Двигуни внутрішнього згоряння стають компактніше, економніше і чистіше, не втрачаючи потужності

Багато років індустрія двигунів керувалася гаслом «Чим більше, тим краще». Предметом гордості автовласника був літраж, рівний потужності, а той символізував все, чим він хотів би похвалитися, крім здатності переміститися з пункту А до пункту Б, пише The Economist.
Однак часи змінюються, і технології рухаються вперед. Попит на потужність нітрохи не упав, але враховуючи, що все голосніше лунають заклики до економії палива чистий літраж, який жадібно висмоктує його з бака, вже виходить з моди. Зате все частіше чуємо нову мантру: «Розмір не головне».
Тому нинішніх автофанатів заводить не так літраж двигуна, кількість кінських сил, яку можна отримати з певного обсягу. Адже потужності збільшуються, а мотори стають більш компактними. Найменша модель лінійки EcoBoost від Ford — однолітровим трициліндровий двигун дає більше потужності, ніж чотирициліндровий на 1,6 л, але попереднього покоління. Зараз такі двигуни має кожен п’ятий автомобіль Ford, проданий в Європі.
Компактність — результат не вдосконалення якогось одного елемента, а поєднання прогресу в різних аспектах усього двигунобудування. Кожен з цих аспектів покращує продукт на кілька процентних пунктів. Але кінцевий результат — співвідношення потужності і об’єму двигуна, яке до недавнього часу було прерогативою тільки Ferrari, а тепер швидко стає доступним і в седані для сім’ї.
Роль турбокомпресора
Швидше вичавити максимум з мотора можна за допомогою турбокомпресора (однолітровим EcoBoost, власне, так і діє). У турбокомпресорі турбіна, яку обертають гарячі вихлопні гази, приводить в рух компресор, що нагнітає повітря в циліндри і збільшує згоряння.
Турбокомпресори давно вже використовують в автомобілях високого класу і дизельних двигунах, але вони раніше були ненадійними. А зараз стали невеликими, легкими, міцними і досить добротної, щоб їх можна було ставити на широкий спектр бензинових двигунів.
Удосконалення, які зробили можливим такі зміни в двигунах, з’являлися по-різному. Сьогодні інженери використовують замість чавуну нові матеріали, як нікелеві сплави для виготовлення деталей, краще витримують високі температури вихлопних газів. Потужності комп’ютерного моделювання дозволили вдосконалити певні елементи конструкції турбокомпресорів, наприклад форму компресорних лопатей. Завдяки цьому зменшено затримки розгону, яку називають «турболаг» і яка часто була характерною для попередніх моделей.
Більш компактні турбокомпрессорные мотори з’являються тепер скрізь. BMW випускає півторалітрову трицилиндровую версію. На автомобілях MINI Cooper, як заявляють в компанії, це дає можливість збільшити крутний момент (обертальну силу, яка стимулює розгін) на 42% і зменшити споживання палива на цілих 8% порівняно з попереднім чотирициліндровим двигуном. Свій однолітровим Ford EcoBoost зробив ще менше, як і General Motors. А останній випускає також однолітровим трициліндровий турбокомпресорний двигун в Європі у складі лінійки компактних двигунів Ecotech. Fiat (президент якого Джон Елканн є членом правління материнської компанії The Economist) навіть їх перевершив в компактності. Компанія розробила двоциліндровий двигун об’ємом 900 см3, який розвиває потужність 105 к. с. Він розганяє популярну модель Cinquecento від 0 до 100 км/год (62 миль/год) за 10 с і забезпечує швидкість до 188 км/год, якщо вичавити газ до максимуму.
Бустери
Однак самі лише турбокомпресори не допомагають зменшити розмір двигуна і одночасно зберегти його потужність. Тут допомагають інші технології. Одна з них — прямий впорскування палива (безпосередньо в циліндр), що дає декілька переваг перед старими методами подачі бензину в камери згоряння, де він змішувався з повітрям, а потім суміш надходила вже власне до циліндра (карбюратори, які виконували цю роботу за змішуванню до винаходу інжектора, давно вже спочивають у своєму брухтовому раю). Впорскування палива під високим тиском безпосередньо в циліндр дозволяє точніше контролювати його витрати. Інжектор, крім того, рівномірно розсіює паливо в циліндрі, тому під час займання іскрою від свічки воно вигорає повніше і викликає менше забруднення.
