Двигатели: эволюция в деталях

Двигатели внутреннего сгорания преодолели в процессе развития сложный и долгий путь, обросли высокоточной управляющей электроникой и вышли на очень серьезную удельную мощность. Ранее подобные характеристики были доступны лишь для спортсменов, а теперь техникой со столь вызывающими характеристиками управляют даже домохозяйки.

Но за все надо платить, это аксиома, так что теперь автолюбителю придется раскошелиться и за мощность, и за экологические характеристики, и за маркетинговые «находки» автопроизводителей. Хорошо, что пока только деньгами, впрочем, судя по статистике продаж, и их в России у рядовых граждан осталось не слишком много.

Итак, необходимо понять, почему двигателестроение почти во всем мире пришло к подобному знаменателю. Остались еще, конечно, мастодонты, но все они далеко, за океаном. Несмотря на врожденную тягу к классической схеме V8 и соответствующим объемам, даже американцы начинают понемногу хитрить, применяя на своих HEMI и Vortec схемы вроде Multi Displacement System и Active Fuel Management, отключающие половину цилиндров при умеренных нагрузках. Ну а чтобы угодить и нашим, и вашим (в смысле экологам), GM одно время выпускал Cadillac Escalade Hybrid. Этот факт можно рассматривать скорее в качестве курьеза, однако на данном примере становится очевидным, насколько преуспело экологическое лобби, в том числе и на родине демократии.

Ну а Европа с Азией пошли в своем направлении. Иногда эти направления совпадали, иногда нет. Бывало, идеи шли из далекой Японии, шлифовались в Германии и отправлялись обратно. Вспомнить хоть хондовский VTEC и систему Vanos от BMW. Подобное же произошло и с попытками ввести послойное смесеобразование с помощью форкамер, и с прямым впрыском GDI, за доработку которого сразу же принялся вездесущий Bosch. Однако не будем валить все в одну кучу и начнем по порядку.

Увеличение литровой мощности мотора поначалу, в 90-х, велось скорее для улучшения потребительских качеств автомобилей, понятно ведь – чем выше мощность, тем больше возможностей. Мощный автомобиль удобнее, быстрее и даже безопаснее, а об уровне токсичности и вредном выхлопе узнали чуть позже. Но в любом случае у европейских и азиатских инженеров уже была фора, поскольку даже тогда стоимость топлива в странах данного региона была несопоставима с американской.

Поэтому сначала обычные моторы обзавелись многоклапанной системой газораспределения – клапанов стало четыре на цилиндр, были варианты и с пятью клапанами и у Volkswagen Group, и у Toyota, но сейчас уже стоит констатировать, что они не прижились. Наполнением цилиндров и своевременной продувкой мощность удалось поднять весьма прилично, и сие было первым шагом.

Систему VTEC изначально создала компания Honda для модели Civic, предложив потребителю как бы два мотора в одном: экономичный, «лошадок» на 80, функционирующий в малых и средних рабочих диапазонах, и мощный, 150–185 л.с., в зависимости от года выпуска, работающий на высоких оборотах. При объеме в 1595 куб. см данные характеристики даже сейчас представляются более чем серьезными. Так как такого удалось достичь? А решение получилось простым и относительно недорогим. При 16-клапанной схеме мотор B16 имел два распредвала и два набора кулачков на нем: экономичные и мощностные. Мощностные были выше профилем и располагались рядом. В обычном режиме открывались один впускной и два выпускных клапана на определенную высоту. С ростом оборотов давление в системе смазки повышалось, и при достижении примерно 5000 об/мин обычное гидравлическое приспособление сдвигало распредвалы вдоль своей оси, и двигатель переходил в мощностной режим работы – все клапаны открывались на полный профиль. Казалось бы, чего проще, однако подобная система появилась на автомобиле только в 1989 году.

Система VTEC дорабатывалась всеми, в том числе и самой компанией Honda, время от времени меняя название и давая бонусы в разных рабочих диапазонах, но суть осталась прежней – в зависимости от режима работы по максимуму получать отдачу. Время шло, и приоритеты менялись, теперь во главу угла ставились экологические нормы, мощность перестала быть самоцелью, а временем и углом открытия клапанов стали играть уже для достижения иных результатов – полного сгорания рабочей смеси и уменьшения токсичности выхлопа.

Но даже с точки зрения механики, не говоря уже о системах питания и зажигания, в ДВС можно было много чего доработать. Следующим шагом, который серьезно улучшил характеристики моторов и даже увеличил КПД, стало использование в конструкции газораспределительного механизма фазовращателей. Поначалу, конечно, все опять погнались за мощностью и, предпочитая не перегружать мотор, устанавливали фазовращатель лишь на впуск – великолепный 2,3 MZR DISI TURBO от компании Mazda тому пример. Однако только мощностью экологов не задобрить, поэтому вскоре фазовращатель появился и на выпуске, а подобные ДВС смогли уложиться в более строгие экологические нормы. World Engine 4G64 от компании Mitsubishi тому пример, он до сих пор используется огромным количеством автопроизводителей, хотя разрабатывался довольно давно. Вот что значит работать на перспективу!

