Продолжение текста из первой публикации. Еще 4 пункта совпадений в трех типах приводов.
5. Крутящий момент с нуля оборотов и ускорение до 100 км/ч
Параметр легкости пуска мотора всегда определял возможность создания достаточного крутящего момента с нуля оборотов, и тот же параметр уже запущенного мотора часто определял скорость достижения самой популярной контрольной цифры ускорения автомобилей — время разгона в секундах до 100 километров в час.
Стоит начать с первого параметра...
У ДВС условие «крутящий момент с нуля оборотов» можно назвать частично реализуемым при определенных условиях именно в наше время.
Так компания «Mazda» внедрила во многие свои машины уникальную систему функции старт-стоп SISS - запускающую двигатель с помощью бензина. Фактически в этом случае крутящий момент от ДВС на вал передается с нуля оборотов, а не после прокрутки в холостую стартером.
Система работает так. Один из поршней двигателя останавливается в положении 30…120° от ВМТ на такте рабочего хода. Впрыскивается необходимое количество топлива, и с помощью свечи зажигания воспламеняется топливо для запуска двигателя. Остановка поршня в требуемом допустимом положении осуществляется с помощью сопротивления генератора, а для создания достаточного запаса воздуха в цилиндре.
Такой подход позволяет повысить компрессию и термодинамически улучшить КПД двигателя.
Электрический и паровой мотор как это уже широко известно способен выдавать крутящий момент с нуля без каких либо доработок конструкции. Иногда такая способность даже мешает комфорту начала движения, и осуществляются различные меры по ограничению выдачи сверх необходимого крутящего момента на колеса.
У паровых и электрических двигателей были даже схожие проблемы с резиной при слишком резком ускорении со старта (рвало резину или был повышенный износ у Tesla и Doble).
Второй широко разрекламированный параметр — время разгона до 100 км/ч сейчас имеет схожие проблемы необходимости ограничений.
У ДВС в узком сегменте дорогих автомобилей цифры в 3 - 6 секунд до «сотни» уже не являются сколько, либо впечатляющими. Ведь их уже могут спокойно достичь автомобили после тюнинга и специальные версии обычных машин.
Более того — потребность в такого рода ускорениях со старта не является определяющей для абсолютного большинства автомобилей в мире!
На картах распространенности самых популярных машин по странам и структуре мирового рынка автомобилей по сегментам видно, что большинство этих машин далеко не «спринтеры».
Среди самых популярных числятся пикап в США Ford F-150 (в различных модификациях, где самыми популярными по-прежнему остаются машины с разгоном от 8 до 16 секунд). В Китае лидер - народный микроавтобус WULING HONGGUANG (разгон до 100 км/ч у такого класса автомобилей по очевидным причинам выходит за рамки 10 секунд). Дальнейшие конкуренты от VW, Toyota, Hyundai, Nissan и прочие удерживают средний промежуток от 8 до 12 секунд до сотни в основном за счет класса автомобиля и широкой гаммы моторов на выбор.
Таким образом среднее арифметическое по планете это 10 секунд до 100 км/ч!
У электромобилей ситуация со средним значением так же не такая стремительная как принято считать за счет стараний маркетологов. Самый популярный электромобиль на планете - BAIC EC180 в силу своей мощности и веса так же не впечатлит ускорением с места. Самый популярный электромобиль такси в КНР BYD e5 в этом плане равноценен. Всего 15.2 секунд до 100 км/ч. А целый ряд аналогичных дешевых электрических машин из Китая имеют и худшие характеристики и проходят по тонкой грани самого признания их автомобилями. Несмотря на тенденции к распространенности более дорогих и быстрых электрокаров в последнее время среднее число разгона до сотни тут по-прежнему врятли выйдет за 10 секунд. Причиной этому станут уже не возможности моторов, а банальная экономия заряда батареи, и как следствие потраченного времени возле «зарядки».
А что же паромобили? Тут все до известной степени одинаково. Если брать большинство существующих на данный момент машин цифра разгона до 100 км/ч будет большой. Если рассматривать образцы последнего периода паровой истории автомобилей основываясь на известном понимании «как должен выглядеть автомобиль» то мы придем к… тем же 10 секундам в среднем у паромобилей White, Doble и Stanley.
