Это случится, и довольно скоро. Сначала Норвегия, а потом и колыбель автомобиля Германия заявили, что в ближайшие 10-15 лет они введут запрет на продажу и использование автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Теперь есть серьезные опасения, что тот автомобиль, к которому мы с вами привыкли, доживает свои последние дни.
А пока этого не случилось, есть смысл вспомнить, какие способы приведения автомобиля в движение были изобретены за последние сто с лишним лет. И какой инженерный опыт нам может пригодиться, когда старый добрый ДВС окажется вне закона.
Все приводы автомобиля можно разделить на две категории по принципу получения энергии.
Самые распространенные на сегодня двигатели внутреннего сгорания производят ее, так сказать, на месте потребления из перевозимого на автомобиле запаса топлива. Содержащуюся в этом топливе энергию они напрямую превращают в механическую. Так, кстати, работает аналоговая музыкальная техника - преобразует сигналы один в другой.
Ко второй категории мы отнесем все типы приводов, которые работают на уже готовой энергии в том или ином ее виде. Их можно сравнить с цифровой техникой. Это прежде всего электромобили.
В первой категории у нас всего две разновидности. Вот с них-то и начнем.
Пар костей не ломит
Паровая машина - самый известный двигатель внешнего сгорания. Здесь рабочим телом служит вода, которая нагревается топливом за пределами двигателя.
Первые проекты паровых автомобилей относятся еще к Исааку Ньютону, однако реально работающие прототипы были созданы только в 1698 году англичанином Томасом Севери. Сначала машину в действие приводила мощная струя пара, бившая из сопла. Но впоследствии Джеймс Уатт значительно усовершенствовал эту модель и в итоге подарил миру не только более эффективный паровой двигатель, но и промышленную революцию.
В 1769 году Николя-Жозеф Конью задался целью создать тягач для артиллерии, так появилась на свет огромная неуклюжая повозка с гигантским котлом спереди. Это самый известный из предков автомобиля - повозка Кюнью считается первым самодвижущимся экипажем в мире. Она была довольно медленной и неповоротливой, и уже в первой испытательной поездке врезалась в здание Арсенала.
Паровые машины разрабатывались и в нашей стране. Так, небезызвестный Иван Кулибин, чье имя впоследствии станет нарицательным, именно в ходе работы над паровым двигателем изобрел маховик, коробку передач и тормоза.
Автомобили на паровом ходу активно использовались вплоть до середины XX века, более того, именно на паровом автомобиле в 1906 году была преодолена отметка в 200 км/ч.
Имена нарицательные
"Автомобиль на топливе" - вот так незамысловато в патенте было описано изобретение, которое официально признано первым автомобилем в мире. Патент был зарегистрирован Карлом Бенцем в 1886 году.
Бенц использовал двигатель внутреннего сгорания, который придумал и создал его соотечественник Николаус Август Отто. В 1946 году немецкий институт по стандартизации DIN сделал Отто нарицательным именем для бензиновых двигателей, как имя Дизеля было присвоено моторам с воспламенением от сжатия. И сейчас в характеристиках немецких автомобилей вы можете увидеть Ottomotor.
Аткинсон, но не мистер Бин
Англичанин Джеймс Аткинсон пошел на ухищрения, чтобы производить ДВС, не попадая под патент Отто, и изменил поведение поршней во время рабочего хода, усложнив конструкцию.
Его технические решения нашли применение только много позже, в начале XXI века, когда компания Toyota начнет ставить двигатели с циклом Аткинсона на свои гибридные модели.
Основным потребителем роторных "Жигулей" были спецслужбы, которым была нужна машина с обычным внешним видом и высокой динамикой. В порядке эксперимента роторные двигатели ставили и на "Волги", и даже на микроавтобусы РАФ.
Ротари-клуб
Немецкий конструктор Феликс Ванкель разработал роторно-поршневой двигатель (РПД). Как ясно из названия, в нем функции поршня выполняет треугольный ротор. Благодаря отсутствию кривошипно-шатунного механизма двигатель оказался гораздо проще и компактнее. Такие двигатели развивают очень высокую мощность при тех же рабочих объемах по сравнению с поршневыми ДВС и обладают колоссальным диапазоном рабочих оборотов. Автомобили с ними выпускали серийно немецкая NSU, французский Citroen, японская Mazda и советский ВАЗ.
