Топ 10 улучшений в конструкции двигателя. История от А до Я

История улучшения автомобильного двигателя в 10 частях

10 улучшений в двигателеБольшинство людей знают о том, что ModelT от Ford был первым по-настоящему доступным автомобилем. Но знаете ли вы, каким двигателем был оснащен данный автомобиль? Оригинальный ModelT, выпущенный в 1908 году, был оснащен 2,9-литровым четырехцилиндровым двигателем, мощность которого составляла всего 22 лошадиные силы.

Это по-настоящему крошечная мощность для двигателя такого размера, особенно если сравнивать с современными двигателями. Зато он точно превосходил «железное сердце» самого первого автомобиля– 1885 BenzPatentMotorwagen. Этот автомобиль был оснащен однопоршневым автомобильным двигателем, который генерировал только лишь две трети одной лошадиной силы.

Как вы видите, с самого начала автомобилестроения двигатели находились в постоянной эволюции. Сегодня они более мощные, тихие, более прочные, менее загрязняющие для окружающей среды, и более экономичные, чем когда-либо раньше, благодаря постоянным открытиям и достижениям в конструкции и технологии двигателя. В этом мы совсем недавно могли убедиться, совершив путешествие по заводу автомобилей Maserati и увидев процесс сборки моделей GranTurismo своими глазами (подробнее об этом путишествии здесь).

Автоинженеры не прекращают работу над способами улучшения движков внутреннего сгорания и пророчат им еще долгое будущее. Как много изобретений, которые на протяжении вот уже 150 лет непрерывно подвергаются улучшению и усовершенствованию, вам известно?

В этой статье мы расскажем о 10 из самых крупных и значительных прорывов в улучшении двигателей за всю историю их существования. Мы рассмотрим впрыск топлива и гибридные установки, мы узнаем, с чего все начиналось, и надеемся получить некоторое представление о том, куда мы движемся и чего ожидать в будущем.

10: Четырехтактный цикл двигателя. Что это такое?четырехтактный цикл двигателя

Преимущества: более экономичный расход топлива, менее загрязняющий для окружающей среды.

Недостатки: более сложный, более дорогой в производстве.

Помните тот BenzPatentMotorwagen, о котором мы упоминали в самом начале? В дополнение к тому, что у его двигателя был только один поршень или цилиндр, это был двухтактный двигатель, как и большинство ранних двигателей. Тактом, если вы до сих пор не в курсе, называют одно движение поршня в двигателе.

Четыре такта стали одним из первых усовершенствований, внесенных в работу двигателя внутреннего сгорания в конце 19 века. В четырехтактном двигателе бензин сгорает за четыре шага: впуск, сжатие, мощность и выхлоп. Все эти четыре шага принимаются за два хода поршня вверх/вниз.

Ранее, более простые двухтактные двигатели осуществляли ту же задачу – а именно сжигание бензина для создания механического движения – но они делали это в два этапа. Сегодня двухтактные двигатели мы можем найти в небольшом механическом оборудовании, в газонокосилках, в небольших мотоциклах, и больших промышленных двигателях. Почти во всех автомобильных двигателях используется четырехтактный цикл.  Но последние новости приходящие нам из-за рубежа свидетельствуют о том, что последняя песня двухтактного двигателя еще не спета! Более подробную информацию  об этом вы можете подчерпнуть здесь.

Изобретение четырехтактного двигателя предоставило ряд преимуществ, включая более экономичный расход топлива, более длительный срок службы, больше мощности и крутящего момента, а также более чистые выхлопные газы. Тем не менее, по сравнению с двухтактными двигателями, они более сложные и дорогие в производстве, и требуют использования клапанов для впуска воздуха и выпуска отработанных газов.

Несмотря на это, четырехтактные двигатели стали отраслевым стандартом для автомобилей, и в ближайшее время, вероятно, никто не займет их места, поэтому более о них сказать нечего, а вот о роли клапанов и о том, как они были усовершенствованы в двигателе, мы узнаем немного позже в этой же статье.

