о моторах

[verum99]

В нашей статье про самые надежные моторы почти не встречаются современные двигатели. При этом среди тех, которые лучше не брать, новых большинство. Совпадение? Не думаю.
Казалось бы, с развитием техники моторы должны становиться все надежнее и надежнее, но по какой-то причине этого не происходит. Создается впечатление, что мы наблюдаем обратную тенденцию.
Да, по мнению многих гаражных "спецов", раньше и трава была зеленее, но в данном конкретном случае они, увы, правы... Причин тому достаточно много, и эффект от этих причин складывается, зачастую порождая очередное "горе владельца". Попробуем рассмотреть возможные негативные факторы подробнее, из-за чего же моторы стали ломаться чаще.
Проблема первая. Техническое усложнение
Наверное, корнем всех бед являются ужесточающиеся требования к расходу топлива и экологичности двигателей при отсутствии новых идей и конструкций. По сути, все "новшества", которые мы видим, — это компрессоры, турбонаддув, непосредственный впрыск, изменяемые фазы ГРМ и многоклапанные конструкции. Все это, вообще-то, появилось еще в пятидесятые-шестидесятые годы, а большая часть технологий начала развиваться еще в двадцатые-тридцатые годы (как не вспомнить тут любимый верхушкой Третьего Рейха наддувный Mercedes-Benz 770K начала 30-х).
Великим движителем прогресса поршневых моторов в первой половине 20-го века стала авиация, которая сильно ускорила работы по впрыску, всем видам наддува и многоклапанным конструкциям. На земле эти технологии применялись куда менее широко: в гоночных моторах и на отдельных особо прогрессивных машинах, но массовое их использование стало возможным только с появлением дешевой и надежной электроники в начале 90-х годов.
Тогда же законодательно обязали автопроизводителей поддерживать определенные темпы снижения расхода топлива и стали ужесточать нормы выброса вредных веществ. Поначалу хватало внедрения безусловно прогрессивных технологий. Многоклапанные головки блоков цилиндров быстро вытеснили двухклапанные конструкции в первую очередь потому, что даже без катализатора выхлоп такого мотора был чище.

