Паровые двигатели — что это такое?

Паровые двигатели не подходят для автомобилей в основном из-за того, что они должны работать на постоянной минимальной скорости, а регулировать скорость они не очень хорошо умеют.

Паровой двигатель не обязательно должен быть неэффективным, но лучше всего он работает при постоянном использовании.

На заре автомобилестроения паровые автомобили были распространены больше, чем что-либо другое.

Недостатки использования паровой энергии в автомобилестроении по сравнению с двигателем внутреннего сгорания:

• Неэффективность. В двигателе внутреннего сгорания химическая энергия преобразуется непосредственно в механическую энергию в виде расширяющихся продуктов сгорания газа. В паровом двигателе, наоборот, происходит дополнительный этап преобразования тепловой энергии от сгорания в перегретую воду, а затем перегретая вода расширяется, превращаясь в пар, который вырабатывает механическую энергию. Как правило, любое преобразование энергии из одной формы в другую сопровождается потерями энергии.


• Вес. Внешнее сгорание и дополнительная передача энергии воде/пару требуют дополнительного оборудования. Все это значительно увеличивает вес при выработке того же количества энергии


• Медленный запуск. Даже при использовании парового котла необходимо подождать некоторое время, чтобы вода нагрелась до температуры, при которой она может вырабатывать полезную механическую энергию. На заре двигателей внутреннего сгорания это не было существенным отличием из-за неудобств/опасности, связанных с ручным запуском. Однако с появлением стартеров это стало большим преимуществом для двигателей внутреннего сгорания.


• Водоснабжение. Необходимо либо перевозить большое количество воды, либо иметь на борту конденсаторное оборудование для повторного использования воды. В любом случае это приводит к значительному увеличению веса.

Несмотря на эти недостатки, автомобили вполне могут работать на пару. Просто использовать двигатель внутреннего сгорания экономичнее и удобнее.

На самом деле, как вы видите, двигатель внутреннего сгорания заменил паровой двигатель в качестве силовой установки для транспортных средств всех видов. Изначально он использовался в локомотивах в 1800-х годах для сообщения между восточным и западным побережьями США. Они также приводили в движение колёсные пароходы на Миссисипи и позволяли пересекать Атлантический океан на плаву. Но хватит об уроках истории.

Использование пара в качестве движущей силы автомобиля имеет ряд существенных недостатков:

• Время запуска — мы привыкли садиться в машину, заводить её и относительно быстро отправляться в путь. В паровом транспортном средстве нужно разогреть котёл, прежде чем можно будет начать им пользоваться. Он должен нагреться настолько, чтобы в нём образовался пар, который приведёт в действие двигатель. В зависимости от модели парового двигателя на это может уйти час или больше. Нельзя просто сесть в машину и поехать в магазин. Заметным исключением был двухместный паровой автомобиль, в котором была специальная газовая горелка и небольшие трубки, в которых одновременно находилось лишь небольшое количество воды. Это позволяло воде быстро превращаться в раскалённый пар. Время запуска было относительно небольшим.




• Большой и громоздкий — паровой двигатель обычно был тяжёлым. Это было связано с тем, что он состоял из двух частей (водяного котла и самого двигателя). Требовалось много металла, чтобы удерживать давление на нужном уровне и использовать двигатель. В наш век, когда «чем меньше, тем лучше», громоздкость парового двигателя сделала бы его устаревшим ещё до того, как он был бы спроектирован. Невозможно было добиться такой аэродинамики, как у современных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания.




• Опасно — по сравнению с современными двигателями внутреннего сгорания паровой двигатель был опасен. В нём был котёл, в котором создавалось очень высокое давление (особенно с учётом тогдашней металлургии). Это давление приводило в движение паровой поршень. Кроме того, у него был внешний источник тепла (огонь), который тоже представлял опасность. Если котёл взрывался, то не только разлетались осколки, но и пар с кипящей водой разлетались во все стороны в пределах определённого радиуса, нанося травмы всем, кто оказывался на пути.




• Низкая эффективность — утверждается, что КПД парового двигателя составляет всего ~20 % (что не сильно отличается от КПД бензинового двигателя внутреннего сгорания).

Одним из главных преимуществ парового двигателя было то, что он мог создавать большой крутящий момент. В упомянутом выше паровом автомобиле Doble было четыре поршня, которые приводили его в движение. В паровом двигателе поршень мог создавать силу как при движении вверх, так и при движении вниз (это относительное понятие, поскольку в этом автомобиле поршни располагались горизонтально). Если сравнить это с двигателем внутреннего сгорания, то при каждом такте двигателя вы получаете мощность. Это значит, что при четырёх цилиндрах у вас будет 16 рабочих тактов для четырёх поршней за два оборота коленчатого вала. В четырёхтактном бензиновом двигателе за два оборота коленчатого вала происходит только четыре рабочих такта. Это большое преимущество, потому что вместе с перегретым паром оно обеспечивает крутящий момент до 1000 фунт-футов.