Технологическая революция

За последние десять лет автомобили стали намного технологичнее. В них внедрили не один десяток инновационных решений, а лидеры автопрома даже осмелились управлять колесами и тормозами «по проводам». В каких же направлениях был сделан наибольший прорыв?

За последние десять лет автомобили стали намного технологичнее. В них внедрили не один десяток инновационных решений, а лидеры автопрома даже осмелились управлять колесами и тормозами «по проводам». В каких же направлениях был сделан наибольший прорыв?

Системы питания

Самую большую сенсацию в системах питания произвели бензиновые моторы с непосредственным впрыском топлива в цилиндры. Первый – GDI от Mitsubishi – появился в 1997 году.

Благодаря высокому давлению впрыска (до 200 бар), подаче топлива двумя порциями и специальной геометрии днища поршня удалось получить послойное смесеобразование в цилиндрах для обеспечения работы на сверхобедненных смесях (соотношение воздуха и топлива здесь составляет 40:1, а у обычных моторов нормальная пропорция – 14,7:1). В результате двигатель с непосредственным впрыском на 20% экономичнее, на 20% экологически чище и на 10% мощнее обычного. Затем почти 10 лет понадобилось инженерам, чтобы вооружить непосредственный впрыск наддувом и сохранить при этом послойное смесеобразование (VW – FSI, TFSI, TSI). Сегодня технологию непосредственного впрыска используют многие автопроизводители, в частности Mercedes, BMW, Toyota, VW.

Огромный прорыв сделали и конструкторы дизельных моторов и их систем питания. Создание насос-форсунок, а затем электронно управляемых форсунок – электромеханических и пьезоэлектрических – позволило повысить давление впрыска топлива до 1500–2100 бар, что улучшило качество смесеобразования и точность дозирования порций. Более того, электроника позволила подавать топливо несколькими порциями в течение одного такта. Эти ноу-хау сделали дизель еще экономичнее, экологически чище, тише и, что особенно важно, динамичнее.

Круговой контроль

После того как электронику научили самостоятельно управлять двигателем и тормозной системой (при необходимости), автомобильные инженеры решили заставить ее работать в паре с круиз-контролем. В результате в начале этого столетия в серийных машинах появился адаптивный круиз-контроль (adaptive cruise control – АСС, automatic distance control systems – АDС, Distronic), который способен не только автоматически поддерживать заданную водителем скорость движения, но и дистанцию, и даже тормозить перед препятствием.

Для этого интеллектуальную электронику современного автомобиля вооружили микроволновым датчиком-радаром, излучающим волны миллиметрового диапазона, с большой дальностью действия – несколько сотен метров (например, у Audi Q7 она составляет 180 м), но меньшим углом охвата – несколько градусов.

Послав сигнал, датчик-радар ждет ответа. Когда электронные волны находят в опасной близости препятствие, многократно отразившись от него и вернувшись назад, электроника приходит к выводу о том, что скорость необходимо снизить. При этом система самостоятельно уменьшает обороты двигателя. При увеличении дистанции до препятствия или его исчезновении электроника восстанавливает заданный скоростной режим. Если же расстояние до помехи продолжает сокращаться, АСС предупреждает водителя с помощью светового и звукового сигналов о том, что требуется активизировать тормозную систему. Нередко водителя информирует преднатяжитель ремней – он подергивается, или же вибрирует руль. Если за этим не следует никакой реакции, электроника провоцирует короткое торможение, чтобы «встряхнуть» зазевавшегося водителя.

Уже созданы и «всевидящие» системы кругового обзора. Для обеспечения 360-градусной видимости используются цифровые камеры, радары и лазерные датчики. Передаваемая ими на бортовой компьютер информация обрабатывается и анализируется в реальном времени, что позволяет контролировать обстановку. Если же водитель попытается совершить нежелательный маневр, то получит предупреждение об опасности – специальный звуковой сигнал.

Современной электронике под силу и контроль полосы движения (правда, лишь на дорогах с хорошо видимой разметкой). Работают такие системы на основании показаний цифровых видеокамер, контролирующих разметку. Если дорога «уходит» или водитель непроизвольно немного поворачивает руль, система сразу же подает предупредительные сигналы. Создатели Honda Accord и Legend (2006 модельного года) вооружили свои машины еще более эффективным помощником – системой LKAS (lane keeping assist sytem – помощь при движении по полосе), которая способна не только следить за дорожной разметкой, но и корректировать траекторию движения.