Разумеется, тут же резко возросло количество деталей в механизме ГРМ и трудоемкость его обслуживания. Но прогресс в металлообработке позволил усложнить мотор почти без потерь. Переход на электронный впрыск топлива и интегрированные системы управления двигателем, которые позволяли свести воедино управление впрыском, зажиганием, трансмиссией, сервисными процедурами мотора, тоже, безусловно, был прорывом. Он значительно улучшил характеристики двигателей и увеличил надежность.
Хотя многие помнят недоверие, которым одаривали первые впрысковые машины и советы многоопытных "гаражников", предупреждавших о том, как сложно чинить такие системы (то ли дело простой карбюратор!). История расставила все по своим местам: системы впрыска оказались надежнее старых систем питания, хотя "на коленке" отремонтировать сложную технику действительно стало куда сложнее.
Следующая технология, которую массово внедрили на всех ДВС, — это система изменения фаз ГРМ: VANOS на BMW,VVT-i на Toyota, i-VTEC на Honda и т.п. Если грубо, то она позволяла смещать время открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов, в зависимости от оборотов мотора, чтобы обеспечивать хорошую тягу и на малых, и на больших оборотах. Иными словами, она позволила улучшить мощностные характеристики моторов, не ухудшая экономичности.
По сути, не очень сложная в реализации конструкция, она оказалась слишком новой, и у многих производителей отнюдь не беспроблемной: появились новые изнашиваемые детали и новая головная боль у владельцев таких машин. Например, стуки на холодную, поломки и сбои систем.
Далее было массовое внедрение турбонаддува. Он позволил использовать "лазейку" в европейском и японском ездовых циклах замера расхода топлива и снизить паспортный расход топлива, одновременно сильно улучшив динамические параметры машин. Разумеется, автомобили с турбонаддувом значительно сложнее в эксплуатации, чем с атмосферными моторами, они боятся даже незначительных нарушений в работе всех систем.
Последняя технология, которая постепенно внедряется массово, — непосредственный впрыск топлива. Он заметно повышает возможности двигателя, но и требует применения сложных компонентов с ограниченным ресурсом и очень уязвимых в силу точной конструкции и жестких условий работы. И, помимо увеличения вероятности выхода из строя, также увеличивает цену ремонта.
Но применение этих старых технологий в общем-то не было проблемой, во многом они были отработаны задолго до массового внедрения на гоночных моторах. При переходе к массовому производству бывали и ошибки с просчетами, но в целом это прогрессивные технологии. Просто их пришлось внедрять слишком быстро и слишком массово, чтобы вписаться в рамки законов. Только темпы роста экономичности не успевали за ужесточением требований.
Проблема вторая. Снижение потерь на трение
Вскоре появились признаки переусложнения вроде систем бездроссельного впуска и явные потуги на уменьшение внутреннего трения — по факту, за счет снижения надежности узлов. Меньше трения — выше КПД, но какой ценой? В первую очередь множество подшипников скольжения в моторе попросту уменьшили в размерах. Уменьшились размеры шеек коленвалов, поршневых пальцев, вкладыши балансирных валов, размеры распредвалов и звеньев цепей...
Разумеется, металлурги выдавали новые сплавы, и детали стали прочнее. Только не везде и не во всем. Моторы стали намного хуже переносить перегрузки. Чтобы еще больше снизить потери на трение в подшипниках и затраты энергии на смазку, стали использовать все более жидкие масла и уменьшать давление масла в системе.
К сожалению, чудес не бывает: более жидкое масло имеет менее стойкую к нагрузкам пленку, а управляемый масляный насос не только сложнее, он еще и не обеспечивает запаса по давлению на самых распространенных режимах работы двигателя.
Проблема третья. Увеличение рабочей температуры
Вдобавок для повышения экологичности и экономичности на малой нагрузке попытались увеличить рабочую температуру мотора. А чтобы не потерять в мощности, ввели управляемые термостаты, которые позволяли двигателю немного остывать под нагрузкой. Вот только повышение температур самым негативным образом сказалось на темпах износа масла, старении пластиковых и резиновых деталей мотора... В общем, хлопот добавилось.
К тому же управляемый термостат не может моментально уменьшить температуру мотора, и часто температура под нагрузкой тоже выше оптимальной, что вызывает детонацию и ускорение износа. И да, масло стали менять реже, а вот прорыва в технологиях его производства тоже не свершилось, впрочем, это было темой отдельных двух статей.
Проблема четвертая. Облегчение поршневой группы
