Пластик, герметик и цепи: зачем в современных моторах недолговечные решения?

Очевидное — невероятное

Начнём, пожалуй, с прописных истин, а уж потом перейдём к разбору отдельных технических решений.

Тема даунсайзинга и увеличения сложности конструкций в целом давно уже разжёвана и, скорее всего, проглочена. Понятно, что более форсированный малообъемный мотор обычно при прочих равных экономичнее, а трансмиссия с большим диапазоном передаточных чисел (грубо говоря, имеющая больше передач и большую разницу между минимальным и максимальным передаточным числом) заметно улучшает все характеристики, включая динамику. Такие обязательные вещи как регуляторы фаз и облегчение блоков цилиндров и моторов в целом тоже очевидно полезны. Другое дело, что в конструкциях становится всё больше странных решений, которые хотя и снижают себестоимость, но иногда граничат с безумием. Например, в очень дорогой конструкции могут встречаться копеечные детали из пластика — на граммы легче металлических, немногим дешевле, но явно менее долговечные.

И всё же при рассмотрении таких решений с новых позиций производителей многое становится понятнее. Например, очень часто можно найти небольшие преимущества с точки зрения экологических показателей или удобства переработки. Что же, нам еще предстоит привыкать к мысли, что современная машина по исчерпании ресурса подлежит отправке в шредер, и её к этому готовят заранее. Отсюда и возникают некоторые «странные» решения, которые на самом деле имеют свой смысл. Ну, хотя бы минимальный.

Греется или не греется?

Использование в системе охлаждения пластика и резины — далеко не новый ход конструкторов. Но установка датчиков температуры двигателя в пластиковом патрубке — решение за гранью добра и зла. Во всяком случае, на первый взгляд. И применяется давно — еще на моторах VW EA113 датчик температуры поставили в пластиковый тройник, который еще и стал одной постоянных головных болей владельцев, потому что тек регулярно.

Такое расположение датчика при отсутствии или поломке датчика уровня охлаждающей жидкости позволит мотору легко перегреться при любой утечке антифриза. Ведь перегретый мотор попросту не сможет показать, что он перегрелся, а датчик температуры будет показывать даже пониженную температуру: греется-то он от охлаждающей жидкости, а её как раз и нет… Моторы с такой конструкцией при перегреве обычно повреждаются фатально. Настолько, что их проще выбросить, чем отремонтировать.

Однако есть производители, которые сделали так, что мотор трудно перегреть. Например, компания Jaguar Land Rover в своих новых двигателях INGENIUM помимо датчика температуры охлаждающей жидкости применила два дополнительных датчика температуры, которые отслеживают температуру металла ГБЦ и блока цилиндров. Таким образом, при малейшем аномальном повышении температуры ГБЦ или блока цилиндров система управления моментально реагирует ограничением топливоподачи, чтобы снизить термическую нагрузку на детали двигателя.

Кирилл Рязанов

Тренер Академии Jaguar Land Rover

Меж тем, пластиковые переходники, оказывается, применяют совершенно сознательно. Раньше мотор перед поездкой полагалось прогревать. Производитель даже специально оговаривал, что нагрузку «на холодную» давать нельзя. Теперь же — иное дело: в рекомендациях пишут «не греть». И всё потому, что в идеальном мире это снижает выбросы. Вот и новая конструкция датчика температуры появилась по этой же причине.

При традиционном исполнении металлический корпус и прилегание датчика к ГБЦ повышают его инерционность. То есть, он показывает рост температуры с небольшим отставанием. Особенно — на самом раннем этапе прогрева, отчего мотор в первую минуту работы заметно «переливает». При проектировании двигателей для борьбы с этим эффектом обычно вносят корректирующие коэффициенты в программу управления двигателем, однако так или иначе он проявлялся.

Дело в том, что градиент температуры в ГБЦ достаточный, чтобы датчик показывал на пять-десять градусов меньше, чем температура в зоне камер сгорания при быстром прогреве под нагрузкой. А это достаточная величина, чтобы мотор расходовал лишнее топливо и усиленно изнашивал катализатор, который в таких режимах и без того нагружен очень жестко.

Пластиковый корпус «развязывает» массу ГБЦ и датчика, который теперь показывает чистую температуру жидкости. А она растет быстрее и точнее отражает степень прогрева мотора. Вроде бы, мелочь, но для обоснования использования такой конструкции её вполне достаточно. К тому же лишнее резьбовое отверстие большого диаметра в ГБЦ стоит дороже, чем лишняя пластиковая деталь. Вот и появились на многих двигателях датчики в пластике.

Дешевле, но… дороже

Частенько датчик интегрируют в корпус термостата — как, например, это сделано на относительно новой фольксвагеновской серии ЕА211. Кстати, сам корпус тоже пластиковый. В этом случае преимущества дополняют друг друга. Во-первых, металлическая деталь сложной формы в производстве дороже, чем пластмассовая. Во-вторых, термостаты стали управляемыми, и в нагруженном режиме им нужно подогревать рабочую зону. А в случае с деталью низкой теплопроводности это делать легче — нагревательный элемент нужен меньшей мощности. В общем, сплошные удобства.

