До какой температуры нагревается поршень двигателя

18

Температурное самоубийство: зачем современные моторы обречены на перегрев

Кипящий антифриз в радиаторе, пар, стрелка температуры в красной зоне — симптомы перегрева мотора и его последствия в виде покоробленной ГБЦ мы вроде бы все отлично знаем. Причины тоже давно известны — засорение системы охлаждения, «мёртвый» термостат. Но так было 20 лет назад. Сегодня современные моторы обречены своими создателями на постоянную работу на грани перегрева, причём водитель, как правило, об этом узнаёт, когда уже слишком поздно. Сегодня разбираемся, как так получилось, и что такое «штатный перегрев».

Про рабочую температуру

У каждого мотора есть рабочая температура, и только при её достижении он работает правильно. После «прогрева» начинает максимально эффективно работать система управления впрыском, система смазки, система ГРМ и остальные подсистемы мотора.

Какой должна быть рабочая температура? Обычно она находится в узком диапазоне от 75 до 105 градусов почти для всех конструкций моторов. Правда, в последние годы для достижения маркетинговых показателей экономичности и экологичности моторы всё чаще заставляют работать при повышенных температурах от 115 до 130 градусов.

Это хорошо только для маркетологов, которые год от года отчитываются о том, что машины стали ещё немного быстрее и «чище». На ресурсе моторов повышение рабочей температуры сказывается исключительно негативно, ибо 120 или 130 градусов — это слишком много как для резиновых и пластиковых элементов навесного оборудования, так и для состояния поршневой группы.

Эрудированный читатель заметит, что 120-130 градусов — это температура холостых оборотов, а на ходу она обычно снижается до приемлемых 85-90. Что, безусловно, облегчает жизнь двигателю, но до поры до времени.

Конкретнее в проблеме разберёмся чуть ниже, а пока изучим, как охлаждаются современные моторы (спойлер: совсем не так, как ваш первый заднеприводный или переднеприводный ВАЗ).

Как работают современные системы охлаждения?

Они устроены значительно сложнее, чем те, с которыми знакомят на уроках в автошколе. Так, у всех ныне продающихся новых машин используется система охлаждения с несколькими скоростями вращения вентиляторов обдува радиатора или даже несколько вентиляторов с несколькими режимами работы. И управляется система не простыми термовыключателями, а через электронный блок управления, в зависимости от скорости, нагрузки, режима работы климатической установки и многих других факторов.

Почти на всех машинах используется регулируемый термостат, имеющий два диапазона работы за счет нагревательного элемента. На некоторых машинах термостата вообще нет — он заменен на модуль золотниковых клапанов с электронным управлением. На многих премиальных машинах стоит «воздушный термостат» — жалюзи с электроприводом, улучшающие аэродинамику машины на высоких скоростях.

Что касается водяных насосов, то простая помпа с приводом от коленчатого вала пока лидирует по распространенности, но есть конструкции с регулируемым приводом или даже с электроприводом помпы.

Столь важную, и к тому же сложную систему необходимо контролировать. У большинства автомобилей есть контрольная лампа температуры, срабатывающая при перегреве, и

указатель температуры двигателя. Почти все автовладельцы считают достаточным условием отсутствия перегрева нахождение стрелки указателя в допустимой зоне, обычно «зеленой» или «желтой», и отсутствие сигнала аварийной системы о перегреве или нехватке антифриза.

Но система контроля тоже управляется электроникой, и старается «не напрягать» автовладельца «лишней» информацией о работе машины. Так, почти всегда стрелочный индикатор и даже цифровые указатели температуры не отражают истинных показателей.

Стрелка будет показывать те же «примерно 90» и при температуре 85, и при температуре 125. В процессе работы машины стрелка может мертво стоять на месте, хотя мотор при работе в пробках будет прогреваться значительно сильнее, чем при движении по трассе. И лишь при настоящем перегреве, обычно при повышении температур до 130-150 градусов стрелка сдвинется с места, перед самым срабатыванием аварийного индикатора.

Единственным надежным способом контроля остается проверка рабочей температуры с помощью сканеров, через OBD-II интерфейс или иной способ доступа к служебной информации блока управления двигателем.

Что такое «штатный перегрев»

Как вы уже поняли, «штатная» работа системы охлаждения сейчас — понятие весьма условное. Даже при отсутствии мигающих красных индикаторов на приборной панели температура может быть уже далека от оптимальной. Например, бензиновые моторы BMW настроены на работу при температурах 115-125 градусов, а реальная рабочая температура может быть еще выше, причём без всяких ошибок.

