Автомобили с ДВС и гибриды: история, настоящее, будущее

[Touring]

В более дешёвом варианте, применяется алюминиевая доэвтектика закрытого типа с тонкими чугунными "сухой" посадки на этапе литья. У неё есть свой минус, область повышенного теплового сопротивления, как из-за чугуна гильз так и на переходе гильза-блок.

Наиболее дёшева для производителей алюминиевая доэвтектика открытого типа с тонкими чугунными "сухой" посадки, так как она позволяет применить скоростной процесс литья высокого давления. Он даёт более низкую по стоимость, и возможность сделать выпуск реально массовым. У неё есть два минуса, первый, меньшая жёсткость открытого верха, вследствие такого процесса литья, и второй, наличие области повышенного теплового сопротивления на стыке гильза-блок.

Ещё более дёшева такая доэвтектика не из первичного металла, а из из алюминия переработки. Такие блоки в основном и применяют массовые производители, и начали такую практику японцы в конце 80-х.

 

[Touring]

Touring, разница понятна, и технические особенности каждого решения. Вопрос в том, что подтолкнуло к такому решению? Раньше двигатель разваливался до достижения гарантийного срока? Или обороты возросли до 9000?

Предельные обороты напрямую не связаны с типом блока. Тип выбирается из сочетания пикового давления в цилиндре, пиковой тепловой нагрузки на цилиндр, и требуемого темпа выпуска и стоимости.

Если это массовый турбодизель умеренной отдачи, у него всё равно высоко пиковое давление в цилиндре, но, не так высока пиковая тепловая нагрузка, для него требуется высокий темп выпуска, и невысокая стоимость. Оптимален для него чугунный блок закрытого типа.

Но, если требуется высокая пиковая отдача на цилиндр, как у ряда современных турбодизелей, которая приводит к высокой пиковой тепловой нагрузке, применяется вариант более теплопроводного алюминия, тоже закрытого типа, с "сухим" гильзованием на этапе литья тонкими чугунными гильзами, ради сохранения жёсткости верха. И скорость прогрева с ним выходит выше, чем с чугуном.

Массовый турбобензин до 10-х годов как правило получал чугунный блок закрытого типа, в рамках унификации с турбодизелем, ведь у него тоже повышенное пиковое давление в цилиндре, и для него тоже требуется высокий темп выпуска и невысокая стоимость.

Но, у современных турбобензиновых моторов выше пиковая отдача на цилиндр, поэтому, выше пиковая тепловая нагрузка, отсюда, по критерию теплоотведения, как и на современных турбодизелях, применяется вариант алюминия закрытого типа, с "сухим" гильзованием на этапе литья тонкими чугунными гильзами, для сохранения жёсткости верха. И унифицируемо с турбодизелем, и недорого в производстве, и темп выпуска можно поддерживать высокий, и скорость прогрева выше, чем с чугуном.

Есть ещё массовый атмосферный бензин, с характерным для него умеренным пиковым давлением в цилиндре, и умеренной пиковой тепловой нагрузкой. Для него тоже требуется высокий темп выпуска, и невысокая стоимость. Оптимальный выбор, учитывая критерий скорости прогрева, более теплопроводный чем чугун алюминий, с "сухим" гильзованием на этапе литья тонкими чугунными гильзами, но уже более простого и дешёвого в производстве открытого типа, с обычной толщиной алюминиевых стенок цилиндров, и обычным размером галереи охлаждения.

Ради унификации, и экономии, современный турбобензин может также получить такой открытый тип, только с повышенной толщиной стенок цилиндров, ради компенсации потери жёсткости верха, и повышенным объёмом галереи охлаждения, ради улучшения теплоотведения.

Наконец если это Феррари (либо Альфа или Мазерати на решениях Феррари), то тип блока выбирается из сочетания пикового давления в цилиндре, пиковой тепловой нагрузки, и прогнозируемой частоты и продолжительности с которой мотор увидит эту нагрузку. Из последнего условия, критерии требуемого темпа выпуска и стоимости отбрасываются, как несущественные, поскольку тираж сравнительно небольшой, а бюджет достаточный, и надо сделать отказоустойчиво. Итог, более теплопроводный чем чугун алюминий, наиболее жёсткого типа, закрытого, с наилучшим по условиям теплоотведения поцилиндровыми галереями, "мокрым" гильзованием на этапе сборки тонкими алюминиевыми либо стальными гильзами, более теплопроводными, чем чугунные, с Nicasil покрытием, значительно более прочным чем у заэвтектический алюминий Alusil и чугун.

