секунду менял направление своего движения. Пришлось ставить специальное приспособление, похожее на храповик, которое «выпрямляло» это «трясущееся» движение. Но какой же механизм выдержит такую тряску? Вот и ломался очень часто вариатор Константинеску. Недолговечной оказалась техническая революция румынского разлива.

ТРЕНИЕ НЕ ВСЕГДА ПЛОХО

С тех пор прошло много-много лет. Почти век. Конструкторы наизобретали целую кучу разных вариаторов. И все они по большей части были неудачными. Оглянувшись вокруг, вы сами это увидите — редчайший автомобиль снабжен вариатором. Остальные машины во всем мире ездят либо на механических коробках передач с дедовским ручным переключением, пришедшим к нам из ХIХ века, либо на очень сложных и капризных гидротрансформаторах, которые очень дорого стоят, очень плохо ремонтируются да еще и съедают немалую долю от мощности двигателя, попусту переводя ее в тепло. К тому же автомобили с гидротрансформаторами (их еще называют автоматическими коробками передач) нельзя буксировать дальше, чем на 30 километров — гидротрансформатор выходит из строя, а стоит он до 5 — 7 тысяч долларов.

И вот несколько лет назад случилось то, что рано или поздно должно было случиться. В России был изобретен прогрессивный многодисковый вариатор на эффекте стекленеющей смазки. Малогабаритный. Который практически не изнашивается. Не требующий дорогостоящей автоматизации. Не жрущий попусту мощность. С огромным КПД. Настоящая революция в области механики!.. Никто этого не заметил. Эх, надо было изобретателю родиться в Румынии!..

Изобрел удивительную штуку все тот же фанатик маховичных автомобилей Нурбей Гулиа. Изобрел не вдруг, почти тридцать лет над ним работал. (Мы, люди, окруженные компьютерами и телевизорами, привыкли к всемогуществу электроники. Кажется, эра механики прошла еще во времена Ньютона. Между тем резервы «простых» железок отнюдь не исчерпаны. Более того, именно изобретение механических устройств порой дается сложнее всего. Например, вертолетная фирма «Камов» билась над конструкцией механического привода соосных винтов аж четверть века. И больше никому в мире этого сделать не удалось. Так что не стоит удивляться духовному подвигу московского профессора, он не беспрецедентен.)

— За прототип я взял самый перспективный вариатор — многодисковый. Я сделал фрикционные диски упругоподатливыми, совместил в одной плоскости тихоходные и быстроходные диски и сделал независимым их прижим друг к другу. Этого раньше не делал никто, а результат оказался ошеломляющим — уменьшение объема и массы вариатора сразу раз в 5! А КПД в среднем увеличился на 10%!.. При этом механический вариатор много дешевле автоматической коробки передач. Опытные образцы вариатора уже построены и успешно испытаны. Собственно говоря, их уже можно ставить вместо сегодняшних коробок передач на обычные автомобили. Тогда у водителя будут под ногами только две педали — газ и тормоз. При нажатии на газ вариатор сам, без всяких управляющих систем, разберется, как ему распределить мощность двигателя — в пользу оборотов или в пользу крутящего момента...

Но самое главное, только этот вариатор подходит для маховичного автомобиля. (Для специалистов: прочие известные науке вариаторы не годятся из-за низкого диапазона варьирования мощности, он у обычных вариаторов равен 6 — 8, а для маховичной машины нужно 20 — 25, как раз столько, сколько у вариатора Гулиа, который тщеславный автор назвал супервариатором по аналогии с супермаховиком.)

И это означает одно — последний барьер на пути к автомобилю будущего сломан. Вскоре по миру побегут новые автомобили, похожие на современные машины внешне, но кардинально отличные внутри. Интересно только, шильдик чьей фирмы будет поблескивать у них на корме...

Александр НИКОНОВ