А пока очередь подошла к наддуву и к тому, как он проделал свой путь из авиации в мир автомобилей. Приготовьтесь, вас ждет девятое улучшение двигателя, повлиявшее на историю его развития.

9: Улучшение двигателя с помощью наддува

наддув двигателяПреимущества: больше мощности без увеличения объема двигателя.

Недостатки: расход топлива, турбо запоздание.

Двигателю необходимы три вещи для создания движения: топливо, воздух и зажигание. Чем больше воздуха втиснется в двигатель, тем большую мощность, генерируемую поршнями двигателя, он даст на выходе. Давнишним способом сделать это, и способом который становится все более популярным в последнее время, является использование наддува. Вам также могут быть знакомы слова турбонаддув и нагнетатель.

В двигателе с наддувом, воздух в камеру сгорания нагнетается при более высоком давлении, чем это происходит при обычных условиях, создавая высокую степень сжатия и больше мощности от каждого такта двигателя. Турбонаддув и нагнетатель, по существу, являются воздушными компрессорами, которые втискивают больше воздуха в двигатель.

Системы принудительной индукции (наддува) широко использовались в авиационных двигателях задолго до того, как ее начали применять в автомобильных двигателях 1960-х годов. Они особенно полезны для движков маленького объема, так как они могут генерировать много дополнительной мощности без увеличения размера двигателя, и не становясь причиной резкого падения экономии топлива.

Хорошим примером является турбированный автомобиль Mini Cooper S, объем двигателя которого составляет всего 1,6 литра, однако мощность, производимая этим двигателем, составляет 200 лошадиных сил. Кроме того, высокопроизводительные автомобили, такие как Porsche 911 Turbo или Corvette ZR-1, используют наддув для того чтобы достичь неповторимых успехов в мощности.

Недостатки? Автомобили, оснащенные турбонаддувами, часто нуждаются в бензине премиум класса. Стоит также упомянуть о турбо задержке, явлении, при котором вся выгода от высокой мощности не ощущается до тех пор, пока турбонаддув не поддаст газку на более высоких оборотах. В последние годы инженерам удалось сократить оба этих недостатка.

С тем, что из года в год ужесточаются нормы расхода топлива и выбросов в окружающую среду, многие автопроизводители прибегают к технологии наддува в небольших по объему двигателях, вместо создания более мощных моторов. Например, в Hyundai Sonata самым мощным двигателем теперь является не V-6, а четырехцилиндровый двигатель с турбонаддувом.

Далее мы рассмотрим, почему карбюраторы практически стали артефактом благодаря прямому впрыску топлива.

8: Впрыск топливавпрыск топлива в двигателе

Преимущества: лучшая приемистость, повышенная эффективность расхода топлива, больше мощности, более легкий запуск двигателя.

Недостатки: больше сложностей, потенциально дорогостоящий ремонт.

В течение многих десятилетий, предпочтительным методом для смешивания топлива и воздуха и внесения смеси в камеру сгорания двигателя был карбюратор. Выжмите педаль акселератора до конца, и карбюратор направит больше воздуха и топлива в двигатель.

С конца 1980-х годов, карбюраторы почти полностью были заменены впрыском топлива, гораздо более сложной и эффективной системой смешивания воздуха и горючего. Топливные форсунки распыляют бензин в коллекторе воздухозаборника, где топливо и воздух смешиваются в мелкий туман. Эта смесь клапанами вводиться в камеру сгорания каждого цилиндра во время такта впуска. Процессом впрыска топлива управляет бортовой компьютер двигателя.

Так почему же впрыск топлива пришел на смену карбюратору, чем улучшил он работу двигателя в автомобиле? Для начала двигатель с компьютерным управлением впрыска топлива проще запустить, особенно в морозные деньки, в то время как карбюратор мог внести некоторые сложности в вашу жизнь при низких температурах на улице. Двигатели с впрыском топлива также более эффективны и более оперативно реагируют на изменения в дросселе.

