Как начинался автомобиль?

А что же можно называть автомобилем? Хорошо, колесница - это не автомобиль, так как экипаж тащит лошадь. А если лошадь поставить на шасси и заставить через трансмиссию приводить колеса (рис.

Рис. 277. Экипаж, приводимый в движение лошадью, толкающей назад бесконечную дорожку, приводящую ведущие колеса

Многие (в том числе и автор) считают, что это уже автомобиль. Автомобилем можно называть такой экипаж, который едет с помощью ведущих колес, содержит двигатель (в том числе и живой), имеет привод от двигателя к ведущим колесам и меняет направление движения манипуляцией с колесами. То есть его маршрут определяют не рельсы - направляющие, а непосредственно водитель, управляющий колесами - их поворотом, торможением и т. д.

Тогда автомобилю, как и двигателю, тоже около 2 тысяч лет, даже больше. Например, мускулоход Деметрия Фалернского, датированный 308 г. до н. э. (рис. 278), имел все необходимое, чтобы признать его автомобилем, а именно: двигатель-человек на ступальном колесе, привод от ступального колеса к ведущим задним колесам, а также управляемое переднее колесо. Дизайн экипажа в виде улитки вполне соответствовал скорости движения.

Рис. 278. Мускулоход-улитка Деметрия Фалернского

Доктор философии Джовани да Фонтана создал мусколоход, чертеж которого сохранился до сих пор (рис. 279). Внешне он напоминает маленький городской автомобиль, этакий сити-кар XV века, так как построен он был в 1420 г.

Рис. 279. «Сити-Кар» XV в. Джовани да Фонтана

А вот парализованный часовщик из города Альтдорфа Стефан Фарфлер в 1680 г. изготовил для себя инвалидную коляску с приводом единственного колеса от рукоятей с зубчатой передачей (рис. 280). Так что «самобеглая коляска» русского крестьянина Леонтия Шамшуренкова, построенная в 1752 г. и приводимая в движение двумя спрятанными в ней людьми, отнюдь не являлась первым автомобилем, за который ее многие годы выдавали.

Рис.

Но самокатка знаменитого И. П. Кулибина, имевшая, помимо мускульного привода, еще и маховичный, своеобразную коробку передач и рекуперативный пружинный тормоз (рис. 281), была действительно чудом, обогнавшим время.

Рис. 281. Самокатка И. П. Кулибина

В наше время мусколоходы блестяще представлены велосипедами и веломобилями, причем последним предсказывают большое будущее.

Строились автомобили и на накопленной механической энергии. И если об автомобиле с приводом от маховика мы уже говорили, то были и пружинные автомобили, о которых известно из истории транспорта. Пружиномобиль с мускульным подзаводом для выездов королей оказался буквально безделушкой по сравнению с заводным пружинным омнибусом, построенном в США в городе Новом Орлеане в 1870 г.

Омнибус массой около 500 кг был снабжен восемью пружинными двигателями из стальных ленточных пружин. Утверждают, что пружинный омнибус развивал мощность в 16 лошадиных сил (около 12 кВт) и перевозил десяток пассажиров. Но, зная о малой удельной энергии пружин, можно думать, что пробег омнибуса был очень незначителен - сотни метров, если не меньше. Автор знает об этом из собственного опыта, так как в свое время построил гибрид из маховика и пружин с приводом на колеса лобовым вариатором. Распугивая студентов, он разъезжал на этом чуде по коридорам Политехнического института в городе Тольятти, где он тогда работал.

Если же говорить об автомобилях обязательно с тепловыми двигателями, то первым был автомобиль с паровым двигателем, который появился в Китае в 1668 г. Изготовил его в Пекине миссионер ордена иезуитов бельгиец Фердинанд Вербист, служивший астрономом при дворе императора Канси. На тележке находилась реторта с трубкой, направленной на турбину, соединенную шестернями с ведущими колесами (рис. 282). Машина имела 60 см в длину. При разведении огня под ретортой вырывающийся из нее пар вращал турбину, и автомобиль двигался, причем мог ездить больше часа.