Производство последней серийной модели с "ванкелем", MazdaRX-8, прекращен в 2012 году. У РПД есть неустранимые недостатки, которые не позволяют двигателю соответствовать все ужесточающимся требованиям по составу отработавших газов.
Нет в нем искры
Одним из самых ярких образцов нестандартного мышления является изобретение "нового рационального теплового двигателя", как гласил патент. Столь серьезную работу проделал в 1892 году Рудольф Дизель. В то время как двигатели Отто и ему подобные использовали для воспламенения искру от электрической свечи, Дизель предлагает применить цикл Карно, то есть нагревать рабочую смесь путем сжатия.
Первый же построенный Рудольфом двигатель сразу выдал на 25 процентов больше мощности, чем аналогичный по объему бензиновый двигатель Отто. Правда, весил он довольно много и не мог развивать высокие обороты, так что при жизни изобретателя приспособить дизели для транспорта удалось только на кораблях, где размеры не имели особого значения. Первый легковой автомобиль с дизелем - Mercedes-Benz 260 D - появился только в 1936 году. Двигатель при объеме 2,5 л развивал всего 45 л. с.
Но уже очень скоро в Европе дизели стали довольно популярными благодаря своей экономичности. А вот в других регионах они по-прежнему используются только на грузовиках. В Японии и США доля дизелей среди легковых автомобилей всего несколько процентов. Дело в том, что отработавшие газы дизеля "чище", чем у бензинового двигателя по многим параметрам, но при этом содержат много оксидов азота. И уменьшить их содержание без ухудшения экономичности двигателя невозможно. Поэтому в соревновании за чистоту выхлопа дизель практически близок к пределу, а безжалостные законодатели собираются и дальше ужесточать стандарты...
Бензиновый, но не на бензине
Производство альтернативных видов топлива для бензиновых моторов зависит от климатических и прочих особенностей того или иного региона. Скажем, в Бразилии активно используют производимый из сахарного тростника спирт. В США для этих целей используют кукурузу. А в Европе этиловый спирт для добавки в топливо делают из отходов деревообработки. Практически все современные модели готовы работать на бензине с 15-процентной добавкой спирта.
Отдельная тема - водород, который уже давно рассматривается в качестве альтернативы ископаемым видам топлива. Как-никак самый распространенный химический элемент во Вселенной. Самое главное - водород можно использовать как топливо для обычного двигателя внутреннего сгорания, который при этом сохранит возможность работать и на бензине. Правда, мощность двигателя будет несколько меньше, а для хранения водорода придется использовать специальный бак - перевозить его можно в сжиженном виде при температуре минус 253 градуса.
Первой ласточкой стал автомобиль BMW Hydrogen 7, который на одной заправке водородом мог проехать около 200-300 км, сжигая водород прямо в своем привычном двигателе V12. Эту модель даже выпустили небольшой серией в сотню экземпляров.
Водородную версию своей роторной модели RX-8 сделала и Mazda. Правительство Норвегии в 2003 году решило обеспечить возможность эксплуатации водородных автомобилей, и в 2009 году трасса между Осло и Ставангером была оснащена водородными заправками. И сейчас в Норвегии есть четыре станции для заправки водородом, которыми оперирует специально созданная в 2012 году компания HYOP.
Гибриды могут быть не обязательно электрическими. Можно запасать излишки энергии, раскручивая маховик, как это было сделано в гиробусах, или, например, сжимая воздух в баллоне пневмоавтомобиля. Или жидкость в гидроаккумуляторе.
Он же метис
Гибриды занимают промежуточное положение между автомобилями, потребляющими ископаемое топливо, и электромобилями. Хотя изначально ДВС ставили на электромобили ради увеличения дальности их хода, сейчас основная задача гибридного привода - собирать пропадающие напрасно излишки энергии, вырабатываемой ДВС.
Появление гибридных автомобилей в первую очередь было связано с тем, что электромобили не обладали достаточным запасом хода, о чем мы еще поговорим. Поэтому им требовалось что-то, что позволяло бы подзаряжать батареи прямо в пути. На помощь пришел ДВС. Причем схему эту придумали еще сто лет назад. Но всерьез вспомнили только в конце 90-х годов XX века.
В те годы Toyota представила свой знаменитый Prius, машину, которая обещает невероятно низкий расход топлива при сохранении динамики на уровне конкурентов с традиционными приводами. В этой машине помимо бензинового двигателя установлен еще и электромотор, который в определенные моменты будет помогать этому двигателю. А может и работать как генератор, используя энергию торможения и запасая ее в виде электричества в батареях.
