Багато років індустрія двигунів керувалася гаслом «Що більше, то краще». Предметом гордощів автовласника був літраж, який дорівнював потужності, а та символізувала усе, чим він хотів би похизуватися, окрім просто здатності переміститися з пункту А до пункту Б. Однак часи міняються, і технології рухаються вперед. Попит на потужність анітрохи не впав, але з огляду на дедалі гучніші заклики до економії пального чистий літраж, який пожадливо висмоктує його з бака, вже виходить із моди. Натомість дедалі частіше чуємо нову мантру: «Розмір не головне».
Тому нинішніх автофанатів заводить не так літраж двигуна, як кількість кінських сил, котру можна видобути з певного об’єму. Адже потужності збільшуються, а мотори стають компактнішими. Найменша модель лінійки EcoBoost від Ford — однолітровий трициліндровий двигун — дає більше потужності, ніж чотирициліндровий на 1,6 л, але попереднього покоління. Зараз такі двигуни має кожен п’ятий автомобіль Ford, проданий у Європі.
Компактність — результат не вдосконалення якогось одного елемента, а поєднання прогресу в різних аспектах усього двигунобудування. Кожен із цих аспектів покращує продукт на кілька відсоткових пунктів. Але кінцевий результат — співвідношення потужності та об’єму двигуна, яке донедавна було прерогативою лише Ferrari, а тепер швидко стає доступним і в седані для сім’ї.
Найшвидше витиснути максимум із мотора можна за допомогою турбокомпресора (однолітровий EcoBoost, власне, так і діє). У турбокомпресорі турбіна, яку обертають гарячі вихлопні гази, приводить у рух компресор, який додатково нагнітає повітря в циліндри й збільшує згоряння.
Турбокомпресори давно вже використовують в автомобілях високого класу й дизельних двигунах, але вони раніше бували ненадійними. А нині стали невеликими, легкими, міцними й достатньо добротними, щоб їх можна було ставити на широкий спектр бензинових двигунів.
Удосконалення, які уможливили такі зміни у двигунах, з’являлися по-різному. Сьогодні інженери використовують замість чавуну нові матеріали, як-от нікелеві сплави, для виготовлення деталей, що краще витримують високі температури вихлопних газів. Потужності комп’ютерного моделювання також дали змогу вдосконалити певні елементи конструкції турбокомпресорів, наприклад форму компресорних лопатей. Завдяки цьому зменшено затримку розгону, яку називають «турболаг» і яка часто була характерною для старіших моделей.
Читайте також: В Ізраїлі запрацює перше у світі «повітряне таксі»
Компактніші турбокомпресорні мотори з’являються тепер скрізь. BMW випускає півторалітрову трициліндрову версію. На автомобілях MINI Cooper, як заявляють у компанії, це дає змогу збільшити крутний момент (обертальну силу, яка стимулює розгін) на 42% і зменшити споживання пального аж на 8% порівняно з попереднім чотирициліндровим двигуном. Свій однолітровий EcoBoost Ford зробив іще меншим, як і General Motors. А останній випускає також однолітровий трициліндровий турбокомпресорний двигун у Європі в складі лінійки компактніших двигунів Ecotech. Fiat (президент якого Джон Елканн є членом правління материнської компанії The Economist) навіть їх перевершив у 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 витиснути газ до максимуму.
Бустери
Проте самі лише турбокомпресори не допомагають зменшити розмір двигуна й одночасно зберегти його потужність. Тут стають у пригоді інші технології. Одна з них — пряме впорскування пального (безпосередньо до циліндра), що дає кілька переваг перед старішими методами подачі бензину до камери згоряння, де він змішувався з повітрям, а відтак суміш надходила вже власне до циліндра (карбюратори, які виконували цю роботу зі змішування до винайдення інжектора, давно вже спочивають у своєму брухтовому раю). Впорскування пального під високим тиском безпосередньо до циліндра дає змогу точніше контролювати його затрати. Інжектор, окрім того, рівномірніше розсіює пальне в циліндрі, тож під час запалення іскрою від свічки воно вигоряє повніше й спричиняє менше забруднення.