Рис. 282. Паромобиль Ф. Вербиста. Модель, воспроизведенная в 1775 г.

физиком Бекманом

Паровой реактивный автомобиль Ньютона появился уже гораздо позже.

А дальше произошла интересная история. Изобретатель парового двигателя Дж. Уатт, которому сам Бог, казалось, велел заниматься паровыми автомобилями, вдруг на старости лет стал ретроградом и, пользуясь своими патентными правами, начал запрещать строить паромобили. Уильям Мердок, один из учеников Уатта, тайком построил действующий небольшой паромобиль (рис. 283) и испытывал эту «огнедышащую машину» по ночам (что привело к смерти от страха случайно встретившего этот паромобиль священника).

Рис. 283. Паромобиль У. Мердока (схема)

Во Франции же, где английский патент Уатта не имел силы, артиллерийский офицер Н. Кюньо разработал и построил паровой автомобиль - лафет с двухцилиндровой паровой машиной (рис. 284). Это фактически первый полноразмерный паровой автомобиль

массой 4,5 тонны с приводом на переднее управляемое колесо, на котором, кстати, и «висел» паровой двигатель с котлом.

Рис. 284. Паромобиль-лафет Н. Кюньо:

а - чертеж; б - наезд паромобиля на стенку (старинный рисунок) В результате машина плохо слушалась руля и постоянно наезжала своим опасным котлом и кочегаркой на стены домов и ограды, что видно из старинного рисунка (см. рис. 284, б). От французского слова «шофер», что означает «кочегар», и пошло название профессии водителя.

Неудачи первых паровиков не сломили энтузиастов, и вскоре появились более изящные паромобили, например английский паромобиль изобретателя Р. Треветика (рис.285), построенный в 1803 г.

Рис. 285. Паромобиль Р. Треветика (схема)

Рис. 286. Паровоз Р. Треветика - первый в мире

Появились и паровозы, первый из которых был построен также Р. Треветиком в 1803 г. (рис.

и - Б рент она; а - Гордона

ti движитель его паровоза

Рис. 288. Паровоз «Ракета» Дж. Стефенсона

Современная эра автомобиля начинается с использования на колесном экипаже двигателя внутреннего сгорания. Обычно считают, что первый автомобиль с таким двигателем построил Карл Бенц в 1885 г. (рис. 289). Даже столетие автомобиля отмечали в 1985 г. Между тем еще в 1864 г. австрийский инженер- электротехник Зигфрид Маркус на 21 год раньше Бенца создал первый автомобиль с двухтактным бензиновым двигателем с электрическим зажиганием!

Рис. 289. Первый автомобиль К. Бенца, развивавший скорость 15 км/час

Но почему-то вклад Маркуса в автомобилестроение был забыт, а создателями первых автомобилей были объявлены те, кто организовал их производство и продажу - Даймлер и Бенц! Автомобиль Маркуса (рис. 290), который он построил в 1874—1878 гг. (это была следующая модель), до сих пор цел и хранится в венском Политехническом музее. В 1950 г. 75-летний первый автомобиль вывели на улицы Вены и торжественно проехали на нем, демонстрируя приоритет Австрии.

Рис. 290. Первый в мире автомобиль, работавший с двигателем внутреннего сгорания, по строенный З.

Чем хороши тепломеханические гибриды? Мы уже имеем современные, аэродинамических форм автомобили, оснащенные мощными экономичными двигателями внутреннего сгорания. КПД карбюраторных двигателей уже доведен до 30—35 %, дизелей - до 40—43 %. Но помните великого Станиславского с его знаменитым: «Не верю!»? Давайте и мы проверим, так ли это на самом деле.

1 кг бензина или солярки при сгорании выделяет 46,1 МДж. А легковой автомобиль, прошедший 100 км со средней для городского движения скоростью 40—60 км/ч, расходует на механическую работу по своему перемещению 20 МДж. Выходит, при КПД двигателя около 40 % расход топлива на 100 км должен быть около 1 кг! Спросите даже у опытных таксистов, сколько они расходуют топлива на 100 км пути в городе, и вы узнаете, что реальный КПД двигателя не более 10 %. В чем же дело? Почему КПД оказался отброшенным к временам Бенца и Даймлера и даже дальше?

