Быстро или медленно?

Десять граммов условного топлива нужно израсходовать, чтобы перевезти по железной дороге одну тонну груза на расстояние в один километр. Много это или мало? С чем сравнить эту величину?

Теоретически вообще не нужно затрачивать никакой энергии для того, чтобы при равномерном движении без трения переместить груз по горизонтальной поверхности. Затраты необходимы при ускорении и торможении. Другая причина энергетических потерь - трение. Без него не смог бы существовать наш мир, но за использование сил трения нужно платить дорогой ценой. Рельсы, асфальт, вода, воздух препятствуют движению. Расход энергии зависит от типа двигателя, его КПД и, конечно, от вида транспортного средства, его размеров и формы.

Морской и речной транспорт расходует топлива в 10 раз меньше, чем железнодорожный,- всего 1 грамм на один тонно-километр. Это и понятно. Ведь и скорость у судов поменьше, и размер побольше. У автомобилей больше скорость, но гораздо меньше грузоподъемность. А отсюда и значительные затраты энергии - 200 граммов на тонно-километр.

Ради наглядности сведем эти показатели (расход топлива в граммах на один тонно-километр) в таблицу:

Пчела транспортирует свое тело самым неэкономичным образом, а вот человек передвигается гораздо эффективнее. Если бы конструктору предложили охарактеризовать человека как транспортное средство, он сказал бы: "Двигатель с автономным энергопитанием линейного типа. Весьма доступен и прост в обращении, надежен в работе. Конструкция усовершенствована опытами, проводившимися длительное время. Работает в широком диапазоне общедоступных топ лив. Средний срок службы без капитального ремонта составляет 70-80 лет".

Вернемся к железным дорогам. Они обеспечивают половину всего грузооборота страны. Еще одна треть грузов передается по трубопроводам. Остальное перевозят морской транспорт, авиация и автомобили.

Не вот какая несообразность - на долю автомобилей приходится одна двадцатая грузооборота, а расходуют они 70 миллионов тонн условного топлива. Это почти треть транспортного энергопотребления. В то же время железные дороги, обеспечивающие 3,5 миллиарда тонно-километров грузовых перевозок, забирают всего 15 процентов топлива.

Почему бы не передать половину автомобильных перевозок железнодорожному транспорту? Тогда дефицитного жидкого топлива будет сэкономлено около тридцати миллионов тонн!

Однако столь кардинальное совершенствование внутриотраслевой транспортной структуры неосуществимо по нескольким причинам. Во-первых, автомобили незаменимы при доставке грузов на малые и средние расстояния. Необходимо также перевозить грузы потребителям с железнодорожных станций. А ведь существуют еще карьеры, где не обойдешься без большегрузных автомобилей. Кроме того, в удаленные и труднодоступные места невыгодно пока прокладывать железные дороги, которые становятся экономичными только в том случае, когда грузопоток на них достаточно велик.

Энергетика сегодня и завтра

Совсем недавно завершилось строительство БАМа. Десятки тысяч молодых строителей не жалели сил, сооружая одну из самых трудных железных дорог страны. Им бросали вызов и местность, и климат, и отдаленность от человеческого жилья. Однако в ближайшие пятилетки на БАМе будет экономична только одна колея. Подойдет время, и проведут вторую нитку. И лишь потом встанет вопрос об электрификации. А почему не сделать этого сейчас?

Вопрос стоит так: "Что выгоднее - тепловоз или электровоз?" Затраты первичной энергии на электротягу (то есть топлива на электростанциях, вырабатывающих электроэнергию) меньше, чем на количество дизельного топлива, потребляемого тепловозами. Кроме того, электростанции вырабатывают электроэнергию из менее дефицитного угля, сланцев, ядерного горючего. Вроде бы электровоз выгоднее?

Однако электрифицировать железную дорогу - дело очень дорогое. Нужно затратить около 100 тысяч рублей на километр пути. Электрификация выгодна, если напряженность перевозок по железной дороге велика, так как в этом случае капиталовложения быстро окупятся. Если же железнодорожных эшелонов пропускается мало, лучше использовать тепловоз.