Остальные причины снижения надежности, которые мы опишем ниже, так или иначе связаны с основным фактором. Но вместе с тем могли бы развиваться и без его учета. Передача контроля над процессом сгорания топлива электронике с обратной связью позволила заметно облегчить поршневую группу и многие другие части двигателя за счет отказа от "запаса надежности", который требовался на случай каких-либо сбоев в работе более простых систем контроля. К сожалению, электроника невечна и не всегда корректно диагностирует ошибки в своей работе. А запас "железа" по надежности уже стал меньше, и незначительное отклонение параметров от нормы уже может привести к выходу деталей из строя.
Знаете, сколько сил выдавал 1.8-литровый мотор VW Golf 1984 года? 90 — с карбюратором, 105-115 — с впрыском на GTI. Вполне "овощные" параметры, по нынешним меркам. Моторы 1.8 серии EA888 сейчас имеют мощность в 182 силы, а прирост крутящего момента и вовсе двукратный. Внедрение всех новых технологий позволило создать моторы со степенью форсирования, превышающей параметры гоночных ДВС тридцатилетней давности. А любое увеличение нагрузки и температур влечет за собой ускорение старения металлов и уменьшение ресурса в целом.
Проблема пятая. Нехватка времени на полноценные испытания моторов
Если "запас надежности" и был у узлов, то его до выбрали почти до конца. Резкое ускорение роста требований заставило автопроизводителей, особенно из числа лидеров премиального сегмента, отказаться от практики постепенного внедрения новшеств в старые моторы и постепенного улучшения конструкции. Серии двигателей теперь часто меняются два раза за короткую жизнь модели в производстве. Разумеется, сокращаются и время тестирования, и число тестов, проведенных с новыми моторами.
Большую часть тестов выполняют на компьютерах, а программное обеспечение, как вы все знаете, часто имеет ошибки. В результате выходят в свет явно недоработанные конструкции, проблемы которых исправляют уже "в процессе". Так что пять-шесть регламентных замен типов форсунок и материалов вкладышей, поршневых колец и поршневых групп — это лишь плата за то, что мотор вашей машины самый "прогрессивный".
Проблема шестая. Более редкое проведении ТО и сложность диагностики
Если попробовать заглянуть под капот современной машины, а потом под капот "янгтаймера" из девяностых, то будет хорошо заметно, насколько компактнее стали моторы и насколько плотнее их стали вписывать в моторный отсек. Возить воздух никто не хочет, а требования к росту внутреннего пространства при сохранении внешней компактности машины только возросли со временем.
Иногда это сопровождается явным переусложнением узлов или ухудшением условий их работы. Но в любом случае влечет за собой увеличение сложности и времени затрачиваемого на диагностику. Сервису приходится больше полагаться на электронные системы самодиагностики и меньше — на визуальный контроль и подключение дополнительных приборов контроля. К тому же сервисные процедуры стали проводить реже, а значит, и возможностей для выявления проблем на ранней стадии становится меньше.
Проблема седьмая. Неблагоприятные условия работы
И последним фактором, наверное, является увеличение средней нагрузки на двигатель. Новые автоматические трансмиссии создаются для снижения расхода топлива, а значит, они заставляют мотор работать в режимах с максимальной нагрузкой на данных оборотах. Все это экономит топливо, но не всегда безвредно для агрегатов. Новые АКПП позволяют легко и беззаботно использовать всю мощность мотора, а снижение шумности агрегатов делают процесс приятным и легким. Расплата, как всегда, надежностью.
Что в итоге?
Каждая из причин по отдельности погоды не делает, но в сумме они создают ощущение постоянных проблем с моторами у многих новых машин. У более консервативных производителей меньше, у самых прогрессивных — больше. На самом деле число отказов в гарантийный срок в целом снижается, и это следствие работы систем контроля качества. Теперь у автокомпаний есть возможность контролировать ресурс, не закладывать излишний запас надежности, если число гарантийных проблем не превышает разумный уровень, и вовремя исправлять ошибки проблемных серий моторов или снимать их с производства, если малыми силами исправить ситуацию не получается.
К сожалению, все, что за пределами сроков гарантии "и еще немножко", уже вне интересов концернов. Может оказаться так, что после гарантии проездит машина недолго и ремонт будет очень дорогим, крупноблочным и с привлечением специального инструмента. А пока покупатель может наслаждаться новой машиной — все же она быстрее и экономичнее. Причем разница в стоимости сэкономленного топлива зачастую может даже превысить возросшие траты на ремонт моторов в будущем.

