Продолжить тему двигателей и современных технологий решил после высказывания коллеги по форуму о том, что современный двигатель VW 2.0 л TSI в 220 л.с. и 350 н*м, устанавливаемый сегодня на новые модели Фольксваген Пассат 8 и Шкода СуперБ динамичнее 2.5 л Skyactiv в 192 л.с. и 256 н*м. Соглашусь! Но скажу ещё раз, что этот двигатель имеет свои очень большие минусы, которые просто неведомы многим пользователям. Если коротко, то VW AG взял прежний мотор данной серии ЕА 888 и основательно "настружил" с него металла. То есть уменьшили толщину стенок цилиндра почти на миллиметр, почти на сантиметр урезали шатунные шейки коленвала, ну и прочие работы в этом же духе (скриншоты из источника для служебного пользования прилагаются). При этом никаких новых конструкционных материалов не было применено, как в случае с 1,2 — 1,4 TSI, где и чугуний с вермикулярным графитом и высокопрочный алюминиевый сплав по блоку и по поршням и голова новая и другие изменения, что позволило форсировать 1,4 TSI вплоть до 160 сил без потерь ресурса. В 1,8 — 2,0 TSI никаких новых технологий и материалов нет. А с другой стороны есть большая степень форсировки. Как думаете, сколько протянет такой двигатель? Свои слова подкреплю скриншотами моей дискуссии с представителем VW AG на другом федеральном портале, где он использовал материалы для служебного пользования при обсуждении двигателей TSI. Ну и немного теории по двигателям с турбонадувам от VW.
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. Машина обретает недостижимую ранее энергонасыщенность и влезает по экологии в самые современные требования. А чем для этого приходится жертвовать?
Степень форсирования 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 200-сильный 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 «букварях» его не найдешь. Более наглядна «литровая мощность», получаемая простым делением номинальной мощности мотора на его рабочий объем. И тут прогресс четко виден. Моторы 80-х годов прошлого столетия выдавали 40…50 «лошадей» с литра рабочего объема. Сейчас добрались до заветных 140 л.с./л. и более. Такие цифры в былые времена были только у «очень спортивных» движков не дешёвых автомобилей. В итоге получаем две тенденции. С одной стороны, уменьшаем размер двигателя и его деталей. При этом понимаем, что с уменьшением размера снижается прочность, так как 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, а также 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.
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.
А как же новые материалы? Новые технологии? Они же компенсируют увеличение нагрузок! Теоретически – да. Но, во-первых, частично. Во-вторых, как показывает опыт, 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.
Теперь о двигателе Мазды 2.5 л. Бензиновый двигатель Скайактив работает по принципу цикла Джеймса Аткинсона, в котором впускной клапан не закрывается при достижения поршня нижней мертвой точки, а продолжает быть приоткрытым примерно до половины хода поршня. При этом некоторая часть горючей смеси выталкивается обратно во впускной коллектор, уменьшая тем самым разряжение в нём. Это снижает крутящий момент двигателя, но за счет того что реализуется более полное расширение повышается эффективность двигателя, также уменьшаются насосные потери за счет того что снижена разрежённость во впускном коллекторе.
Напомню, что «насосные потери» возникают на такте впуска, когда поршень идет вниз и всасывает воздух. Вследствие того, что при работе на холостом ходу дроссельная заслонка почти закрыта, так как при работе без нагрузки необходимо меньшее количество воздуха, давление в цилиндре и во впускном коллекторе значительно ниже атмосферного. В результате поршень для движения вниз преодолевает сильный вакуум, затрачивая при этом дополнительную энергию.
Двигатель скайактив работает по такому циклу только при низких нагрузках, при увеличении оборотов впускной клапан начинает закрываться гораздо раньше и рабочий цикл двигателя приближается к классическому циклу Отто, тем самым увеличивается эффективная степень сжатия и повышается максимальный крутящий момент, степень сжатия при максимальных нагрузках достигает показателя 13:1. Для предотвращения детонации в этом режиме работы двигателя SKYACTIV-G была усовершенствована система управления опережением зажигания. Для борьбы с высокими температурами в камерах сгорания, которые способствуют появлению детонации, японские инженеры применили разветвлённую систему выпуска 4-2-1, такая же система применяется у болидов формулы-1.
