Двигатели прогресса

В 1894 году под Парижем стартовал Concours de Voitures — прообраз современных автомобильных гонок. Его целью было выяснить, какой из имевшихся в то время безлошадных экипажей надежней и быстрей — работающий от энергии керосина, пара, электричества, газа, пневматики, системы гирь и противовесов или даже силы земного притяжения. Прошло больше века — и мир снова на распутье: только теперь во главе угла стоят вопросы экологии вообще и энергосбережения в частности.

Сергей Суховский

Автомобиль с обычным двигателем внутреннего сгорания признан одним из главных виновников разрушения озонового слоя. Но что есть, то есть: в ХХ веке концентрация в атмосфере углекислого газа СО2 увеличилась в полтора раза и продолжает расти. Но пока что привычный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) — что с бензиновым, что с дизельным — все еще вне конкуренции в большинстве режимов езды, особенно на внедорожье или на трассе, где двигатель работает в режиме своего максимального КПД. Гибридные силовые установки в таких режимах работы "на всю катушку" отстают из-за необходимости дополнительного охлаждения аккумуляторов. А вот в городе гибриды выигрывают и у бензиновых, и у дизельных моторов с разгромным счетом. Причем, чем плотнее трафик — тем существенней разница: электромотор использует малейшее нажатие на педаль тормоза для зарядки батарей, чтобы затем, уже в режиме тягового мотора, помочь автомобилю эффективней разгоняться. Или в режимах передвижения с низким КПД (холостой ход, дерганье в тянучках, езда от светофора до светофора), ДВС и вовсе исполняет главную роль, экономя топливо. Помогает уменьшить расход, а значит, и вредные выбросы в атмосферу и экологически возобновляемое топливо — биоэтанол Е-85. Технологией flex-fuel, позволяющей ездить как на А-95, так и на биоэтаноле Е-85, оснащают и малолитражки гольф-класса вроде Ford Focus и суперкары уровня Bentley Continental Supersports стоимостью от 230 тыс. евро. Только вот биоэтанол не очень-то энергоемок: в сравнении с обычным А-95 на одном литре Е-85 автомобиль проезжает не более 75% пути.

"Чисто" электромобиль вообще не заезжает на заправку, предпочитая обычную бытовую электросеть с напряжением 220 Вт. Но проигрывает автомобилю из-за малого запаса хода, а значит, и необходимости находится вблизи от источника электропитания. Пробег водородомобиля (автомобиля на топливных элементах) вовсе тождественен обычному автомобилю. А сам водород, в отличие от продуктов нефтеперегонки, самый распространенный элемент во Вселенной. И люди уже научились "выделять" его не менее экологическими способами, вроде электролиза воды или разложения биомассы. Но в промышленных масштабах его пока что добывают исключительно из метана, в ходе чего в атмосферу выделяется большое количество углекислого газа. Да и заправок по всему миру — раз-два и обчелся.

ДВС

Последовательные шаги по сокращению расхода топлива плюс ужесточение экологических норм доказали свою эффективность. Отказ от карбюраторных систем в пользу впрыска топлива, глобальное внедрение каталитических нейтрализаторов, жесткие нормы токсичности выхлопа привели к тому, что во многих столицах стран Западной Европы в час пик дышится чище, чем в полночь в Киеве. Более того, мотористы совершенствуют бензиновые и дизельные двигатели со скоростью, превышающей технологический прогресс альтернативных силовых агрегатов. Достаточно вспомнить такие вехи, как система common rail, непосредственный и точечный впрыск, изменяемые фазы газораспределения и параметры впускного тракта, системы рекуперации энергии и "стоп-старт". Впрочем, даже ни разу не сидевшие за рулем домохозяйки понимают, что это тупиковый путь развития — по самым радужным прогнозам запасов нефти хватит лет на 50.

