Как совершенствовались автомобильные двигатели и что их ждет в будущем

«Пятилетку – в четыре года!»

Третье десятилетие XXI века должно стать решающим в истории мирового автомобилизма, в истории развития двигателей. И это не пафосное заявление: складывается слишком много факторов. Инженеры довели двигатель внутреннего сгорания практически до совершенства, но этого оказалось мало. Экологи и политики оказывают на автоиндустрию серьезнейшее давление, буквально вынуждающее к переходу на использование электроэнергии. Развернулось едва ли не соревнование – у кого процесс будет идти быстрее. В изначальных планах формулировался глобальный переход «на электротягу» к середине века, но сейчас все больше стран строят «встречные планы». Буквально на днях объявила о смещении даты «бана» традиционных двигателей одна из цитаделей мирового автомобилизма – Великобритания: здесь переход к электромобилям планируется уже в 2030 году. Новость о том, что в 2024-м BMW прекратит производство бензиновых и дизельных двигателей на заводе в Мюнхене – том самом, с которого все начиналось, пришла уже тогда, когда эта статья редактировалась. И подобные новости поступают едва ли не каждую неделю.

Инициативу берут на себя и местные власти, заявляя о планах запретить въезд в центры городов, а то и в принципе на их территорию автомобилям с традиционными – в первую очередь дизельными – двигателями.

Как ни удивительно, переход на электрическую энергию вовсе не выглядит концом света для тех, кто трудится сейчас в автомобильной отрасли. Помимо экологической чистоты, он несет в себе и новые возможности для конструкторов, инженеров и дизайнеров. Занятые сейчас созданием традиционных автомобилей специалисты ждут перемен с энтузиазмом. Ведь даже сама компоновка автомобиля может радикально поменяться, допустим, при использовании «мотор-колес». Все больше и больше компаний разрабатывают и показывают специализированные платформы – основу для будущих электромобилей. И демонстрируют на их примере такие компоновочные возможности, которые в традиционных двигателях и трансмиссиях нельзя реализовать просто технически. Многие производители стараются объяснить потенциальным покупателям, что управление электромобилем может быть ничуть не менее увлекательно, интересно и приятно, чем обычным автомобилем. Спортивные соревнования на электромобилях тоже набирают обороты (и это далеко не только Formula E), и на таких состязаниях ставят рекорды скорости.

А вот с утилизацией пока сложнее. Различные производители оговаривают разные сроки службы аккумуляторных батарей: кто семь лет, кто десять, то есть достаточно длительные периоды. Но и они конечны (впрочем, «конечными» стремятся нынче делать и сами автомобили – об этом мы уже говорили). Возможно, компромисс будет найден на уровне «срок службы батареи равен сроку службы автомобиля», что снимет с пользователя множество проблем. Вовсю идут исследования – как можно использовать отработавшие свое «на борту» батареи в их «послеавтомобильной» жизни. Предложений уже немало, но единых решений, позволяющих справиться с проблемой системно, в массовых объемах, пока нет.

Еще одна задача – развитие зарядной инфраструктуры. Причем решать ее надо не только в плане доступности зарядных станций (что как раз более-менее решаемо за счет дооборудования существующих традиционных заправок), но и в плане длительности пребывания электромобиля «на кабеле». Да, сделан огромный шаг в плане скорости зарядки аккумуляторов. Многие производители заявляют: их электромобили можно зарядить буквально за пару часов, а до достаточного для среднесуточного пробега уровня – буквально за полчаса. Ну, то есть «остановился, попил кофе... готово!». Но здесь имеется пометка мелким шрифтом – при использовании быстрых зарядных станций. Вот только рабочая мощность всех этих быстрых станций – 50, 70, а то и 100 кВт при напряжении 400 В. Новейшее поколение «ультрабыстрых» зарядок – это вообще напряжение 800 В и мощность до 300 кВт. Для справки: в России нормативно выделенная мощность сети на квартиру или индивидуальный дом – 15 кВт. Увеличить ее можно, однако это требует специальной процедуры, проверки «наличия технической возможности», да и оплачивается такая энергия по более высоким тарифам. Возможно, Россия не пример, но законы физики одинаковы в любой стране мира: рассчитанная на определенную мощность сеть населенного пункта не позволит «просто взять и понавешать» 100-киловаттных станций в каждом частном доме. Долгая зарядка от обычной сети пока что в быту остается неизбежной, а это все те же 6, 8, а то и 10 часов. В зонах индивидуальной застройки эту проблему решить проще (к тому же разработаны, например, бесконтактные индукционные станции, монтируемые в пол гаража и имеющие такой же принцип действия, как и беспроводная зарядка смартфона). А вот в случае больших многоквартирных домов адекватное решение, рассчитанное не на единицы электромобилей около дома, а именно на массовую их эксплуатацию, еще предстоит выработать.

