Хитроумная комбинация двух старых идей в новой конструкции двигателя внутреннего сгорания

Электрический концепт MINI E получает энергию от литий-ионного аккумулятора. Правда, чтобы разместить все батареи, создателям концепта пришлось отказаться от заднего ряда сидений.

Бурный рост промышленности как экономически развитых, так и развивающихся стран привёл к всё более ощущающаемому истощению природных запасов и загрязнению среды обитания. Автомобиль должен стать принципиально иным: крайне экономичным и с минимумом вредных выхлопов. При этом должен соблюдаться и автомобильный аналог закона Мура — с течением времени эксплуатационные качества должны улучшаться при снижающейся стоимости. Трезвый анализ показал, что современные автомобили в большинстве своём не отвечают заявленным требованиям.

Теперь пластиковый автомобиль с электромотором и полным багажником аккумуляторов перестал быть героем телепередач типа «Это вы можете». Практически все ведущие автопроизводители мира обзавелись концептами на электротяге, а некоторые даже начали общественное тестирование. К примеру, компания BMW уже объявила в штатах Калифорния, Нью-Джерси и Нью-Йорк набор пяти сотен добровольцев, которые за свои кровные €850 в месяц получат в личное пользование автомобиль Mini с 204-сильным электромотором и блоком литий-ионных батарей на полсалона.

Кроме того, стали появляться новые проекты по созданию исключительно «машин на батарейках». Например, французская компания Heuliez, специализирующаяся на выпуске складных крыш для кабриолетов, устроила сенсацию на автосалоне в Париже, показав публике концепт городского электромобиля под названием Friendly, который уже полностью готов к серийному производству и будет доступен в двадцати семи вариантах кузова.

В эту же степь понесло и известнейшего создателя настоящих «dream car» прошлого века итальянское дизайнерское бюро Pininfarina. Семейство дизайнеров, десятилетиями оснащавшее моторы Ferrari и Lamborghini эксклюзивными кузовами, решило идти в ногу со временем и представило на последнем автошоу в Париже серийный электромобиль B0, созданный в сотрудничестве с французским производителем электробатарей компанией Bolloré. Машина будет производиться на заводе Pininfarina в Италии в количестве пятнадцати тысяч штук в год, а продаваться на рынках Европы, США и Японии.

Франко-японский альянс Renault Nissan пошёл дальше обычного производства машин без бензина, и начал развивать инфраструктуру их использования. Так, альянс и израильская компания Project Better Place подписали договор, согласно которому Renault Nissan будет производить «электро-ниссаны» для Израиля, а Project Better Place создаст сеть станций для зарядки батарей электромобилей. Также Renault Nissan договорился с властями Монако о совместной деятельности по развитию идеи элетрического транспорта на улицах княжестве.

Это далеко не полный обзор растущего «электромобильного» сообщества в мире, которое грозится в скором времени вовсе покончить с двигателями внутреннего сгорания. Ведь электромоторы, как многие, по-видимому, уверены, не загрязняют атмосферу. К тому же, потребительские цены на электричество выглядят гораздо стабильней цен на бензин и солярку, которые зависимы от цен на нефть.

Итальянское кузовное ателье Pinifarina посвятило концепт B0 (B Zero) памяти главы компании Андреа Пининфарине (Andrea Pininfarina), который разбился на мотоцикле в августе 2008 года. Кроме электродвигателя машина получает энергию от солнечных батарей, установленных на крыше и капоте. Серийный выпуск модели начнут в 2009 году.

Однако у электромобилей есть и свои проблемы. К примеру, ещё никто не считал, во сколько возрастёт нагрузка на электросети Москвы, если вся 3,5-миллионная армия автомобилистов начнёт заряжать свои авто от электророзетки, и сколько углеводородов потребуется сжечь дополнительно, чтобы удовлетворить возросшую потребность населения в электричестве. Если сделать такой расчёт только для Москвы и других крупнейших городов мира, возможно, использование электромобилей не будет казаться дешёвым.

Быстро увеличить производство электроэнергии за счёт строительства новых энергоблоков АЭС не удастся. Да и их чрезмерное приближение к мегаполисам может вызвать негативную реакцию населения. А значит, энергетике придётся ещё больше загрязнять воздух продуктами неполного сгорания углеводородов и углекислым газом. И ещё неизвестно, не перегонят ли различные ТЭЦ по выбросу СО2 автомобильный выхлоп, если большинство водителей пересядет на электромобили. Есть и ещё одна проблема — поиск эффективных технологий по рекультивации отработанных литий-ионных и никелевых аккумуляторов.