Здесь хочется ответить вопросом на вопрос: а каков будет КПД крупной тепловой электростанции, если ее энергией питать, одну электролампочку? Еще меньше.

Любой тепловой двигатель рассчитан на определенную мощность, и КПД его максимален при мощности, близкой к максимальной. Если автомобиль, например легковой, будет эту мощность расходовать целиком, то ехать он должен со скоростью 150—200 км/ч. При этом почти вся энергия уйдет на «взбалтывание» воздуха - аэродинамические потери. Если же ехать со средней скоростью 60 км/ч (что для города даже много, она составляет для крупных городов 40—20 и менее км/ч), то двигатель не будет использовать даже десятой части своей мощности. Почти как лампочка, питаемая всей электростанцией. Вот и выходит КПД ниже Бенцовского.

Предположим, что КПД двигателя - это отношение механической энергии, выделенной для перемещения автомобиля, к тепловой энергии сгоревшего топлива. С КПД всего автомобиля сложнее, но давайте условно считать им отношение минимальной работы перемещения автомобиля к тепловой энергии сгоревшего топлива на этом же перемещении.

двигатели? Нет, нужны, и эта мощность почти постоянно растет. Автомобиль с мощным двигателем становится динамичным, маневренным, безопасным, а стало быть, престижным. А можно, чтобы было как в домашнем холодильнике: поработал, накопил холод - отключился? Накопленный холод делает свое дело, а как потеплеет, терморегулятор снова включит холодильник. Раньше, когда холодильники не имели терморегуляторов и «молотили» постоянно, они были очень неэкономичны.

Автомобильный двигатель вырабатывает механическую энергию, а мы знаем, что существуют накопители этой энергии - пружины, сжатый газ, маховики. Поработал двигатель на полной мощности с высоким КПД, передал энергию в накопитель - отключился, а автомобиль работает на этой накопленной энергии. Реально ли это? Да, это реально, такие гибриды теплового двигателя и накопителей существуют, и расходуют они топлива в 2 с лишним раза меньше по сравнению с обычным двигателем. Накопитель гибрида помогает использовать энергию на спусках и торможениях, чтобы не гасить ее в тормозах. А это еще более повышает экономичность автомобиля.

Рис. 291. Гибридный автомобиль с маховиком и тепловым двигателем:

1 - двигатель; 2 - сцепление; 3 - бесступенчатая трансмиссия; 4 - карданная передача; 5 - привод к ведущим колесам; 6 - маховик Несмотря на то что встречаются гибриды и с электрическим накопителем, экономичнее, конечно, накапливать механическую энергию движения без преобразований. На рис. 291 показана компоновочная схема такого гибрида с тепловым двигателем и маховиком на легковом автомобиле. Это одно из исполнений на опытном образце, таких вариантов существует много. Здесь роль бесступенчатого звена может выполнять и гидростатическая или электрическая передача, и вариатор. В наших, отечественных гибридах, в частности, разработанных и испытанных автором, эту роль выполнял механический вариатор. Конечно же, экономичнее всего та передача, которая не преобразует механическую энергию двигателя в другие виды, а именно вариатор. Ну а как же другие накопители механической энергии - пневматические, гидропневматические, пружинные? Годны ли они для гибридов? К сожалению, ни пружины, ни резина для этого дела не подходят - слишком малы их накопительные возможности. А вот газ - пожалуйста! Особенно с гидравликой - гидрогазовые или гидропневматические накопители.

