Замечая новые элементы в автомобильной технике, порой невольно задаешься вопросом: «Действительно ли это необходимо? Не перевесили ли требования к топливной эффективности и экологичности все остальные аспекты? Или же маркетинговые стратегии полностью подчинили себе рациональность?» Безусловно, доля правды в этом есть. Однако здравый смысл еще не потерпел окончательного поражения. Попробуем разобраться, почему инновационные технологии, даже кажущиеся абсурдными, могут быть оправданы.
Очевидное — невероятное
ННачнем с базовых принципов и перейдем к анализу конкретных технических решений.
Вопрос уменьшения рабочего объема двигателей и усложнения конструкций в целом уже достаточно хорошо изучен и, вероятно, усвоен. Понятно, что более компактный мотор при прочих равных условиях обычно демонстрирует лучшую экономичность, а трансмиссия с широким диапазоном передаточных чисел (в упрощенном понимании – имеющая больше ступеней переключения и значительную разницу между минимальной и максимальной передачей) заметно улучшает все показатели, включая динамические характеристики. Такие несомненные улучшения, как системы регулирования фаз газораспределения и снижение веса цилиндровых блоков и двигателей в целом, также очевидно полезны. Однако все чаще встречаются весьма необычные решения, которые, хотя и снижают стоимость производства, порой кажутся граничащими с нелепостью. Например, в дорогостоящей конструкции можно обнаружить дешевые пластиковые детали, вес которых на несколько граммов меньше металлических аналогов, а стоимость лишь незначительно ниже, но долговечность явно уступает.
Тем не менее, рассматривая подобные решения с точки зрения производителей, многие моменты становятся яснее. Например, нередко обнаруживаются небольшие преимущества в экологических показателях или удобстве последующей переработки. Приходится привыкать к мысли о том, что по окончании срока службы современный автомобиль отправляется на утилизацию, и его заранее готовят к этому процессу. Отсюда и возникают некоторые кажущиеся «странными» решения, которые на самом деле имеют свое обоснование, пусть даже минимальное.
Греется или не греется?
Применение пластика и резины в системах охлаждения не является инновацией в автомобилестроении. Однако размещение датчика температуры двигателя непосредственно в пластиковом патрубке представляется весьма спорным решением, по крайней мере, на первый взгляд. На практике подобная схема уже использовалась – еще на силовых установках VW EA113 датчик температуры был интегрирован в пластиковый тройник, который впоследствии стал источником частых проблем у владельцев из-за склонности к протечкам.
В случае отсутствия или неисправности датчика уровня охлаждающей жидкости, подобная конструкция делает двигатель крайне восприимчивым к перегреву при любых утечках антифриза. Причина заключается в том, что перегретый агрегат попросту не сможет сигнализировать о своей проблеме, а датчик температуры может демонстрировать заниженные значения, поскольку он реагирует на температуру охлаждающей жидкости, которой в этот момент недостаточно… Двигатели с такой конструкцией при перегреве обычно получают серьезные повреждения, настолько значительные, что их ремонт оказывается экономически нецелесообразным и предпочтительнее является замена.
Тем не менее, некоторые производители разработали системы, препятствующие перегреву двигателей. К примеру, компания Jaguar Land Rover применила в своих новых силовых установках INGENIUM не один, а три датчика температуры. Помимо контроля за температурой охлаждающей жидкости, два дополнительных сенсора отслеживают нагрев металла головки блока цилиндров (ГБЦ) и блока цилиндров. Это позволяет системе управления двигателем оперативно реагировать на любые отклонения в температуре ГБЦ или блока цилиндров путем ограничения подачи топлива, что снижает термическую нагрузку на компоненты двигателя.
Кирилл РязановТренер Академии Jaguar Land Rover
Впрочем, использование пластиковых переходников не является случайностью. Ранее перед началом движения рекомендовался прогрев двигателя, и производитель предупреждал о недопустимости эксплуатации под нагрузкой на холодном двигателе. В настоящее время рекомендации изменились: прогревать двигатель не рекомендуется. Это связано с тем, что снижение выбросов считается оптимальным решением. Именно поэтому была разработана новая конструкция датчика температуры.
