Доброго времени суток, уважаемые читатели!
Сегодня хотелось бы поговорить с вами о том, какие из современных решений, применяемых разными конторами в мире, мог бы использовать наш любимый завод в своих моделях, чтобы не навредить надёжности и ремонтопригодности, но сделать автомобили более экономичными и экологичными.
Кстати, смотрю я на цели инжинирингового отдела ВАЗа, и вижу, что думают они в ту же сторону, с учётом скромного масштаба планируемых работ.
Давайте пофантазируем.
1. Основные задачи, решаемые внедрением новых силовых установок:
- модульность, т.е., широкий ряд однотипных по конструкции и унифицированных по многим деталям силовых агрегатов разной мощности и назначения;
- пригодность к капитальному ремонту;
- отсутствие слишком сложных узлов, элементов, собранных один раз в заводских условиях и не подлежащих обслуживанию;
- более высокое среднее рабочее давление в цилиндре (больший удельный крутящий момент), меньший удельный расход топлива (отношение количества сгоревшего топлива к количеству произведённой работы);
2. Блок цилиндров.
Сейчас многие производители переходят на блоки цилиндров из алюминия с отсутствующими в них отдельными гильзами, в которых поверхность трения формируется путём повышения доли кремния в алюминии в приповерхностном слое, либо путём плазменного напыления чугуна на стенки цилиндров, что даёт много преимуществ вроде уменьшения массы и габаритов блока, отличной теплоотдачи из цилиндра и т.п. Беда в том, что такой блок цилиндров становится одноразовым. Да, такие конструкции могут быть достаточно выносливыми (напимер, в VR38DETT на Nissan GTR используется плазменное напыление чугуна, и моторы эти переваривают дикий тюнинг "на 1200 л.с."), но всё же, блок после возможных неприятностей остаётся только выбросить, да и технология не самая дешёвая и простая, освоить её хорошо будет трудно. Наверное, это не выход для массовых и бюджетных ВАЗов, которые 3-й или 4-й хозяин через 10 лет жизни будет ремонтировать в гаражной СТО.
С другой стороны, оставлять блок цилиндров чугунным, будет не очень хорошо, в плане массы (вот на этом видео достаточно хорошо объяснено, откуда и почему берётся разница в массе), и в плане отвода тепла из камеры сгорания, что напрямую оказывает влияние на стойкость к детонации и возможности поднять степень сжатия. В этом плане довольно интересно ознакомиться с подробными материалами программ обучения технического персонала VAG, в которых показано, что наличие протоков для охлаждающей жидкости между стенками цилиндров позволяет опустить температуру поверхности цилиндра в этой части приблизительно на 20 градусов. Это предполагает достаточно большое расстояние между стенками цилиндра, а если блок при этом будет чугунным, то масса его получится весьма большой.
В общем, на мой взгляд, блок цилиндров у нового семейства двигателей должен быть алюминиевым, с закрытой рубашкой охлаждения (прочнее), с тонкостенными залитыми чугунными гильзами (около 2мм, подразумевающими один ремонтный размер), со значительным межцилиндровым расстоянием, позволяющим пускать охлаждающую жидкость между цилиндрами. Примерно, как на семействе ea839 от VAG.
Вообще, на этот двигатель, с некоторым упрощением, можно во многом ориентироваться. Машины с ним (S4,SQ5,A7,Q7) характеризуются чрезвычайно низким расходом топлива, неплохим ресурсом и выносливостью при чип-тюнинге, мы ещё рассмотрим это позднее.
Также, важная часть блока - это область коренных подшипников коленчатого вала. Так как предполагается широкая степень унификации между атмосферными, наддувными, дизельными и "заряженными" версиями, возможно, хорошим решением будет сразу на всех версиях применять сплошную нижнюю часть блока цилиндров, являющуюся также и постелью коренных подшипников, как на моторах volvo drive-e., вместо отдельных бугелей.
Высота блока цилиндров должна быть достаточной для того, чтобы можно было применять достаточной длины шатуны и иметь высокий механический КПД КШМ. У меня на модели получилось 238 мм (у нынешнего ВАЗ 21127 - 197мм), шатун - длиной 156мм, ход 92мм, то есть R/S=1,69, что неплохо для гражданского мотора.
Примечание. На дизельных версиях может быть использована геометрия 88х92мм (один цилиндр станет объёмом 559 "кубиков") за счёт более толстых стенок между цилиндрами, а на "заряженных" - 93х89 мм за счёт более тонких гильз цилиндров, не предусматривающих ремонтных размеров, и другого коленвала. Об этом давайте поговорим в другой раз. Важно, что все версии могут быть получены на одной базовой конструкции, с одним межцилиндровым расстоянием (с базовым диаметром цилиндра 92 мм и этим самым расстоянием около 101мм), одной высотой блока и прочими основными его параметрами.
Если говорить про параметры ШПГ, то, на мой скромный взгляд, важно, чтобы она не была чрезмерно облегчена.
