К.П.Д .ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Валентин Иванович Голубев, зам. генерального директора АО "Международные технологии"

Когда автомобилей на Земле было относительно немного, мало кто задумывался о том, что же будет с человечеством, когда число "железных коней" вырастет до десятков и сотен миллионов. По-хорошему об этом надо было подумать еще лет двадцать-тридцать назад, но в те времена для разработчиков автомобилей вопросы, связанные с к.п.д. транспорта и экологией (особенно с загрязнением воздуха выхлопными газами), не являлись первостепенными. Сегодня ситуация обострилась, автомобилей стало невыносимо много, дышать в больших городах просто нечем. И все же положение человечества, вынужденного решать дилемму баланса экологии и энергетики, можно спасти, если решительно изменить подход к выбору рационального к.п.д. транспортного средства. Именно к к.п.д. транспортного средства в целом, а не только к его агрегатам (двигателю, трансмиссии и т.п.).

На заре автомобилестроения инженеры прекрасно понимали, что к.п.д. ДВС заметно лучше, чем к.п.д. паровых машин, и это придавало оптимизма. Действительно, 20 %, несомненно, лучше, чем 10 %. В то время мало кто мог предположить, что ДВС - термодинамический преобразователь энергии с кривошипно-шатунным механизмом - способен столь сильно (и не только позитивно) повлиять на жизнь общества в целом.

После того как число автомобилей перевалило за миллион, наиболее дальновидные исследователи стали задумываться, а рационально ли такое большое количество энергии выбрасывать на ветер: ведь 80 % энергии топлива вылетает в выхлопную трубу и только 20 % передается на выходной вал двигателя. Однако существенно улучшить к.п.д. ДВС не представлялось возможным, и к сегодняшнему дню он фактически оказался в зените своего развития. А в точке максимума функции ее производная (т.е. скорость изменения параметра), как известно, нулевая.

Большие доходы автомобильных предприятий, нефтедобывающих компаний, заводов по переработке нефти отодвинули в дальний угол проблемы, обусловленные принципиальными недостатками кривошипно-шатунной конструкции ДВС. Расчеты эффективности транспортных средств (ТС) выполнялись лишь с целью сравнительной оценки близких по своим характеристикам объектов (например, автомобилей предыдущего и следующего поколения). Между тем использование методики расчета к.п.д. транспортного средства позволяет подойти к проблеме концептуально и определить направления совершенствования вида техники в целом!

Показатели, входящие в формулу к.п.д., "оптимизированы" почти до пределов. В среднем ежегодно удается снижать лишь на доли процентов расход бензина на сто километров пробега. Ради снижения расхода бензина разрабатываются все более сложные конструкции двигателей, а то и целые силовые установки, в состав которых входят ДВС, электродвигатель, аккумулятор, системы управления и т.д.

Зачастую грузовик, рассчитанный на перевозку трех тонн груза, везет 200 кг. Эффективность при этом очень мала. Для того, чтобы ТС использовались с максимальным эффективностью, точнее, коэффициентом загрузки (Кз), разработаны машины разной грузоподъемности. Так появилась возможность подобрать под груз транспортное средство, и владельцу транспортной конторы не придется перевозить холодильник на КрАЗе.

При разработке ТС во внимание принимаются в первую очередь прочность, надежность и технологичность конструкции, а величина его собственной массы получается как результат разработки. Конечно, любой конструктор автомобиля прекрасно понимает, что чем меньше масса машины, тем меньше расход бензина. Но одного этого понимания мало, стремление сокращения массы ТС должно стать самостоятельной, и притом весьма важной целью. Недостаточный, на наш взгляд, учет фактора собственной массы легкового автомобиля привел к тому, что сегодня это транспортное средство весит 1…3 т, в то время как масса обычной кареты или коляски на протяжении двух тысяч лет не превышала 150…200 кг. Если приплюсовать массу лошади получим собственную массу ТС порядка 700 кг. При массе полезной нагрузки от 200 до 1000 кг получим коэффициент загрузки в пределах 0,2…0,6. Именно увеличение собственной массы ТС в XX веке и является пагубным для жизни цивилизации, т.к. основная доля жидкого топлива сжигается легковым автомобилем… для перемещения собственной массы. Прикинем: масса груза в легковом автомобиле при типовой поездке (в салоне один-два пассажира вместо пяти, для перевозки которых и просчитывалась конструкция) составляет 3…15 % от массы автомобиля. Конечно, комфорта в авто больше, да и скорость перевозки намного выше (про скорость автомобиля пара слов в конце статьи), но…