В классической реализации использование металлического корпуса датчика и его плотный контакт с головкой блока цилиндров (ГБЦ) увеличивает его инерционность, то есть он отображает повышение температуры с некоторой задержкой. Это особенно заметно на начальном этапе прогрева, когда двигатель в течение первой минуты работы демонстрирует избыточную мощность. При разработке двигателей для компенсации этого эффекта обычно применяются корректирующие коэффициенты в программе управления двигателем, однако он все равно проявляется.
Существенная разница температур в головке блока цилиндров может привести к тому, что датчик будет показывать температуру на пять-десять градусов Цельсия ниже, чем температура в камере сгорания при быстром прогреве под нагрузкой. Это существенная погрешность, которая может привести к избыточному расходу топлива и ускоренному износу катализатора, который и без того подвергается интенсивной работе.
Пластиковый корпус позволяет исключить влияние массы головки блока цилиндров и датчика на показания температуры. Теперь датчик демонстрирует более точную температуру жидкости, которая быстрее и корректнее отражает степень прогрева двигателя. Это может показаться незначительным изменением, но оно вполне оправдывает использование подобной конструкции. Кроме того, изготовление дополнительного резьбового отверстия большого диаметра в головке блока цилиндров обходится дороже, чем производство пластиковой детали. Поэтому на многих двигателях датчики температуры теперь имеют пластиковый корпус.
Дешевле, но… дороже
Не редок случай размещения датчика непосредственно в корпусе термостата, подобно тому, как это реализовано в относительно новой серии двигателей Volkswagen ЕА211. При этом корпус также изготавливается из пластика, что обеспечивает взаимное усиление преимуществ. Прежде всего, изготовление металлического элемента сложной конфигурации обходится дороже, чем производство пластмассовой детали. Кроме того, современные термостаты стали управляемыми и требуют поддержания рабочей зоны в нагретом состоянии даже при значительной нагрузке. Использование материала с низкой теплопроводностью облегчает эту задачу, позволяя снизить мощность необходимого нагревательного элемента. В итоге получается комплекс удобных решений.
Тем не менее, на ряде моделей наблюдается деформация корпуса термостата из-за неудачного подбора химического состава пластика поставщиком при производстве. Однако это часто является типичной проблемой для новых разработок. После выявления недостатка поставщик корректирует состав и характеристики пластика, что приводит к устранению проблемы.
В последнее время всё более распространённым становится решение об интеграции в конструкцию также и помпы. Этот узел потенциально может быть дешевле и надёжнее, чем отдельные компоненты: помпа, датчик, тройник, термостат, шланги и хомуты. Но при этом поломка любого из элементов потребует замены всего агрегата целиком, что обойдётся дороже, чем замена только датчика или термостата.
И снова пластик
Пластиковые поддоны для двигателя также приобретают популярность — например, в двигателе Volkswagen ЕА888 Gen 3. Это обусловлено не только тем, что они легче и дешевле металлического аналога: причины более многогранны.
Большинство современных двигателей оснащены водомасляными теплообменниками, которые ускоряют прогрев моторного масла при запуске и поддерживают его температуру на уровне или немного выше температуры охлаждающей жидкости в процессе эксплуатации. Альтернативные системы, использующие отдельные радиаторы для масла или воздушное охлаждение картера, встречаются значительно реже. Для предотвращения переохлаждения масла применяются специальные термоклапаны, регулирующие подачу масла в радиатор в зависимости от его температуры.
Однако давайте вновь обратимся к водомасляным системам. Теплопроводность массивной пластиковой детали существенно ниже, чем у алюминия или стали, что способствует более быстрому прогреву масла и обеспечивает незначительную экономию топлива. Это полезно? Безусловно, поскольку позволяет начинать движение в соответствии с современными требованиями — без предварительного полного прогрева двигателя на холодном двигателе. Быстрый нагрев масла до рабочей температуры также дает возможность использовать масло с меньшей вязкостью, что снижает риск преждевременного износа цилиндро-поршневой группы вследствие уменьшения рабочей вязкости. Таким образом, это выгодно во всех отношениях. Даже если бы пластиковый поддон стоил столько же, сколько и металлический, его внедрение было бы оправданным.
Тем не менее, деформация со временем и появление трещин в пластике от небольших ударов через пять-шесть лет эксплуатации – это неизбежные последствия использования данного материала.
