Не теряя искрометности

ИЗ РЯДА В РЯД

Первые бензиновые двигатели тянули вяло. Их силы умещались в единственном цилиндре. С добавлением второго изменилась компоновка: цилиндры устанавливали и в ряд, и V-образно, и оппозитно. В конце позапрошлого века число цилиндров стало расти дальше. Чаще их выстраивали друг за другом – самая простая и технологичная компоновка. Сегодня рядную схему применяют практически для всех двух-, трех-, четырех- и пятицилиндровых (последних, правда, немного) двигателей объемом до 2,5 л.

Солидные автомобили некогда щеголяли рядными «шестерками» и даже «восьмерками». Например, БМВ не отказывается от традиций. Длинные «носы» некоторых баварских моделей – не только элемент стиля, но и дань необходимости разместить за перед-ней осью относительно длинный мотор. Еще одна причина, по которой БМВ не отказывается от рядного 6-цилиндрового двигателя, – его полная уравновешенность. Угол 120 градусов между шейками коленчатого вала придает мотору важную особенность: вредные силы и моменты инерции, возникающие в кривошипно-шатунном механизме, компенсируют друг друга. V-образные «шестерки» более компактны, но уравновешены хуже. Побороть вибрации помогают балансирные валы и гидравлические опоры двигателя – по сути, небольшие амортизаторы, меняющие жесткость в зависимости от режима работы мотора. То же в большой степени относится и к двигателям V8.

Гордость узкого круга представительских и спортивных моделей – двигатель V12 (ЗР, 2005, № 2). Он состоит из двух рядных «шестерок», поэтому унаследовал от них отменную уравновешенность. Кстати, экзотический мотор W12 «Фольксвагена» тоже V-образный, только цилиндры в его блоках расположены не в ряд, а в шахматном порядке.

Оппозитные двигатели (с противолежащими цилиндрами или с углом развала 180°) нынче делают лишь «Субару» и «Порше». Основное достоинство – низкий центр тяжести и (у 6-цилиндровых моделей) большая степень уравновешенности. Но «распластанная» компоновка – скорее дань традиции, заложенной не только конструкторами, но и «долгоиграющим» технологическим оборудованием.

МАТЕРИАЛЬНЫЙ ВОПРОС

Подавляющее большинство блоков цилиндров выполнено из сплавов на основе алюминия. Детали из этого металла легки, а их изготовление и механическая обработка технологичны. Чугун, известный еще прадедам нынешних моторостроителей, тоже остается в строю: тонкостенное литье из него широко используют, к примеру, на «Джи-Эм».

Есть ли в арсенале конструкторов, неустанно борющихся за снижение массы автомобиля, что-нибудь легче алюминия? Есть: магний, пластмассы, композитные материалы. Инженеры и технологи БМВ ухитрились создать магниево-алюминиевый блок цилиндров, а компания «Даймлер-Крайслер» делает из магния впускные коллекторы изменяемой длины для V-образных моторов. В рядных «четверках» коллектор чаще пластмассовый. Конечно, это не обычный бытовой пластик, а жаростойкий и высокопрочный материал.

Современные мотористы порой неожиданно вспоминают «хорошо забытое старое». Конструкторы «Опеля» доложили, что в моторах с турбонаддувом заводского тюнингового подразделения OPC стержни впускных клапанов частично заполнены легкоплавким натрием, который отводит тепло от тарелки. Некоторые помнят, что так делали еще несколько десятилетий назад, например, на двигателе ЗИЛ-130!

Очевидно, все чаще инженеры будут обращать внимание на керамику. Разумеется, речь не о сырье для кухонных тарелок, а о материале сверхпрочном и тоже жаростойком. Еще в 1998 году японская компания NGK разработала клапан из нитрида кремния. Он на 30 граммов легче аналогичного стального и выдерживает температуру до 800°С. Широко используют керамику и в парах трения. Например, благодаря микропористой структуре керамические направляющие втулки клапанов отлично удерживают смазку.

ДУНОВЕНИЕ НОВОГО ВЕКА

Двигатель «Форда-Т», который через год отметит вековой юбилей, при объеме 2,9 л выдавал всего 20 л.с. Современный 3-литровый V6, скажем, «Форд-Дюратек», развивает 204 л.с. – в 10 раз больше! Но и это не предел: литровая (с единицы рабочего объема) мощность все увеличивается.

Наиболее эффективный способ снять с того же рабочего объема побольше киловатт – наддув. Число моторов с приводным нагнетателем или турбиной по крайней мере в ближайшее время не снизится.

Напомним, приводной нагнетатель – устройство, которое подает в цилиндры воздух под избыточным давлением, создаваемым двумя роторами, вращающимися в противоположных направлениях. Необходимую для работы энергию такой компрессор отбирает у двигателя.

Турбину приводят в движение отработавшие газы, которые в обычном моторе даром «вылетают в трубу». Газы раскручивают ротор турбины, расположенной на одном валу с центробежным компрессором. Последний сжимает воздух и подает его в двигатель. Такой нагнетатель называют турбокомпрессором (ТКР).

Обе конструкции имеют свои недостатки. Механический компрессор на высоких оборотах потребляет слишком много энергии. Турбина же инерционна: мощный мотор реагирует на нажатие педали акселератора с запаздыванием, которое называют турбоямой. Один из наиболее эффективных способов борьбы с задержкой – установка двух турбокомпрессоров. Маленький, легко раскручиваясь, работает на низких оборотах; второй вступает в дело на высоких. Такую схему еще в 1990-х применили на спортивной «Тойоте-Супра» с 3-литровым двигателем. Сегодня два ТКР разной производительности обеспечивают 5,5-литровому двигателю «Майбаха» гигантский момент – 900 Н.м и мощность по 100 л.с. с 1 литра.

