Записки старого брюзги

Итак, прогресс не остановить! Железные самобеглые коляски все больше походят на суперроботов из фантастических фильмов второй половины прошлого столетия. «Автоматы», интеллектуальные системы управления, делающие необязательным самостоятельное кручение руля, новые двигатели, выдающие с литра рабочего объема невиданное раньше количество сил – это нынешняя реальность.

Приятно? Да! Удобно? Еще бы! Но… В мире никогда ничего не достается бесплатно! Итак, пробежимся по тому, как изменялись … не автомобили полностью, а лишь их силовые установки (то есть двигатели с трансмиссиями) и на что наткнулись в процессе этого прогресса.

Сразу оговорюсь – не рассматривайте эту писанину в качестве призыва к возврату в пещеры! Просто хочу показать, через что пришлось на этом пути пройти и чем пожертвовать… И с чем непосредственно сталкивался за достаточно долгие годы работы в советско-российском двигателестроении.

Начнем с 70-х годов прошлого века. Ведь некоторая часть мастодонтов из того времени колесит по дорогам и сейчас.

Итак – преимущественно бензиновый карбюраторный двигатель, с двухклапанной системой газораспределения, безо всяких забот по экологии. Хоть и предписан процент СО при техосмотре, но мало кто это блюдет! Либо умельцы накручивают карбюратор перед визитом на ТО, а потом возвращают резвые регулировки, а кое-кто вообще покупают заветный талон… Конструкция двигателя –  алюминиевый блок, с чугунными гильзами. Появление чугунного блока ВАЗовской «копейки» — сенсация! Воспринимаемая как-то осторожно – а как ремонтировать-то? Гильз-то нет, а к расточке еще как-то не привыкли.  Распредвал – нижний, штанги, толкатели… И опять – прорывные «412»-е и  «2101»-е с его верхним расположением распределительного вала. Это было важно – обороты двигателя теперь можно поднять выше 5000! А это – мощь и сила!

Наши моторы ходили до первой переборки 80…110 тыс. километров, а на 150…180 тыс. большинство из них просило капитального ремонта. Но были и легендарные «миллионники» от всяких «немцев-американцев»! Но много ли их было у нас?  Зато моторы были всеядны! Да, хорошо, если есть 92-ой! А если нет – не беда! Либо «бутерброд» под головку поставим, либо головку блока доработаем, или просто – трамблер крутанем. Пусть затупеет немного машина, зато лить можно что угодно. Масло – одной марки, «Масло»! «Шеллы», «Кастролы» — из разряда джинов и виски… Джинсов и фирменного винила.

Средняя литровая мощность – около 40 л.с./л, удельный расход топлива – 230…240 г/л.с.ч.

«Восьмидесятые» не привели к каким-то кардинальным изменениям конструкции. Машин было мало, бензина много. Об экологии еще особо не думали. Нужна была дополнительная мощность – просто увеличивали рабочий объем цилиндра, или их количество. Маркетинг тогда еще не правил бал на автомобильном рынке и не командовал конструкторами! Машин было мало, продавалось все! Правда, под конец этого периода появились двигатели  с моновпрыском.

На это же время пришлось время (середину 70 — начало 80-х годов) повального увлечения «Ванкелями» — роторно-поршневыми двигателями. Принципиально – все здорово! Легкие, компактные, мощные моторы, обеспечивающие чуть ли не удвоение мощности по сравнению с их поршневыми собратьями! Активно занимались ими и в Европе, и в Японии. Вышли серийные NSU, AUDI и Мазды с роторными двигателями. И у нас, в Тольятти при «АвтоВАЗ» было даже создано СКБ РПД (с которым мы активно сотрудничали в то время). Двухсекционный «ВАЗ-311» был доведен до опытной серии, им оснастили милицейские и «КГБ»шные «ВАЗ»ы в Самарской области. Но направление оказалось тупиковым – хронические болячки роторно-поршневой схемы в целом убили это направление. Вялый рабочий процесс, проблемы с уплотнением полостей, высокая теплонапряженность, низкий ресурс, прожорливость по маслу– от этого никуда не денешься.  А сейчас еще – и плохие экологические показатели. Итог – в тех же опытных милицейских роторных «ВАЗ»ах в багажном отделении пришлось ставить … второй бензобак! Одного было явно мало.

