Основные автомоторные термины, англо-русский перевод:
Двигатели внутреннего сгорания (схемы). Ликбез. Рядный? V-образный? "Оппозит"?
В начале XX века, когда конструкторская мысль бушевала вовсю, двигатель рабочим объемом 10 л мог быть как одноцилиндровым, так, к примеру, и рядной "восьмеркой". Тогда никого особо не удивляли установленная на автомобиле рядная "шестерка" объемом 23 л или семицилиндровый звездообразный мотор с аэроплана...
Силы инерции от двух масс, вращающихся на одном валу поодаль друг от друга,создают свободный момент. Однако рост мощностей, оборотов и ожесточенная борьба за снижение себестоимости все расставили по местам. Простейший одноцилиндровый мотор для автомобилестроителей остался в далеком прошлом. Средний объем цилиндра двигателя обычного автомобиля сейчас — от трехсот до шестисот кубических сантиметров (плюс-минус сто "кубиков" в исключительных случаях вроде трехцилиндровой мотоколяски Smart или рядной 4,5-литровой "шестерки" внедорожника Nissan Patrol). Литровая мощность — от 35 л. с./л для безнаддувного дизеля до 100 л. с./л для форсированного бензинового мотора. Для серийных двигателей это оптимум, выходить за рамки которого просто невыгодно.
В простейшем моторе есть свободные силы инерции, но нет моментов. Цилиндр-то один! Сегодня двигатель мощностью 100 л. с. будет четырехцилиндровым, двухсотсильный будет иметь четыре, пять или шесть цилиндров, трехсотсильный — восемь...
Но как эти цилиндры расположить? Иными словами — по какой схеме строить многоцилиндровый двигатель?
Простота хуже компактности
Рядный трехцилиндровый горизонтальный мотор микроавтобусов Subaru серии Е (рабочий объем — 1,0 или 1,2 л) снабжен балансирным валом. О чем болит голова у конструктора? Во-первых, о том, как упростить конструкцию двигателя, чтобы он был дешевле в производстве и легче в обслуживании.
Самый простой двигатель — рядный (мы будем обозначать такие двигатели индексами R2, R3, R4 и т. д.). Располагаем в ряд нужное количество цилиндров — получаем необходимый рабочий объем.
Двух- и трехцилиндровые двигатели встречаются на автомобилях нечасто, и рядные в том числе. Зато рядная "четверка" попала в самый массовый диапазон рабочего объема легковых автомобилей — от 1,0 до 2,3 л.
Пятицилиндровые рядные моторы появились на серийных автомобилях недавно — в середине 70-х годов. Первым был Mercedes-Benz со своими дизельными "пятерками" — они появились в 1974 году (на модели 300D с кузовом W123). Через два года увидел свет пятицилиндровый двухлитровый бензиновый двигатель Audi. А в конце 80-х годов такие моторы сделали Volvo и FIAT.
Рядные "шестерки", до недавнего времени столь популярные в Европе, нынче во мгновение ока стали вымирающим видом. А про рядную "восьмерку" и говорить нечего — с ней практически распрощались еще в 30-х годах. Почему?
Ответ прост. С ростом числа цилиндров двигатель становится длиннее, и это создает массу неудобств при компоновке. Например, втиснуть поперек моторного отсека переднеприводного автомобиля рядную "шестерку" удавалось в считанных случаях — можно припомнить лишь английский Austin Maxi 2200 середины 60-х годов (тогда конструкторам пришлось спрятать коробку передач под двигателем) и новейший Volvo S80 с суперкомпактной КПП.
Двигатель R3.
Угол между кривошипами — 120 град. Как укоротить рядный мотор? Его можно "распилить" пополам, поставить две половинки рядом друг с другом и заставить работать на один коленвал. Такие моторы, у которых цилиндры расположены в виде латинской буквы V, вдвое короче рядных — наибольшее распространение получили двигатели с углом развала блока 60 о и 90 о. А V-образный мотор с углом развала блока 180 град., в котором цилиндры расположены друг против друга, называют оппозитным (или "боксером" — обозначения В2, В4, В6 и т. д. происходят именно от слова boxer).
