Ярмарка моторов

Семьдесят семь лет назад французский популяризатор автомобильной техники Бодри де Сонье в книге «Автомобиль с теоретической и практической точек зрения» отметил, что «количество типов взрывных моторов, созданных техникой для одних только автомобилей, очень велико». В его время все фирмы мира выпускали 713 типоразмеров двигателей для легковых машин. Сегодня, естественно, больше ― 897.

Это многообразие подчинено, однако, определенным тенденциям развития. Они, в свою очередь, удовлетворяют трем важнейшим требованиям: административным, потребительским, инженерным.

Жесткое ограничение вредных выбросов, шумности двигателей, а также отчасти и требования относительно их экономичности определяются международными или национальными нормами, нередко на уровне законов.

Запросы потребителей в первую очередь диктуют высокие экономичность, долговечность, надежность, простоту или дешевизну обслуживания, низкий уровень вибраций и шума, хорошую приспособляемость к изменениям внешней нагрузки, ездовые характеристики.

Инженерные требования формируются на основе административных и потребительских запросов, а также на базе собственных производственных соображений (компоновка машины, технологические возможности, новые материалы).

Из всего комплекса требований сегодня решающую роль играют экономические, экологические и ездовые. Именно их стремятся удовлетворить конструкторы всех автомобильных двигателей. Лет 35―40 назад, когда большинство выпускаемых моделей было ориентировано главным образом на внутренний рынок, двигатели американских, японских, английских и фирм других стран довольно заметно различались по соответствию запросам местного рынка, а значит, и по конструкторским школам. С развитием экспорта и импорта эти границы к настоящему времени стерлись. И лишь американская и европейские инженерные школы сохранили заметные различия.

Американские двигатели больше европейских по рабочему объему, более долговечны и отвечают более жестким нормам токсичности. Для них характерно умеренное форсирование рабочего процесса, в среднем это литровая мощность 32―45 л. с./л и соответствующая максимальной мощности частота вращения 3200―4800 об/мин, хорошая приспособляемость к изменению внешней нагрузки.

Рабочий объем европейских да и японских автомобильных моторов в 2―3 раза меньше. Они более форсированы: 45―55 л. с./л, 4500―5500 об/мин. Мы здесь сознательно не принимаем во внимание спортивные двигатели с литровой мощностью 60―90 л. с./л, которые составляют около трети от выпускаемых серийно моделей.

Поскольку защита окружающей среды сегодня становится все более актуальной, США, на долю которых приходится около 40 % мирового автомобильного парка, приняли меры по самому жесткому нормированию вредных выбросов автомобильным транспортом. Об эффективности этих мер можно судить хотя бы по тому факту, что 140 миллионов легковых машин выбрасывают в Америке в воздух столько вредных веществ, сколько 14 миллионов автомобилей, находящихся в личном пользовании граждан стран СНГ.

Самые опасные для окружающей среды выбросы это окислы углерода, а также углеводороды и окись азота. Для более полного сгорания топливо- воздушной смеси нужно более равномерно распределять ее по цилиндрам и в соответствии с меняющейся нагрузкой постоянно подбирать наивыгоднейший ее состав, а также момент воспламенения. Как следствие, подавляющее большинство современных бензиновых автомобильных моторов работают под контролем микропроцессоров.

Однако, как показала практика, для уменьшения содержания в отработавших газах окислов углерода нужны одни технические меры, а для снижения окислов азота ― прямо противоположные. Сначала появились устройства, «дожигающие» отработавшие газы в выпускной системе.

Затем началось внедрение различных инженерных решений, цель которых ― создание в цилиндре вихревого движения заряда смеси, чтобы улучшить условия ее сгорания. Ту же цель преследовали и устройства для подачи обедненной смеси в камеру сгорания, форсунки, которые струей сжатого воздуха вызывали круговое движение смеси в цилиндре, различные комбинации фаз газораспределения, форм газовых каналов и камер сгорания. Наконец специалисты пришли к каталитическим трехкомпонентным нейтрализаторам. Они включены в выпускную систему и представляют собой тепловой реактор, в котором все три вредных компонента в присутствии катализатора (платина, радий) подвергаются химической реакции восстановления. В результате в атмосферу попадают относительно безвредные химические вещества.

Постепенно стало очевидным, что лишь хитроумным сочетанием всех средств борьбы с вредными примесями можно выполнить жесткие антитоксичные нормы. Но, как всякий компромисс, такое сочетание потребовало жертв в экономичности, мощности, гибкости работы двигателей.

Повышению максимальной мощности и экономичности способствовало применение турбонаддува. Кинетическая энергия отработавших газов в этом случае использовалась для вращения миниатюрной газовой турбины, а та приводила во вращение центробежный нагнетатель, который под давлением гнал воздух в цилиндры двигателя. На двигателе рабочим объемом 1300 см3 посредством турбонаддува (избыточное давление 0,6―0,8 бар) удавалось повысить мощность с 72 до 118 л. с., то есть на 64%. При этом расход топлива возрастал незначительно.

Турбонаддув позволял поднять мощность в зоне высоких чисел оборотов. Но можно было добиться того же результата в зоне малых и средних оборотов, подбирая длину впускного тракта. Сочетание ее с другими параметрами впускной системы позволяло получить так называемый «резонансный» наддув на определенном скоростном режиме. А на другом?

