E-Type, или Электронный автомобиль

Архив

Налицо консерватизм и даже здоровый скептицизм, который, вероятно, и имел в виду Генри Форд. Да и сами создатели новых средств передвижения не удосужились придумать им оригинальные названия: Бенц называл свою трехколесную коляску просто велосипедом, а Даймлер свой "мотоцикл", представлявший собой двухколесную конструкцию с ДВС, - моторным велосипедом. Двигатель внутреннего сгорания (а ведь были и внешнего!) с механическим приводом клапанов, система питания с карбюратором, трансмиссия с дифференциалом, водяная система охлаждения, тормозная система, рама и кузов (или несущий кузов), электрооборудование, включающее в себя электрическое зажигание и т. п. - все это появилось уже на заре автомобилестроения. Даже такая мелочь (хоть и незаменимая), как ручной тормоз, имела свой прообраз на самых ранних моделях автомобилей в виде так называемого горного упора. Автомобильная отрасль на протяжении 114 лет (с 29 января 1886 года, когда Карл Бенц получил патент .37435 на "Велосипед") лишь постепенно совершенствовала однажды найденную схему, хотя, безусловно, на этом пути были и еще будут свои небольшие революции. Первое значимое усовершенствование внес в 1893 году сотрудник Даймлера Вильгельм Майбах, пульверизационный карбюратор которого значительно улучшил характеристики двигателей того времени. Приблизительно тогда же Рудольф Дизель изобрел двигатель с воспламенением смеси топлива и воздуха от сжатия. И пошло-поехало: пневматические шины Мишлена, "классическая компоновка" Эмиля Левассора, несущий кузов и независимая подвеска "Лянчи-Ламбды", передний привод, автоматические коробки передач и т. д. Продолжать можно бесконечно, и все равно, как ни старайся, всех замечательных усовершенствований конструкции автомобиля не упомнишь. К семидесятым годам нашего века автомобиль, казалось, достиг совершенства, и стали раздаваться голоса, что классическая конструкция полностью исчерпала резервы развития. К счастью, это оказалось не так, и, более того, конструкция автомобиля развивается сегодня невиданными темпами. В определяющей степени это связано с применением сначала аналоговой, а затем и цифровой электроники, придавшей привычным элементам автомобиля новые технические, эксплуатационные и в конечном счете потребительские свойства. Цифровой век предоставил автомобилестроению новые возможности, дал новый импульс. Не исключено, что этого импульса автомобилестроению хватит, чтобы без каких-либо принципиальных изменений типа смены движителя с ДВС на электрический или гибридный достойно встретить свое 150-летие. Но уже сегодня вклад цифровых технологий в реализацию основного предназначения автомобиля, а именно перевозки людей и грузов, чрезвычайно велик, и можно сказать, что цифровые технологии встречаются на каждом шагу. Появилась целая концепция так называемого е-автомобиля (электронного автомобиля, термин широко используют компании General Motors, Sony и другие), неоднократно реализованная многими фирмами в концепт-карах и постепенно переносимая на серийные модели.

