На пути в III тысячелетие

Перелистайте, даже бегло, страницы этой книги: какое громадное количество новых видов транспортных средств создают ежегодно и планируют к выпуску в ближайшем будущем. И когда оценивают перспективу развития того или иного вида транспорта, в качестве одного из основных достоинств выдвигают его конкурентоспособность с традиционным транспортом, прежде всего с автомобильным.

Является ли это свидетельством заката "эры автомобиля?" Конечно же нет. Современные представления о развитии транспортной системы в нашей стране диктуют необходимость комплексного подхода к использованию различных транспортных средств: и традиционных, и новых. Выше отмечалось, что для каждого вида транспорта существует область его эффективного применения в зависимости от рода груза, грузопотока, дальности транспортирования и пр. Это положение в полной мере справедливо и для автомобильного транспорта. Бесспорно, автомобильный транспорт совершенствуется, изменяется внешний вид автомобилей, двигатель и ходовая часть становятся надежнее, упрощается система управления. По мнению специалистов, этот процесс совершенствования будет развиваться непрерывно и в будущем, близком и отдаленном. Автомобиль готовится пересечь финишную ленточку XX в. В чем же заключаются основные тенденции развития автомобильного транспорта? Прежде всего рост парка автомобилей и их качества.

Например, автомобильные фирмы Японии ежегодно выбрасывают на рынок свыше 11 млн. автомобилей (в их числе примерно 7 млн. легковых). Количество автомобилей, производимых в США, перевалило за 7 млн. (из них около 6 млн. легковые). Несколько меньшее количество, но также исчисляемое миллионами единиц, производят и другие развитые страны мира. В нашей стране только ВАЗ в г. Тольятти каждые 25 с дает путевку в жизнь очередному автомобилю "Жигули".

Но не только количественные показатели выпуска автомобилей внушают почтение. Громадное разнообразие парка выпускаемых автомобилей заведомо превышает требования реальных транспортных задач. С одной стороны, тенденция реализации структуры грузового автомобильного парка по грузоподъемности заслуживает всяческого внимания. Как известно, выпускаемые сегодня в мире грузовые автомобили имеют широкий спектр показателей грузоподъемности: от мини, способных перевозить на борту не более 200 кг, до супертяжеловесов, для которых и 500 т не предел. Излишне говорить о том, как невыгодно, когда порой многотонный гигант с двигателем в несколько тысяч киловатт используют для транспортирования сравнительно легких грузов. Ранее существовавшая точка зрения в отношении преимущественного выпуска среднетоннажных автомобилей (в отдельные годы их производство достигало 90% объема выпуска грузовиков) в настоящее время подвергается коренному пересмотру. По-видимому, в ближайшие годы процесс дифференциации выпуска автомобилей различной грузоподъемности будет продолжаться. Наряду с этим в ближайшие годы будут дальше специализировать подвижной состав автомобильного транспорта.

Если сегодня количество специализированных автомо билей составляет едва 50% парка грузовиков, то к 2000 г. их будет 75 - 80% (существенно увеличится выпуск рефрижераторов, спецфургонов, контейнеровозов, панелевозов и т.. д.).

Вновь начали усиленно производить дизельные автомобильные двигатели. В секторе грузовых автомобильных перевозок доля автомобилей с такими двигателями приближается к 30%. Рост объема применения дизельных двигателей отмечен во Франции и Японии. Наибольшую популярность, пожалуй, дизели завоевали в Италии, где стоимость дизельного топлива вдвое ниже стоимости бензина. Достаточно сказать, что на итальянском рынке количество продаваемых автомобилей с дизельным двигателем за последние 5 лет возросло в три раза. Но вот пример того, как неудачная реализация может поколебать веру в саму идею. В 1979 г. компанией "Дженерал моторс" был выпущен 3-цилиндровый V-образный двигатель с невысокими техническими показателями. Дурная репутация, сложившаяся о нем у американских автомобилистов, породила недоверие к современным дизельным двигателям. В США они еще находят весьма ограниченное применение в легковом автомобильном транспорте.

