Мы не знаем, как на самом деле мыслят люди, держащие толстые и могущественные портфели в Москве, вершащие судьбы российской экономики и промышленности. Но если судить по реальным делам, их видение ближайшего экономического будущего страны примерно таково: «Сейчас нефть дешева, но это временные рыночные махинации. Люди во всем мире эксплуатируют сотни миллионов (если не миллиарды) автомобилей с ДВС; города отапливаются при помощи ТЭЦ; даже вездесущую пластмассу и тысячи иных материалов делают из углеводородов. А значит, нефть, газ, уголь – все это в ближайшие 25-50 лет будет добываться, перерабатываться, истощаться в недрах и неизбежно дорожать. Топливо всегда нужно. Меньше дефицитного товара – цена выше! Ура!».
Мы ни в коем случае не ставим под сомнение такую победную стратегию – не нашего это ума дело (гораздо лучше это получается у Семена Слепакова в его замечательных песнях); но ряд перпендикулярных доводов вполне можно и нужно привести. Прежде всего, по нашему профилю: что касается безоговорочного царства двигателей внутреннего сгорания. Тут есть ряд серьезных нюансов, товарищи.
А именно, следующие: как ни странно, не только в Минэкономразвития задумываются о будущем ДВС и сопутствующего потребления углеводородов. Удивительно, но уже два-три десятилетия – и особенно в 21-м веке – ушлые ребята из крупнейших автомобильных концернов США, Японии и Европы (а ведь это они, как ни крути боеголовкой, диктуют направления технологического прогресса в отрасли) тратят массу сил и средств на разработку альтернатив классическому бензиновому (или дизельному) ДВС, проектируют и строят гибриды, газо- и электромобили, машины на топливных элементах, их различные сочетания, а также возбуждают инвесторов на постройку соответствующей и смежной инфраструктуры (сеть заправочных станций, СТО, программное обеспечение контролирующих устройств, всякого рода автомобильные Wi-Fi и аналоги автономных машин от Google). Зачем все это, спросит подозрительный читатель, уж не заговор ли они плетут против нефтегазового комплекса нашей Родины?
Ну, во-первых, та же Америка сама добывает и перерабатывает будь здоров сколько нефти, Техас никуда не делся; во-вторых, по закону «бюрократия сама себя плодит и кормит», мощное автомобильное лобби Европы и США легко задавило бы «зеленые» начинания сторонников гибридизации – если бы захотело; в-третьих, Россию какими-то там санкциями и «Приусами» не перешибить, наши скрепы «скрепче», и она тоже никуда не денется.
Тогда зачем? Ответ ужасен и прост: дышать нечем, господа! Полчища чадящих автомонстров так напугали Европу и Японию в 70-80-х, что те спешно начали принимать всевозможные нормы «Евро», надевать маски на постовых полицейских и врезать в трубы катализаторы. Даже Китай, ранее отжигавший уголь Эверестами в день, закашлялся, опомнился и стал усиленно разрабатывать электромобили (для тех, кто вдруг не в курсе: режим «черного неба» в Красноярске – это свежие благоуханные цветочки в сравнении с адским смогом Пекина, и там такое положение круглый год).
Умнейшие люди планеты понимают, что жизнь ДВС с его ядовитым выхлопом – вещь хоть и долгая, но неизбежно конечная. А бизнесмены уверяют, что если удачно оседлать коня с «альтернативными, экологичными движителями» сейчас, то в границах 20-30 лет неповоротливые конкуренты просто вымрут, будут вытеснены с рынка жесткими «зелеными» законами. Развивайся, или умри – эта простая истина и выдвинула на первые полосы газет Элона Маска с его «Теслами».
Итак, давайте совершим краткий тур по современным серийным и перспективным моделям авто, в основе которых лежит не взрыв воздушно-топливной смеси в цилиндре (с последующим выпуском отработавшего перегара в легкие прохожих), а более экологичные и технологически совершенные принципы.