Ще один корисний фокус — змінні фази газорозподілу. Відкривання й закривання клапанів, які впускають повітря до циліндра, а звідтіля випускають вихлопні гази, регулювалося колись механічним пристроєм, що його приводив у дію розподільний вал двигуна. Нині цей процес контролюється системою керування мотора. Вона координує роботу різних його сенсорів за допомогою програмного забезпечення, яке визначає конкретно момент, коли потрібно відкривати чи закривати клапани для безперебійної та продуктивної роботи невеликого, але потужного двигуна. «Без програмного забезпечення цього не можна було б зробити», — каже Ендрю Фрейзер, провідний інженер Дантонського технічного центру компанії Ford у Британії.
Перехід від чотирьох до трьох циліндрів вимагає зміни конструкції двигуна. Трициліндрові мотори мають тенденцію коливатися взад і вперед навколо середнього циліндра. Автовиробники вигадали чимало механізмів поглинання вібрації, щоб двигун не трясло й не хитало. Фордівські конструктори перенесли маховик на його задню частину, а шків колінчастого валу — наперед, дещо змістивши центри валів, щоб нейтралізувати розхитування.
За словами Фрейзера, є й інші засоби збільшення потужності та ефективності невеликих двигунів, наприклад нові матеріали, як-от 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 мастилом спеціального складу утворювати надслизьку плівку, яка послаблюватиме тертя деталей двигуна на 25%. У Ford також зацікавилися спеціальними лубрикантами. Компанія доручила Castrol (підрозділу BP, що займається такими речовинами) розробити мастильний матеріал спеціально для свого однолітрового EcoBoost.
Читайте також: У США розробили новітній ядерний бомбардувальник
Нині вивчають можливість застосування для невеликих двигунів процесу деактивації циліндрів. Як видно з назви, йдеться про відключення деяких циліндрів для економії пального, коли двигун автомобіля працює не на повну потужність. Їх деактивація вже застосовується на деяких великих моторах. Наприклад, восьмициліндровий двигун із V-подібним розміщенням циліндрів у Bentley на крейсерській швидкості працює як V4. Проте у випадку невеликих двигунів із меншою кількістю циліндрів потрібно добре поміркувати, як це зробити, не викликаючи вібрації. Ford працює над цією проблемою з німецькою конструкторською групою Schäffler. В одному з експериментів їм вдалося збільшити економію витрати пального на 6% за допомогою пробної системи деактивації циліндрів на однолітровому двигуні EcoBoost.
Не жаліти коней
Хоча багато автовиробників вважають, що однолітрові двигуни зменшувати вже немає куди, деякі конструктори не збираються зупинятися на досягнутому. Ґордон Мюррей, творець легендарного суперкара McLaren F1, зараз керує конструкторсько-консалтинговою фірмою. Він працює над спільним проектом з Осаму Ґото, конструктором гоночних моторів Honda, і британсько-нідерландською нафтовою компанією Shell. У цьому партнерстві розробляється експериментальний тримісний автомобіль для міста із двигуном на 660 см³ та запланованою економією пального від 100 миль на галон (2,8 л на 100 км). Цей двигун конструюється так, щоб максимально зменшити внутрішнє тертя, а саме авто виготовлятимуть із легких композитних панелей.
У зменшених двигунах може бути застосовано й інші ідеї з трас для автоперегонів, бо ж навіть у Формулі-1 оглушливі гоночні двигуни об’ємом 2,4 л типу V8 замінюють новими — на 1,6 л типу V6 із турбокомпресором, збільшуючи ефективність споживання пального на 35% і забезпечуючи при цьому потужність на рівні 600 к. с. Серед хитрих прийомів у цих моторах — системи відновлення енергії, які використовують кінетичну енергію, вивільнену під час гальмування, а також тепло вихлопних газів. Відновлена енергія використовується для заряджання акумулятора, який, своєю чергою, може приводити в дію електричний двигун і збільшувати потужність на 160 к. с. Деякі автовиробники сподіваються за допомогою систем відновлення енергії такого типу наростити потужність компактніших моторів. Вони можуть, наприклад, приводити в дію суперкомпресори — пристрої, які працюють швидше за турбокомпресори, але які конструктори досі обходили стороною, бо їх потрібно було приводити в дію механічним способом за допомогою самого двигуна, що знижувало його ефективність.
Наскільки зменшуватимуться двигуни внутрішнього згоряння? Це покаже час. Але кожне вдосконалення дає їм змогу продовжити перегони з тими, хто хоче звести кількість циліндрів до нуля й замінити все електричним приводом.
© 2011 The Economist Newspaper Limited. All rights reserved
Переклад з оригіналу здійснено «Українським тижнем», оригінал статті опубліковано на www.economist.com
