Ноу-хау, открытые и забытые в автомобилестроении. Забавы инженеров

Рядное или V-образное расположение цилиндров; четыре традиционных такта; подушки безопасности, запрограмированно сминаемые зоны и клетки салона из высокопрочных сталей; «баранки» рулей и реечные механизмы; ГРМ с его валами, фазовращателями и приводами. Ныне конструкция автомобиля, всех его систем, узлов и агрегатов, что называется, устоялась. А ведь были времена, когда очевидное сейчас представлялось вовсе не бесспорным — инженеры компаний и отдельные энтузиасты шли параллельными путями, часто изобретая то, что никогда не попадет на конвейер, по крайней мере, автосборочный. Либо будет использоваться ограниченно. Рассмотрим интересные автомобильные идеи прошлого, не обойдя, впрочем, и настоящего.

Хессельман, поджигай!

Хассельман — это шведский инженер, сконструировавший рядную «шестерку», у которой присутствовал ТНВД, форсунки и свечи зажигания и которая могла питаться тяжелыми нефтепродуктами вроде мазута и солярки. Пускался мотор на бензине, после прогрева переходил на «густое» горючее. Оно было дешевле бензина, а преимущество перед дизелем заключалось в том, что при искровом воспламенении топлива отсутствовала необходимость в тяжелом и громоздком блоке цилиндров.

Гибридный двигатель Хессельмана выпускался с конца 20-х до второй половины 40-х и устанавливался на грузовики Scania-Vabis (в центре) и Volvo. Считается, что по экономичности этот R6 был лучше бензиновых моторов и хуже дизелей — отличался неполным сгоранием топлива и «грязным» выхлопом, что его в итоге и сгубило

Хоть по кругу, хоть звездой

Вообще кто сказал, что поршни двигателя обязательно должны располагаться в ряд, в два либо напротив друг друга? Еще до получения V8 и V12 инженеры от авиации сконструировали так называемую «звезду» — двигатель с радиальным расположением цилиндров. А обретение V-образных блоков цилиндров дало возможность компоновать их, соединяя и получая замысловатые конструкции. Правда, сразу было понятно, что использование их на автомобилях как минимум ограничено. Как максимум вообще невозможно.

Нам известен лишь один случай, когда бы звездообразный или радиальный двигатель, изобретенный в 1903 году, пытались пристроить под капотом серийного автомобиля. В начале 30-х над этим работал Фердинанд Порше. В итоге проект вылился в постройку и серийное производство «Жуков». Были эксперименты и с гоночными болидами. Но больше, кажется, он интересовал и интересует кастомайзеров — создателей штучных мотоциклов. И правда, при соответствующей эстетической обработке «звезда» не менее красива, чем традиционный автомобильный блок и двигатель. К тому же при сопоставимом объеме она в полтора-два раза легче и компактнее по длине. Однако ширина, точнее, диаметр! Даже на самолетах она портила аэродинамику. А как «звезду» можно было воткнуть в моторный отсек привычных пропорций и габаритов?

В 30-х годах опять же в авиации догадались соединять в один двигатель два оппозитных блока, располагая их один над другим и получая так называемый H-образный мотор. Да, он был широк и высок, зато компактен по длине. Так, с длиной блока в четыре цилиндра получался 16-цилиндровый агрегат. Рабочие объемы были под стать — до 100 литров и более.

Слева авиационный 24-цилиндровый агрегат, в центре — автомобильный, 16-цилиндровый, применявшийся в сезоне 1966-67 гг. Формулы 1 в команде BRM на болиде P83 (справа). Будучи трехлитровым, с 32-мя клапанами он развивал 395 сил, с 64-мя — 420. Определял высокий центр тяжести и был сложен по механике. Надо было синхронизировать работу двух коленвалов и распредвалов в каждой из четырех головок блока. Пару раз 4-цилиндровыми Н-«образниками» пытались оснащать мотоциклы. Дальше опытных экземпляров дело не пошло…

Х-образные двигатели — составленные из двух V-образных блоков, работавших на один коленвал — до автомобилей не добрались. Есть информация, что в 20-х годах еще до изобретения своего V8 Flathead в Ford экспериментировали с подобным мотором. А Honda в 60-х для болида Формулы 1 строила Х32, состоявший из двух «восьмерок».

