Борьба с бесполезным теплом

НЕМНОГО ТЕОРИИ
В эпоху бескрайних нефтяных рек никого не волновало количество топлива, сожженного впустую и выброшенного в атмосферу в виде тепла. Все известные нам двигатели сгорания, будь то «внешние» – паровая машина, или «внутренние» бензиновые и дизели, используют тепловую энергию горящего топлива лишь косвенно. Расширение газов внутри цилиндра выполняет полезную работу, но большая часть выделенного тепла вхолостую выбрасывается через выхлопную трубу. Нагревает атмосферу, создает жаркую «подушку» под колесами в пробках. Такова, увы,  неизбежная плата за теоретическую основу любого теплового мотора: из двух параллельных процессов – повышение температуры и увеличение объема – мы используем лишь второй. Наравне с внутренними потерями на трение это обусловило низкий КПД тепловых машин, но об этом позже. Разогретые газы, заключенные внутри камеры сгорания, ее, эту самую камеру, неизбежно разогревают. И для того, чтобы двигатель банально не расплавился, его нужно охлаждать.

Внутри блока и головки цилиндров есть каналы, заполненные охлаждающей жидкостью. Насос (помпа) гоняет ее по кругу между мотором и радиатором. Ну а радиатор, разумеется, должен обдуваться встречным воздухом, чтобы, нагревая его, остужать мотор. Ничего нового в этом нет – такие системы, поддерживающие баланс между выделяемым и отводимым теплом, существуют не менее века. Однако каждый элемент системы охлаждения претерпел за это время массу изменений.




ДВИГАТЕЛЬ ЭЛКО
Безусловным пионером по части экономичности и снижения тепловых потерь стала маленькая немецкая фирма Elsbett AG, которая уже более 50 лет конструирует и изготавливает небольшими сериями турбированные директ-дизели для стационарных установок и автомобилей. Ее основатель Людвиг Эльсбетт имел непосредственное отношение к самым передовым авиационным дизельным технологиям «Юнкерс» времен войны. Созданный им серийный двигатель еще сорок лет назад использовал принцип изоляции горящей смеси от стенок цилиндра, был на 25 процентов экономичнее любого аналога, потреблял топливо от солярки до растительного масла и не имел развитой системы охлаждения вообще. Развал СССР прервал один из самых впечатляющих, наверное, предперестроечных автомобильных проектов по адаптации дизеля ЭЛКО под капот «Москвича 2141» и ВАЗ-2121 «Нива». Под выпуск этих шедевров планировалось переориентировать оборонный Курганмашзавод, но в последний момент умирающая финансовая система Страны Советов не смогла осилить финальный платеж фирме Elsbett на смешную по нынешним временам сумму в 1 млн. долларов.




УЗЕЛ ПРОТИВОРЕЧИЙ
Начнем с радиатора. Казалось бы, чего проще? Внедорожнику необходим солидный запас на нагрев мотора в тяжелых условиях, значит, ставим радиатор шире и выше. За ним вентилятор побольше, и в итоге – отличное охлаждение, с запасом на всевозможные «вдруг». Но тот же автомобиль на ровном асфальте нуждается в гораздо меньшем теплоотводе. Габаритный радиатор используется от силы на четверть, ухудшая при этом обтекаемость передней части. К тому же современная стилистика, требования травмобезопасности для пешеходов диктуют использование радиаторов меньшей площади. А мощный вентилятор (минус несколько лошадиных сил мотора) уже при скорости в 70 км/ч абсолютно не нужен – хватает встречного напора. Значит, страдает экономичность. Но как совместить столько полярных требований в одной системе?

Повысить теплоотдачу можно, увеличив напор охлаждающей жидкости. Помпа, которая раньше вместе с вентилятором механически приводилась от двигателя, в современных разработках вращается собственным электромотором. Даже при минимальных оборотах двигателя она способна прокачать через радиатор максимальный объем. И вентилятор сегодня, как правило, электрический. Включается он только тогда, когда нужен, и зря мощности мотора не тратит. «Электрическим» стал и термостат, сменив в своем чреве термобиметаллический регулятор потока на электронную регулировку по сигналам датчика температуры.



ПОШАТНУВШИЕ УСТОИ
Есть и принципиально иные пути снижения тепловых потерь двигателя. Они кроются в пересмотре самого принципа горения топлива. Первыми радикально «охладели» дизели с директ-впрыском. Идея – организовать в камере сгорания зону пламени, не касающуюся стенок цилиндра. Отдать все тепло расширению газов и не тратить его на «холостой» нагрев стенок, повысив КПД. Практически выполнить это оказалось не так просто, но именно дизели со своим прямым впрыском позволили первыми уменьшить напрасное тепло. С этим хорошо знакомы владельцы многих дизельных машин, в которых морозным утром салон прогревается очень долго. Все тепло уходит прямиком на работу мотора, и излишков, способных разогреть нутро большого внедорожника, уже не остается. И поселяются под капотом таких машин всевозможные автономные подогреватели. Парадокс: на автомобиле, техническом шедевре экономии, приходится жечь дополнительное топливо, чтобы согреться. Хотя летом сохраняется рекордно низкий расход и никаких перегревов.


В мире бензиновых моторов тоже есть антитепловые чемпионы. Это двигатели, работающие по циклу Аткинсона, как на Lexus RX450h. Похожие условия горения, когда огненный вихрь концентрируется в центре камеры, заставляет обладателей всех гибридов наблюдать в холодное время года тепловой дефицит.


НЕ ТОЛЬКО МОТОР
Но автомобиль, а тем более полноприводный, излучает тепло не только своим «сердцем». Нагретая система выпуска (особенно катализатор), коробка передач и «раздатка», редукторы, тормозные механизмы – все нуждается в охлаждении. Некоторые из них годятся и в качестве «печки». По части выхлопа первые «звонки» использования дарового тепла уже прозвучали. Например, система Exhaust Heat Recovery, разработанная компанией Toyota для гибридных машин. В самом деле, если салону не хватает тепла «моторного», почему бы его не взять от всегда горячего глушителя?



ВЗГЛЯД В БУДУЩЕЕ
Единственный источник тепла в автомобиле, где пока вся немалая энергия выбрасывается в окружающую среду, это тормоза. Несомненно, что в век тотальной экономии и этот узел ожидают кардинальные перемены. И уже сегодня гибриды здесь впереди. Часть собираемой при торможении энергии у них перекачивается в виде электричества в батарею.

Наши с вами внедорожники должны превратиться в некоторое подобие «термосов», хранящих произведенное собой же тепло для самых разных нужд – от передвижения до обогрева салона и выработки электричества. Не страдающие лишними расходами энергии электромобили тоже никуда не денутся от сверхэкономного отношения к теплу. Для них экономия на обогрев сидений или лобового стекла особо актуальна. Да и стилисты, держащие палец на острие прогресса уже сегодня вовсю отказываются от той самой, широченной и определяющий чуть ли не само понятие «автомобиль», фальшрадиаторной решетки. Они-то знают, что у кроссовера будущего хромированной «зубастой пасти» не может быть по определению.