Авторский

В 80-е и 90-е годы, описывая любой новый мотор, журналисты непременно уточняли, какой у него впрыск топлива, сколько клапанов на цилиндр и есть ли система изменения фаз. Основная часть инноваций того времени относилась именно к системам топливоподачи, газораспределительным механизмам и системам нейтрализации отработавших газов.

Сегодня потребительское общество не воспринимает технические сведения в таких дозах, поэтому информация о новом моторе обычно обходится без анатомических подробностей, и всех интересует отдача и экономичность.

А в каких областях двигателестроения идет наиболее активный прогресс в наши дни?

Абсолютно гибкое регулирование фаз

Священный грааль двигателистов – возможность свободно регулировать фазы газораспределния (открытия и закрытия клапанов). Самая очевидная, но пока неосуществленная идея – сделать привод клапанов электромагнитным, и открывать их, как душе угодно. Реализация упирается в тот факт, что клапаны слишком массивные и имеют большие ходы, поэтому достаточно мощных и быстродействующих магнитов подобрать не удается.

Пока разработчики колдуют с привычными кулачковыми валами, пытаясь сделать регулировку фаз все более гибкой. В свое время новые горизонты открыла BMW с системой Valvetronic, которая позволяла менять высоту подъема клапанов, ликвидировав дросаельную заслонку. Это была уже почти свобода, но все еще не полный анлим.

И вот – революция, которую несколько лет назад сделал итальянский Fiat. Называется она MultiAir. Система позволяет не только менять ход клапана, длительность его открытия и характер движения, но даже подниматься его несколько раз за один такт: до сих пор подобной акробатики в массовом автопроме не наблюдалось. Принцип работы ее относительно прост: профиль кулачка очень высокий и широкий, и настроен на работу двигателя с максимальной отдачей. Но на малых оборотах и нагрузках между кулачком и клапаном начинает работать хитрый гидравлический толкатель, который в нужным момент стравливает давление и опускает клапан раньше времени. По сути, Fiat встроил в привод клапана поршневой насос с электромагнитным перепуском, который задает реальную высоту и фазу открытия клапана.

Для сравнения, использования системы MultiAir на Alfa Romeo MiTo позволило увеличить мощность 1,4-литрового мотора со 155 л.с. до 170 л.с. при уменьшении расхода с 6,5 л/100 км до 6,0 л/100 км.

Работы в этом направлении ведут практически все ведущие производители, и гибкое газораспределение – одна из фишек современного двигателестроения.

Прямой впрыск топлива

Подача топлива прямо в цилиндры – идея довольно старая. Эту технологию использовали еще гоночные Mercedes-Benz середины 50-х, равно как и многие авиационные движки. Однако в массовом автомобилестроении обходились карбюраторами, а позже – системами впрыска в коллектор.

В начале XXI века к идеи прямого впрыска вернулись (одними из первых были движки Mitsubishi GDI), а сейчас он стал почти обязательной программой, по крайней мере, для экологически-озабоченных моторов.

Такой впрыск на порядок сложнее обычного, поскольку требует насоса высокого давления, скорострельных форсунок, и главное – сложного алгоритма управления мотором. Один из его плюсов: возможность сжечь в цилиндре очень бедную смесь (с малым количеством топлива). Если смешать воздух с топливом равномерно, такая бедная смесь просто не воспламенится, поэтому движение газов и топлива в цилиндре организуется таким образом, чтобы к моменту искрового зажигая вокруг свечи образовалась богатая смесь.

Такие моторы обеспечивают лучшую экономичность и экологичность, особенно на частичных нагрузках, кроме того, они менее склонны к детонации.

В дизелях топливо всегда подается внутрь цилиндра, и в последнее время прогресс идет в основном за счет увеличения давления впрыскивания (это улучшает мелкость распыливания), а после изобретения пьезофорсунок – еще и благодаря многофазному впрыску. Современный дизель на некоторых режимах подает топливо в цилиндр 5-7 порциями. Любопытно, что делается это в основном ради снижения выбросов окислов азота, которые растут при увеличении максимальной температуры сгорания. Подавая «горючку» небольшими порциями, современные системы впрыска не дают заряду сгореть взрывным образом, что могло бы довести температуру цикла, а вместе с ней и выбросы окислов азота, до неприемлемого уровня.

Турбонаддув

Еще более старая идея, но под новым соусом. Вплоть до конца 90-х наддув использовался на машинах с претензией на спорт, и двигатели с приставкой турбо почти всегда  отличались диким аппетитом.

