Похоже, наш век станет последним в истории двигателя внутреннего сгорания. Специалисты регулярно предсказывают истощение невозобновляемых топливных ресурсов: нефти, газа, угля. На Западе слышны призывы к экономии и независимости от экспорта углеводородов. Америка в этом порыве даже отменила запрет на бурение на шельфе Мексиканского залива. Правда, с катастрофическим результатом.

Городское население планеты всё острее ощущает неблагоприятные последствия автомобильных выбросов. В нашей стране, по статистике, почти половина жителей вдыхает воздух, в котором превышены пределы безопасного содержания вредных веществ. Москва же и крупные города просто задыхаются в выхлопных газах. Прошлым знойным летом многие россияне сполна ощутили цену глотка чистого воздуха.

Изучение мирового авторынка показывает, что производители автомобилей серьёзно задумались об экологии. Изрядно «зеленеть» их заставляют не столько общественные проблемы, сколько «шкурные» интересы. Экономический кризис последних лет поставил под вопрос существование многих автокомпаний. В Штатах, например, он «провалил» продажи автомобилей на два десятка процентов. Поэтому полсотни ведущих автофирм мира скрупулёзно изучают технические возможности восстановления спроса.

В первый раз поворот к автоэкологии случился без малого четыре десятилетия назад, когда на мировом рынке резко вздорожала нефть. Нынешняя политическая обстановка вызывает опасения в повторении этого сценария. Правительства и корпорации едины в желании сгладить возможные нежелательные последствия, в том числе, повернувшись в сторону экологии. Пока же доля «экологичных» автомобилей не превышает пяти процентов мировой автопопуляции.

Комплексный подход

Решать автомобильные экопроблемы можно и нужно комплексными мерами. И начинать надо с законов. Так, в развитых странах в последние десятилетия были значительно ужесточены экологические нормы и приняты долголетние экопрограммы. Это позволило существенно оздоровить экологическую обстановку, особенно в крупных городах, даже при теперешнем состоянии техники. Сегодня газеты уже не публикуют фотографии кислородных аппаратов на улицах Токио или Нью-Йорка.

Острота проблемы в местах скопления транспорта была снята, в основном, за счёт применения более экологичных видов топлива и совершенствования двигателей внутреннего сгорания. Сейчас в мире системой дожигания выхлопных газов (каталитическим нейтрализатором) не оснащен только один из десяти автомобилей, и две трети из этих машин наши.

Но мир не стоит на месте, гонка умов и технологий продолжается. В начале нашего века явно обозначились основные тенденции автомобилестроения, которые будут диктовать направления его развития в ближайшие десятилетия. Это отработка оптимальных, управляемых электроникой режимов движения автомобиля; это новые, часто более экологичные, материалы; это новые виды топлива и добавки к традиционным; это новые силовые установки и аккумуляторы энергии.

От А до В

Начало эры двигателей внутреннего сгорания ровно полтора столетия назад было положено первым массовым газовым мотором бельгийца Этьена Ленуара. С появлением карбюратора в них стали применять энергоёмкое и компактное в хранении жидкое топливо. Его запаса в топливном баке хватит на многие сотни километров пути, да и заправиться им можно и просто, и быстро. Другими способами быстро аккумулировать столько же энергии значительно сложнее. По энергозапасу на единицу объёма бака жидкие топлива сегодня вне конкуренции. У современных электроаккумуляторов удельный энергозапас значительно ниже, на порядок-другой.

Есть разработки, в которых аккумулятором энергии служит упруго сжатый газ, например, воздух. Но и здесь энергозапас много меньше, чем у бензобака того же объёма. Хотя и выше, чем у электроаккумулятора. Теоретически, оптимальным аккумулятором энергии для автомобилей мог бы быть просто вращающийся маховик, однако снимать с него мощность технически сложно. И всё же все эти подходы в той или иной степени реализованы в автостроении.

Оглядываясь назад, можно утверждать, что конструкция автомобиля с двигателем внутреннего сгорания развивалась эволюционно. И нет оснований считать, что эта эволюция не будет продолжена. Самый очевидный её путь – это совершенствование и доводка уже существующих конструкций, обводов кузова, трансмиссий, двигателей.

Общим местом стало утверждение, что сам по себе поршневой двигатель «вылизан» настолько, что принципиально исчерпал резервы увеличения своей эффективности.

Правда, производители периодически заявляют о росте мощности и экономичности новых модификаций их серийных моторов. Но характерные цифры здесь не превышают десятка процентов.

В печати иногда появляются сообщения об изобретении новых типов двигателей и принципиальных усовершенствованиях старых. Меняются схемы газораспределения, установки зажигания, форма камеры сгорания. Но максимальный замах большинства кустарей-одиночек с мотором – те же десять процентов.