Решаема ли эта проблема в принципе? Решаема! Уже в начале «десятых» годов автор этих строк знакомился в Японии с интересным и реально воплощенным решением, в рамках которого электромобили приехавших на работу в бизнес-центр сотрудников, становились частью энергосистемы. Зарядившись, они «оставались на связи» и обменивались с ней энергией, сглаживая пики потребления, то есть аккумуляторы работали не только «для себя», но и «для всех». И это лишь один из вариантов. Ряд автопроизводителей предлагали организовать сеть пунктов быстрой замены аккумуляторов на заряженные, но эта идея не прижилась. Во-первых, она опять же требует создания целой структуры, во-вторых – слишком высокой степени унификации.

Индукционный (беспроводной) способ зарядки открывает множество возможностей. Если зарядную «плиту» можно установить в собственном гараже, то почему этого нельзя сделать на общественной парковке? Можно! И такие прецеденты уже есть. Более того, рассматривается даже возможность укладки зарядных модулей в покрытие улиц – то есть электромобиль сможет подзаряжаться даже на ходу. Конечно, это требует создания специальной дорожной инфраструктуры, но ее рано или поздно все равно придется предусматривать – как для нужд электрификации, так и для работы беспилотных систем.

Сейчас производители стали предлагать и «двунаправленные» зарядные порты: электромобиль может использовать энергию не только на собственные нужды (передвижение, отопление, работа бортовых систем), но и, к примеру, для подпитки освещения в кемпинге, работы простейшей бытовой техники. То есть электромобиль рассматривается и как составляющая некой энергетической инфраструктуры, и как часть образа жизни – все актуальнее аспекты именно удобства его использования.

В ряде стран открыто говорят, что электрификация потребует реорганизации самой жизни автомобилиста. Грубо говоря, если прежде ты просто заезжал на заправку, заправлял автомобиль бензином или дизелем и уезжал, то теперь «чашку кофе» (пока электромобиль заряжается даже самой мощной специальной зарядкой) и перерыв на полчаса минимум придется принять как должное. Ну, значит, приспосабливайтесь, берите с собой ноутбуки и т.п. В общем, это уже имеет весьма опосредованное отношение собственно к технике и двигателям.

Есть еще немало нюансов. Например, об одном вспоминают вообще редко. В личных беседах специалисты одной из наиболее активных в плане электрификации марок рассказали автору, что эффективность и экономическая обоснованность процесса во многом зависит от себестоимости собственно электроэнергии. Одно дело, когда поблизости находится мощная ГЭС, другое – когда речь идет о дорогостоящих способах генерации. Необходимо учитывать и экологичность самой генерации энергии, и потери при передаче ее «до розетки».

Рано или поздно решения найдутся для всех проблем. Вопрос – за какое время.

Великобритания, Германия, Скандинавия, США... Все, о чем мы так долго говорим, относится к развитым странам. Даже здесь решение поднятых проблем в продуманном режиме, а не аврально, выглядит задачей отнюдь не на одно десятилетие. Интересная альтернатива аккумуляторным электромобилям – электромобили на водородных топливных элементах. Химическая реакция между водородом и кислородом сопровождается мощным выделением энергии (причем без горения), а в качестве выхлопа образуется лишь немного водяного пара. То есть непосредственно на борту автомобиля существует как бы небольшая электростанция. Заправка водородом происходит очень быстро – сопоставимо с традиционным топливом, если даже не быстрее. Да и сами заправочные станции принципиально не отличаются от обычных (никого же не смущает возможность заправки автомобилей с газобалонным оборудованием рядом с обычными бензиновыми). Такие электромобили уже давно не теория, их созданием занимаются Toyota, Hyundai, Honda, General Motors, Volkswagen и другие. Считается, что водородные смогут занять не меньше трети рынка электромобилей. Панацея? Увы, нет...