Автомобильный легковой дизель в то время был вообще редким экспонатом. Причина проста – обеспечить сохранение частот вращения, аналогичных бензиновому мотору, на дизелях того времени позволяла лишь вихрекамерная схема организации рабочего процесса. А такие дизеля – очень сложные в производстве, особенно по конструкции головки цилиндров. Да и сам вихрекамерный рабочий процесс съедал главное преимущество дизеля по сравнению с бензиновым мотором, его экономичность. Тем не менее, в конце 70-х на «АвтоВАЗе» было начато проектирование дизельного ВАЗ-341. Это- один из наиболее неудачных опытов нашего двигателестроения. Главная ошибка – это то, что изначально предполагалось не создание новой конструкции, а  конвертация бензинового варианта «03»-го двигателя в дизель. Любой учебник по конструированию скажет – конструктивные решения для бензинового и дизельного моторов должны быть разными, даже по тем узлам, которых дизельный или бензиновый процесс, вроде бы, не касается. Хотя бы, коленчатый вал, блок цилиндров, шатуны. А тут, в угоду технологии и возможности производить дизель на тех же заводских мощностях, что и бензиновый собрат, от конструкции бензинового и дизельных вариантов потребовали максимальной унификации. Итог — понятен! Во-первых, этот дизель поставил рекорд по сроку от начала разработки до постановки на серию – около 13 лет! Причем, серия пошла не на «АвтоВАЗ», а в Барнауле, и продержалась очень недолго. Сложная конструкция, отсутствие сервиса и запасных частей, довольно низкие показатели привели к закономерному финалу эту затею.Тем не менее – литровая мощность приподнялась, правда, не слишком значительно, удельный расход – настолько же немного снизился
«Девяностые» годы стали переломной вехой в развитии автомобильного двигателестроения. В 1992 году были приняты нормы «Евро-1», и это стало началом нового направления в проектировании моторов, во главу угла которого было поставлено снижение токсичности отработавших газов. И вдруг выяснилось, что старые схемы, с карбюратором, обеспечить требуемую экологию, не в состоянии. Началась эпоха распределенного впрыска! Электронные системы управления двигателем, новые системы топливоподачи сумели реализовать давнюю мечту двигателистов – для бензинового мотора реализовать смешанный способ регулирования. Кто не знает, что это такое… До того было два принципа регулирования – количественный, реализуемый в карбюраторных моторах, когда мотор управляется изменением количества топливовоздушной смеси постоянного состава. В современных двухкамерных карбюраторах смесь по режиму работы может меняться – но не гибко, а ступенчато, а это – не совсем то. Качественный способ регулирования – когда при постоянном количестве смеси регулирование осуществляется изменением ее состава, то есть при практически постоянном количестве воздуха в двигатель подается разное количество топлива.
Смешанный принцип регулирования позволил резко улучшить моментные характеристики двигателей, отойдя от необходимости резкого увеличения максимальной  мощности. Но, что главное – возможности гибкого регулирования подачи топлива по сигналу системы управления позволили создать системы подавления токсичности отработавших газов – нейтрализаторы. А без них, как выяснилось, постоянно возрастающие экологические нормы не выполнить.
Мы тогда тоже не отстали в старте таких разработок. «ЗМЗ-406», «ВАЗ-2111» были ответом на этот вызов. Правда, делали эти моторы очень небыстро и проблем было много. Кстати, и в этих работах мы участвовали. Для «АвтоВАЗ»а этот переход был ключевым – впервые к отечественным разработкам столь плотно допустили буржуйские фирмы – «GM» и «Порше». Впрочем, «Порше» работал с нашими автопроизводителями и раньше, но в таком плотном объеме, наверное, впервые. Проекты «Гамма-2» и «Гамма-3» по «11» и «12»-м моторам существенно облегчили родовые муки «ВАЗа» по этим двигателям.
Но работа с «GM» дала и свой негатив. По условиям контракта, двигателисты «ВАЗа» не имели возможности каких-то корректировок настроек рабочего процесса и калибровок ЭСУД. Дело до смешного доходило – нас, в тайне от GM, просили влезть в них и разобраться, что к чему. Конечно, потом это ушло, и калибровать стали сами, но … Осадок остался.
