ДВИГАТЕЛЬ БЕЗ ДВИЖУЩИХСЯ ЧАСТЕЙО будущем автомобиля говорят разное. Одни, их явное большинство, предрекают, что еще по меньшей мере до конца века он просуществует в неизменном виде. Разве лишь отдельные усо ­ вершенствования будут внесены в его конструкцию. Д ругие утверждают, что прогресс науки 'И техники заставит кон ­ структоров по-иному взглянуть на автомобиль ив 'первую очередь на его двигатель. Они, правда, в меньшинстве, но проблемы науки решаются не голосованием. Порой, действительно, м ожет показаться, что ветер открытий еще не коснулся автомобиля. Что двигателю внутреннего сгорания, созданному десятки лет назад, обеспечено долгое и «безбедное» существование. А удовлетворяет ли он нас? Не отыщутся ли более эффективные схемы для автомобиля будущего? Сегодня наиболее широкое применение в автомобилестроении получили поршневые двигатели внутреннего сго ­ рания карбюраторного или дизельного типа. Коэффициент полезного действия поршневого двигателя на режимах максимальной мощности 30—42 процента. Потери энергии в механической силовой передаче автомобиля снижают к.п.д. до 20—35 процентов. .При уменьшении же нагрузки на двигатель он падает и становится равным нулю на режимах холостого хода. Таким образом, на частичных нагрузках к.п.д. поршневого двигателя даже меньше 20—35 процентов. Особенно он низок у легковых автомобилей при эксплуатации в городских условиях, где двигателю фактически приходится работать лишь на 'частичных нагрузкахведь автомобиль то движется, то останавливается. Поступательно движущиеся и вращающиеся части, процессы горе ­ ния — это не только токсичные выпускные газы, вредные вибрации, ш ум , но и трение, которое приводит к естественному износу узлов и механизмов автомобиля. И, таким образом, оказывается, что значение к.п.д. в среднем иногда даж е меньше, ч ему старого паровоза с его 13 процентами. Еще 20 лет назад эти показатели превращения химической энергии топлива в механическую не вы ­звали бы ми укого особого удивления, но при современном и тем более будущем уровне развития науки и техники подобный К.П.Д. (уже становится ненриемлемым. Теоретические и экспериментальные разработки, проведенные в нашей стране и за рубежом , показали реальную возможность создания энергетических установок с к.п.д., доходящим до 65 процентов, то есть в полтора-два раза большим, чем у лучших образцов порш ­ невых двигателей на режиме максимальной мощности. Но эти установки имеют принципиальное отличие от поршневых и некоторых других аналогичных тепловым двигателей. В чем это отличие? в тепловых двигателях (паровых, п орш ­ невых, паро-и .газотурбинных) преобразование химической энергии топлива в механическую происходит в два этапа: сначала 'химическая энергия превращается в тепловую, а затем припомощи поршневой машины или турбины в механическую. Н о потери тепла вместе с выпускными газами и охлаждающей жид ­ костью (или охлаждающим воздухом), неполное сгорание и т. п., а также затраты механической энергии на трение в подшипниках и других узлах (поршневая группа, механизм газораспределения и т. п.) означают безвозвратную потерю части энергии. Это, если можно так выразиться, врожденная болезнь всех известных тепловых двигателей. А отсюда — и их низкий к.п.д. Теоретически возможным пределом увеличения к.п.д. теплового двигателя является случай, когда устранены все потери тепла, к роме отдаваемого холодному источнику (без этого, к ак показывает термодинамика, вообще невозможен никакой тепловой двигатель). В данном случае речь идет о цикле Карно, и, естественно, ни один реальный тепловой двигатель не может иметь к.п.д. выше, чем у цикла Карно. В обычных поршневых двигателях все вышеперечисленные потери почти уже сведены квозможному минимуму. Как бы мы их ни усовершенствовали, бесполезно ожидать кардинального повышения к.п.д., а следовательно, и топливной эко ­ номичности. Гораздо меньше эти потери в так называемых безмашинных преобразователях, которые превращают [химическую энергию топлива в электрическую без помощи двигателей или генераторов. Использование же электроэнергии для движения автомобиля сложности не пред ­ ставляет и даже в некоторых случаях весьма удобно. Потери энергии в электрических силовых передачах от двигателя к колесам автомобиля, если расположить тяговые электродвигатели вко ­ лесах, значительно меньше, ч емв механических или гидромеханических пере ­ дачах. Таким образом , к.п.д. автомобиля в целом, учитывающий в качестве полезной мощности мощность на колесах, резко увеличивается — и это лишь благодаря использованию безмашинных преобразователей как силового источника. Принципиалыные возможности такого прямого Преобразования открыты еще в прошлом веке, но тогда не доставало знаний для практического их приложения. Стремительный рост науки впо ­ следние годы позволил подойти вплотн уюк решению этих проблем. Существует несколько типов безмашинных преобразователей, но внимания автомобилестроителей, к ак ближайший будущий конкурент современных автомобильныхдвигателей, заслуживает, пожалуй, в первую очередь топливный элемент. Известно, что любая кимическая реакция есть не что иное, к ак энергичный обмен атомов электронами, в результате которого электроны приходят в движение. Процессы соединения топлива с воздухом в двигателе представляют со ­ бой целый комплекс сложных химических реакций, который 'объединяется термином «сгорание», п ри этом электроны движутся 'хаотично. 