«Совершенство — это не тогда, когда уже нечего больше добавить, а тогда, когда уже нечего отнять.»
А. Г. Эйнштейн
Продолжение первой и второй части сопоставления автомобилей с ДВС, электро и паро-приводом. Теперь пришло время обсудить практические вопросы сравнения с минимумом теории по принципу противопоставления.
Диалектический подход к исследованию вопроса выгоды парового привода именно в наше время сейчас может быть не менее важен для развития транспорта и энергетики, чем однобокая надежда на устаревшие ДВС, или пока еще только начинающие себя проявлять электрические технологии.
Противоречия типов привода так же схожи.
1. КПД. Однозначная величина лишь в теории
У ДВС параметр коэффициента полезного действия зачастую либо бывает не озвучен вообще, либо намеренно завышен как данные о расходе топлива. Поэтому в чистой теории можно спорить о любой цифре озвученной в отношении ДВС, тем не менее нельзя не очертить условно верные диапазоны границ этого параметра (так же как и с расходом топлива).
Итак, что же мы знаем в теории? Если кратко, то «средние значения» упоминаемые во многих источниках звучат так.
Для бензиновых моторов это от 25% до 34%. Дизельные моторы успешнее — 34% и 39%.
Но кто же лидер в этом «зачете»?
Гибридные двигатели с циклом Аткинсона при последовательно-параллельной схеме подключения! Примерно 38 — 40% соответственно. Однако если мы присмотримся к «рекордному» КПД повнимательнее то станет очевидным, что это все «заслуги» электромотора, а не ДВС. Особенно если речь идет об подзаряжаемых от розетки гибридах. Сокращенно PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle).
У электрокаров ситуация намного лучше, если конечно не обращать внимание на источник энергии зарядки и связанные с ним потери КПД. При расчете этих потерь мы придем к еще большему разбросу цифр и среднее значение потеряет всякий смысл, тем не менее условно можно сказать что при благоприятных условиях это те же 34% (а не 25% и ниже, как иногда указывают некоторые авторы, ведь тогда можно так же условно признать за ДВС и паровым мотором такие же устаревшие значения).
Паровые двигатели… ну все же знают что они неэффективные? Но это лишь общая обывательская оценка, а реально при расчетах КПД еще практически 100 лет назад приходили к цифре в 30% (Для парового двигателя с конденсатором и профилированной проточной частью при высокой температуре и давлении).
Это была лишь теория, но вот практика сравнения хоть и не даст нам прямых цифр, но реально покажет кто есть кто через простой контрольный параметр расхода топлива!
Для сравнения возьмем со стороны ДВС - BMW 3-Series, седан, 7 поколение, G20.
Коэффициент аэродинамического сопротивления — 0,23; Вес 1470 — 1587 кг.;
Расход топлива варьируется от типа привода, мощности и используемого топлива. Возьмем для примера самые большие официальные цифры расхода топлива.
Для чистоты исследования так же не будем учитывать возможное практическое несоответствие расхода топлива, которое в смешанном цикле может отличатся на 10-15% больше заявленного производителем.
3.0 л. M340i, 382 л.с. (бензин) — 10.7 (л/100 км. Расход в городе)
Пример максимального расхода взят исключительно как признак согласия покупателей платить за этот расход топлива и покупать такие машины.
Следующий пример со стороны электрокаров выберем исходя из схожих параметров. Это будет Tesla Model 3.
Коэффициент аэродинамического сопротивления — 0,23; Вес 1611 — 1847 кг.;
Cyммapнaя мoщнocть двигaтeлeй Tecлa Moдeль 3 в самой энергозатратной версии cocтaвляeт 353 kВт, что в пepeвoдe в обычные единицы измерения составляет 480 «лoшaдиных cил».
Расход топлива… определить проблематично, так что стоит взять его с помощью уже проведенных аналогичных тестов с помощью топливного генератора. Этот же расход можно будет записать как максимальный.