У нас в стране средняя грузонапряженность очень большая - около 25 миллионов тонн в год. Если состав весит 3 тысячи тонн, то железная дорога пропустит в год около восьми тысяч эшелонов, а с учетом пассажирских поездов - вдвое больше. Составы будут следовать друг за другом каждые полчаса. Такая высокая загрузка обусловливает и высокую экономичность железнодорожного транспорта нашей страны.

В Западной Европе и США картина совсем другая. Железных дорог там построено очень много. Например, в США - около 300 тысяч километров железнодорожных путей. Однако используются они весьма слабо, даже расточительно. Грузопоток достигает всего 1-1,5 миллиона тонн в год, то есть в пять-десять раз меньше, чем в СССР. Поэтому электровозы там невыгодны. В США доля электрифицированных железных дорог составляет всего один процент.

В СССР же электрифицировано более трети железных дорог, по которым проходит половина грузооборота страны.

Совершенствование железнодорожного транспорта идет по всем направлениям - создаются более мощные тепловозы, увеличиваются их скорости. Идут испытания поездов на магнитной подвеске, разрабатываются проекты экспрессов, "летящих" в тоннелях. Нужны разные поезда - быстрые для пассажиров и экономичные для грузов.

Разумеется, конструкторы железнодорожного транспорта, конечно, тоже думают о том, как уменьшить затраты энергии.

На кольцевой линии Московского метро появился новый поезд с серебристыми шестигранными бочкообразными вагонами, выполненными из высокопрочных алюминиевых сплавов. Весят эти вагоны почти вдвое меньше прежних, также сделанных на Мытищинском машиностроительном заводе. Уменьшенный вес - это первый выигрыш, позволивший увеличить полезную нагрузку. Кроме того, бочкообразная форма позволяет взять в каждый вагон на 30 пассажиров больше.

В поезде применена система возврата электроэнергии обратно в сеть в тот момент, когда он начинает тормозить. Двигатели при торможении переводятся в режим выработки электроэнергии, то есть работают как электрогенераторы. Только в результате этого усовершенствования энергозатраты уменьшаются на 12 процентов.

Из-за рельефа местности, ограничений при прохождении опасных участков, остановок на станциях скорость движения железнодорожных поездов неравномерна. Это значит, что можно выбирать оптимальную скорость, при которой расход топлива минимален. Делать это можно различными способами.

На станции Москва-Пассажирская - Курская машинисты депо пользуются методом "усредненных скоростей". Оптимальный режим работы двигателя выбирается в зависимости от характера пути, но на глазок. Лучше иметь перед глазами машиниста прибор-советчик, который связывал бы расход энергии со скоростью, профилем дороги.

На автомобилях такой прибор уже испытан. Когда шофер следит за расходом бензина на 100 километров пути по стрелке бортпроцессора, он становится бережливее. Изобретатель устройства Велло Лейто считает, что с его помощью можно сэкономить до 15 процентов бензина.

Самые опытные водители, садясь за руль "Жигулей", удивлялись: судя по показаниям прибора, они пользовались машиной крайне неэкономично. Привыкнув нажимать на педаль акселератора перед подъемом, они расходовали на испытательном участке до 15 литров бензина. Изобретатель же благодаря своему бортпроцессору при той же средней скорости укладывался в 11-12 литров. Освоив новый экономичный стиль езды, водитель приучается тратить минимально необходимое количество горючего.

Безусловно, подобный прибор пригодился бы и машинистам тепловозов.

Сейчас на железных дорогах страны уже не осталось паровозов. В 1955 году на стальное шестикилометровое кольцо подмосковной испытательной станции близ Щербинки вывели самый мощный (4800 лошадиных сил) последний экспериментальный паровоз отечественной конструкции. "Век паровоза навеки ушел в прошлое, ибо на смену им пришли более совершенные локомотивы",- писали в газетах.

Однако в последние годы в печати мелькают сообщения о попытках опять вернуться к паровозу. "Паровозная ностальгия" - не просто от любви к старине. Изобретатели-конструкторы надеются создать "новые" паровозы с высоким КПД.

Первый русский паровоз, построенный Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе, перевозил 3,3 тонны груза со скоростью 15 километров в час. КПД последнего паровоза мощностью 4800 лошадиных сил был всего около 9 процентов. В проектах "неопаровозов" эту величину удалось поднять почти в три раза благодаря сжиганию в топках угольной пыли, уменьшению выброса в атмосферу вредных веществ.