Известно, что радиоприемник потребляет 1 Вт, телевизор - 100 Вт, на бытовые нужды расходуется приблизительно 1 кВт, на отопление - 2 кВт. При передвижении в электричке, в автобусе, в троллейбусе на одного человека приходится 1…2 кВт, при движении в собственном автомобиле - 50…200 кВт. Отношение мощностей, как видно, - два порядка. Напрашивается вывод: легковой автомобиль с ДВС создан и используется принципиально неправильно!

Вероятно, начало этому было положено в начале 50-х годов, когда в Америке начался автомобильный бум, и связанная с этим борьба за увеличение скорости легкового автомобиля. Американцам была привита любовь к большим машинам, мощность двигателя была доведена до 300 л.с. Но во время экономического кризиса начала семидесятых годов поняли, что мощность двигателей надо понизить и ее понизили. Мощность двигателей "среднего" легкового автомобиля уменьшили, но не до номинальной величины в десять (с моей точки зрения) лошадиных сил, а только до ста.

Определим мощность, которая необходима для передвижения человека. При движении пешком и на велосипеде человек тратит весьма небольшое количество калорий. Эта величина неоднократно измерялась биологами и вычислялась физическими методами. Ее можно определить - при спокойной ходьбе мощность равна около 60 Вт. Измеренная физиологически энергия, расходуемая человеком при ходьбе в течение часа, равна 216 ккал. С учетом к.п.д. биологического шагающего двигателя (25 %) получается, что на движение тратится 15 кал/с, и это соответствует мощности 63 Вт.

При движении на велосипеде со скоростью 9 км/ч мощность, развиваемая человеческим организмом, составляет 270 ккал/ч, что эквивалентно 18 кал/с или 72 Вт.

При движении на веломобиле полной массой 120 кг со скоростью 100 км/ч с хорошим обтекателем энергия тратится на преодоление трения качения и сопротивление воздуха. Потребная механическая мощность в этом случае составляет 1,66 л.с. Такую мощность способны кратковременно развивать отлично тренированные спортсмены на соревнованиях веломобилей. Очевидно, что для мышечного транспортного средства указанная мощность является экстремальной.

В послевоенные годы были разработаны автомобили, в которых водитель и пассажир располагались, как в мотоцикле, друг за другом. На большой скорости движение осуществлялось на двух колесах. На малой - выпускались дополнительные боковые колесики. Называлась эта конструкция моноколейным автомобилем.

Можно провести оценку потребной мощности двигателя для такого моноколейного автомобиля, рассчитанного на транспортировку двух человек и имеющего собственную массу порядка 150…220 кг. При скорости 60 км/ч потребляемая мощность будет всего 1,18 л.с.

Как нетрудно заметить, это соизмеримо с другими видами энергетического потребления (освещение, отопление, бытовые нужды, передвижение в коллективном транспорте). Коэффициент загрузки мономобиля составляет около 50 % (при наличии водителя и пассажира).

Мощность двигателя почти наполовину теряется в трансмиссии и других механизмах автомобиля, а на движение, на тягу, создаваемую колесами, остается мощность, которую можно рассчитать, а можно определить по времени набора скорости, измеряемым для каждого легкового автомобиля. Коэффициент загрузки примем равным 1,3. Тогда коэффициент использования легковых автомобилей (к.п.д. ТС) будет находится в пределах 0,5…1,7 % (в среднестатистической оценке - 1,16 %, а округленно - 1 %). Легковых автомобилей у нас в стране больше 22 млн, на планете свыше 500 млн. Интересно, что скажет "среднестатистический" водитель, если ему сказать, что он из 100 л бензина 99 л выбрасывает на ветер? Действительно, ведь на перемещение собственно водителя (хозяина ТС) расходуется только 1 л.