Да и не рано ли решили отправить «грязные» двигатели внутреннего сгорания в историю? Современные моторы, производящие работу за счёт энергии взрыва топливно-воздушной смеси, отличаются от своих прародителей примерно так же, как «этажерка» братьев Райт от истребителей фирмы «Сухой». За минувшее столетие ученые и инженеры совершили прорыв в области увеличения мощности и времени бесперебойной работы моторов. А когда в мире заговорили о защите окружающей среды и экономичности, выяснилось, что и эти вопросы вполне решаемы.

Как известно, ДВС в упрощенной схеме — это коленчатый вал, вращаемый шатуном, присоединённым к поршню, который, в свою очередь, помещён в цилиндр. В цилиндре происходит взрыв смеси топлива с воздухом, поршень устремляется вниз, вращая коленвал, и возвращается на исходную точку. В бензиновых моторах взрывается смесь воздуха с бензином от искры, выдаваемой электросвечой, а в дизельных моторах топливо взрывается при перемешивании с разогретым воздухом. Эффективность работы ДВС зависит по большому счёту от полноты сгорания поступившего топлива. От этого же зависит и состав выхлопных газов. И это же является основным направлением усовершенствования ДВС.

В бензиновых моторах в конце прошлого века удалось окончательно избавиться от потерь бензина на фазе подачи его в двигатель путём замены карбюратора на инжектор. Дополнительно инженеры усовершенствовали систему подачу воздуха в мотор посредством компрессора и турбонаддува. Качество бензо-воздушной смеси стало выше, и сгорать она стала лучше. В последние годы получила распространение технология независимой подачи смеси в каждый из цилиндров мотора (система прямого впрыска). К примеру, мотор TSI от компании Volkswagen за счёт прямого впрыска, турбины и компрессора при объёме всего 1,4 л развивает мощность в 170 л.с. При этом средний расход бензина не превышает значения в 7,4 л на 100 км.

Элементы системы Common Rail. Впервые эта система была установлена на автомобили Alfa-Romeo 156 и Mercedes-Benz С-class.

Дизельные двигатели тоже стали турбировать, а также усовершенствовали систему подачи топлива посредством технологии Common Rail. Это изобретение инженеров германской компании Robert Bosch. Common Rail — это общая магистраль для всех форсунок подачи топлива, в которой «солярка» находится под постоянным высоким давлением, а её подача и работа форсунок контролируется электронным блоком управления системы. Использование Common Rail привело к увеличению экономичности дизельных двигателей, а также ликвидации таких «родовых болезней», как излишняя шумность топливного насоса высокого давления и вибрация при работе.

Кроме систем подачи воздуха и топлива, в современных моторах инженеры улучшили систему отвода отработанных газов, научились при помощи электроники контролировать работу впускных и выпускных клапанов и даже отключать некоторые цилиндры двигателя, когда автомобиль испытывает малую нагрузку. Работа в направлении доведения принципа работы ДВС до совершенства ведётся постоянно в мастерских и лабораториях многих стран мира. Все вместе новые технологии образуют весьма мощную энергетическую альтернативу, в которой у ДВС на руках оказываются свои козыри.

В 2007 году на автосалоне во Франкфурте компания Mercedes Benz Cars представила концепт автомобиля премиум-класса Mercedes Benz F700, оснащенного, кроме «умной» подвески, меняющей клиренс машины в зависимости от показаний двух передних радаров, ещё и двигателем DiesOtto. DiesOtto — это сокращение от имен двух изобретателей Рудольфа Дизеля (Rudolf Diesel, 1858–1913)и Николая Отто (Nicolaus Otto, 1832–1891) один из которых изобрёл первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания (то есть работающий по циклу Отто), а второй — первый «дизель».

В принципе сам 1,8-литровый двигатель анонсировался и ранее, но в сочетании с автомобилем, равным по размеру Mercedes S-Сlass, характеристики мотора впечатляли. Это четырёхцилиндровый агрегат в 238 л.с. мощности и 400 Нм крутящего момента. При этом для того, чтобы протащить такой «сарай», как F700, на расстояние в 100 км, этому почти двухлитровому мотору требовалось всего шесть литров бензина.

Mercedes-Benz представляет свою разработку — двигатель DiesOtto.

Столь высокой эффективности сравнительно маленького мотора удалось достичь при помощи прямого впрыска топлива, переменной степени сжатия, турбонаддува и контролируемого автоматического зажигания (controlled auto ignition). Объяснение интригующему названию двигателя лежит как раз в последней фишке. На высоких оборотах DiesOtto пользуется свечой зажигания, как все порядочные моторы цикла Отто, а при малой нагрузке, мотор начинает работать по завету Рудольфа Дизеля — без всякого дополнительного зажигания, за счёт способности бензина с воздухом самостоятельно взрываться при высоком давлении.

