С огоньком

Альтернативу традиционным двигателям внутреннего сгорания (ДВС) на автомобилях ищут едва ли не со времен становления самого автопрома, но серьезный прогресс произошел только в последнее десятилетие, которое и войдет в историю как время первых серийно выпускаемых электромобилей и выхода невиданных ранее водородных моделей с топливными ячейками.

Казалось бы, лозунг «Будущее за электрификацией» в один голос повторяют ведущие автокомпании. Но в этот переломный момент глобальной перестройки в Audi на пост главы отдела разработки силовых установок назначают вовсе не инженера-футуролога или профессора из электротехнической сферы, а Николая Арди — специалиста с докторской степенью в области термодинамики, за плечами которого солидный 18-летний стаж в проектировании самых передовых ДВС. Более того, в компании затевают структурную реорганизацию инженерного штата, насчитывающего только в отделе powertrain 500 разработчиков, открывают академию новых приводов quattro, содействуют созданию особых программ обучения в техническом университете Ингольштадта, думая о новых инженерах и конструкторах...

«Сегодня особую роль стало играть понятие экологической ответственности. Но вместе с этим люди продолжают отождествлять автомобили с полной свободой и эмоциями, — поясняет цели Николай Арди. — Поэтому нужны не инновации сами по себе, а синергия разных технологий, эффективных и приближенных к реальности».

От заката до разряда

Тех, кто уже начал мечтать об электромобиле с четырьмя кольцами на капоте, успокоим: все идет по плану, и намерения выхода в EV-сегмент у марки остаются неизменными. К 2025 году у Audi в каждой модельной линейке будет как минимум по одной модификации на электрическом ходу. Однако руководство компании отдает отчет, что даже при самом позитивном сценарии и бурном росте популярности EV аккумуляторный транспорт далеко не во всех сферах заменит обычный, сжигающий углеводороды.

В мире слишком много территорий, где развивать инфраструктуру зарядных станций либо экономически невыгодно, либо технически необоснованно, либо вообще не имеет смысла. А тем регионам, где для распространения электротранспорта есть подходящие условия, эксперты уже предсказывают потенциальные проблемы. Если энергетики не успеют ввести значительные мощности генерации и распределить энергию всем желающим вслед за ростом продаж EV, возникнет энергетический дефицит со всеми вытекающими отсюда ограничениями на подключения, высокой ценой и т. д.

Второй барьер, который электромобили преодолеют еще очень нескоро, — ограниченный радиус мобильности. Хотя автономность EV следующих поколений, вероятно, достигнет 500 км и более на одной зарядке, проблема не исчезнет и при этом породит новую: потребуется еще большее количество энергии и времени для заряда батарей высокой емкости. К слову, на протяженных маршрутах, когда машина долго движется на постоянной скорости, ключевое достоинство электрокара — способность возвращать часть энергии при циклах торможения — вообще нереализуемо. Все электрические запасы безвозвратно расходуются на свист ветра и нагрев колес, что в общем-то и делает любая машина с ДВС. Здесь каким мотором ни крути, а физику не проведешь.

Наконец, ставится под сомнение и распространенный тезис об экологической чистоте EV. Одно только производство аккумуляторов — это огромные объемы редких химических элементов плюс значительные энергозатраты на их добычу, доставку, переработку... Поступающее в батареи электричество также выработано, мягко говоря, не совсем экологичным способом. Лишь ограниченное число стран сейчас извлекает электроэнергию из возобновляемых источников. Остальные сжигают ради этого уйму угля, газа и нефтепродуктов, щедро выбрасывая в атмосферу планеты СО2.

Вот почему Audi стратегически ставит на технологии, повышающие эффективность силовых установок не на бумаге, а на деле. Плагин-гибридные автомобили, способные хотя бы часть городского пути проехать на энергии «от розетки», — далеко не единственный прием совмещения достоинств ДВС и электроприводов. В прошлом году Audi представила первый серийный кроссовер Audi SQ7 с 48-вольтовой бортовой сетью и инновационным дизельным мотором с электрокомпрессором — модель, которая эффективно распоряжается топливом во всех режимах движения. В 2018 году такой же «скрытой» электрификации подвергнутся другие модели, а с 2022 года технология распространится по всей гамме. К 2025 году не менее трети автомобилей марки Audi будет оснащаться альтернативными приводами, в том числе и газовыми g-tron, выпуск которых, к слову, уже начат.