Для примера возьмем тест AcademeG из видео «Едем на Tesla на хутор к бобрам. Как зарядиться без зарядки.»
Путем нехитрых вычислений получим расход на 100 км около тех же 10 литров бензина.
Наконец подходим к паромобилям… какой пример тут взять? Аналогов тут немного, и их стоит рассматривать сквозь призму «а что если бы они были сделаны сейчас?». Только при таком подходе можно будет получить реалистичные данные о расходе топлива.
Первый пример — личный паровой автомобиль Абнера Добла на котором он испытывал свои технические идеи. Как он сам говорил в интервью «На галлоне керосина при благоприятных условиях расход топлива моей машины составляет 15 миль на галлон, а в среднем около 11,5 миль на галлон»(по нашему это от 15 до 21 литра топлива). Разумеется как признавал автор его машина была «в некотором роде грубая» т. е. На деле это был «мул» для испытаний на основе машины 20х годов (Cx около 0.8, вес примерно 2 тонны, прочие недостатки так же типичны для аналогов бензиновых машин тех лет). Фактически это был Doble Model C который Абнер в шутку называл «Старая Антилопа».
Поэтому все последующие машины компаний Doble Detroit, Doble Steam Car и Doble Automobile (это все компании Абнера Добла) могли иметь немного лучшие результаты по расходу топлива, при том что это было не главной целью разработчика. Причем подсчитать расход не получится даже примерно так как мощность, габариты и вес сильно отличались при различных типах кузова, но все же есть зацепка!
В 1935 году на Московском автозаводе им. Сталина (ныне ЗИЛ) для испытаний был доставлен автомобиль на шасси «Паккард» сделанный американской фирмой «Беслер» по лицензии компании «Добль» в 1924 году. Этот автомобиль при массе 2200 кг в среднем расходовал 18 л бензина на 100 км.
А в 1969 году в США была произведена конверсия классического Chevrolet Chevelle в паромобиль Биллом Беслером по заказу General Motors. Паромобиль был создан как альтернатива обычным машинам с ДВС в целях экономии топлива и предполагалось в будущем выпустить несколько паровых седанов для калифорнийского дорожного патруля.
К слову с той же целью экономии и экологии дочерняя компания группы Volkswagen под названием Enginion AG с 1996 года проводила разработки парового двигателя EZEE03 для Škoda Fabia, но пришла к выводу что «что рынок не готов к паровым автомобилям» даже несмотря на отличные результаты тестов (двигатель рабочим объемом 1000 куб. См и мощностью до 220 л.с. при крутящем моменте 500 Нм)
Паромобиль был сделан фактически из компонентов ДВС, и весил на 200кг больше оригинальной версии(ДВС-версия 1476,9 кг.), тем не менее расходовал эквивалент жидкого горючего в объеме 15.5 литров (будь то керосин, дизель, бензин, спирт)!
Мощность мотора составляла всего 50 л.с. при значительном крутящем моменте (который без сомнения был, так как аналогичный более мощный мотор Doble E-20 1925 года у Джея Лено в наше время при тестах выдавал 150 лошадиных сил при крутящем моменте 1355.78 Ньютон-метров), а конструкция этого двигателя основывалась как раз на патентах Doble 1920 года.
Во всем остальном это был практически обычный Chevrolet Chevelle, за исключением боковых вентиляционных решеток.
При таком расходе может возникнуть впечатление недосягаемости современных примеров автомобилей? Но это только если не посчитать потери энергии автомобилей 60х годов, которые при современном исполнении были бы в разы меньше!
Начать стоит с массы… не подрессореной массы паромобиля Chevrolet Chevelle. Известно, что уменьшение массы колес на один килограмм увеличивает мощность автомобиля примерно на 1%, а вот разница современных литых дисков с используемыми в 60-х стальными отличается на порядок.
Вес большинства автодисков различного типа в среднем варьируется в наше время так:
Штампованные стальные: от 4.5 (кг) до 12.40 (кг).