Слева авиационный Х24 времен Второй мировой войны. Такие применялись на некоторых тяжелых бомбардировщиках. Справа перспективный дизель Челябинского тракторного завода, сконструированный для основного боевого танка: 12 цилиндров, объем более 34 л., мощность до 1800 сил. Компактность по длине при таком количестве цилиндров, определяющем приличный рабочий объем, дала право использовать подобную схему на бронетехнике. В автомобилях это ни к чему

Эксперименты с цилиндрами — не самое благодарное занятие. В начале века на это решались в надежде вывести некую лучшую, чем имеющиеся, формулу ДВС. Позже — иногда от бедноты.

Слева двухтактный дизель Junkers Jumo 205 с 6-ю цилиндрами, двумя коленвалами, связанными пакетом шестерен, и 12-ю поршнями, двигавшимися навстречу друг другу. Впервые такой агрегат в самом начале века построил русский инженер Корейво. Тот, что на снимке, использовался на немецких летающих лодках и бомбардировщиках времен Второй мировой. В центре так называемый U-образный мотор — фактически две рядных «четверки» с объединенным картером и двумя коленвалами, связанными цепью или шестернями. На Bugatti Type 45 20-х годов его использовали, видимо, по причине невозможности получить нормальный V-образный агрегат. То же самое сделали в 70-х на Matra-Simca Bagheera (справа) — наверное, не было средств. В обоих случаях дело ограничилось опытными экземплярами

И все-таки уже в наше время неожиданное развитие получил, пожалуй, самый необычный из существующих поршневых моторов — аксиальный. В нем поршни расположены по кругу, а шатуны (или, точнее, некое подобие привычных деталей) связаны с шайбовым либо кулачковым механизмом. Поступательное движение поршней с помощью этого шарнирного устройства преобразовывается во вращательное выходного вала. На кадрах видно, как это все работает.

Первые аксиальные двигатели появились еще в 10-х годах прошлого века. Потом за счет цилиндрической формы их использовали (и, кстати, до сих пор используют) на торпедах. До 2013 года речи о применении на транспортных средствах не шло. Тогда новозеландская компания Duke Engines представила современный и гражданский аксиальный мотор.

Новозеландский агрегат имеет 5 цилиндров (считается, что как раз при нечетном их количестве обеспечивается ровная работа), 3 форсунки и 3 свечи зажигания. ГРМ как такового нет — впуск и выпуск осуществляется по двухтактному, через окна в стенке цилиндра, хотя сам мотор четырехтактный. Объем не называется, известно лишь, что на один оборот выходного вала приходится рабочих ходов поршней столько же, сколько у привычной «шестерки». Заявлены, впрочем, и некоторые другие характеристики. Размеры агрегата 641х370х375 мм, весит он 106 кг, имеет степень сжатия 15:1 и отдачу в 184 л. с. и 328 Нм. Момент, если говорить в пересчете на габариты и массу, внушителен. Конструкторы определяют мотор как авиационный и лодочный, однако в прессе уже появлялась информация о том, что им, хотя бы теоретически, заинтересовались некие автопроизводители. Во всяком случае, звук у аксиального двигателя настоящий, дэвээсный, автомобильный, а вибрации близки к нулю — смотрите видео. Среди других плюсов меньшая температурная нагруженность, поскольку отсутствуют сильно подверженные нагреву выпускные клапаны. Вопросы остаются к экологичности этого мотора и к ресурсу узла, соединяющего шатуны с выходным валом

Без поршней, но с лопастями

Можно и так, вспомним хотя бы Ванкеля и инженеров Mazda, которые, несмотря на общий скепсис и неудачные опыты других производителей, довели роторный (конечно, роторно-поршневой, но где вы видели там поршни в привычном понимании) двигатель до работоспособного состояния. Вот еще одна конструкция, далекая от традиционных представлений о ДВС.

Теоретическое обоснование роторно-лопастного было получено еще в начале XX века. Первый же условно рабочий образец построили в 70-х годах в СССР. С тех пор вся разработка лежала исключительно в области гипотетических заявлений. Так, команда Ё-Авто обещала оснащать будущие Ё-мобили подобными моторами. В итоге все прототипы комплектовались обычными ДВС. Тому есть объяснения. Например, лопасти попарно сидят на соосных один в другом валах, что само по себе сложно по технологическому исполнению. Мощность надо снимать с них обоих, что также проблематично. Помимо этого, валы движутся импульсно, поскольку лопасти в ходе рабочих тактов то разгоняются, то замедляются. Наверняка подобная установка еще и сильно нагружена вибрациями. Во всех отношениях, если такое сравнение уместно, аксиальный двигатель лучше, технологичнее роторно-лопастного.

