Вопрос не праздный: большинство автолюбителей в странах СНГ имеют дело с моторами, конструкции которых, мягко говоря, не новы и давно знакомы. В то же время у нас появляется все больше иномарок, среди которых и машины со стажем, и те, что называют последним словом техники. Какие же двигатели лучше отвечают спартанским условиям эксплуатации в СНГ: может, все-таки наши, проверенные временем! А насколько «жизнеспособны» здесь ультрасовременные конструкции! Наконец, как может выглядеть «идеальный» двигатель, спроектированный для отечественного автомобиля с учетом нашей специфики! Эти непростые, но, уверены, интересующие многих вопросы ставит и пытается ответить на них в своей статье кандидат технических наук А. ХРУЛЕВ, хорошо знакомый читателям.

Разумеется, автор не претендует на истину в последней инстанции. Кстати, доводы его совсем неоднозначно воспринимаются и в редакции. Однако подкупает то, что приведенные обоснования тех или иных решений основаны на богатом опыте и анализе конструкций многих двигателей, восстановленных фирмой «Иномотор», где А. Хрулев работает техническим директором. В этом, на наш взгляд, главная ценность материала.

«КОПИЯ» УСТУПАЕТ ОРИГИНАЛУ

Создалось впечатление, что для отечественной автомобильной промышленности двигатель на протяжении многих лет остается «большой загадкой». Иначе как объяснить, что, например, двигатели ВАЗ-2101, -2106 выпускаются уже 20 лет. Более новые ВАЗ-2108 и -083 сильно смахивают на моторы «Ауди» и «Фольксвагена» (даже имеют взаимозаменяемые с ними детали). О «Москвиче» вообще не стоит говорить — один-единственный двигатель за четверть века, по сути, без изменений, а прототип многих конструкторских решений легко угадать — БМВ. Как соотнести это со множеством моделей и вариантов двигателей у любой иностранной фирмы, к тому же непрерывно совершенствующей их конструкцию, технологию, использующей всё лучшие материалы.

Давайте посмотрим, в каком направлении совершенствуются наши двигатели.

Важнейшее различие моторов ВАЗ-2101 (1970г.), -2105 (1980) и ВАЗ-2108 (1984) заключено в распределительном механизме и его приводе. Ременный привод технологичнее, дешевле в производстве, тише работает. Но велик ли от него выигрыш в эксплуатации, кроме снижения шума? Зато случаев внезапного обрыва или проскальзывания ремня из-за срезания зубьев — предостаточно. Правда, на -2105 это к беде не приводило. Но, проектируя -2108, почему-то решили — пусть себе клапаны гнутся! Проблему надежности -2108 обострило и то, что водяной насос получает вращение от того же ремня, что и распредвал, а случаи разрушения подшипников и, вследствие этого, нарушения работы привода распредвала не так уж редки. Привод клапанов посредством толкателей — также не лучший вариант конструкции: износ клапанов и направляющих втулок почти такой же, как у ВАЗ-2101, зато отрегулировать зазоры — целая проблема: и сложно, и шайбы регулировочные не всегда найдешь.

Считается, что в распределительном механизме без рокеров меньше силы инерции — можно увеличить максимальную частоту вращения. Но у ВАЗ-2108 номинальная мощность достигается при 5600 об/мин, как и у -2101. В чем же выигрыш? Еще один недостаток конструкции ВАЗ-2108 — увеличенная высота двигателя, что влияет на коэффициент лобового сопротивления автомобиля. Попытка опустить двигатель, чтобы понизить линию капота, делает уязвимым поддон: бойтесь препятствий на дороге! (Опасность устранима, если наклонить двигатель, что сделано на многих «ауди» и «фольксвагенах», но не на ВАЗ-2108.)