Добиться равномерности вспышек в таком двухцилиндровом двигателе можно только при двухтактном цикле. Такие моторы сложнее рядных — например, у них две головки цилиндров (каждая со своей прокладкой и коллекторами), больше распредвалов, сложнее схема их привода. А оппозитные двигатели еще и занимают много места в ширину. Поэтому из компоновочных соображений они применяются довольно редко — производителей "боксеров" можно пересчитать по пальцам.
А такой мотор, например, стоит на Оке.
Поршни движутся синфазно. А как сделать V-образный двигатель еще компактнее? Одно из простых, на первый взгляд, решений — сделать угол развала блока менее 60 град.. Действительно, такие моторы были, но редко — можно вспомнить, например, автомобили Lancia Fulvia 70-х годов с моторами V4, угол развала блока которых составлял 23 град. Почему же этим не пользовались все? Дело в том, что перед конструктором двигателя всегда стоит еще одна проблема — вибрации.
О силах и моментах
Отчего происходят вибрации? Во-первых, в некоторых схемах двигателей вспышки в цилиндрах происходят неравномерно. Таких схем конструкторы по возможности избегают или стараются делать массивней маховик — это помогает сгладить пульсации крутящего момента.
Во-вторых, при движении поршней вверх-вниз они то разгоняются, то замедляются, из-за чего возникают силы инерции — они сродни тем силам, что заставляют пассажиров автомобиля кланяться при торможении или вдавливают их в спинки сидений при разгоне.
В-третьих, шатун в двигателе движется вовсе не вверх-вниз, а совершает сложное движение. Да и возвратно-поступательное перемещение поршня от верхней мертвой точки к нижней тоже нельзя описать простой синусоидой.
Поэтому среди сил инерции появляются составляющие с удвоенной, утроенной, учетверенной частотой вращения коленвала... Этими так называемыми силами инерции высших порядков, как правило, пренебрегают — они по сравнению с основной силой инерции (которой присвоили первый порядок) очень малы. Исключение составляют силы инерции второго порядка, с которыми приходится считаться.
Плюс к этому, пары сил, приложенные на определенном расстоянии, образуют моменты — так происходит, когда в соседних цилиндрах силы инерции направлены в разные стороны.
Что сделать для того, чтобы уравновесить силы и моменты? Во-первых, можно выбрать схему мотора, в которой цилиндры и кривошипы коленчатого вала расположены таким образом, что силы и моменты взаимно уравновесят друг друга — всегда будут равны и направлены в противоположные стороны.
Пятицилиндровый турбодизель Fiat TD 125 объемом 2387 куб.см образован путем добавления одного цилиндра к 1,9-литровой "четверке" TD 100. Балансирный вал — слева, в нижней части картера. А если ни одна из уравновешенных схем не подходит — например, из компоновочных соображений? Тогда можно попытаться по-другому расположить шейки коленвала и применить всякого рода противовесы, создающие силы и моменты, равные по величине, но противоположные по направлению основным уравновешиваемым силам. Иногда это можно сделать, разместив противовесы на коленчатом валу мотора. А иногда — на дополнительных валах, которые называют балансирными валами противовращения. Называются они так потому, что крутятся в другую сторону, нежели коленвал. Но это усложняет и удорожает двигатель.
Под каким углом расположить кривошипы коленвала рядной "пятерки"? 360 град. делим на пять... Правильно — 72 !
О ПОРШНЯХ. Хорошие поршни для хороших моторов
Хрулев Александр Эдуардович. Выпускник Московского авиационного института (факультет двигателей), кандидат технических наук, старший научный сотрудник, член Союза журналистов России. Он является автором знаменитой книги «Ремонт двигателей зарубежных автомобилей». Книга издавалась всего один раз, в 1998 году, небольшим тиражом, и мгновенно стала бестселлером, завоевала огромную популярность среди специалистов и стала поистине «настольной книгой российского автосервиса». В ближайшее время А.Э. Хрулев планирует новое дополненное издание своей книги.
