Ужин двигателя: Автомобиль на диете

Одним из первых стал использовать бензин в качестве моторного топлива (ранее он продавался в маленьких бутылочках в аптеках как средство от вшей) не кто иной, как Готлиб Даймлер. Изобретением карбюратора, позволившего переводить жидкое топливо в газообразное состояние и смешивать его с воздухом, он решил основную проблему того времени, и вскоре примеру Даймлера последовали другие. «Средство от вшей» теперь все чаще можно было встретить в обычных магазинах, залитым в большие канистры, а вскоре бензин появился на специальных заправочных станциях, которые стали непременным атрибутом каждого большого города.

Довоенные методы получения бензина из нефти не позволяли достичь высокого октанового числа, поэтому двигатели машин той поры имели меньшую степень сжатия топливовоздушной смеси и, соответственно, меньший КПД. Увеличить их эффективность не позволяло явление детонации. Когда октановое число бензина было недостаточно высоким для работы в двигателе с определенной степенью сжатия, смесь самовоспламенялась от поджатия, прежде чем до нее доходил фронт пламени от свечи. Такое воспламенение имело взрывной характер, и двигатель начинал работать с большими тепловыми и механическими нагрузками.

Однако за годы войны бензин как топливо сильно улучшил свои позиции. Вторую мировую войну не случайно называют «войной моторов», именно техническое превосходство часто становилось основной причиной побед.

В деле двигателестроения немцы были сильны, но и антигитлеровская коалиция имела свой козырь — лучший по качеству бензин. Британский премьер-министр Дэвид Ллойд Джордж отмечал, что его страна не выиграла бы в 1940 году воздушную битву за Британию, если бы у летчиков не было авиационного бензина с октановым числом около 100. Октановое число бензина немцев и японцев было около 87−90, и этот недостаток сильно снижал шансы на победу гитлеровских летчиков в воздушных боях.

После окончания войны технологии, изначально разработанные для авиации, нашли применение на автомобилях. С ростом октанового числа бензина росла степень сжатия двигателей, а вместе с ней их мощность и экономичность. Октановое число бензина обычно определяется пропорциями содержащихся в нем компонентов. Например, бензины, на которых работают моторы болидов «Формулы-1», содержат больше высокооктановых компонентов, таких как ароматические углеводороды и парафиновые углеводороды разветвленного строения, а также больший набор добавок, призванных снизить риск детонации.

Надо сказать, что создание высокооктановых бензинов для гоночных болидов — непростое дело. Специалисты ограничены жесткими рамками правил, которые запрещают использовать присадки, недопустимые к применению в обычном бензине. Так что залог успеха в подборе верных компонентов, составляющих «формульный» бензин. Между тем не многие догадываются, что бензин, который используется в «Формуле-1», — отнюдь не оптимальное гоночное топливо. Если бы не было ограничений, болиды ездили бы на более высокооктановом топливе, а скорее всего, это был бы вообще не бензин.

Если вы однажды окажетесь в Бразилии, то обратите внимание, что помимо бензина и дизельного топлива на местных заправках продается этанол. После разразившегося в 1970-х годах топливного кризиса правительство Бразилии решило воспользоваться своими огромными плантациями сахарного тростника и стало производить этиловый спирт из отходов этого производства. Бразильцам, ездящим на спирту, приходится мириться с увеличивающимся расходом топлива — ведь это компенсируется более низкой ценой топлива. Повышенный расход топлива объясняется меньшей, чем у бензина, теплотой сгорания. Если при сгорании 1 кг бензина можно получить около 43,4 МДж тепловой энергии, то с 1 кг этанола можно снять только около 27 МДж. Но если для полного сжигания 1 кг бензина нужно 14,6 кг воздуха, то для сжигания 1 кг этанола — всего 9 кг, поэтому при использовании этанола в воздух просто впрыскивается большее количество спирта, и мотор работает практически без потери мощности. Так как для обычных владельцев важно, чтобы их автомобили могли работать как на бензине, так и на спирте, степень сжатия моторов приходится ограничивать возможностями бензина. Но у спирта октановое число существенно выше, и эта особенность уже давно нашла применение в автоспорте.

Ядовитый метанол одно время был самым распространенным топливом для гоночных автомобилей. Октановое число по исследовательскому методу у него выше, чем у «формульных» бензинов, и равно 111. Высокая детонационная стойкость топлива позволяла заметно повышать степень сжатия двигателя, а соответственно, и эффективность его работы.

Метанол, имея на три единицы большее октановое число, чем у этанола, проигрывает ему по теплоте сгорания. 1 кг метанола способен выдать всего 19,6 МДж тепловой энергии — как минимум вдвое меньше по сравнению с бензином. Но зато для полного сгорания 1 кг метанола требуется всего 6,5 кг воздуха. Это позволяет при работе двигателя добавлять в воздух значительно большее количество метанола, чем бензина, — в результате чего в случае использования непосредственного впрыска метанола можно снять с двигателя большую мощность, чем при использовании бензина, даже без повышения степени его сжатия. Так что метанол прочно закрепился в автоспорте, но изобретатели не удовлетворились этим. Они пытались найти еще более «мощное» топливо, позволяющее заметно повысить отдачу «искрового» двигателя.