'Известно, что электрический ток это движущийся в определенном направлении поток электронов. Следовательно, если процессы окисления топлива воздухом провести таким образом, 'чтобы обмен электронам иу атомов при этом был направлен в одну сторону, а не хаотично, то, очевидно, как результат выделения химической энергии топлива, возникнет электрический ток. Именно так и управляет про ­ цессом топливный элемент, который называют безмашинным преобразователем энергии. Принципиальная схема топливного элемента показана на рисунке. Как и тепловой двигатель, он работает на жидком углеводородном (топливе нефтяного про ­ исхождения и атмосферном воздухе. Основой элемента являются электродыанод 8и катод 6, м ежду которыми находится электролит 7, представляющий собой щелочь или же расплавленный карбонат. Анод и катод сделаны из специальных материалов иимеют проницаем ую структуру с порами размером 16—30 микронов . Воздушный нагнетатель 4 подает под избыточным давлением воздух, который проникает впоры катода. Система подачи топлива сложнее. Подаваемое насосом 12, оно сначала испаряется в испарительной камере 11, а затем поступает в конверсионную камеру 10, где происходит расщепление молекул топлива. В результате образуется ряд газообразных веществ, в том числе чистый водород. Смесь полученных таким способом газообразных продуктов попадает в очиститель 9, где водород отделяется от других газов и поступает в поры анода, который все ионизирует. Задержанные очистителем углерод и примеси сжигаются, а выделяющееся при этом тепло используется для процессов подготовки топлива. Работает топливный элемент следующим образом. Поступающий к катоду воздух, как известно, состоит из кислорода и азота. Кислород, как более активный элемент, двигаясь по порам катода, получает от него заряд в виде электронов ив результате ряда физико-химических процессов образует отрицательно заряженные ионы гидроксильной группы (ОН) , к оторые попадают далее в электролит ипо электролиту подходят к аноду. В норах анода эти ионы теряют свой заряд и, встречаясь с ионами водорода, образуют воду. Эта реакция окисления водорода, к ак известно, идет с выделением энергии, которая и расходуется на создание потока электронов во внешней цепи. Температура внутри различных топливных элементов колеблется в пределах от 100 до 900 'градусов. Для того чтобы электролит не перегревался, а поступающий в элемент воздух получал тепло; предусмотрен змеевик 3, п о коггорому движется горячий электролит. Продукты сгорания — углекислый газ и вода, а также азот отводятся в атмосферу через дренажные патрубки. Внешняя нагрузка электричеокой сети показана в•12- виде электродвигателя 2, клеммы которого подключены к электродам элемента. Простой по схеме топливный элемент на самом деле очень сложен по происходящим в нем процессам и связанным с ними проблемам. Прежде всего речь идет об электродах. Они должны быть чрезвычайно простыми, активными и достаточно долговечными. Как и всякое техническое новшество на стадии поисков, топливный элемент далек еще от предъявляемых практикой требований. Пока он дороже существующих конструкций поршневых двигателей и меньше их .служит. 'Но ведь это сегодня. Главное, от топливного элемента можно ожидать ко ­ эффициента полезного действия до 65—70 процентов. Поэтому-то и ведутся работы по созданию конструкции более простого и низкотемпературного элемента, который работал бы на жидком углеводородном топливе без предварительной сложной переработки. Коэффициент полезного действия такого низкотемпературного топливного элемента с рабочей температурой 100—200 градусов должен быть близким к 100 процен ­ там. Здесь нет границ цикла Карно. Нельзя сбрасывать со счетов и другое важное преимущество топливного элемента — отсутствие вибраций, шума и токсичных продуктов сгорания, этих неизбежных спутников обычного двигателя. Ученые ряда стран стремятся добиться практических результатов. Сошлемся хотя бы на работы проблемной лаборатории инженерных исследований (США). Там проектируется конструкция автомобиля с силовой установкой на топливнык элементах мощностью 54 л. с. Тяговые электродвигатели располагаются в барабанах колес и действуют от переменного тока. Для преобразования постоянного тока, вырабатываемого топливными элементами, в переменный предусматривается специальное устройство. Горючим для топливных элементов служит нефтяное топливо, а окислителем атмосферный воздух. Вес всей силовой установки, со вспомогательным оборудованием и преобразователем постоянного тока — около 700 кг . Для сравнения назовем вес тракторного двигателя Д-54А такой же мощности (без коробки передач и других механизмов силовой передачи) — 1060 кг. В Англии создана и проходит испытание «а автомобиле грузоподъемностью 0,75 т силовая установка мощностью 9,5 л. с. В качестве топлива она потребляет метиловый спирт. Аналогичные исследования ведутся во Франции и других странах. Есть основания считать, что дешевые и легкие топливные элементы уже в недалеком будущем станут серьезным конкурентом поршневого двигателя И. ВАРШАВСКИЙ. заслуженный деятель науки и техники РСФСР. доктор технических наук, О. ПИК, инженертопливоВОЗДУХ• Принципиальная схема топливного элемента (по данным зарубежной печати): 1 — э лектрический нагреватель испарительнойкамеры : 2 — т яговый электродвигат ель (потребитель энергии); 3 — теплообменник; 4 — в оздушный нагнетатель; 5 — м агистральциркуляции электролита; 6 — катод; 7 — электролит; 8 — анод; 9 — очиститель; 10 — конверсио ннаякамера ; 11 — испарит ельнаякамера ; 12 — топл ивный насос.ВОЛДТаким представил себе художник В. Брюн электромобиль, моторы которого питаются тоном от топливного элемента. Хотя подобный автомобиль еще и не существует в натуре, однако простота его конструкции делает топливный элемент весьма привлекательным для техники будущего.