Если КПД составит двадцать пять процентов, такой локомотив становится выгодным. У нас в стране есть много регионов с большими запасами каменного угля, где электрификация железных дорог еще нецелесообразна. Это, в частности, и район БАМа.

Уголь рассматривается как возможное топливо не только в паровозах, но и автомобилях. Конструкторы фирмы "Дженерал моторе" создали двигатель, работающий на угольной пыли с величиной частиц меньше трех микрон. Золу и серу удаляют мокрым рафинированием - уголь смешивают с жидким растворителем и очищают. Угольная пыль вдувается из карбюратора в камеру сгорания сжатым воздухом. Для запуска такого турбинного двигателя необходимо жидкое топливо. Есть и другие неудобства. Мелкодисперсный уголь склонен к слеживанию, поэтому бак необходимо подвергать постоянной вибрации. Главная нерешенная проблема - очень высокое содержание в выхлопных газах окислов азота.

Фирма "Дженерал моторе" не оригинальна. В начале XIX века француз Жозеф Ньепс, считающийся одним из первооткрывателей фотографии, изобрел и двигатель внутреннего сгорания. В качестве топлива в нем использовалась угольная пыль, смешанная со смолой. На реке Сене лодка с мотором Ньепса демонстрировалась перед французским императором Наполеоном I, не сумевшим оценить изобретение. Оно было забыто, но созданный почти сто лет спустя первый двигатель Дизеля также работал на угольном порошке.

Сейчас получили широкое распространение дизельные двигатели. Расход топлива в них на 30-40 процентов меньше, чем в двигателях внутреннего сгорания карбюраторного типа. В карбюраторных двигателях процесс горения инициируется при пропускании искры через сжатую смесь паров бензина и воздуха. В дизельных же двигателях воспламенение происходит от сжатия. Сначала воздух в цилиндрах сильно сжимается и при этом разогревается до 500-600 градусов, а затем под давлением в цилиндр впрыскивается горючее, которое загорается и медленно сгорает. Слово "медленно" говорит о том, что скорость горения топлива в дизельном двигателе меньше, чем в карбюраторном. В карбюраторных моторах применяются высокооктановые недетонирующие бензины, а для дизельных нужно другое топливо с высоким цетановым числом, характеризующим склонность топлива к самовозгоранию.

Перевод автомобильного транспорта на дизельные двигатели - одно из главных направлений экономии энергии. Возможности здесь еще далеко не исчерпаны. Так, конструкторы надеются, что с помощью топливных насосов прямого впрыска, отказавшись от существующей сейчас форкамеры, можно уменьшить расход топлива еще на 15 процентов.

Самый главный и дешевый путь снижения расхода горючего - это борьба с перерасходом, уменьшение не проектных, а эксплуатационных его расходов за счет организации правильной эксплуатации автомобиля. Что для этого нужно сделать?

Надо оснастить автопарки, пункты технического сервисного обслуживания современными средствами диагностики и регулировки топливной аппаратуры. Большую помощь может оказать и описанный выше бортпроцессор. В комплекте со стрелочным прибором выпускается также и цифровой, дающий информацию о некоторых параметрах работы двигателя.

Много ли могут дать такие меры? Когда я, автолюбитель с 25-летним стажем, увидел в одной из книг данные по перерасходу топлива из-за различных неисправностей, то был поражен. Судите сами. Расход топлива увеличивается (в процентах):

А насколитре бензина 1028 километров. Мировой рекорановлен в Швейцарии - 1284,13 километра на одном литре бензина. Однако этот рекорд был показан при меньшей скорости и более благоприятных дорожных условиях. Машина весит 55 килограммов, у нее пластмассовый корпус, мощность равна 0,736 киловатта.

Достижения автомобилестроителей на первый взгляд поражают. "Жигули" расходуют на 1200 километров 100 литров. Однако учтем, что скорость и вес у автомобиля-рекордсмена гораздо меньше. Скорость "Жигулей", при которой определен расход топлива, в четыре раза больше (80 километров в час). Если принять усредненную квадратичную зависимость от скорости, то показатель расхода автомобиля-рекордсмена увеличился бы в 16 раз. А ведь "Жигули" к тому же вдесятеро тяжелее.

