История развития двигателя внутреннего сгорания [ТОП 10 улучшений]

Как развивалась конструкция автомобильного двигателя

1. Четырехтактный цикл двигателя
2. Нагнетатель наддува и турбонаддув
3. Впрыск топлива
4. Непосредственный впрыск топлива (прямой впрыск)
5. Алюминиевые блоки цилиндров двигателя
6. Распределительный вал верхнего расположения («OHC» (over head cam) или «Cam-in-Head»)
7. Изменяемые фазы газораспределения
8. Электронный блок управления двигателем (ЭБУ)
9. Дизельные моторы без вреда экологии
10. Гибридный силовая установка

Ford Model T стал первым доступным автомобилем, благодаря снижению себестоимости модели за счет конвейерной сборки. А знаете, какой движок стоял в модели? В оригинальном Model T, выпущенном в 1908 году, стоял 2,9-литровый четырехцилиндровый двигатель, мощностью всего 22 лошадиные силы. Крошечная мощность для мотора такого размера. Зато он точно превосходил «железное сердце» самого первого автомобиля– 1885 Benz Patent-Motorwagen. В Benz Patent-Motorwagen стоял однопоршневый двигатель мощностью 2/3 одной лошадиной силы.

С самого начала автомобилестроения механизм двигателя внутреннего сгорания улучшался. С развитием технологий движки стали мощнее, тише, чище, экономичней. В этом состав редакции Zap-Online.ru смог убедиться, попутешествовав по заводу автомобилей Maserati и увидев сборку моделей GranTurismo.
Автоинженеры не прекращают работу над улучшением движков внутреннего сгорания и пророчат им еще долгое будущее.
В статье расскажем о 10 из самых крупных и значительных прорывах и улучшениях автомобильных двигателей с момента изобретения. Узнаем, как развивался механизм работы двигателя внутреннего сгорания и как к его механической части подключили электронику. Узнаем, с чего все начиналось, и куда движется.

1: Четырехтактный цикл двигателя

Преимущества над двухтактниками: экономичный расход топлива, благоприятней для окружающей среды.

Недостатки: сложный, дорогой в производстве.

Двигатель с одним поршнем 1885 Benz Patent-Motorwagen был еще и двухтактным, как и все движки на заре их появления. Тактом, если вы не в курсе, называют одно движение поршня в двигателе.

Четыре такта стали одним из первых прорывов в улучшении работы двигателя внутреннего сгорания в конце XIX века. В четырехтактном движке бензин сгорает за четыре шага: впуск, сжатие, сгорание и выхлоп. Все четыре шага происходят за два хода поршня вверх/вниз. Подробнее здесь.
Двухтактные двигатели выполняют ту же задачу – сжигание топлива для создания механического движения – но делают это в два шага. Двухтактники применяют до сих пор. Их ставят в газонокосилки, кроссовые мотоциклы, большие промышленные двигатели. Их плюс в небольших размерах, большей мощности на литр рабочего объема, простоте и низкой цене ремонта.
С появлением четырехтактника снизился расход топлива, увеличилась мощность, крутящий момент, срок службы автомобильного мотора, выхлопные газы стали чище. Но в сравнении с двухтактными моторами, четырехтактники сложнее и дороже в сборке и ремонте. В их работе необходимы клапана для впуска воздуха и выпуска отработанных газов.
При своих недостатках четырехтактники стали отраслевым стандартом для автомобилей. За время эволюции четырехтактника почти ничего не поменялось, кроме работы клапанов. О клапанах поговорим позже.
А пока очередь подошла к наддуву и его пути из авиации в мир автомобилей.

2: Нагнетатель наддува и турбонаддув

Преимущества: увеличивает мощность мотора без увеличения его объема.

Недостатки: расход топлива, турбо яма.

Для работы автомобильному мотору необходимы три вещи: зажигание, топливо, воздух. Чем больше воздуха втиснем в цилиндр, тем большую мощность, генерируемую поршнями, получим на выходе. Тут на сцену выходит «его Величество наддув».