Тормоза с интеллектом

Наверное, одним из самых ярких свидетельств применения современных технологий в автомобилестроении являются антиблокировочные системы тормозов (anti-lock braking system). Достаточно сказать, что в США и Канаде АБС имеют три четверти автомобилей, а Европа и Япония постепенно подтягиваются по этому показателю к лидерам. Сначала АБС появились на автомобилях высшего класса, а ныне входят в стандартную комплектацию многих микролитражек. Что же такое АБС и для чего она нужна? Буквально два слова по сути. Приведу ситуацию, знакомую всем автомобилистам: при резком, экстренном торможении колеса автомобиля нередко полностью блокируются. Однако инерция автомобиля еще не преодолена, он продолжает движение, и заблокированные колеса просто скользят по дорожному покрытию. В этом случае имеются два неприятных следствия. Во-первых, сцепление заблокированных колес с дорогой значительно меньше, чем вращающихся, и, во-вторых, автомобиль с заблокированными колесами практически неуправляем, и если дорожное полотно влажное или обледенелое, то авария почти гарантирована. Естественно, опытный водитель дело до блокировки колес не доводит, а применяет так называемое прерывистое торможение. Почувствовав, что вращение колес прекратилось и автомобиль начинает скользить, водитель отпускает педаль тормоза, колеса начинают вращаться, их сцепление с дорогой возрастает, и машина снова поддается управлению - теперь можно повторить торможение. Эта методика довольно действенна, однако требует от водителя определенных навыков и дополнительных усилий. Антиблокировочная система тормозов делает то же самое, что и опытный водитель, только быстрее, точнее и без участия человека. Достаточно сказать, что АБС за секунду делает до 10-12 циклов притормаживания, что абсолютно недостижимо даже для тренированных автогонщиков.

anti-lock braking system (abs) Все новое есть хорошо забытое старое. Как часто приходится убеждаться в этом. Ведь "устройство для предотвращения жесткого торможения колес" немецкая фирма Bosch запатентовала еще в далеком 1936 году. А начало современной истории АБС было положено в 1964 году, когда дипломированный инженер Хайнц Ляйбер (Heinz Leiber), в то время работавший в компании Teldix (Гейдельберг), разработал фундаментальные основы таких систем. Позже он возглавил отделение электрики и электроники автомобилей в фирме Mercedes-Benz (входящей в холдинг Daimler-Benz, а ныне - DaimlerChrysler) из Штутгарта-Унтертюркхайма (Stuttgart-Unterturkheim). 9 декабря 1970 года профессор Ханс Шеренберг (Hans Scherenberg), один из высших управляющих Daimler-Benz, объявил о создании первых работоспособных образцов антиблокировочной системы. Конечно, ни о какой сложной электронике в начале 70-х не могло идти и речи, однако начало было положено. AБС с электронным управлением появились несколько позже, и первую такую систему разработала в 1978 году фирма Bosch, а впервые устанавливать АБС на серийных автомобилях (Mercedes-Benz S-класса) стала фирма Daimler-Benz. С 1 октября 1992 года антиблокировочные системы входят в стандартную комплектацию всех автомобилей Mercedes.

Конструкция АБС не очень сложна, однако требует высокой культуры проектирования, производства и эксплуатации. Поэтому не удивительно, что отечественный автопром не балует нас подобными системами. В состав простейшей АБС входят блок управления (естественно, электронный), завязанный на него гидромодуль, включенный в общую тормозную систему автомобиля, датчик вращения колес и зубчатый диск, установленный на оси колеса и вращающийся вместе с ним. Система работает следующим образом: при торможении датчик отслеживает скорость вращения колеса по зубчикам диска, и в тот момент, когда колеса блокируются, датчик подает сигнал на блок управления, который, в свою очередь, подает команду гидромодулю на снижение давления тормозной жидкости в контурах системы. По мере снижения давления тормозные колодки отпускают колеса, и те начинают вращаться - сцепление колес с дорогой и управляемость при торможении не пострадали. Можно продолжить торможение, повторяя цикл многократно до тех пор, пока водитель продолжает удерживать педаль тормоза нажатой. В результате тормозной путь автомобиля с АБС на скользкой дороге уменьшается примерно на 10-15%. Согласитесь, что это как раз те пять, а то и десять метров, которых не хватает, чтобы избежать столкновения. И не будем забывать, что автомобиль с АБС во время торможения управляем, то есть всегда остается возможность совершить необходимый маневр.