Во-первых, стоит напомнить, что смесь кислорода и водорода в просторечье называется гремучим газом. И пометка «без горения» выше была сделана не просто так. С горением все обстоит несколько хуже. Соответственно, требуется особая осторожность и внимание при транспортировке, заправках, хранении.

Во-вторых, водород для топливных элементов хранится под очень высоким давлением – порой до 700 атмосфер, а то и выше. Да, созданы сверхпрочные баки из композитных материалов, не боящиеся самых серьезных ДТП: автомобиль будет полностью уничтожен, но бак «выживет». Но как быть даже не с созданием соответствующих уплотнений и соединений, а с контролем их состояния, банальной культурой эксплуатации? Далее см. пункт «во-первых».

В-третьих и в-четвертых... Крайне дорогое оборудование: в топливных элементах не обойтись без цветных и редких металлов. Крайне дорог и сам водород – его производят либо из природного газа (то есть от углеводородов тут тоже далеко уйти не получается), либо методом электролиза – со значительными затратами электроэнергии. Про производство электроэнергии и соответствующие затраты и чистоту смотрим еще раз выше в этом тексте. Вечный двигатель изобретаться не хочет никак...

При параллельной схеме доступ к ведущим колесам имеют и ДВС, и электромотор, питающийся от отдельной батареи. Они могут действовать как по отдельности, так и совместно. Электромотор может помогать традиционному двигателю в наиболее нагруженных режимах, а на какое-то время и полностью брать на себя движение. Разрядился аккумулятор – нагрузка ложится только на ДВС. КПД такой системы ощутимо выше, но тут уже и конструкция посложнее, и ДВС приходится работать не только в комфортном для него режиме. Из ведущих мировых производителей подобную схему достаточно активно использовала Honda.

Едва ли не наиболее популярными в мире стали гибридные модели Toyota (и, соответственно, Lexus), в которых использована последовательно-параллельная схема. Наличие планетарного редуктора – именно через него осуществляется связь между ДВС, электромотором и трансмиссией – позволяет перераспределять потоки энергии в произвольных пропорциях и направлениях. Традиционный двигатель может и колеса крутить, и аккумулятор подзаряжать, а электрический – либо помогать ДВС, либо полностью брать движение на себя, либо подзаряжать аккумулятор при рекуперации кинетической энергии. Преимущества первых двух схем тут объединены. Потому-то Toyota теперь далеко не одинока в использовании такой схемы.

По интересной схеме TTR (Through-the-Road, «через полотно дороги») может быть реализован полный привод гибридного автомобиля. В этом случае бензиновый двигатель отвечает, допустим, за передние колеса, электрический – за задние, а их взаимодействие и согласование обеспечивает единый управляющий модуль. Плюс такой компоновки – отсутствие сложных элементов трансмиссии, минус – не такая гибкость функционирования, как у последовательно-параллельной. Кстати, Toyota также предлагала эту схему на практике, представляла концептуальный автомобиль с такой компоновкой и Kia.

Интересное и едва ли не наиболее доступное решение – так называемый мягкий гибрид (Mild Hybrid), которое используется, например, на современных компактных моделях Hyundai и Kia. Специальный узел, название которого – стартер-генератор – говорит само за себя, имеет мягкую (при помощи приводного ремня) связь с коленчатым валом двигателя. При необходимости он может помогать ДВС, используя энергию тягового аккумулятора, – например, в «нижнем» диапазоне оборотов, где традиционный двигатель выдает маловато нужного при разгоне крутящего момента. А без такой необходимости – выступать в качестве генератора, подзаряжая тот же аккумулятор за счет вырабатываемой ДВС энергии. Интересная фишка такой схемы в том, что на ее базе удобно реализовывать ставшие ныне популярными системы «старт-стоп», когда двигатель внутреннего сгорания временно выключается при кратковременных остановках – допустим, на светофоре. Собственно, именно поэтому специальный узел так и назван – стартер-генератор, а не просто мотор-генератор.

