Есть ли будущее у ДВС? Анализ последних тенденций - «Автоновости»

Казалось бы, вопрос ухода со сцены двигателя внутреннего сгорания решен. «Электрички» от разных производителей уже в ассортименте. Кто-то делает упор на топливные элементы. И многие страны создают условия для перехода на выпуск «чистого» транспорта. Во всяком случае, заявляют о том, что «к такому-то году не хотели бы видеть на дорогах автомобили, сжигающие топливо». Все! Амба! Так что, через пару-тройку десятилетий не старый на данный момент «потребитель углеводородов» будет восприниматься как Oldsmobile 442, обнаруженный героем Сильвестра Сталлоне в фильме «Разрушитель»? Как реликт, как динозавр? По-моему, не стоит спешить с выводами.

Тренд очевиден. «Чистая энергия», менее связанная с природными ресурсами и не загрязняющая мегаполисы, которые давно задыхаются от выхлопа, безусловно, получит массовое распространение. Но стоит ли уже сейчас ставить крест на ДВС? Ряд производителей — из Германии, Японии — вовсе не собираются этого делать. И будем говорить прямо, при всем инженерном потенциале не спешат пожинать лавры Илона Маска. Напротив, продолжают доводить конструкцию ДВС «до звона». То же делают и разработчики комплектующих. Вот Bosch недавно анонсировал завершение работ над системой очистки дизельных двигателей. А куда деваться всем остальным — производителям моторной периферии, «расходников», которые не найдут применения на электромобилях? Думается, что есть некое лобби и в этой среде, не говоря уже о нефтяных магнатах.

В общем, ожидать дальнейшего развития двигателя надо и от партнеров автокомпаний, и от самих производителей автомобилей. По каким путям оно идет? Нулевой выброс? О чем вы говорите! Важно сохранить мощность на более-менее привычном уровне. Но при этом уложиться в ужесточающиеся эконормы, которые в том числе привязаны к расходу топлива (в рамках всего модельного ряда компании). Как мы знаем, именно эти цели преследовал даунсайзинг. И примерно в то же время определившаяся тяга инженеров увеличивать точку термостатирования — фактически повышать рабочую температуру двигателя. От первого вроде бы потихоньку отказываются. По крайней мере, процесс не двинулся дальше — к откровенно мизерным рабочим объемам на сравнительно крупных автомобилях. Второе явление, нашедшее применение в основном на моторах европейских, похоже, укоренилось конкретно и отката с 95–120 градусов, на которых трудятся нынешние моторы, к прежним 80–90 не предвидится. Как не будет повального отказа от турбонаддува, систем изменения фаз газораспределения, возможно, непосредственного впрыска, EGR, использования мочевины на дизелях. Словом, всего того, что позволяло выжимать из двигателя крохи экономии и экологии. Что же дальше? Еще раз скажем — поле для деятельности имеется. Отчасти связанное с электрификацией и гибридизацией. Тем не менее существуют проекты, где главенствующая роль отводится чистой механике, точнее, модернизации процессов горения топлива.

Горючее плюс электричество

Почему, собственно, нужно совсем отказываться от привычного двигателя, если его можно совмещать с электромотором? Все мы знакомы с Prius. А в конце минувшего десятилетия и в начале нынешнего не только Toyota и другие японские компании, но и немцы из разряда премиальных кинулись совмещать ДВС и электричество. Таковыми, например, стали Mercedes-Benz S 400 BlueHybrid, BMW ActiveHybrid 7, Porsche Panamera S Hybrid.

В них связка обоих агрегатов работала по параллельной схеме. Электромотор был встроен между ДВС и коробкой передач. При незначительной мощности — всего 10–15 кВт — он работал в качестве стартера, запасал энергию в батарею и помогал двигателю на разгоне. Потом производители туда же начали ставить электромоторы в 30–50 кВт, которые позволили передвигаться только на электротяге. Рост мощности продолжился. Скажем, недавно Audi представила Q7 e-tron с бензиновым и дизельным двигателем, где расположенный там же электромотор развивает уже 94 кВт, а сам автомобиль — так называемый plug in, то есть подзаряжаемый. Иными словами, немцы пошли по тому же пути, что ранее японцы со своим Приусом или, к примеру, Outlander PHEV. Только сделали это на ином потребительском уровне. В городском трафике (до 50 или около того км) e-tron может передвигаться только на электричестве. На автобанах — использовать мощные ДВС в связке с электромоторами. Получается и экономично, когда это необходимо, и быстро в других случаях.

