Современные двигатели и их предки – 140 лет эволюции

Такими моторы были не всегда. Один из самых ценных экспонатов музея Mercedes-Benz в Штутгарте – двигатель, построенный Даймлером и Майбахом в 1884 году.

Он знаменит тем, что является первым в мире транспортным ДВС. До него все моторы, использовавшие цикл Отто, были стационарными и предназначались для привода фабричного технологического оборудования, а этим оснастили… нет – не автомобиль, а первый мотоцикл.

Но мотор и впрямь был маленьким: имел один цилиндр с рабочим объемом лишь 0,264 литра и развивал мощность 0,5 л.с. при 600–700 об/мин. На постройку чего-то более грандиозного в мастерской Даймлера просто не было сил и средств. Тем не менее именно этот агрегат доказал, что ДВС пригоден не только для привода станков на фабриках и заводах, но и как нельзя лучше подходит для оснащения транспортных средств. Вслед за мотоциклетным появились автомобильные двигатели Даймлера и Бенца, а дальше пошло и поехало.

С тех пор много воды утекло. Современные моторы мало похожи на своих предтеч. Необходимость улучшать надежность, увеличивать мощность и одновременно уменьшать потребление топлива вызывала появление в двигателях новых устройств и систем, о которых во времена Даймлера и Бенца даже не догадывались. А когда эти новые устаревали и становились неспособными соответствовать все более ужесточавшимся требованиям к мощности и расходу топлива, их заменяли другими, ранее невиданными. Как шла эволюция и оставила ли она в конструкции нынешних ДВС хоть что-то, что роднит их с предками?

Современные бензиновые двигатели оснащены системой питания с впрыском топлива во впускной коллектор либо прямо внутрь цилиндров. В первых автомобильных моторах смесь воздуха и паров бензина поступала в цилиндры под действием разряжения, создаваемого в результате движения поршня из верхней мертвой точки в нижнюю. Мало того, что между нынешней топливоподачей и той, которая использовалась изначально, дистанция огромного размера, на ней имеется несколько ключевых пунктов, когда устройства, казавшиеся верхом конструкторской мысли, превращались в тормоз технического прогресса и вытеснялись другими – более эффективными.

Первый – изобретение поплавкового карбюратора, ибо существовавшие до него барботажные конструкции, которые тоже именовались карбюраторами, заслуживали этого названия с очень большой натяжкой. А вот поплавковый карбюратор действительно был значимым шагом вперед.

Но чего с ним только не делали, чтобы добиться идеальной эффективности. Придумали для него пусковое устройство, систему холостого хода, главную дозирующую систему, экономайзер, эконостат и ускорительный насос. Стало мало одной смесительной камеры – появились двухкамерные карбюраторы. Максимум, что выжали – восемь камер. Стало мало одного карбюратора – появились сдвоенные. А уж сколько добавилось жиклеров, дополнительных каналов и клапанов, скромно промолчим, потому что, хотя карбюраторы продержались под капотами автомобилей очень долго, ни одно из улучшений так и не отменило их коренные проблемы, связанные с подачей бензина во впускной коллектор под действием одного лишь разряжения за дроссельной заслонкой.

Вот тут и начался этап вытеснения карбюраторов впрыском топлива. Правда, старт этому этапу стал возможным, лишь когда развитие электроники позволило использовать ее для управления системой питания. Но как только это случилось, место карбюраторов занял центральный инжектор (другое название – моновпрыск), внутри которого находилась топливная форсунка, работающая на электромагнитах.

Центральный инжектор не только был похож внешне, но и располагался на впускном коллекторе там же, где прежде находился карбюратор. Такой ход позволял без кардинальной модернизации конструкции двигателя и технологического процесса изготовления его деталей сохранять в производстве старые моторы, прежде оснащавшиеся карбюраторами. И он же оставил у моновпрыска недостатки карбюраторов – неспособность равномерно распределять смесь по отдельным цилиндрам двигателя, а также создание лишнего аэродинамического сопротивления во впускном тракте.

Поэтому век моновпрыска оказался недолог. Наступила эра распределенного впрыска, отличавшегося от карбюратора и центрального впрыска тем, что в нем каждый цилиндр двигателя обслуживался отдельной форсункой. Это устраняло практически все недостатки предшествующих систем топливоподачи, что, как казалось, должно обеспечить распределенному впрыску долгое благополучное существование.

Но не тут-то было. Сегодня мы являемся свидетелями существования не только систем питания с распределенным впрыском, но и систем с прямым впрыском. Разница в том, что в первом случае бензин впрыскивается во впускной коллектор на обратную сторону впускных клапанов, а во втором – непосредственно в цилиндры двигателя.

Такая особенность прямого впрыска, сделавшая бензиновые моторы похожими на дизельные, привела к появлению в системах питания топливных рамп Common Rail, топливных форсунок более сложной конструкции, бензонасосов высокого давления, поршней, имеющих днище со сложной профилированной формой, и других ухищрений. Их вряд ли назовешь достоинствами в сравнении с предшественниками, но ведь все решает эффективность.