Что нужно для того, чтобы двигатель работал тихо, «не ел» масло, развивал высокую мощность и при этом еще и служил долго? Без сомнения, для этого необходимо, чтобы в двигателе стояли хорошие поршни. А что такое хорошие поршни? Это какие-то импортные поршни, от известной на весь мир фирмы, или, может быть, кованые, «со смещенным пальцем»? А какие еще есть, может, они-то как раз и нужны? В общем, «дело темное», особенно, когда выбор велик — глаза так и разбегаются. А тут еще и советчики: «Бери вот эти, они лучше!» Только чем лучше — толком сказать не могут, но зато в Интернете читали… Возьмем на себя смелость восполнить этот пробел и найти то место, «где собака зарыта». Для этого попробуем сравнить разные поршни, которые встречаются в моторах. Итак…
...литые поршни — условное название, показывающее, что заготовкой поршня является отливка. Такие отливки обычно получают, используя специальную разборную форму, которая называется «кокиль». Литье в кокиль распространено в массовом производстве, где с помощью одной формы можно получить многие тысячи поршней весьма сложной формы, но стабильного качества. Так, литые поршни могут иметь довольно сложную конструкцию: со стальными терморегулирующими пластинами, чугунными вставками канавки верхнего кольца (последняя характерна для дизелей, где, вследствие высоких давлений, канавка без вставки быстро разбивается). В соответствии с этим именно литье позволяет минимизировать массу поршня, сделать при этом всю поршневую группу максимально долговечной. Подавляющее большинство двигателей массового производства имеет именно такие поршни. При этом мировое двигателестроение давно работает в режиме разделения труда, так что поршни как для конвейерной сборки, так и в запчасти изготавливают, как правило, специализированные фирмы, а вовсе не сами автопроизводители.
Из известных производителей поршней отметим немецкие MAHLE, KOLBENSCHMIDT и NURAL, английскую АЕ, американскую SEALED POWER, хотя в мире их намного больше. У нас в России такие фирмы тоже есть, к примеру, костромская фирма «Мотордеталь» или самарская СТК. Отсюда следует два принципиальных момента. Так называемые «оригинальные» поршни ничем, кроме цены, не отличаются от «неоригинальных», если они сделаны на одном и том же заводе. Такая ситуация характерна для многих немецких автомобилей: бессмысленно гоняться за дорогими «оригинальными» поршнями якобы высшего качества — абсолютно такие же поршни, как правило, можно купить в упаковке производителя этих поршней. С другой стороны, главные производители поршней, перечисленные выше, могут и не являться поставщиками на конвейер для тех или иных марок и моделей автомобилей. В таком случае, в зависимости от марки, «неоригинал» оказывается ничуть не хуже, а в некоторых случаях и лучше самого «оригинала». И такие примеры есть. Взять хотя бы наш ВАЗ. Неудивительно поэтому, что «неоригинальные» поршни той же MAHLE для ВАЗовских моторов по качеству оказываются лучше, да и ходят дольше. Аналогичная ситуация встречается и на некоторых иномарках. Поршни для двигателей массового производства долговечны и надежны потому, что проходят целую цепь технологических процедур, прежде чем попадут в двигатель. К примеру, после того как поршень спроектирован в конструкторском отделе той или иной фирмы, он отрабатывается на испытаниях, его конструкция всесторонне проверяется, а в чертежи вносятся необходимые изменения. Такая доводка — дело долгое, кропотливое и дорогое. И именно по этой причине многие автопроизводители делегируют эту работу специализированным компаниям: у последних и опыта в поршневом деле побольше, и экспериментальная база для испытаний нередко оказывается посерьезней. Побогаче у «специалистов» и технологические возможности, особенно в деле создания новых опытных конструкций поршней. Ведь не секрет, что многие новинки, среди которых различные материалы, технологии отливки, способы компенсации теплового расширения и охлаждения, покрытия, были в свое время разработаны и доведены именно в специализированных поршневых компаниях. Не удивительно, что и небольшие опытные партии поршней для различных эксклюзивных моторов — это своего рода «конек» именно специализированных поршневых фирм. Доведенная до совершенства технология литья поршней для массового