Максимум коэффициента полезного действия современного двигателя внутреннего сгорания определяется термодинамическим циклом его работы. Обычная величина КПД бензинового мотора около трёх десятков процентов, у дизелей – раза в полтора больше. Полезная же доля энергии топлива, идущая на перемещение автомобиля из точки А в точку В, и того меньше и очень сильно связана с режимом передвижения. Её уменьшают частые ускорения, перегазовки, работа мотора на холостом ходу в пробках. В общем, функционирование двигателя в неоптимальном для него режиме.

Эластичность двигателя внутреннего сгорания, которая характеризует его возможность слабо реагировать на увеличение нагрузки и поэтому хорошо приспосабливаться к изменившимся условиям движения, сильно уступает таковой для электромотора. Именно по этой причине автомобильные коробки передач имеют много ступеней, тогда как экипажи на электротяге часто вообще в них не нуждаются.

От простого к лучшему

Первый самоочевидный путь совершенствования автомобиля и снижения его экологической нагрузки на окружающую среду – это оптимизация режимов его движения с помощью новейших коробок переключения передач и/или электронного управления. По этому пути идут многие. Например, большой интерес на последних автосалонах вызвала Honda Civic, «японка» девятого поколения, управляемая «умной» системой Honda Eco Assist. «Экоассистент» может автоматически выключать двигатель при остановке автомобиля, делать ускорение более плавным при резком нажатии на педаль газа и пр. Имеется несколько версий этого авто, в том числе и гибридная. Планируют строить и отечественный гибридный «Ё-мобиль».

Второй очевидный путь развития – это экономия топлива, а значит, уменьшение вредных выбросов за счёт снижения веса. Фирмы практикуют это на хорошо известных моделях за счёт применения новейших материалов. Например, популярный внедорожник Ford Explorer благодаря использованию лёгких пластиков и композитов экономит на единицу пути пятую часть топлива по сравнению со своим старшим клоном.

На кузова новых машин идёт и лёгкий металлопрокат с особой, как у булатного клинка, наноструктурой кристаллических зёрен, превосходящий обычный по механическим свойствам. Как в автоспорте, для серийных моделей начинают использовать рождённые в авиации и космонавтике углепластики, которые иногда армируют металлами. Производители идут по пути применения рам и силовых элементов кузова из лёгких металлов, алюминия, например.

Двигатель внутреннего сгорания хорош тем, что всеяден. Выпускавшаяся без малого два десятилетия, начиная с 1908 года, «жестянка Лиззи» (Ford T), пятнадцать миллионов экземпляров которой породили автомобильную Америку, могла заправляться и бензином, и спиртом.

Поэтому третий путь экоразвития – это подбор оптимального для конкретных условий топлива.

Здесь открываются возможности снижения вредности выхлопа, а иногда и прироста энергосодержания за счёт различных добавок и присадок. Правда, в зависимости от величины добавки к основному топливу, двигатель приходится в той или иной степени модифицировать. Прирост мощности и экологичности за счёт более полного сгорания даёт и закачивание с помощью турбонаддува большего количества окислителя (воздуха) в камеру сгорания. Наддув универсален, применяется от спорткаров до грузовиков.

Топливо для автомобилей можно получать даже при переработке сельхозкультур, органических отходов животноводства, древесины, фактически из всего, что может служить пищей живым существам. В связи с этим вспоминается случай, о котором писали зарубежные газеты. Был оштрафован автовладелец, от дизельного двигателя которого пахло жареными пончиками. Оказалось, он заправлялся использованным растительным маслом в дружественном кафе.

От лучшего к невозможному

Если повысить КПД двигателя внутреннего сгорания нельзя, надо сделать так, чтобы он всегда работал в оптимальном по эффективности режиме. А это определённый, узкий по частоте оборотов диапазон, свой для каждой конструкции. Форсажные режимы должны быть исключены. Поэтому четвёртая в нашей классификации экотенденция – это создание автомобилей с гибридной силовой установкой.

Идея её в том, чтобы соединить работающий в оптимальном режиме двигатель с колёсами через сложный привод. Этот преобразователь механической энергии, КПД которого высок, которым удобно управлять, энергию от которого можно отводить и запасать, и возьмет на себя функцию выбора режимов. Из-за этого гибридный автомобиль более эффективно использует энергию топлива, чем обычный. Преобразователем, например, может быть обратимый электродвигатель-электрогенератор с эффективностью за девяносто процентов, дополненный электроаккумулятором.

Конечно, работа всей гибридной силовой установки в разных режимах должна управляться сложными «электронными» мозгами. Доля участия каждого из двух моторов будет различной в зависимости от режимов движения. Но добиться этого с помощью электроники гораздо легче, чем механически. При торможении гибридный автомобиль рекуперирует энергию – электрогенератор возвращает её в бортовую энергосистему автомобиля.

Рис. 1. Гибридный двигатель гоночного
прототипа Porsche 918 RSR.