1 / 2

2 / 2

Правда, на некоторых моделях, если поставщиком на конвейер был не вполне удачно выбран состав пластика, корпус термостата коробится, и падает точность узла. Справедливости ради, зачастую это является «детской болезнью». Выявив проблему, поставщик меняет химсостав и свойства пластика, и проблема уходит.

В последние годы набирает популярность решение, когда в конструкцию включают ещё и помпу. Сам по себе узел потенциально дешевле и надёжнее, чем отдельно помпа, датчик, тройник, термостат, шланги и хомуты. Однако в случае поломки одной из составляющих замена всего в сборе обходится дороже, чем одна лишь замена датчика или термостата.

И снова пластик

Пластиковый поддон у двигателя тоже набирает популярность — таковой, например, у опять же фольксвагеновской серии ЕА888 Gen 3. И не только потому, что он легче и дешевле металлической детали: тут всё сложнее.

Почти все новые моторы имеют водомасляные теплообменники, которые позволяют быстрее прогревать масло в начале движения и поддерживать его температуру на уровне температуры охлаждающей жидкости и чуть выше в движении. Системы с отдельными радиаторами для масла или просто с охлаждением картера набегающим воздухом также применяются, но реже. С риском излишнего охлаждения масла борются посредством применения специального термоклапана, который пропускает масло в радиатор только при определённой его температуре.

Но вернёмся к водомасляным узлам. Теплопроводность достаточно толстой пластиковой детали заметно меньше, чем у алюминия и стали, и масло нагревается раньше, обеспечивая свои доли процента экономии топлива. Полезно? Еще как, ведь можно начинать движение в соответствии с современными тенденциями — не прогревать мотор полностью, на почти холодном двигателе. А быстрый нагрев масла до рабочей температуры позволяет заливать не слишком маловязкое масло, а значит, и меньше рисковать ресурсом ЦПГ из-за снижения рабочей вязкости. В общем, полезно с любой стороны, как ни посмотри. И даже если бы пластиковый поддон был не дешевле металлического, его стоило бы внедрить.

Ну а что со временем он коробится, и после пяти-шести лет эксплуатации пластик трескается от незначительных ударов — это уже неизбежные побочные следствия.

Шаг назад

Примерно по тем же причинам сейчас всё чаще отказываются от гидрокомпенсаторов. Opel отказался от них на моторах младших серий в 2004-м — так, на Z16XER их уже не было, хотя на более ранних Z16XE они работали безупречно. Volvo на моторах Modular, которые в основном известны как рядные "пятерки" под капотом машин прошлого поколения, тоже последовательно отказывались от гидрокомпенсаторов — они были изначально и пропали у поздних версий.

1 / 2

2 / 2

Гидрокомпенсаторы чувствительны к изменению вязкости масла, в запущенных случаях дело может доходить до снижения компрессии при увеличении оборотов до прогрева. Без них на холодном моторе появляется характерный стук. Конечно, шумоизоляция моторного отсека стала лучше даже у дешевых автомобилей, но помните о том, что стук — это ударный износ сёдел клапанов, что влияет на ресурс двигателя.

Сторонники конструкции без «гидриков» указывают на то, что на их работу требуется дополнительное масло, а стало быть, больше нагрузка на маслонасос. Но эта позиция как минимум дискуссионна:

Меньше расход масла не будет, так как в узлах привода клапана применяют смазывание пар кулачок — толкатель, кулачок — ролик, толкатель — направляющая, опора — рычаг. Расход масла на работу гидрокомпенсатора очень мал. Цена – основная причина отказа производителей от гидрокомпенсаторов. Компания Jaguar Land Rover отказалась от применения обычных толкателей и внедрила в линейку INGENIUM гидрокомпенсаторы с целью увеличения ресурса двигателей.

Кирилл Рязанов

Тренер Академии Jaguar Land Rover

И так сойдёт!

Сборка на герметик без прокладок тоже многих раздражает. И часто её преподносят как признак экономии, забывая, что появилась она в первую очередь на дорогих моторах. И экономия — вовсе не основополагающее качество его использования.

Тут секрет прост: при высокой точности механической обработки деталей эластичные соединения не нужны. Все прокладки могут быть максимально жесткими или вообще отсутствовать. Кроме того, с развитием ДВС давление и температура сгорания растут — выросли и требования к обеспечению газового стыка между ГБЦ и блоком. Эти требования могут выдержать только металлические прокладки.

Во всех прочих соединениях двигателя применяется герметик. Конечно, в заводских условиях он наносится аккуратно, не попадает в маслоканалы, да и используется маслорастворимый анаэробный состав, а не дешевый силиконовый.

К тому же герметик позволяет собирать детали без зазора, что открывает новые возможности для конструирования. Можно отказаться от сверления протоков в теле блока в пользу фрезерования, уменьшить число деталей при сборке, не выделяя отдельные блоки для герметизации внутреннего объема.