Впрыск топлива имеет свои недостатки с точки зрения его повышенной сложности. Ремонт системы впрыска является более дорогостоящим, чем ремонт карбюратора. Тем не менее, система стала отраслевым стандартом подачи топлива, и вряд ли карбюратор когда-нибудь сделает эффектное возвращение в топливную систему автомобиля.

В следующем разделе мы рассмотрим очередной продвинутый уровень в технологии впрыска топлива, известный как прямой впрыск топлива.

7: Прямой впрыск топлива

прямой впрыск топлива в двигательПреимущества: больше мощности, более эффективный расход топлива.

Недостатки: более дорогой в производстве, относительно новая технология.

Прямой впрыск является новой ступенью в усовершенствовании технологии впрыска топлива. Как вы уже могли догадаться из названия, прямой впрыск позволяет системе впрыска топлива пропустить один шаг, что добавляет эффективности двигателю, как следствие мы получаем больше мощности и лучшую экономию топлива.

В двигателе с прямым впрыском топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания, а не во впускной коллектор. Бортовой компьютер двигателя убеждается в том, что топливо сгорает точно в том месте, где необходимо и когда это необходимо, тем самым сокращая излишнюю растрату столь ценного в наше время горючего. Как результат прямой впрыск обеспечивает более компактную смесь топлива и воздуха, которая более эффективно сгорает. В некотором смысле бензиновые моторы с прямым впрыском стали похожи на дизельные двигатели, которые всегда использовали некое подобие прямого впрыска топлива.

Как мы узнали ранее, двигатель с прямым впрыском топлива, по сравнению с двигателем с обычным впрыском, может похвастаться увеличением мощности и уменьшением расхода горючего. Но, как и у всего в этом мире, у данной системы есть свои недостатки. В первую очередь, эта технология очень новая, она пришла на рынок в последнее десятилетие или что-то около того. Все больше и больше компаний используют прямой впрыск в производстве своих автомобилей, но эта система все еще не стала стандартом.

Иногда двигатели с прямым впрыском могут проявлять накопления углеродистых отложений на впускных клапанах, что может вызвать проблемы с надежностью работы системы. Также, некоторые автомобильные настройщики озвучили некоторые затруднения, связанные с модификацией двигателей с прямым впрыском топлива. Несмотря на эти проблемы, сегодня система прямого впрыска топлива является горячей новинкой в автомобильных технологиях. И с течением времени мы ожидаем увидеть использование этой системы в большем количестве автомобильных моделей. По крайней мере, заверения о внедрении системы прямого впрыска в большинство автомобилей модельного ряда Ford, моделей Hyundai,  а также других ожидаемых иномарок, уже получены.

Далее давайте рассмотрим использование алюминиевых блоков цилиндров двигателя, которые пришли на смену старой школе – железным блокам.

6: Алюминиевые блоки цилиндров двигателя, зачем это нужно?улучшения двигателя

Преимущества: легкий вес ведет к большей эффективности и лучшей управляемости.

Недостатки: на высоких температурах могут деформироваться.

В последние несколько лет прослеживается четкая тенденция по снижению веса автомобиля. Каждый автопроизводитель воплощает эту идею по-своему. Компании ищут способы уменьшить вес автомобиля с целью получения более экономичного расхода топлива и лучшей производительности. Еще одним из наиболее доступных и менее затратных способов является замещение железных частей корпуса двигателя на алюминиевые.

На протяжении многих лет железные блоки цилиндров двигателя были промышленным стандартом. Сегодня же в производстве большей части небольших двигателей используется алюминий, однако для больших автомобильных моторов, например, V-8, все еще используются железные блоки. Не секрет, что алюминий весит куда меньше, чем железо – как правило, алюминиевый двигатель весит вдвое меньше, чем железный такого же объема. Это приводит к общему снижению веса автомобиля, что благотворно сказывается на расходе топлива и на управляемости.