Вот и получается, что наша «копия» оказалась хуже не только «родного» двигателя «Ауди-Фольксваген», но в чем-то даже -2101. Беда наших автомобилестроителей в том, что, слепо копируя чужие решения, они словно забывают, в какой стране,

по каким дорогам будет ездить немалая часть сделанных ими машин.
В самом деле: для того, чтобы двигатели, подобные «Волво», «Ауди», «Фольксвагену», были надежны, требуется, в частности, высокое качество ремня и сальников коленчатого и распределительного валов, хорошая герметизация ремня от пыли и грязи. Если на -2105 ничего этого не было и ремень ходил недолго (правда, поменять его даже в дороге — дело получаса), то на -2108 сделали шаг вперед: ремень, сальники — все импортное. Зато подшипник водяного насоса оказался явно ненадежным элементом в приводе (характерно, что на новом двигателе «Москвича», и у «Таврии» сделано точно так же!).

Ну, а что делать, если ремень порвался за сотни километров от дома, где и станции техобслуживания нет. Скорее всего владельцу ВАЗ-2108 в такой ситуации ни один «Совет бывалых» не поможет. Где взять ремень, новые клапаны, приспособления, специнструмент для снятия и разборки головки? Не возить же с собой в багажнике! (В Европе-то вряд ли придется долго добираться до телефона, чтобы вызвать техничку.)

Напрашивается вывод — двигатель ВАЗ-2108 (да по нашим данным, и новый двигатель «Москвича») годится в первую очередь для экспортных машин, в крайнем случае, для эксплуатации в больших городах СНГ с развитым автосервисом. На большей части территории СНГ автомобиль с подобным двигателем будет время от времени доставлять хозяину неудобства, а то и неприятности.

ФОРМУЛИРУЕМ ТРЕБОВАНИЯ К МОТОРУ

Значит, нам нужны другие двигатели — но какие? Ответить не так просто. Сформулируем сначала самые общие требования к двигателю.

Максимальная простота и надежность, которая должна быть обеспечена не столько высоким качеством изготовления деталей (у нас на это трудно рассчитывать), сколько продуманной конструкцией.

«Живучесть» — выход из строя одних узлов и деталей не должен вызывать повреждения других.

Ремонтопригодность наиболее сложных и дорогих деталей (например, блока цилиндров, головки блока и др.) после большого пробега.

Технологичность обслуживания и ремонта (например, возможность снять головку блока, не разбирая распределительный механизм, доступность регулировок и т. д.).

Малые габарит и масса.

«Невосприимчивость» к низкооктановому топливу.

Высокая мощность и умеренный расход топлива.

Для наших условий наиболее важны первые два требования: если они удовлетворены — значит, меньше вероятность серьезных поломок, легче их последствия (в ряде случаев можно своим ходом добраться до места ремонта).

Как же должны быть сконструированы те или иные элементы двигателей, чтобы обеспечить выполнение перечисленных требований? Начнем с распределительного механизма.

Выше отмечено (многие знают это по опыту), что зубчатый ремень способен до срока порваться или проскальзывает, если «срезало» его зубья. Его применение требует предусмотреть дополнительный сальник распредвала, специальную защиту от пыли и масла. А вот роликовую или зубчатую цепь практически невозможно оборвать (такие случаи крайне редки), поэтому она предпочтительнее.

Желательно предусмотреть автоматический натяжитель цепи или ремня. Он способствует увеличению их ресурса, предохраняет другие элементы привода от поломок при ударах цепи, от перескакивания ослабленного ремня через несколько зубьев (такие случаи бывают!), уменьшает трудоемкость технического обслуживания, особенно когда к натяжителю плохой доступ. При всем многообразии конструкций автоматические гидронатяжители цепи ничуть не сложнее (если не проще), например, ручного — в двигателях ВАЗ-2101…-2106.

В двигателях с приводом распредвала зубчатым ремнем должен быть исключен контакт клапанов с поршнем, иначе, как уже отмечалось выше, обрыв ремня может повлечь такие разрушения, которые в дороге не устранить. В свою очередь, если в моторе с цепным приводом сделан невозможным контакт поршня и клапанов — значит, исключена и поломка деталей при «перекрутке» двигателя (превышении максимальной частоты вращения) или в случае ошибочной установки фаз газораспределения.

С точки зрения надежности и ремонтопригодности деталей немаловажны и другие особенности конструкции распределительного механизма. Например, в отсутствие хорошего сервиса разумнее отказаться от гидротолкателей или гидрокомпенсаторов в приводе клапанов. Эти устройства заметно снижают шум двигателя, трудоемкость обслуживания, но очень «не любят» грязного, недоброкачественного масла и плохих фильтров. При попадании грязи в плунжерную пару гидротолкателя тот может заклинить, что повлечет ускоренный износ кулачка или поломки деталей в приводе клапана.

