Технологический тупик

 

За последние 50-60 лет у человечества практически нет прорывов в технологиях – так, отдельные вспышки. Всё остальное только модернизация и улучшение компактности уже существующего, в том или ином виде.

Особенно остро это касается транспорта и всего, что связанно с энергией.

В данном разрезе покажу, на примере транспорта, что мы не просто в тупике – мы уже давно в тупике, и грядёт что-то новое. Психи говорят про неизбежность общественного транспорта на электро-тяге для всего мира (исключение составляют Россия и ещё пара-тройка государств, у которых есть дофига нефти и газа).

Возьмем дизельный двигатель.

Все, кто владеет автотранспортом, либо с ним связан, прекрасно знают этот мотор, он представляет из себя вариант ДВС, то есть двигатель внутреннего сгорания. После его создания и получения патента, Рудольфа Дизеля то ли убили, то ли он сам погиб, дело так и не раскрыли. Далее в 1898 году Эммануил Нобель сделал производство дизельных моторов на заводе в Петербурге.

Таки образом, можно констатировать начало серийного производства дизелей 1898 год. На сейчас, хочу напомнить, у нас 2024 год – прошло 126 лет. И что же изменилось в этом моторе?

А мало что. Аж до середины 90-х годов данный ДВС продолжал работать без существенных изменений. Конструкция блока цилиндров и поршневой группы менялась незначительно, добавлялось или убавлялось количество поршневых колец, для различной техники разве что изменилось расположение распределительного вала. Да и то – верхние распредвалы вы можете увидеть на пресловутом дизеле В2, который шел на Т-34 и БТ-7М еще до войны.

Обратили внимание? Берём сегодня любой современный дизельный мотор, будь то Cummins или Hinchai или Perkins, не важно, открываем крышку ГРМ, а там всё по-старому.

Исключение составляет топливная система. Там в течении ста лет она всё же модифицировалась, в том числе с помощью газовой турбины принудительного наддува. Самая серьёзная модификация дизельного ДВС произошла только в подаче топлива – в 90-х годах была представлена система впрыска дизельного топлива, которая называлась Common Rail, разработки BOSCH. До сегодня она дошла без особых изменений. Изменилось только давление топлива в рампе. И ВСЁ.

Причем смешнее всего то, что впрыск Common Rail пришел в дизеля из бензиновых моторов. Примерно так же, как намного ранее непосредственный впрыск пришел в бензиновые моторы из дизелей.

На этом обзор дизельного двигателя можно завершить.

Бензиновый ДВС.

Всё аналогично дизельному двигателю… кроме даты создания… первые модификации двигателя внутреннего сгорания появились почти на сто лет раньше дизельного. Работали, правда, первые ДВС на газу, в качестве топлива использовались различные газовые смеси (водородные в том числе).

Первый патент на газовый двигатель был получен в 1801 году (это официальная версия), в серию пошли в районе 1850-1870 гг.

ДВС, работающие на бензине, появились в США, где был создан первый испарительный карбюратор в 1870-х годах. Американец не хотел мучатся с газом, т.к. у него было полно керосина и бензина, начал с керосина, потом перешёл на бензин. Но в серию пошли карбюраторы немецких разработчиков Даймлер и Майбах (да, да, те самые).

В том или ином виде карбюраторные системы проработали в серийных авто практически до нулевых, в некоторых странах их до сих пор производят. Карбюраторы и сейчас широко применяются на мототехнике и бензомоторном инструменте, в бензиновых генераторах, мотоблоках и так далее. Пресловутые дроны “Герань-2” имеют бензиновый мотор аж с четырьмя карбюраторами, обеспечивающими мотору неплохую мощность, экономичность и высотность:

Переход на системы впрыска топлива в бензиновом варианте состоялся в 1930-х годах, и, как часто водится, начался с военной техники. В ту далёкую пору появились самолёты и прочая летучая техника, которая столкнулась с серьёзной проблемой карбюраторов – это переливы топлива в случае изменения углов наклона аппаратов. После серии экспериментов появился механический впрыск топлива, причем сразу непосредственный – бензин впрыскивался прямо в цилиндры двигателя.