Однако алюминиевые блоки все же имеют некоторые недостатки. Как металл, железо гораздо крепче алюминия, который не так устойчив к высоким температурам. Многие ранние двигатели с алюминиевыми блоками цилиндров имели проблемы с деформацией цилиндров, что ставило под сомнение износостойкость самого движка. По большей части эти проблемы были устранены, и теперь алюминий четко заявил о себе, как о металле будущего, который поможет сократить вес автомобиля.

В следующем разделе мы поговорим о том, как распределительные валы устроили революцию в конструкции двигателя.

5: Распределительный вал верхнего расположения

распределительный вал верхнего расположенияПреимущества: более высокая производительность.

Недостатки: повышенная сложность конструкции.

Вы, вероятно, слышали в разговоре о двигателе термин «DOHC» (DualOverheadCamshaft–двойной верхний распределительный вал). Большинство людей признают, что мечтали бы иметь двигатель именно такой конструкции, но что это по своей сути? Этот термин относится к количеству распределительных валов верхнего расположения над каждым цилиндром двигателя.

Распределительные валы являются частью клапанного механизма вашего автомобиля, которые представляют собой систему, контролирующую подачу топлива и воздуха в цилиндры. На протяжении многих десятилетий двигатели были, как правило, оснащены OHV, т. е. с верхним расположением клапанов, эту систему также называли толкателем клапанов. Толкатели приводятся в движение распределительными валами внутри блоков цилиндров двигателя. Такой принцип конструкции придает дополнительный вес двигателю и ограничивает общую скорость.

В новой конструкции распределительных валов верхнего расположения, распредвалы намного меньше и вставляются непосредственно в головку цилиндра, а не в его блок. Преимуществом верхних распределительных валов является то, что они придают впускным и выпускным клапанам больше свободы, т.е. топливо, воздух и выхлопные газы могут двигаться через двигатель более свободно, добавляя мощности.

В то время как многие компании по производству автомобилей давно покончили с эрой толкателей клапанов, DOHC еще их полностью не вытеснил. Chrysler по-прежнему использует толкатели в двигателе Hemi V-8 для генерирования большей мощности; General Motors также использует толкатели в своих высокотехнологичных, современных двигателях V-8.Но уже с 1980-х годов ведущей для двигателей малых объемов стала конструкция распределительных валов верхнего расположения.

Недостатком наличия в вашем двигателе верхних распредвалов является то, что они увеличивают сложность в производстве, что влечет за собой увеличение стоимости. Вполне закономерная тенденция, не правда ли?

Далее мы еще больше узнаем о том, как клапаны влияют на производительность. Речь пойдет о регулируемых фазах газораспределения.

4: Очередное усовершенствование двигателя - регулируемые фазы газораспределениярегулирования фазы газораспределения

Преимущества: экономия топлива, более гибкое распределение мощности.

Недостатки: больше затрат в производстве.

Если вы хоть немного знакомы с двигателями Honda, то вам наверняка знаком и термин VTEC. Люди, которые обладают автомобилями Honda и настраивают свои машины под высокую производительность, часто говорят о какой-то непонятной активации VTEC. Но что же это значит?

VTEC означает регулируемые фазы газораспределения и электронный контроль поднятия клапана, как формы регулируемого газораспределения. Есть моменты, когда двигателю требует большего расхода воздуха, например, во время резкого ускорения, но традиционная конструкция двигателя обычно не предоставляет достаточного объема воздуха, что приводит к снижению производительности. Регулируемые фазы газораспределения означает, что поток воздуха в клапаны и из них, при необходимости может быть замедлен или же наоборот ускорен. Подробнее о системе VTEC, читайте здесь.