Долой валы

Если уж иные инженеры отказываются от поршней с шатунами, то почему этого нельзя сделать с распредвалами? Между прочим, BMW, Nissan, Peugeot и Toyota на части моторов уже перешли на бездроссельное управление подачей топлива, а Fiat даже пошел дальше. У концерна есть двигатели, где при одном выпускном вале впускные клапаны работают за счет гидроцилиндров. Но шведы из Koenigsegg и партнерской компании FreeValve заглянули дальше. Их агрегат распределительных валов не имеет.

Практическим продвижением своей идеи шведские конструкторы занимаются с начала нынешнего столетия. В свое время были изготовлены опытный одноцилиндровый двигатель и полностью пневматическое управление толкателями клапанов. С тех пор к воздуху добавили гидравлическую составляющую, мощное программное обеспечение и подготовили основание для адаптации этих актуаторов к чуть ли не любому серийному двигателю.

Отказ от распредвалов, связанных с коленвалом — заманчивая перспектива. Без этой жесткой сцепки фазы можно будет менять когда и как угодно. Двигатель лишь при соответствующей коррекции «софта» сможет работать по различным циклам — Отто, Аткинсона, Миллера. По обещаниям конструкторов, он станет мощнее, экономичнее, экологичнее. Это не говоря уже о том, что сверху при отсутствии валов и привычных толкателей мотор будет компактнее. Интересно, что агрегатоносителем для первого ходового прототипа двигателя стал SAAB 9-5 (внизу справа) — конструкторы рассматривали возможность установки своей системы на модели этого производителя. SAAB разорился, но продолжение пришло из Китая — совсем недавно подобный мотор представили под торговой маркой Qoros. Правда, о заинтересованности других производителей пока ничего не слышно

Сжимать по-разному

У двигателей без распредвалов, при условии, что за это возьмутся крупные автопроизводители, наверняка есть будущее. Перспективы же следующей разработки туманны. Речь об изменении степени сжатия. С конца 90-х до 2010 года было представлено несколько двигателей с Variable Compression — системой, так или иначе меняющей степень сжатия. Больше вариантов показали в виде теоретических выкладок и 3D-моделирования. Лучших результатов добился SAAB, а теперь Nissan.

У шведов с помощью специального привода приподнималась головка и верхняя часть блока. Вообще вариаций была масса — от небольшой поршневой группы, расположенной в головке и приводимой от распредвала, до сложных рычажных механизмов между шатунами и коленвалом или двойной постели последнего. И все это для того, чтобы, изменив степень сжатия в пределах 7:1-14:1, оптимизировать давление в камере сгорания при разных режимах работы двигателя. Тот же SAAB при объеме в 1,6 л обещал 225 сил и 305 Нм. Без наддува! Плюс сокращение на треть расхода топлива и вредных выбросов. Стоят ли такие, безусловно, выдающиеся показатели подобного усложнения конструкции мотора? В Nissan, похоже, считают, что да

Уродцы на страже

Думаете, переживать о безопасности сидящих внутри и находящихся снаружи автомобиля начали только вчера? Первые попытки сберечь здоровье и жизнь водителю, пассажирам и пешеходам делались еще почти полвека назад. Вот только устройства и системы, как порой и сами агрегатоносители, сильно напоминали плоды работы писателей-фантастов.
Судя по всему, первым был 5,6-метровый седан New York, созданный авиационной компанией Republic aviation по заказу американского Комитета по безопасности дорожного движения. Ну как был… Скорее всего, речь шла лишь о макете и то не в полную величину. Тем не менее с точки зрения комплекса мер по защите его проработали от и до. Правда, с учетом своего появления в конце 60-х он здорово напоминал технофантазии Азимова или Гамильтона. Дело даже не в том, что водитель и все пассажиры при закрытых дверях сидели, будто в коконе из мягких панелей. Иные идеи даже сейчас можно считать чересчур смелыми, а другие уже тогда были на грани абсурда.