Причем эти показатели при ближайшем рассмотрении вовсе не потолок ускорения, а скорее естественное ограничение по причине не совершенства ходовой, трансмиссии и аэродинамики машин того времени.
Доказательством такого утверждения будет следующий рассматриваемый параметр...
6. Двигатель способен выдерживать перегрузку определенное время
Чем совершеннее мотор тем выше нагрузки на механическую часть в нем. Все три типа привода прошли путь от практически самодельных и простейших конструкций, до сложнейшего механизма созданного в строго регламентированных условиях из лучших материалов.
Тем самым повысив эксплуатационные характеристики и дойдя до физического предела возможностей. В простейшем понимании слова подходящем для всех типов моторов рассматриваемых тут можно подобрать определение как «перегрузка это работа мотора с высокой степенью перепадов температуры, механических напряжений и давления определенное время».
У ДВС под такое определение подходят так называемые «даунсайзинговые» моторы и обычные, но прошедшие чип-тюнинг двигателя. Это вовсе не означает что остальные силовые установки с ДВС не имеют условий или конструктивных особенностей подводящих их под это определение, но развитие философии даунсайзинга в моторах сейчас наиболее ярко показывает насколько этот принцип конструирования подвел массовые моторы к физическому пределу работы в режиме частичных и полных перегрузок.
Определенно точно можно сказать что результат впечатляющий… второй метод (чип-тюнинг) таким моторам, как правило, уже не способен дать сколь либо значимый прирост характеристик. Поэтому банальное увеличение мощности чуть ли не на 100 - 200 % как в Nissan Skyline при тюнинге обычной версии сейчас уже редкость. Запас прочности большинства современных моделей уже практически исчерпан.
У автомобильных электромоторов процессы поиска границ на грани перегрузок, так же проходят аналогично. Разницей можно считать лишь в параметре который растет, и у электромобиля это напряжение батареи (от 400 до 800 вольт), что схоже с ростом среднего индикаторного давления у ДВС.
Отличием можно считать и цифры возможного увеличения мощности до 300 и более процентов (Tesla model S при номинальной мощности в 70 кВт, имеет возможность кратковременно выдавать до 310 кВт буквально на 3-5 секунд, в стандарте же редко когда превышение мощности от «номинала» бывает за 200%).
Особенностью можно назвать и сам подход к чип-тюнингу и подбору улучшенных механизмов и агрегатов для изготовления двигателей. Первое производители в основном запрещают, а второе по прежнему не доступно большинству и технологически сложно реализуемо.
Паровой привод в данном контексте можно рассмотреть лишь через призму истории, так как «тюнинг» и тем более «чип-тюнинг» тут недоступен по очевидным причинам. Максимум что реализуется это новые материалы при ремонте существующих моторов и более совершенная электроника контроля процессов (датчики, система розжига и контроля горения топлива).
Про предел прочности можно подчерпнуть информацию лишь из интервью Эбнера Добла.
ПРЕДСЕДАТЕЛЬ АРТУР Дж. СКЕЙФ: «Какая максимальная мощность может быть достигнута с этим типом силовой установки?»
АБНЕР ДОБЛ: «Самая высокая нормальная мощность, которую мы использовали до сих пор, составляет 25 л.с., но это 25 л.с. паровая силовая установка при стандартном давлении 600 фунтов на кв. дюйм будет развивать мощность около 132 л.с. около восьми минут.»
С. Л. БЛЭКБЕРН: «Каково максимальное давление котла?»
АБНЕР ДОБЛ: «Котел рассчитан на рабочее давление 600 фунтов. Предохранительный клапан настроен на 1000 фунтов. Все котлы испытаны на 5000 фунтов. Они разрываются примерно при давлении от 8500 до 9000 фунтов. в месте, удаленном от сварных швов. Моя собственная машина стоит с декабря 1913 года. Предохранительный клапан ни разу не сработал. Это означает, что максимальное давление никогда не достигало 1000 фунтов.»
Как видим не смотря на огромный потенциал повышения давления паромобили так же придерживались в целом таких же цифр перегрузок (не более 200 %). Учитывая уровень технологий и знаний век назад возможно ограничением тут была не физическая прочность материалов а скорость износа систем силовой установки и риск неожиданной поломки при высоком давлении и температуре пара.
