Автомобиль без мотора - телега. Но если на заре автомобилестроения, чтобы получить самодвижущийся экипаж, достаточно было удачно приладить к повозке двигатель, то теперь силовая установка существует не сама по себе, а полностью подчинена компоновке автомобиля. У 85-87% выпускаемых ныне легковых машин ведущие колеса - передние. И в большинстве случаев двигатель расположен поперек моторного отсека. Отсюда следует, что длина его должна быть сведена к минимуму, который задан расстоянием между кожухами передних колес. Поэтому неудивительно, что моторы, как правило, имеют либо 4 цилиндра в ряд, либо 6 цилиндров, расположенных V-образно. Есть, конечно, и V-образные восьмерки, и трехцилиндровые моторы, но они составляют меньшинство. Такова тенденция наших дней.
Двигатели с тремя или пятью цилиндрами, а также V-образные "шестерки", как известно, не идеально уравновешены. Но их опоры в виде резиновых подушек сложной конфигурации с гидравлическими (!) амортизаторами стоят на пути не приятных для водителя и пассажиров вибраций.
Мотор - один из самых тяжелых агрегатов автомобиля. И стремление конструкторов максимально его облегчить понятно. Между тем наметилась тенденция к сокращению количества двигателей с картерами из алюминиевых сплавов. Дело в том, что новейшие технологии чугунного литья позволяют получить картеры с очень тонкими стенками. Нередко чугунные картеры теперь делают без водяных протоков между "стволами" цилиндров. В итоге они становятся не тяжелее алюминиевых. Вместе с тем, учитывая свойства чугуна, они получаются очень жесткими, а при перегреве мотора постели подшипников коленчатого вала не теряют соосности.
А моторы воздушного охлаждения? У них нет водяной рубашки и заполняющей ее охлаждающей жидкости, так что, кажется, налицо приличный выигрыш в весе. Но в этом случае для прохода воздуха приходится делать очень большие расстояния между цилиндрами. И двигатель получается длинным и отнюдь не легким по сравнению с моделями водяного охлаждения. Поэтому "воздушники" на легковых моделях ушли в небытие: Tatra и Trabant, Citroen и FIAT их уже больше не выпускают. Держится еще только Porsche.
Одновременно продолжается погоня за ростом мощности. Сегодня на серийных легковых моделях уже не редкость моторы с четырьмя (встречаются и с пятью - как на Audi) клапанами на каждый цилиндр. Через два впускных клапана мотор вдыхает больше воздуха (окислителя) или рабочей смеси. А через два выпускных быстрее освобождается от продуктов сгорания. Поэтому двигатели с четырьмя клапанами на цилиндр развивают более высокую мощность, чем с двумя.
Для привода четырех клапанов самой простой оказалась конструкция с двумя распределительными валами в головке цилиндров. Сегодня она все чаще встречается на серийных моделях, хотя совсем недавно ее считали атрибутом только гоночных двигателей. Французский инженер Эрне Анри первым применил два верхних кулачковых вала и четыре клапана на цилиндр еще в 1912 году на гоночном Peugeot L76. Ныне подобную конструкцию приняли многие заводы.
Но всегда на моторах с одним или двумя распределительными валами в головке цилиндров возникали сложности с регулировкой зазоров в клапанном приводе. Зазоры подбирали методом проб и ошибок, по несколько раз разбирая головку и выставляя кулачковые валы и механизм их привода. Однако постепенно в обиход вошли и получили широкое распространение гидравлические компенсаторы зазоров в клапанном приводе (в просторечии - гидротолкатели). Они автоматически поддерживают нужный зазор между коромыслами и клапанами, работают бесшумно и не требуют вмешательства механика.
Шестерни и цепи в приводе клапанного механизма зарекомендовали себя не в меру шумными, а цепи к тому же изнашивались и вытягивались. Для компенсации их удлинения были изобретены разные хитроумные натяжные механизмы. Но лучшим решением оказались, как показал опыт последних десятилетий, зубчатые ремни. Они получили широчайшее распространение. Впрочем, я отвлекся от разговора о мощности.
Сегодня массовые модели автомобильных моторов характеризуются литровой мощностью в 50-75 л. с./л. Частота вращения, соответствующая максимальной мощности, лежит в диапазоне 5500-6500 об./мин., а крутящий момент достигает максимума в режиме от 2800 до 4500 об./мин. Конечно, высокофорсированные моторы, развивающие 75 л. с./л и более, очень часто имеют довольно узкий рабочий диапазон по оборотам. Как следствие, автомобили с такими силовыми установками требуют пяти- и даже шестиступенчатых коробок передач.
