В истории автомобильных двигателей немало громких имен, но Отто, Дизель и Ванкель признаются наиболее значимыми.
В 1893 году Рудольф Дизель изобрел мотор, способный работать на более тяжелых (и дешевых) фракциях перегонки и крекинга нефти. Если в моторе Отто смесь поджигается электрическим разрядом, то в дизеле – от сжатия ее поршнем, иными словами, самовоспламенением. Топливо для такого мотора, солярку, немцы называют Diesel. А топливо для обычного мотора – Benzin. Существует версия, что и название «бензин» происходит от фамилии изобретателя одного из первых самодвижущихся экипажей (1886 год) немца Карла Бенца. В ту пору бензин приобретали в аптеках, поскольку он являлся антисептическим средством.
Феликс Ванкель запатентовал роторно-поршневой тип двигателя в 1934 году. В его корпусе овальной формы движутся не поршни на шатунах, а треугольный, с выпуклыми сторонами ротор. Он описывает внутри корпуса кривую, называемую эпитрохоидой, при этом его вершины, плотно прилегая к стенкам корпуса, образуют 3 отдельные камеры сгорания. В каждой из них последовательно происходит обычный 4-тактный цикл. Из-за отсутствия возвратно-поступательного движения такой мотор почти не вибрирует, а его рабочие обороты значительно выше, чем у поршневого ДВС.
Единственная фирма, выпускающая автомобили с «ванкелем», – японская Mazda. Она довела конструкцию мотора Renesis до совершенства и в награду за упорство в 2003 году удостоилась Гран-при конкурса «Двигатель года». Присвоено оно двухсекционному, то есть с двумя роторами в отдельных корпусах, мотору. К каждому подведено по два впускных и по два выпускных трубопровода. Роторы обслуживают в общей сложности шесть форсунок – четыре во впускных трубопроводах и две непосредственного впрыска. При крошечном рабочем объеме 2x0,654 л двигатель развивает огромную мощность в 250 л. с. при 8 500 об/мин и имеет максимальный крутящий момент 216 Нм при 5 500 об/мин.
«Скотину в Америке и Европе в старину кормили по-разному» – это приходит на ум, когда узнаешь, что HP, то есть horse power, вовсе не равна PS, то есть Pferdestarke, или, скажем, CV (cheval vapeur). И то, и другое, и третье переводятся как лошадиная сила. Зародилась эта величина в шахтах Великобритании и оценивала работу лошади за единицу времени: перемещение груза в 200 фунтов на 165 футов за минуту. Измерение мощности в «лошадях» – скорее дань традиции, поскольку существует общепринятая метрическая величина – киловатт (кВт). Один киловатт мощности равен 1,35962 л. с., но тот же киловатт равен 1,34102 американо-британской лошадиной силы HP. Более того, сегодня действуют шесть стандартов измерения мощности автомобильного двигателя. В США организация Society of Automotive Engineers (SAE) рекомендует измерять мощность двигателя без учета ее затрат на привод генератора, потерь в системе выпуска отработавших газов и прочих затрат, связанных с функционированием навесного оборудования.
Второй важный показатель работы двигателя – крутящий момент, характеризует его способности по части вращения колес. В метрической системе крутящий момент измеряется в Ньютонах, умноженных на метр. Оба показателя – и мощность, и крутящий момент – приводятся в сочетании с числом оборотов коленчатого вала двигателя в минуту, при котором они достигаются.
То или иное расположение цилиндров применяют, чтобы получить максимальную отдачу с каждой единицы площади, занимаемой мотором под капотом. Еще в начале 1980-х годов фирма Volkswagen создала так называемые V-образно-рядные двигатели VR6 и VR5 – компактные агрегаты с увеличенным числом цилиндров. Небольшой, 15°, развал между рядами цилиндров (обычно угол составляет 60 или 90°) позволил применить для них общую головку. Затем на основе этих разработок была спроектирована серия модульных W-образных двигателей, объединяющих под углом в 72° две цилиндро-поршневые группы от моторов VR-типа.