Когда идет речь об основных направлениях усовершенствования дизельного двигателя, подразумевают три главные цели: снижение расхода топлива, увеличение удельной мощности, соответствие двигателя все более ужесточаемым требованиям к содержанию в отработавших газах вредных веществ.

Так, с учетом этих требований специалисты фирмы "Форд моторс" (США) разработали высокооборотный и легкий дизельный двигатель с прямым впрыскиванием топлива, предназначенный, в частности, для легковых автомобилей. Однако его масса 250 кг, приемлемая для грузовиков и грузовых фургонов, чрезмерно велика для легковых автомобилей. Английские фирмы "Перкинс" и "Остин ровер" с 1986 г. начали серийный выпуск легковых автомобилей, оснащенных дизелем новой конструкции с прямым впрыскиванием топлива. Новые двигатели благодаря особой форме поршня, обеспечивающей наиболее полное сгорание топлива, на 10 - 25% более экономичны, чем обычные дизели.

Проблемы, связанные с необходимостью снижения в отработавших газах уровня окислов азота и несгоревших углеводородов, заставляют улучшать конструкцию и геометрические характеристики камеры сгорания.

Существенным резервом улучшения эффективности дизельных двигателей является повышение доли механической работы при превращении их тепловой энергии. Ибо хорошо известно, что в конструкциях современных дизелей одна треть тепловой энергии уходит вместе с отработавшими газами, еще треть тратится на преодоление сил трения движущихся частей и уносится системой охлаждения. В целях снижения тепловых потерь ряд зарубежных фирм в настоящее время применяют термоизоляцию камер сгорания, а также систему электронного зажигания.

Хорошо известно, что удельный расход горючего в дизельном двигателе ниже, чем в карбюраторном. Дизельное горючее менее энергоемко, чем бензин. В частности, у бензина средняя теплота сгорания примерно 50 кДж/кг. а у дизельного топлива - 42 кДж/кг. Следовательно, достигается двойная экономия бензина. Расчеты показывают, что если использовать все резервы увеличения производства дизельного горючего, то можно получить его на 40-45% больше, чем сегодня. Эта цифра по существу и определяет пределы роста количества дизельных автомобилей. Таким образом, предложение о повсеместном оснащении автомобильного транспорта (включая легковой, а также грузовые автомобили малой грузоподъемности) дизельными двигателями является заблуждением. Не следует забывать, что карбюраторный двигатель по сравнению с дизелем обладает рядом преимуществ: более низкая стоимость изготовления, простота в обслуживании, меньшие затраты на смазочное масло. Наконец, что весьма важно в условиях нашей страны, по пусковым характеристикам дизель уступает карбюраторным двигателям. Опыт ведущих зарубежных фирм, выпускающих в относительно большом количестве легковые автомобили с дизельными двигателями, убедительно свидетельствует о том, что экономия по удельным затратам на эксплуатацию таких автомобилей сравнительно невелика. В силу всех этих причин на легковом автомобильном транспорте в качестве основного двигателя в нашей стране вплоть до конца XX в. будут устанавливать карбюраторный.

Размышляя о путях совершенствования принципа действия и конструкции автомобильного двигателя, мы вновь убеждаемся в том, что "новое - это хорошо забытое старое". Примером тому - двигатель Стирлинга. В 1816 г. шотландец Роберт Стирлинг получил патент на изобретение весьма необычного двигателя. Громоздкое устройство с двумя цилиндрами и поршнями, один из которых сжимает холодный воздух, вытесняя его в нагреваемый снаружи второй цилиндр. Здесь воздух расширяется, толкает рабочий поршень и затем вытесняется в холодный цилиндр. Вот, собственно, и весь цикл работы двигателя Стирлинга: масса воздуха, непрерывно циркулируя между "теплом" и "холодом", ритмично изменяя свой объем, создает полезную механическую энергию. XIX в. открыл дорогу для применения двигателя Стирлинга в водяных насосах и вентиляторах, станках на небольших фабриках и в других подобных агрегатах, где не годились еще более громоздкие паровые машины. Однако не следует считать, что даже для уровня техники XIX в. этот двигатель был идеальным: к. п. д. менее 3%, высокая стоимость и, как отмечалось, большая масса ограничивали его повсеместное распространение.