В двигателе с нагнетателем наддува, воздух в камеру сгорания нагнетается при более высоком давлении, чем в обычном движке, создавая высокую степень сжатия воздуха. На выходе это дает больше мощности при каждом такте.
Системы принудительной индукции (наддува) широко использовались в авиационных моторах задолго до того, как их начали применять в автомобильных двигателях 1960-х годов. Наддув особенно полезен для движков маленького объема, так как генерирует много дополнительной мощности без увеличения размера двигателя и расхода.
Хорошим пример – турбированный автомобиль Mini Cooper S. Объем двигателя у модели всего 1,6 литра, однако выдаваемая мощность – 200 лошадиных сил. Volkswagen имеет в своем патронаже 1,4 Turbo двигатель мощностью 150 л.с. Высокопроизводительные автомобили типа Porsche 911 Turbo или Corvette ZR-1 также используют наддув для увеличения мощности и без того объемных двигателей.
Существует множество видов наддува, но основных два – нагнетатель наддува и турбонаддув. Различия в цене и источнике питания. Нагнетатель наддува раскручивается ремнем от вращения двигателя. Турбонаддув питается от кинетической энергии вырабатываемой выхлопными газами при движении через турбину.

Недостатки

Движки с нагнетателями наддува, часто нуждаются в бензине премиум-класса. Стоит также сказать о турбо задержке или «турбо яме», явлении, при котором при резком нажатии на педаль газа машина ускоряется с запозданием в пару секунд. Причина в запоздалой реакции наддува на резкое открытие дроссельной заслонки. За последние 5 лет инженерам удалось победить оба недостатка.
С трендом на снижение расхода топлива и ужесточением норм выбросов в окружающую среду, многие автопроизводители ставят в свои автомобили скромные по объему движки с турбокомпрессорами, вместо прожорливых моторов.

Подробней о работе турбокомпрессора тут.
А теперь разберемся, почему карбюраторы стали артефактом благодаря прямому впрыску топлива.

3: Впрыск топлива

Преимущества над карбюратором: лучшая приемистость, экономный расход топлива, больше мощности, легкий запуск двигателя.

Недостатки: сложнее в настройке, потенциально дорогостоящий ремонт.

На заре создания двигателя методом смешивания топлива и воздуха, с последующим впрыском 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 заменил впрыск топлива – сложная и эффективная система смешивания воздуха и горючего. Топливные форсунки распыляют топливо в коллекторе воздухозаборника, где оно смешивается с воздухом, превращаясь в мелкий туман. Управляет впрыском топлива бортовой компьютер двигателя. Смесь воздуха и топлива через клапаны вводиться в камеру сгорания каждого цилиндра во время такта впуска.
Почему же впрыск топлива пришел на смену карбюратору, чем улучшил работу двигателя в автомобиле? Двигатель с компьютерным управлением впрыска топлива проще запустить, особенно в морозные деньки. Карбюратор при низких температурах запускал двигатель хуже. Двигатели с впрыском топлива эффективней и более оперативно реагируют на изменения в дросселе.

Недостатки

Впрыск топлива технически сложней карбюратора. Ремонт системы впрыска дороже, чем ремонт карбюратора. Тем не менее, система стала отраслевым стандартом подачи топлива, поэтому карбюратор ушел в историю и вряд ли вернется в топливную систему автомобиля будущего.
Следующий шаг в развитии топливной системы – непосредственный впрыск топлива.

4: Непосредственный впрыск топлива (прямой впрыск)

Преимущества: больше мощности, более эффективный расход топлива.

Недостатки: более дорогой в производстве, относительно новая технология.

Непосредственный впрыск – новая ступень в усовершенствовании технологии впрыска топлива. Прямой впрыск сокращает путь попадания топлива в цилиндр, что увеличивает мощность и улучшает экономию топлива.

В двигателе с непосредственным впрыском топливо впрыскивается напрямую в камеру сгорания, а не во впускной коллектор, исключая пустую растрату горючего по пути из коллектора в цилиндр. Электронный блок управления двигателем дает команду на впрыск в цилиндр ровно столько топлива сколько тому нужно. Топливная смесь при прямом впрыске получается лучше, поэтому сгорает эффективней. В некотором смысле бензиновые моторы с непосредственным впрыском стали похожи на дизельные двигатели, в которых всегда использовали некое подобие прямого впрыска топлива. Пример эффективного применения технологии заключен в 2,0-литровом двигателе Audi TFSI.

Недостатки:

• технология относительно нова, ей не больше 20 лет;
• иногда двигатели с прямым впрыском страдают от накоплений углеродистых отложений на впускных клапанах, что может вызвать проблемы с надежностью работы топливной системы.

Перейдем к обсуждению алюминиевых блоков цилиндров двигателя, которые пришли на смену старой школе – железным блокам.

5: Алюминиевые блоки цилиндров двигателя

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

Недостатки: на высоких температурах могут деформироваться.

С 2000 года прослеживается четкое желание автопроизводителей снизить расход топлива и улучшить управляемость автомобилей за счет снижения веса автомобиля. Каждый автопроизводитель воплощает эту идею по-своему, кто-то облегчает кузов, кто-то ставит легкосплавные диски, кто-то отказывается от дополнительных опций. В автомобили ставят карбоновые детали, заменяют стальные запасные части алюминиевыми.