Ще один корисний фокус — змінні фази газорозподілу. Відкриття і закриття клапанів, які впускають повітря в циліндр, а звідти випускають вихлопні гази, регулювалося коли-механічним пристроєм, його приводив у дію розподільний вал двигуна. Зараз цей процес контролюється системою управління двигуна. Вона координує роботу різних його сенсорів з допомогою програмного забезпечення, яке визначає конкретно момент, коли потрібно відкривати або закривати клапани для безперебійної та продуктивної роботи невеликого, але потужного двигуна. «Без програмного забезпечення цього можна було б зробити», — говорить Ендрю Фрейзер, провідний інженер Дантонського технічного центру компанії Ford в Британії.
Перехід від чотирьох до трьох циліндрах вимагає зміни конструкції двигуна. Трициліндрові мотори мають тенденцію коливатися взад і вперед навколо середнього циліндра. Автовиробники придумали масу механізмів поглинання вібрації, щоб двигун не трясло і не хитало. Фордівські конструктори перенесли маховик на його задню частину, а шків колінчастого валу — наперед, дещо змістивши центри валів, щоб нейтралізувати розхитування.
Інші способи збільшити потужність двигуна
За словами Фрейзера, є й інші способи збільшення потужності та ефективності невеликих двигунів, наприклад, нові матеріали, як так званий промисловий алмазоподібний вуглець (DLC), яким покривають робочі поверхні рухомих деталей. У компанії Nissan вважають, що розроблений ними міцний DLC може під час взаємодії з машинним маслом спеціального складу утворювати надслизьку плівку, яка послабить тертя деталей двигуна на 25%. У Ford також зацікавилися спеціальними лубрикантами. Компанія доручила Castrol (підрозділу BP, яка займається такими речовинами) розробити мастильний матеріал спеціально для свого однолітрового EcoBoost.
Зараз вивчають можливість застосування для невеликих двигунів процесу деактивації циліндрів. Як видно з назви, мова йде про відключення деяких циліндрів для економії палива, коли двигун автомобіля працює не на повну потужність. Їх деактивація вже застосовується на деяких великих моторах. Наприклад, восьмициліндровий двигун з V-подібним розміщенням циліндрів Bentley на крейсерській швидкості працює як V4. Однак у випадку невеликих двигунів з меншою кількістю циліндрів потрібно добре подумати, як це зробити, не викликаючи вібрації. Ford працює над цією проблемою з німецької конструкторською групою Schaffler. В одному з експериментів їм вдалося збільшити економію витрат палива на 6% з допомогою пробної системи деактивації циліндрів на однолітровому двигун EcoBoost.
Не шкодувати коней
Хоча багато автовиробники вважають, що однолітрові двигуни зменшувати уже нікуди, деякі конструктори не збираються зупинятися на досягнутому. Гордон Мюррей, творець легендарного суперкара McLaren F1, зараз керує конструкторсько-консалтинговою фірмою. Він працює над спільним проектом з Осаму Гото, конструктором гоночних моторів Honda, і британсько-нідерландської нафтовою компанією Shell. У цьому партнерстві розробляється експериментальний тримісний автомобіль для міста з двигуном на 660 см3 і запланованої економією палива від 100 миль на галон (2,8 л на 100 км). Цей двигун конструюється так, щоб максимально зменшити внутрішнє тертя, а саме авто будуть виготовляти з легких композитних панелей.
У зменшених двигунах може бути застосовано й інші ідеї з трас для автоперегонів, адже навіть у Формулі-1 оглушливі гоночні двигуни об’ємом 2,4 л типу V8 замінюють новими на 1,6 л типу V6 з турбокомпресором, збільшуючи ефективність споживання палива на 35% і забезпечуючи при цьому потужність на рівні 600 к. с. Серед хитрих прийомів в цих моторах — системи відновлення енергії, які використовують кінетичну енергію, вивільнену під час гальмування, а також тепло вихлопних газів. Відновлена енергія використовується для зарядки акумулятора, який, у свою чергу, може приводити в дію електричний двигун і збільшувати потужність на 160 к. с. Деякі автовиробники сподіваються з допомогою систем відновлення енергії такого типу наростити потужність компактних моторів. Вони можуть, наприклад, приводити в дію суперкомпресори — пристрої, які працюють швидше турбокомпресори, але конструктори досі обходили стороною, тому що їх потрібно було приводити в дію механічним способом за допомогою самого двигуна, що знижувало його ефективність.
Наскільки зменшуватися двигуни внутрішнього згоряння? Це покаже час. Але кожне удосконалення дає їм можливість продовжити гонку з тими, хто хоче звести кількість циліндрів до нуля і замінити всі електричним приводом.