Цилиндры с нами не прощаются

Сказанное выше одновременно означает, что минимум две трети автомобилей останутся с бензиновыми и дизельными ДВС. Поэтому сегодняшние усилия, направленные на то, чтобы сделать эти моторы лучше, эффективнее и чище, вполне оправданны. К этому подвигают и новые методики оценки экономичности и измерения уровня вредных выбросов. Они начнут действовать уже осенью 2017 года и обещают не только устранить расхождение между паспортными и реальными показателями, но и расставят точки над i в вечном споре, чьи же моторы в действительности наиболее экономичны и менее всего вредят окружающей среде.

Признаки новых тенденций в моторостроении просматриваются уже не первый год. Кто-то вкладывается в разработку моторов с высокой степенью наддува, кто-то отказывается от сложных и дорогих «шестерок» и «восьмерок» в пользу трехи четырехцилиндровых двигателей, кто-то находит перспективы в даунсайзинге (то есть снижении рабочего объема при сохранении прежней мощности) силовых агрегатов. В Audi предпочли не бросаться в крайности. Новые пути в совершенствовании двигателей компания стала искать вместе с маркой Porsche, с которой еще пять лет тому назад был разработан план тесного конструкторского и технологического партнерства.

На деле это означает следующее. Специалисты Audi взяли на себя ответственность за разработку новых бензиновых двигателей V6 TFSI, а также дизельных моторов семейства TDI трехи четырехлитрового рабочего объема. В их распоряжении — все знания, накопленные концерном Volkswagen, а также производственные возможности завода в венгерском городе Дьёре — самого крупного предприятия марки, занимающегося выпуском двигателей. А инженеры Porsche сфокусировались на доводке новой V-образной «восьмерки» TFSI, выпуск которой уже ведется в Цуффенхаузене на мощностях Porsсhe.

При этом в конструкцию всех силовых установок изначально заложена модульная концепция, открывающая возможности для применения различных общих деталей: модуля масляного насоса, цепного привода распределительных валов, крышки цепного привода, заднего уплотнительного фланца и многих других. Такой подход оправдан не только для снижения затрат и увеличения эффективности производств. Стратегия общих инженерных решений и технологий позволяет Audi и Porsche гибко подходить к удовлетворению разных групп клиентов, ведь на унифицированную базу двигателей проще примерять какие-либо фирменные и наиболее актуальные инновации.

Найти потенциал

Бытует мнение, что автомобильные бензиновые и дизельные моторы уже достигли пределов эффективности и большего КПД уже не получить. В целом так и есть. У самых современных поршневых моторов механические, термодинамические, насосные и все прочие потери уже настолько малы, что дальнейшее улучшение характеристик не дает кардинальных прибавок. В этом контексте и практическая ценность Б-цикла, отключаемых цилиндров, комбинированного наддува, многоконтурного терморегулирования и других инноваций Audi / Porsche, состоит не только в приближении к пределам топливо-экономических параметров, но и в улучшении ряда других характеристик.

Однако если ДВС рассматривать не просто как тепловые машины, а как часть привода, работающего по умному алгоритму, то открываются значительные резервы повышения эффективности. Простой пример: всем известная система «старт-стоп» в городских условиях движения дает экономию до 0,5 л/100 км при самой примитивной реализации даже на слабых моторах. И гораздо больше — на мощных силовых агрегатах, отключаемых еще до момента остановки. А если ДВС «электрифицировать» еще более глубоко, так, чтобы образовавшиеся при сжигании топлива излишки механической энергии запасались в виде электрической, то, как показывает опыт Audi, аппетит бензинового V6 можно умерить еще на 0,7 л/100 км. Причем без каких-либо побочных эффектов, а с выигрышем в мощности и динамике. Заманчиво?