Современные двигатели, разумеется, далеко не одинаковы по своим характеристикам. Достаточно сравнить два силовых агрегата (Rover и Renault), близких по рабочему объему. У Renault (1230 куб. см) акцент сделан на тяговые характеристики. Это выразилось в том, что пик крутящего момента приходится на 2800-3000 об./мин. Но выигрыш в "гибкости" мотора достигнут ценой мощности. Двигатель Rover спроектирован в первую очередь на получение максимума мощности, но в ущерб "гибкости" - наибольший крутящий момент достигается при 4000 об./мин. (см. график). О степени форсировки обоих моторов можно судить по их литровой мощности: у Renault - 32,5 кВт/л, или 44 л. с., у Rover - 64 кВт/л, или 68 л. с.
Упрощенно говоря, чем больше "лошадей" снимается с литра объема, тем сильнее водителю приходится "раскручивать" двигатель. Чтобы достигнуть оптимального соотношения мощности и крутящего момента, требуется строить двигатели с большим объемом, чем многие производители успешно занимаются. Понятно, что в этом случае моторы более прожорливые и большие. Тем не менее спрос на них есть.
Современные двигатели работают на бензине с октановым числом 95-98 (по исследовательскому методу), их степень сжатия лежит в пределах 9-10 единиц. В интересах повышения мощности конструкторы охотно применяют так называемый инерционный наддув. Известно, что, подобрав объем и длину выпускной трубы или коллектор, можно согласовать колебания столба горючей смеси и отработанных газов таким образом, что при определенной частоте вращения удается "заталкивать", "втягивать" в цилиндры увеличенное количество горючей смеси. Но такой "инерционный" наддув возможен при определенной длине впускной трубы. Так появились двухрежимные впускные коллекторы, в которых на режиме максимальной мощности смеси предлагается один путь, а на режиме максимального крутящего момента - другой. Система заслонок перекрывает разной длины каналы во впускном коллекторе и обеспечивает два варианта инерционного наддува.
Схожую цель преследует механизм изменения на ходу фаз газораспределения. Более "широкие" фазы впуска и выпуска (или более продолжительные) могут быть автоматически сделаны более "узкими" в среднем диапазоне оборотов. Такие устройства за последние пять-семь лет нашли широкое распространение.
Переворот в системе питания, свершившийся за последние десятилетия, в значительной мере обязан внедрению электроники и микропроцессоров. На протяжении всей истории автомобиля рабочая смесь приготовлялась карбюратором, где шло распыление бензина под действием разрежения во впускном канале. Лучшие результаты обеспечивало распыление топлива под действием давления (впрыск), но регулирование состава смеси механическими устройствами было сложным и не всегда эффективным. Электронное регулирование оказалось наиболее эффективным и предопределило практическим всеобщий отказ от карбюраторов в пользу впрыска.
К настоящему времени определились три главных разновидности впрыска топлива с электронным управлением. Первая - так называемый одноточечный (простейший) впрыск, то есть распыление бензина из форсунки во впускной коллектор. Вторая - система многоточечного впрыска, то есть распыление бензина через форсунки в каждый впускной канал. И наконец, третья - система непосредственного (его порой называют прямым) впрыска бензина в камеру сгорания. Именно она была первой, нашедшей применение на серийных автомобилях (Mercedes-Benz-300SL в 1956 году). Но только с появлением электронного управления на всех режимах такая система получила реальные шансы на широкое внедрение.
Электронные устройства сыграли важную роль в развитии систем зажигания, полностью вытеснив контактные прерыватели-распределители. Они позволили также внедрить систему тягового контроля, когда с помощью электронных приборов согласуется подача топлива и, следовательно, крутящего момента со сцеплением ведущих колес и дороги.
В целом, перечисленные выше устройства открыли путь не только к повышению безопасности движения, улучшению экономичности, но и к снижению уровня вредных выбросов двигателя в атмосферу.
Безусловно, в кратком обзоре невозможно охватить все нововведения в двигателях легковых автомобилей за последнее десятилетие. Сузился круг моделей, оснащенных турбонаддувом, полностью вышли из обращения двухтактные двигатели, на сцене появились несколько моделей дизелей с системой подачи топлива common rail. Каждое из этих направлений заслуживает отдельного обсуждения.
Развитие конструкции двигателей для легковых автомобилей отличается тем, что оно шло эволюционным путем. Революций в принципиальных вопросах не произошло. Скорее всего потому, что ежегодно заводы всего мира выпускают по 40 млн легковых машин, их двигатели изготавливаются на высокопроизводительном автоматизированном оборудовании, которое полностью заменяется раз в 15-20 лет. Иными словами, мы сталкиваемся с консерватизмом технологии, который, возможно, тормозит переход на принципиально новые конструкции силовых установок.
Тем не менее в ближайшие три-пять лет возможен переход на гибридные, бензоэлектрические двигатели, которые будут резко отличаться от существующих значительно меньшим объемом вредных выбросов в атмосферу. Первая легковая модель с гибридной силовой установкой (Toyota Prius) уже серийно выпускается в Японии. О создании подобных конструкций заявили и некоторые другие компании. Во всяком случае их опытные образцы, демонстрировавшиеся на последних международных автомобильных выставках, вызвали немалый интерес не только у специалистов, но и у потенциальных покупателей.