Гибриды

Внедрение гибридных технологий также является эффективной, но временной мерой. Максимум чего можно добиться — благодаря потреблению значительно меньшего количества топлива отсрочить на пару десятилетий нефтяную агонию мира. Сегодня бензин-электрическими силовыми установками оснащаются авто от мала до велика — вплоть до представительских седанов Lexus LS600 и спортсувов BMW X6. Хотя первому гибридосодержащему — Toyota Prius --- только ленивый не предрекал коммерческий крах из-за неэстетичного дизайна. Но эстеты оказались посрамлены — ни на что больше не похожий Prius с 1997 года разошелся уже полуторамиллионным тиражом. И стал таким же символом экологичной сознательности, как сортировка мусора по принципу "стекло", "пластик" и "все остальное". А вот появившаяся годом позже Honda Insight подобной популярностью похвастаться не может, хотя смотрелась куда привлекательней, стоила почти так же, как и обычный Civic, и была не столь сложной. В отличие от глобальной "тойотовской" концепции Hybrid Synergy Drive, "хондовцы" выбрали путь "мягкой гибридизации", то есть максимально возможной унификации с уже выпускающимися моделями. Например, в случае с Mercedes S400h и BMW ActyveHybrid 7 сразу за двигателем, но перед трансмиссией устанавливается небольшой электромотор, генерирующий энергию при торможении и закачивающий ее в аккумуляторы. Чтобы затем в качестве тягового двигателя помогать при разгоне основному силовому агрегату. Моторчик настолько маломощный, что исключается возможность передвижения только на электротяге. "Тойотовская" же система позволяет электромотору заменять ДВС при медленной езде, разгонять автомобиль со старта, дрейфовать в тянучках и между светофоров.

Интересно, что куда большее распространение концепция Hybrid Synergy Drive получили не в собственной "тойотовской" линейке и не в молодежной модели Scion, рассчитанной на рынок США, а в премиумном подразделении Lexus. Хотя, как ни крути, малолитражки масштаба Yaris и Corolla, не говоря уже о всем модельном рядя "скиона" куда "зеленее". Но дело не только в "цене вопроса", хотя на фоне премиумной стоимости авто надбавка не столь заметна. И не в компоновочных решениях — хотя в большом автомобиле легче найти место для батарей и необходимой инфраструктуры, да и экономия топлива заметней. Главное, что именно премиум-клиенты наиболее восприимчивы к инновационным технологиям.

Следующий шаг в развитии гибридных силовых установок — возможность подзарядки аккумуляторов от обычной бытовой электросети. Причем не только ночью, но и днем на специально оборудованных паркингах — чтобы в городе вообще не использовать топливо. Кроме того, прогресс просматривается в интеграции с навигационными системами, в которых со временем будут прописаны не только конфигурации дорог, но и их рельеф, то есть электроника будет знать, где аккумулировать энергию, а где ее использовать под ноль. Само собой, будут совершенствоваться аккумуляторные технологии, в первую очередь в плане емкости. Но увы, ни усовершенствование ДВС, ни гибридосодержащих не решает проблемы парникового эффекта.

Биоэтанол

Есть вопросы и к биоэтанолу (коктейль из 85% этанола и 15% бензина) — весьма распространенному в обеих Америках и странах Азии виду топлива, производимому из сельхозкультур с высоким содержанием крахмала или сахара. В США и Канаде его получают в основном в процессе переработки кукурузы, в Бразилии и Перу — из сахарного тростника, в Китае и Таиланде — из маниоки. Да, он практически безвреден для озонового слоя, поскольку обладает нулевым балансом диоксида углерода. Да, в производстве биоэтанол обходится дешевле, чем бензин и дизтопливо, но чтобы полностью удовлетворить спрос автомобилистов, агросектор этих стран придется перевести в подчинение министерству топлива и энергетики.

Электричество

Именно емкость батарей на сегодняшний день является главной проблемой электрокаров. Но, согласно исследованиям, заказанным маркетинговым отделом Volvo, в крупных городах в зависимости от континента горожанин в среднем за день проезжает 90-100 км. Электрокару, созданному на базе городской малолитражки Volvo С30, с автономным пробегом 160 км достаточно 8-часовой зарядки аккумуляторов от обычной бытовой розетки. По плану шведского правительства к 2020 году экономика страны полностью откажется от использования ископаемых видов топлива — нефти и газа — за счет перехода на электричество, вырабатываемое АЭС. Немцы расписали свой "национальный план по разработке электромобилей" до 2030 года — предполагается, что к этой дате в Германии будет более 5 млн авто на электротяге.