Говорим о симбиозе, о гибридах. Между тем сделать экологичнее ДВС можно без стыковки его с «киловаттным помощником». Просто максимально разгрузить коленвал, таким образом сделав работу ДВС легче. Вспомним систему i-Eloop от Mazda, в которой при торможении происходит рекуперация энергии и запасание ее в так называемом суперконденсаторе, способном заряжаться за несколько секунд. Потом он расходует ее на питание электрооборудования, на зарядку аккумулятора.

Следующий шаг — переход на 48-вольтовую вспомогательную систему. Например, на Audi SQ7 с 4,0-литровой «восьмеркой» она понадобилась для устройства в дополнение к двум основным и традиционным третьего компрессора, работающего от электромотора мощностью 7 кВт. Вроде никакой тут экономии! Но ведь это дизель, который сам по себе бережлив в потреблении топлива. И при этом он развивает 435 л.с., а его 900 Нм доступны с 1000 об/мин. Налицо желание получить этакую Теслу (пуляет дизельный кроссовер немногим хуже электролифтбека), пусть и не с нулевым потреблением/выбросами, однако не расходующую горючее ведрами.

В Mercedes, разрабатывая новую рядную «шестерку» M256 объемом 3,0 литра, преследовали те же цели. В ней также есть электронаддув, питающийся от 48-вольтовой системы. Последняя, помимо этого, работает в связке со стартером-генератором, который и заводит мотор, и работает в режиме рекуперации, и добавляет ДВС 20 л.с. (общая отдача до 435 сил).

Что принципиально, от вспомогательной системы питается электрическая помпа и компрессор кондиционера. Это позволило снять лишнюю нагрузку с коленвала и сделать общую длину двигателя меньше. А отказ от V6 вызван невозможностью максимально близко к «головкам» разместить катколлекторы, что необходимо для их быстрого прогрева и соблюдения двигателем новых эконорм.

На шарнирах или без распредвалов

48 вольт, электронаддув и прочее — это все периферия. Что-то можно сделать с самим мотором, с блоком, «головкой», поршневой группой? Например, в реальном времени изменять степень сжатия. Зачем это нужно? Известно, что при высоких ее значениях топливо сгорает гораздо эффективнее. Но есть риск детонации и невозможно использовать наддув. А вот если подстраивать степень сжатия под режимы работы двигателя… Теоретические выкладки были предложены еще век назад. Претворить их в жизнь с тех пор пытались многие крупные производители. Предлагали, скажем, раздвижные поршни и шатуны. Устраивали дополнительные поршни, изменявшие объем камер сгорания. Предлагалось даже смещать коленвал относительно блока цилиндров.

В результате на легковых моторах первую рабочую систему в 2000 году предложил Saab. 1,6-литровый SVC имел приводной нагнетатель и моноблок («головку» объединенную с блоком). В нем — эксцентриковый вал, который наклонял цилиндры относительно коленвала, изменяя степень сжатия в пределах 8:1–14:1.

Шведы изготовили ходовой прототип, однако до серийного выпуска дело не дошло. Таковой начался только в конце прошлого года. Ниссановцы на модели Infiniti QX50 представили «четверку» 2,0 VC-T (или KR20DDET). Здесь так же, как у шведов, был использован турбонаддув и аналогичный диапазон изменения степени сжатия, хотя схему, за счет которой изменяется степень сжатия, выбрали принципиально иной. Ее, кстати, еще при СССР запатентовали в нашем НАМИ. Шатун в этом моторе соединен с коленвалом через коромысло, другим концом связанное с эксцентриковым (управляющим) валом. А тот, в свою очередь, с электроприводом. Актуатор вращается, поворачивает промежуточный вал, что меняет положение коромысла и снижает либо поднимает положение верхней мертвой точки. Смотрите видео:

В том же 2017-м свою разработку запатентовала Toyota. По мнению этой компании, оптимально достигать изменения степени сжатия за счет увеличения расстояния между поршнем и шейкой коленвала. Достигается это за счет устройства вместо поршневого пальца эксцентрикового механизма, чье положение регулируется поршеньками, выезжающими из тела шатуна.

Тем не менее пока как-то не кинулись автопроизводители внедрять эту систему. По мощности что саабовский (225 л.с.), что ниссановский (268 л.с.) моторы — на уровне обычных высокофорсированных наддувных «четверок» своего времени. Правда, в Nissan проводят сравнение с VQ35, который он, видимо, постепенно вытеснит. И отмечают — VC-T где-то на четверть его экономичнее. С другой стороны, японцев после вступления в альянс с французами не упрекнешь в необоснованных тратах. Некий инженерный и экономический смысл в этом есть.