Лидировали в этой технологии немцы и американцы. Тогда же немцы применили эту технологию в автомобилях – сначала рекордных и гоночных, а потом и в обычных гражданских (разумеется, высшего класса). В отличие от них, британцы пошли по другому пути и придумали диафрагменный карбюратор постоянного разряжения (который стал предтечей современных карбюраторов, а также систем так называемого центрального впрыска).

В автопроме механический впрыск активно применялся с 1960 по начало 1990-х годов 20 века, последние серийные образцы сошли с конвейера в 90-92 гг. Параллельно появилась электрическо-электронная система впрыска топлива.

Первые и лучшие системы работали только на крутых тачка! Porsche 911 turbo 75-89, Porsche 924/924 turbo, Porsche 928 78-85, Audi 80 GTE, Volkswagen Scirocco GTi/GLi, Audi 100 5E, Volkswagen Golf GTi, Mercedes-Benz W116 (SE), Ford Capri/Granada 2.8, Ford Escort RS/XR3i 1.6, Ferrari 512BB и так далее.

Затем из моторов принялись выжимать литровую мощность – не столько с целью улучшить их компактность, сколько с целью повысить КПД путем снижения тепловых потерь. Тут идея очевидна – тепловые потери через стенки камеры сгорания пропорциональны рабочему объему двигателя, поэтому выгодно повышать литровую мощность. При помощи турбонаддува (среди прочего утилизирующего часть энергии выхлопных газов, ранее впустую улетавшую в выхлопную трубу) удалось довести удельную мощность моторов до 100-150 лошадиных сил с литра рабочего объема, и даже более.

Верхом развития этой технологии является мотор Ford Ecoboost 1.0, вот такой:

У него всего 3 цилиндра, каждый по 330 кубиков рабочего объема – причем один цилиндр еще и отключается для экономии топлива, и с этих 990 кубиков снято 130-150 кобыл мощности благодаря турбонаддуву и непосредственному впрыску. Но главное – мотор чрезвычайно экономичен и достиг КПД, близкого к КПД современных дизелей.

Но инженеры понимают – это всё, ДВС близки к физическому пределу своего совершенства. Существенно улучшить их уже невозможно. Да и нужно ли?

Поэтому все новые тачки – это “свистелки” и “перделки” на колесах, они отличаются грелками для пупка и размерами ЖК экранов, размещенных в самых идиотских местах, но никак не новыми техническими решениями. Даже в подвесках автомобилей простые стойки МакФерсона, придуманные инженером Форда 70 лет тому назад, и соединенные с L-образными нижними рычагами, окончательно победили все многорычажные извраты и заняли почти 100% рынка.

А бензин как горел в цилиндрах ДВС, так и горит. Даже хвалёные гибриды – это не более чем генератор на колёсиках. Такие уже были сто лет назад, а электро-повозки ещё раньше появились, еще до машин с ДВС, лет двести назад. Сейчас за “новые решения” выдается давно отрыгнутый индустрией бесперспективный хлам – и понятно зачем выдается, этим занимаются аферисты, пилящие госбюджетные субсидии и надувающие биржевые пузыри, им важна “новизна” сама по себе, а не реальные преимущества, которых нет (но которые легко придумать и раздуть рекламой).

В реальности электротранспорт с аккумуляторами – это тупик. Он имеет смысл только в виде легких систем – электровелосипедов, электросамокатов, электроскутеров, на худой конец – в виде маленьких одноместных “капсул смерти” для поездок в городе на работу и за покупками. Но как только его пытаются масштабировать хотя бы до размера автомобиля гольф-класса – как недостатки аккумуляторов как источников энергии начинаюбт перевешивать все немногие достоинства.