Впрочем, в ближайшей перспективе идея глобального перевода автомобилей на "чистую" электротягу утопична. Во-первых, треть электроэнергии вырабатывается сейчас путем сжигания нефтепродуктов. Во-вторых, суммарная мощность всех ездящих по земле автомобилей гораздо больше потенциала всех электростанций мира. Выход, пожалуй, только один — солнечная энергетика, ведь экологический цикл может считаться завершенным, только если электроэнергия получается из возобновляемых источников.

Водород

Пока инфраструктура электрических АЗС еще только создается, решающим критерием пригодности автомобиля к ежедневному использованию становится суммарный запас хода. Который куда лучше у автомобилей, работающих на водородных топливных батареях,— 300-500 км в зависимости от модели, то есть практически не уступает автомобилям с привычным ДВС. Кроме того, именно автомобили, работающие на водородных топливных батареях, в состоянии заменить нефть и газ как источник топлива. Конструктивно они близки, поскольку, за редким исключением, так же приводятся в движение электромоторами. В основе концепции — электрохимические генераторы (топливные элементы), вырабатывающие электроэнергию в процессе химической реакции водорода и кислорода. Еще Жюль Верн называл этот газ "углем будущего", поскольку водорода в природе — хоть отбавляй, он входит в состав воды и почти всех органических соединений и является экологически безвредным элементом. Кроме того, запасы водорода практически безграничны. На единицу массы в жидком виде он содержит в три раза большее количество энергии, чем бензин. У гидрогена блестящие перспективы и в плане экологии: единственный побочный продукт — это капающая из выхлопной системы вода. Никаких парниковых газов, тяжелых соединений, свинца.

Именно на водородное топливо делает ставку США — самый емкий рынок мира, на который ориентируются абсолютное большинство японских, немецких, английских, итальянских, шведских компаний. В Северной Америке уже давно вынашивают идею отказа от ископаемых энергоносителей. Еще 13 лет назад в Вашингтоне был принят закон "О водородном будущем", по которому к 2016 году водород должен стать главным энергоносителем. В 2003-м тогдашний президент Джордж Буш и вовсе объявил водородную отрасль приоритетным направлением. Предполагается возвести две сотни АЭС, которые будут "выжимать" водород из воды, плюс создать сеть из 120 тыс. автозаправочных комплексов. Просчитана и стоимость одной АЗС — порядка $1 млн. Планы вроде бы пока никто не отменял, только вот самих водородомобилей раз-два и обчелся. Хотя разработки в этом направлении ведутся столь же давно, сколь и над водородной бомбой. Первые концепты были показаны еще до войны, но только в 60-е, когда за дело взялся General Motors, появился первый действительно работоспособный водородный электромобиль, способный на одной заправке преодолеть до 200 км. Мини-вэн Electrovan нес на борту генератор, синтезирующий воду из водорода и кислорода с выделением электроэнергии.

Увы, продолжения не последовало — энергетический кризис минул, и американцы переключились на считавшиеся более перспективными газовые турбины и роторно-поршневые двигатели. Вернулся к этой теме General Motors только в 90-е, презентовав в 2002-м глобальную платформу GM Autonomy. По задумке на ее основании можно было создать автомобиль с любым кузовом — от кабриолета до внедорожника, но дальше нескольких концептов дело не пошло. Последняя на сегодня модель — пятиместный вэн Sequel, базирующийся на все том же универсальном шасси GM Autonomy. В пол несущего кузова вживлены электрохимический генератор, литий-ионная батарея и три баллона из композитных материалов, в которых 8 "кило" водорода сжаты до 700 атмосфер. Под капотом — 65-киловаттный электромотор с редуктором, передающий момент на передние колеса. Задние колеса, также управляемые, приводятся от персональных 25-киловаттных электродвигателей, которые при торможении заряжают батарею. Суммарная мощность силовой установки — 156 л. с., запас хода — 480 км. Впрочем, до серийного выпуска дело так и не дошло. Как и у Daimler, Ford, Mazda, Toyota, VW и даже АвтоВАЗа. Кто-то свернул разработки еще на стадии прототипов, кто-то выбрал, по их мнению, более перспективные пути.

