Как эволюционировали автомобили и технологии за последние 20 лет

…Пролетело 20 лет. Технические решения в автомобилях, которые в 1997 году казались фантастикой, сегодня стали реальностью. К чему же мы пришли за эти годы прогресса?

Активная безопасность

Двадцать лет назад в кругу украинских автовладельцев шли споры относительно пользы антиблокировочной системы тормозов, которая устанавливалась на дорогие иномарки. Но спецтесты и популярность за рубежом помогли убедить отечественных автолюбителей в пользе этого новшества. Вопросов к противобуксовочной системе, трекшн-контролю и системе стабилизации курсовой устойчивости (ESP – electronic stability programme и аналоги) было меньше.

Изначально многие просто не понимали, как они работают и в чем их польза. И только спустя годы потенциальные покупатели начали чаще отдавать предпочтение ESP, которая, например, сделала заднеприводные автомобили в зимнее время на порядок безо­паснее. По данным западных исследовательских институтов, за период своего существования данная система позволила предотвратить 190 тыс. аварий и спасти 6 тыс. человеческих жизней.

История ESP начинается с 1987 года. Впервые эту систему, разработанную компанией Bosch, установили на Mercedes-Benz S600 в 1995 году. Спустя несколько лет ESP стала обязательной в Mercedes-Benz A-klasse. Случилось это послее опрокидывания машины в ходе «лосинного теста», проведенного в 1997 г. шведским журналистом Робертом Коллином (журнал Teknikens Varld).

За эти два десятилетия со­здано множество модификаций систем стабилизации курсовой устойчивости, аббревиатура которой у ряда автопроизводителей звучит несколько иначе. В целом принцип работы системы такой: с помощью датчиков поворота вокруг вертикальной оси автомобиля, поворота руля, скорости вращения колес, интеллектуальная электроника распознает начало бокового скольжения (сноса или заноса) и для стабилизации  регулирует обороты двигателя и притормаживает одно или несколько колес, чем создает момент противовращения вокруг вертикальной оси машины, т.е. препятствует сносу или заносу. С сентября 2011 г. системой ESP оснащены все новые модели авто в США и Канаде, а с 2014 г. – в Евросоюзе. ESP стала первой системой, которая начала вмешиваться в процесс управления автомобилем.

Основная задача ESP – сохранить устойчивость и управляемость автомобиля при резких маневрах на любой дороге.

Бурное развитие технологий и возможностей электроники позволило вооружить автомобили самыми разными системами: ночного видения; обнаружения пешеходов и транспортных средств; чтения дорожных знаков; контроля за полосой движения и подруливания при выезде со своей полосы движения; аварийного автономного торможения при внезапном появлении на дороге препятствий. Более того, сбылась мечта блондинок – автомобиль научили самостоятельно парковаться.

ДВС

За эти двадцать лет двигатели внутреннего сгорания, пожалуй, совершили такой прорыв, которого не удалось осуществить за предыдущие 50 лет. Развитие электроники, технологий металлообработки и введение экологических норм выбросов токсичных веществ и СО2 в атмосферу (от Евро-0 в 1988 г. до Евро-6 в 2015 г.), безусловно, способствовало технологическому усовершенствованию ДВС. Главным достижением стали бензиновые ДВС, в которых топливо через форсунки впрыскивалось непосредственно в камеру сгорания.

Первый такой мотор в серийном исполнении в 1997 году презентовала компания Mitsubishi – GDI (Gasoline Direct Injection), затем Toyota D-4 и Nissan DI (Direct Input). Но они так и не стали массовыми. Прорыв в этом направлении осуществили  инженеры концерна Volkswagen, спроектировав сначала атмосферный мотор данного типа (FSI), а затем – и наддувные агрегаты (TSI, TFSI) с непосредственным впрыском с большим разнообразием вариантов рабочих объемов – 1.2, 1.4, 1.8, 2.0 л. Причем последние оснащались турбокомпрессорами, а у некоторых моторов был еще и механический нагнетатель, эффективно работающий на малых оборотах.

Главное достоинство агрегатов данного типа в том, что при малых нагрузках они работают в экономичном режиме послойного смесеобразования на сверхобедненных смесях (соотношение топливо/воздух доходит до 1:40, когда у классических ДВС – 1-14,5). Топливо в данных моторах за два такта (впуск-сжатие) подается несколько раз. Последняя порция впрыскивается при приближении поршня к верхней мертвой точке. В результате вокруг свечи зажигания формируется облако обогащенной смеси, которая хорошо горит,  поджигая обедненную топливо-воздушную смесь в остальной части камеры сгорания.