Содержание статьи:
Гибридный автомобиль, как альтернатива ДВС
Еще 5-8 лет назад этот список, по большому счету, состоял из Toyota Prius, Lexus RX, Honda Insight и Civic Hybrid, а также Chevrolet Volt (да и то с натяжкой); были также по паре-тройке моделей у Audi и BMW, где гибридная схема являлась «вживленной» в платформу обычного серийного авто. Ну и ряд несерийных концептов.
А вот сейчас сосчитать гибридные автомобили не получится, даже если к пальцам рук прибавить пальцы, простите, ног. А уж рассказать про каждый в рамках статьи – и вовсе нереально. Теперь гибридным приводом могут похвастаться такие машины, как (загибайте пальцы) Cadillac ELR, BMW X5 xDrive40e, Mitsubishi Outlander PHEV, китайский BYD Tang, Volkswagen Golf GTE, SsangYong Korando (Actyon) C EV-R, Subaru XV Crosstrek Hybrid, Nissan Pathfinder, Kia Optima Hybrid, Mercedes E300 BlueTEC Hybrid… Разуваться будем? А ведь мы еще не затронули двоякодвижимые Toyota, Lexus, Honda, Ford, Opel и даже… Ferrari! Так что армия гибридов реально наступает, уже не до шуток.
Поэтому говорить будем о принципах и типовых решениях, не ставя задачу охватить неохватное.
Основа ясна: как правило, это (все-таки) компактный ДВС + довольно тяжелая и большая батарея (силовой аккумулятор), питающая так называемый мотор-генератор электричеством. Часто ДВС у гибридных автомобилей не совсем классический; так, у наиболее массового Toyota Prius он работает по циклу Аткинсона, когда все четыре хода поршня совершаются всего за один поворот коленчатого вала (цикл Аткинсона дает хорошие экологические показатели и экономичность, но требует поддерживать высокие обороты, в среднем от 2000 об/мин; на малых оборотах такой мотор плохо «тянет» и может заглохнуть под нагрузкой). Недостаток крутящего момента у ДВС Toyota Prius на «низах» компенсируется подключением электромотора, который выдает свой немалый момент мгновенно, не требуя раскрутки.
Вообще, классический ДВС тратит больше всего топлива именно в режиме старта с места, когда необходимо сдвинуть с точки покоя всю немалую массу авто (спортивные режимы в красной зоне тахометра – отдельный разговор, для большинства водителей это десятые доли процента от общего времени поездки). Работа гибридного автомобиля отличается тем, что он стартует на мотор-генераторе, бесшумно и не тратя ни грамма топлива; и лишь при выходе на крейсерские скорости в дело вступает ДВС, поддерживающий постоянное движение.
Кроме того, все гибридные автомобили оснащены сейчас хитрым ПО и системами рекуперации энергии, позволяющими при торможении или накате пополнять силовую батарею зарядом (вот тут мотор-генератор работает как генератор).
Ну, и кратко о новом, четвертом поколении Toyota Prius, как законодателе мод в классе и мировом бестселлере. Три предыдущих поколения Prius разошлись по миру тиражом свыше 3 500 000 штук; новый «примус» уже завоевал скандальную славу своим спорным дизайном, хотя при этом он технологически весьма совершенен.
В основу Toyota Prius (2016-2017 модельный год) легла глобальная модульная платформа TNGA, с низким центром тяжести и выросшей на 60% жесткостью кузова на кручение. Добавим заднюю подвеску на двойных поперечных рычагах (вместо прежней полузависимой балки) – и получим вполне внятную управляемость.
Силовая установка – это 1,8-литровая бензиновая рядная «четверка» мощностью 98 л.с. (142 Нм) и 72-сильный электромотор (163 Нм), вариатор и комплект никель-гибридных аккумуляторов. Совокупная отдача агрегатов определяется в пределах 132 л.с. Общую экономическую эффективность нового Toyota Prius обещают на 10% лучше, чем у 3-го поколения: средний городской расход заявляется на уровне 3.9 л/100 км пути. Полным «овощем» Toyota Prius тоже не назовешь – разгон до 100 км/ч за 10.4 с, максималка – 180 км/ч. Примерно так же ведут себя при разгоне 16-клапанные «Лады».