Да и у куда более простых Opel и VW моторы вполне штатно прогреваются до 115-120 градусов. От таких температур уже недалеко до «настоящего» перегрева, ведь системы охлаждения постоянно находятся под давлением и работают на пределе. Малейшее изменение параметров или утеря герметичности сразу приведут к более серьезной поломке.

У современных машин случается такая неисправность, как «нормальный перегрев». Это когда система управления не может снизить температуру двигателя до оптимальной для данного режима движения, несмотря на задействование всех возможностей, но при этом температура все же меньше «аварийной», когда сработает аварийный датчик и система охлаждения не выдержит давления.

В некоторых случаях происходит локальное повышение температуры части мотора выше конструктивного максимума. Несмотря на кажущуюся «несерьезность» подобной неисправности, она, тем не менее, быстро разрушает двигатель, а водитель машины может даже не догадываться о причине всех неприятностей.

Большая часть автомобилей с регулируемой системой охлаждения возрастом более трех лет в той или иной степени подвержена подобному дефекту. При этом заметить отклонения в работе двигателя непрофессионалу сложно. Ведь индикатор температуры твердо указывает «норму», а то, что машина едет чуть хуже, что кондиционер хуже холодит, что расход топлива растет и понемногу расходуется масло, большая часть водителей не заметит.

Кстати, визит в сервис тут, скорее всего, не поможет, ведь в логах ошибок, скорее всего, будет пусто. А вот расхождение между желаемой и реальной рабочей температурой тем временем составляет до 30-40 градусов. Подобного рода проблемы просто заложены в конструкции современных европейских авто. Ради уже упомянутых выше показателей экологичности и экономичности на холостом ходу они «обязаны» разогреваться до 120-130 градусов. Это слишком много для работы под нагрузкой, а вот для стояния на месте в пробке — вполне допустимо. Но вот вы трогаетесь с места, да ещё желаете «прохватить». Моментально скинуть температуру до оптимальных «ходовых» 85-90 градусов невозможно, так что мотор какое-то время будет крутиться при весьма опасных температурах.

Как следствие — детонация, повреждения поршней и выкрашивание покрытий гильз цилиндров на «цельноалюминиевых» моторах. А еще пониженное давление масла, а значит задиры и прихваты. Да и температура поршня и поршневых колец под нагрузкой резко растет, а масло коксуется. А с возрастом проблема разрастается, ведь из-за грязных радиаторов, проскальзывания ремней помпы, ухудшения теплопередачи от стенок ГБЦ, старения вентиляторов системы охлаждения и просадок напряжения рабочая температура двигателя постепенно перестает снижаться с «холостых» 130 до «ходовых» 90 даже при длительной работе под нагрузкой.

Таким образом «максимальная рабочая» температура становится просто «рабочей», и аварийный режим работы становится штатным для двигателя, со всеми вытекающими из этого последствиями.

Особенно плохо приходится машинам, которые много времени проводят в пробках. Их система охлаждения большую часть времени работает в самом высокотемпературном режиме, и моторы такого обычно долго не выдерживают. Через несколько лет машина превращается в инвалида. С двигателем, уверенно расходующим литры масла, с неработающими катализаторами и половиной мощности от штатной. Да и коробкам-«автоматам» достается не меньше, ведь они обычно охлаждаются через теплообменник, а значит, температура масла в них еще выше, чем температура в системе охлаждения двигателя.

Нештатный перегрев и гибель мотора

«Классический» перегрев с клубами пара из-под капота, клинящим двигателем и другими фатальными последствиями хоть и является зачастую кульминацией такого вот «нормального перегрева», но встречается намного реже.

Если вовремя остановить двигатель, то, скорее всего, серьезных проблем получится избежать. В противном случае можно уже начинать выбирать между «контрактным» двигателем, ремонтом остатков старого или покупкой нового. Ведь коробление ГБЦ, нарушение геометрии блока цилиндров и нарушение резьбы болтов ГБЦ, задиры вкладышей и поршней — это лишь малая часть неисправностей, возникающих при сильном перегреве и утере антифриза.

Номинальной причиной подобной беды обычно является утечка жидкости из системы охлаждения. После чего растет температура различных узлов двигателя и температурный градиент между различными его элементами, вызывая поломки «железа».

Истинные же причины обычно кроются в «нормальном перегреве» на протяжении длительного времени, старении материалов системы охлаждения, постепенной деградации возможностей радиатора, поломке помпы или ее привода. К счастью для многих автовладельцев, серьезные неисправности проявляют себя заранее, например, на очередном ТО, или срабатыванием датчиков уровня антифриза перед появлением сильной течи системы охлаждения и срабатывающей лампочкой аварийного перегрева под нагрузкой.

