Авторизация

Компактнее и эффективнее

26 июня 2017 в 19:14 admin

Даунсайзинг (от англ. Downsizing – сокращение размера) – объективная тенденция современного автомобилестроения. Производители автомобилей стремятся уменьшать размеры как отдельных деталей, так и целых узлов, агрегатов, при этом не только не теряя в динамике, мощности и прочих эксплуатационных характеристиках транспортного средства, но и улучшая их. Об основных направлениях даунсайзинга, передовых технических решениях, а главное, о том, как данная тенденция отражается на последующем ремонте и техническом обслуживании автотехники, мы расскажем в нашей статье.

 

«Компактная» эволюция 

По мнению большинства экспертов, даунсайзинг как тенденция зародился в Германии в начале 2000-х гг. и стал своего рода закономерным ответом на ужесточающееся экологическое законодательство, а также на возрастающие запросы потребителей в отношении управляемости, динамики, экономичности и некоторых других эксплуатационных характеристик автотранспортного средства. Точкой отсчета принято считать проявивший себя с самой хорошей стороны 1,8-литровый двигатель Audi, вышедший в серию в конце1990-х гг. Конструкторам удалось форсировать его до 240 л.с. Цифра впечатляющая и по сегодняшним меркам, а тогда вообще казавшаяся фантастической. Кстати сказать,концерн VAG с тех пор остается одним из главных локомотивов даунсайзинга, по сути, застрельщиком, сохраняющим свои флагманские позиции в глобальной тенденции, к которой живо подключились и остальные автопроизводители по всему миру.

В этом нет ничего удивительного. Инженеры довольно быстро поняли, что путем всевозможных усовершенствований можно значительно повысить выходную мощность двигателя в расчете на единицу объема. И принялись за дело, увеличив этот показатель без малого за 20 лет с 40-50 л. с./л в конце 1990-х – начале 2000-х гг. до 100-120 л. с./л на текущий момент.  

Но не столько само увеличение мощности как таковое было их целью. Экологические нормативы EURO-3, -4, -5 заставляли создавать все более и более «чистые» моторы, и как раз даунсайзинг стал тем инструментом, который позволял вписываться в сужающиеся рамки ограничений по выхлопу. За счет применения турбонаддува, изменения фаз газораспределения и прочих высокотехнологичных решений удалось достигать соответствия регламенту по защите окружающей среды. С другой стороны, двигатели получались более экономичными, динамичными, мощными, что, конечно же, пришлось по вкусу и автовладельцам.

Причем даже тот факт, что вместе с форсированием происходило и увеличение давления в цилиндрах, а вместе с ним росли нагрузки, съедавшие ресурс, не пугал ни потенциальных потребителей, ни самих конструкторов. В конце концов, никто же не собирается вечно владеть автомобилем. «Двигатель-миллионник» – безусловно, звучит гордо, но кто хоть когда-нибудь проезжал на своем личном легковом автомобиле даже половину этой дистанции? А экономить с даунсайзинговым двигателем можно здесь и сейчас, он  дает тебе восхитительную динамику и экологическое превосходство. Поэтому судьба тенденции была решена однозначно – даунсайзингу быть.  

Сегодня компактные двигатели уже неотъемлемая составляющая современного автомобилестроения, без них просто невозможно представить множество марок и моделей транспортных средств. Они регулярно получают призы на престижнейшем конкурсе «Международный двигатель года». Причем 0,99 — литровый  агрегат Ford EcoBoost трижды признавался «Международным двигателем года» в общем зачете – результат, которого пока не достиг ни один другой двигатель, он также был назван «Лучшим новым двигателем» после выхода на рынок. Всего же в его активе 10 премий этого авторитетного инженерно-технического состязания умов.

Джо Бакай, вице-президент по разработке продуктов, Ford of Europe: 

— Наш двигатель EcoBoost изменил условия игры, задав новую планку в сегменте компактных экономичных двигателей благодаря технологии турбонаддува EcoBoost, прямому впрыску топлива и системе независимого управления фазами газораспределения обоих распределительных валов. Несмотря на послужной список в 10 премий «Международный двигатель года», мы продолжаем искать возможности раздвинуть границы в сфере инжиниринга силовых установок и предложить покупателям машин с этим выдающимся компактным двигателем еще больше преимуществ. 

Данный EcoBoost характеризуется мощностью 125 л.с. и выдает 170 Нм. Агрегатированный 6-ступенчатой механикой, он разгоняет автомобиль до 200 км/ч, а отметку в 100 км/ч преодолевает через 12 секунд после старта. Средний расход топлива – чуть более 4 л на 100 км пути.

