Автомобили с ДВС и гибриды: история, настоящее, будущее

[Touring]

Корчеватели помогли взглянуть на K20C в деталях.

Турбомотор с коробкой.

Он же без навесного.

Головка: роликовые рокеры, система регулирования клапанных зазоров, два вариатора фаз, и выпускной вал с тройными кулачками и рокерами VTEC.

Головка сверху, слева турбированного, с интегрированными портами и выпускным коллектором, справа атмосферника.

Головка со стороны выпуска, слева турбированного, виден интегрированный выпускной коллектор, справа атмосферника.

Головка со стороны камер сгорания, слева турбированного, справа атмосферника.

Портирование турбо-головки.

Стандартный блок турбомотора, открытого типа, с тонкостенными чугунными гильзами в единой алюминиевой рубашке. Не самое жёсткое в мире решение, и не самое теплопроводное, из-за не идеального контакта рубашка-гильза, но высоко пригодное к индустриализации, и недорогое. Здесь он ещё с около штатными поршнями.

Блок, переточенный корчевателями в концепт а-ля Феррари, с тонкими гильзами мокрой посадки, для улучшения равномерности охлаждения, и приставками для увеличения жёсткости. Правда у Феррари он сразу закрытого типа, поэтому более жёсткий, чем с такими проставками, и с более сложными по форме галереями поцилиндрового охлаждения.

Коленвал, кованый, с коренными шейками значительного диаметра, оптимизированный под отказоустойчивость, и небольшими противовесами, поэтому не инерционный.

Шатуны небольшие, не массивные, для отказоустойчивости кованые, поршни тоже небольшие, поэтому как и шатуны не инерционные.

Они с трапецевидной формой верхней шейки, для снижения нагрузок.

Опор коленвала пять, подходы к ним выполнены жёстко и одновременно не массивно.

Упомянутая цельная нижняя рама, включающая крышки подшипников, наилучшее по жёсткости решение, с двумя болтами на опору.

Маслонасос приводится отдельной цепью от коленвала , видна стальная крышка коленвала, отделяющая его от картера, здесь смущает только пластиковый заборник маслонасоса.

Привод ГРМ и стандартный турбокомпрессор, с электрическим управлением перепускным клапаном, под серийные выпускные патрубки.

Привод ГРМ и нештатный турбокомпрессор, с пневматическим управлением перепускным клапаном, и выпускными патрубками увеличенного диаметра из нержавеющей стали.

 

[Touring]

Конечно, это не уровень двигателей Феррари или Мазерати, и старших битурбо V6 Альфы, растущих из Феррари, и заимствующих их принципиальные решения и металлургию, но для высокосерийного мотора сравнительно недорогих машин, всё сделано на отлично.

 

[Touring]

Фиат-Крайслер выполняет сейчас и четыре цилиндра не менее технологично, чем Хонда для своих Type-R версий, с более совершенной системой газораспределени Multiair.

Варианты только турбированные, так как на середину 10-х, когда модели выходили на рынок, требовалось обеспечить для конкуренции с турбодизелями в Европе не меньший низовой момент, и эластичность. Такими двигателями сейчас комплектуются средние линейки Альфы, версии моторов для них на 200 и 280 сил в Европе отличались только программным обеспечением. Сейчас они идут только с 280-сильными, а в США шли и идут только в варианте на 310 сил.

Применённые в этой "глобальной" турбочетвёрке 2.0 GME технологии, цветом даны отличия от K20C Хонды:

