Электромобили, вовсю размахивающие зеленым флагом экологии, потребляют электричество, выработанное путем сжигания угля в теплоэлектростанциях. Не честнее ли сразу бросать уголь в бак?

Адепты электрического привода для автомобилей в спорах со скептиками на первый план выдвигают экологические аргументы. Другой их козырь — освобождение от нефтяной зависимости и подготовка цивилизации к существованию без нефти. Скептики же задают энтузиастам электричества резонный вопрос — откуда возьмется электроэнергия для зарядки десятков миллионов аккумуляторов? Солнце? Ветер и гидроэнергетика? Возможно, но их развитие находится еще в начальной стадии и потребует колоссальных сдвигов в технологической области. Кроме того, многие эксперты утверждают, что развитие электротранспорта задохнется из-за острейшего дефицита редкоземельных металлов неодима и лантана. Что остается? Газ, который становится все дороже, и уголь, которого пока еще много. Особенно в Америке и Китае. Подавляющая часть электроэнергии, потребляемой этими странами, вырабатывается в результате сжигания угля в теплоэлектростанциях. Значит, электромобили, по сути, будут заправляться углем. Самым грязным видом топлива из всех известных человечеству. Автомобили на угле? А ведь это мы уже проходили…

От дизеля к турбине

Идея о применении угля в качестве моторного топлива возникла еще в XIX веке. Ее автором был знаменитый немецкий изобретатель Рудольф Дизель. Мало кто это знает, но дизельный двигатель создавался им специально под уголь, точнее — под угольную пыль. Разработку теоретической термодинамики дизеля и постройку действующего прототипа финансировали угольные магнаты Германии, искавшие альтернативу завозной нефти. Угольная пыль должна была вводиться в камеру сгорания вместе с воздухом и самовозгораться при сжатии смеси.

В 1893 году Дизелю удалось построить действующую модель двигателя, но во время испытаний тот взорвался. Сам изобретатель чудом избежал смерти и в дальнейшем наотрез отказался от использования угольной топливовоздушной смеси. Тем не менее опыты и исследования в области поршневых двигателей на твердом топливе продолжались. Известный немецкий инженер Рудольф Павликовский создал несколько модификаций двигателя внутреннего сгорания на угольной пыли, но все они страдали из-за высокого абразивного износа трущихся поверхностей, проблем с подачей топлива в камеру сгорания и громоздкой системы смазки. В итоге сделать надежный поршневой ДВС на доступном и недорогом угле так и не удалось.

В первой половине ХХ века уголь все-таки стал источником моторного топлива. В Германии была разработана технология производства синтетического бензина из каменного угля по методу Фишера-Тропша. Во время Второй мировой войны Третий рейх таким образом компенсировал львиную долю необходимой ему нефти. После окончания войны мировые нефтяные ресурсы значительно выросли, и дешевое топливо хлынуло на рынок. Но идея двигателя на угле не умерла, а была отложена в долгий ящик. Ящик пришлось открыть в середине 1970-х годов, и сделала это американская корпорация General Motors.

В те времена в недрах многих крупных автомобильных компаний разрабатывался целый ряд проектов, так или иначе связанных с адаптацией газотурбинных двигателей к легковым автомобилям. Руководство General Motors было уверено, что запасы нефти в мире иссякнут уже в начале XXI века, и усиленно работало над различными альтернативными силовыми установками. Кроме того, в дело все чаще вмешивалась политика: зависимость от короткого нефтяного поводка раздражала американцев. Чем Америка могла заменить ближневосточную нефть? Только собственным углем, разведанные запасы которого составляют колоссальные 500 млрд тонн. Да и удельная энергоемкость твердого черного золота из расчета количества джоулей на доллар затрат всегда была выше, чем у ископаемых углеводородов. Синтез бензина по методу Фишера-Тропша сразу был отвергнут из-за своей нерентабельности. Вот тут-то и пригодился опыт инженеров General Motors в области газотурбинных двигателей.

Всеядная турбина, в отличие от традиционного ДВС, вполне успешно могла превращать тепловую энергию твердого угля в кинетическую. Сам двигатель несложен конструктивно, легок и компактен. Но все это были лишь теоретические предпосылки. Осуществить невероятный проект угольного автомобиля было поручено команде Альберта Белла, крупнейшего специалиста по автомобильным ГТД, ранее работавшего в Chrysler вместе с Джорджем Хюбнером, создателем культового Chrysler Turbine Car. И Белл сумел это сделать. В 1978 году он представил руководству GM полноразмерный седан Cadillac Eldorado, оснащенный вместо родной четырехлитровой бензиновой «восьмерки» компактным газотурбинным мотором, работавшим на угле.

Несладкая пудра

Двигатель Eldorado действительно сжигал уголь, но, конечно же, не в виде булыжников или брикетов. Топливом для него служила угольная пудра. Инженеры из команды Белла спроектировали для ее получения специальную мельницу. Помол был настолько мелким, что, по словам одного из участников проекта, Пола Ульриха, рассыпанная пудра могла часами висеть в воздухе в виде тумана. Главной задачей команды Белла было создание системы питания силовой установки. Остальные компоненты малосерийного ГТД компании Detroit Diesel Allison практически не нуждались в модернизации. Руководство корпорации настаивало на использовании максимально возможного количества стандартных узлов и деталей в конструкции угольного мотора, и это серьезно замедлило процесс разработки.