Литые из алюминиевого сплава: от 3.63 (кг) до 22.22 (кг).
Литые из магниевого сплава: от 2.3 (кг) до 9.2 (кг).
Кованые из алюминиевого сплава: от 3.58 (кг) до 11.51 (кг).
Далее если перейти к шинам, их размерности и сопротивлению качению машин 60-х последуют похожие цифры отличий. Для расчета можно исходить из простой зависимости где чем больше диаметр колеса, тем меньшим будет сопротивление качению. Известно, что плюс один сантиметр к диаметру колеса – это минус 1% от общего числа сопротивления качению. Состав шины современной и ее конструкция так же разительно отличается. В 60-х на Chevrolet Chevelle использовались диагональные шины у которых параметр сопротивления качению даже не рассматривался как параметр для исследований. А между тем сейчас доказано, что 5-15% топлива автомобиль расходует лишь на преодоление сопротивления качению!
Из прочих особенностей подсчета стоит учитывать еще углы развал-схождения колес, наличие карданной передачи от парового мотора и сопротивление подшипников колес Chevrolet Chevelle в сравнении с современными показателями.
Но все это если и даст экономию, то точно не сравняет ее с показателями 10 литров бензинового и электрического конкурента. Больше всего стоит обратить внимание на различия в показателях аэродинамики!
Стандартный коэффициент аэродинамического сопротивления машин 60-х годов около 0,50% что больше BMW и Tesla у которых 0, 23%! Значит применяя более обтекаемый современный кузов паромобиля можно рассчитывать на снижение расхода топлива уже до нескольких литров! Тем более что известно, что в теории в общем сопротивлении движению автомобиля аэродинамические силы могут составлять существенную часть расхода энергии.
Доказано, что сокращение коэффициента аэродинамического сопротивления всего на 2% приводит к экономии топлива на 1%.
Так при езде по городскому циклу (средняя скорость 40—50 км/ч) доля аэродинамического сопротивления движению достигает 8%, при движении в пригородной зоне (средняя скорость 80—90 км/ч) — 29%, то на автострадах — 53%. Отметим, что чем выше скорость, тем быстрее растут потери «на ветер»: уже при 60 км/ч они отнимают больше энергии, чем любая другая составляющая!
Поэтому сочетая все современные методы экономии энергии движения при фактически том же моторе 20- годов прошлого столетия вполне можно рассчитывать в 2022 году на 11 - 12 литров на 100км расхода топлива! (Есть данные о переделанном на паровой привод Ford Falcon примерно того же года выпуска, что и Chevrolet Chevelle с расходом 22.5 мили на галлон или 10 литров на 100 км, но это слишком оптимистичная цифра без указания условий эксплуатации).
Разумеется при модернизации уже самого мотора эти цифры могут упасть еще на несколько литров и… мы получим расход BMW и Tesla. Неплохо да?
И эти расчеты в целом подтверждают факт практически одинакового КПД трех типов моторов при практическом отображении через расход топлива.
Впрочем, на этом преимущества паровой установки на автомобиле не заканчиваются.
2. Эффективность зимой
У ДВС традиционно расходы энергии в зимний период растут на 20 — 40%… что противоречит теории Карно о тепловых машинах, но достаточно легко объяснимо.
Затраты энергии расходуются на прогрев мотора и салона автомобиля. Причем сам прогрев вопреки мнению о том что «в движении мотор сам прогреется лучше» не прекращается до достижения требуемой температуры мотора из-за коррекции впрыска у инжекторных моторов (у карбюраторных все проще — коррекцией выступает та грань работоспособности двигателя когда он еще способен ехать, но уже глохнет периодически и приходится вручную регулировать обогащение смеси с помощью дополнительного перекрытия впуска).
Так же неизбежны затраты мотора до достижения номинальных температур из-за повышенной вязкости моторного масла, масла в КПП — редукторах и охлаждающей жидкости. Свою долю в постоянство потерь вносит и сам процесс перемещения автомобиля при более низких оборотах двигателя в потоке при котором средний КПД мотора так же падает.