Идею уже реализовали в концептуальной модели Audi Q8 sport concept с приводом MHEV (mild-hybrid). Установленный между двигателем и коробкой передач 20-киловаттный стартер-генератор развивает до 170 Н·м крутящего момента, чего вполне достаточно для движения на городских скоростях. При замедлении MHEV используется для подзарядки литий-ионной батареи, а при резком ускорении накопленная энергия мгновенно направляется на компрессор с электроприводом (EPC) и помогает бензиновому V6 3.0 TFSI выдать впечатляющие мощь и тягу — 476 л. с. и 700 Н·м! Энергия, которая в традиционном приводе просто улетучилась бы в воздух, здесь снова пускается в дело, позволяя крупному автомобилю разгоняться до 100 км/ч всего за 4,7 с.

Принципиальное отличие «мягкого» гибрида от существующих состоит в том, что ему не нужна сложная, тяжелая и дорогостоящая высоковольтная электросистема. Батарея, компрессор и стартер-генератор объединены силовой цепью напряжением 48 В. А в менее мощных автомобилях аналогичная «электрификация» может базироваться и на 12-вольтовой проводке.

Audi уже сейчас запускает в производство первый серийный MHEV. Им станет Audi A8 нового поколения, оснащенный двигателем V6, 48-вольтовой компактной литий-ионной батарей и 12-килловатным стартер-генератором с ременным приводом и жидкостным охлаждением. Они позволят выключать ДВС в двух случаях движения: либо когда автомобиль идет накатом (на время до 45 с), либо при медленном перемещении со скоростью до 22 км/ч.

Через несколько лет mild hybrid получат и другие модели Audi, а возможности привода расширятся за счет перевода на 48-вольтовое питание всех насосов, компрессоров и других исполнительных механизмов в автомобиле, включая элементы мехатронного шасси: активные стабилизаторы, стойки и т. д. Двигатели нового поколения, к слову, к такой метаморфозе уже готовы.

Стремление к нулю

В Audi убеждены, что уровень выбросов ДВС можно практически довести до нуля, если рассматривать автомобили как часть закольцованной «экосистемы», в которой углеводородное топливо для транспорта воспроизводится из продуктов сгорания. Выглядит фантастикой, но это уже работает!

В Нижней Саксонии в городе Вертле еще в 2013 году запущено предприятие, вырабатывающее так называемый e-gas. По сути это синтетический и абсолютно чистый метан, идентичный ископаемому природному газу. Он получается в два этапа: сначала электролизом вода расщепляется на кислород и водород, а затем происходит метилирование с образованием СH4. Электрическая энергия для процесса берется из возобновляемых источников, необходимый для химической реакции СО2 — с завода по сжиганию отходов. В результате из 2,8 тыс. т диоксида углерода на выходе образуется кислород и 1 тыс. т е-газа, которого достаточно, чтобы обеспечить топливом 1,5 тыс. газовых автомобилей Audi g-tron на целый год (при ежегодном пробеге 15 тыс. км). При этом для передачи е-газа потребителю не нужно строить отдельную инфраструктуру — просто подавай его в магистрали для природного газа и забирай обратно где удобно.

Топливо окрестили революционным, а двигатели, работающие на нем, альтернативными, хотя этой инновации уже пошел второй десяток лет. Концерн Volkswagen уже давно выпускает автомобили, которые можно заправлять не только бензином, но и более дешевым природным газом. Теперь они есть и в гамме Audi. Двухтопливные модификации представлены A3 Sportback g-tron, A4 Avant g-tron и A5 Sportback g-tron.

На борту этих автомобилей газообразный метан хранится в высокопрочных композитных баллонах под высоким давлением. В Германии его можно закачать уже на 900 заправках. Расход составляет от 3,3 до 4,4 кг/100 км (NEDC). На газовой составляющей автомобиль способен проехать до 500 км. Плюс еще 350— 450 км — на резервном 25-литровом баке бензина. Но на газу ездить гораздо выгоднее и менее вредно для себя и природы, ведь в продуктах сгорания при работе на чистом метане ядовитые составляющие и вредные твердые частицы отсутствуют вовсе.

Подчеркнем: все достигнуто в 170-сильном поршневом 2.0 TFSI, который работает по эффективному Б-циклу и минимально отличается от бензинового родственника. Но в Audi готовят еще не один «пламенный привет» всем, кто разуверился в перспективах ДВС. Слышали что-нибудь об e-этаноле, e-дизеле или e-бензине? Так наверняка скоро услышите...