Если на наше время провести аналогию, то это типичные проблемы даунсайзинговых моторов.
Последующие схожие проблемы и главное решения так же симптоматичны.
7. Система охлаждения
У ДВС режим повышенных нагрузок у двигателей не мог не отразится на системе охлаждения и ее последующему усложнению. Процесс уменьшения размеров двигателя и одновременного увеличения мощности привел к очевидному росту теплонагруженности всей конструкции.
«Даунсайзинг» в классическом виде как способ маркетингового обмана покупателя (уменьшение размеров упаковки с сохранением цены) работал и продолжает работать успешно, но в автомобильном даунсайзинге подобный обман не проходит.
Физику нельзя обмануть как покупателя в магазине, и поэтому даже небольшой даунсайзинговый мотор, как стали отмечать многие пользователи, сжигал топлива иногда даже больше чем более объемный его аналог. Вследствие этого тепловыделение этого мотора равнялось более крупному аналогу, но приходилось на меньший объем и размер охлаждающей системы.
Для избавления от этого недостатка требовалось сделать маленькие моторы более «холодными» различными способами. Из самых очевидных это развитая сеть охлаждающих каналов(так называемая двухконтурная система раздельного охлаждения блока цилиндров и ГБЦ), электронно-управляемые термостаты(для лучшего управления всей системы) и большее количество радиаторов охлаждения напоминающих слойку, либо наоборот разбросанных по разным местам.
А вот из скрытых для большинства пользователей это внутренние теплообменники моторного масла и охлаждающей жидкости внутри мотора, и системы аналогичного плана охлаждающие рециркулирующие выхлопные газы через систему EGR(подобная система часто упоминается в ключе экологии, но по факту она еще способствует охлаждению камеры сгорания). При ее работе условно говоря происходит горение свежей смеси топлива в среде несгоревших углеводородов прошлого цикла сгорания в среде с большим содержанием воды-пара(выхлоп двигателя это не только СО2, но и обыкновенная вода. Поэтому в режиме частичных и даже средних нагрузок можно сказать классический ДВС становится на определенную часть «паровым»).
С другой стороны поршня в камере сгорания нередко бывают установлены форсунки подачи масла на нижнюю часть поршня, и масса других модификаций системы смазки которая все больше играет «охлаждающую» роль в моторе для возможности повышения мощности.
Еще одним способом не только повысить конечную мощность мотора, но и охладить его является система радиаторов охлаждения впускного воздуха(интеркуллеры), которые могут быть как жидкостного охлаждения, так и воздушного. А сам впускной воздух сейчас уже может быть охлажден за счет использования системы впрыска воды BMW. Баварская схема предназначена по заявлениям инженеров для экономии топлива, но по сути реализует это через охлаждение впускного воздуха при попадании в камеру сгорания. Причем вода для постоянного впрыска берется из… конденсата работающего кондиционера и хранится в специальной емкости.
Перечисляя проблемы охлаждения стоит упомянуть и об обратном явлении — недостаточном прогреве двигателя в определенных режимах. В плане физики тут все так же наглядно.
Ведь не может небольшой мотор держать температуру дольше более крупного аналога или прогреваться лучше при меньшем количестве сгорающего топлива в цилиндрах? Нет! Поэтому для пользователей даунсайзинговых моторов вовсе не секрет, что подобные моторы дольше «греются» и могут иметь больше систем локального электрического нагрева отдельных элементов мотора.
Получение высоких характеристик мощности и момента для таких моторов и многих современных неизбежно привело к подходу к узкому температурному диапазону работы мотора отклонение от которого губительно для ДВС, и поэтому последовало неизбежное усложнение всей системы.
У электромобилей положение не лучше. Для поддержания комфортных рамок температуры мотора и батареи используются практически такая же система охлаждения, и даже работа кондиционера в экстренных случаях.
Диапазон температур различен. Для мотора критичным считается 130 градусов Цельсия(после чего он переходит в медленный режим), а вполне рабочим около 100 градусов.
Но помимо самого мотора охлаждению подлежит и инвертор(при этом охлаждается он маслом, которое передает тепло охлаждающей жидкости через теплообменник).
Для батареи рабочим считается диапазон от +8 С до +30 С.
