Много лет индустрия двигателей руководствовалась лозунгом «Чем больше, тем лучше». Предметом гордости автовладельца был литраж, равный мощности, а тот символизировал все, чем он хотел бы похвастаться, кроме способности переместиться из пункта А до пункта Б, пишет The Economist.
Однако времена меняются, и технологии двигаются вперед. Спрос на мощность ничуть не упал, но учитывая, что все громче раздаются призывы к экономии топлива чистый литраж, который жадно высасывает его из бака, уже выходит из моды. Зато все чаще слышим новую мантру: «Размер не главное».
Поэтому нынешних автофанатов заводит не так литраж двигателя, количество лошадиных сил, которую можно извлечь из определенного объема. Ведь мощности увеличиваются, а моторы становятся более компактными. Самая маленькая модель линейки EcoBoost от Ford — однолитровый трехцилиндровый двигатель дает больше мощности, чем четырехцилиндровый на 1,6 л, но предыдущего поколения. Сейчас такие двигатели имеет каждый пятый автомобиль Ford, проданный в Европе.
Компактность — результат не совершенствования какого-то одного элемента, а сочетание прогресса в различных аспектах всего двигателестроения. Каждый из этих аспектов улучшает продукт на несколько процентных пунктов. Но конечный результат — соотношение мощности и объема двигателя, которое до недавнего времени было прерогативой только Ferrari, а теперь быстро становится доступным и в седане для семьи.
Роль турбокомпрессора
Быстрее выжать максимум из мотора можно с помощью турбокомпрессора (однолитровый EcoBoost, собственно, так и действует). В турбокомпрессоре турбина, которую вращают горячие выхлопные газы, приводит в движение компрессор, который нагнетает воздух в цилиндры и увеличивает сгорания.
Турбокомпрессоры давно уже используют в автомобилях высокого класса и дизельных двигателях, но они раньше бывали ненадежными. А сейчас стали небольшими, легкими, прочными и достаточно добротной, чтобы их можно было ставить на широкий спектр бензиновых двигателей.
Усовершенствования, которые сделали возможным такие изменения в двигателях, появлялись по-разному. Сегодня инженеры используют вместо чугуна новые материалы, как никелевые сплавы, для изготовления деталей, лучше выдерживают высокие температуры выхлопных газов. Мощности компьютерного моделирования позволили усовершенствовать определенные элементы конструкции турбокомпрессоров, например форму компрессорных лопастей. Благодаря этому уменьшены задержки разгона, которую называют «турболаг» и которая часто была характерной для предыдущих моделей.
Более компактные турбокомпрессорные моторы появляются теперь везде. BMW выпускает полторалитровую трицилиндровую версию. На автомобилях MINI Cooper, как заявляют в компании, это дает возможность увеличить крутящий момент (вращательную силу, которая стимулирует разгон) на 42% и уменьшить потребление топлива на целых 8% по сравнению с предыдущим четырехцилиндровым двигателем. Свой однолитровый EcoBoost Ford сделал еще меньше, как и General Motors. А последний выпускает также однолитровый трехцилиндровый турбокомпрессорный двигатель в Европе в составе линейки компактных двигателей Ecotech. Fiat (президент которого Джон Элканн является членом правления материнской компании The Economist) даже их превзошел в компактности. Компания разработала двухцилиндровый двигатель объемом 900 см3, который развивает мощность 105 к. с. Он разгоняет популярную модель Cinquecento от 0 до 100 км/ч (62 миль/ч) за 10 с и обеспечивает скорость до 188 км/ч, если выжать газ до максимума.
Бустеры
Однако сами только турбокомпрессоры не помогают уменьшить размер двигателя и одновременно сохранить его мощность. Здесь помогают другие технологии. Одна из них — прямой впрыск топлива (непосредственно в цилиндр), что дает несколько преимуществ перед старыми методами подачи бензина в камеры сгорания, где он смешивался с воздухом, а затем смесь поступала уже собственно к цилиндру (карбюраторы, которые выполняли эту работу по смешиванию до изобретения инжектора, давно уже покоятся в своем металлоломном раю). Впрыск топлива под высоким давлением непосредственно в цилиндр позволяет точнее контролировать его затраты. Инжектор, кроме того, равномернее рассеивает топливо в цилиндре, поэтому во время воспламенения искрой от свечи оно выгорает полнее и вызывает меньшее загрязнение.