И что же делать?

Если у вас современный автомобиль, пробег которого уже перевалил хотя бы за 50 000, но вы собираетесь проездить на нём ещё долго и счастливо (а может вообще купили бэушный вариант с пробегом 100+), то вам пригодятся советы, как избавить машину от штатного перегрева.

В следующей части статьи мы расскажем про оптимальный режим езды и некоторые конструктивные доработки двигателя, которые помогут избежать перегревов и исключительно положительно скажутся на его ресурсе.

Расчет температуры поршней ДВС на примере ВАЗ 21124 21126 21127 21129

В чатах недавно был "замес" по поводу температуры масла на поршнях.
Уже несколько надоело как попугай одно и тоже объяснять сделал расчеты.

Масса пальца 21124 — 93гр, масса поршня (без колец) — 351г
Масса пальца 21126/21127/21129 — 67г, масса поршня (без колец) — 247г

Поршень алюминиевый сплав АК12М2МГН теплоемкость около 900Дж/(кг*К)
Палец сталь марки 12Х2Н4А 12ХНЗА 15ХМА теплоемкость около 480Дж/(кг*К)

Теплоемкость поршень+палец ВАЗ-21124
0,113кг*480Дж/(кг*К)+0,350кг*900Дж/(кг*К)=369Дж/К
Теплоемкость поршень+палец ВАЗ-21126/21127/21129
0,0695кг*480Дж/(кг*К)+0,244кг*900Дж/(кг*К)=253Дж/К

Теплопередачу колец и юбки опустим, НО у 21126(7)(9) сильно тоньше кольца и меньше юбка.

Нормальная температура ОЖ ВАЗ-21124 и АЗ-21126 в среднем 100С при максимальной нагрузке

Градиент температур поршень — гильза 21124 около 100-150С(К) (учитывая поршень 200-250С)
Тепловой поток в поршень составляет 100-150*369Дж/К=36900Дж-55350Дж при 89ЛС
ВАЗ-21124 с форсировкой 89ЛС по диаграммам температуры поршня 200-250С

Тепловой поток в поршень 21126 составляет 40630Дж-69400Дж (на 10,1% больше) при 98ЛС
Соответственно градиент температур будет 40630Дж/253Дж/К — 60940Дж/253Дж/К = 161-240К(С)
ИТОГО для 21126 мы будем иметь температуры поршней от 100С+161С=261С до 100С+240С=340С

ВАЗ-21127/21129 имеют форсировку 106лс а значит посчитаем тепловой поток и Т поршня
Тепловой поток в поршень составляет 43950Дж-65922Дж (на 19,1% больше 21124) при 106ЛС
Соответственно градиент температур будет 43950Дж/253Дж/К — 65922Дж/253Дж/К = 173-260К(С)
Для 21127/21129 мы будем иметь температуры поршней от 100С+173С=273С до 100С+260С=360С

В реальности ситуация будет ЕЩЕ плачевнее. Ситуация в современных ДВС отражена ниже.

Теперь понятно почему плавятся поршни ДВС при почти любом чип-тюнинхе?
Поршни ВАГ и БМВ, а порой и МВ плавятся и без чипов — расчет был ВПРИТЫК.
Почему ВАЗ 21127 21129 не стали форсировать выше 106ЛС с завода. Запас лишь 15%.

ВАЗ-21124 с форсировкой 89ЛС по диаграммам температуры 200-250С
ВАЗ-21126 с форсировкой 98ЛС по расчетам получается от 261С до 340С
ВАЗ-21127/21129 с форсировкой 106ЛС по расчетам уже от 273С до 360С

До какой температуры нагревается поршень двигателя

Температура поршней при работе на скоростных и нагрузочных режимах

На дизелях ЯМЗ-238 без наддува и с наддувом (модификация ЯМЗ-238Н) были определены температуры поршней, гильз и головок блока при работе на скоростных и нагрузочных режимах. Температура этих деталей в функции нагрузки растет по линейному закону, а прямая зависимость между указанной температурой от частоты вращения коленчатого вала не является линейной.

Из деталей, формирующих рабочий объем цилиндра, минимальную температуру имеет гильза, а максимальную — головка блока. В табл. 10 приведены максимальные температуры Деталей дизелей ЯМЗ разных модификаций при работе на номинальном режиме. Повышение среднего эффективного давления до 9 кгс см2 в результате применения газотурбинного наддува на дизелях ЯМЗ-238 приводит к росту температуры гильз в данной зоне до 144° С.