Электронные помощники

Настоящий прорыв в области активной безопасности произошел после усовершенствования противобуксовочной и антиблокировочной (ABS) систем. С помощью современной электроники, новых датчиков контроля движения и специального программного обеспечения специалисты сделали их более интеллектуальными, вооружив автономными механизмами управления тормозами каждого из колес. Так родились на свет системы экстренного торможения, электронный имитатор блокировки колесного дифференциала, а самое главное – система стабилизации движения. У различных производителей последняя называется по-разному: ESP (Electronic Stability Programm) – электронная программа стабилизации, DSC (Dynamic Stability Control) – система динамической стабилизации, DSTС (Dynamic Stability and Traction Control) – система динамической стабилизации и управления тягой, VSC (Vehicle Stability Control) – контроль устойчивости автомобиля, VDC (Vehicle Dynamics Control) – система контроля динамики автомобиля и др. Однако задачу они решают одну – стремятся удержать машину на заданной траектории движения, когда водитель теряет над ней контроль. Рассмотрим один простой пример (см. схему). Когда на большой скорости осуществляется быстрый объезд препятствия справа (так называемая «переставка»), из-за возникновения боковых сил возможно начало заноса машины с последующим ее разворотом вокруг своей оси. ESP исключает такое развитие событий путем создания момента противовращения (Мesp) вокруг вертикальной оси автомобиля, для чего активизирует тормозной механизм правого переднего колеса. По возвращении на свою полосу движения не исключено такое же поведение машины, но уже с заносом в другую сторону. В этом случае ESP создает момент противовращения, притормаживая левое переднее колесо.

Нанотехнологии

В том, что при создании автомобиля используются самые современные технологии, не сомневается никто. Автопроизводителям пришлись по вкусу даже нанотехнологии – направление по разработке материалов и устройств, в которых используются закономерности физических и химических систем размерами в несколько нанометров (нанометр – 0,000000001 м; для сравнения, толщина человеческого волоса – 25–80 тыс. нанометров).

Также стала решаемой проблема управления пропусканием тепла и света автостеклами. На зеркала, стекла и щиток приборов наносят покрытия, самозатемняющиеся при увеличении освещенности.

На основе нанотехнологий разработаны гидрофобные, самоочищающиеся покрытия, а также улучшающие стойкость лакокрасочных материалов. Компания Mercedes-Benz с 2003 года использует специальный лак с микроскопическими керамическими частицами (см. рис.), который защищает кузов автомобиля от царапин в три раза эффективнее, чем обычный. Другое направление – создание красок «хамелеон», изменяющих цвет в зависимости от величины подведенного напряжения – водитель может «перекрасить» автомобиль… из салона.

Экология дизеля

Оглашенное в 90-х годах решение о введении с 2005 года экологических норм Евро 4, и с 2008 года – Евро 5 заставило разработчиков дизельных систем питания задуматься и о реконструкции системы выпуска отработавших газов. В результате в ней появились сажевый фильтр и каталитический нейтрализатор.

Сажевые фильтры при засорении либо меняются (через 100–150 тыс. км), либо чистятся путем сжигания в них сажи. Керамический или металлокерамический рабочий элемент фильтра чаще всего имеет особую конструкцию, которая обеспечивает равномерное накапливание сажи на всех поверхностях, сохраняя пропускную способность фильтра почти неизменной. Режим «сжигания» сажи активизируется блоком управления двигателем после получения от специальных датчиков в системе выхлопа информации о заполнении фильтра. Особенность режима сгорания состоит в том, что в цилиндры на повторное сжигание подается большее количество отработавших газов, впрыскивается больше топлива и снижается подача свежего воздуха. Это значительно увеличивает температуру выхлопа, чем и обеспечивается выгорание сажи.

Светотехника

В светотехнике автомобиля за 10 лет произошло несколько революций. Во-первых, созданы газоразрядные лампы и начато их массовое использование в фарах головного света (общераспространенное название «ксенон») вместо ламп накаливания. При включении газоразрядные лампы излучают яркий белый или голубой свет. Световой поток формирует не раскаленная вольфрамовая нить, а дуговой разряд в колбе, которая заполнена газом ксеноном (от которого и произошло название фар). Ксеноновые лампы имеют массу преимуществ: они долговечны, не боятся вибраций, а излучаемая ими энергия света в несколько раз выше, чем у ламп накаливания. Мало того, их спектр лучше воспринимается человеческим глазом, они обеспечивают более качественное освещение и уменьшают утомляемость водителя во время ночных поездок и повышают безопасность на дороге.

Другой прорыв в автопроме сделали разработчики светодиодных технологий, создав эти источники света для применения не только в самых разных фонарях автомобиля, но и в фарах. Автопроизводители отдали им предпочтение за ряд улучшенных характеристик: высокую скорость срабатывания (на 2-3 миллисекунды раньше, чем у ламп накаливания), малые габаритные размеры, меньшее энергопотребление (в 5 раз) и большой срок службы. Светодиоды можно объединять в группы и включать их в требуемых комбинациях, что дает возможность реализовать самые причудливые фантазии дизайнеров относительно формы приборов освещения, а также получить фары с мгновенным изменением мощности светового пучка в широких пределах за счет включения их нужного количества. Уже сейчас светодиоды по мощности светового потока сопоставимы с ксеноновыми лампами и значительно превосходят галогенные источники света. Большую роль в повышении безопасности при ночных поездках сыграло изобретение адаптивных (поворотных) фар головного освещения. Они изменяют направление светового потока для улучшения видимости на криволинейных траекториях движения, а также способны подсвечивать обочину при маневрировании в городе.

