Як перевірити ККД двигуна?

Сучасні автомобілі, оснащені потужними економічними двигунами внутрішнього згоряння, мають ККД карбюраторних двигунів 30-35%, а дизелів - 40-43%. Давайте перевіримо, чи такий ККД двигуна насправді.

1 кг бензину чи солярки при згорянні виділяє 46,1 МДж. А легковий автомобіль, що пройшов 100 км із середньою для міського руху швидкістю 40—60 км/год, витрачає на механічну роботу зі свого переміщення 20 МДж. Виходить, при ККД двигуна близько 40% витрата палива на 100 км має бути близько 1 кг! Але, якщо порахувати, виявляється, що реальний ККД двигуна трохи більше 10 %. У чому ж справа?

Будь-який тепловий двигун розрахований на певну потужність, і ККД його максимальний за потужності, близької до максимальної. Якщо автомобіль, наприклад легковий, цю потужність витрачатиме цілком, то їхати він повинен зі швидкістю 150-200 км/год. При цьому майже вся енергія піде на аеродинамічні втрати. Якщо ж їхати із середньою швидкістю 60 км/год, то двигун не використовуватиме навіть десяту частину своєї потужності. Ось і виходить такий низький ККД.

Якщо вважати ККД двигуна, найбільш економічний рух автомобіля спостерігається на швидкості 40-50 км/год для вантажівок і 60-70 км/год для легкових автомобілів. Мінімальна витрата палива при цьому називається контрольною витратою, але ККД двигуна все одно нижче 10%.

Двигун розвиває максимальний ККД за повної або майже повної потужності. Як бути, якщо двигун ефективно працює тільки на своїй повній потужності, яка майже ніколи не потрібна? Можливо, не потрібні автомобілям такі потужні двигуни? Ні, треба. Автомобіль з потужним двигуном стає динамічним, маневреним, безпечним, а отже, престижним.

А чи можна так, щоб було як у домашньому холодильнику: попрацював, накопичив холод - відключився, а як потеплішає, терморегулятор знову включить холодильник? Автомобільний двигун виробляє механічну енергію, а ми знаємо, що є її накопичувачі – пружини, стислий газ, маховики. Попрацював двигун на повній потужності з високим ККД, передав енергію у накопичувач – відключився, а автомобіль працює на цій накопиченій енергії. Чи це реально?

Так, це реально, такі гібриди теплового двигуна і накопичувачів існують, і витрачають вони палива в 2 рази менше в порівнянні зі звичайним двигуном. Накопичувач гібрида допомагає використовувати енергію на спусках та гальмуваннях, щоб не гасити її в гальмах. А це ще більше підвищує економічність автомобіля.

Незважаючи на те, що гібриди зустрічаються і з електричним накопичувачем, економічніше, звичайно, накопичувати механічну енергію руху без перетворень, наприклад, використовуючи маховик з варіатором на звичайному легковому автомобілі. Інші ж накопичувачі механічної енергії – пневматичні, гідропневматичні, пружинні, на жаль, не придатні для цієї справи – надто малі їх накопичувальні можливості. А ось газ – будь ласка! Особливо з гідравлікою – гідрогазові чи гідропневматичні накопичувачі!

Наприклад, при гальмуванні автомобіля з'єднана з його трансмісією гідромашина, працюючи в режимі насоса, закачувала в накопичувач масло, стискаючи газ. Для подальшого розгону олія з накопичувача прямувала в гідромашину, яка цього разу працювала б у режимі мотора та розганяла автомобіль. При цьому витрати палива зменшувалися на 30-50 % і значно знижувалася токсичність вихлопних газів.

Почасти можна вважати гібридною установку з газом, стислим у балонах і живильним приводом автомобіля – пневмокара. Справа в тому, що повітря при розширенні сильно охолоджується, і підігрів його сильно підвищує внутрішню енергію газу, а отже, і пробіг машини. Якщо підігрівати газ досить сильно, то встановлення видасть більше енергії, ніж у неї "закладали". Таким чином, виходить щось на зразок гібрида теплового двигуна та пневматичного накопичувача.