Даунсайзинг. Значение имеет не только размер
С огромным интересом посмотрел ролик Дмитрия Николаевича Даньшова о даунсайзинге (downsizing). Ролик называется «Размер имеет значение». Перессказывать его не буду, можете сами посмотреть по ссылке
С позицией Дмитрия Николаевича я согласен. Моторы, построенные по концепции даунсайзинга, ангажированы «зелеными» и долго не живут. А итоговый экологический эффект их применения весьма сомнителен. Еще раз: согласен, согласен!
Но неужели все усилия конструкторов и технологов, трудившихся на ниве даунсайзинга напрасны? Вот об этом и поговорим.
Как он появился?
Глобальная концепция даунсайзинга, как ответ на прессинг со стороны «зеленых», родилась не в одночасье. Еще в 1970 году конгресс США принял поправки к «Закону о чистом воздухе» (Clean Air Act), ужесточивший предельные концентрации вредных веществ в атмосфере. Эти поправки напрямую касались и автопроизводителей. А вскоре появились и экологические стандарты.
Сначала они предусматривали существенное снижение в отработавших газах угарного газа CO, углеводородов CH, оксидов азота NOx, а также твердых сажевых частиц для дизелей. Потом под предлогом борьбы с парниковым эффектом «зеленые» добились принятия программы сокращения выбросов в атмосферу углекислого газа CO2.
При этом хищническая вырубка лесов, что тайги, что джунглей, инициаторов программы почему-то не волновала. И это несмотря на то, что леса эффективно поглощают углекислый газ, борясь с глобальным потеплением естественным образом. Зато немедленно появились углеродные рынки – торговые площадки, где можно покупать и продавать «углеродные единицы». Этакий экономический механизм «борьбы» с загрязнением атмосферы.
Нововведение коснулось и потребителей. Купил «правильный» автомобиль – молодец, катайся пока. Нет – оплачивай усилия борцов с последствиями парникового эффекта. Плата по прейскуранту в зависимости от конкретной страны и даже города. «Углеродная эпидемия» приобрела планетарный масштаб, охватив не только Европу, но и США, Канаду, Японию и другие страны.
Но вернемся к двигателям
Автопроизводители стали искать пути снижения потребления топлива без уменьшения мощности мотора. Так родилась глобальная концепция даунсайзинга.
Ведь привлекательно, согласитесь: меньшая масса движущихся деталей, сокращение потерь на трение, меньшие насосные и тепловые потери – все это способствует экономии топлива. И дополнительно: сокращение массы мотора и самого автомобиля, широкие возможности компоновки силового агрегата, в том числе с современными трансмиссиями, возможность увеличения салона за счет сокращения объема моторного отсека и многое другое.
А технологии? Перечислим лишь некоторые решения:
• непосредственный впрыск топлива с образованием заряда для работы на бедных смесях;
• управляемый процесс газообмена за счет изменения момента срабатывания механизма клапанов;
• возможность отключения одного или нескольких цилиндров;
• технология «старт-стоп»;
• сокращение потерь на трение за счет применения антифрикционных покрытий и уменьшения движущихся масс;
• многоконтурная система охлаждения, позволяющая поддерживать оптимальный тепловой режим ДВС.
А еще технология принудительного наддува с помощью турбонагнетателя.
И ведь неплохие открылись возможности! При одинаковой мощности можно превратить двигатель V8 в V6, V6 в R4, а R4 – в R3. Или существенно поднять мощности без изменения архитектуры и числа цилиндров.
Вспомним и компоненты
Говоря о компонентах двигателя, не будем упоминать их разработчиков – эта статья не рекламная. Да и санкции… Сосредоточимся на технической стороне дела. Излагать будем кратко и беспристрастно.