Еще один полезный фокус — переменные фазы газораспределения. Открытие и закрытие клапанов, которые впускают воздух в цилиндр, а оттуда выпускают выхлопные газы, регулировалось когда-механическим устройством, его приводил в действие распределительный вал двигателя. Сейчас этот процесс контролируется системой управления мотора. Она координирует работу различных его сенсоров с помощью программного обеспечения, которое определяет конкретно момент, когда нужно открывать или закрывать клапаны для бесперебойной и продуктивной работы небольшого, но мощного двигателя. «Без программного обеспечения этого нельзя было бы сделать», — говорит Эндрю Фрейзер, ведущий инженер Дантонського технического центра компании Ford в Британии.
Переход от четырех к трем цилиндрам требует изменения конструкции двигателя. Трехцилиндровые моторы имеют тенденцию колебаться взад и вперед вокруг среднего цилиндра. Автопроизводители придумали массу механизмов поглощения вибрации, чтобы двигатель не трясло и не качало. Фордовские конструкторы перенесли маховик на его заднюю часть, а шкив коленчатого вала — наперед, несколько сместив центры валов, чтобы нейтрализовать расшатывание.
Другие способы увеличить мощность двигателя
По словам Фрейзера, есть и другие способы увеличения мощности и эффективности небольших двигателей, например новые материалы, как так называемый промышленный алмазоподобный углерод (DLC), которым покрывают рабочие поверхности подвижных деталей. В компании Nissan считают, что разработанный ими крепкий DLC может во время взаимодействия с машинным маслом специального состава образовывать надслизьку пленку, которая ослабит трение деталей двигателя на 25%. В Ford также заинтересовались специальными лубрикантами. Компания поручила Castrol (подразделения BP, занимающаяся такими веществами) разработать смазочный материал специально для своего однолитрового EcoBoost.
Сейчас изучают возможность применения для небольших двигателей процесса деактивации цилиндров. Как видно из названия, речь идет о отключения некоторых цилиндров для экономии топлива, когда двигатель автомобиля работает не на полную мощность. Их деактивация уже применяется на некоторых больших моторах. Например, восьмицилиндровый двигатель с V-образным размещением цилиндров Bentley на крейсерской скорости работает как V4. Однако в случае небольших двигателей с меньшим количеством цилиндров нужно хорошо подумать, как это сделать, не вызывая вибрации. Ford работает над этой проблемой с немецкой конструкторской группой Schäffler. В одном из экспериментов им удалось увеличить экономию расхода топлива на 6% с помощью пробной системы деактивации цилиндров на однолітровому двигателе EcoBoost.
Не жалеть лошадей
Хотя многие автопроизводители считают, что однолитровые двигатели уменьшать уже некуда, некоторые конструкторы не собираются останавливаться на достигнутом. Гордон Мюррей, создатель легендарного суперкара McLaren F1, сейчас руководит конструкторско-консалтинговой фирмой. Он работает над совместным проектом с Осаму Гото, конструктором гоночных моторов Honda, и британско-нидерландской нефтяной компанией Shell. В этом партнерстве разрабатывается экспериментальный трехместный автомобиль для города с двигателем на 660 см3 и запланированной экономией топлива от 100 миль на галлон (2,8 л на 100 км). Этот двигатель конструируется так, чтобы максимально уменьшить внутреннее трение, а именно авто будут изготавливать из легких композитных панелей.
В уменьшенных двигателях может быть применено и другие идеи из трасс для автогонок, ведь даже в Формуле-1 оглушительные гоночные двигатели объемом 2,4 л типа V8 заменяют новыми — на 1,6 л типа V6 с турбокомпрессором, увеличивая эффективность потребления топлива на 35% и обеспечивая при этом мощность на уровне 600 к. с. Среди хитрых приемов в этих моторах — системы восстановления энергии, которые используют кинетическую энергию, высвобожденную во время торможения, а также тепло выхлопных газов. Восстановленная энергия используется для зарядки аккумулятора, который, в свою очередь, может приводить в действие электрический двигатель и увеличивать мощность на 160 к. с. Некоторые автопроизводители надеются с помощью систем восстановления энергии такого типа нарастить мощность компактных моторов. Они могут, например, приводить в действие суперкомпресори — устройства, которые работают быстрее турбокомпрессоры, но конструкторы до сих пор обходили стороной, потому что их нужно было приводить в действие механическим способом с помощью самого двигателя, что снижало его эффективность.
Насколько уменьшаться двигатели внутреннего сгорания? Это покажет время. Но каждое усовершенствование дает им возможность продолжить гонку с теми, кто хочет свести количество цилиндров до нуля и заменить все электрическим приводом.