Дальше других из европейцев продвинулись баварцы, чей первый гидрогенный BMW 520 датируется еще 1979 годом. Причем, как и тогда, сегодня они делают ставку не на электромотор, а на более привычный ДВС. Что положительно сказалось на готовности к производству: баварцы передали сотню абсолютно готовых к серийному выпуску Hydrogen 7 (по сути, BMW 760iL с 170-литровым криобаллоном) в "лизинг" звездам политики, шоу и спорта. При работе на водороде 4,4-литровый V8 развивает 260 л. с. против штатных 445 и на 8 кг сжиженного газа может преодолеть до 200 км. С полными баками — еще 500 км.

Кроме того, совместно с General Motors, Honda, Linde и MagnaSteyr баварцы разработали заправочный агрегат, предлагая его в качестве международного стандарта, и планируют довести число криогенных заправок в Германии до 10 тыс.

Но еще больших успехов добилась Honda. Хотя японцы ввязались в водородную войну только в начале 90-х, в 1998-м умудрились обогнать всех и вся, первыми наладив выпуск компакта FCX на электроводородной тяге. Причем не просто отформатировали под водородные нужды уже имеющуюся модель, а построили все с нуля вокруг гидрогенной силовой установки. Правда, с таким же, мягко говоря, непривычным глазу стайлингом, что и Prius.

FCX первого поколения, трехдверный хетчбэк, вырабатывал водород на борту из метанола электроприводом, а электроэнергия запасалась в суперконденсаторах. В основе компакта также была концепция "двойного пола" — все необходимое было упаковано между элементами шасси.

Сегодня FCX — уже среднеразмерный седан Clarity с топливными элементами fuel cell, питающими электромотор (135 л. с., 257 Нм) переменного тока и с обычными литий-ионными аккумуляторами. 4,1 кг сжиженного под давлением 350 атмосфер водорода хватает на преодоление 280 км. Благодаря принципиально новому электрохимическому генератору, в котором газовый поток идет не горизонтально, а сверху вниз, компоновщикам удалось отказаться от "подпольной" компоновки и разместить самый громоздкий элемент — водородный баллон — вертикально, между салоном и багажником. Правда, 280-километровый пробег серьезно ограничивает ореол обитания Clarity — и сегодня он больше востребован у экологически сознательных компаний, чем в "частном секторе". А вот к продаже седан не предлагается, поскольку "хонда" по цене Ferrari вряд ли будет пользоваться спросом.

Ситуация может измениться с выходом на рынок переднеприводного 122-сильного Nissan X-Trail FCV, проходящего сейчас предсерийные испытания. Благодаря более емкой батарее принципиально нового — пластинчатого — типа, и повышенному с 350 до 700 атмосфер давлению в водородном баке кроссовер на одной заправке может проехать почти столько же, что и обычный автомобиль,— до 500 км. X-Trail построен по тому же принципу, что и GM Sequel с Honda FCX. При поступлении в топливные элементы водород вступает в реакцию синтеза с кислородом.

Помимо дороговизны добычи водорода и необходимости разветвленной сети заправок, есть у этого вида топлива и более глобальная проблема. Между учеными ведется дискуссия по поводу экологичности перехода на водородное топливо — гидроген легче воздуха, то есть количество его молекул в верхних слоях атмосферы серьезно увеличится. Что приведет к охлаждению стратосферы и нарушению многострадального озонового баланса.

Получается, на сегодня единственной альтернативой ДВС может быть только двигатель, работающий на сжатом воздухе. Подобная силовая установка разрабатывается на базе самого дешевого из новых автомобилей — индийского Tata Nano — силами инжиниринговой компании MDI. Ее основатель — двигателист Ги Негре, пока что больше известный заправочными технологиями, авиационными силовыми установками и гоночными двигателями "Формулы-1". Концептуально его пневмомотор повторяет стандартный ДВС, состоящий из пары "рабочих" и пары "вспомогательных" цилиндров. Теплый воздух засасывается из атмосферы и дополнительно подогревается. Затем он попадает в камеру, где смешивается с охлажденным до -100C° сжатым воздухом из "топливных" баллонов. И быстро разогреваясь, резко увеличивается в объеме, толкая поршень главного цилиндра. Дальше все как в обычном автомобиле. Одной заправки баллона в зависимости от стиля управления хватит на 200-300 км с максимальной скоростью в 110 км/ч. Tata собирается продавать не менее 3 тыс. "воздушных автомобилей" по цене $11 тыс. Все гениальное просто?