Автомобили - Самый-самый

В начале июня пассажиры, прилетающие в аэропорт Афин, могли видеть интересное зрелище: из длинной вереницы роскошных одинаковых внедорожников Lexus перед зданием вокзала один за другим абсолютно беззвучно выезжали автомашины, как призраки скользили к началу платной автострады и, пройдя автоматические ворота, мгновенно, как истребители, растворялись на горизонте. Вернее, как истребители с глушителем. В Европе состоялась презентация автомобилей с двигателем, который будет стоять под капотом большинства машин в ближайшие 10 лет.

Ключ зажигания повернут уже несколько раз. Двигатель молчит. Лихорадочно вспоминаю, какие системы блокировки я встречал на других машинах, на всякий случай еще раз нажимаю на ключе кнопку Unlock. Безрезультатно. Ищу на приборной панели кнопки с надписью Start или Engine. Не нахожу. Может, нужна какая-нибудь карточка-иммобилайзер? Да нет, вроде не выдавали. Все, сдался. Открываю дверь и зову инженера. Жизнерадостный японец возникает как из-под земли.

Жму на педаль. Огромный внедорожник тихо, как в компьютерной игрушке с отключенным звуком, трогается с места и катит к выезду на автостраду. Японец же спешит к очередному Lexus RX 400h, за рулем которого отчаянно вращает ключом зажигания очередной автомобильный журналист.

Выезжаю на автостраду. Справа – серебристый Porsche. Давлю на педаль. Водитель Porsche, пытаясь переключить высшую передачу, видно не попадает – раздается знакомый скрежет синхронизаторов. Мой же Lexus плавно, но мощно, без всяких рывков и толчков, под рычание электромоторов секунд за 15 набрал 200 км/ч и начал пожирать пространство. За два дня на дорогах Греции меня не обогнал ни один автомобиль. Впрочем, вру. Один раз на серпантине меня все-таки обошли. Но это был другой Lexus RX 400h.

Весь секрет моего «Лексуса» – в двух электромоторах: один, в 167 л.с., помогает 3-литровому бензиновому двигателю (211 л.с.) крутить передние колеса, а второй, мощностью 67 л.с., – задние. Причем электромоторы не просто прибавляют мощности. Вспомните характеристики бензиновых моторов. В том, который стоит под капотом моего автомобиля, – 211 л.с. при 5600 оборотах в минуту. Это значит, что максимальная мощность выдается именно при таких оборотах, при меньшем или большем значении мощность начнет падать, причем значительно. Именно поэтому любители «выстрелить» на светофоре «рычат», раскручивая двигатель перед стартом, чтобы он мог выдать паспортную мощность. Но вот если вы едете на крейсерской скорости и вам необходимо мгновенно ускориться, у вас ничего не получится – придется ждать, пока двигатель раскрутится до необходимых оборотов или лихорадочно работать коробкой, понижая передачи. К тому же, чем выше обороты, тем больше горючего «ест» ваш двигатель. При классической двигательной компоновке выход из ситуации один – увеличивать мощность мотора, которая, по сути, нужна исключительно для внезапных ускорений. Но это опять дополнительный расход горючего и увеличение массы автомобиля.

А вот тяга электромоторов практически не зависит от оборотов двигателя, они могут выдавать максимальный момент с первых метров движения. Именно поэтому неповоротливые троллейбусы нередко выигрывают первые метры на стартах у светофоров. Старые таксисты, знающие этот трюк, часто пристраиваются к ним сзади, обходя при старте более близких к стоп-линии соперников. Поэтому гибридомобилю не нужны сверхмощные бензиновые двигатели – электромоторы и так в любой момент могут выдать максимальный момент и обеспечить максимальное ускорение. Почему бы в таком случае не использовать электромобили? Они хороши всем, за исключением аккумуляторов – их емкость не идет ни в какое сравнение с емкостью бензобака, а цена порой превышает стоимость самого автомобиля.

Что же придумали инженеры Toyota? Они оставили в автомобиле бензиновый двигатель минимального объема – в нашем случае 3,3-литровый шестицилиндровый двигатель. Его задача-максимум – поддержать максимальную скорость в 210 км/ч. Всю же работу по ускорению выполняют два электромотора – один спереди, второй – сзади. В итоге при нажатии на акселератор на любой скорости реакция автомобиля довольно забавна: мощный рык электромоторов перекрывает почти неслышный звук бензинового двигателя, водителя вдавливает в кресло, и через несколько секунд вы продолжаете путешествие с новой скоростью под шуршание шин и слабое бормотание шестицилиндрового двигателя. Электродвигатели же отдыхают до следующего ускорения.