Поначалу такого топлива не нашли, но зато придумали технологию повышения энергетической ценности топливовоздушной смеси, а если точнее — смеси топлива и окислителя. Изобретатели нового вида форсировки решили избавиться от воздуха.

Сама идея этого способа повысить мощность двигателя всегда лежала на поверхности, но получила воплощение лишь в середине 1970-х, когда два гонщика, Майк Термос и Дайл Вазнаян, создали удобную автомобильную нитрос-систему — Nitrous Oxide Systems, или просто NOS.

Для сжигания топлива в камере сгорания двигателя нужен только кислород, однако мы загоняем в цилиндр воздух, в котором содержится лишь 21% кислорода. Чтобы в цилиндры попало больше кислорода и можно было сжечь больше топлива с высвобождением большего количества теплоты, конструкторы придумали такие способы, как наддув, непосредственный впрыск топлива, охлаждение входящего в цилиндры воздуха. Однако они не способствуют увеличению содержания кислорода в воздухе. Идеально было бы для повышения мощности оборудовать автомобиль баллоном со сжатым или сжиженным кислородом и поставлять его в цилиндры вместо воздуха, но возить его всегда с собой было бы слишком опасно. Поэтому был придуман другой вариант — добавлять к топливу закись азота N20. В отличие от воздуха, в ней содержится около 36% кислорода, кроме того, ее плотность примерно в 1,5 раза больше, чем у воздуха. Таким образом, используя закись, можно наполнить цилиндр в 2,5 раза большим количеством кислорода, а соответственно, примерно во столько же и увеличить мощность. В годы войны нитрос-системы нашли применение на поршневых самолетах, но настоящую популярность они обрели в 1970-х, когда простые и удобные системы стало возможным установить на обычный автомобиль. Нажатие кнопки — и автомобиль на несколько секунд превращается в ракету за счет стремительного роста мощности двигателя.

Но для американских пилотов дрэгстеров такой форсаж оказался недостаточным. Для них было разработано специальное топливо — нитрометанол, которое сформировало целый класс гоночных машин под названием Top Fuel. Нитрометанол — это смесь, содержащая в своем составе до 90% нитрометана СH3NO2 и около 10% метанола. Теплота сгорания нитрометана почти в четыре раза меньше, чем у бензина, — 11,3 МДж/кг, но зато для полного сжигания 1 кг этого топлива нужно всего 1,7 кг воздуха! Получается, что при работе на нитрометане в цилиндре можно сжечь в восемь раз больше этого топлива, чем бензина, получив более чем двойной выигрыш в энергии. Поскольку рабочий объем двигателей дрэгстеров серии Top Fuel составляет около 9 л и все они оборудованы механическим нагнетателем, нитрометанол позволяет мотору развивать около 6000 л.с. Более интересна другая характеристика: за секунду работы в боевом режиме такой двигатель сжигает около 4 л топлива! При этом нитрометанол не только эффективное топливо, но и прекрасный элемент шоу. Он сгорает не так быстро, как бензин, поэтому через выхлопную трубу из двигателя вырываются полыхающие выпускные газы.

Если до топливного кризиса 1970-х годов цены на бензин мало кого волновали, то после этого времени монополисты «искровых» двигателей стали все чаще искать более экономную альтернативу, а в 1990-е годы не меньшее внимание начали уделять еще и экологическим характеристикам топлива. Так, все бОльшим интересом начинают пользоваться сжиженный и природный газ. С экологической точки зрения природный газ представляется самой привлекательной альтернативой. При его использовании существенно снижается эмиссия токсичных выбросов с отработавшими газами, привлекателен он и с точки экономии топлива, ведь стоимость его заметно ниже бензина. Но достоинства перекрываются недостатками: во-первых, двигатель, работающий на природном газе, имеет затрудненный запуск в холодную погоду, а во-вторых, пока экономически целесообразней выпускать битопливные двигатели. Из-за этого двигателестроителям приходится ограничивать степень сжатия возможностями бензина, и высокое октановое число природного газа 130 оказывается бессмысленным. Так что, несмотря на то что теоретически двигатели, работающие на природном газе, могут выдавать большую мощность по сравнению с бензиновыми, на практике при работе на метане мощность снижается примерно на 10% и одновременно увеличивается расход топлива. На фоне природного газа использование водорода в ДВС выглядит менее перспективным. Теоретически, если двигатель оборудовать непосредственным впрыском водорода, его мощность можно увеличить примерно на 20% по сравнению с аналогичным бензиновым. Ведь теплота сгорания водорода — 120 МДж/кг, правда, она частично компенсируется тем, что для сгорания 1 кг водорода требуется 34,48 кг воздуха. Но почему же тогда водородный C-MAX не впечатлил пишущую братию? Оказывается, мощностью решили пожертвовать ради экологии. Дело в том, что вопреки созданному стереотипу из выхлопной трубы водородной машины выделяется не только вода, но и токсичные оксиды азота. Особенно высоко их образование при работе мотора на стехиометрической смеси, когда внутри цилиндра создаются высокие температуры. Поэтому, чтобы сделать выхлоп по-настоящему чистым, мотор заставляют работать на обедненных смесях — добавляя в цилиндр меньше водорода, чем это возможно. В итоге при переходе с бензина на водород машина теряет почти половину мощности. Так что поиски оптимального топлива для «искрового» ДВС продолжаются...