Угольная пудра под воздействием вибрации быстро слипалась в крупные комки и твердела. Поэтому топливный бак, вернее, угольный контейнер, был оборудован компактным перемешивающим устройством. С этой задачей инженеры справились довольно быстро. А вот приготовление оптимальной топливовоздушной смеси и механизм ее дозированной подачи в камеру сгорания ГТД дались разработчикам куда тяжелее. Из пяти лет работы над проектом три с половиной года команда Белла занималась исключительно этим. В итоге им все-таки удалось придумать и создать хитроумное приспособление, напоминающее с виду транспортерную ленту.

В нижнюю часть топливного контейнера, располагавшегося непосредственно под капотом, был интегрирован специальный узел — газификатор, в котором угольная пудра смешивалась с поступающим под большим давлением атмосферным воздухом из компрессора. Это был функциональный аналог обычного карбюратора. Проникновению воздуха в контейнер препятствовал электромагнитный клапан. Уголь подавался в газификатор по транспортеру отдельными маленькими порциями, но с очень большой частотой, чтобы сделать смесь максимально однородной. Нажатие на педаль акселератора вызывало ускорение движения ленты и увеличение подачи воздуха. Готовая смесь поступала через сопло инжектора в камеру сгорания ГТД, где и происходило зажигание.

Быстро едет, да долго запрягает

Eldorado был оснащен пусковым дизелем, который автоматически выключался в момент поступления топливовоздушной смеси в камеру сгорания ГТД. Двигатель Белла даже на холостом ходу выдавал ломовой крутящий момент (после понижающего редуктора), но набор оборотов в нем происходил с большой задержкой. Задумчивость, связанная с высокими оборотами турбины и, следовательно, значительной ее инерцией, — это характерная черта всех ГТД, а в угольном варианте она проявлялась особенно сильно. Твердые микрочастицы пудры медленнее смешивались с воздухом, да и сам процесс подачи угля в газификатор был не таким быстрым, как впрыск жидкого топлива.

Еще одна общая проблема адаптации ГТД к автотранспорту — высокие рабочие обороты силовой турбины. На холостом ходу она вращается со скоростью 35 000 об/мин. Средний диапазон работы под нагрузкой — 45 000−65 000 об/мин. В экстремальных режимах турбина выдерживает до 90 000 оборотов. Традиционные ДВС работают в 15 раз медленнее. Поэтому в конструкции газотурбинного двигателя Eldorado установили промежуточный понижающий редуктор. Поток крутящего момента от него передавался на стандартную трехступенчатую автоматическую трансмиссию, далее — на карданный вал и неразрезной задний мост. На средних и высоких оборотах мотор работал достаточно экономично, но на низких был ужасно прожорлив.

По словам еще одного участника проекта Eldorado, Джона Шульта, звук работающего двигателя был не похож ни на что другое. Запускался он с характерным тракторным постукиванием пускового дизеля, которое переходило в негромкий свист турбины. В общий хор вмешивались высокочастотный звук работы миксера в топливном контейнере и шипение воздушного компрессора. На ходу автомобиль был довольно быстр, но требовал привыкания к слишком медленным откликам на подачу газа. Большой проблемой была заправка топлива в контейнер. Чрезвычайно летучая угольная пудра повисала в воздухе, покрывала руки, лицо и одежду, а отмыть ее было очень непросто. Шульт вспоминает, что весь персонал лаборатории в дни проведения стендовых испытаний напоминал бригаду шахтеров после смены.

Когда параметры топливной системы угольного Eldorado были отработаны, команда Альберта Белла оснастила аналогичной силовой установкой еще один автомобиль — Oldsmobile Delta 88. В 1981 году обе модели были показаны журналистам. На презентации вице-президент General Motors Ховард Керл заявил, что в XXI веке большинство автомобилей в Америке будет оснащаться газотурбинными двигателями на дешевой угольной пудре. Пророк из Керла оказался неважный.

На задворках истории

Практически сразу после помпезной презентации финансирование проекта было заморожено. Технология ГТД на угле была неплохо отработана, но руководство корпорации признало ее слишком экзотической, чтобы запустить в производство. По словам Ульриха и Шульта, газотурбинный проект в начале 1990-х был передан компании Detroit Diesel Allison. Новое руководство General Motors увлеклось идеей топливных ячеек и электромобиля на батареях, а от угольного проекта отмахнулось. Сейчас, 30 лет спустя, Пол Ульрих утверждает, что газотурбинный мотор на твердом угле создать несложно, да только сейчас он уже никому не нужен.

К сожалению, от этого невероятного проекта не осталось ничего. Следы газотурбинного Oldsmobile Delta 88 затерялись на испытательном полигоне GM в Милфорде. Что же касается того первого угольного Cadillac Eldorado, то он был передан Allison вместе с документацией, и его дальнейшая судьба неизвестна.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№3, Март 2009).