Рис. 292. Гибридный силовой агрегат с гидропневматическим

накопителем:

1 - двигатель; 2 - гидрогазовый накопитель; 3 распределитель; 4 бак; 5 гидронасос-мотор; 6 ведущий мост автомобиля; 7 - редуктор; 8 карданные валы; 9 коробка передач Схема гибридного силового агрегата с функцией и рекуператора энергии представлена на рис. 292. Подобный гибрид, изобретенный с участием автора для городского автобуса, был изготовлен и испытан. Гидрогазовый накопитель; накопитель вмещал 80 л масла, а гидромашина была мощностью 140 кВт. Особенно хорошо работала система в режиме рекуператора. При торможении автобуса соединенная с его трансмиссией гидромашина, работая в режиме насоса, закачивала в накопитель масло, сжимая газ. Автобус сбавлял скорость и останавливался. Для последующего разгона масло из накопителя направлялось в гидромашину, которая на сей раз работала в режиме мотора и разгоняла автобус. При торможении с 40 км/ч автобус при отключенном двигателе разгонялся до 30 км/ч, вызывая восторг и удивление всех присутствующих зевак. Представьте себе, что многотонная машина тихо и плавно трогается с места и разгоняется при остановленном двигателе (что было видно всем присутствующим через открытый задний двигательный отсек). Аналогичные опыты были проведены фирмой «Вольво» (Швеция) и показали почти тот же результат - экономилось от 30 до 50 % топлива и значительно снижалась токсичность выхлопных газов. Но система была слишком сложной для серийного производства. Отчасти можно считать гибридной установку с газом, сжатым в баллонах и питающим привод автомобиля - пневмокара (рис. 293).

Баллоны со сжатым газом

Рис. 293. Пневмокар, питающийся потенциальной энергией газа,

сжатого в баллонах

Дело в том, что воздух при расширении сильно охлаждается, и подогрев его сильно повышает внутреннюю энергию газа, а следовательно, и пробег машины. Подобная схема изображена на рисунке 294. Если подогревать газ достаточно сильно, то установка выдаст больше энергии, чем в нее «закладывали». Таким образом, получается нечто вроде гибрида теплового двигателя и пневматического накопителя.

Рис. 294. Схема иневмокара с подогревом воздуха горелками:

1- горелка; 2 - змеевик; 3 - баллон со сжатым воздухом; 4 - цилиндр двигателя

Автор еще в молодые годы изготовил для себя и ездил на подобном гибриде, показанном на рис. 295. Устройство настолько просто, что его легко построить самому. Баллон с углекислотой - от огнетушителя; пневматический гайковерт - с заводского конвейера (официально - из магазина); змеевик в емкости - от соседского самогонного аппарата. Остальное - из велосипеда и металлических труб. В емкость змеевика заливается кипяток, вентиль баллона открывается - и поехали!

Рис. 295. Самодельный автомобиль-гибрид, работавший на подогретой

углекислоте:

1 - баллон с жидкой углекислотой; 2 - накопитель тепла со змеевиком; 3 - пневматический гайковерт; 4 - цепная передача А совсем недавно, уже в начале ХХІ в., такие автомобили, работающие на энергии сжатого воздуха, подогреваемого на входе в пневмодвигатель, стали выпускать во Франции. Автомобиль, рассчитанный на 5 человек, проходит около 20 км с одной заправкой баллонов воздухом под давлением 30 МПа. Скорость такого автомобиля - до 100 км/ч. Заправка всего за 3 минуты от специальной станции сжатого воздуха. Гибриды могут быть не только для автомобилей. Электростанции, работая ночью с малой загрузкой, тоже требуют накопителей энергии. Обычно это водохранилище, поднятое на гору; ночью вода закачивается в него мощными насосами, а в час пик сливается обратно по трубам на турбины. Но такое может быть только в гористой местности.

Иногда ночью закачивают воздух в отработанную шахту под давлением до 75 атмосфер; выпуская его на воздушные турбины, получают дополнительную энергию в часы пик. Есть даже проект горячего озера, где предполагается покрыть водоем одеялом из пенопластовых шаров и нагревать воду в нем по ночам, а в часы пик или зимой использовать эту горячую воду для получения энергии или отопления (рис. 296).

Рис. 296. Горячее озеро под пластиковым одеялом

Странно, что этот проект появился в современной Германии, где так пекутся об экологии. Ведь рыба, живущая в этом озере, будет очень недовольна повышением в нем температуры до 75 °С!