Так вот, при одинаковом рабочем объеме двигатели с прямым впрыском мощнее моторов с распределенным впрыском на 10% и экономичней на 20–25%. А это означает, что когда-нибудь распределенному впрыску придется сойти со сцены так же, как до него сошли карбюраторы и моноинжекторы.

Система зажигания

Что горючую смесь в цилиндрах можно поджигать искрой, пробивающей зазор между двумя электродами, размещенными в камере сгорания, во времена Даймлера и Бенца понятия не имели. Смесь воспламеняли с помощью калильной трубки, которую разогревали докрасна от постороннего источника тепла. Чтобы следить за работой горелки, разогревавшей трубку, но не отвлекаться от управления, водителю нужен был помощник – простительно для тянущего за собой целый состав вагонов паровоза, который обслуживал машинист и несколько кочегаров, но не для автомобиля.

Изобретение свечи настолько упростило процедуру зажигания, что бензиновые ДВС быстро превратились в самые массовые на планете источники механической энергии. Позже это смогли оспорить только дизели.

Разумеется, свече для работы потребовалось высоковольтное магнето или катушка зажигания, а также прерыватель и распределитель. Так выстроилась общая схема системы зажигания. И с незначительными модернизациями она просуществовала долго, пока, как и в случае с системой питания, дорогу не перебежала электроника.

Распределитель зажигания, инерционный и вакуумный регуляторы угла опережения зажигания были механическими устройствами. Инерционность механики не позволяла этим устройствам реагировать на изменение условий движения со скоростью электроники. Опять же механика изнашивается, а любой появившийся люфт тут же вносил свою лепту в точность работы узлов.

Электроника тоже не без причуд, но она надежнее, точнее и быстрее. В результате всю механику отправили в отставку, а ее место заняли электронные блоки и другие электронные устройства, а также всевозможные датчики.

Однако конструкция свечи оказалась жизнеспособной. Она изменилась минимально, а технологические улучшения за все время существования свечей были направлены не столько на модернизацию конструкции, сколько на увеличение надежности и безотказности.

Вот только одно но: из искры пламя возгорелось через почти два десятилетия после появления первого двигателя Даймлера и, увы, через два года после того, как Даймлера не стало. Поэтому если свеча и роднит современные моторы с предками, то, скорее, уже со вторым их поколением, но никак не с самым первым.

И это же можно сказать о газораспределительном механизме, а также системах смазки и охлаждения. Понимание того, что для управления потоками газов нужен распредвал с профилированными кулачками и что он должен находиться не в блоке, а на головке цилиндров, что клапанов может быть не два, а больше, что фазы газораспределения нужно изменять в зависимости от режимов работы мотора, пришло позднее.

И что масло в подшипники коленвала и распредвала надо подавать под давлением, что для правильного охлаждения требуется не один, а как минимум два круга циркуляции жидкости, термостат и радиатор, тоже поняли не сразу.

Каким ты был, таким остался

Но все-таки сохранился в конструкции современных двигателей механизм, одного взгляда на который достаточно, чтобы твердо сказать: да, они прямые потомки силовых агрегатов, с которых все началось.

А начало всех начал заключается в том, что любые ДВС предназначены преобразовывать тепловую энергию сгоревшего топлива в механическую. Отвечает за такое преобразование кривошипно-шатунный механизм, который воспринимает давление продуктов сгорания топлива и превращает его из возвратно-поступательного движения поршня во вращение коленвала. Благодаря основополагающей роли КШМ самый консервативный из всего, что составляет двигатель.

Многие одноцилиндровые мотоциклетные моторы до сих пор не ушли далеко от конструкции КШМ, которая использовалась в двигателе Даймлера. Через 5 лет после своего первого мотора Даймлер построил двухцилиндровый V-образный двигатель с развалом цилиндров в 17 град. От него ведут родословную все многоцилиндровые моторы, отличаясь друг от друга только количеством цилиндров и их расположением в ряд или V-образно.

В конструкции КШМ происходили изменения, но невооруженному глазу они малозаметны. Цилиндрическая форма поршней была заменена на овально-бочкообразную, на поршень стали наносить покрытия: антифрикционное – на юбку и термоизоляционное – на днище. Менялось количество поршневых колец, а функционально их разделили на компрессионные и маслосъемные.

Для коленвала, шатуна и поршневого пальца стали применять все более высокопрочные материалы, попутно уменьшая вес и размеры этих деталей. Вкладышам из баббита, которые когда-то казались революционными, пришлось со временем уступить место в подшипниках коленвала многослойным вкладышам.

В общем, работа шла, но на конструкцию и кинематику КШМ она никак не влияла. Это позволяет считать КШМ носителем генетической памяти, элементом, который пережил процесс эволюции двигателей, оставшись практически неизменным.