Ну, то есть я не говорю, что поршни и шатуны должны быть супер-массивные, как на Ниве, но и облегчать их более, чем это сделано на 126 двигателе, не стоит с точки зрения ресурса. Да, можно потерять 1-2% расхода топлива, но жаровой пояс поршня, высота его юбки и прочие основные геометрические размеры, его массивность - одна из основ ресурса.
При этом, типичные обороты новых двигателей при эксплуатации, скорее всего, будут пониже, чем у нынешних 1,6, из-за более "мясной" тяги на низах и большего количества передач в КПП, что немного нивелирует потери от более тяжёлой ШПГ.
Что касается высоких оборотов, то, если задаться критической средней скоростью поршня в цилиндре 23 м/с, то предельные рабочие обороты мотора с ходом 92мм составят 7500 об/мин, соответственно, при отсечке у обычных гражданских моторов на уровне 6500 об/мин или ниже, КШМ будет достаточно комфортно себя чувствовать. У "заряженных" версий с ходом поршня 89мм, отсечка по оборотам может быть на уровне 7600 об/мин или чуть ниже, что более, чем достаточно, т.к. Ferrari никто из себя строить не собирается, да и моторы эти, скорее всего, будут наддувными.
2. ГБЦ.
Основные задачи ГБЦ, как конструктивного элемента мотора, в целом - обеспечение оптимальной геометрии впускных/выпускных каналов, достаточно эффективная камера сгорания, достаточный отвод тепла от всех компонентов и хорошее их смазывание. В той или иной мере, всё это есть уже на нынешних ГБЦ ВАЗа.
Понятно, что универсальный модульный цилиндр нового типа должен быть с 4-клапанной DOHC ГБЦ. Наверное, 2-клапанную разрабатывать заново нет большого смысла.
Важный вопрос - применять или нет непосредственный впрыск топлива. Мне кажется - да, применять, причём продвинутый, с подачей топлива по центру как, опять же, на EA839. Однако, на самых простых моторах вроде 8-клапанного 2-цилиндрового и 12-клапанного 3-цилиндрового для массовых малолитражках можно оставить распределённый, во впускной коллектор, при этом ГБЦ будет немного другая, и форма днища поршней изменится. Во всех остальных же моделях применять уже непосредственный впрыск. И всё равно, это будет гораздо меньшее отличие между версиями мотора, чем в случае создания сильно разных версий моторов по объёму цилиндра, или 2- и 4- клапанного семейства ГБЦ.
Степень сжатия - очень компромиссный вопрос.
Давайте для начала несколько примеров.
СЖ на ВАЗ 21124 - 10,3, мотор без проблем переваривает 92 бензин.
СЖ на ВАЗ 21126 - 11,0, и 92 бензин лучше не заливать, даже несмотря на чуть более низкую точку термостатирования двигателя. При этом, отличия по внешней скоростной характеристике налицо.
Сж очень современного атмосферного EA211 1,6 на polo/rapid составляет 10,5, он отлично себя чувствует на 92 бензине, его ВСХ лучше, а бензина он расходует поменьше. По крайней мере, батина Шкода ест в городе и по трассе столько же, сколько и моя. При этом, мотор получен "по остаточному принципу" из 1,4 tsi, и есть на рынке и более навороченные атмосферники.
Или, вот ещё массовый корейский мотор G4FC на Солярисе, СЖ у него 10,5:
На самом деле, видно, отличия в ВСХ не очень большие и в основном на низких оборотах, ВАЗ не сильно уступает длинноходным моторам с фазовращателями. Но ездим-то мы в основном на низких оборотах, и ещё, всё ощущение динамики портят растянутые передачи кпп. Ну про них ещё поговорим.
В общем и целом, можно прийти к степени сжатия на уровне 10,6-10,8 у простых версий моторов с распределённым впрыском топлива, и около 11,5-11,7 у более продвинутых, с непосредственным впрыском.
Очень важно конструктивно снизить трение в механизме ГРМ. Для этого, опять же, не обязательно всё тотально облегчать и уменьшать, снижая ресурс, а можно, например, применить роликовые толкатели клапанов, и роликовые подшипники на распредвалах, в районе ремня ГРМ. Да, это дороже, но вспоминаем, что в моторе с 3 цилиндрами изначально меньше деталей и операций по сборке, чем в 4-цилиндровом, так что, может, себестоимость ГБЦ вырастет приемлемо.
Фазовращатель на впускном валу, наверное, должен быть на всех версиях двигателей, даже самых простых, уж слишком много он даёт в части расширения рабочего диапазона и возможности влиять на газообмен. Желательно, чтобы он был быстродействующим электрическим, чтобы частично заменял собой работу дроссельной заслонки на малых нагрузках, что уменьшает насосные потери.
На более продвинутых вариациях, например, 3-цилиндровом 1,8 для новой Весты, можно задействовать и второй фазовращатель.
