Нужно отметить, что двигатели внутреннего сгорания не совсем эффективны в полном смысле слова. Они постоянно теряют тепло в системе охлаждения и еще больше через выпускную систему, поэтому бензиновые двигатели с искровым зажиганием никогда не используют более 38% химической энергии, заключенной в топливе для полезной работы, заключающейся в движении автомобиля. Дизели немного лучше, имея максимальную эффективность около 42%. Но некоторые двигатели имеют значительно худшие показатели, связанные с их внутренними «паразитными» потерями. Эти потери обусловлены всасыванием, трением и сопротивлением воздуха и могут быть очень значительными.


Например, так называемые насосные потери происходят потому, что, для того чтобы топливо сгорало, двигатель должен всасывать воздух в достаточно больших количествах, особенно на высоких оборотах и при большой мощности, и затем выталкивать отработавшие газы. На это затрачивается довольно много мощности двигателя, и эта мощность могла бы использоваться для движения автомобиля. Поэтому конструктор автомобиля старается свести эти потери к минимуму, совершенствуя впускную и выпускную системы двигателя для того, чтобы воздух и отработавшие газы проходили легко и с наименьшим сопротивлением. К несчастью, двигатели, сконструированные с каналами, которые обеспечивают легкий проход газов при максимальной мощности, могут оказаться очень неприятными для вождения при низких скоростях, например в дорожных пробках.


Вот почему хорошее поведение при низких скоростях — основной закон соответствия скорости и крутящего момента, другими словами, зависимость от скорости попадания воздуха в камеру сгорания и относительного распределения воздуха, проходящего через широкий впускной канал, скорость воздуха в котором снижается. Таким образом, конструкторы двигателей для легковых автомобилей должны обеспечивать баланс между возможностью двигаться на малых скоростях и эффективной работой на режимах высоких скоростей или выбирать компромисс (итак, еще один компромисс в конструкции), обеспечив возможность изменения размеров и формы впускной системы в соответствии с выходной мощностью. Например, некоторые двигатели с двумя впускными клапанами на цилиндр имеют конструкцию, позволяющую закрывать один из впускных каналов на низких оборотах, открывая его только при необходимости получить достаточно высокую мощность.


В двигателях с искровым зажиганием (бензиновых) насосные потери при низких скоростях увеличиваются при частичном прикрытии дроссельной заслонки. Когда дроссель практически закрыт, поршень во впускном такте не только засасывает воздух, но и уменьшает давление под дроссельной заслонкой, что приводит к тому, что во впускном такте затрачивается дополнительная энергия. Чем ближе дроссельная заслонка к впускному отверстию, тем больше влияние этого эффекта, что приводит к тому, что впускные трубопроводы современных двигателей имеют такую сложную форму с длинными воздуховодами и дроссельной заслонкой, установленной на входе в «расширительную камеру» недалеко от впускных клапанов.


У дизелей нет дроссельных заслонок, поэтому их насосные потери на частичных нагрузках меньше. Это одна из причин (другая — более высокая степень сжатия), почему дизели более эффективные и, следовательно, более экономичные, чем обычные бензиновые двигатели.


Потери на трение также чрезвычайно важны. Основная величина фрикционных потерь обусловлена трением поршневых колец о стенки цилиндра и трением в шатунных подшипниках, где соединяется шатун с шейкой коленчатого вала, а также в коренных подшипниках, с помощью которых коленчатый вал установлен в блоке цилиндров. Неважно, что в этих подшипниках нет контакта металла с металлом, потому что, если это произойдет, двигатель не прослужит долго. Контакт металла с металлом предотвращает тонкая пленка масла, и фрикционные потери обусловлены преодолением вязкости масла, поскольку вращающиеся детали расположены очень близко друг к другу и их относительные скорости могут значительно различаться.


По этой же причине смазка является жизненно необходимой для долговечности поршневых колец и стенок цилиндра. Однако многочисленные эксперименты доказали, что даже при наличии соответствующей смазки фрикционные потери резко увеличиваются при увеличении оборотов двигателя, особенно при достижении порядка 6000 об/мин. Двигатели автомобилей «Формулы-1» и подобные им работают при очень высоких оборотах для достижения максимальной мощности и поэтому страдают от больших потерь на трение, что объясняет их плохую топливную экономичность. При создании двигателей для обычных автомобилей необходимо помнить, что уменьшение числа цилиндров, как правило, приводит к снижению потерь на трение, потому что уменьшается число поршневых колец и число подшипников (хотя они и должны быть большего размера). Например, если сравнивать двигатели одинакового размера и мощности, 4-цилиндровый двигатель всегда будет немного экономичнее, чем 6-цилиндровый. Это одна из причин, почему некоторые конструкторы отдают предпочтение большим 4-цилиндровым двигателям с рабочим объемом порядка 3 литров.


За прошедшие годы была проделана большая работа по снижению внутренних фрикционных потерь. Большинство улучшений связано с применением более совершенных материалов как для изготовления масел, так и сплавов для подшипников и поршневых колец. Лучшие масла сегодня обеспечивают высокую защиту при более низкой вязкости, в то время как подшипники и поршневые кольца изготавливаются более узкими при сохранении необходимой прочности, а площади трущихся поверхностей уменьшаются.


Аэродинамические потери, обусловленные движением воздуха внутри двигателя, отличаются от потерь при движении воздуха во впускном и выпускном трубопроводах и камере сгорания. Например, что происходит с воздухом, находящимся под поршнем, когда тот опускается во время такта впуска? Он поступает в пространство под другими поршнями, которые совершают либо рабочий ход, либо выпуск. При таком перемещении потоки воздуха и его скорости могут быть значительны, кроме того, необходимо принимать во внимание потоки воздуха вокруг быстро вращающегося коленчатого вала. Только за последние 20 лет, или около того, аэродинамические потери стали принимать во внимание при конструировании двигателей, например, стали более серьезно относиться к сглаживанию и увеличению пространства вокруг коленчатого вала, и полученный выигрыш того стоил.


Как я уже говорил ранее, если двигатель выполняет свою задачу эффективно, чем проще, легче и дешевле он будет, тем лучше. Если быть более точным, задача конструктора двигателя — обеспечить необходимые мощность и крутящий момент, в зависимости от спецификации конструкции, за минимальную цену, с максимумом экономичности и минимумом вредных выбросов в атмосферу. Имеются и другие требования, такие, как долговечность или то, что инженеры называют «эластичность», способность к резким ускорениям и неторопливому движению в потоке, когда это необходимо. Все другие особенности, которые не отвечают этим целям, являются потерей времени. Кроме того, современные двигатели полны таинственных и замечательных систем большой сложности, каждая из которых для чего-то нужна. Но для чего?