И еще одно примечательное для двигателестроения событие массово состоялось в этот период – это широкое внедрение многоклапанных систем газораспределения.  Наш первенец в этом направлении – ЗМЗ-406, потом последовал ВАЗ-2112. И здесь были проблемы… Для ВАЗ-2112 низ практически остался старым, от проверенного «-083»-го, а вот головку блока цилиндров надо было перерабатывать кардинально. И вот тут вылезла проблема, с которой впоследствии столкнулись все нынешние алюминиевые двигатели. Изощренно-ажурная конструкция головки цилиндра, слабый по механическим свойствам алюминиевый сплав, в совмещении с увеличивающимися нагрузками из-за форсирования мотора, привели к тому, что материал головки в зонах ее крепления к блоку, под шайбами силовых болтов, откровенно плыл. С этим пытались бороться и мы,  и немцы из «Порше», но не сильно удачно.
Но, тем не менее, удельная литровая мощность в этот период повысилась до 50…60 л.с./л, удельный расход был снижен до 210…215 г/л.с.ч. И нормы токсичности хоть какие-то моторы стали выполнять.
А потом…. Потом – мировой автопром пошел дальше, а мы опустились в пучину перехода к «свободному  рынку», будь он неладен… Куча новых интересных проектов, планировавшихся в нашем автопроме, закончились, так и не начавшись. Много их было, но в качестве примера могу вспомнить тольяттинские  проекты «Гном», практически доведенный до опытного образца микроавтомобильчик с пластиковым кузовом, дешевый и веселый и безвременно умерший. И еще – новый спортивный шестицилиндровый «Марафон-330» с пятью клапанами на цилиндр, но при этом становившийся на место штатного «2112». Красивый был проект, до сих пор его чертежи у меня где-то в архиве валяются. Но … Приехал на ВАЗ рыжий главный приватизатор и сказал – какие, к черту, новые разработки? Долги отдавайте! И все было прикрыто. На том и наше сотрудничество с ВАЗом закончилось (Продолжение следует…)
«Нулевые»…  Мы остановились, решили, что чем развивать свой автопром, лучше кормить не наш. А мир пошел вперед! Двигатель торг…, ой, прогресса в это время – постоянно ужесточающиеся «Евро»! Писал многократно, и еще раз повторюсь – только первые «Евро», возможно, до №3, диктовались заботой об экологии. И это было, безусловно, правильно! А дальше… Дальше выяснилось, что именно в дальнейшем развитии и продвижении новых требований по экологии сидит решение кучи проблем, с экологией никак не связанных! Автопроизводители столкнулись с ранее небывалой ситуацией – автомобильный рынок насытился! Машина – не сосиска или бутылка «Пепси»,  ее каждый день не покупают. А заводы работают, и новые машины регулярно поступают на рынок. Замерещил призрак затоваривания рынка.  Выходов  два – либо искать новые рынки, типа России и Китая, и сделать так, чтобы через разумное (для автопроизводителей) время мы сами бы отправляли машины на свалку. Для этого надо – сказать, что они не соответствуют новым требованиям по экологии, и потому их использование аморально. Ну, и если это не поймут, тогда сделаем так, чтобы их содержание по истечении установленного автомаркетологами срока стало просто разорительным. Потому – конструктивно и технологически ограничим их срок службы.
Нет требований по ресурсу – развязываются руки для конструкторов! Ведь именно требования по надежности и сроку службы диктовали применение качественных материалов, создание прочных и жестких (что даже более важно) конструкций, вводило ограничение по удельной мощности.
А дальше – придумали «парниковый эффект» и обвинили в нем автомобиль! Хотя любые оценки показывают, что естественный выход СО2, а также то количество двуокиси углерода, которое генерит современная энергетика, значительно превышает выбросы всего автотранспорта. Особенно – с учетом того, что большая часть его работает всего несколько часов в день, а то – и в неделю, простаивая остальное время на стоянках и в гаражах.
И пошла тенденция на  применение двигателей малого рабочего объема. А, чтобы не ухудшить динамику автомобиля, поставили на них турбонаддув. Замечательная штука – наддув, но… Пропорционально росту мощности увеличились нагрузки на двигатель, а размер-то его уменьшился! Чудес не бывает – чтобы принять нагрузку, необходим металл! А его-то и убираем.
Не миновала чаша увлечения наддувом в то время и нас. У нас на кафедре была разработана своя конструкция механического нагнетателя, сделаны калибровки под нее. И штатный «-011» стал выдавать 125…130 «лошадок». Но ресурс мотора упал до 60…70 тысяч километров – статистику собирали. Несмотря на сделанное нами дополнительное струйное охлаждение поршня, масляный радиатор, впихнутый под капот «девятки», усиленные кованые поршни.
