Gaznaauto Сайт про автомобили
Так уже повелося, що кожне нове покоління автомобілів стає трохи більшим за попереднє. І це зрозуміло: всім потрібні комфорт і простір у салоні. Але рости нескінченно машини не можуть, тому в жертву комфорту часто приносять розмір моторного відсіку. Але ось що дивно: ще років п’ятнадцять тому двигун об’ємом 2,5 літра був зазвичай у компонуванні V6, а зараз він частіше буває звичайною рядною «четвіркою». Тобто, об’єм мотора залишається колишнім, а його габарити — зменшуються. Або навіть так: об’єм зростає, а габарити — ні. Як цього домоглися провідні світові моторобудівники, і чому цей технічний прогрес обійшов стороною наші рідні ВАЗи?
Великі зсередини, маленькі зовні
Цікаві метаморфози об’єму можна простежити на прикладі «довгоживучих» сімейств двигунів, що мають прямих «спадкоємців». Наприклад, «родовід» фольксвагенівського сімейства моторів ЕА888 простежується від моторів сімейства EA827, які в 1972 році мали об’єми від 1,3 літра. Приблизно до 1996 року мотори цього сімейства «виросли» до двох літрів.
Той самий блок циліндрів став базою для сімейства EA113. У цих моторів з’явилися п’ять клапанів на циліндр і навіть безпосереднє впорскування, але збереглася міжциліндрова відстань у 88 міліметрів. Для моторів EA888 блок циліндрів був серйозно перероблений для використання ланцюгового ГРМ, але при цьому він зберіг колишні габарити. Ба більше, термін «даунсайз» стосувався від самого початку саме цього сімейства моторів: під час анонсу двигуна ЕА113 з п’ятьма клапанами на циліндр і турбонаддувом уперше вжили термін, який став знаковим на наступні два десятиліття. Щоправда, єдиним послідовником «даунсайзу» Volkswagen залишався недовго.
Обсяги моторів V6 Mitsibishi 6G7 зросли з двох і трьох літрів на 6G71/6G72 до 3,5 і 3,8 літрів відповідно у моторів серій 6G74/6G75. Щоправда, зробили це трохи швидше — не з 1972 року, а з 1986-го.
Приблизно схоже зростання об’ємів за майже незмінної конструкції блоків циліндрів демонструють і знамениті V6 від Nissan серії VG і VQ, які збільшилися в об’ємі від двох-трьох у 1984 році до 3,7-4 літрів у 2005-2007 роках. Зростання робочого об’єму за однакового розміру блоку вийшло навіть більшим, ніж у Фольксвагена.
Аналогічні зміни відбулися з багатьма іншими моторами початку двотисячних років. Зростання літрового об’єму на 25% за незмінного розміру блоку — це дуже багато. То як же вдалося домогтися таких результатів? Звичайно ж, завдяки збільшенню діаметра циліндра і ходу поршня. А ось якою ціною — питання складне.
Теоретично надійно
Збільшити діаметр циліндра (іншими словами — «розточити» мотор) — рішення далеко не нове. Ось тільки при серійному виконанні воно потребуватиме щонайменше виконання цілої низки умов. І список завдань перед конструкторами стоїть досить серйозний: потрібно в обов’язковому порядку забезпечити рівномірне охолодження циліндрів, достатню жорсткість блоку і надійність газового стику з ГБЦ. Ну і бажано передбачити можливий ремонт блоку, помітно ускладнений зменшенням розміру міжциліндрової перемички.
Питання з ремонтними розмірами вирішують елементарно: від них просто відмовляються. Ставку при цьому роблять на сучасні матеріали гільз циліндрів, які зазвичай мають високу зносостійкість або теоретично взагалі не зношуються. Дійсно, алюсилові та нікасилові блоки можуть прослужити до пробігів мало не в мільйон кілометрів. Щоправда, тільки за відсутності пошкоджень поршневої групи. Навіть чавунні гільзи можуть бути вкрай міцними, і мотори з ними цілком можуть пробігти до значного зносу півмільйона кілометрів. Згадують про необхідність ремонтних розмірів у разі зносу циліндрів від абразиву внаслідок неправильної роботи поршня. Ще одна рідкісна причина необхідності ремонту — зміна геометрії циліндра при збереженні структури поверхні. Відбувається це через високий ступінь форсування робочого процесу, полегшення деталей або перегріву.
