Большие риски маленьких моторов: анатомия даунсайзинга
Время моторов, переходивших по наследству от деда к внуку, практически прошло. Как и эпоха громадных мастодонтов, тоннами пожиравших топливо… Очевидно, что одно тесно связано с другим.
Основная современная тенденция в моторостроении – запихать максимальное «поголовье лошадей» в как можно меньший объем подкапотного пространства. И это понятно: подобная миниатюризация силовых агрегатов имеет множество плюсов. Компактная повозка обретает недостижимую ранее энергонасыщенность и влезает по экологии в самые современные требования.
А чем для этого приходится жертвовать?
КОБЫЛЫ В ЛИТРЕ
Степень форсирования (именно так: «форсировка» считается сленгом!) мотора – один из важнейших параметров его совершенства. При этом его абсолютная мощность ни о чем, в общем-то, не говорит, поскольку двигатель грузовика в 450 л.с. может быть куда менее форсирован, чем двухсотсильный мотор современной «легковушки».
Для характеристики степени форсирования в классической теории ДВС вводят две величины. Одна – довольно сложная для понимания – называется «среднее эффективное давление»: это отношение полезной работы к рабочему объему двигателя. Лет тридцать тому назад для автомобильных двигателей эта цифра колебалась на уровне 0,6…0,8 МПа. А сейчас современные высокооборотные моторы с турбонаддувом залезают на уровень 1,4…1,6 МПа. К слову, некоторые дизельные моторы уже проектируют на среднее эффективное давление 2,5…3,0 МПа. Но это сложный параметр, который используется только в среде специалистов. В описаниях моторов на «сайтах» и в «буквариках» его не найдешь.
Более наглядна «литровая мощность», получаемая простым делением номинальной мощности мотора на его рабочий объем. И тут прогресс четко виден. Моторы эпохи Московской Олимпиады выдавали 40…50 «лошадей» с литра рабочего объема. Сейчас добрались до заветных 100 л.с./л. Такие цифры в былые времена были только у «очень спортивных» движков.
ТЕНДЕНЦИИ И КОМПРОМИССЫ
Форсирование – увеличение мощности. А с ним – и увеличение давлений в цилиндре. Следовательно, и все механические нагрузки растут пропорционально. А прочности, уменьшая размер, убираем…
Итак, две тенденции. С одной стороны, уменьшаем размер двигателя и его деталей. При этом понимаем, что с уменьшением размера снижается прочность – чудес не бывает! С другой стороны, повышаем степень форсирования, тем самым увеличивая нагрузки на детали! Причем нагрузки как тепловые, так и механические. Первые вырастут примерно так же, насколько увеличится количество топлива, подаваемое в цилиндры… А с механическими вообще все сложно: ведь форсировать мотор можно по-разному: и наддувом, и оборотами. В первом случае растут давления газовых сил, во втором – инерционные нагрузки. И то и другое по-разному влияет на прочность конструкции и ее ресурс.
Кстати, уменьшение размера некоторых деталей, в частности, поршней и шатунов, в большей степени связано не с уменьшением общего размера двигателя, а со стремлением уменьшить их массы, тем самым снижая инерционные нагрузки на подшипники коленчатого вала и остов двигателя. Это делается для снижения потерь трения в моторе и в итоге прямо влияет как на его экономичность, так и на выбросы СО2.
Итак – две взаимоисключающие тенденции, гарантирующие одновременное снижение прочности и увеличение нагрузок. Следовательно, надо искать компромисс. Но уже очевидно, что его поиск приводит к тому, с чего начали – снижению срока службы мотора. И это неизбежно.
С форсированием и миниатюризацией деталей растут нагрузки на шейки вала, а следовательно падают ресурс и надежность…
ЦЕНА ПОХУДАНИЯ
Пора прикинуть, насколько растет нагруженность «дайнсайзингового» мотора. Может, все не так страшно?
Сделать это на реальном стенде тяжеловато: слишком дорого, долго и сложно. Для теоретических расчетов также требуются исходные данные, которые ни одна фирма не предоставит: интеллектуальная, знаете ли, собственность! Поэтому поступим проще: сравним три варианта моторов одной уважаемой фирмы. Первый – относительно старенький, простенький, рабочим объемом 1,6 л и мощностью около 100 л.с., то есть с литровой мощностью 63 л.с./л. Мотор этот заслужил репутацию практически неубиваемого, поскольку служит дольше самого автомобиля. Его и возьмем за базу для сравнения. Два других мотора – современные, форсированные. Один – рядная 2-литровая «четверка», выдающая 200 л.с. Другой – V-образная 3-литровая «шестерка», 280 л.с. Вот тут уже литровая мощность очень существенная – под сотню сил с литра при очень скромных габаритах. Моторы, естественно, с турбонаддувом и непосредственным впрыском топлива.