Применение прокладок накладывает высокие требования к крепежу. Можно один болт немного перетянуть, а другой не дотянуть, и тогда возникает риск разлома детали, так перетянутый болт, сжимая прокладку, начинает сгибать деталь. Герметик при стягивании деталей распределяется по микронеровностям и его толщина становится настолько маленькой, что дальнейшей его просадки при перетяжке болта практически не происходит. Также герметик развязывает руки при проектировании корпусных деталей. Детали в сборе обладают существенно большей жёсткостью, что позволяет собрать узел более точно для получения большого ресурса.

Кирилл Рязанов

Тренер Академии Jaguar Land Rover

Кстати, идея эта далеко не нова. Отличным примером такой конструкции стали моторы Volvo семейства Modular Engine еще девяностых годов. Там все преимущества использовали на полную, хотя в итоге получилось сложно и дороговато. И всё же идея маленькими шажками внедрялась более двадцати лет во все конструкции. Она оказалась очень удобной для цельноалюминиевых блоков, где термодеформация минимальна. Сейчас герметик массово применяется для установки передних крышек на алюминиевых блоках почти всеми производителями — для поддонов и крышек ГБЦ. Сложнее найти мотор, у которого все соединения на прокладках, чем наоборот. И это хорошо согласуется с современными тенденциями по повышению экологичности и уровня переработки.

И снова цепь

Массовый переход на цепной привод ГРМ, на первый взгляд, вообще сложно понять. Цепь почти наверняка дороже ремня, да ещё и более шумная, и с большими затратами на трение. Еще в восьмидесятые цепной привод ГРМ был признаком устаревшей конструкции — казалось, что ремень со временем его вытеснит полностью. Но вдруг в девяностые цепь снова появилась на массовых недорогих моторчиках с рабочим объемом даже меньше полутора литров.

VW перевел линейку двигателей ЕА111 на цепной привод ГРМ, хотя до этого она обходилась ремнем. Моторы ЕА888, сменившие ЕА113, тоже стали цепными, General Motors отказался от ременного привода на семействе GM Family II. Экономия? На первый взгляд, она тут не заметна, но если обратить внимание на то, что сравнительно сложную в производстве роликовую цепь почти везде заменили на пластинчатую, то все станет чуть понятнее.

Роликовая цепь — штука довольно сложная. Даже в самых дешевых вариантах её приходится собирать из сотен деталей с высоким уровнем механической обработки и из качественного металла. Сделать её из продуктов вторичной переработки не выйдет. Впрочем, кое-кто пытался, но ресурс привода ГРМ снизился в разы, и пришлось отзывать дорогие моторы, менять конструкцию и терять репутацию (речь идёт о мерседесовском моторе М272).

А вот пластинчатая цепь может быть сделана хоть из металла от гвоздей. Даже хорошо, если сталь будет мягкой: она не так будет задирать звезды, ведь в этой конструкции цепь буквально скребёт по металлу при работе. В результате применения дешевых пластинчатых цепей удалось получить дешевый цепной ГРМ, зачастую даже с ресурсом в целых 120-150 тысяч километров, а иногда — до 200 тысяч. Правда, теперь нужно менять сразу и звезды, и успокоители, потому что они тоже изнашиваются. К тому же такая система очень чувствительна к качеству масла. Зато сама цепь дешевая. И цепные фазовращатели дешевле — им не нужно быть герметичными, и их можно сделать даже с электроприводом.

Пластинчатая цепь – это острая боль производителей. При применении этой цепи в двигателях к ней и звёздочкам выдвигаются жесточайшие требования. На моторах у некоторых производителей эти цепи ходят по 5-20 тысяч километров. Даже наборы появились для замены ГРМ с пластинчатой цепи на ГРМ с втулочной или роликовой цепью. Безусловный плюс пластинчатых цепей – это тишина работы. Остальное — минусы: масса, лёгкий перескок, требования к смазке. По этой причине на двигателях INGENIUM применены втулочные цепи ГРМ, которые являются балансом между пластинчатыми и втулочными цепями.

Кирилл Рязанов

Тренер Академии Jaguar Land Rover

Скрытый смысл цепи – опять же в возможности холодного старта и движения без прогрева. Ремень в такой ситуации резко теряет в ресурсе: чтобы эластичность и вязкость вошли в норму, ему нужно немного погреться о блок цилиндров, хотя бы до 20-30 градусов. А цепь не порвется, даже если холодный мотор крутить до отсечки.

Ну и ещё один плюс — лучшие условия работы фазовращателей, которые могут работать с большим давлением.

***

В целом, недалеко от истины популярное мнение о том, что ради экологических показателей, сокращения издержек на производство и постоянного повышения таких “маркетингово значимых” показателей как расход топлива или динамика разгона неизбежно приходится жертвовать ресурсом и ремонтопригодностью двигателей. И всё же этот комплекс причин — далеко не единственный.