- непосредственный впрыск высокого давления,
- бесступенчатая система управления подъёмом и временем открытия клапанов на впуске, с сохранением единственного выпускного распредвала и приводом этой системы и выпускных клапанов от него, с возможностью поцилиндрового управления и точного балансирования количества входящего в индивидуальные цилиндры воздуха, с возможностью работы в режиме малых нагрузок с открытой дроссельной заслонкой, и регулированием количества поступающего воздуха ходом впускных клапанов,
- полые распредвалы с напрессованными кулачками,
- роликовые коромысла,
- гидрокомпенсаторы клапанных зазоров, ради снижения затрат на обслуживание,
- привод ГРМ однорядной многозвенной цепью с пластиковыми успокоителями,
- пластиковый впускной коллектор и клапанная крышка,
- алюминиевый блок открытого типа с тонкими чугунными гильзами, внедрёнными в процессе литья,
- алюминиевый масляный картер блока,
- средневязкое масло 0W30 с полностью синтетической базой высшего класса, чтобы гарантировать качество смазывания,

- турбокомпрессор с двумя впускными каналами, или Twin-scroll, ради снижения снижения турбо-задержки,
- электрически управляемый перепускной клапан турбокомпрессора,
- цельнолитой с головкой модуль выпускного коллектора,
- выпускные клапаны с заполнением полости в них азотом, для лучшего теплоотведения,
- охладитель наддувочного воздуха посредством жидкостного теплообменника, ради снижения потерь при прохождении воздухом его радиатора, и снижения показателя аэросопротивления, а также большей стабильности теплоотведения,
- клапан рециркуляции выхлопных газов в контуре низкого давления, с жидкостным охлаждением, для повышения стойкости к детонации, и снижения выбросов,

- блок цилиндров с утолщённой алюминиевой моностенкой гильз,
- раздельные нижние крышки коленвала, каждая на 4-х болтах, двух основных и двух ортогональных дополнительных, как более дешёвая альтернатива единой раме,
- кованый коленвал, с упрочнением шеек газовым азотированием,
- кованые шатуны,
- кованые поршни,
- поцилиндровые форсунки охлаждения поршней,
- два контура системы охлаждения, один основной и второй турбокомпрессора, корпуса дроссельной заслонки, и выпускного коллектора головки, с двумя отдельными расширительными бачками, и дополнительным электрическим насосом охлаждающей жидкости для второго контура, ради большей стабильности теплоотведения,

- два балансирных вала противовращения, с зубчатым и далее цепным приводом, для устранения четвёрочного дисбаланса второго порядка, и снижения уровня вибраций.

 

[constructor]

Конечно, это не уровень двигателей Феррари или Мазерати, и старших битурбо V6 Альфы, растущих из Феррари, и заимствующих их принципиальные решения и металлургию, но для высокосерийного мотора сравнительно недорогих машин, всё сделано на отлично.

На фотографиях выше непонятно, как реализовано изменение высоты подъема клапанов. Или в данном варианте этого нет?

 

[Touring]

На выпуске в K20C оно есть, видны три кулачка на цилиндры и три рокера VTEC, но на впуске один кулачок на два клапана, её нет.

 

[Touring]

Люди очень часто не понимают о чём пишут, как оно на деле работает.

Фирмы с начала 00-х перестали объяснять как, так как это выходило за пределы образованности потребителя. Уже в 90-х фокус разработки был смещён ими на комфорт (Noise Vibration Harshness), и повышении интервала между обслуживаниями, а не на пиковую отдачу.

Хондовский VTEC на 90-е не был инновацией, на деле, уже тогда были готовы но не индустриализированы более совершенные бесступенчатные системы VVT-VVL, более сложные и дорогие. А более простые и дешёвые двухступенчатые выпускались и до него.

Последняя реальная новация в бензиновом мире, это фиатовский бесступенчатый электрогидравлический VVT-VVL, Uniair, принципиальной разработки начала 00-х, индустриализированный немецкой INA в конце 07-го, под названием Multiair. Но это уже целых 17 лет назад было.

С тех пор, из существенного, непосредственный электромагнитный впрыск, допиленный к началу 00-х годов из дизельного коммон-рейла, широко распространившийся с тех пор, и пошедший примерно с 18-го с повышенным пиковым давлением. Но это уже не было чем-то особенным, им было первое внедрение его Мицубиси в 96-м, и исследования стоявшие за этим.