[verum99]

Что важнее для разгона – мощность или крутящий момент

Этот вопрос – одна из главных тем "холиваров" на автомобильных форумах. Оппоненты готовы порвать друг друга, приводя десятки аргументов. А ведь все просто: мощность — это и есть момент! Как так? Сейчас объясним.
В детстве многие люди постарше собирали фантики "Турбо", на них почти обязательно указывались мощность и максимальная скорость машины. Чем больше цифры, тем больше почтения модели авто. Похоже, так и продолжается до сих пор — лишние несколько лошадиных сил часто становятся решающим аргументом "за" или "против" какой-либо машины.
Но вот уже слышны голоса познавших дизельный Дзен о том, что важен только Крутящий Момент, да и подозрительно хорошая динамика более слабых бензиновых моторов со всякими турбинами или разными там системами VVT-i заставляет иногда водителей усомниться в верности принципа "чем мощнее, тем быстрее", а уж про налоги, которые почему-то зависят от мощности, и так все наслышаны.
Так что же такое мощность и как она связана с динамикой?
В паспортных характеристиках машины и на тех самых вкладышах "Турбо" указана максимальная мощность двигателя. Но что она дает машине? И как с ней связан крутящий момент? Постараемся объяснить максимально просто эту важную истину.
Крутящий момент, напомним, есть произведение силы на плечо рычага. А для двигателя — это сила, с которой вращается коленчатый вал двигателя. Измеряется обычно в ньютонах на метр или в килограмм-силах на метр.

График внешней характеристики двигателя
Собственно, момент возникает, если тормозить вращение коленчатого вала каким-то способом — гидротормозом, генератором или заставить тянуть машину. Именно так его и замеряют — тормозят сам двигатель или колеса машины гидротормозом. Для двигателя обычно указывается максимальный крутящий момент, который развивает мотор при полностью нажатой педали газа, с чьей помощью водитель как раз регулирует, какую часть момента может дать двигатель. Осталось понять, как этот самый момент изменяется.
Крутящий момент зависит от величины оборотов двигателя и в начале невелик, потом растет до определенного момента, а затем падает. Почему же?
Пики и спады на графике
В реальной эксплуатации полный момент бывает нужен редко, как раз в тех случаях, когда вы прожимаете педаль газа в пол и надеетесь, что двигатель "вытянет", всё остальное время он меньше максимального на этих оборотах.
Но мы уже знаем, что момент меняется не только под воздействием нажатия на педаль газа (механической или электронной), но и с оборотами. На различных оборотах процессы, происходящие в камере сгорания мотора, различны. Дополнительные системы, такие как наддув, системы регулировки фаз ГРМ и прочие, еще сильнее изменяют наполнение камеры сгорания, количество топлива и момент зажигания, и в результате качество и сила рабочего хода зависят от оборотов мотора.
Даже если нет никаких систем электронного регулирования, всё равно количество воздуха, попадающего в цилиндр, количество оставшегося выхлопа и оптимальный угол опережения зажигания меняются с оборотами. На самых малых оборотах в цилиндре слишком много остаточных газов или слишком вероятна детонация, потому крутящий момент на малых оборотах обычно намного меньше максимального.
На средних оборотах мотор "оживает" — за счет пульсаций во впускном трубопроводе больше воздуха поступает в цилиндры, меньше остаточных газов, потому и растет крутящий момент. Если у машины есть турбина или нагнетатель, то они начинают работать в полную силу.
Но с ростом оборотов растут и механические потери на трение поршневых колец, трение и инерционные потери в ГРМ, на разогрев масла в подшипниках и т.д. и т.п., а качество рабочего процесса не улучшается или даже начинает падать. В результате на высоких оборотах момент начинает уменьшаться за счет возрастающих потерь. А у турбонаддувного двигателя в какой-то момент перестает хватать производительности турбины и момент тоже начинает снижаться.
Теперь взглянем на график типичного атмосферного (то есть безнаддувного) мотора времен 90-х годов, где есть кривые не только момента, но и мощности.

А вот турбомотор схожего объема, у него момент в зоне средних оборотов ограничен электроникой, часто на пределе прочности цилиндро-поршневой группы, и график мощности тоже очень "гладкий". Хорошо заметно, на сколько выше у него мощность в начале и середине графика.