Начнем с поршней. В мощных «даунсайзинговых» дизелях с турбонаддувом температура поршня и оказываемое на него давление достигают запредельных величин. Все знают, что головки современных поршней имеют выемки для оптимизации смесеобразования. Кроме того, вспомним: для улучшения литейных качеств алюминия в него добавляют кремний. Так вот, у таких поршней в экстремальных условиях (температура, давление, газовая эрозия!) на границе выемки могут возникать дефекты, вызванные крупными зернами кремния.
А нельзя ли измельчить эти зерна, задумались инженеры. Покумекав, решили: можно! И внедрили технологию: периметр выемки обрабатывается лазерным лучом, частицы кремния измельчаются, уменьшаясь в 10 раз. В результате прочность и долговечность поршня увеличиваются в 4–7 раз.
Описанная операция лазерного упрочнения применяется, в частности, для 3-литрового турбодизеля одного из немецких автопроизводителей.
Очень важно, чтобы поршень правильно взаимодействовал с гильзой при любых нагрузках и температурах. Овальная форма юбки обеспечивает оптимальную посадку в цилиндре, адаптируя поршень под переменные нагрузки. Разумеется, это также уменьшает потери на трение и обеспечивает повышенный ресурс поршня.
Литье – дело тонкое. Мало изготовить сложный современный поршень, его надо всесторонне проверить перед отправкой потребителю. Для этого был разработан 2D ультразвуковой метод контроля. Он позволяет получить данные о 125 тыс. точек изделия и выявить точное местонахождение и размеры дефектов, если таковые имеются.
Теперь о поршневых кольцах.
Они тоже требуют инновационных решений и прецизионных технологий, иначе не видать нам ни экономичности, ни мощности, ни экологичности.
Срок службы современных колец должен быть больше задаваемого стареющими нормативами, а работать они обязаны при меньшем количестве смазки. Сегодня топливо, служившее естественным смазочным материалом (особенно в дизелях!), перестает быть таковым. Причина – в резком снижении содержания серы в угоду экологическим показателям.
Требования к свойствам основного материала кольца и его поверхностного слоя сильно отличаются. Поэтому конструкторы создали для колец ряд уникальных материалов и покрытий, уменьшающих трение в сопряжениях пар и увеличивающих долговечность деталей.
Начнем с хромокерамического покрытия. Оно было разработано специально для дизелей с целью повышения долговечности цилиндропоршневой группы, а результатом явились низкие износы колец и стенок цилиндров, а также отсутствие задиров.
Эта технология стала первым шагом к созданию алмазного покрытия, повысившего износостойкость поверхности кольца. Достаточно сказать, что она в 4 раза превышает ресурс стандартного хромированного покрытия и в 2 раза – соответствующие показатели хромокерамического покрытия.
Если стратегически – чем хорошо данное решение? Во-первых, оно открывает новые перспективы для создания следующего поколения компактных, но мощных дизелей; во-вторых, позволяет увеличить интервалы сервисного обслуживания.
Очень интересные результаты дает оптимизация геометрии маслосъемного кольца. Это особая ступенчатая конструкция рабочей кромки, снижающую насосные потери в такте сжатия. А вот в такте расширения масло со стенки цилиндра мгновенно сбрасывается в картер – причем это происходит гораздо эффективнее, чем при использовании стандартного кольца.
Результат налицо: масло в камеру сгорания не попадает, нагар на свечах не образуется, а само масло не угорает.
Переходим к гильзам блока цилиндров.
Алюминиевый блок – дань снижению веса двигателя. В некоторых моторах даже гильзы выполняли из легких сплавов с износостойким покрытием, чтобы еще сильнее снизить вес агрегата.
Но практика показала, что такое решение далеко от идеального: механические и тепловые нагрузки приводят к короблению блока с «мягкими» гильзами. Какой уж тут прогресс… И что было делать? Возвращаться к увесистой чугунной гильзе? Инженеры пошли по более современному пути, создав гибридную гильзу из двух материалов: изнутри (там, где работает поршень с кольцами) – чугун; снаружи – легированный алюминиевый сплав с содержанием кремния до 12%.