И важное дополнение: содержание СО2 в отработавших газах в смешанном цикле Toyota Prius составляет 89 г/км (для сравнения, этот показатель у Camry 2.5 будет в районе 259 г/км, то есть втрое хуже). Да, «Приус» — он экономичный и чистый!
Правда, несмотря на непрерывное техническое улучшение модели, Toyota Prius никогда не был и вряд ли в ближайшем будущем станет массовым в России. Во-первых, базовая комплектация сейчас продается от 2282 т.р. и не по карману 95% населения; во-вторых, любой гибрид в принципе и Toyota Prius в частности сложны в обслуживании и не любят суровых зим; в-третьих, самосознание россиян сейчас таково, что большинство не купят экологичную машину гольф-класса за два миллиона рублей, когда на эти деньги можно взять просторный внедорожник. По тем же самым соображениям гибридное авто довольно трудно перепродать через 3-5 лет эксплуатации, гибрид теряет в цене очень быстро. Брэд Питт может себе позволить ездить на «Приусе», поскольку хотел бы привлечь внимание общественности к проблемам экологии; мы, в своём большинстве, себе этого пока позволить не можем. Тем же, кто может, советуем все-таки обратить внимание на автомобили 4-го поколения – оно интереснее рулится!
У нас нет точной статистики продаж, но очевидно, что гибридные модели Lexus продаются в России в разы интенсивнее, чем Prius (продажи Lexus в кризис вообще выросли – особенности национального рынка?).
Клиенты Lexus – люди обеспеченные, для них «наценка на гибридность» не столь чувствительна. Одна из ходовых моделей, RX 450h, обойдется покупателям от 8 млн. рублей. Это, разумеется, куда более богато оснащенный автомобиль, чем Prius. В арсенале Lexus RX450h – бензиновый двигатель 3.5 л/313 л.с. + два электродвигателя, передний – 123 кВт, задний – 50 кВт. Своим индексом 450h фирма как бы сопоставляет энергоотдачу совокупной гибридной схемы с отдачей классического ДВС объемом 4.5 литров. Кроссовер разгоняется до 100 км/ч за 7.7 секунд и развивает 200 км/ч «максималки». Официальные данные расхода в городском цикле – 5.3 литра/100 км пути. Неплохо для машины снаряженной массой почти 2200 кг!
Куда меньшей популярностью, чем модели Lexus, но не меньшим вниманием пользуется спортивный BMW i8. По факту, это суперкар с гибридной схемой – в Европе базовая цена на BMW i8 составляет 125 тыс. евро. Характеристики тоже соответствуют: 1,5-литровый, от души турбированный трехцилиндровый моторчик выдает на гора 231 л.с. и крутящий момент 320 Ньютон-метров (уже неплохо).
Компактный ДВС через автоматическую 6-ступенчатую трансмиссию приводит заднюю ось, а электродвигатель на 131 л.с. и 250 Нм передает момент передним колесам через 2-ступенчатую коробку. Таким образом, i8 – вполне себе полноприводный. Средний расход топлива заявлен на уровне 2,1 литра на 100 километров пробега, разгон до 100 км/ч – за 4,4 секунды, а максимальная скорость в целях экономии запаса электроэнергии ограничена 250 километров в час. При этом зарядить высоковольтную силовую батарею на 80 процентов ёмкости можно всего за пару часов. Джереми Кларксон катался, ему шибко понравилось – мы поверим!
Заменят ли электромобили ДВС
Статистика утверждает: за 10 месяцев 2022 года в России продано 2090 электромобилей, это на 34% больше, чем за тот же период прошлого года из которых большая часть приходится на модели Tesla-39%. Кто их покупает? Фанаты и чудаки, что тут еще сказать…
Почему так мало? Ответ тот же: отсутствие необходимой инфраструктуры и законодательных актов, которые могли бы поощрить их покупателей; заоблачные цены на электромобили. Так, созданный в канун сочинской Олимпиады российский электромобиль El-Lada (электрическая «Калина») понемногу модернизируется, и вскоре его обещают продавать ограниченными партиями под заказ… по 3 млн. рублей за штуку (48387 долларов) – немногим меньше, чем гибридный Lexus RX!!!). Правда это будет уже не та El-Lada а некий китайский прототип.
