Так уж повелось, что каждое новое поколение автомобилей становится чуть больше предыдущего. И это понятно: всем нужны комфорт и простор в салоне. Но расти бесконечно машины не могут, поэтому в жертву комфорту часто приносят размер моторного отсека. Но вот что странно: ещё лет пятнадцать назад двигатель объёмом 2,5 литра был обычно в компоновке V6, а сейчас он чаще бывает обычной рядной “четвёркой”. То есть, объём мотора остаётся прежним, а его габариты — уменьшаются. Или даже так: объём растёт, а габариты — нет. Как этого добились ведущие мировые моторостроители, и почему этот технический прогресс обошёл стороной наши родные ВАЗы?
Большие изнутри, маленькие снаружи
Интересные метаморфозы объема можно проследить на примере «долгоживущих» семейств двигателей, имеющих прямых «наследников». Например, «родословная» фольксвагеновского семейства моторов ЕА888 прослеживается от моторов семейства EA827, которые в 1972 году имели объемы от 1,3 литра. Примерно к 1996 году моторы этого семейства “выросли” до двух литров.
Тот же блок цилиндров стал базой для семейства EA113. У этих моторов появились пять клапанов на цилиндр и даже непосредственный впрыск, но сохранилось межцилиндровое расстояние в 88 миллиметров. Для моторов EA888 блок цилиндров был серьезно переработан для использования цепного ГРМ, но при этом он сохранил прежние габариты. Более того, термин «даунсайз» относился изначально именно к этому семейству моторов: при анонсе двигателя ЕА113 с пятью клапанами на цилиндр и турбонаддувом впервые употребили термин, который стал знаковым на следующие два десятилетия. Правда, единственным последователем “даунсайза” Volkswagen оставался недолго.
Объёмы моторов V6 Mitsibishi 6G7 выросли с двух и трёх литров на 6G71/6G72 до 3,5 и 3,8 литров соответственно у моторов серий 6G74/6G75. Правда, сделали это чуть быстрее — не с 1972 года, а с 1986-го.
Mitsubishi 6G74
Примерно схожий рост объемов при почти неизменной конструкции блоков цилиндров демонстрируют и знаменитые V6 от Nissan серии VG и VQ, которые увеличись в объёме от двух-трёх в 1984 году до 3,7-4 литров в 2005-2007 годах. Рост рабочего объема при одинаковом размере блока получился даже больше, чем у Фольксвагена.
Nissan VQ35HR
Аналогичные изменения произошли со многими другими моторами начала двухтысячных годов. Рост литрового объема на 25% при неизменном размере блока — это очень много. Так как же удалось добиться таких результатов? Конечно же, благодаря увеличению диаметра цилиндра и хода поршня. А вот какой ценой — вопрос сложный.
Теоретически надёжно
Увеличить диаметр цилиндра (иными словами — «расточить» мотор) — решение далеко не новое. Вот только при серийном исполнении оно потребует как минимум выполнения целого ряда условий. И список задач перед конструкторами стоит довольно серьёзный: нужно в обязательном порядке обеспечить равномерное охлаждение цилиндров, достаточную жесткость блока и надёжность газового стыка с ГБЦ. Ну и желательно предусмотреть возможный ремонт блока, заметно усложнённый уменьшением размера межцилиндровой перемычки.
Статьи / Практика
Происхождение лошадок: как правильно форсировать атмосферный мотор
Два слова о мощности
В таком вопросе нельзя без щепотки теории, поэтому позвольте пару слов о природе мощности, чтобы смысл всяких «железных» доработок был понятнее. Подробно на этом вопросе я останавливался в одном из…
21561
7
3
26.01.2017
Вопрос с ремонтными размерами решают элементарно: от них просто отказываются. Ставку при этом делают на современные материалы гильз цилиндров, которые обычно имеют высокую износостойкость или теоретически вообще не изнашиваются. Действительно, алюсиловые и никасиловые блоки могут прослужить до пробегов чуть ли не в миллион километров. Правда, только при отсутствии повреждений поршневой группы. Даже чугунные гильзы могут быть крайне прочными, и моторы с ними вполне могут пробежать до значительного износа полмиллиона километров. Вспоминают о необходимости ремонтных размеров в случае износа цилиндров от абразива вследствие неправильной работы поршня. Ещё одна редкая причина необходимости ремонта — изменение геометрии цилиндра при сохранении структуры поверхности. Происходит это из-за высокой степени форсирования рабочего процесса, облегчения деталей или перегрева.