В моторах с верхним распределительным валом (составляющих абсолютное большинство современных конструкций) наиболее часто применяются три основные схемы привода клапанов: с рычагами (как у ВАЗ-2101… -2106), толкателями (как у ВАЗ-2108) и коромыслами (как у «Москвича-412»). Первые два варианта увеличивают высоту двигателя, точнее, головки цилиндров с крышкой (о нежелательности этого говорилось выше).

Кроме того, механизмы с рычагами часто отличаются шумностью, которая возрастает по мере износа и увеличения зазоров (с увеличением пробега). Это неприятное свойство менее характерно для моторов с толкателями и коромыслами, однако толкатели усложняют конструкцию, обслуживание и ремонт. Их применение более оправдано на высокооборотных двигателях, поскольку силы инерции в газораспределительном механизме меньше, чем в схеме с рычагами или коромыслами. Но моторы, высокофорсированные по оборотам, обычно менее эластичны — хуже приспосабливаются к изменению нагрузки. И при частоте вращения, не превышающей 6000 об/мин, скорее проявляются преимущества конструкции с коромыслами, нежели достоинства схемы с толкателями.

Очень важное условие надежности двигателя — отсутствие «мокрых» гильз. Двигатели с ними часто получают повреждения (разгерметизация стыка гильз с головкой блока) даже от небольшого перегрева (например, при выходе из строя термостата или электровентилятора). Последующее попадание воды в масло ускоряет износ деталей в сотни и тысячи раз. Кроме этого, качественно отремонтировать гильзу (увеличить диаметр под поршень ремонтного размера) неизмеримо сложнее, чем блок цилиндров, а ремкомплект «поршни — кольца — гильзы» обычно ощутимо дороже комплектов без гильз.

Нередко для привода вспомогательных агрегатов служит специальный валик, а некоторые моторы оснащают балансирными валами для уравновешивания сил инерции и снижения вибраций. Значит, появляются дополнительные подшипники скольжения с каналами подвода масла — усложняется конструкция. Выход из строя одного из подшипников (это случается) вызовет падение давления масла и серьезные последствия (не говоря уже о случаях поломки таких валов).

Поэтому желательно, чтобы маслонасос приводился непосредственно от коленчатого вала. 

Тогда поломки валиков, шестерен, шлицев и т.п. не смогут прервать подачу масла в двигатель. То же относится и к распределителю зажигания. Наиболее надежен его привод непосредственно от распределительного вала без участия шестерен и валиков.

Если водяной насос приводится зубчатым ремнем (вместе с распредвалом) — значит, привод газораспределительного механизма оказался зависим от такого ненадежного элемента, как подшипник насоса. При его разрушении потребуется более трудоемкий ремонт, чем в случае привода насоса клиновым ремнем,— уже потому, что насос «спрятан» под кожухом зубчатого ремня, его гораздо сложнее снять и поставить. На двигателях, где возможен контакт поршня с клапанами, такая конструкция вообще ничем не оправдана, поскольку поломка насоса потребует снимать и ремонтировать головку блоха цилиндров (как и бывает у ВАЗ-2108).

Практика показывает, что для езды по плохим дорогам практичнее стальной штампованный поддон картера, а не литой алюминиевый. При ударе о препятствие стальной поддон, как правило, только деформируется алюминиевый же разрушается.

Кроме того, конструкция маслоприемника должна допускать его деформацию при смятии поддона (вспомним жигулевские» двигатели, у которых так легко обломить алюминиевый маслоприемник).

Не последнюю роль в надежности двигателя играет система питания. Применяемые системы можно разделить на карбюраторные, с электромеханическим и с электронным впрыском топлива. Опыт эксплуатации не только зарубежных, но и отечественных автомобилей показывает, что крайне редки такие дефекты карбюратора, при которых невозможно «оживить» двигатель. То же относится и к бензонасосу — если он неисправен, в крайнем случае, топливо в карбюратор можно подать под давлением воздуха, накачанного в бак шинным насосом.