Даунсайзингу подвержены не только малолитражные двигатели. Свежая «семерка» BMW стала первым флагманом баварских автомобилестроителей, оснащаемым… вы не поверите – 4-цилиндровым 2-литровым бензиновым турбомотором В48, форсированным до 258 л. с. (в России не представлен). Такие же ставят на Mini Cooper. Но что такое Mini Cooper и что такое BMW 730i? Но нет, производитель уверяет, что и с таким мотором почти 2-тонный гигант достаточно динамичен: разгон до сотни по паспорту составляет 6,2 сек, максимальная скорость – 250 км/ч, расход – немногим более 7 л на 100 км. 

В даунсайзинг с головой окунулся и известный «спортсмен» – Porsche. В арсенале марки есть 2-литровый двигатель обновленного Boxster: 300 л.с. и 380 Нм против 256 л.с. и 280 Нм 2.7-литрового атмосферного предшественника. Разгон: 5,1 секунды с места до 100 км/ч (с VRG) и 275 км/ч максимальная скорость; средний расход – 7,4 л на 100 км.

Французы тоже  не чураются даунсайзинга. Renault с мотором 1.6Т развивает 200 л.с. и 260 Нм. На достижение скорости 100 км/ч автомобиль тратит 8,5 секунды, а максимальная скорость составляет 215 км/ч. Чтобы достигнуть похожих характеристики в до-даунсайзинговую эру, инженерам приходилось ставить под капот автомобиля V-образную «шестерку» объемом 3.5 л (241 л.с. и 330 Нм).

Но самое удивительное то, что и  главные апологеты больших атмосферников, презрительно относившиеся к расходу топлива, – американские автомобилестроители — также прониклись идеями компактного двигателестроения. Флагманский Cadillac CT6 теперь комплектуется 4-х-цилиндровым 2-литровым турбомотором, обладающим мощностью 265 л.с. и максимальным моментом 400 Нм. Такой же агрегат ставится и на XTS и CTS.

Примеры даунсайзинга можно приводить и дальше, но давайте лучше посмотрим внутрь моторов и узнаем, за счет чего эта тенденция развивается, какие решения предлагают ведущие производители автокомпонентов.

Секреты двигателя

Итак, даунсайзинг – это тенденция, которая определяется в первую очередь экологическими требованиями к автомобильному транспорту и подразумевающая уменьшение эффективного рабочего объема двигателя внутреннего сгорания.

 


transervice_04_17_cmyk

  NE

Как говорит Дамир Багаутдинов, технический специалист ИХР ГмбХ Хофмайстер+Румпф, представительство NPR of Europe в России и Беларуси:

— Даунсайзинг – это один из векторов эволюции двигателестроения, который выковывается в кузнице технического прогресса, призванного в наши дни удовлетворить  постоянно растущие требования общества к сохранению окружающей среды. Молотом в этой кузнице является минимизация размеров двигателя и его комплектующих, а наковальней – требования к увеличению отдачи с единицы объема.

Задача конструкторов – совместить несовместимое. И без разработки новых материалов, покрытий, технологии нанесения этого достичь невозможно. Кто из автопроизводителей лучше справляется с решением их задач, тот и выигрывает в конкурентной борьбе. Двигатели этого производителя, при обязательном выполнении требований экологичности, мощнее, экономичнее и более надежны.

 

Одним из мощнейших инструментов, обеспечивающих компактность моторов, является турбонаддув, позволяющий двигателям работать на обедненной смеси. Как следствие – снижение потребления топлива, большее количество воздуха.

 

 
transervice_04_18_cmyk

 mahle

Максим Легушев, генеральный директор ООО «МАЛЕ РУС»:

— Одним из интересных технологических решений нашей компании в рамках данной тенденции являются стальные поршни MONOTHERM для дизельных двигателей. Как известно, в настоящее время наиболее эффективной системой впрыска для дизельных моторов, обеспечивающей более совершенное сгорание топлива, является система Common Rail. Ее использование (система высокого давления) сопряжено с серьезными нагрузками на цилиндро­поршневую группу. Именно стальные поршни MONOTHERM  позволяют двигателям с системой Common Rail работать в оптимальном режиме ­ для снижения вредных выбросов и более совершенного – можно сказать на сегодняшний день самого идеального – сгорания дизельного топлива. В частности, такие решения применяются на автомобилях Renault, Mercedes­Benz, VW. 

Сталь в меньшей степени расширяется, чем алюминий, она более устойчива к сохранению геометрии. А это позволяет сохранить зазоры, в свою очередь маленькие зазоры позволяют оптимизировать работу двигателя в различных режимах, включая режим прогрева и т. д.