На протяжении многих лет чугунные блоки цилиндров двигателя были промышленным стандартом. Сегодня же в большей части небольших двигателей, кроме больших движков типа V-8,ставят алюминиевые блоки. Удельная масса алюминия (2850 кг/м3) в 2,7 раза меньше удельной массы чугуна. Поэтому весит мотор с алюминиевым блоком куда меньше, чем с чугунным. Плюс у алюминия лучше теплоотдача.

Недостатки

Как металл, чугун 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 устранены, и теперь на алюминий ложиться основная надежда по снижению веса автомобиля.
Теперь поговорим, как распределительные валы устроили революцию в конструкции двигателя.

6: Распределительный вал верхнего расположения («OHC» (over head cam) или «Cam-in-Head»)

Преимущества: более высокая производительность.

Недостатки: сложность конструкции.

Пройдемся по аббревиатурам. OHV – двигатели с распределительным валом расположенным внизу двигателя, в машинном блоке и регулирующим подачу топлива и воздуха через толкатели. «SOHC» или Single Over Head Camshaft – двигатели с единственным верхним распредвалом расположенным в головке блока цилиндров. «DOHC» или Dual Overhead Camshaft – двигатели с двумя верхними распределительными валами расположенными в головке блока цилиндров. Два распредвала ставится для эффективной работы двигателя на низких и высоких оборотах.

Распределительные валы – часть клапанного механизма автомобиля, контролирующая подачу топлива и воздуха в цилиндры через клапаны. Раньше в двигателях распредвал стоял в блоке цилиндров, то есть внизу, а клапана в головке цилиндров, то есть вверху. Обозначалась такая система OHV или Over Head Valve. Распредвал и клапана взаимодействовали через толкатели. Такой принцип конструкции увеличивает вес двигателя и был малоэффективен на высоких оборотах – из-за сложной конструкции распредвалы с задержкой открывали и закрывали клапаны, плохо чувствуя фазу газораспределения.
В новой конструкции распределительных валов верхнего расположения, распредвалы намного меньше и вставляются непосредственно в головку цилиндра, а не в его блок расположенный внизу. Преимущество верхних распределительных валов в том, что они точнее управляют клапанами за счет отсутствия между распределительным валом и клапанами толкателей. Это благоприятно отражается на высоких оборотах. С OHC в каждый цилиндр можно поставить три или четыре клапана.
Верхние распределительные валы еще полностью не вытеснил OHV. Chrysler по-прежнему использует толкатели в двигателе Hemi V-8 для генерирования большей мощности на низких оборотах. General Motors также использует толкатели в некоторых двигателях V-8. Но с 1980-х годов лидирующей для двигателей малых объемов стала конструкция распределительных валов верхнего расположения.

Недостатки

Недостаток системы верхних распредвалов в крупной и более сложной конструкции, с дополнительными ременными или цепными передачами.
Далее узнаем, как клапаны влияют на производительность изменяя фазы газораспределения.

7: Изменяемые фазы газораспределения

Преимущества: экономия топлива, более гибкое распределение мощности.

Недостатки: больше затрат в производстве.

О системе изменяемых фаз газораспределения объясним на примере системы VTEC в автомобилях Honda.

Система VTEC устанавливается в двигатели внутреннего сгорания и регулирует фазы газораспределения за счет электронного контроля за поднятием клапанов. Есть моменты, когда двигателю требуется больше расхода воздуха, например, во время резкого ускорения. Традиционная конструкция двигателя не сможет по сигналу впустить в цилиндр больший объема воздуха, так как работа клапанов в обычных движках усреднена. Они поднимаются и опускаются с одной и той же усредненной частотой на одну и ту же высоту. В результате машина не ускориться так эффективно, как хотелось бы. Изменяя фазы газораспределения можно увеличить поток воздуха в цилиндр за счет замедления или ускорения работы клапанов. Умный компьютер сам поймет, что впускной клапан нужно открыть и закрыть чуть медленнее, чтобы впустить побольше воздуха. Подробнее о системе VTEC, читайте здесь.
В Toyota подобная система называется VVT-i, что означает изменяемые фазы газораспределения с интеллектом. В BMW – Valvetronic или VANOS (Variable Nockenwellensteuerung), т.е. регулируемый распределительный вал. Перечисленные системы работают по немного разным принципам, но задачу выполняют одну – регулируют количество поступления воздуха в цилиндр и выпуск выхлопных газов. Умное газораспределение делает двигатель более гибким, производительным на низких и высоких оборотах, улучшает экономию топлива.
Фазы газораспределения регулируются бортовым компьютером двигателя. О том, какую революцию в конструкции двигателя произвели бортовые компьютеры автомобиля, поговорим в следующем разделе.