Поэтому говорить о том, что электромобили в России совершили нашествие, пока рано (небольшой всплеск официальных продаж в 2022-м году, произошедший благодаря временной отмене ввозных пошлин на электромобили, нивелировался скачком доллара). Зато в западном пространстве они плодятся и размножаются весьма успешно.
Итак, обратим свой взор на один из самых обсуждаемых и успешных на сегодняшний день электромобилей «электрический стартап» — Tesla Model S. Оснащается литиево-ионными аккумуляторами емкостью 60 и 85 кВт/ч. Вместо коробки передач – одноступенчатый редуктор. Время зарядки от 220‑вольтовой электросети – 9 часов.
Самая доступная версия Model S 60 (чуть дороже 100 тысяч долларов для европейцев) является заднеприводной, на одной зарядке проходит до 330 км, время разгона 0–100 км/ч – 6,2 с, максимальная скорость – 190 км/ч, мощность асинхронного трехфазного электромотора – 223 кВт (302 л.с.). Дорогущая 691-сильная Tesla Model S P85D разгоняется до «сотни» за 3.2 секунды, что уже выдвигает машину в ряд суперкаров даже среди бензиновых собратьев.
Tesla изначально строилась как электромобиль класса «люкс», а не как утилитарный экономичный гольф-класс, который не портит воздух. К тому же, все мы знаем эту историю, производству и сбыту Tesla в США (в частности, в богатой Калифорнии) были даны мощные налоговые послабления, что и позволило сделать выпуск этих машин рентабельным. Богатая страна, богатые возможности.
Любопытно, что в США для владельцев Tesla в сети станций обслуживания предлагается либо бесплатная, но медленная зарядка аккумуляторов (около 8 часов полный цикл); либо подмена всего батарейного блока новым за 90 секунд, но при стоимости услуги на уровне цены полного бака бензина. Либо время, либо деньги!
В моделях Tesla реализовано довольно много новаторских инженерных и дизайнерских решений; одно из них – центральная консоль управления климатом и мультимедиа представляет собой один огромный сенсорный планшет, на экране которого отображаются все кнопки и параметры. Удобнее ли это традиционных «тактильных», выпуклых «крутилок»? Вряд ли. Но очень высокотехнологично.
На второе место по масштабам продаж удалось выбраться электромобилю с не самой привлекательной внешностью – это серийный Nissan Leaf. Литиево-ионный аккумулятор емкостью 24 кВт/ч, моторчик выдает около 80 кВт (109 л.с.), трансмиссия — вариатор. Запас автономного хода невелик – 160 км, время разгона 0–100 км/ч – 9,0 с, максимальная скорость совсем скромная – 140 км/ч. Классический городской «уродец», но почти по цене «Приуса» — чуть дешевле 30 тысяч долларов в США.
И нельзя не вспомнить относительно свежий немецкий проект электродвижимого автомобиля – модель BMW i3! Кстати, BMW проводит эксперименты с электромобилями аж с 1972 года; но только сейчас баварские идеи обрели серийную мощь.
Роль силовой установки исполняет синхронный электромотор, его отдача соответствует 170 л.с., а крутящий момент равен 250 Нм. Коробка передач одноступенчатая автоматическая. Машинка у баварцев получилась довольно динамичная, за счет производительного электромотора и небольшой массы: разгон до 100 км/ч занимает 7.2 секунды, максималка ограничена электроникой на отметке 150 км/ч.
Цена на BMW i3 в Германии за базовую комплектацию порядка 35 000 Евро, а если покупатель захочет установить дополнительный мотор-генератор, то цена за электромобиль составит 40 000 Евро.
В отличие от Tesla, шустрый BMW i3 гораздо дешевле и компактнее; при этом дизайнерам удалось придать облику электрокара запоминающийся стиль и «скромное обаяние городского бюджетника». Хотя 35000 евро… какой уж тут бюджет!