 

Стальные поршни MONOTHERM выдерживают более высокие величины температур и давления, чем поршни из алюминия, а вдобавок к этому они отличаются меньшими потерями на трение. Во-первых, это объясняется более низким температурным расширением стали,  во-вторых, повышенной жесткостью, которые стали возможны благодаря снижению высоты поршня при одновременном сохранении его мощности. Значительные преимущества стальных поршней MONOTHERM применительно к потерям на трение были подтверждены в испытательных лабораториях как в режиме частичной, так и полной нагрузки. Кроме того, благодаря своим термодинамическим особенностям, поршни способствуют оптимизации процесса сгорания, а тем самым и сокращению расхода топлива и вредных выбросов. Использование стальных поршней MAHLE уменьшает трение в двигателе и одновременно с этим улучшает термодинамику и повышает топливную эффективность, по утверждению производителя, на 3%. Благодаря этим показателям поршни MONOTHERM в 2014 году получили премию Renault за выдающиеся достижения в области инноваций.

Французский автопроизводитель использует новую технологию производства поршней MAHLE в своих новых 6-цилиндровых дизельных двигателях, отвечающих требованиям нормативов EURO-6: в двигателе 1,5 л (К9К) с мощностью 81 кВт и максимальным крутящим моментом 260 Нм, а также в двигателе 1,6 л (R9M) с мощностью 96 кВт и крутящим моментом 320 Нм. Для обоих типов приводов MAHLE поставляет  в серийное производство стальные поршни MONOTHERM, включая поршневые кольца и пальцы.

В сегменте коммерческого транспорта поршнями MONOTHERM комплектуются серийные автомобили практически всех автопроизводителей. Новая концепция производства поршней, разработанная MAHLE, отлично зарекомендовала себя также в самых жестких условиях гоночного спорта: все без исключения автомобили, ставшие за последнее годы победителями легендарной гонки 24 часа Ле-Мана, были укомплектованы стальными поршнями MAHLE.

Для обеспечения серийного выпуска стальных поршней MONOTHERM, MAHLE в ближайшие годы инвестирует в создание четырех новых и полностью автоматических производственных линий. Первая производственная линия уже введена в эксплуатацию на заводе в Роттвайле.

Вообще, технологические разработки в русле тенденции даунсайзинга, как отмечает Максим Легушев, намного сложнее традиционных, они  требуют более изощренных инженерных решений. И сама разработка занимает, конечно же, больше времени.

Наиболее сложные задачи даунсайзинга решаются при создании алюминиевых поршней. В этом направлении идет  работа для специалистов по металловедению.  Форма поршней выполняется так, чтобы эффективно работала пара поршень-цилиндр. У поршня короткая юбка, он охлаждаемый – четко рассчитываются места попадания масла, которое выполняет помимо прочего еще и функцию охлаждения (под высоким давлением впрыскивается на днище поршня), ведь во время функционирования разность температур на поверхности и на юбке поршня может доходить до 200 градусов. Это влияет  на его температурное расширение, происходит  изменение первоначальной геометрии. Поэтому поршень может деформироваться в разных плоскостях по-разному. Чтобы этого не происходило, используются  оригинальные ноу-хау, позволяющие обеспечить эффективную и исправную работу поршня.

Компания NPR создает поршневые кольца совместно или по техническому заданию производителей двигателей. Соответственно, если стоит задача снижения габаритов двигателя и поршня, то конструкторы и технологи используют весь арсенал разработок NPR в областях материаловедения, покрытий, обработки, трибологии и т.д. для решения поставленной задачи. А если необходимо, проводят новые исследования.

Дамир Багаутдинов:

— Стальные поршневые кольца вместо чугунных – это огромный шаг вперед на пути уменьшения размеров поршня и двигателя. Стальные кольца имеют меньший радиус фаски, меньшую высоту, следовательно, уменьшается высота канавки, расстояние между канавками. Уменьшается жаровой пояс поршня и поршень в целом. С уменьшением массы поршня снижаются инерционные силы, действующие на вкладыши и коленчатый вал и другие компоненты, и их габариты тоже можно уменьшить.

 

Помимо преимуществ, позволяющих уменьшить  габариты, стальные поршневые кольца обладают более высоким коэффициентом упругости, а следовательно, лучшим прилеганием к стенкам цилиндра. Это позволяет снизить расход масла и улучшает герметизацию камеры сгорания.

Стальные кольца лучше обрабатываются, у них  ниже износ рабочей поверхности и больше срок службы. Покрытия рабочей поверхности поршневого кольца увеличивают износостойкость и антифрикционные свойства. Рассмотрим наиболее актуальные.

Cr и CrS – эти покрытия снижают воздействие от частиц-продуктов износа и нагара, тем самым увеличивают износостойкость колец. Первое компрессионное кольцо, как правило, хромируется, потому что верхняя часть поршня испытывает высокие тепловые и механические нагрузки. Толщина покрытия 0,1 мм.

