Двигатель прогресса

Секрет в нюансах 

Несмотря на это, основополагающий принцип работы ДВС не меняется. Необходимо сжечь топливо для того, чтобы выделить тепловую энергию и преобразовать ее в механическую работу. Причем сделать это с максимальной эффективностью при минимальных затратах на изготовление двигателей. Первая и часть второй задачи успешно решены уже давно, и пока еще никто не готов предложить выгодную альтернативу для массового производства.

В 2015 году, по данным консалтинговой компании LMC Automotive, легковых автомобилей в мире было продано порядка 90 млн штук. Электромобилей реализовали 549 000 единиц, или около 0,6% от общего числа продаж. Таким образом, автопроизводители и не думают списывать со счетов ДВС, будь то дизельные или бензиновые агрегаты. Даже их весьма низкий КПД – от 30 до 53% в идеале, достаточен для того, чтобы продолжать бороться за покупателя. Чем ниже тепловые, топливные и механические потери на трение – тем выше КПД. Лидерство по этому показателю среди ДВС, пока что у агрегатов Дизеля с турбонагнетателем, в силу принципа работы и конструктивных особенностей. Во всем мире научились отливать блоки цилиндров и их головки, ковать шатуны и поршни. Но в выигрыше остаются те, кто путем различных инженерных ухищрений извлекает из единицы объема максимальную мощность или крутящий момент, в зависимости от поставленной задачи. Естественно, при использовании стандартных видов топлива – бензина, дизтоплива, природного газа.

Основные части ДВС так же незыблемы, как и принцип работы таких моторов. За прошедший век не ушли в прошлое такие понятия, как блок цилиндров, головка блока цилиндров, кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, а также системы питания, выпуска отработанных газов, смазки, охлаждения и зажигания. Изменились материалы для изготовления, технологии и нюансы конструкции того или иного компонента ДВС. Но именно нюансы определяют сегодня конкурентоспособность двигателей и комплектуемых ими автомобилей.     

Например, скопированные в свое время китайцами, а потом и производимые по лицензии 1,5-литровые или 2,4-литровые двигатели Toyota или Mitsubishi недотягивали до оригиналов как по характеристикам, так и по надежности. Именно по причине того, что в современном моторостроении мелочей не бывает и даже вымеренные и скопированные до микрона линейные размеры деталей чаще всего не дадут нужного конечного эффекта. Проектирование и производство ДВС для автомобилей массового спроса – сложнейший комплекс мероприятий, доступный лишь крупнейшим автопроизводителям. Но бывают и исключения, когда именитый бренд использует в автомобилях и «сторонние» моторы. Например, Citroen ставит двигатели BMW, Jaguar Land Rover – дизельные агрегаты Peugeot, а Infiniti – двигатели от Daimler. Как правило, это единичные случаи, обусловленные необходимостью сделать серию автомобилей под конкретного потребителя.     

При всем многообразии двигателей внутреннего сгорания самыми популярными на сегодняшний день для легковых автомобилей стали 4-тактные дизельные или бензиновые моторы с водяным охлаждением. Рядные, V-образные, реже W-образные или оппозитные с количеством цилиндров от трех до двенадцати – принцип действия и основные компоненты таких двигателей идеологически схожи. Напомним основные моменты, не углубляясь в детали.

Блок цилиндров

Без блока цилиндров не обходится ни один ДВС. Алюминиевые или чугунные, со сменными, «мокрыми» или жестко запрессованными, «сухими» гильзами цилиндров – все они предназначены для работы поршневой группы, а также для монтажа навесного оборудования. Нижняя часть блока, именуемая картером, служит корпусом для крепления кривошипно-шатунного механизма. Помимо этого, любой блок цилиндров имеет каналы для прохождения смазки, а также охлаждающей жидкости. В передней части блока находятся места для монтажа привода распределительных валов.

Блок цилиндров, несмотря на отсутствие подвижных элементов, один из самых дорогостоящих и сложных в производстве компонентов двигателя. Примечательно, что «неоригинальных» вариантов в природе не бывает. Именно поэтому при фатальных повреждениях блока цилиндров зачастую бывает выгоднее менять двигатель целиком.

Головка блока цилиндров (ГБЦ)

Верхнюю часть блока цилиндров закрывает головка блока, или ГБЦ. Отметим, что в отличие от рядных у V-образных или оппозитных двигателей их будет две. Этот компонент, как правило, отливается из алюминиевого сплава или из чугуна, если речь идет о некоторых типах дизельных двигателей. ГБЦ многофункциональна, и прежде всего это монтажная площадка для элементов всей газораспределительной системы, системы зажигания, а также систем впуска и выпуска. Во-вторых, при помощи ГБЦ образуется камера сгорания для каждого из цилиндров. На основании одного блока и головок, в частности, с разными характеристиками камер можно создавать двигатели, отличающиеся по своим параметрам. Естественно, в таких ГБЦ будет и различная компонентная база.