Это сразу как-то вспомнилось, когда увидел многочисленные ветки на форумах о стучащих поршнях. Это вообще отдельный разговор – тенденции изменения конструкций поршней за последние лет пятьдесят! Но важно то, что здесь в максимальной степени отразились компромиссы современного двигателя. С одной стороны, это прочность и надежность, ведь поршень – самая нагруженная деталь мотора. С другой стороны, это инерционная масса, которые надо уменьшать, чтобы разгрузить шейки и подшипники коленчатого вала.  Одно требует увеличения массы детали, другое – ее уменьшения. Вот и думайте, как из этой ситуации вылезать. Аналогично – с зазорами. Ведь, чем больше форсирование, больше температуры, а с ними – и деформации поршня. Их надо компенсировать увеличением зазоров. А это приводит к увеличению интенсивности удара при перекладке поршня. Вот вам и стук! Чем больше стучит – тем больше износы, ведь при каждом ударе демпфирующая и защищающая от износа масляная пленка пробивается до прямого контакта «металл – металл». Потому физически обеспечить тот же ресурс, что на малофорсированных моторах, на современных «турбожужжалках» сделать не удастся!
Но теперь уже удельная литровая мощность вплотную подползла к заветным 100 л.с./л. Почему заветным? Потому что когда-то это была степень форсирования не самых слабых спортивных моторов. А вот с ресурсом ситуация стала обратной. Сейчас понятие «капитального ремонта» практически ушло из инструкций по обслуживанию современных моторов. Чудесные времена «двух ремонтных размеров», «первой-второй капиталки» безвовратно ушли – вместе с ремонтными размерами вкладышей подшипников, поршней и поршневых колец. Последствия очевидны – вторичному рынку автомобилей нанесен  смертельный удар! Кому теперь нужен практически новый автомобиль (в нашем понимании, конечно) с пробегом в 100 тыс. километров, с мотором, способным умереть в любой момент? И при этом – неремонтопригодным?
Мощность и экология – понятия слабо совместимые. Ведь, хочешь того, или нет, но для получения лишних «лошадей» нужны дополнительные литры топлива. И тут, опять же, на границе «девяностых» и «нулевых»  родилась новая тенденция – непосредственный впрыск топлива в цилиндры двигателя. Причем, как дизельного (что неудивительно), так и бензинового двигателей. Она за счет резкого расслоения топливовоздушной смеси позволила ее обеднить до невиданных ранее значений. А, вместе с обеднением, обеспечить снижение расхода топлива и токсичности отработавших газов. Правда, это потребовало новых конструкций систем подавления токсичности и подачи топлива, но это уже – детали.
Сейчас для мирового автопрома – это основная тенденция развития.  И она позволила, по сути, практически сравнять удельный расход топлива высокооборотных дизельных и бензиновых двигателей – где-то на уровне 180…190 г/л.с.ч. Жаль только, что ни одной отечественной конструкции бензинового двигателя с непосредственным впрыском назвать не смогу.
Но одновременно с этим пошло и резкое развитие новых конструкций высокооборотных дизелей. И здесь сработала тенденция перехода от вихрекамерных конструкций к непосредственному впрыску. Для этого потребовалось много! Главное – это разработка и внедрение электронной системы Common Rail, позволяющей гибко управлять законом подачи впрыска. Теперь впрыск стало можно делать многоступенчатым, деля общую цикловую подачу топлива на отдельные фрагменты, подаваемые на различных участках  такта сжатия. У современных высокофорсированных дизелей количество таких фаз впрыска может доходить до семи.
Главная экологическая опасность от дизельного двигателя – это сажа, содержащаяся в отработавших газах. По оценкам экологов, удельный ее вред выше, чем ущерб от угарного газа СО практически в 300 раз. Чем выше форсирование, тем ее больше. Отсюда – в новые дизели пришли сажевые фильтры, системы рециркуляции отработавших газов. Давить оксиды азота стали добавлением мочевины на выпуск и той же рециркуляцией отработавших газов. Двигателю от этого нехорошо, ухудшается наполнение цилиндров, отсюда – падает мощность и растет расход топлива. Но – экология превыше всего!
На этот мировой вызов в «нулевых» наши ответили небеспроблемным ЗМЗ-514. Но, с помощью австрияков из фирмы AVL, достаточно оперативно довели его и поставили на серию.
Итак, параметры на конец «нулевых» — минимальный удельный расход топлива уже ниже 200 г/л.с.ч., литровая мощность вплотную приблизилась к 100 л.с./л. А ресурс? Ну, что ресурс – кому он сейчас нужен…