Современные АБС намного сложнее. Как только появилась возможность использовать в качестве электронного блока управления компьютер, функциональность АБС резко повысилась. Установка дополнительных датчиков, например, угла поворота передних колес или скорости поворота машины вокруг вертикальной оси, позволяет компьютеру еще более "интеллектуально" управлять тормозами, а на последних моделях автомобилей - еще и тягой. Разное тормозное усилие на передних и задних колесах или, в другом случае, колесах внешних или внутренних по отношению к повороту, позволяет сделать движение автомобиля стабильным и предотвратить занос. Подобная система, корректирующая движение на повороте и реализованная в основном программно, получила название ESP (Electronic Stability Program - программа электронной стабилизации). Выпускают системы ESP фирмы Bosch (устанавливается на многих европейских автомобилях), Delphi (система Stabilitrac на автомобилях Cadillac) и другие.

Приведу конкретные примеры современных систем. "Фольксваген-Гольф" (Volkswagen Golf) нового, четвертого поколения оснащен уже не просто АБС, а системой автоматической стабилизации управления (ASMS), которая помимо антиблокировочной функции выполняет и антипробуксовочную. Система тягового контроля (ASR), входящая в состав ASMS, позволяет путем регулирования подачи топлива предотвратить пробуксовку колес при трогании автомобиля на дороге со скользким или неоднородным покрытием. То есть ASMS действует постоянно, а не только при нажатой педали тормоза. В автомобилях Mercedes-Benz различных моделей - несколько иной набор систем: Anti-lock braking system (ABS), Electronic Traction System (DTS), Acceleration Skid Control (ASR), Electronic Stability Program (ESP) и Brake Assist System (BAS). Подробнее о некоторых из них можно прочитать во врезках.

И несколько слов о перспективах тормозных систем - так называемых brake by wire (торможение по проводам). Суть идеи проста: педаль тормоза, которую нажимает водитель, не имеет прямой связи с гидравлической или пневматической тормозной системой. Нажатие педали воспринимает только блок управления тормозной системой, и именно он, используя данные о положении машины в пространстве, ее скорости и нагрузке, качестве дорожного покрытия, погодных условиях и т. п., рассчитывает усилие торможения отдельно для каждого колеса. Это - логическое продолжение и углубление роли цифровых систем в управлении агрегатами автомобиля. Лидером здесь является фирма Bosch (www.bosch.com), которая разрабатывает и предлагает несколько вариантов технологии brake by wire. В частности, система EBS (электропневматическая для грузовиков) уже применяется в некоторых моделях магистральных грузовиков Scania и в Mercedes-Actros. Система ЕНВ (электрогидравлическая для легковых автомобилей) нашла свое место в новейших моделях легковых автомобилей компании DaimlerChrysler. И, наконец, ближайшей перспективой является ЕМВ - электромеханическая система торможения, в которой не будут применяться ни пневматические, ни гидравлические приводы тормозов. Тормозное усилие, управляемое бортовым компьютером, будет создаваться с помощью электромоторов или чего-то в этом роде.

Но хватит о тормозах. Не меньший интерес представляют агрегаты, обеспечивающие прямо противоположную функцию.

Активная подвеска

Динамические свойства автомобиля определяет целый ряд взаимосвязанных факторов. Это мощность и крутящий момент двигателя, аэродинамическая чистота кузова, кинематические свойства подвески, характеристики трансмиссии и многое другое. Вполне естественно, что возможности, предоставляемые современной цифровой техникой, нашли применение в управлении и этими автомобильными агрегатами. Началось все, видимо, с двигателей и коробок передач, а затем интеллектуальность стали приобретать подвеска и даже кузов. Впрочем, все по порядку.

Ближе всего к дороге находятся, как известно, колеса и подвеска. Именно они подвергаются самым тяжелым условиям эксплуатации. А требования, например, к подвеске весьма противоречивы. С одной стороны, она должна быть очень мягкой, чтобы исключить отрыв колес от дорожного полотна при наезде на неровность. Колесо должно катиться по дефектам покрытия, а не подпрыгивать на них. И дело здесь не только в комфорте водителя и пассажиров. Мягкая подвеска обеспечивает практически постоянный контакт колеса с дорогой, что естественным образом влияет на динамику автомобиля, так как реже возникает пробуксовывание, улучшается управляемость и намного эффективнее становится торможение. Плюс повышенные нагрузки и вибрация рано или поздно выведут из строя любые агрегаты, от двигателя и коробки передач до бортовой электроники.