Впрочем, при движении в пробках или на маленькой скорости автомобиль также едет на электромоторе, но уже из соображений экономии и экологии – бензиновый двигатель в этом случае заглушен. Плюс к этому совершенно фантастические ощущения у водителя. Стоим в афинской пробке. Тишина, только слегка шуршит кондиционер – он электрический. Вдруг слева образовалось небольшое окно, точно чтобы влез мой Lexus. Легкое нажатие на педаль – и автомобиль бесшумно, как призрак, переместился на десяток метров вперед. А сосед слева не успел даже отпустить сцепление… Полное ощущение компьютерной игры.

Электродвигатели подключаются и в сложных дорожных условиях – пробуксовках, движению по мокрой или скользкой дороге. Наличие заднего электромотора делает ненужным карданную передачу, что сильно упрощает конструкцию и освобождает салон от центрального тоннеля.

В среднем наш автомобиль на 100 км расходует чуть больше 8 литров бензина. Это почти в два раза меньше, чем точно такой же автомобиль, не отягощенный дополнительными аккумуляторами и электромоторами. В чем фокус? На спидометре 160 км/ч, смотрим на экран бортового компьютера – расход 14 литров на 100 км. Чудес не бывает. Но откуда в конце дня расход в 8 литров? Это мы сэкономили.

Во-первых, на торможении. Обычный автомобиль при торможении переводит избыточную энергию в тепло. Если очень интенсивно тормозить на мощной машине, то это можно увидеть даже невооруженным взглядом – тормозные диски раскалятся докрасна. Гибридные же автомобили поступают более гуманно – при торможении электромоторы начинают работать как генераторы, преобразуя кинетическую энергию в электрическую и заряжая встроенные аккумуляторы. Хотя и нормальные дисковые тормоза не простаивают, дополняя и подстраховывая электрические.

Если электронная система вашего автомобиля позволяет выводить на дисплей мгновенный расход топлива, попробуйте посмотреть на него в момент ускорения – он вырастает как минимум в 1,5 раза. Вот вам и второй пункт экономии – гибридный Lexus при ускорении, перед тем как начинать глотками поглощать бензин, сначала пытается «выпить» батареи, чего, как правило, оказывается достаточно.

Третий момент. Возьмем два одинаковых автомобиля с разными двигателями: один 3-литровый, второй – 4-литровый, и поедем, например, со скоростью 100 км/ч. Расход топлива у двигателя с большим объемом будет больше. А дополнительный объем нам понадобится только при интенсивном ускорении. Собственно, на этом эффекте работает система экономии с отключаемыми цилиндрами – при неторопливой езде половина двигателя просто не работает. Гибридный же автомобиль просто эту вторую половину с собой не возит.

Большой быстрый автомобиль имеет удивительно низкий уровень токсичности – выбросы CO₂ находятся на уровне малолитражек, а содержание окислов азота NO_x удалось довести почти до нуля, что значительно ниже норм Euro-4. Это достигается, с одной стороны, тем, что бензиновый двигатель почти не работает в предельных, самых «грязных» режимах. С другой – в пробках и при остановке двигатель автомобиля глушится, и Lexus, подобно подводной лодке, начинает передвигаться на аккумуляторах.

В-третьих, японские инженеры поработали над донорским бензиновым двигателем, понизив степень сжатия и изменив характеристики управления, потеряв немного в мощности, но зато выиграв в экологичности и тяге. Кстати, заодно конструкторы у базового мотора за отсутствием надобности удалили стартер, генератор и кое-какие другие мелочи. Как гибридный автомобиль обходится без этих деталей, читайте в специальной врезке.

Во что же обходится превращение обыкновенного автомобиля в гибрид? С одной стороны, из автомобиля исчезают карданный вал, традиционная трансмиссия и различные навесные агрегаты двигателя, например стартер и генератор. С другой, прибавляются блок управления и преобразования напряжения (32 кг), высоковольтные (288 вольт) батареи Panasonic (70 кг), задний электромотор (40 кг) и электромеханическая трансмиссия со встроенным электромотором и генератором (118 кг).