Я полагаю, что прогресс транспорта будет проходить в направлении перехода с бензина и дизеля на метан. ДВС сохранятся, но будут работать на метане. Метановые моторы очень легко получаются конверсией дизельных двигателей, они имеют прекрасные характеристики, экологичны и удобны в эксплуатации. Запасов метана дохрена, их хватит еще очень надолго.

При переводе автотранспорта на метан выбросы оксида углерода (CO и CO2) снижаются в 2–3 раза, в 2 раза – оксида азота. В выхлопе газового транспорта полностью отсутствуют сажа и соединения серы. Кроме того, газ существенно дешевле бензина.

Остается лишь решить вопросы с хранением метана на борту транспортного средства. Существуют два основных подхода:

1. Баллоны высокого давления
2. Криогеника (сжиженный метан)

Оба подхода имеют преимущества и недостатки. Баллоны технически проще (и, если использовать обмотку баллонов кевларовой нитью на эпоксидке – они могут быть достаточно легкими и безопасными в применении), но они требуют использовать высокое давление (150-250 атм) при зарядке, и занимают относительно много места.

Криогеника работает при атмосферном давлении, но заправка идет жидкостью с температурой -162 градуса. Соответственно баком является криогенный термос с вакуумом между стенками, и из него неизбежно испарение метана из-за проникновения тепла. Испарением можно пренебречь, если вы ездите много и заезжаете на заправку каждый день или даже чаще, но если вам бака хватает на неделю поездок – испарение начинает бить по карману.

В целом считается, что для профессионального транспорта (автобусы, такси, грузовики) – криогеника примелимый вариант, а для индивидуалов лучше использовать баллоны.

Сейчас найден очередной передовой способ хранения метана в автомобиле методом адсорбирования. Метод, разработанный российскими учеными, как ожидается, совершит прорыв в газификации транспорта. Идея технологии адсорбированного природного газа заключается в использовании специальных нанопористых материалов (адсорбентов), способных поглощать газ в больших количествах. Заполненный нанопористым адсорбентом баллон можно наполнить большим количеством газа под меньшим давлением. При этом характеристики используемого адсорбента существенно влияют на объем поглощаемого метана.

Газ в такой системе хранится также в баллонах, но баллоны заполнены абсорбентом. В результате газ хранится при относительно низком давлении (скажем, 30 атм) – это делает баллоны гораздо легче, а заправку – безопасной. Кроме того, такие баллоны не взрываются в принципе – газ из абсорбента выходит с ограниченной скоростью.

Еще теоретически есть способ хранения метана в гидратах. Литр воды в гидрате связывает около 130-170 литров метана, получившиеся гранулы “гидратного льда” имеют относительно скромную температуру хранения (не -162 градуса Цельсия, а скажем -40), при этом легко отдают газ при подогреве, на выходе после отдачи всего газа остается просто вода.

Гидрат безопасен, его можно грузить лопатой, и даже если его поджечь – он будет просто гореть, как уголь.

Этот способ в целом понятен – остается создать техпроцесс, который позволял бы получать гидраты метана много и быстро без существенных затрат энергии. Над этим и работают.