Сегодняшний уровень техники и технологии обеспечил здание новых модификаций двигателя Стирлинга, которые начинают применять в различных транспортных средствах: автомобилях, речных и морских судах. Важное достоинство этих двигателей - длительный срок работы без технического обслуживания. Второе рождение двигателя этого типа стало возможным благодаря успехам современного материаловедения (термостойкие стали, высокопрочные материалы с исключительно высокой теплоаккумулирующей способностью), а также возможности создания подвижных соединений высокой точности и герметичности. Благодаря простой конструкции и надежности в эксплуатации двигатель Стирлинга превосходит двигатель внутреннего сгорания, а его к. п. д. сегодня (40%) заведомо превышает аналогичный показатель последнего, фирма "Юнайтед Стирлинг" (Швеция) начнет в 1990 г. выпускать малыми сериями автомобильные двигатели двойного действия мощностью 75 кВт. Предполагаемая стоимость, как утверждают специалисты, находится в привычных границах значений показателей автомобильных двигателей. Сообщается, что двигатель фирмы "Мекэникл технолоджи инкорпорейтед" (США) мощностью 60 кВт и максимальным к. п. д. 42% обеспечивает разгон автомобиля с места до скорости 100 км/ч за 14,4 с. При этом по сравнению с карбюраторным двигателем достигается 30%-ная экономия горючего.

"Стирлинг" по существу - воплощение давней мечты конструкторов о "многотопливных" двигателях: в связи с тем что в систему самого двигателя топливо не попадает, то для бесперебойного функционирования безразлично, с помощью какого горючего обеспечивается внешнее нагревание "горячего" цилиндра. В связи с этим последняя особенность Стирлинга приобретает большое значение. Наконец, бесшумная эксплуатация, минимальное загрязнение окружающей среды - факторы, способствующие широкому внедрению двигателей этого типа в конструкции современных автомобилей. Достаточно сказать, что к началу XXI в. их ежегодный выпуск в США будет доведен до 15 тыс., в Швеции - до 6 тыс.

Значительный интерес в свете проблем совершенствования "сердца" автомобиля представляет так называемый адиабатный двигатель, который, по утверждению специалистов, трудится в полном согласии с законом термодинамики. Что и говорить, его к. п. д. в полтора раза превышает значение этого показателя современного карбюраторного двигателя. Адиабатный двигатель - прямой наследник дизеля. Однако и в самом двигателе, и за пределами его камеры сгорания степень утилизации энергии существенно повышена.

В нашей стране совместными работами ряда предприятий показана принципиальная возможность создания высокоэффективных адиабатных двигателей. Сегодня уже ясно, что для успешного завершения цикла исследований и начала широкого внедрения этого двигателя в автомобилестроении необходимо использовать последние достижения в области турбокомпрессоростроения, материаловедения, упрочняющих технологий. Адиабатик, по мнению специалистов, заслуживает самого серьезного внимания.

Стремление снизить собственную массу автомобиля, а следовательно, сэкономить металл и горючее, привело к применению на легковых автомобилях роторных двигателей. Здесь очень показателен опыт японской фирмы "Тойо когио". Несмотря на то что роторный двигатель, созданный этой фирмой, более чем в 1,5 раза легче обычного бензинового поршневого, и количество движущихся частей почти в половину уменьшено по сравнению с конструкцией карбюраторного "братца", вопросы экономичности и долговечности новых двигателей все еще до конца не решены.