Обратите внимание именно на кривую мощности. Она круто идет вверх там, где момент большой, и почти не растет там, где он падает. Объяснение этому очень простое:
Мощность — это то, сколько работы может выполнить мотор за секунду.
Для двигателя внутреннего сгорания мощность в киловаттах в каждой точке графика можно получить, умножив момент двигателя в ньютонах на число оборотов в минуту и разделив на 9549, то есть примерно так:
Следовательно, мощность мотора на любых оборотах зависит только от крутящего момента на этих оборотах, а максимальная мощность получается в точке, в которой момент уже уменьшается, но при этом произведение мощности и оборотов пока еще увеличивается.
И чтобы увеличить максимальную мощность, можно просто увеличить момент на высоких оборотах или сделать так, чтобы он уменьшался не так быстро. Взгляните на типичный график высокооборотного мотора Honda — японцы поступили именно так.
Надеюсь, достаточно понятна точка зрения тех, кто говорит, что "мощность не важна — важен только момент"? Еще раз: мощность как таковая зависит напрямую от момента и сама по себе является математической, расчетной величиной, которую невозможно измерить отдельно от момента.
Крутящий момент, по сути, отражает ту мощность, которая будет доступна на "неполных" оборотах двигателя, а просто при нажатии на газ при обгоне. И чем момента больше, тем лучше! Ведь и мощность на этих оборотах будет выше. А чем больше мощности, тем больше энергии можно придать машине, тем лучше динамика разгона.
А максимальная мощность в первую очередь влияет на максимальную скорость машиныВедь при правильно рассчитанных передаточных числах главной передачи и КПП получается, что максимальная скорость достигается тогда, когда затрачиваемая мощность будет равна мощности мотора. А мощность всех потерь как раз зависит от скорости движения, в первую очередь от сопротивления воздуха и сопротивления качению колес, и в какой-то момент она обязательно совпадет с мощностью мотора, именно эта скорость и будет максимальной. Бывают, конечно, просчеты, когда двигатель или не может развить обороты максимальной мощности, или уже "упирается" в ограничитель, но это бывает не так уж часто.
Дизельный момент
Теперь отвечу на типичный, но простой вопрос: "Почему на дизельных моторах традиционно большой крутящий момент, но при этом сравнительно с бензиновыми у них невысокая мощность?". Всё потому, что у дизеля ограничены рабочие обороты. Из-за высокой степени сжатия дизельных моторов и более медленно горящего топлива дизели хуже работают на больших оборотах, зато у них нет риска детонации, да и турбину можно поставить более эффективную и сложную из-за более низкой температуры газов на выпуске, так что можно подать очень много воздуха и топлива, и момент на малых оборотах получится очень большой. А иногда по мощности они даже будут не так уж далеки от турбонаддувных бензиновых, но момент будет не просто большим, а огромным.
Для сравнения приведем характеристики двух трехлитровых моторов от современной BMW 5 series, где будет видно, что дизели эффективны в более низких оборотах.
Дизель можно сделать мощнее бензинового мотора, но тогда и так большой момент будет больше еще на четверть, а это означает, что понадобится новая коробка передач и новые карданные валы, способные выдерживать такую мощность. Да и сам двигатель придется сделать еще прочнее и тяжелее. Или можно его "раскрутить", но тогда сложнее будет работать топливной аппаратуре, а допускать дымления и неполного сгорания топлива нельзя.