Все большую популярность набирают и гибриды с возможностью подзарядки от внешнего источника – Plug-in Hybrid, или PHEV. Это, по сути, дважды гибрид – автомобиль, сочетающий качества обычной гибридной системы (этакой вещи в себе) и обычного электромобиля на аккумуляторной батарее. Батареи, кстати, в этом случае делают более высокой емкости, и многие современные PHEV вполне способны обеспечить среднестатистический дневной запас хода (50–70 км), вообще не беспокоя ДВС. А вечером – пристроиться заряжаться у обычной розетки, ведь и пополнять запас электроэнергии не так долго, как полноценному электромобилю. Но при желании на PHEV можно передвигаться и с максимальным использованием ДВС.

Именно гибридные модели в ближайшем будущем, скорее всего, и продолжат играть роль локомотивов электрификации. Пока там совершенствуются аккумуляторы, решаются инфраструктурные вопросы и вопросы социальные... Тут же технология уже освоена: гибриды выпускаются и продаются миллионами. В том числе и в тех странах, где полностью электрическую инфраструктуру еще развивать и развивать долгие годы. Имеющие высочайший КПД и готовые отдавать максимальный крутящий момент во всех диапазонах работы электродвигатели существенно облегчают жизнь ДВС, своим «напарникам» по гибридным системам. Соответственно, от тех и не требуются какие-либо суперпоказатели. В гибридных системах используются относительно малолитражные двигатели (с рабочим объемом в основном от 1 до 3 л) достаточно простых конструкций – рядные тройки или четверки, ну или V6 максимум.

Что удивительно, в составе гибридных систем возможно даже возрождение двигателя, на котором история (а точнее, все те же возросшие экологические требования), казалось, поставила крест. Мы об этом типе двигателя внутреннего сгорания даже не рассказали ранее: уж больно узкой у него была ниша, работали с такой конструкцией буквально три-четыре марки. Кстати, в том числе и российская Lada. Речь – о двигателе Ванкеля, роторном. Наиболее известны роторные автомобили Mazda, хотя первой моделью с таким двигателем на рынке был немецкий спортивный NSU Spider.

По сути, двигатель Ванкеля – это один цилиндр сложной формы («камера объемного вытеснения»), внутреннюю поверхность которого обегает трехгранный ротор, вращающийся относительно расположенного внутри него статора-шестерни. Траектория, которую проходят в движении вершины трехгранного ротора, называется эпитрохоидой, а внутренняя поверхность цилиндра, соответственно, эпитрохоидальной. Грани ротора «отсекают» в цилиндре камеры переменного объема, в которых и реализуются рабочие такты. Может быть реализован цикл Отто, при этом образование рабочей смеси, смазка и охлаждение, зажигание принципиально не отличаются от обычного поршневого ДВС. Только классический механизм газораспределения при этом не нужен, не нужны отдельные шатуны, не нужен коленчатый вал и картерное пространство. Конструктивная простота и есть главное и принципиальное преимущество роторного двигателя перед поршневым (число деталей в конструкции Ванкеля меньше даже не в разы, а на порядок). Но это не единственное преимущество. Он практически идеально сбалансирован, компактен, обеспечивает великолепные динамические характеристики (недаром же российские роторные Lada выпускались очень малыми сериями и преимущественно для спецслужб).

В чем же тогда дело? Крест на практическом применении такого двигателя чуть было не поставили его недостатки: сложность в изготовлении, очень жесткие требования к периодичности замены масла (поскольку очень высоко давление и нагрев, способный легко перейти в перегрев), повышенная частота ремонтов (замены уплотнителей), меньшая экономичность и высокая токсичность выхлопа. В принципе, последних двух факторов было достаточно в условиях борьбы за экологию...

Но в конце 2018 года Mazda объявила о возрождении ротора. Им удалось добиться 40-процентной (!) экономии топлива по сравнению с тем, что было раньше, а расход масла снизить и вовсе наполовину. Двухкамерный двигатель Renesis (Rotary Genesis) соответствовал требованиям Euro IV и был компактным и мощным: при рабочем объеме 1,3 л его мощность составила 250 л. с.! Была представлена и «старшая» 1,6-литровая модель, обладающая даже лучшими температурными характеристиками. К тому же новый двигатель мог использовать в качестве топлива водород, не требуя особых мер по борьбе с детонацией. Только не путайте это ни с какими «водородными ячейками»: здесь водород применяется абсолютно традиционно – как сжиженный газ в автомобилях с газобаллонным оборудованием.