производства не слишком хорошо подходит для высокофорсированных двигателей малых серий, в том числе спортивных. Основной недостаток отливки — сравнительно невысокая прочность материала, которую не удается полностью скомпенсировать различными конструктивными мероприятиями. Именно поэтому при небольших сериях для высоконагруженных поршней используют другие способы получения заготовок, обеспечивающие более высокую прочность материала. Кованые поршни как раз и обладают искомыми прочностными характеристиками. Процесс ковки приводит к пластическому деформированию алюминиевого сплава и созданию очень плотной мелкозернистой структуры с повышенной прочностью: в среднем прочность материала после ковки получается выше на 20-30%, чем после литья. Тем не менее, кованые поршни имеют и недостатки. Процесс ковки предполагает очень большие усилия деформирования исходной заготовки, что требует применения многотонных прессов. Кроме того, получаемая заготовка должна иметь простою форму без поднутрений, иначе ее нельзя будет снять с деталей штампа (пуансона или матрицы). В результате этого минимизировать массу кованого поршня очень трудно, объем дополнительной механической обработки получается чрезмерно большим, а коэффициент использования материала пониженным. В дополнение ко всему, кованый поршень невозможно сделать с пластинами или вставками, что ограничивает область его применения. И, наконец, процесс ковки менее производительный и более дорогой, что не позволяет использовать кованые поршни в массовом производстве. Как видим, недостатков у кованых поршней более чем достаточно. Но все они оказываются несущественными, если правильно определена область применения поршней. И здесь тоже не без хитростей. Очевидно, нет смысла устанавливать кованые поршни на стандартный двигатель в надежде на то, что повышенная прочность — это и повышенный ресурс. К сожалению, такое заблуждение почему-то свойственно многим счастливым обладателям отечественных автомобилей. Видимо, кто-то когда-то запустил такую «утку», которая и пошла гулять (или летать, если хотите) по свету, заморочив не одну горячую голову. Но истина в обратном — несмотря на высокую прочность, ресурс кованых поршней обычно невелик, как невелик ресурс и всей цилиндропоршневой группы в целом, что вполне закономерно. Чтобы разобраться в причинах этого явления, посмотрим вначале, кто производит такие поршни. Нередко это небольшие специализированные фирмы, охватывающие рынок деталей на спортивные и тюнинговые моторы. Сравнить их возможности с гигантами поршневой индустрии трудно. Поэтому в продаже можно увидеть довольно «сырые», с точки зрения конструкции, изделия, которые просто физически не могли пройти такого большого цикла доводочных испытаний, какие предшествуют массовому производству. Такие вещи, как оптимизация профиля юбки по результатам испытаний с целью снижения удельных нагрузок на стенку цилиндра и т. д. и т. п. — это все недоступно. Какой уж тут ресурс! Посмотрев на некоторые кованые изделия опытным взглядом, легко обнаружить и откровенные конструкторские ошибки, слабые места. Те, кто работал с такими поршнями, знают, что у отдельных образцов ресурс в хорошо форсированном моторе редко превышает 30 тыс. км. Трещат, понимаешь… Почему трещат, тоже понятно. Чтобы покупали больше, надо цену держать пониже. И 3000 руб. за комплект — прекрасная цена! А тогда идут в ход дешевые конструкции и дешевые технологии. Но «на грош пятаков не купить» — преимуществ у таких поршней перед серийными заводскими никаких, одно название, что кованые. А уж обычные литые поршни, к примеру, фирмы MAHLE, — это просто недостижимый для этих кованых поделок уровень.Что же делать? Все просто. Для производства хороших поршней нужна хорошая конструкторская база и испытания. Именно такой подход к этой проблеме — залог успеха. К примеру, современные компьютерные программы позволяют не только нарисовать чертеж, но и посмотреть на поршень со всех сторон еще до его воплощения в металл. И даже смоделировать его нагрузки при работе в двигателе…Почему? Потому что поршень — главный элемент двигателя, и строится он индивидуально под этот двигатель в зависимости от мощности, частоты вращения, давления наддува, особенностей применения автомобиля. Строится задорого и не быстро.
