Двигатель прогресса

Текст: Карелов Олег.

Такая уверенность в отсутствии будущего у бензиновых и дизельных двигателей может показаться странной, если вспомнить, сколько денег и сил автопроизводители тратят на их совершенствование. Сложные системы нейтрализации и рециркуляции отработавших газов, непосредственный впрыск и турбокомпрессоры – двигатели становятся настоящими произведением инженерного искусства. И неужели они обречены?

К сожалению, да, ибо двигатель внутреннего сгорания, работающий на продуктах перегонки нефти, обладает двумя врожденными пороками, побороть которые невозможно.

Первый – это выбросы углекислого газа, являющегося одной из причин развития парникового эффекта, ведущего к глобальному потеплению. При этом не вырабатывать его двигатели не могут, поскольку наряду с водой CO2 является основными продуктом сгорания нефтяного топлива. А значит грядущие в 2012 году ограничения по выбросу углекислого газа – это явный признак заката эпохи современных моторов.

Вторая фундаментальная проблема – это сама нефть, запасы которой отнюдь не бесконечны. Это в свою очередь не только отражается на скором росте цен на топливо, но и стимулирует поиск альтернативных источников энергии. Таким образом, дни бензиновых и дизельных моторов сочтены, а на смену им должны придти экологически чистые двигатели, обеспечивающие низкие выбросы углекислого газа и работающие от возобновляемого источника энергии.

ЭТАНОЛ

Наиболее реалистичное, а в ряде стран (например, Бразилии и Швеции) уже и воплощенное в жизнь решение – это перевод двигателей внутреннего сгорания на этиловый спирт. Получать это топливо можно буквально из всего, начиная от пшеницы, заканчивая древесными отходами, то есть проблема исчерпаемости для него исключена.

За последние 10 лет Ford продал по всему миру более двух миллионов этаноловых машин.

Неактуальным становится и вопрос выбросов углекислого газа, ведь при сгорании спирта в атмосферу выделяется лишь то количество углерода, которое в процессе роста поглотили из воздуха растения, послужившие сырьем для получения этого самого спирта. По сути, автомобиль участвует в естественном углеродном цикле и, соответственно, не нарушает его баланс в атмосфере.

Адаптация двигателей к работе на этаноле также не вызывает трудностей - про то, что ДВС может отлично функционировать на этом топливе, известно еще с 1876 года, когда Николаус Отто представил всем свой знаменитый двигатель. Практически все, что нужно - это немного изменить систему зажигания да изготовить седла клапанов из более стойкого к окислению материла. И получается двигатель, способный без потери мощности работать не только на этаноле, но и на любой его смеси с бензином!

Заманчивая картина, не правда ли? Однако если взглянуть на неё пристальнее, то становятся видны некоторые изъяны. Например, энергетическая неэффективность этанола, выражающаяся в том, что затраты энергии на его производство как минимум на 27% превышают то количество, что он может отдать (сравните с нефтью, получаемая из которой энергия в 200 раз превышает затраты на добычу!). Не все гладко и с экологической точки зрения – сгорание этанола и хоть не разрушает естественный углеродный цикл, но существенно ускоряет один его этапов. А при условии сохранения природного равновесия это уже может не позволить производить этанол в количестве достаточном для мировой автомобильной промышленности.

ВОДОРОД

Некоторые автопроизводители – например, BMW и Mazda - пробуют в качестве топлива для двигателя использовать водород. Идея действительно привлекательная: во-первых, водород – самый распространенный элемент во Вселенной, а, во-вторых, при его сгорании образуется одна лишь вода! И никакого углекислого газа и токсичных веществ. Увы, на практике и тут все оказалось не так просто.

Одна из проблем связана с хранением водорода в автомобиле. Чтобы обеспечить высокую плотность энергии – то есть приемлемый запас хода, водород следует держать сжиженном состоянии, а для этого нужны либо криогенные баки, поддерживающие температуру -253гр, как в водородной “семерке”BMW, либо баллоны, выдерживающие давление более 350 атмосфер!

Темой водорода BMW занимается аж с 1984 года, выпуская водородные версии мощных "семерок".

Есть и экологические нюансы. При сгорании водорода в цилиндрах двигателя участвует не чистый кислород, а воздух, состоящий на 4/5 из азота, при окислении которого образуются вреднейшие вещества NOx. При этом вследствие высокой температуры водородного пламени оксидов азота в выхлопе оказывается даже больше, чем при работе на бензине!

Чтобы этого не допустить, разработчики обедняют водородно-воздушную смесь, что, в свою очередь, ведет к новой проблеме – снижению мощности. Так, водородный BMW 760Li развивает всего 260лс, вместо “бензиновых” 445! Хлопот доставляет и легкая воспламеняемость водорода, из-за чего возникает риск калильного зажигания при длительной нагрузке на двигатель.

Но все это кажется мелкими неприятностями на фоне трудоемкости добычи самого водорода. Ведь, несмотря на то, что в природе его чрезвычайно много, в свободном состоянии он практически не встречается, а потому нужно приложить массу усилий, чтобы извлечь водород и существующих соединений. При этом мало того, что, опять-таки, затраты энергии на его получение превышают отдачу при окислении, так еще и в атмосферу выбрасывается углекислый газ, поскольку основной способ добычи водорода – это соединение воды с метаном. Правда, есть и более эффективный метод – разложение воды электролизом, но для его промышленного применения нужны сотни атомных электростанций.