І все ж за високої якості складання мотора, відсутності несправностей і виражених конструктивних прорахунків ремонтні розміри не дуже потрібні. У всякому разі, так себе заспокоюють розробники, відмовляючись від них зовсім або залишаючи буквально один мінімальний.
Зменшення міжциліндрової перемички до мінімуму вимагає відмови від каналів охолодження між циліндрами в класичному вигляді та збільшення в цій зоні жорсткості матеріалу блоку. На сучасному рівні розвитку технологій моделювання теплових і гідродинамічних процесів ця проблема цілком вирішувана. І якщо раніше намагалися свердлити канали між циліндрами, то зараз питання охолодження вирішують оптимізацією потоків охолоджувальної рідини, формою поршнів і масляним охолодженням поршнів. У разі використання алюмінієвих блоків циліндрів на ситуацію благотворно впливає і його висока, порівняно з чавуном, теплопровідність.
Ну і, звісно ж, помітно збільшилися вимоги до якості виливок блоку і якості матеріалу гільз, внаслідок чого за мінімальної товщини вони мають витримувати значні теплові та механічні навантаження.
Тонка міжциліндрова перемичка призводить до зниження надійності газового стику і погіршення геометрії циліндра у верхній частині після обтиску прокладки. Але тут виручають прокладка ГБЦ з металопакета, а високе зусилля на стику завдяки використанню високоміцних болтів і встановлення на «доворот» з програмованим зусиллям витягування болтів. Все це дає змогу забезпечити надійність навіть за високого ступеня форсування моторів.
У серійному виробництві максимально допустимі діаметри циліндрів стали використовувати у двохтисячні роки. До цього часу такі рішення зустрічалися тільки тільки на рідкісних спортивних моторах.
Довше — краще
Другий складник у справі збільшення робочого об’єму — це збільшення ходу поршня. І тут теж є свої складнощі. Хоча б тому, що поршень має бути максимально компактним, з мінімальною компресійною висотою для збереження оптимальної довжини шатуна (так званого R/S ratio), з мінімальною довжиною спідниці, щоб вона не зачіпала за противаги колінвала в НМТ. Діаметри поршневого пальця і шатунної шийки колінчастого вала мають бути мінімальними для зменшення габаритів нижньої голівки шатуна, забезпечення мінімальної компресійної висоти поршня і максимального радіуса кривошипа. Утім, «довгохідні» мотори давно завоювали право на життя, і майже всі сучасні конструкції належать саме до цього типу.
Для забезпечення максимального радіуса кривошипа за тих самих габаритів картера і блока максимально збільшують колінвал, а в разі досягнення граничних розмірів намагаються зменшити діаметр шатунних шийок. Усе це можливо тільки в разі підвищення якості лиття або в разі встановлення кованого колінвала замість литого.
Також допомагають конструктивні заходи — наприклад, оптимізація форми внутрішніх каналів колінвала. Поки що такі експерименти проводять обережно, і хіба що на моторах з дуже маленьким картером доводиться відмовлятися від противаг для оптимізації навантажень на колінвал.
Співвідношення довжини шатуна до ходу поршня, що позначається в англомовних джерелах як R/S, впливає на механічний ККД мотора, бічне навантаження на поршень, на якість наповнення циліндра і роботу ГРМ. Вважається, що оптимальним з усіх точок зору є співвідношення 1,75. У разі збільшення коефіцієнта робота поршня стає ефективнішою, але знижуються потужностні параметри, а менший коефіцієнт призводить до збільшення зносу поршня і циліндра, а також до зростання бічного навантаження на сам шатун.
Для забезпечення максимального радіуса кривошипа шатун зазвичай доводиться вкорочувати, дещо погіршуючи механічний ККД мотора. За умови оптимізації форми поршня, поліпшення змащення і якості поршневої групи прийнятний ресурс все ж таки можна забезпечити, і сучасні методи проєктування дають змогу мінімізувати негативні чинники та зберегти ресурс навіть за умови R/S зі співвідношенням менше ніж 1,55.