И начались «десятые»… Пока – только начались. Что будет в их конце – посмотрим. Если доживем, конечно… Жаль только, что чисто российских конструкций моторов в это время, скорее всего, уже не будет –  французы, японцы, немцы на наших сборочных производствах, похоже, будут править бал. А жаль – ведь когда-то, всего лет тридцать-сорок назад, и мы лаптем щи не хлебали… (Надеюсь, окончание еще далеко..)
Александр Шабанов

alexei,  Добрый вечер Александр, меня интересует такой вопрос: как  вы оцениваете перспективы  электромобилей? В частности электромобиля Tesla Model S , и перспективы данной технологии, генерация,  передача энергии,ее накопление, использование и утилизация автомобиля. Случится транспортная революция?

Прочитал, интересная статья.

Жду продолжения!  

Интересно и доходчиво! То-то рядом с дизельными современными легковушками стоять рядом нельзя, духан ядовитее чем от камаза, а если еще и катализатор удалили

прожженный:

Интересно и доходчиво! То-то рядом с дизельными современными легковушками стоять рядом нельзя, духан ядовитее чем от камаза, а если еще и катализатор удалили

В дизелях нет катализатора - там установлены сажевые фильтра. Стоимость таких фильтров практически равна стоимости катализатора.
Но замена сажевого фильтра это не беда, это только разминка - главное это наша соляра (особенно хорошо видны "преимущества" дизелей в русскую зиму) и стоимость обслуживания дизелей, а уж если накроется насос ТНВД, то он в районе сороковника, если насос-форсунка то пятнашка. Электроники в них не меньше чем в инжекторных, поэтому без работающего генератора далеко не уедешь как на старом атмосферном дизеле. Экономичность дизеля по топливу ощутима только в теплое время, а в холодное напротив - все пожирает более длительный прогрев.
Ко всему в Европе они постепенно в легковом сегменте уступают место инжекторам - оказалось что выхлоп дизеля вреднее  бензинового.

214:

В дизелях нет катализатора

Сам лично у фольца Т5-го 2004 года удалял. Бывают с 2-мя катализаторами и 2-мя лямбдами, но это уже у америкосов.

прожженный:

Интересно и доходчиво! То-то рядом с дизельными современными легковушками стоять рядом нельзя, духан ядовитее чем от камаза, а если еще и катализатор удалили

Ощутимо да !!! Но у грузовых обратная тенденция если всё исправно то на глушаке можно в гараже и рюмочку аха

levenbruk:

Но у грузовых обратная тенденция если всё исправно то на глушаке можно в гараже и рюмочку аха

Если те что с мочевинкой работают то ага.