Головки могут отличаться количеством клапанов на цилиндр: двумя или четырьмя, быть соответственно с одним или двумя распределительными валами системы SOHC или DOHС, с гидрокомпенсаторами зазоров клапанов или без них, с различными системами подачи топлива, вывода отработанных газов, охлаждения и смазки. Вариантов конструкций великое множество. Большая часть механических частей в ГБЦ ответственна за правильную работу каждого из четырех тактов современного двигателя: впуска, сжатия, рабочего хода поршня и выпуска.

Как правило, немалая доля компонентной базы для ГБЦ делается на моторных заводах крупных компаний и является оригинальной. Однако часть деталей может идти от сторонних производителей на условиях OEM-договоров. При этом установленные на сборочном заводе OEM-компоненты будут иметь маркировку автомобильного бренда. Пример тому – сальники клапанов или прокладки ГБЦ. Германская компания Victor Reinz поставляет эти элементы на заводы Ford или VW. Те же самые изделия, но уже под своей маркировкой она продает для постгарантийного использования. И таких частей немало: впускные или выпускные клапаны, свечи зажигания или накаливания и много чего еще. Но то, что используется под брендом автопроизводителя, попадает и под его гарантию. В действительности ту же головку блока цилиндров, скажем, для 115-сильного мотора 1,6 XER производства General Motors можно укомплектовать компонентами со всего света, и все они подходят именно для этого двигателя. Однако никакой гарантии, что мотор будет работать так, как задумали конструкторы, и с заложенным ими ресурсом, увы, нет.

Кривошипно-шатунный механизм

Иным образом обстоит дело с кривошипно-шатунным механизмом и поршневой группой. Эти самые нагруженные части двигателей – ведь посредством давления расширившихся при горении топлива газов на поршень и шатун происходит вращение коленчатого вала – только единичные мировые лидеры автопроизводства отливают и штампуют на своих заводах. Все остальные доверяют это специализированным предприятиям, опять же на основе OEM-соглашений. Но здесь ситуация может оказаться несколько другой. Скажем, поршневые кольца, которые завод заказал у официального подрядчика, могут оказаться с худшими параметрами и меньшим ресурсом, чем те, которые предлагают сторонние производители для постгарантийного использования. Не секрет, что многие владельцы ВАЗов при ремонте двигателей ставят поршневые кольца Goetze, а владельцы некоторых европейских или американских марок – компоненты Mahle или Kolbenschmidt.

Газораспределительный механизм (ГРМ)

Газораспределительный механизм (ГРМ), размещенный в головке блока цилиндров, взаимодействует с шатунно-поршневой группой посредством цепного или ременного привода, соединяющего распредвалы ГБЦ с коленвалом. Большая часть деталей цепного или ременного привода ГРМ крепится на передней стенке блока цилиндров, закрытой крышкой, включая шестерни или зубчатые шкивы коленвала и привода масляного насоса, натяжители. Элементы привода вспомогательных агрегатов выведены за внешнюю поверхность крышки.

И большая часть этих компонентов выпущена вовсе не автозаводами, а опять же сертифицированными партнерами-производителями. Это оказывается максимально выгодным для производства, т.к. не имеет смысла строить отдельный, узкоспециализированный завод по выпуску цепей, ремней или пластмассовых натяжителей. Гораздо проще заказывать детали первой комплектации у таких компаний, как ContiTech – самостоятельной промышленной структуры в рамках концерна Continental AG, SWAG, SKF или Bosch. Все сказанное относится в полной мере и ко многому механическому, навесному оборудованию, как, например, насосы или термостаты систем охлаждения.

Системы питания двигателей

При всей сложности основополагающих, механических компонентов системы питания остаются важнейшим узлом в функционировании любых типов ДВС. Современные бензиновые моторы комплектуются, как правило, инжекторными устройствами распределенного впрыска топлива MPI, которые крепятся на ГБЦ. Обычно это топливная рампа с форсунками, которые впрыскивают горючее во впускной коллектор, в непосредственной близости от каждого из впускных клапанов. Туда же подается и воздух, в результате чего происходит образование топливовоздушной смеси строго определенного состава. Вся система работает под управлением электронных микроконтроллеров, на основании сигналов с многочисленных датчиков: положения коленчатого вала, дроссельной заслонки, массового расхода воздуха, детонации и многих других. Общее управление процессом осуществляется электронным блоком управления двигателем. На первых этапах создания инжекторных систем питания каждый из крупных автоконцернов стремился сделать собственную конструкцию. В настоящее время крупнейшим разработчиком и поставщиком систем распределенного впрыска стал немецкий Bosch.