В дальнейшем мир получил множество разных гибридов. Помимо бензоэлектрических, уже существуют и дизель-электрические гибриды, их активно производит компания Peugeot, да и такие компании, как Volvo или Audi, тоже не отстают.
Если заменить в гибриде тяжеленные батареи аккумуляторов на легкие конденсаторы, то мы получаем систему KERS, которая сейчас активно используется в болидах Формулы 1. Конденсатор точно так же накапливает заряд, как и батарея, но отдает его весь сразу и очень быстро. Незаменимая вещь, если от обгона на последнем круге зависит судьба чемпионского звания. Впрочем, и на дорожных суперкарах современности мы можем встретить подобные системы.
Если я заменю батарейки
Электромобиль появился чуть ли не на полвека раньше, чем автомобиль с таким привычным для нас ДВС. B начале ХХ века электромобиль считался едва ли не перспективнее. Отсутствие шума и выхлопа создавало фантастический уровень комфорта для шофера и пассажиров в отличие от коптящих и шумящих бензиновых машин. Кстати, передачи переключать тоже не надо было. А для автомобилей того времени это было той еще задачей. Однако у электромобилей была серьезная проблема - запас хода. И к 20-м годам ХХ века электромобиль начал сдавать позиции. Развитие дорог и улучшение двигателей внутреннего сгорания, появление развитой сети заправочных станций и другие причины сделали радиус действия обычного автомобиля фактически бесконечным. А на электромобиле уехать дальше чем на 50 км было по-прежнему невозможно.
Об электромобилях вспомнили во второй половине 1960-х, когда в Калифорнии впервые были введены нормы содержания отравляющих веществ в отработавших газах. Экономия топлива стали всерьез волновать всех в 1970-е, когда сильно подорожала нефть. Вскоре электромобили стали модным явлением, поддерживаемым многими государствами и горячо одобряемым всевозможными экологическими движениями. И сегодня они есть в модельной линейке практически любой уважающей себя автомобильной фирмы.
Главные проблемы, с которыми сталкивается современная индустрия автомобилей на электричестве, прежние: долгое время зарядки аккумуляторов и ограниченный пробег на одном заряде.
Сегодня подавляющее большинство производителей используют литий-ионные батареи как в смарфонах, только большие. Их существенным минусом является не только большая масса, но и продолжительность процесса зарядки. Так, например, Nissan Leaf полностью заряжается от 220-вольтовой розетки за 11 часов. А знаменитая Tesla Model S, обладая батареями еще большей емкости, вообще прибавляет за каждый час зарядки всего 14-15 км, если речь идет про обычную домашнюю электрическую розетку.
Это стало одной из причин, по которой некоторые автопроизводители решили не отказываться полностью от двигателей внутреннего сгорания, но использовать их как генераторы для выработки электрического тока, подзаряжающего аккумуляторы. Такой двигатель стоит, например, на Chevrolet Volt. Даже на сугубо электрический BMW i3 можно заказать Range Extender - двухцилиндровый бензиновый мотор и небольшой бензобак. Еще дальше пошли в компании Mitsubishi. PHEV умеют не только заряжаться от работы ДВС, но и применять его для непосредственного вращения колес.
Но все это, конечно, полумеры и в какой-то степени шаги назад. Популяризации Model S, помимо того что она красивая и престижная, способствовало то, что компания Tesla стала строить специальные зарядные станции. Электричество для этих станций вырабатывается экологически чистым способом прямо на месте. Владельцы моделей Tesla могут заряжаться на таких заправках, которые производитель называет Supercharger, абсолютно бесплатно. Притом напряжение 400 В позволяет зарядить батареи наполовину всего за 20 минут. Компания Porsche заявляет, что их будущий электроседан e-Mission будет заряжаться на 80 процентов уже за 15 минут. Для этого, правда, потребуется особая зарядная станция с напряжением уже 800 В, которых пока не существует...
И тут становится понятно, что успех электромобилей - вопрос не только инженерных решений, но и сотрудничества автопроизводителей с государствами и друг с другом. Например, сегодня существует полдюжины различных разъемов для зарядки электромобилей. Каждый производитель видит собственный вид вилки и розетки оптимальным. Хотя универсальный разъем для Европы - Mennekes Type 2 - был выбран еще в 2009 году, он отличается от разъема для Tesla и некоторых других моделей.