Система изменения хода клапанов. VTEC, VarioCam, Valvetronic - многие уважающие себя конторы десятилетиями применяют такие системы. Очень крутая вещь. Конечно, конструкция не самая дешёвая, однако, она напрямую не сказывается на надёжности, а даёт весьма много, позволяя совместить в одном агрегате "низовой" и "верховой" моторы, фактически, вместе с фазовращателями позволяя достигать оптимального газообмена на любых режимах работы. Мне кажется, закладывать такую систему стоит. Очень проста и гениальна по своей природе система valvelift у audi. Обзор Драйва2 показывает, что вещь, в принципе, не капризная, в случае отказа ничего страшного не происходит, актуаторы стоят недорого и меняются без проблем. Не подходит для сильно оборотистых моторов, но нам, в принципе, и не надо.
3. Прочее оборудование двигателя.
Впускной коллектор переменной длины - достаточно простая и действенная мера по улучшению характеристик и сглаживанию ВСХ, её можно и нужно применять, но, скорее всего, на 2-цилиндровом двигателе в нём нет смысла, так как эффект будет меньше.
Электронный водяной насос и термостат - позволяют при ШИМ-регулировании электронной помпы и вентилятора, и плавной подстройке термостата, очень чётко выдерживать тепловой режим мотора, ускорять прогрев, экономить топливо за счёт снижения насосных потерь в большинстве режимов работы мотора. Да, больше нагрузка на генератор и АКБ. Да, дороже. Насчёт надёжности - больше компонентов и проводки, зато не оборвёт ремень в неподходящий момент. Применять или нет - спорный вопрос. На продвинутых версиях моторов, по моему мнению, применять стоит.
Масляный насос переменной производительности - простая и понятная мера по снижению расхода топлива, применяется с бородатых времён, например, на коммерческих дизелях Mercedes, насосы бывают простые с редукционным клапаном и продвинутые с плавным изменением производительности по параметрическому полю нагрузок и оборотов. На мой взгляд, применять стоит, по крайней мере. простую версию с редукционным клапаном. Кстати, с таким насосом старение масла меньше, так как оно меньше циркулирует на большинстве режимов.
Привод ГРМ - больной вопрос для многих производителей и автовладельцев. Тут поломано очень много копий, но я всё же за ремень. При условии достаточно высокого качества этих самых ремней и подшипников роликов. Ремень более предсказуем и дёшев в обслуживании. Но виднее, конечно, тем, кто будет заниматься этими новыми моторами, если таковые найдутся. Им вообще виднее, а я так, могу только порассуждать на общие темы.
... уже получается МногаБукаф, давайте закругляться, продолжим развивать тему по мере изложения остальных вопросов.....
Про уровень форсировки.
Ну, давайте плясать от печки. Если брать отечественный мотор с фазовращателем и без других повышающих характеристики технологий, то это ВАЗ 21179 - Вестовский 1,8. СЖ у него, кстати, 10,3.
У него удельные показатели: 68,8 л.с/литр (6000 об/мин) и 95,8 Н*м/литр (3750 об/мин).
Будем считать, что на новом моторе удельные показатели на 3% лучше вследствие чуть более высокой СЖ, лучшей стойкости к детонации, меньшего трения и потерь и т. п. Но на 2- и 3-цилиндровых моторах - не лучше, вследствие отсутствия положительных эффектов во впускном и выпускном коллекторах, например.
Тогда самый простой мотор 1,22 литра будет иметь 83,4 л. с. и около 117 н*м.
Обзор источников показывает, что:
- Впускной коллектор переменной длины даёт около 8% прибавки мощности и 2% прибавки максимального момента;
- Повышение степени сжатия на единицу, возможное при применении непосредственного впрыска, даёт около 3% мощности и столько же момента;
- Система изменения хода клапанов и ширины фаз даёт около 10% мощности и 5% крутящего момента;
- Второй фазовращатель даёт около 3% мощности и практически не влияет на момент.
Таким образом, при применении всех этих технологий, удельные показатели могут быть примерно на уровне 80 л. с и 100 н*м на литр у 3-цилиндрового мотора, и 82-83 л.с. и чуть более 100 н*м на литр у 4-цилиндрового. Всё это - при хорошей тяге на низких оборотах и на 92 бензине.
Для наших больших цилиндров получаем:
- 1,83 литра, 146 л. с и 183 н*м - аналог обычного старого 2-литрового атмосферника;
- 2,44 литра, 202 л. с и около 250 н*м - можно ставить уже на что-то крупное. А мощность написать 199 сил.
Однако, мы видим, что 2 цилиндра хорошо подходят для Оки, 3- для Весты или Хрея, но для Гранты 146 л. с. много, а 117 н*м мало, ей же ещё прицеп и тёщу в горку тянуть. Как с этим быть - давайте поговорим уже в следующий раз.
Спасибо вам за внимание, за конструктивную критику, и до новых встреч! Мир вашему дому.