Существует ли он в работе, которую с начала 2000-х ведут в шведской компании Koenigsegg, точнее, в подконтрольной фирме Freevalve, большой вопрос. Безусловно, Кристиан фон Кенигсегг — владелец обоих подразделений — этакий Илон Маск, разве что масштабом поменьше. Энтузиазма не занимать, с инженерным потенциалом тоже все в порядке. Строил же суперкары с одноименным названием, сочетанием массы к мощности в 1:1 и самым быстрым разгоном до 300 км/ч. Для которых создавал версии фордовских «восьмерок» мощностью под тысячу и более «лошадей». Но с созданием двигателя без распредвалов что-то не задалось.

Идея была хороша — вместо всего механизма ГРМ внедрить актуаторы, которые бы открывали/закрывали клапаны. По весу и габаритам сразу минус вся «головка» с содержимым. К тому же при таком принципе работы как угодно можно сдвигать фазы, имитировать циклы, включая двухтактный, отключать те или иные цилиндры. Впрочем, быстро выяснилось, что нет устройств, которые бы оперировали клапанами с необходимой частотой. Именно их разработка и ставится в заслугу фирме Кенигсегга. В своих изделиях Freevalve совместил пневмо- и гидропривод, что якобы позволило клапанам успешно работать вплоть до 10 000 об/мин. Еще в конце прошлого десятилетия на основе саабовского был создан camfree-двигатель — лишенный распредвалов агрегат.

По заявлениям создателя, он 30% моментнее обычного, на треть его экономичнее и вдвое экологичнее.

К сожалению, с тех пор серийного воплощения так и не появилось. Автопроизводители лишь осторожно сообщают о том, что исследуют этот вопрос, на деле используя десмодромные и бездроссельные механизмы. Да вот еще британская компания Camcon Auto совместно с Jaguar и Land Rover разрабатывает свою IVA — Intelligent Valve Actuation. Так что самым близким к конвейеру достижением можно считать сотрудничество шведов с китайской фирмой Qoros, по итогам которого был представлен Qamfree Concept. Его наддувная «четверка» имеет объем 1,6 л, развивая 240 л.с. и 320 Нм. У нее, по словам создателей, на 15% меньше расход топлива и на 35% — вредные выбросы. Тот же Кенигсегг говорил о создании серии машин для ходовых тестов. Но последние новости об этом проекте датированы концом 2016 года.

Пара цилиндров и тактов

Что тут сказать, китайцы падки на все новое, перспективное и не столь искушены в инжиниринге. Но, глядишь, что-нибудь у них и выйдет. Автопроизводители из Старого Света, Японии, США консервативны. Крайне осторожно относятся ко всему тому, что рушит стереотипы касательно привычной конструкции ДВС. Крушить их — удел небольших инжиниринговых фирм, часто не имеющих финансирования и мощностей для собственного производства. Вспомним роторно-лопастной двигатель, разрабатывавшийся Ё-Авто. Или аксиальный мотор новозеландской компании Duke Engines (видео ниже).

Но это конструкции, достаточно далеко ушедшие от традиционного поршневого агрегата. Хватает и таких, где за основу взяты тот же коленвал, шатуны, поршни, однако пересмотрены принципы смесеобразования, горения, тактность. Вот, к примеру, мотор Кармело Скудери.

Суть в том, что четыре такта здесь разделены на парные цилиндры, в одном из которых осуществляется впуск и сжатие, во втором — рабочий ход и выпуск. Пар цилиндров две, каждая соединена между собой каналами с клапанами, по которым сжатая смесь перемещается из цилиндра в цилиндр. Сам инженер умер вскорости после разработки своего детища. Дело продолжили сыновья, добавившие мотору баллон, который при торможении получает сжатый воздух (рабочий цилиндр отключается). На разгоне отключается цилиндр сжатия, и воздух поступает во второй именно из этой емкости. Получается нечто вроде наддува. Рабочий ход поршни совершают на каждом обороте коленвала, а не на каждом втором, как в привычном «четырехтактнике». Создатели заявляют о литровой мощности в 135 сил и о меньшем на 80% содержании в выпуске угарного газа и окислов азота. В начале нынешнего десятилетия представители Scuderi Group говорили о том, что серийный выпуск агрегата — вопрос ближайших лет. И что якобы им заинтересовались автопроизводители, в числе которых Peugeot-Citroen и Honda. Но на данный момент ситуация не изменилась.

Кстати, такой тип двигателя получил название SCC, Split-Cycle Combustion, с разделенным циклом. По правде говоря, это не изобретение Скудери. Теоретическое обоснование подобной работы появилось еще 100 лет назад, даже что-то выпускалось. В современности получило вот такое продолжение. Причем не единственное. Различные компании разрабатывали SCC-моторы с разнообразным расположением цилиндров. К Split-Cycle нужно отнести и разработку Джона Заджака, в которой между цилиндрами также «разделение труда», однако горение топливовоздушной смеси происходит в отдельной емкости, в выделенной камере сгорания.