С увеличением нагрузки дизеля ЯМЗ-238 от 140 До 240 л. с. при 2100 об мин температура в точке гильзы повышается от 120 до 136° С, в точке головки блока от 214 до 285° С и в точке поршни от 190 до 210° С. С увеличением нагрузки дизеля ЯМЗ-238НБ от ПО до 210 л. с. при 1700 об мни температура в точке гильзы возрастает от 114 до 130 С, в точке головки блока от 195 до 310° С и в точке поршня от 163 до 195° С.

Абсолютные значения перепадов температур между разными точками рассматриваемых детален и степень изменения этих перепадов по мере повышения нагрузки различны для каждой детали. Так, при работе дизеля ЯМЗ-238 на номинальном режиме перепад температур по поверхности днища головки блока в радиальном направлении равен 42° С, по боковой поверхности поршня составляет 95о С, а по высоте гильзы цилиндров равен 39 С. При увеличении нагрузки от 140 до 240 л. с. эти перепады возрастают с 20 до 42″ С у головки цилиндров, с 90 до95 С у поршня и с 30 до 39° С у гильзы цилиндров. При работе дизеля Я МЗ-238НБ на номинальном режиме перепад температур по поверхности днища головки блока в радиальном направлении равен 55° С, по боковой поверхности днища поршня составляет 93° С, а по высоте гильзы не превышает 40° С. С повышением нагрузки от 110 до 210 л. с. эти перепады возрастают у головки блока с 24 до 55° С, у поршня с 62 до 93° С и у гильзы цилиндров с 26 до 40° С.

Из деталей, образующих рабочий объем цилиндра, наименее однородное температурное поле имеет головка блока, что в основном объясняется ее сложной конфигурацией, неравномерностью охлаждения отдельных участков теплоотдающей поверхности, наличием относительно холодных впускных и горячих выпускных каналов. Максимальную температуру головка блока имеет в плоскостях, проходящих через ось форсунки и ось выпускного клапана.

Увеличение частоты вращения коленчатого вала в общем случае приводит к повышению температуры деталей. Однако эта зависимость, как уже было сказано, не является линейной. Так, при работе по скоростной характеристике с изменением частоты вращения от 1300 до 2100 об/мин температура в центре головки блока дизеля ЯМЗ-238 изменяется с 230 до 284° С, а дизеля ЯМЗ-238НБ — с 276 до 296 С. На поршне в зоне первого компрессионного кольца дизеля ЯМЗ-238 температура возрастает от 187 до 210° С, а в верхней части гильзы цилиндров с 148 до 168°С.

Испытания показали, что увеличение или уменьшение угла опережения впрыска топлива по-разному влияет на изменение температуры поршня, гильзы и головки блока. При изменении этого угла в пределах 20-48 температура гильзы практически не изменяется, а у поршня и головки блока она возрастает линейно, причем более интенсивно у последней. Этот рост температур можно объяснить тем, что при увеличении угла опережения впрыска топлива повышается температура цикла.

Повышение температуры охлаждающей жидкости приводит к увеличению температуры деталей. Отношение изменения температур детали и охлаждающей жидкости головки блока составляет 0,5-0,7, а для гильз — 0,5. В то же время изменение расхода охлаждающей жидкости незначительно влияет на температуру головки блока и гильзы. Так, при изменении расхода жидкости с 60 до 100 л. мин температура разных точек гильзы изменяется на 6-12° С. Однако уменьшение циркуляции воды, неизбежное в условиях эксплуатации, может способствовать значительному повышению температуры и увеличению неоднородности температурного поля, вследствие чего может возникнуть большая остаточная деформация гильз, испытывающих существенные остаточные напряжения.

Поршня

Одна из самых таинственных и, несомненно, значимых деталей автомобильного двигателя – его величество поршень. Действительно, он занимает центральное место в процессе преобразования химической энергии топлива сначала в тепловую, а затем в механическую. И в прямом, и в переносном смысле. И от того, насколько хорошо он справляется с возложенными на него обязанностями, в значительной степени зависят характеристики мотора. Его эффективность и, что более важно, надежность . Особенно когда мы говорим о спортивном применении или модификации автомобиля в тюнинговом ателье. Вопрос о применении специальных поршней в случае повышения мощности всегда встает перед конструктором. В силу множества функций и противоречивости свойств поршень превращается в одну из самых сложных и наукоемких деталей мотора. Такое привилегированное положение подтверждается тем, что редкие автомобилестроительные компании проектируют и изготавливают их самостоятельно для своих моторов. Чаще всего они пользуются услугами фирм, которые специализируются в этой области.