Совершенно понятный с экологической точки зрения посыл – снять как больше «лошадей» с минимального количества топлива – находил все новые воплощения в металле. Как это возможно? Да нужно просто увеличить степень сжатия, избежав при этом детонации. Есть два разных пути – прямой впрыск и наддув, а соединив обе разработки вместе, получим вообще идеал экономии в отдельно взятом ДВС. Так-то оно так, но и здесь опять возникли сложности. Пионером прямого впрыска стала компания Mitsubishi, справедливо рассудившая, что, если заставить работать мотор на обедненной смеси, тот будет кушать меньше бензина. В принципе, это очевидно. Старые наработки от Honda – те же форкамерные системы питания с послойным смесеобразованием – взяли за основу. Идея простая – вокруг свечи богатая смесь, которая своевременно поджигается и заставляет загореться остальную смесь в камере сгорания – бедную, с гораздо меньшим соотношением топлива к бензину, нежели стехиометрическая. И это сработало! Первые GDI были чрезвычайно экономичны, обладали серьезным крутящим моментом почти во всем диапазоне оборотов и выдающейся мощностью. По сути, тот же 4G93, который устанавливался на модель Legnum для внутреннего рынка, при объеме 1,8 литра имел мощность 170 л.с. и выдающуюся экономичность. Просто здорово! Но не забываем про экологов, господа. Они всегда готовы выпрыгнуть как чертик из табакерки в самое неподходящее время. Выяснилось, что при работе на обедненной смеси двигатель выделяет слишком много оксидов азота, с которыми не справляются обычные катализаторы. Японцы разработали под свой GDI оригинальный катализатор, но тот, как оказалось, моментально убивает сера, повсеместно содержащаяся в бензине. Даже в благополучной Европе содержание серы превышает допустимое, поэтому MMC оставила свои моторы Gasoline Direct Injection лишь для внутреннего применения, где нормы по вредным примесям в топливе устраивают катализатор.

За доработку прямого впрыска взялись сразу всем миром, поскольку стало ясно, что это направление весьма перспективно. В конце концов пришли к тому, что послойное смесеобразование – идея не самая удачная, хотя и соблазнительная. Больших успехов добился Bosch со своим Di-Motronic. Ну как успехов… Характеристики, конечно, ухудшились и в плане экономичности, и в плане мощности. По сути, атмосферник GDI по литровой мощности почти соответствует надувному агрегату с Di-Motronic. Как я уже сказал, от послойного смесеобразования отказались и применили другую схему наполнения камеры сгорания. Форсунки начинали работать практически с самого начала такта сжатия, осуществляя ряд инъекций в цилиндр, обычно шесть, так что к моменту подхода поршня к ВМТ бензиновоздушная смесь перемешивалась и становилась практически гомогенной. Какую-то экономию по сравнению с распределенным впрыском это дало, однако не ту, на которую все изначально рассчитывали. Собственно, иногда распределенный впрыск последнего поколения дает как минимум не худшие результаты, вспомнить хоть двигатели современных «Лексусов», на каждый цилиндр которых работают по две форсунки – прямого и распределенного впрыска, в зависимости от ситуации.

Ну а теперь о принудительном наддуве воздуха в цилиндры. На нынешнем этапе такой показатель, как мощность, не ушел пока на самый последний план, но потихоньку к нему приближается – постоянно повышающиеся требования по чистоте выхлопа вынуждают автопроизводителей уменьшать объем силовых агрегатов. Эта модная тенденция хорошо описывается таким термином, как даунсайзинг. Резоны опять же понятны – маленький, но мощный мотор очень редко загружен полностью, особенно в городе, поэтому, дабы заполнить его горючей смесью, топлива требуется меньше. Существуют, конечно, и исключения из правил, куда без них, вспомнить хоть недавно разработанный HEMI 6.2 Compressor мощностью 715 л.с., но это там, в США, в Европе себе таких капризов не позволяют.