А теперь немного интриги. Стоит сказать пару слов о новейшем «электрическом» стартапе, поднявшим руку «на святое» (т.е. на саму Tesla). Речь идет о калифорнийской компании Faraday Future (FF), о которой известно следующее: там трудятся почти 500 человек, многие перешли в FF из Tesla, это инженеры, кадровики, специалисты по закупкам. В штате FF замечен энергетик аэрокосмической компании SpaceX Портер Харрис, дизайнер серии «i» компании BMW Ричард Ким, разработчик трансмиссии для гибрида Chevrolet Volt Сильва Хити, спец по интерьерам Понтус Фонтаеус (отделывал салоны Volvo, VW, KIA).
Судя по всему, в компании Faraday Future куры денег не клюют: китайский миллиардер Цзя Юэтин (78-е место в рейтинге Forbes) щедро финансирует проект. Вот и все! Никаких технических подробностей, никаких цен; только обещание посрамить Tesla и запустить собственный электромобиль FFZero1 в серию к 2018-му году. На выставке CES-2016 в Лас-Вегасе Faraday Future показала концепт, чем-то напоминающий спорткар из кузовной формулы, явно недешевый и скоростной (ориентир – 320 км/ч и 3 секунды до сотни); однако представители FF намекают, что модульная основа прототипа позволит легко видоизменять конфигурацию элементов, создавая различные типы электромобилей, включая даже грузовики-пикапы.
Промежуточные итоги по электромобилям:
Важнейшее преимущество любого электромобиля над машиной с ДВС – как раз в полном отсутствии ДВС. Нет громоздкого мотора, нет громоздкой коробки передач (электромотор сам себе трансмиссия), нет патрубков выхлопной системы и глушителя, нет бензобака и топливопроводов… Мощность от батареи на любой мост или колесо можно передать по тонкому проводу – а значит, нет карданного вала! Благодаря этому, хорошо спроектированный электромобиль внутри всегда просторнее обычной машины, у него ровный пол, глубокий багажник, под капотом куча места…
Кроме того, электромобили не источают вредного выхлопа, почти бесшумны, и по динамике сравнимы с бензиновыми аналогами того же размера. В гипотетической пробке из электромобилей можно было бы открыть окно и беспрепятственно дышать свежим воздухом. Мечта!
Недостатки: дороговизна материалов и решений, а также тяжелая силовая батарея (как правило, размещенная либо за задним сиденьем, либо под полом).
Автомобили на топливных элементах
Впервые водород, как полезный продукт, привлек внимание инженеров в эпоху бума дирижаблей (правда, после пары-тройки громких катастроф Н2 заменили на более безопасный гелий); а еще – мало кто об этом вспоминает – он широко применялся во время блокады Ленинграда, когда водородом заправляли лебедки аэростатов и даже наземный транспорт. Однако из-за своей взрывоопасности, чрезвычайной текучести и летучести (емкости с водородом должны быть абсолютно герметичны) «гидрогениум» долгое время считался непрактичным топливом.
Однако буквально в последние 3-5 лет тема «водородомобилей» из теоретических рассуждений перешла в категорию серийных проектов (пусть и не слишком массовых). Локомотивом движения, как и в случае с гибридами, выступила Toyota Motor, в ноябре 2013-го года показавшая публике предсерийный концепт Toyota Mirai – первый в мире автомобиль на топливных элементах, созданный на самостоятельной платформе (к настоящему времени продано около 700 экземпляров Mirai, цена в Японии – около 57-61 тысяч долларов). Так что это за зверь такой?
«Зеленое» сердце Toyota Mirai – гибридная силовая установка, в которую входит «реактор», преобразующий энергию горения смеси водорода (закачивается в топливные элементы) и кислорода в электричество, а также никель-металл-гидридный аккумулятор на 21 киловатт. Мощность водородного двигателя достигает 114 кВт (около 153 л.с.); на одном комплекте заряженных элементов (2 углепластиковых бака с жидким водородом на 170 литров, или 5 кг топлива) машина может проехать до 500 км. Вся прелесть водородомобиля в том, что из выхлопной трубы идет чистый водяной пар, без каких-либо вредных примесей (примерно стакан воды на каждые 4 км пробега). Toyota Mirai, как и электромобили, абсолютно «зеленый» транспорт.