Нужна другая длина впускной трубы. И тогда начались комбинации. Впускной коллектор стал двухпоточным: в зоне средних оборотов воздух шел в цилиндры «длинным путем», а в зоне больших ― по короткому пути, который при определенном числе оборотов открывался поворотом заслонки. А управлял ею либо микропроцессор, либо вакуумный автомат.

Появились и другие решения. Например, в одном режиме коромысла клапанов приводятся кулачками одного профиля. По достижении определенного числа оборотов поршенек гидроцилиндра замыкает коромысло с соседним рокером, который исполняет команды уже другого, соседнего кулачка, задающего иные фазы газораспределения.

Возможно, что на определенном режиме работы двигателя надо обеспечить увеличенный крутящий момент. Этого можно добиться и изменением длины впускной трубы, и переменными фазами газораспределения, и увеличением количества клапанов.

Потребитель, однако, желает уменьшения шумности работы двигателей. Поэтому взоры конструкторов вновь обратились к чугунным блокам цилиндров. Успехи в технологии позволяют получать легкие тонкостенные отливки блоков из чугуна, которые жестче и создают лучшую звукоизоляцию. Привод распределительного вала зубчатым ремнем, внедрение гидравлических компенсаторов зазоров в клапанном механизме также способствуют снижению шума.

Повышения надежности и снижения трудоемкости обслуживания многие фирмы добились благодаря переходу на бесконтактные электронные системы зажигания и отказу от распределителей. Свеча, объединенная с индукционной катушкой, исключает наличие проводов высокого напряжения и возможные утечки тока в сырую погоду.

Озабоченные повышением долговечности двигателей, многие фирмы отдали предпочтение полноопорным (пятиопорным, например, для четырехцилиндровых моторов) коленчатым валам. Хотя они создают несколько большие внутренние потери на трение, но их деформации и износ малы. Свой вклад в увеличение долговечности вносят полнопоточные быстросменные масляные фильтры.

Широкое распространение полноприводных моделей с силовым агрегатом, расположенным поперек машины, заставило конструкторов изыскивать способы, как сделать моторы компактнее. За последнее время появилось немало V-образных шестицилиндровых двигателей с малым углом между блоками цилиндров. Чтобы улучшить уравновешенность, многие из них ― с уравновешивающими валами. А поскольку современный потребитель стал капризен в отношении вибрации, то на их пути от двигателя к кузову теперь стоит надежная защита: сложные резиновые опоры двигателя, подчас с гидравлическими амортизаторами. Некоторые из них имеют еще и переменное сопротивление, автоматически управляемое микропроцессором.

Попытка втиснуть в моторный отсек между нишами колес короткий мотор с унифицированными для других модификаций семейства размерами (диаметр цилиндров, длина коренных подшипников, межцентровое расстояние цилиндров и др.) помогла появиться на свет, например, пятицилиндровым моторам, двигателям без водяных протоков между цилиндрами.

Производственники, со своей стороны, стремясь всемерно упростить конструкцию, удешевить ее изготовление, пришли сегодня к некоему стереотипу. Он повторяется довольно скрупулезно во многих четырехцилиндровых массовых моделях. Это пятиопорный коленчатый вал, чугунный блок цилиндров с «юбкой», опущенной заметно ниже (для увеличения жесткости) оси коленчатого вала. Клапаны в алюминиевой головке цилиндров установлены в один ряд, а впускные и выпускные каналы разнесены по разным сторонам головки. Такое размещение клапанов позволяет обойтись без рокеров и коромысел и приводить их непосредственно от распределительного вала, смонтированного над рядом клапанов. Зубчатый ремень ― самый простой и компактный привод распределительного вала, от противоположного конца которого (безо всяких винтовых шестерен) получает вращение горизонтальный прерыватель системы зажигания. Роторный маслонасос сидит непосредственно на крайней шейке коленчатого вала. Это облик большинства современных четырехтактных автомобильных двигателей жидкостного охлаждения.

А как же с дизелями, двухтактными и роторными двигателями, «стирлингами» и другими конструкциями силовых агрегатов? Всему свое время. По ним редакция планирует подготовить самостоятельные обзоры.

Иллюстрации к статье.

ФИАТ-ФАЙР (999 см3, 45 л. с./ЗЗ кВт при 5000 об/мин) устанавливается на модели «Панда» и «Уно». Очень легкий (69 кг) мотор, несмотря на пятиопорный коленчатый вал и отлитый из чугуна блок. Клапаны расположены в ряд, верхний распределительный вал приводится зубчатым ремнем, роторный маслонасос смонтирован на шейке коленчатого вала.

«СИТРОЕН-ИксЮ-10-Ж2Ц» (1998 см3, 123 л. с./91 кВт при 5750 об/мин) ― типичная современная конструкция европейской школы. Для нее характерен полноопорный коленчатый вал, расположенные в ряд клапаны, приводимый зубчатым ремнем распределительный вал, прерыватель, являющийся как бы продолжением распределительного вала. На последних модификациях моторов семейства «ИксЮ» можно встретить чугунный блок цилиндров, которому теперь многие фирмы отдают предпочтение. Для увеличения жесткости картера плоскость его стыка с масляным поддоном лежит заметно ниже оси коленчатого вала, между цилиндрами нет протоков для охлаждающей жидкости.