В итоге вес гибридного Lexus RX 400h на 200 кг превышает массу «донорского» Lexus RX 330. Заместитель главного инженера Toyota по гибридным автомобилям Масаки Санаяма уверил нас, что такая переделка увеличивает себестоимость автомобиля на $3000. Хотя на российском рынке Lexus RX 400h будет продаваться за $77 300 против $66 100 за бензиновый Lexus RX 300 в аналогичной комплектации. Вот такая японская математика.

Не секрет, что в бытовой электронике аккумуляторы приходится раз в два года менять – они постепенно теряют часть своей емкости. Каков же ресурс аккумуляторов, установленных в Lexus RX 400h? Масаки Санаяма рассказал «Популярной механике», что на аккумуляторы в первых Toyota Prius давалась отдельная гарантия 8 лет. Но время доказало, что аккумуляторы не нуждаются в замене в течение всего срока службы автомобиля, поэтому сейчас никаких отдельных оговорок уже не делается.

Вообще-то существует несколько видов гибридных автомобилей. Например, продающаяся уже несколько лет по всему миру Toyota Prius имеет очень похожую на Lexus схему, за исключением заднего электромотора – Prius переднеприводной. Компания Honda выпускает сразу три гибридных автомобиля: Accord, Civic и Insight. Однако назвать их полноценными гибридами можно лишь с очень большой натяжкой – маломощный электромоторчик в 9 л.с. лишь ассистирует основному бензиновому двигателю. Citroen и Ford в своих гибридных микролитражках просто увеличили мощность стартера-генератора. В результате он способен быстро запустить двигатель, который автоматически глушится электроникой при любой остановке. Трансмиссия же всех «нетойотовских» гибридов остается классической, сводя почти на «нет» все изюминки полноценных гибридов.

Впрочем, существует еще более прогрессивная гибридная схема, известная почти полстолетия. Она с успехом применяется в гигантских карьерных самосвалах, в том числе и белорусских «БелАЗах»: мощный дизель-генератор питает электромоторы, интегрированные непосредственно в колеса. Такая схема позволяет полностью избавиться от механической трансмиссии: карданных валов, коробок передач, дифференциалов, раздаточных коробок и т.д.

Почему же нельзя применить эту схему на легковых автомобилях? Мы задали этот вопрос Масаки Санаяма. Все просто, объяснил он, встроенные в колеса электромоторы сильно увеличивают неподрессоренную массу, и это приводит к заметному ухудшению управляемости и комфорта.

А что если электромоторы разместить в кузове, соединив с колесами несложной трансмиссией? Первый шаг в этом направлении инженеры Toyota сделали, построив фантастический суперкар Alessandro Volta. В нем 3,3-литровый бензиновый двигатель V6 механически вообще не связан с колесами, а вращает только генератор. Два тяговых электромотора суммарной мощностью 300 кВт (408 л.с.) приводят переднюю и заднюю ось, позволяя автомобилю выстреливать до 100 км/ч за 4,03 секунды и развивать максимальную скорость свыше 250 км/ч. При этом средний расход горючего составляет всего 7,4 л/100 км.

Об удобстве управления и динамике мы уже написали и не будем повторяться. Гибридные двигатели намного эффективнее бензиновых аналогов – наш гибридный Lexus RX 400h убедительно положил на лопатки своего бензинового конкурента Lexus RX 300 (по крайней мере, я не знаю ни одного человека, который придерживался бы противоположной точки зрения).

Остаются дизельные, водородные и полностью электрические автомобили. Специалисты утверждают, что дизельные двигатели практически исчерпали возможности модернизации. Себестоимость производства перспективных турбодизелей почти в два раза превысит стоимость аналогичного бензинового мотора. Многие эксперты также сходятся во мнении, что двигателистам не удастся справиться с европейскими требованиями по выбросу CO₂ к 2008 году. Дизельные же гибриды получаются фантастически дорогими, обеспечивая экономию всего 5–15%.