И всё же при высоком качестве сборки мотора, отсутствии неисправностей и выраженных конструктивных просчетов ремонтные размеры не очень нужны. Во всяком случае, так себя успокаивают разработчики, отказываясь от них вовсе или оставляя буквально один минимальный.
Уменьшение межцилиндровой перемычки до минимума требует отказа от каналов охлаждения между цилиндрами в классическом виде и увеличения в этой зоне жесткости материала блока. На современном уровне развития технологий моделирования тепловых и гидродинамических процессов эта проблема вполне решаема. И если раньше старались сверлить каналы между цилиндрами, то сейчас вопросы охлаждения решают оптимизацией потоков охлаждающей жидкости, формой поршней и масляным охлаждением поршней. В случае использования алюминиевых блоков цилиндров на ситуацию благотворно влияет и его высокая, в сравнении с чугуном, теплопроводность.
Ну и, конечно же, заметно увеличились требования к качеству отливки блока и качеству материала гильз, вследствие чего при минимальной толщине они должны выдерживать значительные тепловые и механические нагрузки.
Тонкая межцилиндровая перемычка приводит к снижению надежности газового стыка и ухудшению геометрии цилиндра в верхней части после обжима прокладки. Но тут выручают прокладка ГБЦ из металлопакета, а высокое усилие на стыке за счет использования высокопрочных болтов и установка на «доворот» с программируемым усилием вытягивания болтов. Все это позволяет обеспечить надежность даже при высокой степени форсирования моторов.
В серийном производстве максимально допустимые диаметры цилиндров стали использовать в двухтысячные годы. До этого времени такие решения встречались только только на редких спортивных моторах.
Длиннее — лучше
Второе слагаемое в деле увеличения рабочего объема — это увеличение хода поршня. И тут тоже есть свои сложности. Хотя бы потому, что поршень должен быть максимально компактным, с минимальной компрессионной высотой для сохранения оптимальной длины шатуна (так называемого R/S ratio), с минимальной длиной юбки, чтобы она не задевала за противовесы коленвала в НМТ. Диаметры поршневого пальца и шатунной шейки коленчатого вала должны быть минимальными для уменьшения габаритов нижней головки шатуна, обеспечения минимальной компрессионной высоты поршня и максимального радиуса кривошипа. Впрочем, “длинноходные” моторы давно завоевали право на жизнь, и почти все современные конструкции относятся именно к этому типу.
Для обеспечения максимального радиуса кривошипа при тех же габаритах картера и блока максимально увеличивают коленвал, а в случае достижения предельных размеров стараются уменьшить диаметр шатунных шеек. Все это возможно только при повышении качества литья или при установке кованого коленвала вместо литого.
Также помогают конструктивные меры — например, оптимизация формы внутренних каналов коленвала. Пока такие эксперименты проводят осторожно, и разве что на моторах с очень маленьким картером приходится отказываться от противовесов для оптимизации нагрузок на коленвал.
Статьи / Практика
Длинноходные и короткоходные моторы – в чем разница, и какие лучше?
Средняя скорость, и какой она бывает
Для понимания вопроса придется вспомнить немного о конструкции ДВС и принципах его работы. Вы наверняка знаете, что в основе любой конструкции двигателя внутреннего сгорания лежит…
67986
6
28
15.12.2016
Соотношение длины шатуна к ходу поршня, обозначаемое в англоязычных источниках как R/S, влияет на механический КПД мотора, боковую нагрузку на поршень, на качество наполнения цилиндра и работу ГРМ. Считается, что оптимальным со всех точек зрения является соотношение 1,75. При увеличении коэффициента работа поршня становится более эффективной, но снижаются мощностные параметры, а меньший коэффициент ведет к увеличению износа поршня и цилиндра, а также к росту боковой нагрузки на сам шатун.
Для обеспечения максимального радиуса кривошипа шатун обычно приходится укорачивать, несколько ухудшая механический КПД мотора. При оптимизации формы поршня, улучшении смазки и качества поршневой группы приемлемый ресурс всё же можно обеспечить, и современные методы проектирования позволяют минимизировать негативные факторы и сохранить ресурс даже при R/S с соотношением менее 1,55.