Honda далеко не единственная компания, которая предлагает такую систему. Подобной системой обладают автомобили компании Toyota.  Она имеет название VVT-i, что означает регулируемые фазы газораспределения с интеллектом, а BMW имеет систему Valvetronic или VANOS, что означает Variable Nockenwellensteuerung, т.е. регулятор распределительного вала. Несмотря на то, что все они работают по немного разным принципам, задача ими выполняется одна и та же – поставка и распределение больших притоков топлива и воздуха в клапаны на различных скоростях. Это делает двигатель более гибким и позволяет ему предоставлять максимальную производительность в различных условиях. Также, подобная система увеличивает экономию топлива.

На данном этапе автомобилестроения многие двигатели включают в себя регулируемые фазы газораспределения, которые зачастую регулируются бортовым компьютером двигателя. О том, какую революцию в конструкции двигателя произвели бортовые компьютеры, мы поговорим в следующем разделе.

3: Бортовой компьютер двигателя. Прогресс в улучшении систем работы двигателей на лицо

бортовой компьютер двигателяПреимущества: экономия топлива, упрощение и улучшение диагностики проблем.

Недостатки: сложность и стоимость.

Двигатель является невероятно сложным устройством. В его состав входят десятки движущихся частей, в нем (двигателе) одновременно происходит множество различных, сложных процессов. Вот почему все в современном автомобиле регулируется бортовым компьютером, который еще называют блоком управления двигателем, или ECU (EngineControlUnit). Это третье улучшение двигателя, о котором сегодня пойдет речь. Итак, мы выходим на финишную прямую.. но вернемся к теме.

ECU следит за такими процессами, как зажигание, смешивание воздуха и топлива, впрыск топлива, обороты холостого хода, и другими, заставляя все работать по заданной схеме. Он отслеживает, что происходит в двигателе, используя массу датчиков и производя миллионы вычислений каждую секунду, чтобы обеспечить идеальную работу всех систем. Другие электронные системы автомобиля контролируют такие вещи как подушки безопасности, температуру воздуха в салоне, антипробуксовочную систему, антиблокировочную систему тормозов и работу автоматической коробки переключения передач.

С тех пор, как в 1980-х в автомобиль впервые был установлен бортовой компьютер диагностики, автомобили становятся все более компьютеризированными. Этот компьютер отвечает за лампочку «checkengine»на вашей приборной доске. Механик может подключить компьютер к порту OBD (встроенной диагностики) и получить подробное представление о проблемных сторонах вашего автомобиля. Данные OBD не дают полной информации о том, что именно нужно предпринять, но полученные сведения предоставляют понимание об отправной точке в ремонте двигателя.

Помогая двигателю работать более эффективно, бортовой компьютер движка помогает расходовать топливо экономнее и предоставляет полную диагностику проблем в механизме «железного сердца». Но наряду со всеми очевидными плюсами, компьютеры делают двигатель автомобиля куда более сложным, и могут заставить механика попотеть над устранением каких-либо неполадок.

Далее мы узнаем больше о дизельных двигателях, и почему они больше не являются дымными, шумными горелками с низкой мощностью.

2: Чистые дизельные установки. Безнзиновый движок нервно покуривает в сторонечистые дизельные установки

Преимущества: крутящий момент, экономия топлива, чистые выбросы.

Недостатки: низкие обороты, высокая первоначальная стоимость, цена на дизельное топливо.

До сих пор мы очень много говорили о бензиновых двигателях, но что насчет дизельных? Автомобили с дизельными двигателями не являются бестселлерами. Несмотря на превосходную экономию топлива по сравнению с аналогичным бензиновым двигателем, многие люди все еще думают о дизелях как о шумных, закопченных, вонючих и ненадежных двигателях 1970-80-х годов.

Это описание совсем не подходит для современных дизельных двигателей. Современный дизельный двигатель мощный, чистый и очень экономичный. Нынешний дизель использует топливо с низким содержанием серы, а внутренние системы автомобиля помогают очистить топливо от частиц инородных веществ и избыточного загрязнения.