Еще одно средство увеличить эффективность наддува – ТКР с изменяемой производительностью. Такой стоит, например, на «Порше-911 Турбо». Для управления потоком газов, раскручивающих ротор, применены регулируемые сопла. На малых оборотах их сечение невелико: газ ускоряется и быстрее раскручивает турбину. На больших, когда энергия выхлопных газов и так огромна, сечение сопла увеличивают для более эффективного использования энергии. Другой подход – так называемый переразмеренный турбонагнетатель. Он спроектирован с большим запасом производительности, а на высоких оборотах срабатывает перепускной клапан, ограничивая давление наддува.

Интересное решение нашли конструкторы БМВ: на 3-литровый 6-цилиндровый двигатель они поставили два одинаковых небольших турбокомпрессора. Каждый обслуживает лишь три цилиндра и потому не обязан показывать чудеса производительности. Однако «битурбо» развивает 306 л.с., а момент – 400 Н.м, то есть на 10 Н.м больше, чем атмосферный V8, который при равной мощности на 70 кг тяжелее!

Очень необычную схему предложили инженеры фирмы «Фольксваген». В двигателях семейства TSI приводной нагнетатель и ТКР работают совместно. Пока обороты невелики, воздух подает нагнетатель, а турбина раскручивается вхолостую, без нагрузки. По мере роста оборотов агрегат потребляет все больше мощности на привод, а это расточительно. Поэтому после 2400 об/мин открывается перепускная заслонка, подающая воздух в обход нагнетателя. Электромагнитная муфта в его приводе отключает устройство. Одновременно закрывается перепускной клапан турбокомпрессора, и ТКР, успевший набрать скорость на холостом ходу, включается в работу. Результат: с 1,4-литрового мотора снимают 170 л.с., а момент больше 200 Н.м двигатель выдает уже при 1250 об/мин (см. материал «Стоянка кочевника» в этом номере).

АТМОСФЕРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Безнаддувные моторы, более простые и дешевые, не сдают позиций. Но что, помимо названных достоинств, они могут противопоставить агрегатам с турбиной или компрессором?

Например, в механизме «Вэлвтроник» от БМВ (ЗР, 2004, № 9) электроприводной эксцентрик регулирует высоту подъема клапана. Это позволило отказаться от дроссельной заслонки и тем самым уменьшить потери на впуске (теперь воздух не встречает дополнительного препятствия в виде дросселя). Заодно подняли мощность и наделили мотор более ровным и отзывчивым во всем рабочем диапазоне характером.

Вероятно, недалек тот день, когда распределительный вал упразднят, а каждый клапан получит отдельный электромагнитный привод. Над этим работают уже несколько фирм. Французская компания «Валео» объявила, что освоит подобный механизм газораспределения уже в 2009 году.

Ну а пока конструкторы решают задачу, как через клапаны с обычным кулачковым приводом пропустить в цилиндры больше воздуха. Одни из наиболее эффективных способов – впускные коллекторы с изменяемой геометрией. На малых оборотах их длина максимальна, на высоких – минимальна. Ведь воздух подается в цилиндры не с постоянным напором, а пульсирующими толчками – когда открывается впускной клапан, в коллекторе возникают волны сжатия и разрежения. Меняя длину впускного трубопровода, можно подгадать, чтобы волна сжатия подходила к впускному клапану как раз в момент его открытия и проталкивала в цилиндр больше воздуха.

А как обстоят дела с подачей топлива? Об этом можно с уверенностью говорить: будущее – за непосредственным впрыском, одно из главных достоинств которого – экономичность. Ведь двигатель с непосредственным впрыском способен работать на бедных смесях. При этом, правда, возрастает выброс окислов азота, но новейшие нейтрализаторы с этим справляются.

Очевидно, возможности для улучшения бензинового двигателя – создания более компактных, легких, экономичных и дружелюбных к природе, но в то же время надежных и долговечных агрегатов – далеко не исчерпаны. Но параллельно семимильными шагами развиваются дизели; растет «поголовье» моделей с гибридной силовой установкой. Словом, у творения Николауса Отто немало перспективных, сильных конкурентов.

ФАМИЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ

Привычный нам бензиновый двигатель работает, как известно, по циклу Отто. Его разновидность предложил английский инженер Джеймс Аткинсон. В цикле его имени впускной клапан закрывается намного позже – когда поршень уже миновал нижнюю мертвую точку и идет вверх. Таким образом, часть смеси выталкивается обратно во впускной трубопровод. «Отторгнутая» смесь снижает разрежение во впускном тракте и частично отводит тепло из цилиндра, а значит, эффективность впуска возрастает.

После сжатия смесь поджигается искрой и начинает гореть – начинается процесс расширения, который длится, пока поршень не дойдет до нижней мертвой точки. Поскольку сжатие было «укорочено» слишком поздним закрытием впускного клапана, продолжительность расширения по отношению к сжатию увеличивается. Согласно законам термодинамики, это увеличивает эффективность цикла – энергия расширяющихся газов используется более полно.

По циклу Аткинсона работает серийный мотор гибрида «Тойота-Приус». Ведь наибольшую эффективность этот цикл обеспечивает при повышенных оборотах и частичных нагрузках, а именно в гибридных машинах такие режимы наиболее востребованы.