 

[Бармалей]

Предельные обороты напрямую не связаны с типом блока. Тип выбирается из сочетания пикового давления в цилиндре, пиковой тепловой нагрузки на цилиндр, и требуемого темпа выпуска и стоимости.

Если это массовый турбодизель умеренной отдачи, у него всё равно высоко пиковое давление в цилиндре, но, не так высока пиковая тепловая нагрузка, для него требуется высокий темп выпуска, и невысокая стоимость. Оптимален для него чугунный блок закрытого типа.

Но, если требуется высокая пиковая отдача на цилиндр, как у ряда современных турбодизелей, которая приводит к высокой пиковой тепловой нагрузке, применяется вариант более теплопроводного алюминия, тоже закрытого типа, с "сухим" гильзованием на этапе литья тонкими чугунными гильзами, ради сохранения жёсткости верха. И скорость прогрева с ним выходит выше, чем с чугуном.

Массовый турбобензин до 10-х годов как правило получал чугунный блок закрытого типа, в рамках унификации с турбодизелем, ведь у него тоже повышенное пиковое давление в цилиндре, и для него тоже требуется высокий темп выпуска и невысокая стоимость.

Но, у современных турбобензиновых моторов выше пиковая отдача на цилиндр, поэтому, выше пиковая тепловая нагрузка, отсюда, по критерию теплоотведения, как и на современных турбодизелях, применяется вариант алюминия закрытого типа, с "сухим" гильзованием на этапе литья тонкими чугунными гильзами, для сохранения жёсткости верха. И унифицируемо с турбодизелем, и недорого в производстве, и темп выпуска можно поддерживать высокий, и скорость прогрева выше, чем с чугуном.

Есть ещё массовый атмосферный бензин, с характерным для него умеренным пиковым давлением в цилиндре, и умеренной пиковой тепловой нагрузкой. Для него тоже требуется высокий темп выпуска, и невысокая стоимость. Оптимальный выбор, учитывая критерий скорости прогрева, более теплопроводный чем чугун алюминий, с "сухим" гильзованием на этапе литья тонкими чугунными гильзами, но уже более простого и дешёвого в производстве открытого типа, с обычной толщиной алюминиевых стенок цилиндров, и обычным размером галереи охлаждения.

Ради унификации, и экономии, современный турбобензин может также получить такой открытый тип, только с повышенной толщиной стенок цилиндров, ради компенсации потери жёсткости верха, и повышенным объёмом галереи охлаждения, ради улучшения теплоотведения.

Наконец если это Феррари (либо Альфа или Мазерати на решениях Феррари), то тип блока выбирается из сочетания пикового давления в цилиндре, пиковой тепловой нагрузки, и прогнозируемой частоты и продолжительности с которой мотор увидит эту нагрузку. Из последнего условия, критерии требуемого темпа выпуска и стоимости отбрасываются, как несущественные, поскольку тираж сравнительно небольшой, а бюджет достаточный, и надо сделать отказоустойчиво. Итог, более теплопроводный чем чугун алюминий, наиболее жёсткого типа, закрытого, с наилучшим по условиям теплоотведения поцилиндровыми галереями, "мокрым" гильзованием на этапе сборки тонкими алюминиевыми либо стальными гильзами, более теплопроводными, чем чугунные, с Nicasil покрытием, значительно более прочным чем у заэвтектический алюминий Alusil и чугун.

Таким образом, зачем они применили это решение на Мазерати? Если, по-сути, они дефорсировали двигатель, уменьшив пиковое давление в цилиндре?

 

[Бармалей]

Когда в 1997-м марка перешла под управление Феррари, была произведена реорганизация производства в Модене, где внедрили фиатовские сборочные мини-конвейеры, на фото сборка 3200-й машины на них.

Посмотреть вложение 866855

Далее Феррари решила добавить ещё автоспорта.

Кузов 3200-й перепроектировали минимально, во всё той же Stola, уже с применением виртуального моделирования.
Посмотреть вложение 866861
Посмотреть вложение 866862

Версии купе и кабрио вышли на рынок в 2002-м, как просто Coupe и Spyder. Купе с более развитыми аэродинамическими элементами было выпущен в 2004-м под названием Gransport.

Мотор V8 из наддувного стал атмосферным, ровно как на Khamsin, и близкого к нему объёма, 4.2, на решениях от Феррари. Добавился как и на Khamsin пришедший из автоспорта "полусухой" картер с тремя масляными насосами, в данном случае совмещёнными с насосом охлаждающей жидкости, для гарантированного смазывания при кренах.