Republic aviation New York точно стал первым автомобилем, где реализовали принцип поглощения энергии удара. Бамперы сидели на гидроамортизаторах. Передний, помимо этого, при 60 км/ч выдвигался на 300 мм, а в случае столкновения якобы еще и сдвигался вбок, меняя вектор воздействия силы. Как это работало бы, не понятно. Система пожаротушения в багажнике, в котором располагался бак, глухая перегородка, отделявшая его от салона, и клапаны, предотвращающие утечку бензина при аварии — явный перебор и намек на то, что разработчики насмотрелись голливудских боевиков, где любое ДТП заканчивается взрывом. Крышку багажника, распахивающуюся в сторону дороги, наверное, понять можно — видать, статистика по наездам сзади имелась. Трехсекционное лобовое стекло с максимальной зоной очистки — вряд ли. А вот «перископ» (видите «плавник» на крыше?) с широкоугольной оптикой, заменивший зеркала заднего вида и транслирующий картинку на комбинацию приборов — натуральная блажь. Усугубленная «светофором» (расположенным там же), который цветом сигналов (красным, желтым, зеленым) сообщал, тормозит ли автомобиль, движется ли накатом или со стабильной скоростью

В 70-х авиаконструкторы еще немного поигрались в безопасность, построив несколько полноразмерных ходовых прототипов, после чего разбили их о бетонные блоки.

Ходовые прототипы именовались уже ESV, по названию программы — Experimental Safety Vehicle. От каких-то рудиментов их избавили, однако бамперы «на гидравлике» и камера заднего вида на крыше остались

Камеру для вида назад, кстати, после этого в дело пытались пристроить не раз. Правда, таких акульих плавников больше не городили. Зато над энергопоглощающими бамперами поизголялись вдоволь.

Это изобретение американца Джона Ричи. В начале 70-х в виниловый короб, сверху для эстетики обтянутый металлом, он догадался заключать емкости, наполненные несколькими десятками литров воды. При ударе жидкость выбивала заглушки сосудов и, выходя фонтаном наружу, «расплескивала» энергию удара, что на незначительных скоростях спасало кузов от повреждений. В нескольких городах США изобретением заинтересовались автобусные и таксопарки. Но на конвейеры производителей водяные бамперы не попали

Как минимум две компании в тех же 70-х продолжали экспериментировать с безопасными автомобилями, отвечая посылу американской программы ESV.

Вверху концепт Toyota, внизу три прототипа Mercedes. Все получили трехточечные ремни и подушки безопасности. Toyota, помимо этого, еще и нечто подобное радару, который приводил подушки в состояние, готовое к срабатыванию. Сейчас airbag`и выстреливают за счет датчиков ускорения. Главное же, производители после этих экспериментов отказались от столь уродливых бамперов, которые единственные отвечали за пассивную безопасность, спасая не пассажиров — автомобиль, и только при минимальных скоростях

Существовала еще одна «система безопасности», на сей раз активной, появившаяся сразу после Второй мировой войны.

Два ракетных ускорителя (бустера) устанавливали сначала на Willys, потом один с двумя соплами имплантировали под капот легковой модели. Активация устройства обеспечивала интенсивное замедление (обратите внимание на ремень безопасности на водителе джипа — для 40-х годов тоже своего рода ноу-хау), при котором тормозной путь оказывался вдвое меньшим, чем со штатной системой. Не удивительно — помимо реактивного действия эти бустеры обеспечивали лучший прижим колес к дороге. Отмечалось также более стабильное поведение автомобиля на скользких покрытиях. К тому же на легковушке сопла были связаны с рулем и должны были помогать в тех же сложных дорожных условиях. Но как, как себе все это представляли изобретатели в реальной эксплуатации? Не проще было бы сразу придумать ABS и многопоршневые суппорты?

Чисто на пальцах и конкретно по проводам

Рулевое управление не из тех атрибутов автомобиля, у которых допустимы или хотя бы возможны революционные изменения. ГУР, ЭУР, различные рулевые механизмы не в счет — эволюция. «Баранка» да жесткая через вал механическая связь ее с колесами — вот то, что, кажется, навсегда должно остаться неизменным. Тем не менее были в истории автомобилестроения компании-отщепенцы, считавшие, что эти традиционные вещи не более чем пережиток прошлого.

Где фордовцы, представившие свой Wrist Twist Steering (в переводе «управление одним запястьем») на Mercury Park Lane в 1965 году, подсмотрели идею? В ламповых приемниках тех лет с их громоздкими, но стильными верньерами? А на кого был рассчитан сей мудреный, с цепным приводом, механизм? Как продемонстрировано на видео ниже — исключительно на дамочек. Конечно, вращать «баранку» нужно, налегая на нее плечом, а здесь «виляй» изящной ручкой — и автомобиль едет туда, куда надо. Благо, что в этом деле помогал электрогидронасос

Электроусилитель впоследствии занял свое законное место в технической начинке автомобиля. Но о Wrist Twist забыли столь же неожиданно, как придумали, и больше к ней не возвращались. И все же руль, как ключевой орган управления, многим не давал покоя. Его считали рудиментом автомобиля будущего и в 50-х годах, и в наше время.