Многообразие форм и размеров поршней является одной из причин, почему столь много тайн, секретов и небылиц распространяется вокруг этого причудливой формы куска металла. А так как это еще и технологически сложно, практически неисполнимо в условиях стандартного машиностроительного производства, то проблема подгонки, т. е. соответствия поршня требованиям модифицированного мотора, становится камнем преткновения для многих тюнинговых компаний и спортивных конюшен. Кроме того, штучное производство столь сложных изделий финансово обременительно.В этой ситуации часто интуитивные представления тюнера о том, что «улучшенный» двигатель должен иметь «улучшенные» поршни, приводит к тому, что сначала двигатель оснащается чем-то доступным, а потом такое решение находит свое наукообразное обоснование.

Так давайте попробуем разобраться, какие требования предъявляются к поршням и что от чего зависит. Во-первых, поршень, перемещаясь в цилиндре, позволяет расширяться сжатым газам, продукту горения топлива, и совершать механическую работу. Следовательно, он должен сопротивляться высокой температуре, давлению газов и надежно уплотнять канал цилиндра. Во-вторых, представляя собой вместе с цилиндром и поршневыми кольцами линейный подшипник скольжения, он должен наилучшим образом отвечать требованиям пары трения с целью минимизировать механические потери и, как следствие, износ.В-третьих, испытывая нагрузки со стороны камеры сгорания и реакцию от шатуна, он должен выдерживать механическое воздействие. В-четвертых, совершая возвратно-поступательное движение с высокой скоростью, должен как можно меньше нагружать кривошипно-шатунный механизм инерционными силами.

Таким образом, все проблемы этой важной детали двигателя можно разделить на две большие группы. Первая – это тепловые процессы. Вторая, значительно более многообразная – механические. Обе группы взаимовлияющие, но в этот раз мы остановимся на тепловых.

Итак, топливо, сгорая в надпоршневом пространстве, выделяет огромное количество тепла в каждом цикле работы двигателя. Температура сгоревших газов достигает 2000 градусов. Только часть своей энергии они передадут движущимся деталям мотора, все остальное в виде тепла нагреет двигатель, а то, что останется, вместе с отработанными газами улетит в трубу. Из курса общей физики известно, что если два тела передают друг другу тепло, то передача тепла будет происходить до тех пор, пока их температуры не уравняются. Следовательно, если мы не будем охлаждать поршень, он через некоторое время расплавится. Это принципиально важный момент для понимания условий работы поршневой группы. А особенно важно, если мотор форсируется. Всегда, когда мы заставляем мотор увеличить мощность, пропорционально увеличивается количество тепла, генерируемое в камере сгорания в единицу времени. Конечно, расплавленные поршни мы видим чрезвычайно редко, однако в любых их проблемах всегда незримо присутствует температура. Примерно так же, как в любом дорожно-транспортном происшествии – скорость. Виноват, конечно, водитель, но… Если бы автомобили не двигались, никто бы не пострадал. Дело в том, что с ростом температуры механические характеристики всех материалов ухудшаются.Поэтому нагрузка, которая при 100 градусах Цельсия вызывает упругую деформацию материала, при 300 градусах деформирует изделие, а при 450 разрушит его. Поэтому мы должны или принимать меры по предотвращению роста температуры поршня, или использовать материалы, способные выдержать рабочие нагрузки при высоких температурах. Чаще всего и то и другое. Однако в любом случае конструкция поршня должна быть такова, чтобы в нужных местах было необходимое количество металла, способное противостоять разрушению.

Еще раз повторим известный из курса общей физики факт, что тепловой поток направлен от более нагретых тел к менее нагретым. Тогда мы сможем увидеть распределение температур по поршню во время его работы и определить важные конструктивные моменты, влияющие на его температуру, т. е. понять, за счет чего он охлаждается. Нам известно, что наиболее нагретым является рабочее тело, или, другими словами, газы в камере сгорания. Совершенно понятно, что, в конце концов, тепло будет передано окружающему автомобиль воздуху – самому холодному и в то же время при определенном допущении бесконечно теплоемкому. Воздух, омывая радиатор и корпус двигателя, студит охлаждающую жидкость, блок цилиндров и корпус головки. Нам осталось найти мостик, по которому поршень отдает свое тепло в блок и антифриз. Есть для этого четыре пути. Они совершенно разные по своему вкладу, однако все заслуживают упоминания, так как в зависимости от конструктивных особенностей двигателя имеют большее или меньшее значение.

Итак, первый путь, обеспечивающий наибольший поток, – это поршневые кольца. Причем первое кольцо играет главную роль, как расположенное ближе к днищу. Это также наиболее короткий путь к охлаждающей жидкости через стенку цилиндра.