Иное дело — впрыск топлива. В электронных системах отказ компьютера, расходомера воздуха или бензонасоса не позволит автомобилю даже сдвинуться с места. Еще капризнее электромеханический впрыск: при засорении топливного фильтра «эффект» может быть тот же. Насос здесь развивает в 2,5 раза большее давление, чем в электронных системах, что ускоряет износ его деталей.

Так или иначе, при отказе системы впрыска возникает проблема транспортировки автомобиля к месту стоянки или ремонта.

Поэтому с точки зрения надежности чаша весов явно склоняется в сторону карбюратора. (Иное дело — улучшение экономичности и повышение мощности при использовании систем электронного впрыска топлива.) В наших, весьма специфических условиях карбюратор все же предпочтительнее.

Мы рассмотрели основные решения, которые, на наш взгляд, целесообразно заложить в конструкцию двигателя, если автомобиль эксплуатируют там, где нет хороших дорог, не развита инфраструктура. Кроме перечисленных, важны и такие качества, как большой ресурс, несложность обслуживания и ремонта.

Здесь одно из основных условий — опять же простота конструкции. Желательно, чтобы двигатель не был «слишком» многоцилиндровым, предпочтителен один распределительный вал. Ведь чем сложнее конструкция, тем больше изнашивающихся деталей, а значит, тем дороже обойдется ремонт. То же относится и к многоклапанным головкам, хотя двигатели с ними обладают лучшими характеристиками.

Крайне отрицательно влияет на ресурс двигателя повышенная «чувствительность» к низкооктановому бензину. Правда, встречаются моторы с высокой степенью сжатия, которые после незначительной корректировки зажигания удовлетворительно работают на АИ-92 и даже на А-76. Но много примеров другого рода, когда такой переход приводит к поломке перемычек между кольцами на поршне (при нормальном угле опережения) либо к прогоранию выпускных клапанов (если угол опережения уменьшен).

В условиях высокой запыленности, грязных дорог лучше, когда все (или хотя бы верхнее и нижнее) поршневые кольца имеют износостойкие покрытия. Ресурс таких двигателей, по крайней мере, в полтора-два раза больше, чем тот, к которому мы привыкли. Обратим внимание и на конструкцию верхней головки шатуна: при плавающем пальце ресурс деталей больше, чем при запрессованном в шатун, поскольку независимо от температуры двигателя (горячий или холодный) достигаются оптимальные зазоры в соединении «плавающего» пальца с шатуном и поршнем.

Конструкция поршней имеет существенное значение для снижения массы двигателя. Последние пять — семь лет мировое двигателестроение переходит от относительно тяжелых длинных поршней к коротким легким, к тонким кольцам и пальцам меньшего диаметра. У японских двигателей выпуска 1980—1989 гг. масса поршня и диаметр пальца 240—250 г и 18—20 мм соответственно при диаметре и объеме цилиндра, близких к ВАЗ-2108. В конструкциях двигателей европейских фирм также заметно «японское» влияние. Легче поршни и пальцы — значит, меньше массы шатунов и коленчатого вала, тоньше стенки блока цилиндров, то есть существенно снижается масса двигателя и его металлоемкость. У нас неплохим примером технического компромисса могут служить поршни ВАЗ-2108 (масса — 290 г, диаметр пальца — 22 мм),

ИДЕАЛЬНЫЙ ПРОТОТИП?

Теперь попытаемся изобразить конструктивную схему двигателя для автомобиля малого класса, который удовлетворял бы всем перечисленным выше требованиям. Посмотрите на его эскиз; ничего нового он не содержит. Но именно определенное сочетание хорошо известных конструкторских решений могло бы обеспечить лучшую приспособленность к нашим условиям эксплуатации.