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Автомобили с электродвигателями традиционно считаются транспортным средством будущего. Это вполне объяснимо, ведь такие моторы относительно просты, им не нужна трансмиссия, у них отличная моментная характеристика, а главное - они бесшумны и не выбрасывают вредных веществ.

За последние годы появилось множество электромобилей, которые обозначили заметный прогресс в этой области: двигатели прибавляют в мощности, становясь при этом более компактными. Их даже удается размесить в колесах автомобиля, как сделано, например, в Mitsubishi Lancer Evolution MIEV.

Chevrolet Volt - единственный электромобиль, которому почти удалось подобраться к серийному производству. Для подзарядки батарей он может использовать как внешний источник энергии, так и встроенный бензогенератор.

Основным же препятствием на пути распространения электромобилей по-прежнему остается недостаточная емкость источников электроэнергии. Даже лучшие литий-ионные батареи обладает плотностью энергии всего в 150ВтXч/кг, в то время как у водорода этот показатель равен 11000 ВтXч/кг, а у бензина - 12000 ВтXч/кг! Поэтому дальность поездки электромобилей едва превышает 300км, что, возможно, и не было бы столь удручающим фактом, если бы не длительный процесс зарядки - как минимум несколько часов.

Каких-то технических прорывов в области сохранения энергии пока не предвидится, а потому разработчики вынуждены искать способы генерации электрического тока на борту автомобиля. Самый простой способ – привод генератора от небольшого бензинового или дизельного двигателя. И хотя такой вариант не безупречен с точки зрения экологии, тем не менее от работающего в постоянном режиме мотора можно добиться очень неплохих показателей токсичности выхлопа, что и продемонстрировал созданный по такой схеме Chevrolet Volt.

Более перспективным генератором тока считаются так называемые топливные элементы, в которых водород соединяется без горения с кислородом в молекулы воды с получением тепла и электрического тока. Однако пришедшие из космической промышленности эти элементы пока слишком дороги для автомобилей, да и с хранением и получением водорода возникают уже упомянутые сложности. Так что за рамки отдельных концепт-каров эта технология пока вышла.

ГИБРИДНЫЕ СИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ

Последнее время все чаще появляется информация о гибридных автомобилях, то есть автомобилях с двумя двигателями - внутреннего сгорания (обычно бензиновым) и электрическим. В зависимости от нагрузки работает либо электромотор, либо более мощный ДВС, либо оба двигателя сразу. Питается электромотор от аккумулятора, подзаряжающегося при торможении (рекуперации энергии), или от генератора ДВС. Преимущества данной схемы очевидны: хорошая динамика, экономия топлива, а, следовательно, и уменьшение выбросов вредных веществ в атмосферу.

Lexus RX400h и LS600h – наиболее распространенные в России представители гибридных автомобилей.

Лидерами в разработке гибридных автомобилей являются японцы. Toyota, еще в 1997 году опробовав на машине Toyota Prius свою систему Hybrid Synergy Drive, позволяющую очень гибко управлять совместной работой моторов, сейчас успешно применяет её и на дорогих Lexus RX400h, Lexus GS450h, рассчитывая к 2110 году довести выпуск гибридов до миллиона в год! Старается не отставать и Honda, уже давно предлагая покупателям гибридные варианты Honda Insight, Civic и Accord.

Есть ли недостатки у гибридов? Конечно, есть. При движении по шоссе или стоянии в глухой пробке из-за отсутствия торможений невозможно накопление энергии. Частые отключения мотора могут приводить к остыванию и неэффективной работе нейтрализаторов. Но, судя по стремительному росту рынка гибридов, овчинка выделки стоит – вслед за японцами потянулись и европейцы, один за другим анонсируя собственные гибридные системы: Mercedes с бензоэлектрическим Direct Hybrid и дизель-электрическим Bluetech Hybrid, BMW Concept X3 Efficient Dynamics, Audi Q7 Hybrid, Peugeot 307 Hybrid HDi и многие другие.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сравнивать напрямую перечисленные варианты приводов сложно, да и, наверное, не совсем корректно – все-таки они находятся на разных этапах развития и внедрения. Но попробовать оценить перспективы можно. Ситуация с ценами на топливо и экологией подводит историю двигателей внутреннего сгорания к логическому концу. Имеющиеся резервы - турбина и сверхобедненная смесь, сложные системы нейтрализаторов – лишь отсрочат переход. Переход на что? Видимо, на гибридные автомобили. Себестоимость их силовой установки уже достигла приемлемого уровня, а её потребительские характеристики априори лучше, чем у одиночного мотора. С появлением компактных мощных электромоторов в конкуренцию с гибридами вступят и технологически родственные им электромобили с бензиновыми или дизельными генераторами электроэнергии. А дальше пока все в достаточной мере условно. Когда многомиллионные инвестиции правительств разных стран, в конце концов, позволят изменить топливную инфраструктуру - перейти на водород, будет дан зеленый свет водородным двигателям, а если к тому времени удастся снизить стоимость топливных элементов, то и электромобили не заставят себя ждать. Перспективы же аккумуляторов, в качестве основного источника энергии для электромоторов туманны – сейчас они существенно уступают жидкому топливу их и по плотности энергии и по скорости заправки, а технологического прорыва пока не предвидится. Абсолютно ясно лишь одно – “зеленое” будущее медленно, но верно приближается.

Вопросы? Комментарии? (53)

Tweet