А теперь турбонагнетатели служат противоположной цели – снижению расхода топлива. Любопытно, что добиться этого удалось во многом за счет комбинирования идеи наддува с двумя описанными выше тенденциями: регулируемыми фазами и прямым впрыском топлива. В 90-е форсировка более 100 л.с. с литра была признаком спортивного автомобиля, сейчас такими (или близкими) параметрами щеголяют многие утилитарные турбодвижки для мейнстримовых моделей. У них маленький объем, чтобы не расходовать лишнего топлива в пробках, и большая удельная мощность, чтобы динамика не была вялой.

Писк последних лет: установка сложных систем с несколькими нагнетателями. Так, концерн VAG применяет комбинацию турбо- и механического компрессора (например, 1,4-литровый 180-сильный движок Skoda Fabia RS), а BMW и Porsche работают над безумными агрегатами с тремя турбокомпрессорами. Скорее всего, безнаддувные моторы скоро станут уделом либо слишком дешевых машин с архаичными агрегатами, либо слишком дорогих, которые не могут отказаться от атмосферников в силу традиций.

Количество цилиндров

Самым массовым типом двигателя был и остается четырехцилиндровый рядный. Это легко объяснимо: оптимальный объем цилиндра с точки зрения эффективности рабочих процессов – 0,4-0,5 литра, а оптимальный объем двигателя для массового автомобиля – 1,6-2,0 л.

Но все меняется. Новые требования экологии и применение наддува ведут к уменьшенную оптимального объема цилиндра, и все чаще в ход идут трех- (Ford Focus 1.0 Eco Boost, VW Up)  и даже двухцилиндровые моторы (Smart и Fiat Panda). Такие двигатели обычно плохо уравновешены, и при работе вибрируют, как стиральная машинка. Но разработчиков не пугает даже это, и они устанавливают на моторы балансировочные валы и маховики с дисбалансом, чтобы погасить лишние вибрации.  

Audi же вернулась к старой американской идее с отключаемыми цилиндрами: такой движок дебютировал на A1, и на малых нагрузках он превращается из четырех-в двухцилиндровый.

Что дальше?

По вашим отзывам я понял, что последние достижения двигателестроителей вселяет в вас оптимизм по поводу будущего классического ДВС. Но я, хотя и большой фанат таких моторов, не вполне его разделяю.

Сегодня развитием ДВС управляют экологические стандарты. С 2012 года средняя величина выбросов СО2 для европейских автомобилей, выпускаемых конкретным производителем, не должна превышать 120 г/км, к 2020 году – 95 г/км (вот почему Porsche строит гибриды, а Aston Martin выпускает перелицованную Toyota iQ под своим брендом). Для сравнения, мой Citroen С4 выплевывает 143 г/км.  

По большому счету, все эти замороченные системы, вроде гибких фаз газораспределения, наддува и прямого впрыска, нужны именно для снижения расхода топлива и выбросов СО2. Причем, как таковой КПД мотора увеличить уже сложно, и основной резерв кроется в работе на малых нагрузках, в том числе, на холостом ходу.

Я не разделяю особого оптимизма по поводу ДВС потому, что каждый шаг дается все большей кровью. Чтобы автомобиль гольф-класса укладывался в 120 г/км, необходимо применить все описанные выше инновации, каждая из которых безмерно усложняет мотор. Сложнейшая гидравлика, прецизионные клапаны, быстродействующая электроника, жаропрочные турбины, хитросплетения патрубков… И все это ради экономии 0,5 л/100 км, иногда больше, иногда меньше. Экономии, которая, по сути, не окупается для владельца, ведь двигатели получаются весьма и весьма дорогими, в том числе, и в ремонте.

Постепенно мы приближаемся к моменту, когда дальнейшее совершенствование ДВС возможно, но уже почти нерентабельно. Если не менять экологические стандарты, гибриды и даже электромобили становятся все более реальной перспективой, причем это подтверждается и настроем автопроизводителей: частично или полностью электрический автомобиль есть в разработке у всех крупных концернов.   

Процесс этот небыстрый, и займет лет 10-15 минимум, прежде чем разнообразные электросамокаты составят реальную конкуренцию автомобилям.

Правда, Россию все это касается в меньшей степени, и многие концерны, например, Ford, предпочитают поставлять к нам двигатели предыдущих поколений, опасаясь качества топлива с одной стороны, и не надеясь на высокий спрос из-за ядреной цены с другой.