Дизельные моторы, произведенные компаниями Volkswagen, Mercedes-Benz, BMW, Volvo и другими, могут похвастаться такими усовершенствованиями, как турбонаддув, сложные системы впрыска топлива, компьютерное управление. Все эти улучшения в двигателе делают его незаменимым и очень эффективным агрегатом в автомобиле.

Дизельные движки имеют некоторые недостатки, в основном это низкий уровень оборотов и более высокая стоимость дизельного топлива. Но так как многие из них не расходуют больше 6 литров на 100 км по трассе, водителю понадобится покупать топливо гораздо реже нежели его соседу, обладающему бензиновым двигателем внутреннего сгорания в своем авто . И если вам интересно, обладают ли дизельные моторы высокой производительностью, то взгляните на гонки 24 часа Ле-Мана, где гоночные автомобили команды Audi с дизельной силовой установкой, показывают один из лучших результатов.

И наконец, мы добрались до текущего лидера в области «зеленых» автомобилей – гибридный двигатель.

1: Гибридный двигатель. Надежда автомобильного прогресса

гибридный двигательПреимущества: экономия топлива.

Недостатки: высокая начальная стоимость, сложность конструкции.

Сочетание высоких цен на топливо, повышение уровня экологического сознания среди водителей, и повышение правительством норм по расходу топлива и выбросов в окружающую среду заставили автомобильные моторы становиться более «зелеными», чем они когда-либо были. Одним из самых значимых улучшений двигателя, которое служит для повышения эффективности, в последние годы является гибридный двигатель.

Еще десять лет назад гибридный движок был темной лошадкой, но теперь принцип работы гибридной установки известен каждому – электродвигатель работает от литиевого аккумулятора в паре с традиционным бензиновым двигателем для достижения более высокой экономии топлива.

Toyota Prius остается лидером продаж среди гибридных автомобилей во всем мире. Модель может похвастаться 1,8-литровым четырехцилиндровым бензиновым двигателем, который в сочетании с электрическим мотором производит 134 лошадиных силы. На низких скоростях электрический движок действует в одиночку, а это означает, что автомобиль абсолютно не использует бензин. В других случаях он помогает бензиновому двигателю. Благодаря этой гибридной установке, расход топлива автомобиля, как по городу, так и по трассе, составляет не более 4,5 литров на 100 км.

Гибриды, такие как Prius, представляют собой последнюю ступень эволюции в технологии внутреннего сгорания. Тогда как главным преимуществом гибридного двигателя является высокая эффективность расхода топлива, он все же имеет и отрицательную сторону. Гибриды имеют более высокую первоначальную стоимость, чем их негибридные аналоги, а некоторые даже утверждают, что бензин должен стоить куда дороже, чтобы владелец смог окупить все расходы на гибридный автомобиль.

Итак, становится ясно, что в усовершенствовании конструкции двигателя прослеживается явная тенденция к снижению выбросов в окружающую среду и более эффективному расходу топлива. В то время как полностью электрические автомобили становятся все более обыденным явлением, остается предельно ясным тот факт, что двигатель внутреннего сгорания все равно никуда не уйдет. Он просто будет продолжать развиваться и совершенствоваться, чтобы становится все лучше и лучше, как он это делает со времен Ford ModelT.

Рейтинг: 
2

© Все права защищены

Комментарии

анатолий (не проверено)
Самое действенное улучшения технических и экологических параметров поршневых двс,это радикальная смена геометрии самой конструкции блока цилиндров, а...,соответственно камеры сгорания,механики и механизма съёма мощности в целом,что способствует ЕСТЕСТВЕННЫМ путём добиться того,чего добиваются "прилагательным" тюнингом двс,тем самым усложняя и удорожая двс в целом. Могу реально всё ,что мной сказано доказать чисто арифметически и на "совершенной" конструкции такого двс,коей располагаю. [email protected]

Добавить комментарий (появится после одобрения администратора)