Тип алюминиевого блока сменился с открытого на характерный для Феррари более жёсткий закрытый с индивидуальными галереями охлаждения, гильзы "мокрой" посадки стали из чугунных более теплопроводными алюминиевыми с Nicasil покрытием. При этом, был сохранён наиболее жёсткий рамный тип алюминиевых крышек коренных подшипников коленвала, как и у предыдущего V8. Всё это изначально автоспортивные решения.

Вот тут не совсем понятно, мотор лишился турбин, деформирован, но произошло удорожание технологии его производства. Почему? Старый разваливался в гарантийный период?

 

[Touring]

Основная причина что "старый" мазератиевский битурбо V8 не был унифицирован ни с чем, и его производили сотни в год.

Его концепция блока и гильз была архаичнее и несколько дешевле в производстве чем у феррариевского, упрочнённый открытый тип в алюминии с единой галереей с тонкостенными чугунными гильзами против закрытого типа в алюминии с индивидуальными галереями с тонкостенными алюминиевыми гильзами с Nikasil покрытием.

По иным затратам, стоимость коленвала, шатунов, поршней и головок равна феррариевскому V8 F136, те же технологии и сплавы.

Из компонент, в феррариевском чуть дороже масляный насос, он тройной, но дешевле отдельный насос охлаждающей жидкости, и есть два вариатора с управляющими соленоидами, и гидрокомпенсаторы, в мазератиевском есть два турбокомпрессора с пневмоприводом вестгейтов, и два интеркулера. Последние компоненты явно дороже вариаторов и гидрокомпенсаторов.

Впрыск Bosch на феррариевском дешевле впрыска от Marelli на мазератиевском, в силу объёма выпуска. К тому же феррариевский производился тысячами в год, а потом и примерно десятком тысяч в год, поэтому был по остальным компонентам в пересчёте на единицу тоже дешевле.

В общем, более дорогой мотор сменили на более дешёвый, но, в абсолюте ни разу не дешёвый а наоборот, заодно унифицировали всё.

 

[Touring]

Таким образом, зачем они применили это решение на Мазерати? Если, по-сути, они дефорсировали двигатель, уменьшив пиковое давление в цилиндре?

Унификация.

В мазератиевском наддувном выше пиковое давление в цилиндре но ниже пиковые инерциальные нагрузки. В феррариевском атмосферном ниже пиковое давление в цилиндре но выше пиковые инерциальные нагрузки, так как мощность получена на более высоких оборотах. Итоговые суммарные пиковые нагрузки двух решений примерно равны.

Феррариевское решение блока банально более прогрессивное.

 

[Touring]

Снова-таки, про прогрессивность.

Точно такой же по конструкции блок как у этого атмосферного 90-градусного 4.2 V8 разработки Феррари, закрытого типа в алюминии с индивидуальными галереями с тонкостенными алюминиевыми гильзами с Nikasil покрытием, был реализован в 1990-м году, в рамках проекта не вышедших синергетических купе Альфы и Мазерати с алюминиевым рамным кузовом (см. ниже).

Этот 4.0 V10 был оснащён картером "мокрого" а не "полусухого" типа, ради снижения шума от множественных масляных насосов, и раздельными крышками коренных подшипников коленвала, а не общей рамой. Его разработчики в Alfa Engineering выбрали угол развала блока цилиндров, равный 72°, как и у автоспортивного формульного мотора 3.5 V10 разработки Alfa Corse середины 80-х, такой угол развала теоретически обеспечивает уравновешивание сил инерции первого и второго порядка.

Расчеты показали, что в данном моторе силы первого порядка достаточно малы и, следовательно, не влияют на комфорт, силы второго были чуть больше, чем у 6 цилиндрового V-образного мотора с развалом 60°, в течение многих лет устанавливавшегося на Альфы.

За исключением угла развала, числа цилиндров и типа картера, там те же что и на 4.2 V8 цепи привода ГРМ, те же вариаторы на впуске, те же гидрокомпенсаторы бытовых версий и цельные толкатели автоспортивных, тот же ЭБУ от Bosch с двумя дросселями и индивидуальными катушками над свечами. Всё то же, только на 12 лет раньше. Так что в Феррари в 2002-м попросту реализовали то что в Альфе запланировали и сделали в металле в конце 80-х.

Проект двигателя был полностью завершён, были изготовлены компоненты для постройки нескольких экспериментальных прототипов машины с ним.

Один двигатель был собран и испытан на стенде, где выдал 340 сил, которые были бы гарантированно превышены в ходе дальнейших тестов. Он проработал на стенде 100 часов под полной нагрузкой включая переменную без каких либо механических проблем. На фотографиях ниже блок и головка перед сборкой для испытаний.