«Так что же плохого в даунсайзинге?» – спросите вы. Да есть и тут отрицательные моменты, причем не факт, что их меньше, нежели положительных. Возьмем, к примеру, серию моторов TSI. В зависимости от целей его легко перенастроить под определенную мощность. Можно использовать реально двойной наддув, как в пиковых случаях, – например, на Skod`e Fabia RS стоит мотор объемом всего 1,4 л, но разогнанный до неприличных 190 л.с., – а можно оставить одну турбину для бытовых машин, понизив мощность до 122 л.с., – VW Golf или Skoda Octavia. Во всех случаях, если ознакомиться с ТТХ, а потом проверить их на практике, и вправду становится ясно, что такие двигатели весьма экономичны. Поработали над ними, конечно, на славу: тут тебе и прямой впрыск, и наддув, в некоторых случаях двойной, и маленький объем при сохранении достойного крутящего момента и мощности. Живи и радуйся!

Но на данное чудо техники можно посмотреть и под другим углом. С литровой мощностью все ясно, а в чем выразить возросший уровень нагрузки на мотор? Существует такое оценочное понятие, как «среднее эффективное давление»: это отношение полезной работы к рабочему объему двигателя. На олдскульных долгоиграющих силовых агрегатах прошлого века и начала века нынешнего оно составляло 0,6–0,8 МПа, а у нынешних бензиновых ДВС оно уже 1,4–1,6 МПа, а дизели могут вообще похвастаться 2,5–3,0 МПа. То есть из этих цифр следует то, что под давлением экологов «среднее эффективное давление» выросло в два и более раза, как и нагрузки на кольца, поршни, клапаны, кривошипно-шатунный механизм, да на все почти. Может быть, моторы серии TSI делают ныне из титана и космических сплавов, дабы компенсировать все эти нагрузки? А вот и нет. В условиях массового производства главное – дешевизна, так что материалы по сравнению с добрыми старыми временами если и изменились, то только в худшую сторону. Тем паче появилась новая модная наука – маркетинг, помогающая автопроизводителям набивать карманы, а автолюбителям, напротив, облегчать. Алюминиевые блоки цилиндров хуже по целому ряду параметров, но ныне используются только они. Хорошо, если гильзованные, обычно с напылением. Если разобраться, то у алюминиевого блока лишь одно достоинство в сравнении с чугунным – вес, все остальное минусы: жесткость, теплоотдача, износостойкость и т.д. Но коли миром теперь правят экологи, именно вес – решающий параметр.

Насколько все плохо? Давайте ознакомимся с оценками экспертов. Хуже всех пришлось кривошипно-шатунному механизму – в зоне максимального риска коренные, шатунные вкладыши и коленвал. Почему? Мотор стал меньше, коленвал короче, соответственно и его шейки тоже, а нагрузки выросли в два раза (грубо). Если банально сравнить два мотора одинаковой мощности: классической схемы (без всех наворотов) и современные даунсайзинговые тарахтелки, в зависимости от модели, рост нагрузки может составлять от 30 до 45%, а вот с износом дело обстоит хуже. По средним оценкам, износ вкладышей и шеек коленвала увеличился на 50–60%. Почему? Все просто – разрыв масляной пленки – и гидродинамический подшипник таковым уже не является, а работает банально на трение. Стоит заметить, что испытания проводились на масле, рекомендованном для двигателей прошлого поколения, горячей вязкостью 14 сантистоксов – примерно 40 общепринятых единиц, а это значит… Что, если залить в даунсайзинговый мотор маловязкое экологическое масло вроде 0W20, разрыв масляной пленки произойдет еще раньше. С поршнями и кольцами ситуация с точки зрения механических нагрузок полегче, но как оценить возросшие тепловые нагрузки? В общем, если сложить все вместе, то получится предположить примерный срок жизни даунсайзинговых ДВС: 150 000–200 000 км, и это при всем идеальном: бензине, обслуживании и режиме эксплуатации, собственно, практикой эта картина полностью подтверждается.

Еще один момент – запас прочности, о котором нельзя забывать. На самые ответственные детали вроде коленвала, шатунов и поршней всегда давался приличный запас прочности – порядка плюс 60–70% от максимальных нагрузок. Кстати, не так уж это и много, особенно учитывая, что человек за рулем способен создать любую экстремальную ситуацию в зависимости от своих способностей и умственного развития. Но сейчас так уже не делают, поскольку запас прочности – это лишний размер и вес, что на данном этапе совершенно неприемлемо. Поэтому по результатам независимых исследований выяснилось, что ныне запас прочности весьма невелик – всего 5–10% в плюс от максимальных нагрузок. Так что использовать современные моторы «на все деньги» – занятие рискованное, коли уж такой важный параметр лишь слегка превышает уровень погрешности измерений. В общем, конструкция силового агрегата стала значительно нежнее и на порядок требовательнее к обслуживанию и расходным материалам.

То, о чем мы сегодня поведали, всего лишь часть современных тенденций в области моторостроения. Существуют и принципиально иные схемы снижения уровня токсичности, и моторы на тяжелом топливе, у которых свои, не менее важные проблемы. Но об этом мы расскажем в следующий раз.