Отдельная тема - сменные батареи единого стандарта. Если бы их удалось придумать, то водитель электромобиля тратил бы на заправке не больше времени, чем дачник, меняющий пустой газовый баллон на полный. Но до этого пока далеко.
Мирный атом
В 1958 году мир грезил будущим и космосом. Автомобильные концепты больше походили на самолеты-истребители, а инженеры не боялись экспериментировать. Одним из самых удивительных примеров такой фантазии является концепт Ford Nucleon. Экстравагантная внешность с далеко вынесенной вперед кабиной водителя объяснялась конструктивными особенностями: людей хотели удалить от источника радиации и уравновесить тяжелую защиту. Автомобиль должен был работать исключительно за счет энергии ядерного реактора, что обещало пробег на одной заправке до нескольких тысяч километров! Но реализовать идею компактного реактора не удалось.
Сейчас, когда после Чернобыля и Фукусимы атомную энергетику считают слишком рискованной, появление новых проектов в этом направлении практически исключено.
Откуда дровишки?
В 1936 году в Советском Союзе был построен грузовик ЗИС-13, который имел газогенератор для сжигания в нем древесного топлива. В специальном высоком баке сжигалась древесина, тем самым вырабатывался горючий газ, который впоследствии очищался, охлаждался и попадал в двигатель. Таким образом, переоборудованные газогенераторные грузовики потребляли примерно 80 кг древесного топлива на 100 км пути.
Газовая атака
Газотурбинный двигатель использует энергию сжатого и нагретого газа, который вращает лопасти турбины, превращая внутреннюю энергию газа в механическое движение. В теории этот тип двигателя может работать буквально на всем, что горит. Бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, природный газ, судовое топливо, водяной газ, спирт и измельченный уголь, его можно заправить даже водкой. Сильной стороной является высочайшая удельная мощность по сравнению с обычным ДВС.
Но лишь немногие автопроизводители занимались этим типом двигателя - опытные экземпляры построили в 1950-е и 1960-е годы Rover и General Motors, а Chrysler в 1963-1964 годах выпустил серию в несколько десятков газотурбинных автомобилей. Их раздали добровольцам для испытаний, но через некоторое время забрали и почти все уничтожили, оставив шесть штук для музеев.
Вздутие
Автомобили могут приводиться в движение и сжатым воздухом. Энергия запасается путем нагнетания сжатого воздуха в баллоны. А затем воздух под давлением приводит в движение пневмодвигатель.
Пневматический привод - совсем не экзотика: он давно используется для различного производственного оборудования, да и в автомобилях встречается - на пневматике работают тормозные системы и двери автобусов. А во французском городе Нант - между прочим, родине фантаста Жюля Верна - еще в 1879 году запустили линию пневматического трамвая, проработавшую до 1914 года.
Сейчас автомобили такого типа регулярно появляются на международных выставках. Например, пневматический TataOne CAT и гибридный концепт от Citroen C4 Cactus Airflow 2L, который благодаря такому типу гибридной силовой установки мог бы расходовать всего лишь около 2 л привычного нам топлива.
И снова водород
О преимуществах решений, которые реализовали BMW и Mazda, мы уже говорили. Если автомобиль негде заправить водородом, он едет на обычном бензине. В конструкции используются привычные силовые агрегаты, так что автопроизводителям не нужно переоборудовать свои заводы. Однако мир, похоже, всерьез готовится к реформе - и сегодня предпочтительным методом использования водорода становятся топливные элементы: в них водород реагирует с кислородом воздуха, в результате чего вырабатывается электричество. Ну а дальше все как в обычном электромобиле.
Уже сегодня в некоторых странах можно приобрести Toyota Mirai - это серийная модель на топливных элементах. Так же как продавалась Honda Clarity до недавнего времени. Сердцем этих японских автомобилей является установка на топливных элементах. В результате химической реакции взаимодействия водорода и кислорода вырабатывается электроэнергия, а продуктом реакции является лишь водяной пар.
Физкульт-привет
В начале XVII века, задолго до первых автомобилей, житель Новгородской области Леонтий Шамшуренков разработал "самобеглую коляску" с педальным приводом. Так мир начал передвигаться с помощью тех же ног, но уже намного эффективнее и быстрее. Сегодня подобные транспортные средства это целая индустрия, с собственными соревнованиями, чемпионами и рекордами. Так, например, рекорд скорости для педального автомобиля составляет 133,78 км/ч.
Вот к этому типу привода мы со временем, вероятно, и придем.