Остальные решения уже отработаны Toyota на гибридах – рекуперативное торможение, пакеты умного ПО, трансмиссия и компоновка. Сами топливные элементы Mirai сделаны безопасными: при пробое бака водород просто постепенно испаряется из контейнера, не возгораясь.
При этом Mirai – вполне современный комфортабельный автомобиль; время полной заправки двух баллонов составляет всего 3 минуты, а максимальная скорость машины достигает 175 км/ч.
Другие примеры машин на водородных элементах – это BMW 750i Hydrogen, Honda FCX, проекты от Hyundai и Daimler AG. Водород интересен автогигантам, поскольку у него есть ряд важных преимуществ (помимо экологической чистоты): 1 – его запасы (как химического элемента) безграничны; 2 – водород дает теплоотдачу при сгорании в 2,5 раза больше, чем у бензиновой смеси; 3 – водород воспламеняется гораздо быстрее бензина, он устойчив к детонации, смесь легко дозировать, все это позволяет еще повысить КПД мотора (в частности, КПД силовой установки Mirai достигает 83%, в то время как среднее КПД классических ДВС редко превышает 25%);
Главное же препятствие на пути широкого распространения «водородомобилей» – это стоимость получения водорода (Н2), а также комплектующих для его хранения и транспортировки. Сейчас чистый водород получают путем электролиза воды, и это требует больших затрат электроэнергии. Ядерная энергетика, в принципе, может вывести технологию на рентабельный уровень, но она и сама по себе не подарок (Фукусима, Фукусима…).
Тут стоит вспомнить, что получать чистый водород дешевле всего из обычного природного газа, самыми обширными запасами которого обладают Россия и США. Если бы (ах, если бы…) промышленность РФ совершила резкий разворот к индустриализации и наладила бы выпуск и обслуживание водородомобилей, наша страна могла бы в обозримой перспективе стать лидером в их производстве и крупнейшим экспортером топливных элементов… Но о чем это мы? Вернемся лучше к реальности.
Есть ли ещё варианты?
В некоторых фантастических романах люди умудряются ездить на автомобилях с атомными (ядерными) двигателями. Опыт строительства и эксплуатации АЭС, атомных субмарин и ледоколов показывает: эта схема слишком громоздкая, и оправданна пока только на транспорте размером с дом или более… Да и небезопасно. Так что – нет, еще рано.
Солнечная энергетика? Пока низкий КПД солнечных панелей не позволяет использовать их для разгона и движения стандартного авто; в лучшем случае, это специально подготовленные рекордомобили с одним пилотом и безо всяких удобств. А вот что мешает делать крыши и капоты каждого выпускаемого автомобиля из солнечных элементов, позволяя ярким днем экономить на расходе электроэнергии в бортовой сети? Ответ короток: цена на солнечные батареи. Нерентабельно!
Антигравитация, сила джедаев, перпетуум-мобиле? Голливуд работает над этим…
Заключение
Беглый взгляд на тенденции современного автомобилестроения говорит нам: число гибридов (электромобилей, смешанных схем), а также их процентное соотношение к авто с классическим ДВС неуклонно растет. Это, безусловно, позволяет снизить массу вредных выхлопов от этих двигателей в атмосферу. По крайней мере, в таких странах, как США, Япония, и в Евросоюзе в ближайшие 20-30 лет выпуск автомобилей с классическими ДВС снизится до 40-50% от общего числа авто. А может быть, и больше. Но приведет ли это к общему оздоровлению экологии планеты – вопрос спорный.
Дело в том, что при подсчетах производственных затрат и массы использованного редкоземельного сырья для выпуска тех же гибридов неожиданно оказывается, что… машины с обычными моторами строить дешевле и безопаснее для окружающей среды. Грубо говоря, сами гибриды вредят планете меньше, чем машины с ДВС, но завод гибридов и его инфраструктура – больше, чем обычный автозавод! Именно поэтому, а также из-за своей дороговизны, гибриды и электромобили пока еще не вытеснили наши любимые «зажигалки» с улиц. Надолго ли? Будущее покажет!