О гибридизации электродвигателей с другими силовыми установками писал ещё отец современной электроэнергетики и электромоторов Никола Тесла. Он рассматривал их преимущества для кораблей с турбинными силовыми установками. Для автомобилей гибридную идею в начале прошлого века впервые реализовал Фердинанд Порше на своих гоночных автомобилях Mixte. Его идеи не пропали втуне – на недавнем Детройтском моторшоу был показан гоночный прототип Porsche 918 RSR, на котором фирма предполагает тестировать гибридные двигатели для автоспорта.

Среди гибридов много разнообразных по устройству конструкций. Они могут позволять движение только на электротяге или нет. Они могут быть «заточены» на экономию топлива или на минимизацию выбросов. Но, несмотря на высокую цену, гибриды становятся всё более популярны. Самый известный гибридный автомобиль, появившаяся в 1997 году японская Toyota Prius к сентябрю прошлого года разошлась в количестве двух миллионов экземпляров, из них примерно миллион – в США.

По мнению большинства технических специалистов, гибриды являют собой переходную стадию к автомобилям без двигателя внутреннего сгорания, то есть к электромобилям. Которые, кстати говоря, в конце позапрошлого века были более распространены, чем бензиновые экипажи. На них проводились гонки и ставились рекорды скорости и надёжности, но не пробега на одной заправке. Впрочем, вопрос пробега спорен.

Ещё десяток лет назад автор с другом на его самодельном электромобиле полностью проезжали Московскую кольцевую автодорогу на одной зарядке. Средний же городской житель в день проезжает несколько десятков километров. В городе даже пробег электромобиля в сотню километров на одной заправке более чем достаточен. Не говоря уже об электророзетках на каждом углу. Заправка же электричеством оказывается в разы более дешёвой, чем бензином. Теоретических препятствий для распространения электромобилей нет. Так что основной тенденцией экологизации должен стать переход на электротягу.

Рис. 2. Японский электромобиль Nissan Leaf
признан лучшим автомобилем мира.

Что же до сих пор сдерживало развитие электромобилей, бесшумных экипажей без выхлопа, ещё недавно загнанных в резервации гольф-полей? Это, конечно, сопротивление топливно-энергетических комплексов, играющих первую скрипку в экономике мира. И правительств, проводящих в жизнь их интересы. А также производителей автомобилей и комплектующих к ним. Плюс инертность мышления и невежество на всех уровнях вкупе с неинформированностью потребителей.

Рис. 3. Спорткар Tesla Roadster 2,5 идет без
подзарядки аккумуляторов триста километров
и разгоняется до сотни за четыре секунды.

Сегодня электромобили есть в продуктовых линейках многих и планах большинства автопроизводителей. В апреле этого года на Нью-йоркском автосалоне выбирали «лучший автомобиль мира», который продаётся минимум в пяти странах и на двух континентах. Им был признан японский электромобиль Nissan Leaf, который в конце прошлого года стал лучшим и в Европе. В номинации «Лучший экологичный автомобиль» победил Chevrolet Volt, электромобиль на литий-ионных аккумуляторах с пробегом 80 километров. Сенсацией последних лет и мечтой миллионеров стал спорткар Tesla Roadster 2,5 с трёхсоткилометровым пробегом и разгоном до сотни в пределах четырёх секунд.

Современные литий-ионные батареи, которые применяются в сотовых трубках и ноутбуках, сегодня адаптированы для электромобилей. Они позволяют запасать в разы больше энергии, чем свинцово-кислотные аккумуляторы десятилетия назад. Вообще же КПД электромобиля втрое выше, чем у классического авто. И эта эффективность не в последнюю очередь достигается продуктом высокоразвитой электронной техники – «умными мозгами». И всё же электромобили, как в прошлом веке компьютеры, остаются дорогими при мелкосерийном производстве. Только массовый выпуск сделает их дешевле обычных авто.

Специалисты говорят, что нельзя исключить и элемент неожиданности, например, появления абсолютно новых источников энергии или силовых установок.

Работают в этой области очень активно. В печати периодически всплывают истории об очень ёмких аккумуляторах, о генераторах Тесла, получающих энергию буквально из «ничего», и даже ядерных реакциях в отдельно взятом «бензобаке». Пока же автобудущее, как и любое другое, неопределённо и предсказуемо лишь на уровне тенденций.

Рис. 4. Зарядки литий-ионных аккумуляторов Chevrolet Volt хватает на 80 километров.

Экология и жизнь

Особенности той или иной страны определяют относительную долю перечисленных направлений в развитии её авторынка. Единственный же экологически чистый и экономически оптимальный путь автостроителями мира пока не выбран. Однако создание экологичной и экономичной замены ДВС – это только полдела. Вторая сторона вопроса связана с внутренней политикой государств. Решение экологических проблем невозможно ни в одной стране без тесного сотрудничества властей предержащих и автопроизводителей, подстегиваемого общественным мнением её граждан.