Но для начала предупредим, что речь пойдет только о современных двигателях: энергосберегающие масла ориентированы именно и только на них. Будучи примененными по назначению, они действительно способствуют повышению топливной эффективности и снижению содержания вредных веществ в выхлопе, облегчению запуска. Наиболее заметен эффект в условиях высокого расхода топлива – например, в городе. В этом случае энергосберегающее масло поможет сберечь до 5% топлива. Но в среднем принято говорить о более скромных значениях – примерно 3%. Немного? Да, сейчас борьба идет именно за такие проценты – время улучшать результаты на 10 секунд давно в прошлом.

Благодаря специально подобранным современным пакетам присадок энергосберегающие масла способны эффективно работать во всех режимах. Загущающие присадки позволяют вязкости буквально «саморегулироваться» в зависимости от оборотов двигателя, температуры, давления в конкретной точке, от скорости смещения слоев в масляной пленке относительно друг друга. Они способны обеспечить соответствие вязкости нужному уровню и при отрицательных температурах, и при 100 градусах и при 150. Присадки-модификаторы трения вступают в дело при граничном режиме смазки. Благодаря им на поверхностях пар трения формируется эластичная и адаптирующая «геометрию» этих поверхностей пленка-покрытие, также значительно снижающая коэффициент трения.

Вернемся к маркировкам. Во-первых, энергосберегающие моторные масла, как правило, имеют относительно низкую высокотемпературную вязкость по стандарту SAE J300 – обычно это 0W-20, 0W-30, 5W-20 или 5W-30. Мы уже рассказывали, что, помимо вязкости по SAE, на упаковке обычно указывается сертификация по стандарту Американского института нефти API. Например, SL/CF, где первая буква в каждой паре обозначает тип двигателя: S – бензиновый (Spark ignition), С – дизельный (Compression ignition). Если масло относится к классу энергосберегающих, в самом конце этой строки ставится аббревиатура ЕС – Energy Conserving (или RC – Resource Conserving). То есть полностью обозначение будет выглядеть: SAE 5W-30 SL/CF (RC). В классификации масел по стандарту Ассоциации европейских производителей автомобилей АСЕА для обозначения энергосберегающих масел выделены отдельные категории А1, А5 (для бензиновых двигателей), В1-02 и В5-02 (для легковых дизельных), а также С1, С2, С5 (для бензиновых и легковых дизельных двигателей). В международной же классификации ILSAC (Комитета по стандартизации и одобрению смазочных материалов), разработанной совместно американскими и японскими автопроизводителями, энергосберегающими являются масла всех классов и обозначаются символами GF-6, GF-5 и ниже. То есть в этом случае полное обозначение может выглядеть как-то так: SAE 5W-20, ILSAC GF-5/API SN-RC

Рано или поздно электромобили все-таки возьмут верх – сомневаться в этом не приходится. Собственный бензиновый (или тем более дизельный) автомобиль – да еще и не автопилотируемый – вообще станет атрибутом роскоши! Да-да, именно такие предположения были высказаны в ходе футурологического исследования, проведенного Bentley совместно с одним из престижнейших британских университетов. К концу ХХI века автомобили с ДВС могут вернуться в статус «дорогой игрушки не для всех» – совсем как на заре автомобилизации, в конце XIX века. Такой вот виток эволюции. Рынок собственно моторных масел тоже станет нишевым.

Но, помните, мы говорили о том, что для производителей автомобилей переход к электрификации означает не конец бизнеса, а новые возможности? Так и нефтехимики не унывают. Электродвигателям и электромобилям тоже понадобятся всяческие специальные смазки, охлаждающие и гидравлические жидкости. Кто-то из производителей перейдет на схемы «мотор-колеса», но кто-то будет еще долго использовать более традиционные трансмиссии – а им нужны масла и жидкости. Даже рынок индустриальных масел несколько изменится – к примеру, явно будет расти спрос на продукцию для редукторов ветрогенераторов по мере развития этого способа выработки электроэнергии. Так что и здесь с новыми возможностями все в порядке! У компании «Газпромнефть-смазочные материалы», в частности, есть индустриальные продукты, готовые к использованию и для ветрогенераторов, – уже имеются в линейке. Рынок представит новые запросы – будут найдены ответы и на них. А наш разговор об истории двигателей внутреннего сгорания на этом, увы, подошел к концу. И даже затронутая сегодня тема электромобилей – это уже совсем другая история. Которой предстоит складываться на наших с вами глазах.