Мы вплотную подошли еще к одному важному направлению создания автомобиля XXI в.- материаловедческому. На протяжении ряда лет не дает покоя автомобилестроителям идея создания керамического двигателя. Что и говорить, идея в самом деле заманчива: керамика обладает высокой теплостойкостью (в зависимости от ее состава температура плавления колеблется от 1500 до 2100° С), значительно меньшей плотностью, чем металл. Хорошо известно, что чем выше температура сгорания в автомобильном двигателе, тем больше пробег в расчете на 1 л топлива. Керамический автомобильный двигатель может работать практически без системы охлаждения. Однако высокая хрупкость керамики и ее недостаточная прочность - камни преткновения на пути создания новых двигателей. В США и Японии ежегодно затрачивается по 100 млн. долларов на научно-исследовательские работы по улучшению свойств керамических материалов. Время от времени в прессе появляются сенсационные сообщения по этому поводу, но ...сегодня, очевидно, преждевременно говорить о надежном двигателе внутреннего сгорания из керамики. В этой связи великолепной удачей можно считать результаты работ австралийских ученых по созданию частично стабилизированного циркония - керамики, обладающей самозащитным механизмом, предотвращающим распространение трещин. В США завершается разработка двух крупных проектов (фирмами "Форд моторе" и "Дженерал моторс") газотурбинного двигателя. В Японии компания "Ниссан" уже выпустила первые образцы дизельных и газотурбинных двигателей с керамическими частями. Известны работы по армированию керамическими волокнами поршней цилиндров, в результате чего резко снижаются потери теплоты, по применению керамических насадок на кулачках распределительных валов двигателей. Согласно прогнозам в ряде стран к 1990 г. предполагается приступить к серийному выпуску автомобилей с керамическими двигателями.

С каждым годом увеличивается объем применения в конструкциях автомобилей пластических масс. Согласно сообщению "Бизнес уик" (Нью-Йорк, США) использование конструкционных пластмасс в американском автомобилестроении ежегодно возрастает на 12-15%. В расчете на один автомобиль к 2000 г. ожидаемая доля пластических масс достигнет в среднем 135 кг. Примерно такая же тенденция характерна для автомобилестроительной индустрии других развитых стран.

Достоинства пластмасс неоспоримы: малая плотность, высокая удельная прочность, прекрасная технологичность, коррозионная стойкость. Борьба за снижение массы и повышение топливной экономичности автомобилей обусловливает расширение использования легких сплавов: это направление начали реализовывать в наши дни, чугун в ряде ответственных деталей заменяют алюминиевыми сплавами.

Несколько слов об аэродинамике и эстетическом виде автомобилей будущего. Исчезнут привычные "дворники" на ветровом стекле - оно станет водоотталкивающим. Отпадет необходимость в глушителе и выхлопной трубе. Наиболее приемлемая с позиций аэродинамики форма автомобиля будущего - капля, положенная набок. Опытные образцы таких машин уже создаются в исследовательских подразделениях ряда фирм.

В помощь водителю будут действовать специальные радары, автоматически включающие тормоза, при сокращении дистанции с идущей впереди машиной. Таким образом, можно будет избавиться от бича нынешних автодорог - "цепных столкновений", когда в аварию попадают по нескольку автомобилей. Специальные датчики будут предупреждать водителя и об опасности столкновения при подаче машины задним ходом.

Многие из технических новшеств, о которых идет речь, можно применять на практике уже сегодня. И лишь высокая стоимость производства пока не позволяет внедрить их на массовых моделях.

Автомобиль не собирается сдаваться. Он изменится, может быть, изменится неузнаваемо, но и в XXI в. будет создаваться одним из наиболее распространенных, универсальных и любимых человеком видов транспорта. Недавно на страницах американских газет появилось общение об успешном опробовании системы космиче-ского слежения за безопасностью движения автомобилей я основных, наиболее напряженных магистралях США и Канады. Информация о плотности потоков, скорости автомобилей и дистанции между ними передается на переработку в суперЭВМ, откуда в виде управляющих сигналов поступает на специальные приемные устройства, установленные на каждом автомобиле. Далее с помощью микропроцессорной техники полученный сигнал преобразуется в соответствующую конкретной ситуации реакцию робота-оператора. Было установлено, что вероятность столкновения автомобилей при освоении этой системы уменьшилась вдвое. Это - лишь одно из свидетельств эффективного внедрения последних научных достижений в сферу автомобильного транспорта. Таких примеров множество: автомобиль, как губка, впитывает последние достижения научно-технического прогресса, включает в свою орбиту прогрессивные достижения иных областей человеческой деятельности.