Мотор 3.2 V8 битурбо с 90-градусным развалом был разработан также в конце 80-х, в тогда ещё независимой Мазерати Де Томасо, и имел более архаичную конструкцию блока, из 70-х. Выбор применять его или решения выше был очевиден.

 

[Touring]

Мотор 4.2 V8 первого поколения, в версии для Coupe/Gransport и Spyder от Мазерати (F136R).

1. Решения взятые из автоспорта:

- относительно умеренный ход поршня в 79.8 мм, при существенном диаметре цилиндра в 92 мм, при межцилиндровом расстоянии в 104 мм (снижение скорости поршня на 7,000-7,250 оборотов максимальной мощности до 18.6-19.3 м/с, снижение за счёт этого инерциальных нагрузок, при одновременной возможности установки размерных впускных и выпускных клапанов в 37.8 и 31.0 мм, для повышения пропускной способности по воздуху),
- блок закрытого типа с поцилиндровыми галереями охлаждения (повышение жёсткости, снижение вибраций, гарантированно равномерное охлаждение),
- блок с алюминиевыми гильзами "мокрой" посадки с Nicasil покрытием (гарантированно равномерное охлаждение, повышение прочности),
- блок с единой нижней рамой коренных крышек коленвала (повышение жёсткости, снижение вибраций),
- доэвтектический первичный алюминиевый сплав блока и головок с повышенным содержанием магния, литья в песок (повышение прочности и теплостойкости),
- формованный ковкой коленвал с газовым азотирование шеек (снижении массы и инерции при требуемой прочности и теплостойкости),
- полностью "сухой" картер системы смазывания с тремя внешними маслонасосами, с внешним масляным баком, на 7.8 литров масла (снижение высоты установки мотора в кузове и центра масс машины, гарантированное смазывание при кренах, улучшение теплоотведения маслом),
- формованные ковкой шатуны облегчённого I-профиля (снижении массы и инерции, повышение прочности),
- поршни с короткой юбкой из доэвтектического первичного алюминия (повышение прочности и теплостойкости, снижении массы и инерции),
- маховик уменьшенного диаметра с 215 мм двунакладочным сцеплением (снижение инерции),
- полые распредвалы с напрессоваными кулачками (снижении массы и инерции),
- непосредственный привод клапанов через цилиндрические толкатели, с ходом 10.5 и 9.3 мм (снижении массы и инерции),
- выпускная система с равнодлинными коллекторами (использование эффекта динамического очищения цилиндров для повышения мощности),

2. Продвинутые бытовые решения:

- привод распредвалов тремя однорядными цепями (цепи ради меньшей частоты обслуживания и меньшей длины двигателя, однорядность ради снижении массы и инерции),
- система изменения фаз с отдельным насосом высокого давления на 14 Бар, и аккумулятором (большая скорость регулирования),
- два широкополосных датчика кислорода (большая скорость регулирования, регулирование состава смеси "на лету"),
- степень сжатия 11.1:1,

3. Бытовые решения:

- коленвал типа cross-plane, с более тяжёлыми противовесами (повышение массы и инерции в пользу меньших вибраций),
- гидрокомпенсаторы клапанных зазоров (повышение массы и инерции в пользу меньшей частоты обслуживания),
- вариаторы фаз (повышение массы и инерции в пользу отдаче снизу и в середине, и стабильности холостых),
- впускной коллектор фиксированной геометрии с длинными впускными каналами (повышение инерции в пользу отдаче снизу и в середине),
- единственный дроссель с электроприводом и общим впускным коллектором в алюминии (повышение инерции и снижение точности распределения воздуха по цилиндрам в пользу меньшей частоты обслуживания и реализации круиз-контроля и ASR/MSR/ESP),
- 2 предкатализатора плюс 2 основных, с керамической базовой структурой и 4-мя лямбда-зондами (повышение противодавления с небольшим снижением отдачи в пользу соблюдения норм по выбросам).

Как видно, это семейство моторов в отличие от 4.0 V10 конца 80-х и 3.2 V8 битурбо считали не вручную а уже с помощью программ матмоделирования.

 

[Бармалей]

Вопрос, какой ресурс до капитального ремонта?

 

[Touring]

Вопрос, какой ресурс до капитального ремонта?