8: Электронный блок управления двигателем (ЭБУ)

Преимущества: экономия топлива, упрощение и улучшение диагностики поломок.

Недостатки: сложность и стоимость.

Двигатель сложный технический механизм. В нем десятки движущихся частей, куча сложных процессов. Приобщение к механической части двигателя электронных систем улучшило его производительность, снизило расход топлива. Но электронные системы не были бы так эффективны, если бы не регулировались электронным блоком управления (ЭБУ), который еще называют блоком управления двигателем, или ECU (Engine Control Unit).

Электронный блок следит за зажиганием, смешиванием воздуха и топлива, впрыском топлива, оборотами холостого хода. Все контролируемые им процессы работают по заданной схеме, все процессы отслеживаются, устранимые ошибки устраняются, о неустранимых подаются сигналы знаком Check Engine. Электронный блок отслеживает, что происходит в двигателе, используя массу датчиков и производя миллионы вычислений каждую секунду, чтобы обеспечить идеальную работу всех систем.

ЭБУ также контролируют системы не относящиеся к работе двигателя:

• подушки безопасности;
• температуру воздуха в салоне;
• антипробуксовочную систему;
• антиблокировочную систему тормозов;
• работу автоматической коробки переключения передач.

Благодаря ЭБУ через порт OBD (встроенной диагностики) можно подключиться к автомобилю и компьютер подскажет код ошибки указывающий на поломку в машине. Данные полученные через порт OBD не дают полной информации о том, что и как нужно чинить. Зато полученные сведения дадут отправную точку механику для дальнейшего поиска причины поломки.
Электронный блок управления двигателем помогает движку расходовать топливо эффективнее и вовремя сигнализировать о поломках внутри «железного сердца». Но наряду со всеми очевидными плюсами, компьютеры делают двигатель автомобиля куда более сложным, и могут заставить механика попотеть над ремонтом.
Далее узнаем больше о дизельных двигателях, и почему они больше не дымные, шумные горелки с низкой мощностью.

9: Дизельные моторы без вреда экологии

Преимущества: крутящий момент, экономия топлива, чистые выбросы.

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

Дизельные двигатели больше не шумные и не засоряют природу. Современный дизельный двигатель мощный, чистый, тихий и очень экономичный. Он использует топливо с низким содержанием серы, а фильтрующие элементы автомобиля помогают очистить топливо от частиц инородных веществ и избыточного загрязнения.

10: Гибридный силовая установка – надежда автомобильного прогресса

Преимущества: экономия топлива.

Недостатки: высокая начальная стоимость, сложность конструкции.

Высокие цены на топливо, ужесточение норм выбросов в окружающую среду, повышение налогов на моторы большого объема заставили автомобили «озеленяться». Так появились гибридные силовые установки.
Еще десять лет назад гибридная силовая установка была темной лошадкой. Сейчас принцип работы гибридной установки известен каждому – электродвигатель работает от литиевого аккумулятора в паре с традиционным бензиновым двигателем.
Toyota Prius – лидер продаж среди гибридных автомобилей во всем мире. Модель с 1,8-литровым четырехцилиндровым бензиновым двигателем в сочетании с электрическим мотором выдает 134 лошадиные силы. На низких скоростях электрический движок крутит колеса за счет электроэнергии литий-ионного аккумулятора. При увеличении скорости включается бензиновый движок. При резком ускорении электробатарея поможет бензиновому двигателю дополнительной мощностью. Благодаря гибридной установке, расход топлива автомобиля, как по городу, так и по трассе, составляет не более 4,5 литров на 100 км.
Недостатки
Недостаток гибридных автомобилей в их цене. Гибридная модель будет стоить дороже, чем такая же негибридная. Цена за Lexus RX 450h в базовой комплектации стартует от 6 346 000 ₽, тогда как у RX 350 AWD цена начинается от 5 615 000 ₽. Бензин должен стоить куда дороже, чтобы владелец смог окупить стоимость гибридного автомобиля.
Выводы
В прогрессе развития конструкции двигателя прослеживается явная тенденция к снижению выбросов в окружающую среду и более эффективному расходу топлива. В то время как электрические автомобили становятся все более обыденным явлением, предельно ясно, что двигатель внутреннего сгорания никуда не уйдет. Он просто будет продолжать развиваться, чтобы становится все лучше и лучше, как он это делает со времен Ford Model T.