По мотивам материала aftershock.news/?q=node/1371351

  • avatar
  • .
  • +20

24 комментария

avatar
Автор еще про электродвигатели не поныл. Прорыв в законах физики невозможен.
avatar
В реальности электротранспорт с аккумуляторами – это тупик.
поныл…
avatar
Нет, тут оговорка про аккумы. Тепловозы по сути вырабатывают электричество для своих электромоторов, которые их движут, тут нет тупика. Просто никто ничего не придумывал нового: паровые, бензиновые, дизельные двигатели — все работают на одном и том же принципе толкания поршня давлением газа (пара), электромоторы — та же фигня, единый принцип, реактивные — туда же. Пока не придумают новый принцип, который в корне отличается от перечисленных, тогда можно и говорить о прорывах.
avatar
Не в принципе дело, а в топливе. Как только появится способ из компактного топлива выжигать максимум мощности, тогда и прорыв будет.
Как только сделают компактные батареи с супер ёмкостью, будьте уверены, через год все будут гонять на электрокарах.
А если для реактивного двигателя придумают гиперэффективное топливо, тогда и по космосу полетать можно будет.
avatar
Прорыв в чем? Как были ДВС, так и останутся, только новое топливо, электромоторы будут на тех же физических принципах, реактивные тоже.
avatar
ну тогда только ВАРП, струны, червоточины и прочее… все остальное нифига не прорыв…
avatar
Про торсионные поля забыл…
avatar
Так можно рассуждать и про огнестрел. вон мушкеты и пушки были в 1600 г. где прогрес, как используют порох так и используют
avatar
Ну почему же, придумали рельсотрон, он по другим принципам работает. Правда реализация пока подкачала. Плюс лазер, но это так себе.
avatar
Если чтобы проехать 100 км тебе надо 20 литров бензина сейчас, и 5 милилитров на сжиженом гиперводороде, это будет прорыв? при этом ты зальешь 50 литров бака, и это будет безопасно? Однозначно будет. Хотя принцип останется тот же.

Вон ниже написали, раньше с пушки стреляли порохом ядрами, максимум метром на 200-300, и то вкривь вкось. А сейчас арта бьет на 50 км и точно по наводке с дрона — разве это не прорыв? А порох принцип выстрела всё тот же.

Или например почему не использовать э/м индукцию чтобы парить над металлической дорогой? Потому что заряда батареи не хватает, а сами батареи очень тяжелые.

Вопрос топлива, будет крутое топливо будут и новые технологии. Пока не научились из ядерного синтеза извлекать энергию у нас и АЭС с ядерными бомбами не было. Пока не появился порох, у нас не было 99% используемого сейчас оружия. Пока не появился бензин/керосин все на лошадках скакали.
avatar
За последние 50-60 лет у человечества практически нет прорывов в технологиях – так, отдельные вспышки.
Появление компьютеров, персональных и супер?
Появление сотовой связи?
Медицинская робототехника?
Неинвазивные методы лечения?
Интересно, что должно появиться, чтоб автор удовлетворенно кивнул головой «ага, вот это точно прорыв»? ВАРП-двигатель? Или ядерная батарейка для телефона?
avatar
У автора по двигателям пригорело конкретно.
avatar
Ты перечислил технологии прошлого века, середины прошлого века. Да, их упаковали плотнее чем раньше, но ничего более.
avatar
Ядерная батарейка уже есть на основе алмаза и улерода-14(отходы реакторов), правда не для сотовых пока.
avatar
ну если будет широко тиражируемая ядерная батарейка, то пофиг где ее использовать — в телефонах, автомобилях, самолетах, лазерах и т.д.
avatar
avatar
ядерная батарейка в деле )
avatar
Исходя из всех комментариев опять же вопрос: а что считать прорывом?
avatar
Тахионный нереактивный тащитель.
avatar
Вот придумают антиграв, тогда точно прорыв.
avatar
телепорт…

надоело добираться куда-то по несколько часов-дней

и чтобы в смартфон обязательно был встроен, а не такое убожество:


avatar
Ну, этож еще советский телепорт. Современные компактнее…
avatar
не, ну по фильму то это — 2084-й…
так что телепорт в смартфоне долго ещё придётся ждать…
но я согласен хотя бы и на такой для дальних расстояний, особенно когда маршрут «многотранзитный» — достали эти накопители, вокзалы, потом ещё на электричках, автобусах, метро, такси…
пока доберёшься до места — и отпуск уже не в удовольствие…
avatar
АГа, надо как в фильме Телепорт, бац и ты внутри сейфа банка, баблишко собрал — раз и уже в магазе затариваешься, а потом сразу на Бали )
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.