Хромированные поверхности обычно хонингуются и покрываются оловом (CrS) для лучшей приработки. Это называется NPR-жидкостным хонингованием (LH), которое придает рабочей поверхности серый цвет.

Mo – напыление молибдена на рабочую  поверхность кольца. Молибден выдерживает высокие температуры (температура плавления Мо 2620°С) и имеет пористую структуру, способствующую сохранению на рабочей поверхности кольца моторного масла, поэтому кольца невосприимчивы к высоким температурам и недостатку смазки.

Нитрирование (Азотирование) – молибден, керамика, оксид алюминия, оксид титана, оксид железа могут быть нанесены на рабочую поверхность посредством плазменного напыления.PVD (PhysicalVapourDeposition) – физический процесс нанесения покрытия осаждением паров - позволяет получить исключительно однородную матрицу сплава с превосходной износостойкостью, способной противостоять очень высоким нагрузкам. PVD-TiN – нитрид титана - был первым материалом PVD-покрытия. Используется при изготовлении поршневых колец  гоночных автомобилей. PVD-CrN – нитрид хрома, он  тверже, чем TiN, и имеет лучшую износостойкость. Он может быть использован для дизельных двигателей.

DLC – алмазоподобные покрытия – они представляют собой тонкие аморфные пленки на основе углерода.

Дамир Багаутдинов:

  Исследования в области разработки стальных колец, покрытий и способов их нанесения, естественно, очень дорогостоящие мероприятия, но они окупаются при серийном производстве. И без них невозможно удовлетворить постоянно растущие требования к уменьшению высоты и тангенциальной силы поршневого кольца. Поршневые кольца NPR – это бескомпромиссное качество, увеличенный ресурс, уменьшение расхода масла и улучшение уплотнения камеры сгорания.

 

В процессе даунсайзинга конструкционные изменения происходят не только в камере сгорания двигателя.

 

  transervice_04_19_cmyk

 ngk

Илья Мигушин, менеджер, технический департамент «НГК Спарк Плагс (Евразия)»:

— Сейчас выпускаются моторы, в которых при малом рабочем объёме достигается максимальная мощность. Диаметр клапанов становится больше, выделяется больше тепла, что влечёт более разветвлённую систему каналов, по которым циркулирует охлаждающая жидкость.

 

Так как для свечи остаётся меньше места в головке блока цилиндров, диаметр резьбовой части всё чаще приходится уменьшать, сейчас не редкость свечи с диаметром резьбы 12 мм и даже 10 мм, вместо привычных 14 мм. Кроме этого необходимость отводить излишнее тепло приводит к увеличению площади теплоотвода свечи и, соответственно, к удлинению резьбовой части. Также заметно, что вместо привычных калильных чисел 5 и 6 всё чаще рекомендуются свечи с калильным числом 7 и даже 8.

 

Илья Мигушин:

— Необходимость оптимизации сгорания требует использования тонких электродов, их создание возможно только с использованием сплавов, содержащих драгоценные металлы. Разумеется, эти изменения влекут за собой разработку новых типов свечей зажигания, которые индивидуальны и зачастую подходят  только к одному типу двигателя.

 

Не так давно компания NGK Spark Plug вывела на вторичный рынок свечу накаливания для малолитражного дизельного двигателя Mazda. До последнего времени NGK поставлял высокотемпературные керамические свечи накаливания (NHTC) модели CZ115 исключительно на сборочные конвейеры Mazda, выпускающие дизельные версии Mazda2 и Mazda CX-3. Теперь эта свеча накаливания станет доступна для приобретения и независимыми СТО.

Mazda2 и CX-3 комплектуются 1,5-литровым дизельным мотором семейства Mazda SkyActive мощностью 77 кВт (103 л.с.), впервые представленным в 2014 году. Чтобы уложиться в жесткие экологические нормы EURO-6, малообъемный дизель от Mazda работает на обедненной топливной смеси с относительно низким коэффициент сжатия, равным 14,8;  он оснащен системой рециркуляции отработанных газов.

Для удовлетворения требований EURO-6 нужен  быстрый запуск и плавная работа холодного мотора, чего обычная свеча накаливания обеспечить не в состоянии. Поэтому Mazda для своего маленького дизеля выбрала свечи накаливания от NGK Spark Plug семейства NHTC. Эти высокотемпературные керамические свечи накаливания разогреваются до 1000 градусов по Цельсию менее чем за две секунды и могут долгое время работать в режиме дожигания топливной смеси, штатно раскаляясь до 1350°С.

Полную версию статью читайте в номере журнала на страницах 16-22

Комментарии (0)

Нет комментариев
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии.
Авторизируйтесь или пройдите простой процесс регистрации.