Конечно, рекорды наглядно показывают, что облегчение автомобиля за счет применения пластмасс даст существенную экономию в расходе бензина. Эти рекорды заставляют также задуматься о том, какая скорость оптимальна в том или ином случае. Между тем наши автомобилестроители, сообщая о создании новых моделей, почему-то не всегда считают нужным говорить о важнейшем показателе - затратах горючего, а делают упор на скорость, приемистость. Впрочем, сейчас конструкторы стремятся уменьшить расход топлива по всем направлениям. Они совершенствуют аэродинамику автомобиля, снижают потери на трение, всячески облегчают конструкцию и, конечно, повышают КПД двигателя.

Многие слышали про автомобиль японской фирмы "Исудзу" с двигателем из керамики. Достоинства его отнюдь не исчерпываются уменьшением расхода металла. Главное - существенное повышение КПД.

В двигателях внутреннего сгорания можно превратить в полезную работу около 70 процентов энергии израсходованного топлива, однако на практике эффективный КПД равен всего 28-38 процентам, то есть вдвое меньше. Большая часть тепла теряется с охлаждающей водой, маслом, выхлопными газами. Эффективность термодинамического цикла существенно возрастает при повышении температуры газов в цилиндрах двигателя. Однако при перегреве стенок цилиндров двигателя падает их прочность и стойкость. Можно охлаждать стенки, усилив наружное охлаждение, но тогда опять возрастут потери. Идеален так называемый адиабатный двигатель, от цилиндров которого не нужно отводить тепло. Применение керамических материалов и позволяет приблизиться к идеалу.

Дело в том, что керамические материалы наподобие соединений кремния с углеродом или азотом (карбиды в нитриды кремния) способны выдерживать температуры до 1500 градусов. Ныне уже научились изготовлять детали требуемой формы путем спекания и прессования керамических порошков.

Быстро или медленно?

Остается еще добавить, что при температуре в камере сгорания 1200 градусов двигатель становится многотопливным. В нем можно использовать также керосин, различные спирты, синтетические соединения из угля и даже некоторые сорта мазута.

КПД керамического двигателя удается поднять до 45- 50 процентов, а при использовании тепла отходящих газов и полном устранении потерь на охлаждающую жидкость - даже до 55-60 процентов. Всем хорош этот двигатель, кроме одного, но очень важного показателя - ресурса работы. Пока он еще очень мал. Разные модели выдерживают всего от 50 до 500 часов.

Привлекательно уменьшить расход бензина и дизельного топлива, заменив их другими энергоносителями - дровами, водородом, различными синтетическими веществами, природным газом, электроэнергией.

Даже солнечные автомобили уже перекочевали со страниц научных журналов на гоночные трассы. Не так давно в Швейцарии состоялась 365-километровая гонка. Победу одержал "гелиомобиль" с поэтическим именем "Солнечная серебряная стрела". Вес его - 180 килограммов. Серебряно-цинковые аккумуляторы заряжаются от 432 солнечных элементов, размещенных на его крыльях. Скорость - до 70 километров в час.

"Гелиомобили" - это возможное будущее, а сейчас неплохо зарекомендовали себя двигатели на природном газе. Если в металлических баллонах сжать газ до 200 атмосфер, то на одной заправке такси проедет 200, а грузовой автомобиль 300 километров.

Применение природного газа высокого давления связано с рядом недостатков и трудностей. Нужно создать широкую сеть специальных газозаправочных станций, а это требует больших капиталовложений.

Еще один недостаток - понижение грузоподъемности автомобиля из-за большого веса баллонов. Однако и тут возможны усовершенствования. Так, баллоны из низколегированной стали весят в 1,5, а из композитных материалов - даже в 6-7 раз меньше. В таких баллонах давление можно существенно повысить.

Природный газ обладает важными достоинствами, которые также должны приниматься в расчет. У него высокие антидетонационные свойства. Поскольку газ не смывает смазку в двигателе, межремонтный пробег увеличивается в 1,3-1,5 раза.

Мы рассмотрели два вида транспорта средней скорости - железнодорожный и автомобильный. Народному хозяйству необходимы также как медленные (морские и речные), так и более быстрые (авиационные) виды перевозок. Но везде важнейшей задачей остается изыскание наиболее эффективных путей сбережения горючего, экономии энергии.