Некоторые автопроизводители, такие как Toyota, KIA, Mitsubishi, Mercedes-Benz, BMW, VW и другие, используют систему непосредственного впрыска топлива в цилиндры GDI. Ее отличают экологичность выхлопа и обязательное присутствие топливного насоса высокого давления. Кстати, этот элемент роднит такую систему питания с устройством впрыска дизельных двигателей Common Rail. Принципиальная разница в том, что воспламенение дизельной смеси происходит от сжатия в камере сгорания при работающих свечах накаливания, а бензиновой – от искровых свечей зажигания. Патенты на различные конструкции GDI были поданы во многих странах, да и каждый автопроизводитель использует для нее свою аббревиатуру. Тем не менее система впрыска FSI (TFSI) от VW – вполне самостоятельный продукт, так же как и D4 от Toyota при участии Denso или Ecoboost от Ford. И все же основными лидерами в производстве компонентов непосредственного впрыска, включая и Common Rail для дизельных двигателей, остаются Bosch, Siemens, Delphi и Denso.  

Применение непосредственного впрыска топлива далеко не все, что делают производители ради максимального извлечения мощности из единицы рабочего объема двигателя. При этом стремление к уменьшению габаритов, веса ДВС и их рабочих объемов привело к широкому использованию наддува воздуха. Чем больше его уместится в камере сгорания, тем большее количества топлива эффективно сгорит, и, соответственно, увеличится мощность ДВС.

На сегодняшний день наиболее популярны два типа нагнетателей воздуха. Первый – механический компрессор, соединенный с коленвалом посредством шкива и ремня. Устройство эффективно во всем диапазоне оборотов, но снижает суммарный КПД двигателя, отбирая мощность на свою работу.

Второй вариант – турбокомпрессор. Такая система представляет собой пару лопастных крыльчаток, насаженных на общий вал в независимых корпусах. Первая раскручивается до 200 000 об/мин путем воздействия на нее выхлопных газов. Вторая в том же скоростном режиме сжимает воздух и подает его во впускной коллектор двигателя. Мощность таких моторов возрастает на 40–60%. Оба типа турбонагнетателя – неотъемлемая часть системы питания. В ряде автомобилей могут использоваться два нагнетателя с разными характеристиками и размерами или даже два их различных типа, как, например, в двигателях VW TSI, для самых малых оборотов, а также для средних и высоких. Таким образом, ликвидируются провал по мощности или турбояма на малых частотах вращения коленвала. Кстати, для дизельных двигателей, используемых в легковых автомобилях, система турбонаддува – обязательный элемент ввиду «тяжести» топлива и необходимости большего количества кислорода для его эффективного сгорания. Производство систем наддува опять же очень специфично: конструкций и вариаций множество. Потому практически все автомобильные бренды закупают эти узлы и их компоненты у специализированных производителей. Среди самых известных – компания Garrett.    

Системы смазки и охлаждения ДВС

Система смазки ДВС полностью автономна от остальных узлов автомобиля. Как правило, смазочное масло находится в поддоне картера и при работе масляного насоса, интегрированного в БЦ, прогоняется через все смазочные каналы двигателя: от ГБЦ до кривошипно-шатунного механизма. Система достаточно надежна, проста в обслуживании и имеет сравнительно небольшое количество компонентов.  

Примерно по этому же принципу устроена и система охлаждения двигателя внутреннего сгорания. Жидкостная помпа перегоняет антифриз по конструктивным полостям блока и головки цилиндров, используя два круга циркуляции жидкости в зависимости от температуры двигателя: малый и большой. Разница с системой смазки в том, что охлаждающая жидкость выходит за пределы ДВС, во-первых, в радиатор для охлаждения воздушным потоком, во-вторых, в радиатор отопления салона. Большая часть оборудования системы охлаждения – навесная. Производителей термостатов, помп, шлангов и расширительных бачков – огромное количество, с учетом достаточно быстрого износа многих из этих деталей. Каждый автоконцерн в состоянии выбрать несколько ОЕМ-поставщиков для первичной комплектации своих моделей. Среди самых известных – Valeo, SKF, Pierburg, Kolbenschmidt, Motorcraft и еще несколько десятков фирм.

В сухом остатке

Так что же представляет собой современный двигатель? Продукт, разработанный одной компанией или концерном или плод глобальной кооперации ведущих производителей автомобилей и автокомпонентов? С точки зрения интеллектуальной, бесспорно, продукт, разработанный с нуля и до последнего крепления жгута проводов одним из автопроизводителей. Именно таким образом любой ДВС позиционируется и для конечного потребителя, у которого не должно быть сомнений в «породе» или качестве того или иного узла и компонента.

На практике все происходит иначе. В условиях конвейерного производства как автомобилей, так и двигателей выпуск всех компонентов ДВС в рамках одного бренда утопичен. Во-первых, по возможностям, во-вторых, по экономической рентабельности. Нетрудно догадаться, что строительство завода по производству, скажем, свечей зажигания в рамках бренда Nissan или Cadillac обошлось бы в миллиарды долларов, а на окупаемость такого предприятия ушли бы десятки, если не сотни лет. Но глубина кооперации только в производстве ДВС свидетельствует лишь о том, что в ближайшие несколько десятков лет заказывать поминки по основным потребителям бензина и дизельного топлива точно не придется. Впрочем, для профессионалов данный факт не является каким-то откровением и тем более причиной для обоснованного беспокойства.