Перехід на Т-подібні поршні в масовому двигунобудуванні стався ще в дев’яності роки. Але зробити його ще меншим і легшим намагаються і сьогодні. Ці спроби зазвичай впираються в проблеми забезпечення терморежиму поршневих кілець через зниження висоти жарового пояса.
Оптимізація форми і матеріалу шатуна дають змогу зробити його меншим, водночас підвищивши запас його міцності, необхідний під час зменшення R/S.
Втім, довгохідному двигуну з низьким R/S міцний шатун теж не завадить, але тут зазвичай можна обійтися налаштуванням системи управління двигуном для зниження пікових навантажень і збільшення міцності деталі за рахунок зміни технології виготовлення.
Ну а можливому збільшенню робочого об’єму моторів сприяє і перехід на закритичні алюмінієві сплави для поршнів і блоків циліндрів, що знижує зазори ЦПГ.
Думаю, тепер зрозуміло, як сучасні мотори з робочим об’ємом 2,0-2,5 літра «упаковують» у блоки розміром з 1,6-літровий мотор 80-90-хх років. Але давайте тепер подивимося, а чи може вийти щось подібне з моторів ВАЗ?
А у ВАЗ?
Відповімо відразу — теоретично, так. Міжциліндрова відстань у моторів ВАЗ для передньопривідних машин становить цілих 89 мм, що на міліметр більше, ніж у фольксвагенівських ЕА113. Діаметр циліндра при цьому дорівнює 82 мм, а хід поршня — 84 мм. Виходить робочий об’єм в 1,8 літра. У Volkswagen, нагадаю, 82,5 х 92,8 дають робочий об’єм у два літри, а у мотора об’ємом 1,8 л розмірність 81 х 86,4 мм. Щоправда, шатун на VW 2,0 20v має міжцентрову відстань 144 мм, а на вазівському моторі 1,8 л шатуни використовуються вже досить короткі — 128 мм. Як наростити об’єм до двох літрів? Можна поставити колінвал із діаметром кривошипа 94,7 мм, зберігши діаметр циліндра. Втім, блок циліндрів ВАЗ під час тюнінгу здебільшого можуть розточити до 84 мм, тож можна обійтися колінвалом із діаметром кривошипа 90,2 мм.
Наразі серед тюнінгових запчастин для моторів ВАЗ можна знайти колінвали з діаметром кривошипа до 86 мм з шийкою 41,5 мм та 84-міліметрові поршні, що дає робочий об’єм у 1,9 літра. Великі діаметри колінвалу не мають попиту, бо «майже серійний» мотор виробництва ЗАТ «Супер-Авто» 21128 1,8 виявився не дуже вдалим, відзначившись великою витратою мастила та малим ресурсом. Провал цього мотора пояснили не низькою якістю збірки, а зменшеною довжиною шатуна. Втім, поки що новий серійний мотор 21179, який навіть встигли форсувати для Вести Спорт, наочно показав, що R/S абсолютно ні до чого, і проблема була, зважаючи на все, саме в невдалому доборі матеріалів та/або поганій якості збірки.
Вніс свою лепту і серійний колінчастий вал моторів ВАЗ, який критикують за брак міцності. Фольксвагенівський колінвал помітно міцніший, і діаметр його шатунних шийок навіть у найпізніших версій становить 48 мм проти 41,5 у ВАЗ. Німецький колінвал розрахований на крутильний момент понад 350 Нм, але у випадку з атмосферним вазівським мотором можна обійтися меншим запасом міцності.
Що в підсумку?
«Розточити» наявний вазівський мотор — можливо. Однак це не вдасться зробити малою кров’ю: знадобиться подальше зростання висоти блоку циліндрів, бо наявний блок висотою 197,1 мм для збільшення робочого об’єму замалий. Переробка такого роду принципово можлива, а отже, можливе і зростання потужності вазівських моторів, що особливо актуально для нових Ниви і Вести.