Температура батареи от +30 до +55 С считается еще нормальной, так как жидкость циркулирует по большому кругу, проходя через передний средний радиатор, и только при превышении +55 С батарея может перейти на охлаждение жидкости через теплообменник с фреоном кондиционера.
Поэтому назвать оба вида моторов (ДВС и электромотор) похожими по степени зависимости от температуры можно уверенно. Тем более что как нижний предел батареи так и верхний мотора практически одинаковы, а риски выхода из строя при превышении лимитов температуры высоки.
«Паро-мотор» традиционно считается «взрывным» по характеру работы. И говорить о температурных «традициях» тут можно лишь с оглядкой на историю. Для «пара» традиционен долгий прогрев мотора, и высокий риск выхода из строя при превышении температуры.
Такие утверждения верны до момента рассмотрения примеров паровых машин более похожих на привычные нам автомобили. Речь тут пойдет конкретно об устройстве системы охлаждения паромобилей Doble и их инновациях.
Первым новшеством был сотовый, или как еще говорят ячеистый, радиатор. Площадь охлаждения у которого за счет разделения охлаждающей поверхности на трубки и «соты» из тонкого металла между ними была в разы большей традиционных на тот момент трубчатых радиаторов. Это позволяло конденсировать пар быстрее и лучше, что позволило создать полностью замкнутую систему практически без выбросов пара.
Это при первом взгляде простая идея в несколько измененном, но по-прежнему узнаваемом виде представлена на всех автомобилях и сейчас(а у электромобилей сотовая структура системы охлаждения есть у батареи Tesla). Паровой клапан, закрытая система охлаждения под давлением и форма радиаторов практически одинаковы.
Таким же сходством обладает и сложная система поддержания рабочей температуры. У машин Doble применялась целая серия электрических датчиков и автоматов для контроля над процессами.
Но пожалуй самым интересным сходством обладает непосредственно сама жидкость участвующая в процессе парообразования и «бега по кругу» системы охлаждения. Это была смесь воды с легким машинным маслом и спиртом! Сам «коктейль» из смеси трех жидкостей не случаен. Спирт в составе воды не позволял воде замерзать зимой, а масло образовывало защитную пленку на внутренних поверхностях и не позволяло образовываться накипи(буквально обволакивая частицы накипи, и не позволяя ей приставать к стенкам).
Т. е. фактически так можно сказать сейчас упрощенно и о современных антифризах в ДВС и электромобилях, где роль масла заменяют различные присадки, а составе всегда присутствует спирт.
Последующее сходства трех типов приводов не так очевидны, и скорее это можно назвать абстракцией. Они приведены для общего понимания взаимозависимости в хорошо настроенных системах.
Например...
8. Два или четыре… такта, полюса и хода поршня?
У ДВС лучшим сейчас по соотношению расхода и мощности считаются четырехтактные двигатели работающие по циклу Аткинсона. При этом именно слово четырехтактные вызывает серьезные сомнения если посмотреть на описание работы оригинальной конструкции мотора Аткинсона.
Как видим за один оборот коленчатого вала происходит один рабочий ход… как у двухтактного двигателя!
А в современных гибридных моторах несмотря на приписывание им цикла Аткинсона реализуется цикл Миллера... который в свою очередь может быть как четырех, так и двухтактным!
Похожие пертурбации происходят и у электромоторов!
Формально четырех полюсный асинхронный мотор совершает четыре рабочих цикла за один оборот вала, но если взглянуть глубже в процесс… то выяснится что это просто совмещенные двухполюсные моторы(поэтому за один оборот они совершают два рабочих цикла, если брать за единицу отсчета один рабочий элемент).
У паровых моторов все не так запутанно.
Рабочий ход за один оборот коленчатого вала происходит дважды, как и у электродвигателя, но если считать рабочий ход лишь по одной стороне поршня… то всего один раз(причем есть разновидности паромоторов где обратного рабочего хода с обратной стороны не происходит).
Тем самым мотор можно условно считать как двухтактным… так и «двухполюсным».
На этом часть рассказа об сходстве ДВС, электро и паромобилей окончена.
P.S. - Параметры совпадений подобраны естественно для лучшего восприятия ключевых параметров настоящего. Продолжение 30 октября.