Проблема заключалась в том, что на коленчатом валу примерно той же длины в этом случае размещалось вдвое больше шатунов, чем в VR-двигателе. Поэтому их пришлось делать тоньше. Шатун подвергается в двигателе наибольшим нагрузкам сжимающего, растягивающего и изгибающего вида, и слишком тонкие шатуны на повышенных оборотах начинают «поигрывать». В двигателе W16 колоссальной мощности в 1001 л.с. для спортивного Bugatti ЕВ16/4 Veyron влияние инерционных моментов на шатуны сократили, увеличив развал между двумя VR-rpyппaми до 90° и снизив скорость поршня до 17,2 м/с. Размеры двигателя при этом выросли, но все равно остались завидно малыми для агрегата с такими показателями: его длина 710, а ширина 767 мм.
В быстроходных современных двигателях выпускные клапаны начинают открываться для отвода отработавших газов, когда те еще способны на полезную работу. И не успевает поршень вытолкнуть остатки продуктов сгорания из цилиндра, как открываются впускные клапаны. При этом часть отработавших газов смешивается с новой порцией топливовоздушной смеси, что ухудшает ее качество. Нежелательное на первый взгляд явление, называемое перекрытием фаз, оказывается, можно обратить во благо.
Если оставить впускные клапаны открытыми подольше, в камеру сгорания попадет больше смеси. Это обеспечит более ровную, устойчивую работу двигателя на малых оборотах коленчатого вала, а при высокой частоте вращения улучшит его тяговые возможности.
Задержка закрытия выпускных клапанов позволит на такте впуска завлечь обратно в цилиндр некое количество отработавших газов, чтобы вновь пустить их в дело, что окажет благоприятное влияние на показатели токсичности выхлопа.
Итак, да здравствуют приспособления, изменяющие режим работы впускных и выпускных клапанов и увеличивающие длительность их открывания!
Принцип действия таких «фазовращателей» состоит в дополнительном проворачивании распределительного вала вокруг его оси на несколько градусов. У компании BMW подобное устройство называется (в зависимости оттого, на одном или двух валах установлено) Vanos или Double Vanos. В 2001 году фирма внедрила еще более совершенное устройство – Valvetronic, продлевающее фазу открытия впускных клапанов за счет изменения плеча коромысел. Оно настолько улучшило газообмен, что позволило отказаться от анахронизма карбюраторной эпохи – дроссельной заслонки во впускном канале двигателя, регулирующей объем поступающего в цилиндр воздуха. Мотор с Valvetronic в среднем на 10% экономичнее своего «заслоночного» аналога и быстрее откликается на нажатие педали газа.
Для получения наиболее оптимальных характеристик в широком диапазоне оборотов коленчатого вала современные двигатели оснащают также и впускными трубопроводами переменной длины. Отдаленно принцип действия такой системы напоминает печную трубу с заслонкой. Пока обороты коленчатого вала невелики, воздушный поток поступает через длинное колено, обеспечивая двигателю наилучшие тяговые возможности. На короткое колено переключаются при больших оборотах, и это увеличивает мощность. А компания BMW на моделях 735i/745i применяет и вовсе бесступенчатый регулятор впускного трубопровода, похожий на гигантскую улитку. Его длина варьируется от 231 до 673 мм. Цилиндрический воздухораспределитель способен менее чем за секунду повернуться в полости впускного трубопровода на 236°, изменяя тем самым его рабочую длину. С целью уменьшения массы двигателя впускные трубопроводы нередко изготавливают из полиамида.
Оптимальное соотношение воздуха и бензина – 14,5:1 называют стехиометрическим. Поэтому чтобы «затолкать и сжечь» в цилиндрах больше бензина за единицу времени, приходится увеличивать и весовое содержание воздуха. Для этого используют специальные нагнетатели, среди которых наибольшее распространение получили турбонаддувы. В них для разгона насосного колеса используется энергия отработавших газов, вращающих турбину. Работу этих устройств также стараются оптимизировать. Например, изменяя геометрию лопаток турбины, а также направляя излишек отработавших газов в обход лопаток. Турбокомпрессору, как и другим деталям двигателя, тоже свойственна инерционность, ухудшающая характеристики двигателя «в низах» (то есть при малых оборотах). Явление получило название «турбояма». Для раскрутки турбины компания Saab на модели 9-3 использует такой прием: независимо от перемещения педали «газа» в начале езды в двигатель поступает дополнительная порция смеси. Поток отработавших газов ненадолго увеличивается, и они быстрее раскручивают механизм нагнетателя.