Сегодня моторы с прямым впрыском топлива в камеру сгорания есть практически у всех ведущих автопроизводителей. Более того, некоторые из них (Lexus, Nissan) пошли еще дальше: в их агрегатах теперь по две форсунки на каждый цилиндр – одна подает топливо во впускной тракт, а другая – в цилиндры. Баварские мастера известны в истории моторостроения изобретением бездроссельной системы впуска Valvetronic (2001 г.), в которой за наполнение цилиндров отвечает механизм, регулирующий степень открытия впускных клапанов.

Аналогичную систему, названную Valvematic, в 2007 году презентовала также компания Toyota. Успехов в моторостроении достиг и Mazda. В ее новой линейке бензиновых моторов SkyActiv удалось сжигать топливо без детонации при высокой степени сжатия – 14 (у обычных моторов – до 12).

В дизелях конструкторы за двадцать лет несколько раз совершенствовали систему питания. На смену моторам с предкамерой при­шли однокамерные, где топливо впрыскивается непосредственно в надпоршневое пространство. Традиционные топливные насосы высокого давления (ТНВД) сначала сменили насос-форсунки на каждый цилиндр с приводом от распредвала, а затем настала эра систем питания сommon rail.

В последних есть один ТНВД, который поддерживает высокое давление топлива в общей топливной магистрали, соединенной с форсунками каждого цилиндра. Причем сначала это были обычные электромагнитные форсунки, но потом пьезо­электрические, которые за такты впуск-сжатие могли совершать несколько подач топлива. Это улучшило смесеобразование и, соответственно, эффективность сгорания, позитивно повлияв на экологичность, динамичность и экономичность мотора. Динамика разгона настолько возросла, что современные дизели с легкостью начали соперничать с бензиновыми братьями на спортивных трассах Ле-Мана.

Полный привод

Двадцать лет назад полноприводные трансмиссии были классическими с постоянным полным приводом (жестким, межосевым свободным или самоблокирующимся дифференциалом – например, Torsen) или же с принудительно подключаемым либо с автоматически подключаемым – с вискомуфтой (вязкостные муфты). Но с появлением систем активной безопасности, в частности системы стабилизации курсовой устойчивости (ESP), полноприводные трансмиссии с жесткой механической связью между колесами разных осей оказались не способными работать с ними в паре.

К примеру, ESP в экстремальных ситуациях путем активации отдельных тормозных механизмов управляют  крутящим моментом на разных колесах. Жесткая связь между колесами разных осей не позволяла делать это эффективно с точки зрения формирования у автомобиля момента противовращения вокруг его вертикальной оси. Поэтому от этого недостатка решили избавиться путем внедрения электронно-управляемых межосевых муфт. Вискомуфты отошли на второй план из-за большого запаздывания в срабатывании.

Даже в подразделении Audi в 2010 году отказались от дифференциала Torsen, на смену которому пришел иной механический дифференциал с плоскими зубчатыми колесами, совмещенный с фрикционной муфтой. Самая известная электронно-управляемая муфта – Haldex. Такой тип прижился у многих марок – Audi, Volvo, Volkswagen, Skoda и т.д. Сегодня данная муфта пятого поколения работает в паре с системой стабилизации курсовой устойчивости (ESP) Она также разблокирует трансмиссию при срабатывании антиблокировочной системы тормозов.

Нынче практически все разработчики полноприводных трансмиссий гражданских моделей применяют электронно-управляемые муфты разных конструкций и с разным алгоритмом работы.

У большинства премиум-марок (Audi, BMW, Merсedes) эти муфты действительно обеспечивают постоянный полный привод, передавая часть крутящего момента на переднюю ось, а часть – на заднюю. Причем на два задних колеса на дороге с хорошими сцепными свойствами поступает не 5% крутящего момента, как у более бюджетных авто, а до 60% и более.

Когда сцепные свойства меняются или автомобиль совершает маневр, большая часть крутящего момента перераспределяется так, чтобы обеспечить максимальную тягу и устойчивость на дороге.

Последние веяния в разработке полного привода современных машин – отсутствие фиксированного распределения крутящего момента двигателя между осями. В подобных конструкциях электроника контролирует все факторы, влияющие на перемещение автомобиля в пространстве, и постоянно регулирует передаваемый на каждое колесо момент. Такой интеллектуальный полный привод в паре с активными системами безопасности сделал современные автомобили на порядок надежнее и комфортнее. Управлять подобной машиной легко и удобно.