Переход на Т-образные поршни в массовом двигателестроении произошел еще в девяностые годы. Но сделать его ещё меньше и легче пытаются и сегодня. Эти попытки обычно упираются в проблемы обеспечения терморежима поршневых колец из-за снижения высоты жарового пояса.
Оптимизация формы и материала шатуна позволяют сделать его меньше, одновременно повысив запас его прочности, необходимый при уменьшении R/S.
Впрочем, длинноходному двигателю с низким R/S прочный шатун тоже не помешает, но тут обычно можно обойтись настройкой системы управления двигателем для снижения пиковых нагрузок и увеличения прочности детали за счет изменения технологии изготовления.
Ну а возможному увеличению рабочего объема моторов способствует и переход на закритические алюминиевые сплавы для поршней и блоков цилиндров, снижающий зазоры ЦПГ.
Думаю, теперь понятно, как современные моторы с рабочим объемом 2,0-2,5 литра «упаковывают» в блоки размером с 1,6-литровый мотор 80-90-хх годов. Но давайте теперь посмотрим, а может ли получиться что-то подобное из моторов ВАЗ?
А у ВАЗ?
Ответим сразу — теоретически, да. Межцилиндровое расстояние у моторов ВАЗ для переднеприводных машин составляет целых 89 мм, что на миллиметр больше, чем у фольксвагеновских ЕА113. Диаметр цилиндра при этом равен 82 мм, а ход поршня — 84 мм. Получается рабочий объем в 1,8 литра. У Volkswagen, напомню, 82,5 х 92,8 дают рабочий объем в два литра, а у мотора объёмом 1,8 л размерность 81 х 86,4 мм. Правда, шатун на VW 2,0 20v имеет межцентровое расстояние 144 мм, а на вазовском моторе 1,8 л шатуны используются уже достаточно короткие — 128 мм. Как нарастить объём до двух литров? Можно поставить коленвал с диаметром кривошипа 94,7 мм, сохранив диаметр цилиндра. Впрочем, блок цилиндров ВАЗ при тюнинге в большинстве случаев могут расточить до 84 мм, так что можно обойтись коленвалом с диаметром кривошипа 90,2 мм.
Выбор авто
Апельсинки от осинки: тест-драйв Lada Vesta Sport
Эпитетов о дизайне и цитат из пресс-релиза вы ещё начитаетесь, поэтому предлагаю опустить этот пункт, констатировав, что шлифовка изначально дерзкого образа от Стива Маттина удалась.
Но спроектировать эффектный обвес -…
17833
57
9
25.09.2018
Сейчас среди тюнинговых запчастей для моторов ВАЗ можно найти коленвалы с диаметром кривошипа до 86 мм с шейкой 41,5 мм и 84-миллиметровые поршни, что дает рабочий объем в 1,9 литра. Большие диаметры коленвала не пользуются спросом, потому что «почти серийный» мотор производства ЗАО “Супер-Авто” 21128 1,8 оказался не очень удачным, отметившись большим расходом масла и малым ресурсом. Провал этого мотора объяснили не низким качеством сборки, а уменьшенной длиной шатуна. Впрочем, пока новый серийный мотор 21179, который даже успели форсировать для Весты Спорт, наглядно показал, что R/S совершенно ни при чем, и проблема была, судя по всему, именно в неудачном подборе материалов и/или плохом качестве сборки.
Внёс свою лепту и серийный коленчатый вал моторов ВАЗ, который критикуют за недостаток прочности. Фольксвагеновский коленвал заметно прочнее, и диаметр его шатунных шеек даже у самых поздних версий составляет 48 мм против 41,5 у ВАЗ. Немецкий коленвал рассчитан на крутящий момент более 350 Нм, но в случае с атмосферным вазовским мотором можно обойтись меньшим запасом прочности.
Что в итоге?
“Расточить” имеющийся вазовский мотор — возможно. Однако это не удастся сделать малой кровью: потребуется дальнейший рост высоты блока цилиндров, ибо существующий блок высотой 197,1 мм для увеличения рабочего объема маловат. Переделка такого рода принципиально возможна, а значит, возможен и рост мощности вазовских моторов, что особенно актуально для новых Нивы и Весты.