С другой стороны, подвеска должна быть очень жесткой, чтобы не возникали опасные крены на поворотах, а также клевки, разгружающие переднюю или заднюю оси автомобиля при разгоне и торможении. Очень важное значение имеет и геометрия подвески. Только у неподвижного автомобиля, стоящего на ровной поверхности, причем правильно загруженного, колесо перпендикулярно дороге, и шина имеет оптимальное пятно контакта. Как только автомобиль начинает двигаться, колесо, естественно, начинает перемещаться при контакте с неровностями и, так как колесо через элементы подвески крепится к кузову, а не катится свободно, эти перемещения далеки от идеальной вертикали. Следствие очевидно: пятно контакта постоянно меняет свой размер.

И еще требования к подвеске. На плохих дорогах кузов должен быть подальше от дорожного полотна, чтобы не задевать неровности, а на хороших - как можно ближе к полотну, чтобы эффективно использовать на больших скоростях прижимную аэродинамическую силу кузова. В случае же возникновения колебаний элементы подвески должны быстро и эффективно их гасить.

Перечисленные требования пытаются реализовать уже давно. С целью повышения мягкости подвески ее стали делать независимой и всеми возможными способами снижают так называемые неподрессоренные массы. Для того чтобы колесо при контакте с неровностью перемещалось в основном в вертикальной плоскости (и сохраняло при этом пятно контакта), разработаны различные варианты геометрии подвесок, от простейших - на продольных рычагах до современных многорычажных.

Идеальной геометрической схемы подвески, характеристик амортизаторов и т. п. до сих пор добиться не удалось - требования слишком противоречат друг другу. Стало ясно, что одной механикой здесь не обойтись, и в ход пошла гидропневматическая подвеска, долгое время являвшаяся характерной особенностью автомобилей французской фирмы Citroen. Однако гидропневматика по большому счету позволяла лишь изменять дорожный просвет и жесткость подвески в зависимости от дорожных условий. Интерактивной реакции (реакции в режиме реального времени) она обеспечить не в состоянии. Решить все проблемы в комплексе может только электроника, и в конце концов появилась активная подвеска.

Суть идеи довольно проста: на автомобиле устанавливаются датчики, постоянно отслеживающие продольные, поперечные и вертикальные ускорения. Данные поступают в бортовой компьютер и там обрабатываются. При наезде на препятствие датчиком регистрируется вертикальное ускорение, бортовой компьютер через гидропневматику снижает жесткость конкретного элемента подвески, и колесо мягко перекатывается через неровность. Или, допустим, на повороте крен кузова превысил допустимый. Бортовой компьютер выдает команду, гидропневматическая система увеличивает жесткость соответствующего элемента подвески, и крена как не бывало. Очень важным при этом является тот факт, что клиренс (расстояние от дороги до нижней поверхности кузова) остается постоянным, следовательно, аэродинамические свойства кузова не изменяются. Конечно, на самом деле все не так просто.

Кузов автомобиля при движении подвергается огромному количеству одновременных воздействий, разных по направлению и силе. Обработать их все и выработать оптимальную реакцию - непростая задача для бортового компьютера. Это сложная электроника и еще более сложное программное обеспечение, навыками написания которого обладают в мире буквально несколько человек. Достаточно сказать, что активная подвеска впервые появилась в 1983 году на болиде Формулы 1 Lotus-92, а ее реально работоспособный вариант под названием Active Mark III удалось создать только через четыре года. Кстати, нынешним техническим регламентом Формулы 1 активная подвеска запрещена. Однако усилия конструкторов не пропали даром. Активная подвеска (по крайней мере, ее элементы), управляемая мощным бортовым компьютером, постепенно проникает на серийные образцы и, видимо, повторит успешную судьбу АБС.