И адаптация для бензинок турбокомпрессора переменной геометрии, очень старой разработки, широко внедрённой на дизелях ещё в конце 90-х, с 22-го года её наконец решили массово внедрять на бензине, включив цену более жаростойких сплавов в счёт. Нет ничего нового, поэтому тоже на проявление прогресса не тянет.

 

[constructor]

Последняя реальная новация в бензиновом мире, это фиатовский бесступенчатый электрогидравлический Uniair, принципиальной разработки начала 00-х, индустриализированный немецкой INA только в 07-м, под названием Multiair. Но это уже целых 17 лет назад было.

Если можно, подробнее. Там как устроено, как и в классическом случае клапан закрывается пружиной или открытие - закрытие гидроприводом?

И адаптация для бензинок турбокомпрессора переменной геометрии соплового аппарата, очень старой разработки, широко внедрённой на дизелях ещё в конце 90-х, в начале 20-х годов её наконец решили внедрять на бензине.

Как охлаждают воздух после компрессора? Для эффективного охлаждения нужно сначала воздух сильно сжать, потом охладить, потом снизить давление, чтобы температура ещё снизилась. Но это энергозатратно, не делают так?

 

[Бармалей]

Touring, из статьи я так понял парень объясняет почему vtek на одном валу
Инноваций нет, но объективно за последние 10 лет автопроизводители допиливали надёжность. 2.0 турбо который идёт на тигуан, терамонт, шкоды - какой был вначале и сейчас это две большие разницы.
БМВ 3.0 бензин в58 стал очень надёжным, все эти БМВ в g кузовах до 120000 км вообще проблем с этим мотором не имеют, в отличие от того, что было раньше на f кузовах с предшественником N серии (ТНВД, форсунки, перегрев)

 

[Touring]

Touring, из статьи я так понял парень объясняет почему vtek на одном валу Инноваций нет, но объективно за последние 10 лет автопроизводители допиливали надёжность. 2.0 турбо который идёт на тигуан, терамонт, шкоды - какой был вначале и сейчас это две большие разницы. БМВ 3.0 бензин в58 стал очень надёжным, все эти БМВ в g кузовах до 120000 км вообще проблем с этим мотором не имеют, в отличие от того, что было раньше на f кузовах с предшественником N серии (ТНВД, форсунки, перегрев)

Он не до конца понимает почему ,) он там потому, что на на малых оборотах скорость потока выхлопных газов при большом подъёме выпускных клапанов слишком мала, отсюда и турболаг. Снижая в этом режиме через VTEC подъём клапанов на выпуске, поток ускоряется, и лаг снижается.

Фольксваген-Ауди делает ровно то же со своей системой подъёма клапанов VVL на выпускном валу упомянутого выше турбомотора ЕА888. А так, по уму, VVT-VVL нужен любому мотору, и на впуске и на выпуске, но на турбо по естественным причинам далеко не так остро стоит вопрос наполнения, как на атмосфернике, поэтому со впуска Хонда свой VTEC и убрала.

"Надёжность"... это точно не она, как сделать мотор отказоустойчивым известно очень давно, с 60-х. Стойкие металлы и сплавы, хороший контроль процессов литья и обработки, качественное упрочнение, продуманное теплоотведение, также высокая стабильность смазывания, качественное по базе и пакету присадок, и, главное, часто заменяемое масло. К середине 80-х - середине 90-х всё это пришло в массовый сегмент, у некоторых раньше, у иных позднее.

Но, с середины 90-х в конструкцию ради мизерного снижения массы и удешевления начали добавлять пластики вместо металлов, и, поскольку они деградировали не так как моделировалось и ожидалось, начались отказы, которых ранее не было. Откат к металлам и применение пластиков только там где они по обратной связи от сервиса не деградируют чересчур интенсивно, занял время.

