0,5 литра — максимум!

400−500 кубических сантиметров — именно такой рабочий объём одного цилиндра двигателя считается оптимальным. И с точки зрения материалоёмкости мотора, и с точки зрения оптимальности термодинамических процессов. Но к такому решению конструкторы пришли относительно недавно.

Период проб и ошибок

Принято считать, что первый в мире автомобиль с бензиновым двигателем построил немец Карл Бенц в 1885 году. И хотя до него австриец Зигфрид Маркус уже строил самобеглые повозки, оснащённые бензиновым ДВС, но первый аппарат Маркуса был предельно несовершенным, а второй появился позже автомобиля Бенца. Так вот, официально признанный первым автомобиль имел четырёхтактный одноцилиндровый двигатель рабочим объёмом чуть менее одного литра. Реальная мощность этого двигателя составляла 0,9 л.с. при 400 об/мин. И при массе 265 кг эта коляска с мотором разгонялась до 16 км/ч.

Как только автомобили стали походить на что-то приемлемое для осуществления транспортной функции, то сразу выяснилось, что имеющиеся моторы очень слабы для этой самой функции. А увеличивать объём цилиндра можно только до определённого предела, за которым конструкция оказывалась предельно циклопической, совсем разбалансированной с точки зрения термодинамики и малопригодной для практического применения. Тем не менее, до 5 литров таки дошли. А когда освоили технологию литья и производства многоцилиндровых моторов, то появились монстры с рабочим объёмом за 20 литров. Отличались они запредельным расходом топлива, огромной массой и малыми оборотами. Двигатель самого знаменитого гоночного автомобиля нулевых годов XX века, немецкого Blitzen Benz, хоть и развивал 200 л.с., но не раскручивался свыше 1600 об/мин. И предназначался он только для участия в гонках, а именно — для установления рекорда скорости. И он его установил, развив 23 апреля 1911 года скорость 228,1 км/ч.

Ни для каких иных целей, кроме гоночных, использовать этот аппарат и этот двигатель было решительно невозможно. Хотя бы потому, что вибрации, вызываемые огромными массами циклопических поршней и шатунов, превышали все возможные пределы.

И вот тут началось самое интересное. Нужно было радикально уменьшать размеры мотора, но при этом не терять в мощности и иметь более-менее приемлемый расход топлива. Выход из этой ситуации был известен ещё со времён Исаака Ньютона: мощность — есть произведение крутящего момента на обороты. Вывод — нужно увеличивать обороты. Но массивные поршни и шатуны своей инерционностью этому всячески препятствовали, а далеко не самые скоротечные и крайне неоптимальные термодинамические процессы в 5-литровом цилиндре только подливали масло в этот безвыходный огонь. Следующий вывод — нужно уменьшать рабочий объём цилиндра и увеличивать их количество.

Технологи очень быстро научились делать заготовки для многоцилиндровых блоков цилиндров и длинные коленчатые валы, которые не совсем сразу разваливались от высокого уровня крутильных колебаний. И уже в 1930-е годы всё более-менее устаканилось. Объём одного цилиндра — не больше литра (а лучше — чуть меньше) при отдаче 10−15 л.с. при 3000−4000 об/мин, и степени сжатия около 6. Можно, конечно увеличивать эту самую степень сжатия, но здесь сдерживающим фактором являлась возможность промышленности по выпуску высокооктановых бензинов. Хочется помощнее мотор — увеличивай количество цилиндров. И это количество дошло аж до 16-ти.

Гоночные моторы, правда, выдавали «на гора» значительно больше мощности при бОльших оборотах. Достигалось это уменьшением инерционности движущихся деталей двигателя: применялись многоклапанные головки блоков цилиндров с расположенными в них распредвалами, вместо тяжёлых чугунных поршней внедрялись алюминиевые и так далее. То есть — довоенные гоночные моторы очень походили на то, что появится на массовых автомобилях только в 1970-х. Но сорока годами раньше все эти нововведения были или очень дороги, или имели крайне малый ресурс. Что для гонок, впрочем, было не особо значимым недостатком.