Так как же правильно разгоняться?
Тут важно уметь работать с коробкой передач. Для максимального разгона нужно переключаться так, чтобы обороты упали примерно на пик крутящего момента или выше него, но чтобы оставался запас по увеличению оборотов — разгон выше оборотов максимальной мощности будет идти медленнее. Идеальный вариант на гражданских машинах — разгон "от пика момента до пика мощности". Впрочем, обычно на современных моторах электроника просто не даст "перекрутить" мотор сильно выше пика мощности — это называется отсечкой.
Можно попробовать представить себе это визуально. Посмотрите на график внешней скоростной характеристики. Мотор при разгоне должен как можно больше работать в зоне, где его мощность максимальна, то есть на высоких оборотах вблизи точки максимальной мощности. И при переключении передач попадать в зону с как можно большей достижимой мощностью.
Внизу — графики мощности и момента уже знакомых нам атмосферного Honda Accord Type R и турбированного Saab 9-3. На графиках мы выделили диапазоны оборотов, в которых будет работать двигатель, если включить вторую или третью передачу на скорости около 50 км/ч. Чем больше площадь фигуры под кривой мощности, тем эффективнее разгон.   
Если коробка умеет переключаться очень быстро, то идеальным случаем будет КПП с очень "короткой" первой передачей с большим-пребольшим передаточным числом для очень высокого момента. А кроме того, очень большим количеством передач "на все случаи жизни".
Короткая первая позволит практически сразу со старта поднимать обороты до необходимых для уверенного разгона, а затем мотор всё время будет работать вблизи своего эффективного максимума. Есть одна проблема. К сожалению, таких коробок передач не бывает.
Лучше всего была бы электрическая передача, но ее масса и невысокий КПД (то есть потери мощности при "пропускании" через такую трансмиссию) при мощности меньше нескольких тысяч киловатт делают ее применение нерациональным, если только на гибридах, как например на "Мицубиши Аутлендер PHEV".
Казалось бы, есть почти идеальный вариатор, где передаточных чисел бесконечное множество, так как они меняются плавно. Но он тоже страдает низким КПД при больших передаточных отношениях и не умеет менять его очень быстро... И в итоге разгон не лучше, чем у других трансмиссий.
Гидротрансформатор на традиционных АКПП еще хуже, но в сочетании с механической коробкой передач обеспечивает и надежность, и приличную скорость. А механические коробки и особенно "роботы", несмотря на неизбежные потери мощности на старте при трении дисков в сцеплении, всё равно оказываются быстрее всех! Нужно лишь очень много передач. Например, десять, как в новой версии коробки DSG. Впрочем, половина из них нужна не для разгона, а для экономичного движения, но об этом в другой раз
Какой мотор предпочесть — с высоким моментом или высокой мощностью?
Если мощность двух моторов, между которыми вы выбираете, отличается не слишком значительно, то выбирайте более "моментный". Особенно если вы пользуетесь механической коробкой передач. Показатель максимального момента и мощности на промежуточных режимах в данном случае важнее. Если же двигаться приходится постоянно "на пределе", то более тяговитый мотор, да еще и более слабый, преимущества иметь не будет, посмотрите хотя бы на мотоциклы, высокооборотные, но не моментные легко выигрывают у более тяговитых низкооборотных.
Но показатели надо оценивать в комплексе. Вернемся к нашим "пятеркам" BMW. Бензиновая 535i разгоняется до 100 км/ч за 5,6 секунды, а дизельная 530d — за 5,7, потому что мощность у бензиновой почти на 50 л.с. выше, причем это — турбонаддувный мотор с хорошей мощностью в зоне средних оборотов тоже и многоступенчатая АКПП, быстрая и современная.
Мощности должно быть много, но не только на максимальных оборотах, а величина крутящего момента говорит нам именно о том, на сколько много мощности двигатель выдает при обычном движении. Насколько удобно ускоряться без переключений передач. И абсолютная величина крутящего момента говорит даже меньше, чем указание диапазона оборотов, на которых момент близок к своему максимуму и насколько близки эти обороты к оборотам максимальной мощности. И лучше всего с этим справляется график внешней скоростной характеристики. А вот сама величина момента не толкает вас, ведь у более моментного мотора просто будут другие передаточные числа главной передачи и на колесах будет ровно та же мощность.

[TITOFF]

verum99, может тебе подарить конспекты "Теории ДВС"? 

[verum99]

может тебе подарить

да уж хоть что нибудь подари