Кольца одновременно прижаты и к поршневым канавкам, и к стенке цилиндра. Они обеспечивают более 50% теплового потока. Второй путь менее очевиден, однако трудно его недооценить. Вторая охлаждающая жидкость в двигателе – масло. Имея непосредственный доступ к наиболее нагретым местам мотора и несмотря на небольшой объем и слабую циркуляцию, масляный туман уносит с собой и отдает в поддон картера значительную часть тепла именно от самых горячих точек. В случае применения масляных форсунок, направляющих струю на внутреннюю поверхность днища поршня, доля масла в теплообмене может достигать 30 – 40%. Понятно, что, нагружая масло в большей степени функцией теплоносителя, мы должны позаботиться о том, чтобы его остудить. Иначе перегретое масло может потерять свои свойства и стать причиной выхода из строя подшипников. Также, чем выше температура масла, тем меньше тепла оно способно перенести через себя. Третий путь – через массивные бобышки в палец, затем в шатун, а оттуда в масло. Он менее интересен, так как на пути есть существенные тепловые сопротивления в виде зазоров и стальных деталей, имеющих значительную протяженность и низкий коэффициент теплопроводности. И четвертый путь – совсем не в масло или охлаждающую жидкость. Часть тепла отбирает на свой нагрев свежая топливовоздушная смесь, поступившая в цилиндр в такте впуска. Количество свежей смеси, а следовательно, и количество тепла, которое она отберет, зависит от режима работы и степени открытия дросселя. Надо заметить, что тепло, полученное при сгорании, также пропорционально заряду. Поэтому этот путь охлаждения носит, во-первых, импульсный характер, во-вторых, отличается скоротечностью, в-третьих, пропорционален последующему нагреву и, в-четвертых, высокоэффективен благодаря тому, что тепло отбирается с той стороны, с которой поршень нагревается. Здесь следует упомянуть о стандартном приеме, который используется при настройке спортивных моторов. Дело в том, что теплоемкость смеси сильно зависит от ее состава. Чем больше топлива в ней содержится, тем больше тепла будет потрачено на его испарение. Очень часто, чтобы нормализовать работу мотора, нужно чуть-чуть, всего на 5 – 10 градусов, понизить внутреннюю температуру. Это достигается легким забогащением смеси, чуть богаче, чем необходимо. На процесс горения это никак не сказывается, а температура падает. Исчезает калильное зажигание, отодвигается порог детонации. Всегда лучше чуть богаче, чем беднее. Моторы, работающие, например, на метаноле, значительно менее требовательны к системе охлаждеия из-за втрое большей теплоты парообразования, чем у бензина.

Таким образом, в силу большей значимости следует уделить более пристальное внимание передаче тепла через поршневые кольца . Совершенно понятно, что если этот путь мы по тем или иным причинам перекроем, то маловероятно, что двигатель выдержит сколько-нибудь длительные форсированные режимы. Температура вырастет, материал поршня «поплывет», и двигатель разрушится . Тут я хочу упомянуть такую, на первый взгляд, совершенно не относящуюся к процессу теплообмена характеристику, как компрессия. О компрессии знает каждый человек, хоть раз сталкивавшийся с покупкой подержанного автомобиля. Это наиболее популярный параметр, который хочет знать каждый владелец автомобиля, заботящийся о двигателе своей машины. Компрессия косвенно показывает степень неплотности поршневой группы. С точки зрения теплопередачи это очень важный параметр. Давайте представим себе, что кольцо не прилегает по всей своей длине к стенке цилиндра. Тогда сгоревшие газы, прорываясь в щель, создадут барьер, препятствующий передаче тепла от поршня через кольцо в стенку цилиндра. Это почти то же самое, как если бы мы закрыли часть радиатора и лишили его возможности охлаждаться воздухом. Еще более страшная картина, если кольцо не имеет тесного контакта с канавкой. В тех местах, где газы имеют возможность протекать мимо кольца через канавку, участок поршня лишается принципиальной возможности охлаждаться и, даже более того, оказывается в «тепловом мешке». Как результат – прогар и выкрашивание части огневого пояса, прилегающей к месту утечки. Именно поэтому всегда уделяется так много внимания геометрии цилиндра, кольца и износу канавки. И не ухудшение энергетики здесь главная причина. Ведь небольшое количество газов, прорывающихся в картер, несет в себе слишком малую энергию, чтобы повлиять на потерю давления в такте рабочего хода и, как следствие, на потерю момента двигателем. Тем более, когда мы говорим о высокооборотном моторе. Гораздо больший вред даже небольшая неплотность наносит двигателю в смысле локальных тепловых перегрузок, потери жесткости и надежности. Вот еще почему не живут долго двигатели, восстановленные методом замены колец или перегильзовкой блока под старые, отжившие свой век «номинальные» поршни. Вот почему первым у спортивного мотора разрушается цилиндр, имеющий меньшую компрессию.