Основным нововведение, которое позволило реализовать цикл Аткинсона, является так называемый «разделённый впрыск» топлива, который позволяет впрыскивать топливо, как в такте впуска, так и в такте сжатия в ходе одного цикла. Впрыск на впуске значительно охлаждает топливно-воздушную смесь за счет испарения топлива, а впрыск при сжатии обогащает топливно-воздушную смесь перед воспламенением.
Для уменьшения тепловых потерь и оптимизации процесса воспламенения инженеры мазда разработали сложную форму «зеркала» поршня с глубокой выемкой, углубление в поршне уменьшает объём первоначального горения, что снижает тепловые потери, кроме того уменьшению тепловых потерь так же способствует довольно компактная камера сгорания.
Для достижения исключительной эффективности двигателя SKYACTIV были пересмотрены не только термодинамические процессы двигателя, но и значительно доработана механическая часть двигателей Скайактив была снижена общая масса деталей совершающих поступательно-вращательное движение и уменьшено трение между взаимодействующими частями.
А теперь можно и более детально рассмотреть усовершенствование двигателя скайактив в механической части.
Блок цилиндров двигателя SKYACTIV-G изготовлен из лёгкого алюминиевого сплава, состоит из верхнего и нижнего блока цилиндров.
Поршни имеют относительно небольшую юбку покрытую специальным составом для уменьшения трения. Зеркало поршня имеет сложную форму с углублением по середине, это создаёт оптимальные условия для послойного формирования топливно-воздушной смеси вокруг свечей зажигания (скриншот прилагается). Для снижения трения используются поршневые кольца с меньшим усилием разжатия. Поршень присоединен к шатуну пальцем с полностью плавающей посадкой. Шатуны изготовлены из кованой углеродистой стали, благодаря оптимизации формы имеют меньший вес и размер, что снизило силы инерции. Для уменьшения трения в шейке коленчатого вала, нижняя головка шатуна уменьшена в размерах.
Коленчатый вал вращается в 5 подшипниках и имеет 8 противовесов. В его передней части установлена ведущая звёздочка для цепи газораспределительного механизма и звёздочка цепной передачи, которая приводит в действие масляный насос. Снижена масса коленчатого вала и уменьшены силы трения.
Распредвалы изготовлены из чугуна. Для реализации цикла Аткинсона и регулирования сдвигом фаз газораспределения оба распределительных вала имеют муфту VVT (Variable Valve Timing). Раcпредвалы приводятся в действие цепным приводом с автоматическим натяжителем, не требующим обслуживания. Механизм VVT на выпускном валу имеет гидравлический привод, а на впускном электрический. Электрический привод обладает более широким диапазоном регулирования и более гибок в управлении и быстрее реагирует на сигналы поступающие от блока управления, кроме того он не зависит от внешних факторов, таких как текучесть масла в зависимости от температуры в двигателе.
Для снижения насосных потерь двигатель SKYACTIV имеет масляный насос трохоидного типа с цепным приводом, который может работать в двух режимах, создавая разное давление масла в двигателе в зависимости от того в каком режиме работает двигатель.
Заправочный объём масла в двигателе SKYACTIV-G 4,2 литра с заменой масляного фильтра и около 4 литров без замены масляного фильтра. Для линейки двигателей SKYACTIV было разработано новое оригинальное масло Mazda Dexelia 0W-20 Supra, по сравнению с обычным оно считается более энергосберегающим. Так же в этот двигатель можно заливать и привычное маздовское масла Dexelia 5W-30 Ultra.
Думаю, что каждый прочитавший этот материал сам сделает определённые выводы о современных двигателях различных автопроизводителей, ну и в каком направлении мы движемся)). Всем коллегам удачи и безаварийной эксплуатации своих авто!