Тогда же стали пытаться существенно увеличивать интервал замены масла, под давлением бюрократов, и из-за конкуренции за самый дешёвый для первого-второго владельца сервис. По количеству циклов нагрева-охлаждения интервал стал выше реальной возможности базы и присадок, с последствиями в виде выпадения внутри мотора лаков и шлама, разрыва плёнки и преждевременного износа, которого ранее тоже не было. Подбор нужных баз и пакетов присадок по обратной связи от сервиса занял у нефтехимических компаний немалое время, как и откат у производителей к более разумным интервалам.

В 00-х годах разработчики под давлением бюрократов резко бросились снижать расход топлива и поэтому все виды потерь, часть из них это внутреннее трение, а его задают кроме вязкости масла и сечения подшипников скольжения коленвала, в большой мере, поршневые кольца. Сразу подобрать новую величину их натяжения, и их новую конструкцию, включая новый тип обработки стенок цилиндров, чтобы его снизить, и не получить попутных негативных последствий, у производителей не получилось, снова-таки был этап проб и ошибок.

Наконец, внедрение тогда непосредственного впрыска, снова-таки под давлением бюрократов, чтобы чуть-чуть снизить с ним расход, минимизация последствий этого, была отдельной сложнейшей задачей. Отсутствие с ним омывания впускного канала и впускных клапанов, иные температуры и давления в дюзовой области форсунок, находящихся уже в цилиндрах, чем для привычных форсунок впрыска в портах, были принципиальными отличиями. Из-за чего тут же пошли лаки и шлам из топлива, которых с прежним впрыском просто не было.

Что в свою очередь привело к накоплению у впускных клапанов отложений, внутри форсунок, тоже отложений, у дюз форсунок, снова отложений, на стенках камер сгорания и поршнях, опять-таки отложений. С ними изменяется к расчётным всё, и форма распыла, и атомизация. Поэтому, фактическое соотношение воздух/топливо к расчётному, тому которое выставляет ЭБУ, иное, в итоге например обеднённая смесь, а это рост температур выше стойкости металлов. Или же обогащённая, а это отложения, и детонация на них, с постепенным разрушением двигателя. В пределе обогащения, смывание масляной плёнки со стенок цилиндров, сухое трение в этой области, и критический износ.

Пока нефтехимики подобрали состав бензинов, а разработчики поставщиков систем впрыска конструкцию форсунок, и форму выборки в поршнях, чтобы всё это устранить, прошло довольно много времени. Директивное снижение в 00-х содержания серы в топливе и связанный с этим повышенный износ насосов высокого давления, отдельная история.

 

[Touring]

Если можно, подробнее. Там как устроено, как и в классическом случае клапан закрывается пружиной или открытие - закрытие гидроприводом?

Как охлаждают воздух после компрессора? Для эффективного охлаждения нужно сначала воздух сильно сжать, потом охладить, потом снизить давление, чтобы температура ещё снизилась. Но это энергозатратно, не делают так?

Есть кулачок и пружины, но нет впускного распредвала, кулачки на выпускном, и между ними и пружинами стоят гидравлические модули с электронным контролем, я подробно описывал здесь.

Лопатки турбокомпрессора с изменяемым их приводом углом, воздух охлаждается до входа в цилиндр, или в воздушном или в жидкостном теплообменнике.

 

[Touring]

Ниже устройство головки упомянутого мною выше фиатовского мотора 2.0 GME, с Multiair 2.

Основной гидромодуль этой системы, производства немецкой INA: его актуаторы, через коромысла с роликами, приводят отдельные кулачки на выпускном распредвале.

От его толкателей, с поцилиндровым электронным управлением через соленоиды, непосредственно приводятся подпружиненные впускные клапаны.

Устанавливается он в такую головку.

Видны клапанные пружины, и единственный распредвал, выпускной, пустотелый, с тремя напрессованными на него кулачками на цилиндр. Два из которых нужны для привода выпускных клапанов через рокеры качения, и третий для привода через элементы гидроблок впускных. Отдельный четырёхсторонний кулачок на его конце приводит топливный насос высокого давления. Крышек подшипников шесть, что хорошо для жёсткости.