Как ни парадоксально, водородные автомобильные двигатели в нашем списке наименее экономичны, экологичны и являются наиболее дорогими! На выхлопе у таких автомобилей действительно образуется чистая вода. Проблема в другом – водород в чистом виде в природе не встречается, для его получения нужна электроэнергия, которая чаще всего возникает в результате сжигания органического топлива. На экспериментальных водородных заправках в Калифорнии для выработки водорода сжигается тот же самый бензин. Только для того чтобы водородный автомобиль проехал те же 100 км, его нужно сжечь гораздо больше, чем на той же дистанции израсходует обычный автомобиль.

Ну а для стопроцентных электромобилей легкие, дешевые и емкие аккумуляторы пока не созданы. Так что сейчас гибридные автомобили вне конкуренции – что подтверждает стратегия не только Toyota, которая в ближайшем будущем собирается сделать гибридными все автомобили Lexus и часть моделей Toyota, но и, например, GM и DaimlerChrysler, объединивших свои усилия в разработке гибридных моделей.

Самая остроумная и интересная часть гибридного Lexus 400h – его электромеханическая трансмиссия. Посудите сами – автомобиль ровно и без рывков ускоряется до 200 км/ч, причем внутри нет не только вариаторов, но и даже обычной коробки передач! Бензиновый двигатель и электромотор расположены на одной оси, могут работать как вместе, так и поодиночке, вращаясь с разной скоростью и передавая почти постоянную мощность на колеса. И вся эта трансмиссия оказывается проще и надежнее автоматической коробки передач. Фантастика! Я обратился к одному из топ-менеджеров Toyota с просьбой объяснить, как же устроена гибридная трансмиссия. «Вы знаете, – честно признался он, – я до сих пор этого ясно не представляю. Если ваш журнал напишет об этом так, чтобы я понял, то я был бы очень благодарен». Мы привлекли себе в помощники заместителя главного инженера Toyota по гибридным автомобилям Масаки Санаяма, вооружились схемами и технической документацией и постарались сами разобраться в работе трансмиссии.

В основе гибридной трансмиссии лежит планетарная передача. Объяснить на словах принцип ее работы не так-то просто. В Японии продаются наборы из шестеренок, позволяющих собрать настоящую планетарную передачу – познавательно, понятно и стильно. Призвав на помощь схемы и картинки, попробуем объяснить все на словах. Планетарная передача состоит из центральной (солнечной), четырех сателлитных (планетарных), и внешней (коронной) шестерен с зубцами на внутренней поверхности. Планетарные шестерни, закрепленные на водиле, могут двигаться вокруг солнечной, подобно планетам вокруг Солнца (откуда и название). Внешняя же шестерня вращается вокруг планетарных. Вращая водило, солнечную и коронную шестерни относительно друг друга, можно изменять передаточное отношение. Можете поверить на слово, а можете вырезать из картона, собрать по схеме плоскую планетарку и убедиться самостоятельно. Посмотрим внимательно на схему. Тяговый электромотор жестко соединен с коронной шестерней и передними колесами. Если он вращается – вращаются и колеса. Стоит – стоят и колеса. Бензиновый двигатель соединен с водилом, на котором закреплены планетарные шестерни. Ну а генератор посажен на одну ось с солнечной.

Автомобиль стоит. Двигатель, генератор и электромотор стоят.
Начало движения. Двигатель стоит. Электромотор крутит передние колеса. Генератор свободно вращается в обратную сторону. Он не нагружен – не вырабатывает электричество, но и не мешает движению.
Запуск двигателя. Электромотор крутит передние колеса с прежней скоростью. Генератор начинает работать как стартер, раскручивает и заводит двигатель.
Нормальное движение. Генератор стоит и не вырабатывает электричество. Двигатель работает в нормальном режиме, вращая ротор электромотора и, соответственно, колеса. Сам же электромотор не работает (на обмотки не подано напряжение), его ротор вращается свободно. Электричество для движения не расходуется.
Ускорение. На обмотку возбуждения генератора подается напряжение, он начинает вырабатывать ток, подаваемый на электромотор. Электромотор «добавляет» свою мощь к бензиновому двигателю. Бензиновый двигатель также увеличивает обороты.

В реальной жизни работа трансмиссии Lexus 400h сложнее. Электромотор может питаться не только от генератора, но и от батареи. Двигатель может запускаться и сразу, если, например, батарея была полностью разряжена. Но общий принцип схож с описанным. Нам он кажется гениальным.