Обмеры деталей сразу заставили задуматься. При практически одинаковом диаметре цилиндров и близком диаметре шеек коленчатого вала длины коренных шеек и старенького, и новеньких моторов практически одинаковы, около 24 мм. Шатунные шейки рядных «четверок» тоже близкие – 22 мм, а вот у 3-литровой «шестерки» они более узкие – всего 17 мм. В принципе, по компоновке это ясно: на одну шейку надо разместить два шатуна. Но что же с нагрузками?
Тут пришлось обратиться к современным методам моделирования процессов в двигателе. Результаты – на графиках!
Естественно, наддув дал не только рост мощности, но и существенное увеличение давления в цилиндре. Да, недаром для моторов с турбонаддувом просят 98-го бензина! Дорого, но что делать – любишь кататься, люби и саночки (с деньгами) возить! Но главное – это то, что нагрузки на шейки вала резко выросли! По сравнению с базовым мотором, нагрузки на шатунные шейки для 2-литрового мотора увеличились практически пропорционально увеличению форсирования – на 30…35%. А вот для 3-литрового мотора рост нагрузок на шатунные шейки был еще сильнее выражен, даже несмотря на меньший уровень литровой мощности – практически на 45%! Сказалось уменьшение ширины шейки – иначе и быть не могло!
Нагрузки – это скорость износа подшипников коленчатого вала. Оценим и это. Масло взяли одно и то же, хорошую «синтетику» 5W-40. Режим тоже только один – номинальный, для которого делали предыдущие оценки. Так вот, интенсивность изнашивания подшипников, по нашим расчетам, при одинаковых установочных зазорах возросла по сравнению с базовым двигателем на 50…60%! Повышенные нагрузки и увеличенные температуры привели к росту протяженности зон нарушения целостности масляной пленки, где износ и живет. По цилиндрам и кольцам картина более гуманная, но рост износа заметен и здесь – те же нагрузки и температуры делают свое дело. А ведь модно нынче моторы совсем алюминиевыми делать, и маловязкие масла применять – так что полученные цифры снижения ресурса можно еще как оптимистичные рассматривать.
ДУРАКОУСТОЙЧИВОСТЬ
Нагрузки, износ… Но и это еще не все! Помните о компромиссе между прочностью и размером? Обычно при проектировании мотора надежность обеспечивают тем, что в конструкцию деталей закладывают большие коэффициенты запаса – по коленчатому валу и шатуну не меньше полуторных. Они обеспечивают «дуракоустойчивость» конструкции, то есть ее неразрушение при кратковременной перегрузке сверх номинала или другой аварийной ситуации. А снижение прочности, связанное с уменьшением размера деталей, одновременно с ростом нагрузок уменьшает эти запасы прочности практически до минимальных значений… Наши оценки это вполне подтвердили – для форсированных моторов по коленчатому валу и шатуну запасы прочности не превысили 5…10%. О чем говорят такие цифры? Только о том, что надежность конструкции как возможность сохранения ее работоспособности в критических ситуациях пала жертвой «даунсайзинга». О ресурсе мотора мы уже и не говорим.
ДОЛОЙ ДОЛГОЖИТЕЛЕЙ!
А как же новые материалы? Новые технологии? Они же компенсируют увеличение нагрузок!
Теоретически – да. Но, во-первых, частично. Во-вторых, как показывает наш опыт работы с автозаводами, мало кто стремится к применению в массовом производстве более дорогостоящих материалов – на практике рулит себестоимость… А низкая себестоимость – главный враг качества: это закон. Поэтому разговоры о планомерном ограничении срока службы автомобилей в целом и двигателей в частности вполне обоснованы. И вечный автомобиль больше не нужен производителю.
Точку в размышлениях поставил кулуарный разговор с механиками дилера того самого мегаконцерна. На вопрос, сколько реально может ходить современный мотор до списания, они честно сказали: тысяч 150…200 – максимум. 250 тысяч ходят вообще единицы.
Прощайте, «миллионники»!