Виден встроенный в головку выпускной коллектор с парой портов, под двухпоточный турбокомпрессор типа Twin-scroll.

Видны немаленькие впускные клапаны, для повышения прокачки воздуха, и в отличие от мотора Хонды сложная форма верхней части камер сгорания, с обходами вокруг клапанов под названием squish, сделанными для улучшения смесеобразования. Свеча и форсунка впрыска сверху, около центра камеры, в то время как в Хонды свеча в центре, а форсунка сбоку.

Мазда применила похожий squish на своей высоко оптимизированной линейке V6 (К-серии) ещё в начале 90-х.

Головка V6 (серии K8) от Мазды.

Впускные порты расположены под оптимальным углом, без использования проставок, также обозначен сплав головки, AlSi7MgCu0.5.

Что даёт каждый компонент?

- рост содержания Si, более высокую способность к литью,
- рост Fe/Mg, предотвращение прилипания к матрице, но рост содержания Fe ведёт к снижению прочности, поэтому здесь использован Mg,
- рост содержания Cu, более высокую жаростойкость, и лучшую обрабатываемость, при этом ухудшается подача в матрицу.

Расшифровка AlSi7MgCu0.5: доэвтектический сплав, в котором в основном используется первичный металл, более дорогой, с термоотпуском Т6, за счёт чего достигается высокая прочность и сопротивление тепловой усталости, у него более высокая обрабатываемость, но более низкая пластичность.

Применённая технология литья: гравитационное, под давлением, в стальную форму, процесс изготовления головок блоков цилиндров №1, дающий достаточно медленное заполнение, поэтому не самый высокий темп выпуска, однако без значительного количества мелких дефектов. С ним возможны внутренние песчаные вставки, позволяющие изготавливать конструкции закрытого типа, и отпуски T5/6, дающие хорошую прочность.

Из этого же сплава и по такой же технологии делаются головки бмвшного мотора B57.

Поскольку распредвал здесь единственный, то и звезда привода ГРМ одна, отсюда короче цепь привода, и ниже инерция, одни плюсы.

 

[Бармалей]

Touring, но ЕА888 стал безпроблемней, как и В58 это факт. Что было в первых генерациях и сейчас - разница ощутима

 

[Touring]

По-моему они и не были "проблемными". Фольксу не вопрос сделать живучий турбомотор. Проблемой было чтобы он сжился в первую очередь с этим, до 30к пробега на бензине между заменами масла. При этом, на парах сниженного трения в моторе, которые начались уже на Евро-3 с 2000-го года. При этом, на непосредственном впрыске, и на том топливе, что было тогда. Задача со звёздочкой.

Since Model Year 2000 Audi and Volkswagen have been fitting most models with service interval extension. Depending on model and engine variants, service intervals of up to 2 years or max. 30,000 km are possible for petrol engines and 50,000 km for certain diesel engines. This meets customer wishes to reduce the servicing requirements and also improves our competitiveness. Technical requirements form the advanced developments to engines, the Service Interval Display and new wear-resistant engine oils. Service interval extension has first been launched in Germany. For all other countries, please refer to the vehicle identification.

Как они её решили, я думаю в первую очередь откатили к более разумному интервалу, а нефтехимики изменили состав топлива. Насколько решили? Могу по личному опыту сказать что ЕА888 Gen. III (CNCD) выпуска 15-го года на пробеге 70к уже кидал масло в выхлоп, что не есть норма, но он эксплуатировался в РФ и здесь. Есть сейчас другой подопытный, ЕА888 Gen IIIB (CZPA), 18-го, на пробеге чуть больше 20к пока что не кидает.

 

[Touring]

Ещё на шестилетней Q5 выпуска 15-го года c ЕА888 Gen. III на крошечном пробеге в 70к тёк по пластиковому стыку модуль насоса охлаждающей жидкости, включающий в себя электронно-управляемый термостат, стоимостью пару сотен долларов. Пластик в моторе, большое зло.

 

[constructor]

Пластик в моторе, большое зло.