Шаг назад
Примерно по тем же причинам наблюдается тенденция к отказу от гидрокомпенсаторов. Компания Opel отказалась от них на двигателях младшего класса в 2004 году — так, Z16XER уже не оснащался ими, хотя на более ранних версиях Z16XE они функционировали безупречно. Volvo также последовательно отказывалась от гидрокомпенсаторов на моторах Modular, наиболее известных как рядные «пятицилиндровые» двигатели под капотом автомобилей предыдущего поколения.
На работу гидрокомпенсаторов оказывает влияние изменение вязкости моторного масла; при серьезных неисправностях это может привести к уменьшению компрессии и снижению мощности двигателя по мере прогрева. При отсутствии этих устройств на холодном двигателе можно услышать характерный стук. Хотя современные автомобили, даже бюджетные модели, обладают улучшенной шумоизоляцией моторного отсека, важно понимать, что стук свидетельствует об ударном износе направляющих сёдел клапанов, что негативно сказывается на долговечности двигателя.
Оппоненты использования гидрокомпенсаторов утверждают, что для их функционирования требуется повышенный расход масла, что создает дополнительную нагрузку на масляный насос. Однако данное утверждение вызывает сомнения и требует более детального рассмотрения.
Уменьшение расхода масла не произойдет, поскольку смазка узлов привода клапана осуществляется за счет трения между кулачком и толкателем, кулачком и роликом, толкателем и направляющей, а также опорой и рычагом. Объем масла, потребляемого гидрокомпенсатором в процессе работы, незначителен. Основной причиной отказа производителей от этих устройств является их стоимость. Компания Jaguar Land Rover предпочла отказаться от обычных толкателей и интегрировать гидрокомпенсаторы в линейку двигателей INGENIUM для повышения ресурса силовых агрегатов. Кирилл РязановТренер Академии Jaguar Land Rover
И так сойдёт!
Многих владельцев автомобилей беспокоит использование герметика вместо прокладок при сборке. Зачастую это преподносят как способ снизить затраты, однако изначально такая конструкция применялась на высококлассных двигателях. При этом экономия не является определяющим фактором при ее использовании.
Суть заключается в следующем: высокая точность обработки деталей позволяет обойтись без эластичных соединений. Прокладки могут быть выполнены из жестких материалов или вовсе отсутствовать. Кроме того, с развитием ДВС повышение давления и температуры сгорания обусловило более строгие требования к герметичности соединения головки блока цилиндров (ГБЦ) и блока двигателя. Соответствовать этим требованиям способны только металлические прокладки.
В других узлах двигателя применяют герметик. Важно отметить, что при заводской сборке он наносится аккуратно, исключая попадание в маслопроводы, и используется специальный маслорастворимый анаэробный состав, а не более дешевый силиконовый.
Помимо этого, использование герметика дает возможность соединять компоненты без необходимости создания зазоров, что существенно расширяет возможности для проектирования. Это позволяет отказаться от сверления каналов внутри блока цилиндров в пользу фрезеровки, сократить количество деталей при сборке и исключить необходимость выделения отдельных блоков для обеспечения герметичности внутреннего пространства.
Использование прокладок предъявляет повышенные требования к системе крепления. Неравномерная затяжка болтов – один может быть перетянут, а другой недокручен – создает риск деформации детали, поскольку чрезмерное усилие на перетянутый болт приводит к сдавливанию прокладки и искривлению элемента конструкции. Герметик, при соединении деталей, равномерно распределяется по микроскопическим неровностям поверхности, формируя очень тонкий слой, что практически исключает его дальнейшую деформацию при затяжке болтов. Кроме того, герметик предоставляет большую свободу действий при проектировании корпусных элементов. Сборные детали обладают повышенной жесткостью, что позволяет добиться высокой точности сборки и, как следствие, увеличить срок службы узла. Кирилл РязановТренер Академии Jaguar Land Rover
Стоит отметить, что данная концепция не является новой. Ярким примером подобного подхода являются двигатели Volvo семейства Modular Engine, разработанные в девяностых годах. Там были реализованы все преимущества этой технологии, хотя и потребовались значительные затраты и усложнение конструкции. Тем не менее, идея постепенно внедрялась в различные проекты на протяжении более чем двадцати лет и оказалась особенно эффективной для цельноалюминиевых блоков, где деформации от теплового воздействия минимальны. В настоящее время герметик широко используется практически всеми производителями для установки передних крышек на алюминиевые блоки – как для поддонов, так и для головки блока цилиндров. Гораздо сложнее найти двигатель, в котором все соединения выполнены с использованием прокладок, чем наоборот. Это полностью соответствует современным тенденциям повышения экологичности и улучшения перерабатываемости.