Больше чем у массового мотора при том же стиле эксплуатации, при том что массовый не выдержит долгой работы на пределе, а этот выдержит ,)

Нагрузки распределены на 8 цилиндров, конструктивно заданная скорость поршня умеренная, поршни и шатуны лёгкие, поэтому нагрузки на шатуны и вкладыши также умеренные, поршни охлаждаются масляными форсунками, шатуны прочные кованые, блок и нижняя рама с крышками жёсткие, поэтому зазоры в коренных подшипниках коленвала и поршневых кольцах стабильны, газово азотированные шейки кованого коленвала прочнее катанных или упрочнённых токами высокой частоты, Nicasil покрытие гильз в 3-10 раз прочнее чугуна, алюминий гильз имеет тот же коэффициент теплового расширения, что и блок, поэтому зазоры колец на холодную и горячую одинаковы, смазывание с тремя масляными насосами гарантированное в любых условиях, без малого 8 литров масла помогают в теплоотведении, кроме охлаждающей жидкости.

В этих условиях отказоустойчивость задаётся отсутствием отказов компонент типа вариаторов, гидрокомпенсаторов, электроники электрики и механики системы впрыска, лямбда-зондов, прокладок, трубок и хомутов (есть машины с пробегами за 200 тысяч).

 

[Touring]

Мотор 3.2 L6 (S54B32) от БМВ М3 Е46, на контрасте.

Решения взятые из автоспорта:

- формованный ковкой коленвал с газовым азотирование шеек (снижении массы и инерции при требуемой прочности и теплостойкости),
- формованные ковкой шатуны облегчённого I-профиля (снижении массы и инерции, повышение прочности),
- пустотелые распредвалы с напрессованными кулачками (снижении массы и инерции),
- механическое регулирование клапанных зазоров (снижение инерции в ущерб частоте обслуживания),
- поцилиндровые дроссели с электроприводом и впускным ресивером (снижение инерции и повышение точности распределения воздуха по цилиндрам в ущерб частоте обслуживания),
- выпускная система с равнодлинными коллекторами (использование эффекта динамического очищения цилиндров для повышения мощности),

Продвинутые бытовые решения:

- "мокрый" картер системы смазывания с внутренним маслонасом с двумя секциями, основной нагнетающей, и добавочной, перекачивающей масло внутри картера (некоторое улучшение смазывания при кренах),
- система изменения фаз с отдельным насосом высокого давления на 100 Бар, и аккумулятором (большая скорость регулирования),
- степень сжатия 11.5:1,

Бытовые решения:

- высокий ход поршня в 91 мм, из-за унифицикации блока с дизельными моторами, при умеренном диаметре цилиндра в 87 мм заданном его межцилиндровым расстоянием в 91 мм, ради снижения длины мотора, высокой из-за шести цилиндров расположенных в ряд (повышение скорости поршня на 7,900 оборотов максимальной мощности до 24.0 м/с и повышение инерциальных нагрузок из-за такого хода, при одновременной установке не самых больших впускных клапанов в 35.0 мм, и выпускных в 30.5 мм, из-за такого диаметра),
- чугунный безгильзовый блок закрытого типа с единой галереей охлаждения без каналов между цилиндрами (повышение жёсткости и снижение вибраций, но низкая теплопроводость, не самое равномерное охлаждение, и рост массы),
- блок с отдельными крышками коренных подшипников коленвала (снижение жёсткости и повышение вибраций),
- коленвал типа cross-plane, с более тяжёлыми противовесами (повышение массы и инерции в пользу меньших вибраций),
- маховик с двухмассовым демпфером под однонакладочное сцепление 240 мм диаметра (снижение уровня вибраций при переключении в ущерб массе и инерционности),
- поршни c юбкой средней длины из доэвтектического первичного алюминия (повышение прочности и теплостойкости, снижении массы и инерции),
- привод клапанов от кулачков плавного профиля и небольшого подъёма через рокеры, с итоговым ходом 12 и 12 мм компенсирующим не самый большой размер впускных клапанов (повышение массы и инерции, в пользу снижения возникающих при таком ходе и непосредственном приводе повышенных нагрузок на кулачки острого профиля, и более простого регулирования клапанных зазоров),
- привод распредвалов одной двурядной цепью (цепь ради меньшей частоты обслуживания и меньшей длины двигателя, двурядность ради большей отказустойчивости при повышении массы и инерции),
- картер на 5.5 литров масла (снижение степени охлаждения маслом в пользу экономного объёма при периодической замене),
- бесступенчатые вариаторы фаз на впуске и выпуске (повышение массы и инерции в пользу отдаче снизу и в середине, и стабильности холостых),
- впускной коллектор фиксированной геометрии с длинными впускными каналами (повышение инерции в пользу отдаче снизу и в середине),
- мультидроссель с электроприводом (для реализации круиз-контроля и ASR/MSR/ESP),
- 2 предкатализатора плюс 2 основных, с керамической базовой структурой и 4-мя лямбда-зондами (повышение противодавления с небольшим снижением отдачи в пользу соблюдения норм по выбросам),