Анатомия даунсайзинга

Современная тенденция моторостроения вышла на новый уровень. И её основной целью является наделить автомобили новыми, облегчёнными моторами, которые будут компактны, экономичны, экологичны в конце концов, и по мощности не будут уступать простым агрегатам, а в чём-то даже быть и лучше. Такая тенденция получила название «даунсайзинг», что в переводе означает «сделать меньше» или «уменьшить размер». Стоит только оглянуться вокруг — уже стали популярными легковые автомобили с моторами небольшого объёма под капотом, к тому же их можно встретить и на дорогих марках автомобилей. Так что же представляет собой даунсайзинговый двигатель?

В даунсайзинговом моторе, как уже стало понятно, малый объём цилиндров, облегчённые детали, которые вдобавок ещё уменьшённого размера. Облегчаются детали двигателя путём изменения сплава, из которого они отливаются. Блок цилиндров изготавливается из специального алюминиевого сплава, поршни из дюралюминиевого сплава, а клапанная крышка — из специальной термоустойчивой пластмассы. Уменьшение размеров деталей, также помогает снизить не только общую массу двигателя, но и уменьшить его в размерах, обеспечивая компактность агрегата. Поэтому во всех двигателях устанавливаются поршни с укороченной юбкой, и шатуны, которые тоньше обычных, а с такими шатунами, соответственно и шейки коленчатого вала тоже будут короче, от чего и сам коленвал в целом будет короче. К слову, удивляюсь, как это ещё коленвал не решили сделать алюминиевым.

И чего же конструкторы этим добились? При производстве автомобиля уже давно замечаются сделанные из алюминия детали кузова, подвески и так далее. А всё для того, чтобы сделать автомобиль легче, в результате это повысит его динамические и скоростные характеристики, а также значительно сократит время разгона до 100 км/час. Но и этого оказалось мало — теперь добрались и до моторов. А с другой стороны, посмотрите сколько плюсов: двигатель компактный, меньше весит, экономичный, а кстати чем выше экономичность, тем меньше выброс в атмосферу СО2, да и уменьшённые детали дешевле в производстве, как и намного дешевле использование сплавов алюминия. К сожалению, в наше время в первую очередь выступает себестоимость и соответственно фирмам-производителям неинтересно тратить огромные средства на производство вечных двигателей. Хорошо, со страшным понятием даунсайзинга разобрались. Теперь возникает вопрос: если такие моторы с малым объёмом, то соответственно они выдают меньше мощности? И тут мы подходим к следующей тенденции, под названием «форсировка».

Форсировка означает увеличить мощность, а с ней пропорционально увеличивается давление в цилиндрах и тем самым, растут нагрузки на детали двигателя. Получается, с одной стороны уменьшая размер деталей, снижается их прочность, а с другой — повышая степень форсирования, увеличиваются нагрузки на эти детали. Причём эти нагрузки как механические, так и тепловые. Тепловые нагрузки зависят от количества топлива, которое подаётся в камеру сгорания и это ещё как говорится полбеды, а вот с механическими нагрузками будет туговато. Форсировать двигатель можно разными способами, в основном это использованием турбонаддува и увеличенные обороты коленвала. В результате использования наддува, возрастает давление сил газов, а с оборотами — инерционные нагрузки. Поэтому каждая форсировка по-своему воздействует на прочность деталей и их ресурс.

Для характеристики степени форсировки, используются два показателя: это среднее эффективное давление и литровая мощность мотора. Первый показатель означает результат отношения полезной работы к объёму цилиндра мотора. Если раньше, около 30 лет назад, значение этого показателя составляло 0,7-0,9 МПа, то у современных двигателей этот показатель колеблется в пределах 1,4-1,6, а у некоторых и вовсе эта цифра доходит до 3,0 МПа! Но это достаточно сложный для понимания параметр, используемый больше в среде специалистов высокого профиля, поэтому сильно в его подробности вдаваться не будем.

Вот о литровой мощности, не сомневаюсь, вы уже наверняка слыхали. Показатель находится делением номинальной мощности двигателя, на объём его цилиндра. Ещё проще говоря — это количество лошадиных сил, снимаемых с одного литра рабочего объёма двигателя. Если раньше моторы выдавали по 40-50 л.с. с литра объёма, то современные агрегаты достигают 100 и больше л.с.

Высокий износ и высокие нагрузки, это ещё не всё. Во время проектировки действительно надёжного мотора, в основе конструкции его деталей берётся коэффициент запаса прочности, который обеспечивает надёжность и безотказность работы деталей двигателя, во время их кратковременной перегрузке выше нормы. Это не даст деталям разрушиться, во время резкого скачка нагрузок, ну мало ли, что может в дороге случиться. А уменьшение размера деталей в ущерб их прочности значительно уменьшает тот самый запас прочности практически до минимума. И теперь сохранение работоспособности двигателя при возникновении критической ситуации маловероятно, не говоря о ресурсе такого мотора.

Слева коленвал и поршень форсированного мотора, а справа — обычного. Оцените насколько они уменьшены и как это может отразиться на ресурсе и надёжности конструкции:

К двигателям, при конструировании которых применялась технология даунсайзинга относятся моторы концерна VAG семейства FSI, TFSI, TSI, последние двигатели MPI, фордовские EcoBoost, а также опелевские моторы SIDI и CDTI — это те, о которых знаю я, а на самом деле примеров может быть намного больше.

Конечно, никто не отбирал возможность у автопроизводителей использовать новейшие технологии и материалы, которые смогут компенсировать увеличение нагрузок. Однако, как я уже говорил, к этому мало кто будет стремиться. Фирме не представляет интереса использование в своём производстве дорогих материалов, и то, которые смогут компенсировать эти нагрузки только частично, ведь себестоимость автомобиля сразу возрастёт, а в маркетинге низкая себестоимость — это враг качества. Отсюда ограничение срока службы двигателя вполне обосновано. И теперь уже не будет двигателей-миллионников, так как эти времена уже прошли. Останутся моторы, в силах которых выдержать 150-200 тысяч километров, а 250 тысяч смогут выходить всего лишь единицы.