У ТС коллективного пользования и у грузовых автомобилей этот к.п.д. несколько выше. Как видно, применение дизелей обеспечивает больший к.п.д. двигателя, и коэффициент загрузки у грузовиков в среднем 0,5, т.е. больше, чем у легковых автомобилей. Поэтому реальный к.п.д. таких ТС около 5 %, что заметно больше, чем у легковых автомобилей, но далеко от рационального значения. Кроме того, при определении к.п.д. грузовых автомобилей мы не учли, что обратный путь у них пустой, так что реальное значение указанного параметра у них должно быть ниже.

Несколько хуже показатели у автобусов ввиду того, что коэффициент загрузки у них меньше 0,5.

Теперь о к.п.д. авиационного, железнодорожного и водного транспорта. Если на железнодорожном транспорте применимы "автомобильные" расчеты, то к воздушному и водному транспорту с их турбинами и винтами требуется несколько иной подход. По расходу горючего на тонно-километр все виды транспорта можно привести к одному знаменателю. Однако этот показатель в ряде случаев не стыкуется с к.п.д. ТС, т.к. он не учитывает собственной массы ТС. Кроме того, при сравнении водного и воздушного транспорта необходимо вводить поправку на скорость. Чем выше скорость, тем больше расход топлива, но некоторые грузы экономически выгоднее везти быстро.

Наилучшими энергетическими и экологическими показателями обладает железнодорожный транспорт, и это неудивительно: коэффициент трения качения на порядок меньше, чем у ТС на резиновых колесах. Кроме того, к.п.д. и тяговые характеристики электрических двигателей с последовательным возбуждением намного лучше, чем у ДВС. Собственная масса вагонов грузовых поездов составляет примерно 19…24 т, а у пассажирских вагонов она равна 40…54 т. Для последних коэффициент загрузки не превышает 0,1. А для грузового вагона коэффициент загрузки приближается к 0,7.

Коэффициент загрузки авиационного транспорта имеет среднюю величину порядка 0,25. В итоге к.п.д. самолетов также имеет большой разброс. Если термодинамический к.п.д. турбовинтового или турбореактивного двигателя находится в пределах 0,16…0,27, тогда к.п.д. перевозки на самолете можно оценить равной 6 %.

Суда с древних веков были основным видом грузового транспорта. Парус являлся таким мощным двигателем (тысячи кВт), который долго заменить было нечем. Но у него были недостатки: в шторм и штиль он не работал. Поэтому переход в свое время на нефтяное топливо был неизбежен, и тогда об экономии топлива речи не шло. Но теперь, когда нефть кончается, надо оценить эффективность перевозок и на водном транспорте.

У современного водного транспорта главные проблемы связаны с низким к.п.д. винта корабля. Лишь половина энергии вращающегося винта уходит на передачу движения судна, а вторая половина энергии рассеивается. У грузовых судов при малой скорости к.п.д. перевозки достигает почти 30 %.

Что можно порекомендовать разработчикам по итогам анализа? Главным средством повышения эффективности является снижение собственной массы ТС, будь то автомобиль, вагон или самолет.

Можно порекомендовать более широкое использование электрической тяги. Троллейбус имеет на порядок лучшие энергетические показатели по сравнению с автобусом. К тому же он экологически чистый, не отравляет воздух больших городов.

В автомобилестроении продолжается поиск наиболее оптимальной конструкции автомобиля. Есть конструкции, в которых вместо механической трансмиссии используются мотор-колеса.

И несколько слов о скорости автомобиля. К сожалению, число аварий и жертв на дорогах из-за превышения скорости растет. В связи с этим хотелось бы предложить конструкторам автомобилей заложить в систему управления автоматическое ограничение скорости. Если по закону нельзя ездить больше 90 км/ч, значит, нельзя. А конструктивно сделать это сейчас можно. Тогда и экономия нефти будет, да и людей сбережем.