Чугун обеспечил прочность и износостойкость, алюминий же взял на себя отвод тепла, увеличив его отдачу на 30%.
Кроме того, установка гибридных гильз в блок стала проще, технологичнее, «дружественнее» – теперь запрессовывается «алюминий в алюминий». При этом обеспечивается надежное механическое сцепление между поверхностями гильзы и блока.
Но вернемся к чугуну. Его выигрышные трибологические характеристики заметно подняли ресурс двигателя. Но и это еще не все: хонинговальные риски стали «долгоиграющими», а расход масла на угар еще более снизился.
Благодаря новой технологии производители двигателей смогли выпускать блоки с перегородками толщиной всего 3 мм. Раньше это грозило трещинами, проникновением антифриза в систему смазки и другими страшными последствиями. С гибридными гильзами эти страхи остались в прошлом.
И, наконец, о вкладышах.
При воплощении решений даунсайзинга к чисто конструкторско-технологическим проблемам добавляется еще одна – экологическая.
В производстве вкладышей издавна применяли свинцовистую бронзу. Свинец в составе этого сплава повышал антифрикционные свойства, улучшал прирабатываемость и обеспечивал коррозионную стойкость подшипника.
Но Европарламент в своей Директиве 2011/37/ЕС потребовал: «В деталях двигателя, поставляемых на европейский рынок, не должно быть свинца!». И то правда: этот тяжелый металл, попадая в продукты износа, основательно отравлял окружающую среду.
Значит, требуется бронза без содержания свинца? Нужный сплав был получен. Точнее, это композит, этакий «слоеный пирог», в основе которого медь, олово и никель. Слой оловянно-медного сплава плавно переходит в оловянно-никелевую структуру. Что это дает? Во-первых, «мягкую» приработку и практически идеальные сопряжения после ее окончания. Во-вторых, высокую прочность вкладыша и завидный срок службы. «Изюминка» в том, что при высоких температурах часть олова «рассеивается», после чего начинает работать оловянно-никелевый слой, обладающий повышенным ресурсом.
Идем дальше. Система «старт-стоп»… Она по праву считается новаторской, поскольку экономит топливо и снижает эмиссию отработавших газов, особенно на светофорах и в городских пробках. «Старт-стоп» все чаще устанавливается на автомобилях и фактически стала стандартным оборудованием.
В чем особенность системы? А в том, что двигатель должен заводиться очень быстро, как только водитель нажмет на сцепление – это требование надежной управляемости и, в конечном счете, безопасности эксплуатации. А коли «очень быстро», значит… да, есть вероятность работы подшипников скольжения «всухую», когда масляная пленка еще не успела образоваться. А если масло маловязкое, пленка эта сама по себе тонкая, а двигатель запускается по нескольку десятков раз на дню? Ох, не избежать коренным и шатунным шейкам масляного голодания…
Можно и нужно избежать! Для этого инженеры создали новый подшипник скольжения с полимерным покрытием, способный кратковременно работать без смазки и стабильно выдерживать любые эксплуатационные нагрузки в высокофорсированных двигателях. А еще они умеют «ловить» твердые инородные частицы, чтобы те не повредили шейки коленчатого вала.
Так стоит ли ругать даунсайзинг?
И да, и нет. С чего начнем? Давайте с негатива. Безусловно, концепция даунсайзинга была рождена апологетами экологии. Точнее, коммерческой экологии. А она напрямую связанна с «одноразовой» экономикой. Купил, попользовался, утилизировал, купил. Какая уж тут забота об окружающей среде…
А теперь похвалим. Не стоит выплескивать с водой ребенка. Служа агрессивному маркетингу, автомобильные инженеры стремительно продвинули конструкторскую мысль, материаловедение и разнообразные технологии.
Вы скажете, они бы и так продвинули, без даунсайзинга. Верно. Однако даунсайзинг лихо подстегнул этот процесс. И за это надо быть ему благодарным. Даже если его отправят в отставку.
Юрий Буцкий
Фото из архива автора