Тут, вероятно, необходимо коснуться вопроса, который всегда обсуждается при изготовлении специальных поршней для спортивных или тюнинговых приложений. Сколько колец будет у нового поршня? Два? Три? Какой толщины должны быть кольца? С точки зрения механики, чем меньше колец, тем лучше. Чем они уже, тем меньше потери в поршневой группе. Однако при уменьшении их количества и высоты мы неизбежно ухудшаем условия охлаждения поршня, увеличивая тепловое сопротивление днище – кольцо – стенка цилиндра. Поэтому выбор конструкции – всегда компромисс. И чем быстроходней мотор, тем жестче становятся рамки. Скоротечность процессов диктует меньшие требования к уплотнению. Растущие со скоростью механические потери необходимо уменьшать, иначе все, что преобразовали в механическую мощность, не донесем до колес. Однако и количество тепла в единицу времени вырабатываем пропорционально больше, мостик для охлаждения требуется как можно шире. Вот и нужно одновременно чтобы кольца были и узкие, и широкие. И нужно их два для быстроходности и три для эффективного охлаждения поршня. Разрешение этой задачи – суть компетентность конструктора. А результаты его работы – в сбалансированности двигателя. В настоящее время инженерами, работающими в мощных производственных компаниях и научных центрах, накоплен огромный эмпирический материал и на его основе созданы расчетные методы, позволяющие с большой точностью предсказать поле температур и характеристики конкретного изделия. Большинству тюнинговых компаний и спортивных конюшен они недоступны. Автору, к сожалению, тоже. Эта статья намеренно не содержит конкретных значений многих величин, которые позволили бы некоторым читателям взяться за калькуляторы. Тепловые расчеты на пальцах – бесперспективное занятие. Ее задача – показать ту сторону процессов, происходящих в двигателе, которая всегда подразумевается, но никогда всерьез не рассматривается. Я хотел только проявить качественные связи и объяснить важность и необходимость в своей работе учитывать влияние его величества тепла.

Вот это цифры! До каких температур нагреваются разные детали автомобиля

Вы на самом деле верите тому, что показывает датчик температуры двигателя? А еще, как вы полагаете, в каком режиме тяжелее всего приходится мотору? А коробке передач? Мы измерили температуру в разных узлах автомобиля, который погоняли в различных режимах, — вышло познавательно!

Как проверяли

Все измерения проходили на Volkswagen Polo 1.6 MPI с механической коробкой передач. Каждый раз детали и узлы измеряли в одних и тех же точках (в некоторых случаях сдвиг буквально на несколько сантиметров давал совершенно другие цифры). Каждую точку измеряли несколько раз, добиваясь повторяемости результата. Его и заносили в таблицу.

Замеры проводили с помощью бесконтактного термометра HW600. В свое время мы уже объясняли, почему получаемые с помощью подобных приборов цифры нельзя считать на 100% достоверными. Все тела испускают излучение в инфракрасном диапазоне электромагнитных волн. Измеряя мощность этого излучения, можно получить температуру поверхности. Но у разных тел — разный коэффициент излучения. В бесконтактном термометре коэффициент установлен производителем и неизменен, так что погрешность в несколько градусов неизбежна. Но это если мы измеряем температуру разных объектов. Если берем одну и ту же поверхность, то по мере ее прогрева или остывания разницу в температуре мы можем зафиксировать, а это как раз то, что нам нужно!

Разминаемся

Сегодня мы собираемся сосредоточиться на «железе». Но почему бы, коль есть такая возможность, еще раз не посмотреть, до какой температуры (примерно) прогревается в жаркий день салон автомобиля? Виджет в смартфоне утверждает, что за бортом +31°С, автомобильный компьютер пишет +34,5°С. В салоне вроде куда прохладнее, ведь у нас работает кондиционер. Что же, давайте проверим точечно.

Пластиковая панель и внутренняя отделка передних стоек крыши прогреты до +28..+29°С, а вот все отделочные материалы в области головы водителя, то есть подголовник кресла, потолок, солнцезащитный козырек, дают результат от +32,8°С до +34,6°С. Это довольно много, ведь голова, как известно, должна находиться в прохладе.