Решение части проблем повышенного расхода топлива сейчас лежит в основном в области применения различных предпусковых подогревов (электрических и топливных), и иногда в использовании аккумуляторов тепла.
Более технологичным решением считается улучшение термоизоляционных характеристик пространства вокруг мотора(различные теплоизолирующие материалы, активные жалюзи перед радиатором) и внедрение сложной многоступенчатой поочередной системы прогрева агрегатов (Сначала ГБЦ, потом блок цилиндров или сначала мотор, а печку отапливает какое-то время электрический подогрев от аккумулятора). Но все эти меры служат лишь одной цели — сокращение потерь топлива.
Физику процессов обмануть нельзя, и несмотря на теоретические выводы о повышении КПД за счет большего перепада температур в двигателях внутреннего сгорания происходит всегда обратное.
У электромобилей зимние условия эксплуатации так же снижают КПД всей системы за счет повышенного расхода энергии.
Потери тут в основном за счет подогрева большой аккумуляторной батареи и сопутствующих устройств. А если учитывать еще определенные ограничения на рекуперацию энергии при недостаточно высокой температуре АКБ то неизбежен будет вывод об практически таком же 20 — 40 % снижении пробега по причине температурных ограничений.
Каков выход? Такой же, как у ДВС — улучшенная теплоизоляция, использование предпусковых топливных подогревателей и совершенствование процессов ступенчатого подогрева. Различия можно найти разве что в более широком использовании тепловых насосов в обогреве машины в определенных условиях.
Так по результатам испытаний ADAC тепловой насос, который часто используют для нагрева АКБ до оптимальной температуры (20-40 градусов) часто может вызывать повышенное энергопотребление, особенно заметное на меньших расстояниях. Однако во время более длинных поездок это приводит к повышению эффективности.
Однако если сравнивать с ДВС падение КПД стоит рассматривать менее неопределенным по причине отсутствия затрат на прогрев большого количества жидкости и стабильности характеристик по всей величине оборотов двигателя(который к тому же содержит значительно меньше пар трения).
И наконец паровой двигатель...
Схожим качеством с ДВС паровые моторы обладают за счет использования цикла Ренкина для работы, который практически идентичен циклу Карно.
В нем так же теоретически обосновывается повышение КПД за счет большего перепада температур, но при этом реальность совпадает с ДВС.
Расход топлива например у паровозов зимой не падает как часто ошибочно утверждают, а растет на 20 -40%. Причина этого повышенные теплопотери от самого котла и попутных линий передачи пара.
У паромобилей начала 20 века работающих по паровозной технологии наблюдались те же потери КПД.
Компенсация этих потерь была найдена за счет применения бросового тепла отработанного пара для подогрева воздуха и воды, примерно как это делают сейчас на современных электростанциях. Но выброс пара в атмосферу все равно происходил периодически по причине сложности соблюдения баланса производимого пара и требуемой на момент движения мощности. Лишний пар сбрасывался в атмосферу по тому же принципу как у автомобиля с ДВС срабатывает паровой клапан в системе охлаждения.
Однако низкие температуры зимой оказывали уже положительное влияние на этот процесс за счет улучшенного охлаждения конденсатора(радиатора) этих потерь было меньше.
Поэтому если в наше время повысить эффективность паровых моторов за счет таких же мер как у автомобилей с ДВС и электромотором, то можно впервые рассчитывать на эффект повышения КПД!
Ведь в отличие от конкурентов у парового мотора система охлаждения отвечает не за компенсацию потерь, а за рост КПД.
3. При низком атмосферном давлении
У ДВС в настоящем времени существует серьезные ограничения стабильности характеристик в зависимости атмосферного давления в районе использования мотора. В теории с каждым километром над уровнем моря двигатель теряет около 10 процентов мощности.