В 50-х — начале 60-х Ford представил как минимум три концепта, у которых отсутствовал привычный руль. Сверху вниз, слева направо: FX-Atmos, Seattle-lte XXI и La Galaxie. Первые два прототипа имели вместо «баранки» джойстики, последний — нечто напоминающее штурвал. Никакого технического обоснования, как это все должно было работать, не предполагалось. Сами концепт-кары представляли собой не более чем мечту дизайнеров-инженеров о том, какими будут автомобили в конце XX или в XXI веке. Шутка ли, у них, как тогда заявлялось, обязательно уже появится ядерный двигатель. Кстати, атомная энергетика, во всяком случае до легкового транспорта, так и не добралась

Перечислять все проекты автомобилей на «палке» вместо руля нет смысла — иные производители периодически баловались этой утопической идеей. Но уже в наше время она получила не просто теоретическое — практическое обоснование и воплощение.

Mercedes с джойстиками во второй половине 90-х. Тогда появился концепт F200 Imagination (вверху и слева), у которого отсутствовал не только руль, но и педали. Разгон и торможение осуществлялось движением джойстика вперед-назад, поворот — вправо-влево. В салоне располагалось два органа управления, так что водитель, не выходя из салона, мог передавать свои обязанности пассажиру. Хотя основное ноу-хау заключалось в другом — между джойстиками и рулевым редуктором отсутствовала какая бы то ни было механическая связь. Все управление осуществлялось по проводам, с помощью передаваемых сигналов. Тогда же и получило название — Drive-by-Wire. За несколько лет Mercedes выпустил еще два аналогичных концепта — VRC (его интерьер в центре) и на базе SL-Klasse (справа)

Идею «альтернативных» органов управления не забросили в нынешнем веке.

Так, в 2002 году GM представил концепт Hy-Wire (вверху и слева). Его штурвал, как следует из названия, связанный с колесами опять же по проводам, играл роль педалей газа и тормоза. Эти же функции были возложены на джойстик прототипа Rinspeed UC, представленного в 2010-м

Аналоги руля, во всяком случае при нынешней транспортной системе, вряд ли приживутся. Но «драйв по проводам», похоже, имеет будущее. Один производитель — Infiniti на седане Q50 — его применяет. Правда, при отказе электроники на рулевом валу, который оставлен, замыкается муфта и механическая связь восстанавливается.

В режиме пылесоса

Несмотря на серьезную конкуренцию, различные ноу-хау в автоспорте, предлагаемые отдельными личностями, командами, — редкость. Из-за строгих ограничений, действующих во всех гоночных сериях, техническая конфигурация машин одинакова. За выскочками строго следят техрегламент и соперники. Тем не менее в среде спортивных инженеров нет-нет да и появляются любопытные, даже прорывные идеи. Давайте же вспомним хотя бы одну.

Граунд-эффект — разрежение под днищем автомобиля, обеспечивающее ему лучшую прижимную силу — известен давно. Но долгое время его достигали исключительно аэродинамическими элементами, а в 1970-м в заокеанском чемпионате Can-Am появился забавный автомобильчик Chaparral 2J.

Шевролетовская «восьмерка», кузов, похожий на слегка обкромсанную обувную коробку — самое интересное у Chaparral 2J (фото сверху) находилось сзади. Там располагался двухтактный 45-сильный двигатель от снегохода, приводивший два вентилятора, отсасывавших воздух из-под днища. В 1978 году это изобретение использовала команда Формулы 1 Brabham. Одна из версий болида BT46 имела единственный большой вентилятор, приводившийся через редуктор от двигателя. Эффект был потрясающий — более высокая скорость в поворотах и на прямиках за счет отказа от части аэродинамического оборудования, увеличивавшего прижимную силу и одновременно сопротивление воздуху. Кроме того, по мокрому машины ехали как по сухому. И если прекращение выступлений Chaparral 2J было отчасти связано с отказами системы, то с Brabham BT46 все однозначно — запретили, для чего постарались конкуренты