Сообщается, что за счет медленного сгорания смеси и меньшей температуры выхлоп этого дизеля чище и якобы вовсе лишен окислов азота.

Кое-кто считает, что не до конца исчерпан потенциал двухтактного двигателя. Как известно, в активе у него высокая мощность, в пассиве — чистота выхлопа. Так, мотор американской компании Grail Engine Technologies при одном цилиндре и объеме в литр развивает 200 л.с. и 250 Нм. Двигатель Lotus Omnivore вполовину меньше — 500 «кубиков». Зато буквально напичкан современными технологиями — непосредственный впрыск с двумя форсунками, изменяемая от 10:1 до 40:1 степень сжатия, а за изменения фаз газораспределения отвечает клапан в выпускном тракте.

Omnivore всеядный (название именно так и переводится) — может работать на любом топливе. Отвечает за такую способность принцип воспламенения — HCCI, или Homogeneous Charge Compression Ignition, воспламенение гомогенной (однородной) смеси от сжатия. То есть так, как на дизеле, однако с работой на бензине. HCCI был случайно открыт в 70-х годах и не мог не привлечь внимание. Оказалось, что при определенных условиях (росте давления) поджигание смеси может происходить без участия свечи. Более того, в камере сгорания возникает много очагов воспламенения, смесь горит быстро, при температуре ниже, чем при искровом зажигании, в итоге сгорает почти полностью. Что характерно, открыт процесс был именно на двухтактном моторе. Тем не менее через более чем 40 лет, кажется, найдет свое применение на обычном бензиновом ДВС.

От свечей и от сжатия. Пока…

Мы, конечно, о Mazda. Ведь в какой-то момент стало ясно, что все эти игры со степенью сжатия, а ранее с циклами (кто помнит, фирма выпускала моторы, работающие по циклу Миллера), не могут не привести к чему-то большему. Во всяком случае ведут… К HCCI!

Да, пока воспламенения бензина только от сжатия у них не выходит — по крайней мере серийно. Но вот вам Skyactiv-X, следующее за Skyactive-G поколение моторов, которое должно появиться в 2019 году. Работает по принципу, названному в Mazda SPCCI, или Spark Plug Controlled Compression Ignition, свечи зажигания, контролирующие воспламенение от сжатия.

Свечи зажигания еще есть. Степень сжатия увеличена с 14:1 до 15:1 — как раз-таки для того, чтобы на определенных режимах давление в камерах сгорания «помогало» искре «раздувать пламя». Работает это следующим образом: под большим давлением (до 1000 бар, хотя обычно у бензинового direct injection давление раз в 10 меньше) в камеру сгорания впрыскивается несколько порций бензина. Они перемешиваются с воздухом и поджигаются от искры — в районе электродов свечи. Эта вспышка увеличивает давление в камере, за счет чего происходит самостоятельное и одновременное воспламенение смеси по всему объему. Как вы понимаете, это лишь промежуточный этап. В Mazda все же собираются на следующей генерации своих «четверок» Skyactiv добиться «безыскрового зажигания». И уже сейчас говорят где-то о 15% экономии топлива и снижении вредных выбросов. При переходе на HCCI снижение того и другого должно достигнуть 30%. А недавно фирма, подобно Mercedes и Audi, сообщила, что в рамках единой системы наддува будет использовать турбины на газах и «электрораздув».

Кстати, 10 лет назад о создании HCCI-двигателя заявлял и Mercedes. 1,8-литровая «четверка» имела двойной турбонаддув, изменяемую степень сжатия и развивала 238 л.с. и 400 Нм при заявленном расходе топлива в 6 л/100 км. Правда, других подробностей немцы не раскрывали и как-то по-тихому свернули проект. Во всяком случае новой информации о нем нет. Теперь-то понятно, что мерседесовцы двинулись по иному пути.

А куда пойдет ДВС? Точно в ближайшее время не на свалку истории! Даже не беря в расчет разную «экзотику» (которая существовала все время развития автомобилестроения, но никогда не делала погоды), двигатель внутреннего сгорания не просто имеет возможности для улучшения характеристик — какое-то время будет успешно вписываться в новые реалии благодаря электрификации и совместной работе со стартер-генераторами, системами, запасающими энергию, в рамках гибридных установок. И все-таки очень хочется, чтобы у маздовцев все получилось. Не с ротором, так с HCCI. Согласитесь, подобная работа от небольшой, в сущности, фирмы вызывает уважение и по справедливости должна, обязана закончиться удачно.