Пассивная безопасность

Элементы пассивной безо­пасности – это все то, что обеспечивает защиту пассажиров и водителя в момент столкновения автомобиля с другим объектом. Ремни безопасности были, пожалуй, первым средством защиты тех, кто в автомобиле. Наиболее эффективные для гражданских машин трехточечные ремни безо­пасности, как и самые первые подушки безопасности, были запатентованы в начале 50-х годов прошлого столетия. Первопроходцем среди серийных автомобилей с airbag для водителя в 1972 году стал Oldsmobile Toronado.

Но наибольший прогресс в совершенствовании ремней и подушек безопасности наблюдается в последние два десятка  лет.

Ремни безопасности получили преднатяжители – пиротехнические и электромеханические, усаживающие водителя и пассажиров в правильное положение, при котором наиболее эффективно защищают подушки безопасности.

Сами же airbag-и обзавелись несколькими модификациями. Помимо фронтальных вариантов, появились еще и боковые надувные шторки для защиты голов впереди и сзади сидящих, а также  боковые подушки, чтобы уберечь туловище при ударе сбоку. Для защиты ног водителя создан еще один тип подушек с целью уберечь колени. Уже представлены подушки, которые будут раскрываться по центру салона автомобиля, чтобы обезопасить впередисидящих от контакта друг с другом.

Для пассажиров сзади фронтальный airbag вмонтировали в ремень безопасности.
Более того, подушки безопасности разработали для пешеходов, которые при ДТП падают на капот авто. Не забыли и о защите мотоциклистов и велосипедистов. Для водителей этих транспортных средств тоже изобрели airbag.

Повысили уровень пассивной безопасности также благодаря применению в конструкции кузовов сталей повышенной прочности, использованию лазерной сварки, внедрению элементов из композитных материалов. Все это позволило повысить эффективность поглощения ударов деформируемыми зонами спереди и сзади автомобиля.

Коробки передач

Ранее автовладелец мог выбирать лишь между тремя КП – 4-5-ступенчатой механикой, вариатором, а также 3- или 4-ступенчатым классическим автоматом с гидротрансформатором. Кто бы мог подумать, что коробки передач в легковых авто будут иметь девять и даже десять ступеней? Это автоматы, которые разработали инженеры компании ZF и внедрили в моделях премиум-марок Mercedes-Benz, Range Rover, BMW, Jaguar. Еще интереснее оказались коробки передач, в которые, по сути, внедрили по две механические КП (у каждой – свой механизм многодискового сцепления). Это известная линейка роботизированных коробок передач DSG (Direkt Schalt Getrieb) производства Borg-Warner и LUK. Она появилась в начале двухтысячных годов. А сегодня подобные конструкции  с мокрым и сухим сцеплением можно встретить в моторных отсеках Alfa Romeo, Audi (S-Tronic), Ford, Kia, Hyundai, Porsche и др. Эти коробки передач, в отличие от механических, ручных, работают практически без разрыва потока крутящего момента, передаваемого на колеса. В них нет потерь энергии, как в гидротрансформаторе классической АКП. Поэтому данный тип РКП оказался самым динамичным и экономичным.

Светотехника

Минувшие 20 лет были значимыми для развития автомобильного освещения. В этот период конструкторы работали как над лучшей освещенностью дороги, так и над декоративной составляющей автомобильной оптики. Так, в 1998 г. появились галогенные лампы головного света с эффектом ксенона. В 2004 г. на серийном автомобиле (Audi A8 W12) в качестве штатного оборудования появились дневные ходовые огни – светодиодные приборы от Philips. Четырьмя годами позже этот же поставщик укомплектовал другую Audi – модели R8 – полностью светодиодной оптикой. Тогда же эти технологии стали доступными для широкого круга автомобилистов. В продажу поступили первые комплекты ходовых огней Philips LED Daytime lights для самостоятельной установки на любой автомобиль. И настоящий прорыв новые светодиодные технологии совершили год назад, когда потребителю стали доступны LED-лампы головного света для стандартных фар формата Н4.

За двадцать лет фары с механизмом ручной регулировки вверх-вниз превратились в автоматические, адаптивные, подстраивающиеся под конкретные условия движения, дорожный рельеф и т.д. Умные матричные светодиодные фары уже распознают едущее навстречу авто и отключают светодиоды, направленные на него. Так избегают ослепления встречных машин, обеспечивая максимальное освещение дороги.

Приход в светотехнику систем управления лучами света значительно повысит безопасность на ночной дороге.