Этот тип фар нельзя назвать абсолютной новинкой: они существовали еще в 20-х годах прошлого столетия на Citroёn DS-21 (1967–1975 гг.) и SM (1970–1975 гг.). Современные системы стали электронными, и теперь они учитывают не только угол поворота рулевого колеса, но и вносят поправку на скорость движения автомобиля. Например, в «опелевской» системе AFL (Adaptive Forward Lighting – технология управляемого переднего освещения) электронный блок на основании показаний датчиков поворота рулевого колеса и скорости движения управляет одним из модулей ксеноновой оптики (левым или правым). Регулирование направления светового потока осуществляется только при включенном дальнем свете. При маневрировании на малых скоростях (до 50 км/час), как только водитель включает указатель поворота, загорается лампа боковой подсветки, освещающая участок сбоку от дороги на расстоянии около 30 м. Дальний и ближний свет формируются в одном оптическом элементе при помощи подвижной шторки, изменяющей конфигурацию светового потока. Все это улучшает видимость дороги в повороте, позволяя заблаговременно рассмотреть возможные препятствия, которые ранее находились в неосвещенной зоне.

Night Vision

Еще несколько лет назад мало кто мог предположить, что в автомобили внедрят такую военную технологию, как система ночного видения. И тем не менее это так. Первое упоминание о системе, адаптированной под автомобиль, датировано 1998 годом – ею вооружили американский Саdіllас Dе Villе. Далее некоторое время никто об этой системе не вспоминал, и только в 2005 году о ней во всеуслышание заговорили уже в Европе.

Сегодня в автомобилестроении используются два типа систем ночного видения (Night Vision), которые отличаются принципом действия. Первый тип – пассивные системы (Саdіllас Dе Villе), оснащенные тепловизорами – устройствами, улавливающими инфракрасное излучение. Каждый предмет, если его температура выше абсолютного нуля (–273°С), является его источником. Улавливая тепловые лучи, система преобразует их в картинку. И чем выше температура предметов, тем ярче они выглядят на экране, «холодные» же предметы более темные. Из-за этой особенности пассивные системы могут «ослепляться», так как лампы накаливания встречных машин являются мощным источником теплового излучения.

Второй тип Night Vision (Bosch, Valeo) относится к так называемым активным системам. Принцип работы здесь несколько иной: система подсвечивает невидимыми для человеческого глаза инфракрасными лучами объекты, а специальная видеокамера фиксирует их отражение. Активная система по сравнению с пассивной не только детальнее «читает» пространство, но и более качественно распознает «холодные» предметы – указательные столбы, дорожные знаки, потерянный груз, стоящие автомобили и даже дорожную разметку. Данная версия Night Vision обеспечивает видимость ночью на расстоянии до 150 м (ближний свет хорошо освещает только часть дороги и обочины на расстоянии 40 м) и при этом не слепит водителей встречных машин. Активные системы Night Vision уже устанавливаются на нынешнее поколение Mercedes-Benz S-класса.

Коробка передач

Чем плохи классические механические и автоматические трансмиссии? Многим. Например, временными задержками при переключении ступеней и потерями на гидравлическое трение. На устранение этих недостатков автопроизводители не поскупились, выделив немалые средства. Первой сенсационной ласточкой в конце 90-х годов прошлого столетия стал бесступенчатый автомат «в лице» вариатора Multitronic для трансмиссии Audi А6 с двигателем 2,8 л V6. Его главная конструктивная особенность – металлический ремень, а точнее цепь с «толкающими» звездочками, которая способна передавать огромный крутящий момент – 280 Нм и более. Напомним, ранее вариаторы могли передавать лишь до 150 Нм, который выдавали моторы небольшого объема. Благодаря отсутствию ступеней Audi А6 с Multitronic по экономичности и динамике выиграла и у «механики», и у классического «автомата».

А после того как в начале нынешнего столетия родились шести- и семиступенчатые «автоматы» с гидротрансформатором, Volkswagen AG презентовал революционную механическую коробку передач Direct Shift Gearbox (DSG), представляющую собой объединенные в одно целое две механические КП. Управляет DSG вручную водитель, но с активным участием электроники и сервоприводов. Основные особенности этой коробки – наличие пяти валов, образующих с шестернями два контура передачи крутящего момента, и необычный алгоритм включения передач, в котором участвуют два механизма сцепления. Благодаря новой конструкции и схеме работы (две передачи могут быть задействованы параллельно, а момент на колеса передается только через ту, где включено сцепление) удалось заметно снизить время переключения. Вот почему такие КП устанавливают на «заряженные» версии автомобилей (Golf R32 и Audi TT 3,2, мощность 250 л. с.), где на интенсивность разгона существенно влияют задержки при переходе на другую ступень коробки передач.

Юрий Дацык
Фото фирм-производителей