Да ну. Да нет. Большое зло - это течь, а не пластик. Пластик применять нужно умеючи, а вот этого видимо не было. Ошибки бывают.

 

[Touring]

Да ну. Да нет. Большое зло - это течь, а не пластик. Пластик применять нужно умеючи, а вот этого видимо не было. Ошибки бывают.

Как показывает опыт, впускной тракт и расширительные бачки да, там он служит, но в самом двигателе, где есть не только циклический нагрев до высоких температур, но и воздействие масел, и повышенные вибрации, нет, не могут обеспечить сохранение параметров, нужен металл. У родителей есть знакомый, бывший разработчик ОНПО "Пластполимер", он мне объяснил почему. Сложные композиции добавок, которые со временем срабатываются, деградация, на которую накладываются вибрационные нагрузки.

 

[Touring]

Я приводил выше альфовский мотор V6, который считаю "надёжным".

Поскольку в первую очередь он конструктивно "разгружен", небольшим ходом поршня, и небольшим весом, его, и шатуна. Поэтому же коленвал с небольшими противовесами, отсюда малоинерционный. Вдобавок, он там кованый и дорого упрочнённый, газовым азотированием. Алюминиевый блок, с мокрой посадкой гильз, с большими 360-градусными галереями вокруг каждой, для лучшего теплоотведения. Для этого же, заполненные азотом выпускные клапаны. Масляный поддон ёмкий и с оребрением, там 6.4 литра масла. Чтобы с теплоотведением было совсем хорошо, конструкторы поставили не только масляные форсунки охлаждения юбок поршней, но и выносной масляный радиатор. В общем, не экономили, и даже наоборот, обеспечили все вводные для отказоустойчивости.

В 80-х и 90-х, в версии с 2-клапанными головками, его водяной насос шёл с металлической крыльчаткой.

В начале 90-х, с переходом головки на 4 клапана на цилиндр, он пошёл от поставщика Марелли, части Фиата, и тоже был с металлической крыльчаткой, литой.

В 97-м году, с дебютом 156-й модели, этот поставщик решил уменьшить инерцию и нагрузки на подшипник насоса, и выполнил его крыльчатку из пластика.

Как показала эксплуатация, со временем этот пластик деградировал, и начинал растрескиваться в месте посадки в него металлической втулки.

Если это упустить, трещина доходила до края, и крыльчатка начинала проворачиваться, что приводило к повышению температуры охлаждающей жидкости двигателя выше нормальной.

Марелли в 2004-м сделала ревизию насоса, но его крыльчатка осталась пластиковой.

Владельцы машин, видя проблему, побежали за афтермаркетом, у которого она выполнена из спечённого металла.

Так одно изменение от поставщика компонент, маленький кусочек пластика, может сделать хороший двигатель "ненадёжным".

 

[Touring]

Корпус термостата у этого мотора отдельный от насоса, и тоже металлический литой, поставщик всего узла, немецкая Behr.

Верхняя часть, в которой стоит сам термостатический вкладыш, выполнена съёмной, её стоимость всего 50 долларов. Поэтому, замена каждые 5 лет вместе с охлаждающей жидкостью не вызовет больших расходов.

Температура начала открывания, 87 градусов, полное на 95-ти. Температура масла при обычной езде, +0...10 градусов к температуре охлаждающей жидкости. То есть, масло в нём редко видит больше 105 градусов.

 

[Touring]

Совсем иной подход, чем в ЕА888, современных БМВ и подобных, где обычное значение полного открытия термостата ради небольшого снижения расхода топлива и выбросов установлено на 105-109 градусах, и температура масла при обычной езде равна 110-120 градусов (при скоростной езде и "наваливании" 120-130).

Фирма Шелл в своих буклетах пишет что каждые +10 градусов по маслу снижают его "ресурс" в два раза.

 

[Бармалей]

Touring, поэтому стейдж 1 для еа888 от Revo на 310 сил и 530Hm с термостатированием популярен у владельцев Терамонтов