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.