Мощность двигателя при подъеме машин на каждые 1000 м вплоть до высоты 3000 м снижается на 11-13 % из-за ухудшения наполнения цилиндров воздухом и переобогащения рабочей смеси, а расход топлива увеличивается на 10-12 % летом и на 20 % зимой.
Причем это далеко не равнозначная величина для всех ДВС. У дизельных моторов нехватка мощности дает еще больше рисков проблем работы мотора из-за нехватки нужного давления воздуха для воспламенения от сжатия.
А особенно критичным может быть «закипание» мотора на больших высотах(4000 — 5000 м), когда сниженное атмосферное давление может создать условия парообразования в тормозной системе и жидкости системы охлаждения. Причем датчик температуры может показывать нормальную температуру жидкостей, но высвобождение паров будет все равно происходить по причине сниженного сопротивления давления воздуха на жидкость.
Эти условия эксплуатации отличаются наибольшим снижением КПД ДВС и лишь применение нагнетателей воздуха и частично гибридных приводов способно удержать расход топлива в приемлемых рамках сейчас.
Электропривод у электромобилей испытывает похожие проблемы, но в значительно меньшем масштабе. Только значительно более низкие температуры высокогорных районов вносят свой вклад в снижение КПД электромобиля фактически ограничивая возможность использования рекуперации, и иногда переводя машину в «зимний режим» подогрева батареи. Процент падения КПД тут незначителен, и просто приведен как факт.
Паромобили… отличаются полностью обратной реакцией на сниженное атмосферное давление. Так как смещение границы начала парообразования наоборот повышает КПД парового привода расход топлива падает. Нехватка воздуха так же создает условия для худшей теплопередачи тепла наружу.
Паровозы имеющие как мы знаем низший КПД в теории в таких условиях становятся экономически выгодным транспортом который используют до сих пор в Латинской Америке и Швейцарии(после небольшой модернизации механической части и перехода на сжигание жидких нефтепродуктов). Им до сих пор нет равных по весу, экономичности и надежности в горных условиях эксплуатации.
Но что наиболее интересно — самолеты с паровым мотором начиная с высоты 2000 метров становятся так же конкурентноспособны с ДВС по КПД! Таким был единственный паровой биплан 30-х годов Travel Air 2000 созданный при помощи специалистов из Doble Steam Motors братьями Беслерами. Паролёт был оснащён двухцилиндровым V-образным паровым двигателем мощностью 150 л. с.
Бак емкостью около десяти галлонов (около 40 литров) позволял Airspeed 2000 пролететь 600 км.(Паровая машина имела вес 80 кг, но бак для воды с топкой весил 220 кг.)
Что по сути означало расход топлива около 15 литров на 100 км, как и у легкового паромобиля Doble 20-х годов. Возможно если не считать компоновки мотора все остальное так же было практически идентично.
При высотах более 2000 метров КПД продолжал расти, а расход снижался.
Может возникнуть закономерный вопрос, а причем тут автомобили с паровым приводом? А дело в том что высоты выше 2000 метров это стандарт для некоторых столиц. Так Мехико (Мексика) это 2240 м, Сана (Йемен) – 2250 м (Город с населением около 2 млн человек – один из старейших городов в мире), Тхимпху(Бутан) — 2400 м, Богота (колумбия) — 2625 м, Аддис-Абеба (Эфиопия) – 2355 м, Сукре (Боливия) — 2810 м. Многочисленные города и поселки стран с горными хребтами могут быть и выше этой отметки(у королевства Бутан более 50% территории выше 3000 м), а значит теоретически паровой автомобиль в этих регионах сможет показывать не меньший рост КПД чем у паровоза и самолета «на пару».
P.S. - Споры Эбнера Добла с оппонентами о совершенстве паровых машин удивительно схожи с тем что происходило с началом эры «Теслы»… слишком неэффективные, тяжелые и дорогие говорили «одни», но как мы знаем сейчас «другие» уже доказали что это не так.
