Паровые двигатели: забытая альтернатива в современной транспортной энергетике

Говоря о двигателях внешнего сгорания, невозможно обойти вниманием классические паровые машины. Еще столетие назад этот тип привода был доминирующим, однако сегодня его воспринимают как технологическую экзотику. Такая ситуация сложилась из-за практически полного вытеснения паромобилей с дорог автомобилями с ДВС, хотя их мелкосерийное производство продолжалось вплоть до 1927 года. Современные энтузиасты и инженеры приводят веские аргументы в пользу возрождения этого, казалось бы, устаревшего решения.

Главным экологическим преимуществом парового двигателя является его высочайшая «стерильность», сопоставимая с аналогичным показателем двигателя Стирлинга. Теоретически, в продуктах сгорания содержатся только диоксид углерода и водяной пар. Количество оксидов азота может быть еще меньшим благодаря значительно более низким температурам сгорания топлива. Более полное сгорание топливной смеси также снижает общий объем выхлопа примерно на 1% по сравнению с традиционными ДВС.

Коэффициент полезного действия (КПД) современных паровых машин отнюдь не низок и может достигать 28%, что сравнимо с показателями карбюраторных ДВС. Для сравнения, общая эффективность электромобилей с учетом потерь при генерации электроэнергии не превышает 15%. Следовательно, с глобальной точки зрения, парк транспортных средств на двигателях Стирлинга и паромобилей загрязнял бы атмосферу почти вдвое меньше. Учитывая исключительные эксплуатационные качества паровых машин, возобновление интереса к ним выглядит абсолютно обоснованным, что подтверждается новыми патентами и научными публикациями.

Принципиальная схема одноконтурного автомобильного парового двигателя представлена на рисунке 17. Внешний источник тепла нагревает рабочую жидкость в котле до состояния кипения. Термин «рабочая жидкость» используется не случайно, так как в этом качестве может выступать не только вода, но и другие агенты, например, фреон-113, температура кипения которого составляет всего 48°C. Через распределительный механизм пар направляется в силовой агрегат, где преобразует тепловую энергию в механическую работу.

Рис. 17. Схема автомобильного парового двигателя: 1 — источник тепла; 2 — котел; 3 — распределительный механизм; 4 — двигатель; 5 — вентилятор; 6 — конденсатор; 7 — рекуперативный теплообменник; 8 — насос

Отработанный пар конденсируется потоком воздуха от вентилятора в конденсаторе, предварительно отдав часть тепла жидкости в рекуперативном теплообменнике. Насос замыкает цикл, подавая жидкость обратно в котел. Большинство элементов этой системы, таких как двигатель, конденсатор-радиатор и насос, уже присутствуют в традиционных автомобилях. Добавляются, по сути, лишь котел с нагревателем и теплообменник, что упрощает потенциальную интеграцию технологии.

Ключевым преимуществом парового привода является универсальность силового агрегата. В качестве двигателя могут использоваться поршневые машины, ротационные конструкции или даже турбины. Это позволяет применять к паровому приводу практически все передовые технические решения, разработанные для других типов двигателей. Сочетание инновационных механизмов с особенностями парового цикла открывает путь к созданию высокоэффективных транспортных систем с уникальными характеристиками.

Азбучные достоинства современных автомобилей, такие как бесшумность, плавность хода и приемистость, в полной мере присущи именно паромобилям. В них отсутствует резкая смена давления при выхлопе – основной источник шума в ДВС, что делает ненужными сложные системы глушения. Даже мощные паровозы трогались с места абсолютно бесшумно и плавно, что является наглядной демонстрацией этого преимущества.

Плавность хода и исключительная приемистость паромобилей объясняются уникальной характеристикой паровой машины. Ее крутящий момент при минимальных оборотах в 3–5 раз превышает аналогичный показатель сопоставимого по мощности ДВС на оптимальных оборотах. Это обеспечивает великолепную динамику разгона: если автомобилю с ДВС мощностью 50 л.с. для разгона до 100 км/ч требуется около 20 секунд, то паромобилю нужно вдвое меньше времени, при этом не требуется переключения передач.

Высокий крутящий момент сохраняется во всем диапазоне оборотов – от нуля до максимальных, что делает коробку передач излишней. Низкие рабочие обороты, обычно не превышающие 2000–3000 об/мин даже при скорости 200 км/ч, напрямую способствуют повышенной долговечности и надежности агрегата. Для сравнения, стандартный рабочий диапазон ДВС составляет 3000–6000 об/мин, что ускоряет износ деталей.

Несмотря на низкие обороты, удельные мощностные показатели парового двигателя превосходят аналогичные у ДВС. Достижение удельной мощности в 400–600 л.с. на литр рабочего объема при 2500–3000 об/мин для паровой машины не является проблемой. В то время как у обычных ДВС этот показатель редко превышает 50–100 л.с./л, и лишь отдельные двигатели с механизмом Баландина демонстрируют сопоставимые результаты. Это опровергает стереотип о низкой энергоэффективности пара.

Надежность паровых машин занимает одно из первых мест в списке их достоинств. До сих пор можно встретить работающие паровозы начала XX века. Долголетие обеспечивается низким числом оборотов, постоянством температурного режима, отсутствием экстремальных температур (в 5–6 раз ниже, чем в ДВС), а также полным отсутствием процессов нагарообразования и закоксовывания. Чистота рабочего тела, циркулирующего в замкнутом контуре, также продлевает ресурс системы.

Закономерно возникает вопрос о причинах, препятствующих возвращению паровой машины в современную транспортную энергетику. Первой и основной причиной является относительно низкая экономичность и, как следствие, повышенный в 1,5–3 раза расход топлива по сравнению с ДВС. Хотя КПД поршневых паровых машин потенциально может достигать 28%, у реальных образцов, таких как паровозы, он едва достигал 10%. Однако применение замкнутых циклов с эффективными рекуперативными теплообменниками позволяет кардинально улучшить этот показатель.

Второй серьезной преградой является высокая стоимость силовой установки, обусловленная сложностью и материалоемкостью конструкции. Третьим фактором традиционно считается большой вес паровой машины, однако при комплексной оценке массы всего транспортного средства разница с автомобилем на ДВС может оказаться не столь значительной. Более того, возможность использования самого дешевого топлива может нивелировать повышенный расход и сделать эксплуатацию паромобиля экономически целесообразной. Таким образом, в настоящее время не существует непреодолимых препятствий для возвращения парового двигателя в ряд перспективных энергетических технологий.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: П. П. Лукин; Г. А. Гаспарян; В. Ф. Родионов; К. Ю. Чириков.

Источник: Конструирование и расчет автомобиля. Необычные двигатели.

Данные публикации будут полезны студентам автомобилестроительных и транспортных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам и технологам автопрома, а также всем, кто интересуется глубоким пониманием процессов проектирования и компоновки современных автомобилей.