На основе способности бензиновой смеси самовоспламеняться под давлением бензиновые моторы работали до изобретения свечи зажигания. Потом эта технология стала использоваться только в дизельных двигателях, а для бензиновых ее не применяли до 2005 года, когда корпорация General Motors, компания Bosch и специалисты из Стэндфордского университета (Stanford University) решили подробней изучить процесс взрыва гомогенной смеси (HCCI, Homogeneous Charge Compression Ignition). Учёным удалось доказать, что при таком подходе происходит максимально эффективное сгорание всего топлива, попавшего в камеру сгорания цилиндра.

Так, при работе по принципу Отто очаг возгорания смеси находится у свечи зажигания. По принципу Дизеля, топливо начинает воспламеняться на границе контакта с разогретым воздухом. Принцип работы HCCI похож на цикл Дизеля, вот только топливо закачивается в камеру сгорания не отдельно от воздуха, а уже в виде готовой смеси. Она сжимается и под давлением воспламеняется, причем очаги возгорания находятся во всём объёме смеси, что полностью исключает возможность загрязнения стенок цилиндра несгоревшим топливом. Таким образом, применив все описанные выше технологии, можно получить мощный двигатель, не зависящий от марки бензина и не требующий системы зажигания. В числе главных достоинств технологии является то, что мотору HCCI требуется от 15 до 30% топлива меньше, чем такому же двигателю с циклом Отто.

Однако у него есть существенный недостаток — двигатели HCCI более чувствительны к повышенной степени сжатия, чем моторы на свечах. А повышение степени сжатия, то есть достижение минимального зазора между стенкой камеры сгорания и поверхностью поршня, хоть и приводит к увеличению мощности двигателя, но способствует его разрушению посредством возникающей детонации. Именно поэтому инженеры Mercedes выбрали дизельный принцип для невысоких оборотов DiesOtto, когда увеличения степени сжатия не является необходимым.

Сравнение искрового и контролируемого автоматического зажигания.

Вообще, с детонацией можно бороться с помощью кованых поршней и прочих ухищрений. Но учёные Массачусетского технологического университета (MIT) изобрели способ, при помощи которого степень сжатия можно увеличивать сколько угодно. По заказу компании Ford Motor группа студентов и преподавателей MIT занялась проблемой детонации и вскоре выяснила, что неконтролируемый взрыв смеси при высокой степени сжатия можно гасить, если немного снизить температуру процесса. В качестве горючего охладителя был избран этиловый спирт. Таким образом, к камере сгорания добавили отдельный инжектор и стали небольшими порциями впрыскивать через него спирт при максимально увеличенной степени сжатия. Детонация исчезла, а полученный эффект позволил создать литровый двигатель с характеристиками двухлитрового, при этом по уровню потребления топлива мотор со спиртовой подпиткой на треть экономичней обычного мотора. А при наличии турбонаддува и прямого впрыска мощность двигателя со спиртовой системой гашения детонации можно увеличить чуть ли не втрое. Правда, для спирта пришлось создать отдельную систему подачи, а под капотом авто повесить лишний бачок. Но создатели уверяют, что 5 литров этанола хватит на 3–4 месяца. А дополнительное оборудование поднимет стоимость всего на $1 тыс., в то время как гибридный двигатель обходится владельцам на $3–5 тыс. дороже, притом, что по соотношению мощность/экономичность гибриды проигрывают.

Обобщая вышесказанное, можно сделать вывод — обычный бензиновый мотор объёмом 1,2 л в 150 л.с. мощности и расходом топлива в 3–4 л на 100 км, это реальность. Его появлению в серийных автомобилях на данный момент препятствует разве что мировой финансовый кризис. Но когда они появятся, автолюбители быстро рассчитает, что выгоднее: ездить на одном баке бензина пару недель, или каждую ночь накручивать себе электросчётчик, заряжая батареи своего электрокара. Кстати, в случае гибридной машины, придётся делать и то и другое.

Что касается защиты окружающей среды, жители Великобритании в 2007 году пришли к выводу, что бороться с автомобильным выхлопом нужно не с помощью введения стандарта на выброс CO2 за километр, а при помощи посадок леса. Такого же мнения придерживается концерн Volkswagen, который выкупил в Северной Луизиане (США) 300 га высохших болот и планирует посадить там лес имени себя, в качестве компенсации природе за наносимый ущерб.