Средневековье под капотом

Отрыв от вековых традиций

Игорь Зайцев

Двигатель – особый узел автомобиля. Пока не был изобретен двигатель, не было и автомобиля, хотя люди пользовались повозками тысячи лет. Характеристики двигателя (мощность, масса и габариты, расход топлива и многие другие) во многом определяют конструкцию транспортного средства, стоимость его покупки и эксплуатации. От этого, а также от надежности работы двигателя, срока его службы и стоимости ремонта, зависят бюджеты самых разных уровней – семьи, предприятия, целых отраслей и даже государств. Поэтому создатели двигателей в разных странах мира прилагают немалые усилия для того, чтобы внести даже самые малые улучшения в конструкцию, чтобы приблизиться к недостижимым балансам: качества и стоимости, мощности и причиняемого экологического ущерба.

Особого совершенства в конструировании и производстве двигателей добились в Японии, США и Германии, где допуски при изготовлении многих деталей мотора исчисляются уже микронами. Соблюдаются высочайшие требования технологий производства металлических сплавов, режима термообработки и покрытий. За последние десятилетия сделаны сотни изобретений, улучшающих характеристики двигателя и процесс сгорания топлива. Сюда можно отнести инжекторы, многоклапанные механизмы газораспределения, многоточечный впрыск и зажигание, управление фазами клапанов, гибридные двигатели и прочее. Конструкция двигателя сжата, казалось бы, до пределов возможного. Современные моторы преподносятся рекламой, как шедевры механики и электроники. Но так ли это на самом деле? Увы, опытный глаза видит, что рекламные компании часто преподносят мелкие конструктивные доработки под флагами «революций». В то время, как разработчики двигателей сонно почивают на давно высохших лаврах.

Средневековье под капотом

При всем совершенстве современных двигателей мотористы автосервиса без работы не сидят. Как и полвека назад, моторы изнашиваются и нуждаются в ремонте. Причем самый сложный - капитальный ремонт двигателя - связан с износом его поршневой группы. Не спасают ни сплавы, ни покрытия, ни микронная точность. И когда механик вскрывает блок цилиндров, он видит жестокий износ, превращающий круглые поршни в овальные. Видит и стертые вкладыши и шейки коленвала. Все это – детали поршневой группы и кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Их обычные скорости – несколько тысяч оборотов в минуту. Их рабочие ускорения - сотни “g”, усилия на сжатие, изгиб и разрыв – до нескольких тонн. Иначе маленький поршень не смог бы двигать большой автомобиль. Известно, что КШМ преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращение коленвала. Но главная проблема всех поршневых двигателей в том, что КШМ делает это не лучшим образом. Его работа сопровождается вибрацией и чрезмерными ускорениями, направленными не совсем туда, куда хотелось бы конструкторам. Огромные силы инерции шатуна через поршень воздействуют не только вдоль, но и поперек оси поршня - на боковые стенки цилиндра, что крайне нежелательно. Поперечную вибрацию двигателя, порождаемую колебаниями шатунов, можно лишь частично снизить балансирами коленвала, но устранить полностью нельзя в принципе. В этих перегрузках и состоит главный недостаток КШМ, приводящий к невысокому КПД, сокращению ресурса и высокой стоимости ремонта двигателя.

Кривошип и шатун были изобретены неведомым умельцем еще в средневековье для ножной прялки и точила. Они же были остроумно соединены с поршнем в паровой машине английского инженера Джеймса Уатта в 1760 году. Тот же механизм в 1880 году без существенных изменений перекочевал в двигатель внутреннего сгорания, изобретенный немцем Отто. Удивительно, что при всех улучшениях автомобильных двигателей за истекшие 120 лет, инженеры неизменно обходят стороной поршневую группу. Персонажи в ней те же, что и двести лет назад: поршни, пальцы, шатуны, вкладыши и коленвал. Словно священная индийская корова, лежит эта милая семейка на пути технического прогресса и жует свою жвачку, поглощая запчасти во время ремонтов двигателя. «Жвачка» поршневой группы в масштабах мирового автомобильного производства обходится чрезвычайно дорого. Это более 200 тысяч тонн первоклассного цветного металла и легированной стали ежегодно: поршни, поршневые кольца, гильзы, пальцы, вкладыши, а нередко шатуны и коленвалы. Плюс миллионы тонн моторного масла, попавшего в камеры сгорания и превращенного в дым. Стоимость «жвачки» для поршней только для Украины составляет порядка 400 миллионов долларов в год. Более миллиона долларов в день страна превращает в дым и грязь, а могла бы потратить на что-нибудь получше. Но дело не только в деньгах. Города задыхаются от смрада токсичных примесей выхлопных газов, львиная доля которого создается неэффективной конструкцией двигателей и неплотно прилегающими изношенными поршнями.

Однако моторостроители проявляют преступную пассивность, объезжая «священную корову» с почтением и уверенностью, что ничего лучше придумать уже нельзя. Разве что немного переставить местами цилиндры – вместо рядного двигателя сделать оппозитный, V-образный, X-образный, звездообразный (для самолетов) или W-образный двигатель. С помощью компьютеров можно оптимизировать соотношение диаметра цилиндра и хода поршня, бесконечно менять формы, материалы и размеры деталей, варьируя запас прочности. Вот, пожалуй, и все достижения в поршневой группе. И сегодня ездят по дорогам лакированные авто, напичканные лазерами и электроникой. А в сердце их мечутся чугунные шатуны эпохи паровозов.