electronic stability program (esp) Cистема ESP была создана в 1995 году, однако громко заявить о себе ей удалось только через два года, когда дебютировал первый компактный Mercedes-Benz А-класса. При его проектировании были допущены серьезные ошибки, которые привели к тому, что новая модель имела склонность к опрокидыванию даже на не очень высокой скорости при выполнении маневров типа "переставка" (объезд препятствия). В Европе, помешанной на безопасности, разразился настоящий скандал. Продажи автомобилей Mercedes-Benz А-класса были приостановлены, а уже проданные машины - отозваны для устранения недостатков. Перед инженерами компании Daimler-Benz встала непростая задача: как, не перепроектируя автомобиль, сохранить его потребительские качества и повысить устойчивость. Эта задача в значительной степени была решена благодаря установке на автомобили соответствующим образом настроенной системы ESP. Главный контроллер ESP представляет собой пару микропроцессоров, каждый из которых имеет 56 Кбайт памяти. Система позволяет, например, считывать и обрабатывать значения, выдаваемые датчиками скорости вращения колес с 20-миллисекундным интервалом. Помимо автомобилей А-класса, системой ESP комплектуются Mercedes S 600, CL 600, SL 600, E 430, E 320 и другие. Автомобили фирмы DaimlerChrysler оборудуются системами ESP от лидера в этой области - фирмы Bosch, их используют также BMW, Volkswagen, Audi, Porsche и другие производители.

Двигатели и коробки передач

Без нашего внимания остались пока двигатели и коробки передач. Но это поправимо, и начнем мы с моторов.

Достижения электроники в целом и цифровой в частности двигателестроители уже давно взяли на вооружение. Цифровые системы управляют системой охлаждения двигателя, зажиганием, смесеобразованием и т. п. Кратко рассмотреть все эти подсистемы не представляется возможным, поэтому ограничимся буквально одним аспектом, а именно впрыском. То, что карбюраторные двигатели постепенно вытесняются впрысковыми, видно невооруженным глазом. Более высокие удельная мощность и экономичность, пониженная токсичность выхлопа подвигли на применение впрыска даже отечественных производителей, в частности, такие двигатели появились на ВАЗовских "Самарах" и "Десятках", а тюнинговые фирмы предлагают впрыск даже для "Оки".

Первый двигатель с впрыском появился еще в 1912 году, к началу 50-х относится первый опыт его применения в автомобилях, а в 1967 году фирма Bosch предложила его первый электронный вариант - "Д-Джетроник" (D-Jetronic). За прошедшие годы электронный впрыск прошел несколько этапов совершенствования, и, если продолжить разговор о продукции фирмы Bosch, в настоящее время наибольшее применение нашла система электронного впрыска "Мотроник" (Motronic). В "Мотронике" почти не осталось механических частей, и буквально всеми аспектами подачи топлива в цилиндр управляет бортовой компьютер. Зато датчиков и электронных регуляторов - великое множество. Например, датчик количества кислорода в отработавших газах (лямбда-зонд), датчик-распределитель зажигания, датчик температуры охлаждающей жидкости, датчик положения и числа оборотов коленчатого вала, датчик положения дроссельной заслонки, датчик расхода воздуха, датчик детонации, регулятор давления топлива, регулятор холостого хода, регулятор фазы, регулятор-ограничитель максимальных оборотов, устройства управления наддувом и длиной впускного коллектора и т. д. Этот перечень можно продолжать долго, и чем выше класс машины, тем больше функций по управлению как впрыском, так и двигателем в целом берет на себя электроника. Вместе с тем подобные системы уже невозможно обслуживать и ремонтировать собственными силами. Для этого необходим специализированный сервис с высокопрофессиональным персоналом.