И снова цепь
Переход на цепной привод газораспределительного механизма (ГРМ) представляется весьма неожиданным. Цепь, как правило, дороже ремня, а также характеризуется повышенным уровнем шума и увеличенными потерями энергии из-за трения. В 1980-х годах цепной ГРМ считался признаком устаревшей технологии – казалось, что ремень постепенно вытеснит его. Однако в 1990-х годах цепь вновь стала применяться на массовых и недорогих силовых агрегатах с рабочим объемом менее полутора литров.
Volkswagen перешел на цепной привод ГРМ для линейки двигателей ЕА111, ранее использовавших ремень. Последующие моторы ЕА888, заменившие ЕА113, также были оснащены цепным приводом, а General Motors отказался от ременного привода на семействе GM Family II. Экономия? На первый взгляд она не очевидна, но если учитывать, что сложную в производстве роликовую цепь практически повсеместно заменили на пластинчатую, то ситуация становится более понятной.
Роликовая цепь – это достаточно сложный элемент конструкции. Даже при ее бюджетном исполнении требуется сборка из сотен деталей, изготовленных с высокой точностью и из качественных материалов. Производство такой цепи из вторичного сырья не представляется возможным. Тем не менее, предпринимались попытки, что привело к значительному сокращению ресурса ГРМ и необходимости отзыва дорогостоящих двигателей, переработки конструкции и потери репутации (речь идет о мерседесовском моторе М272).
В отличие от роликовой цепи, пластинчатая может быть изготовлена из металла невысокого качества. Более того, мягкая сталь предпочтительнее, поскольку она меньше повреждает зубья звездочек, так как в данной конструкции цепь непосредственно соприкасается с металлом во время работы. В результате использования дешевых пластинчатых цепей удалось создать недорогой цепной ГРМ, зачастую обладающий ресурсом в 120-150 тысяч километров, а иногда и до 200 тысяч. Однако теперь требуется одновременная замена звездочек и успокоителей из-за их повышенного износа. Кроме того, такая система чувствительна к качеству моторного масла. Зато сама цепь стоит недорого. И цепные фазовращатели дешевле – они не нуждаются в герметичности и могут быть оснащены электроприводом.
Использование пластинчатой цепи представляет собой серьезную проблему для производителей. При эксплуатации в составе привода газораспределения предъявляются повышенные требования как к самой цепи, так и к звёздочкам. У некоторых компаний ресурс таких цепей составляет всего 5-20 тысяч километров. В связи с этим были разработаны комплекты для переоборудования систем ГРМ с пластинчатой цепью на привод с втулочной или роликовой конструкцией. Основное преимущество пластинчатых цепей – это их бесшумная работа. Все остальные характеристики являются недостатками: значительный вес, склонность к проскальзыванию и повышенные требования к смазке. Именно поэтому на двигателях INGENIUM применяются втулочные цепи ГРМ, представляющие собой компромисс между пластинчатыми и втулочными конструкциями.
Кирилл РязановТренер Академии Jaguar Land Rover
Существенная особенность цепного привода – возможность запуска двигателя в холодном состоянии без предварительного прогрева. Ремень в подобных условиях значительно теряет ресурс, поскольку для достижения оптимальной эластичности и вязкости ему требуется некоторое время на прогрев блока цилиндров до температуры 20-30 градусов. Цепь же сохраняет работоспособность даже при форсированном вращении холодного двигателя.
Кроме того, цепной привод обеспечивает более благоприятные условия для работы фазовращателей, позволяя им функционировать под большим давлением.
***
Существует распространенное убеждение, что для достижения экологических целей, снижения производственных затрат и улучшения показателей, имеющих значение для маркетинга, таких как расход топлива или ускорение, неизбежно приходится идти на компромисс с долговечностью и простотой ремонта двигателей. Однако данный набор факторов не является единственной определяющей причиной.
Опрос
Современные моторы — лучше старых или нет?