Сформулировав основные требования к двигателю, попробуем определить, какие из известных двигателей различных фирм наиболее пригодны для таких условий. Для этого мы свели в таблицу все основные требования, разбив их на две группы. В первую вошли довольно жесткие, выполнение которых значительно повышает надежность двигателя, а также уменьшает вероятность повреждений, поскольку отказ или разрушение одних элементов не влияет на работоспособность других. Вторая группа — более мягкие требования, выполнение которых также способно увеличить надежность мотора, но несоответствие им не столь принципиально, как в первой группе. Кроме них, во вторую группу включены условия, необходимые для увеличения ресурса, снижения трудоемкости и стоимости обслуживания и ремонта двигателя.

Если двигатель удовлетворяет какому-либо требованию, это отмечено в таблице цифрой 1, если нет — 0. Для последующей, пусть приближенной, количественной оценки будем умножать каждое число на коэффициент 2, если оно соответствует 1-й группе требований, и на 1 — для 2-й. Сумма всех полученных баллов и представляет собой оценку данного двигателя.

В таблицу внесены бензиновые двигатели, в разное время отремонтированные фирмой «Иномотор», поэтому те или иные особенности их конструкции известны. Для сравнения представлены и отечественные моторы. Двигатель-прототип, удовлетворяющий вышеперечисленным требованиям (см. рис.), также представлен в таблице (ясно, что у него максимальная сумма баллов). Для удобства сравнения в таблице даны относительные оценки (отношение набранных баллов к максимально возможной сумме, выраженное в процентах).

Следует иметь в виду, что низкий балл у того или иного мотора конкретной фирмы вовсе не означает, что он плохой — скорее наоборот. Чем ниже балл, тем сложнее конструкция, тем выше требования к материалам, технологиям, качеству, сервису, в нее заложенным. В то же время самые простые конструкции, набирающие больше баллов, могут обладать высокой надежностью даже при не слишком высоком качестве изготовления (что, с нашей точки зрения, весьма актуально для отечественной автопромышленности), а также последующего технического обслуживания и ремонта.

Анализ оценок дает основание для некоторых выводов. Парадоксально — конструкция наших двигателей оказывается менее приспособленной для «родных» условий, чем у многих японских и европейских моторов. Другой интересный итог; конструкции двигателей таких ведущих фирм, как «Мерседес-Бенц», БМВ, «Волво» и «Ауди», тоже не набирают высоких баллов.

А это значит, что «повторение» таких конструкций в СНГ было бы ошибочным, поскольку они надежно работают только при условии высокого качества исполнения (материалы, технология и т. д.), обслуживания и ремонта. Достигнуть такого качества нашему автомобилестроению и сервису в близком будущем не удастся, поскольку это требует огромных капиталовложений. Нам очень пригодился бы опыт не Запада, а Востока.

Действительно, в нашем «конкурсе» наиболее высокие оценки — у японских двигателей, что закономерно: в них использовали простые конструкторские решения. Этот результат опровергает и расхожее, пришедшее откуда-то из Европы мнение о низкой надежности или даже «одноразовости» японской техники. Именно у таких конструкций больше шансов на «выживание» в СНГ. Кстати, их достаточно просто ремонтировать, в отличие от, например, «мерседесов», американских «фордов» и «кадиллаков».

В заключение следует оговориться: заложенные в таблицу критерии в известной мере субъективны, поэтому результаты не следует рассматривать как абсолютно достоверные. Хотелось бы с их помощью напомнить специалистам нашей автопромышленности о том, что за границей делают много замечательных вещей, но не все так хороши, как того хочется, или кажутся на первый взгляд. Надеемся, и тем, кто ездит на автомобиле зарубежного производства или собирается его купить, тоже будет над чем подумать.

ОТ РЕДАКЦИИ. Итак, свое мнение о том, каким должен быть двигатель, отвечающий специфическим условиям России и соседних стран СНГ, высказал опытный инженер-практик. Конечно, хотелось бы знать, какой видят его конструкцию двигателисты НИИ, отечественных автомобильных заводов: ВАЗа, АЗЛК, ГАЗа и других. Мы познакомили с этой статьей ведущих специалистов отрасли и надеемся, что они также поделятся своими соображениями на страницах журнала. Приглашаем высказаться и вас, уважаемые читатели: быть может, такое обсуждение ускорит появление двигателя современной, простой и надежной конструкции.

Журнал «За рулем» № 4 1994 г.

Оптимизация статьи — промышленный портал Мурманской области