И буквально пару слов о наиболее бурно развивающемся сегодня направлении - автоматических коробках передач с электронным управлением. Добиться их эффективной работы можно только в том случае, если не только коробкой, но двигателем управляет бортовой компьютер. Для того чтобы автоматическая коробка вовремя переключала передачи, ей необходимо знать количество подаваемого топлива, скорость, тяговое усилие, состояние дорожного покрытия, режимы работы сцепления и тормозов. Более того, отдельными параметрами работы двигателя коробка передач должна даже управлять, в частности, подачей топлива. Если все эти вопросы решены в комплексе, то педаль сцепления требуется только для трогания автомобиля с места, а в некоторых автоматических коробках передач с электронным управлением они и вовсе не нужна. Именно такими коробками передач оснащены современные магистральные тягачи Mercedes-Actros (система Telligent) и Iveco (система Eurotronic). На легковых автомобилях высшего класса автоматические коробки передач с электронным управлением становятся базовыми, а на автомобилях низших классов часто предлагаются как опция. Эффект от применения подобных коробок довольно велик. Прежде всего, значительно улучшаются условия работы водителя и несколько снижается расход топлива, так как электроника значительно точнее человека может подобрать соответствующую данным условиям движения передачу. И еще один момент. Электроника не делает ошибок, свойственных неопытному водителю, поэтому средний срок службы как трансмиссии, так и в какой-то степени двигателя увеличиваются.

Впрочем, у автоматических коробок передач есть и недостатки. Программное обеспечение, управляющее переключением передач, пока не может обеспечить автомобилю сравнимую с механикой разгонную динамику. Однако результаты, достигнутые инженерами Формулы 1, где отдельные элементы этой проблемы уже решены (в частности, электроника переключает передачи за 100 мс против 250 мс у механики), со временем будут внедрены и в серийную технику. Тогда будет преодолено последнее препятствие для повсеместного распространения "электронной автоматики", и автомобили лишатся рычагов коробок передач и педалей сцепления. Ну и бог с ними.

Подводя итог вышесказанному, мы вполне обоснованно можем говорить о постепенном формировании нового типа автомобиля - E-type, или электронного автомобиля. А то, что название явно созвучно "Мерседес-Бенцам" Е-класса, даже в какой-то степени символично. В конце концов, автомобили именно этой марки, если не этого поколения, так следующего, являются одними из самых вероятных претендентов на звание первого е-автомобиля.

controller area network (can) Электронные и электрические компоненты внутри современного автомобиля связаны между собой, как правило, с помощью так называемой Controller Area Network (CAN), то есть сети, проложенной внутри автомобиля, или шины IEEE 1394. В автомобилях Mercedes-Benz Е-класса Controller Area Network состоит из двух шин (для двигателя и всего остального) на основе оптического кабеля. Шины носят название Domestic Digital Bus (D2B) и имеют пропускную способность около 5,6 Мбит/с каждая, что в шестьдесят раз превышает пропускную способность применявшихся ранее медных кабелей. Domestic Digital Bus позволяет различным цифровым системам, таким как Anti-lock braking system (ABS), Electronic Traction System (DTS), Acceleration Skid Control (ASR), Electronic Stability Program (ESP) и Brake Assist System (BAS), обмениваться между собой командами и данными. Обмен цифровыми аудиоданными - от телефонов, аудиосистем, систем распознавания и синтеза речи - тоже осуществляется по оптическому кабелю (с пропускной способностью до 4,3 Мбит/с). В настоящее время ведущие мировые производители (BMW, DaimlerChrysler, Ford, Fiat, General Motors, Honda, Mitsubishi, Nissan, PSA/Peugeot - Citroen, Renault, Toyota и Volkswagen) объединились в организацию под названием AMIC (Automotive Multimedia Interface Consortium) с целью разработки единых программных и аппаратных интерфейсов автомобильной электроники. В качестве вариантов стандарта рассматриваются интерфейсы IDB-C (Intelligent transportation systems Data Bus-CAN), MOST (Media Oriented Systems Transport), а также различные версии IEEE 1394.