Обретение стабильности

Но ещё до войны инженеры поняли, что наполнение цилиндров путём засасывания поршнем воздуха и подачи такого количества бензина, которое полностью может сгореть в этом воздухе — путь тупиковый с точки зрения повышения отдачи мотора. И начали применять сначала компрессорный наддув, а потом и турбонаддув. Но опять только для гонок. Ибо получалось как обычно — очень дорого и недолговечно.

На послевоенное время пришёлся очередной виток эволюции двигателей. Можно сказать, что те самые спортивные наработки 20−30-х годов начали проникать в массовое производство на волне внедрения новых технологий конструкционных материалов. Но принципиально мало что изменилось — сдерживающий фактор в виде невозможности повышать отдачу одного цилиндра никуда не делся. Массовые моторы постепенно стали обретать тот облик, который стал привычным к концу XX века. А именно: 20−30 л.с. с одного цилиндра при 5500−6000 об/мин и степени сжатия в районе 10. А сам объём одного цилиндра стремительно «убегал» в рамки 300−500 куб. см и только изредка выходил за них.

Вы спросите — почему именно такие рамки? Ответ частично уже дан немного выше, а именно — в таком объёме достигается наилучшее и самое оптимальное соотношение массы и размеров деталей мотора и тяговой эффективности вкупе с минимальным расходом топлива. И снова: хочешь больше мощности — увеличивай количество цилиндров. Что и было реализовано, например, в Америке. Где уже в 1960-х никого не интересовал рабочий объём мотора и мощность, а ограничивались лишь «мерянием» количеством цилиндров.

И вот к началу 1990-х годов конструкторская мысль окончательно остановилась, так как дальше развиваться уже было некуда. Оптимальный и продающийся на рынке за приемлемую для всех цену 4-цилиндровый мотор имел объём от полутора до двух литров и отдачу от 90 до 150 л.с. при 6000 об/мин. С редкими исключениями в виде моторов 2.7 л типа ЗМЗ-409 или Toyota 3RZ-FE.

Но если так называемый прогресс не развивается сам, то его нужно подстегнуть, иначе — крах самой идеи капиталистического общества, где постоянный прогресс — главная социальная добродетель после прибыли. Сначала пытались давить на экологию, а потом пошли дальше — типа, нужно радикально снижать выбросы «парникового» углекислого газа, для чего необходим ещё меньший расход топлива.

Современная технологическая и конструкторская мысль тяжело вздохнула и достала с дальней полки забытый было турбонаддув. Ведь сам принцип использования «дармовой» энергии выхлопных газов для подачи в цилиндры большего количества воздуха был известен давно. Ну и до кучи начали ещё тщательнее «оптимизировать» все остальные элементы двигателя. Вот так появились «облегчённые» Т-образные поршни, которые были уже не в состоянии «держать» масляную плёнку на стенках цилиндров, прецизионные и нежные форсунки, распыляющие топливо практически на отдельные атомы, малоинерционные турбины с регулируемыми крыльчатками, управляемые термостаты, задирающие рабочую температуру двигателя, безгильзовые «одноразовые» блоки и так далее. Радикально уменьшился рабочий объём и количество цилиндров, вплоть до 2-х у ФИАТа и 3-х у БМВ. И радикально же повысились нагрузки на все элементы этих новомодных моторов.

Всё это хозяйство, как изначально хотели, ещё больше снизило расход топлива, но относительно нормально оно работает только при равномерном и размеренном движении по трассе. Как только появляется рваный «пробочный» режим — всё, туши свет и мирись с запредельным расходом масла, закоксовыванием колец и быстрым умиранием мотора на радость маркетологам и их хозяевам из трансконтинентальных корпораций.

Но самое главное, что дальше «развиваться» уже некуда. Современный ДВС, сжигающий углеводороды, достиг предела совершенства. И как бы ни старались разного рода «зелёные» или другие структуры подтолкнуть «прогресс» дальше, ничего у них не получится. Но это уже совсем другая история, которая может начаться уже очень скоро.