Почему же мы чувствуем свежесть? Потому что, как ни отворачивай от себя дефлекторы, воздух они гонят в твоем направлении. Сами пластиковые решетки при этом холодные — от +9°С до +11°С! И это еще раз к вопросу о том, почему пользоваться кондиционером или климат-контролем надо осторожно, правильно выбирая режим его работы.

Городской цикл

Похожая история и с тем, в каких температурных условиях работает двигатель. Во время обычной городской поездки стрелка указателя температуры на приборной панели находится строго посередине, бортовой компьютер показывает ровно +90°С. Но открываем капот и начинаем измерять температуру в разных точках ДВС.

На блоке цилиндров получаем +85,7°С, но на пластиковой части корпуса модуля термостата (на самом деле это общий узел, объединяющий два термостата и водяной насос) — всего +72,6°С. Наверное, мы попали в точку, куда приходит охлажденная жидкость от радиатора.

Ну конечно! На самом радиаторе всего лишь 58°С (а установленный перед ним радиатор кондиционера и вовсе охлажден до +38,3°С), даже корпус расширительного бачка прогрет только до +73°С. После этого не удивляемся тому, что пластиковый впускной коллектор прогрелся всего до 45,6°С.

Но на деталях выпускной системы совсем другие цифры! Жарче всего в месте установки кислородного датчика: +210°С. Чуть ниже, на корпусе каталитического нейтрализатора, уже +163°С. Еще мы измерили корпус коробки ближе к картеру сцепления, получили +73°С.

Также мы измерили температуру шин и элементов тормозной системы. После неспешной поездки тормозные диски прогрелись до +65°С, задние барабаны — до +40°С. С шинами интересно: на передней оси левая покрышка показала 45,3°С, правая — лишь 40,0°С. Та же история и с задними шинами: левая прогрета до +40,7°С, правая — лишь до +37,3°С. По всей видимости, сказывается то, какая сторона была «солнечной», какая — «теневой». Кстати, по ходу всех измерений эта разница плюс-минус сохранялась.

На месте

Теперь мы знаем, какой температурный режим будет у разных узлов в процессе обычной городской езды. А если автомобиль будет стоять на месте, а двигатель — работать на холостых? Температуру шин и тормозов измерять бесполезно, но как «отреагируют» другие узлы?

Понятно, что коробке передач практически «все равно» без нагрузки, за 5 минут она даже слегка остыла (до +69°С). С двигателем сложнее: он ведь работает на холостых, а это не самый оптимальный режим, к тому же без охлаждения моторного отсека за счет набегающего воздуха. То-то впускной коллектор стал теплее на добрых 10 градусов (+55,3°С). На пару градусов прогрелся расширительный бачок (+78°С), а заодно радиатор (+61°С), но больше всего прибавила выпускная система: +263°С рядом с лямбда-зондом и +203°С на катализаторе! Впрочем, сам блок даже слегка остыл (+77,1°С), равно как и модуль термостата (+70,2°С), но это говорит лишь об эффективности системы охлаждения.

В пробке

Ну а если добавить движения? Чуть-чуть, словно мы в пробке стоим. «Затор» имитируем следующим образом. В течение 7 минут проезжаем дистанцию с полкилометра, трогаясь с места и тут же останавливаясь. Шины и тормоза по-прежнему практически не работают. Но вот коробка и сцепления уже вступают в работу — и заметно прогреваются (+75,8°С).

Блок двигателя, модуль термостата и расширительный бачок стали лишь чуть теплее, а вот радиатор уже заметно горячее (+75,8°С). Ну конечно! Ведь на пешеходной скорости воздух вокруг горячий. Похоже, в подкапотном пространстве в принципе стало жарче. Вот и впускной коллектор прибавил еще несколько градусов (до +59,0°С). Но снова в рекордсменах выпуск — 284°С и 230°С соответственно!

Активнее!

Можно ли сделать жизнь двигателя еще невыносимее? Ну конечно! Достаточно просто хорошенько нажать на «газ» — и мы еще жарче «растопим» выпускную систему, добавим нагрузки на сам двигатель, попутно заставим хорошенько работать коробку передач. Ну а чтобы наконец-то досталось шинам и тормозам, активно поработаем и средней педалью.

Впрочем, гонки устраивать не будем — сымитируем «активного» водителя, который едет в режиме разгон-торможение, пытаясь опередить весь поток между двумя светофорами. Разгоняемся до 60 км/ч, тут же тормозим, снова разгоняемся — и едем в таком стиле всего несколько минут. Но и этого достаточно, чтобы практически все цифры пошли вверх.

Так, даже за столь короткую поездку мы сразу же прогрели на добрый десяток градусов и передние тормозные диски (+64,1°С), и задние барабаны (+53,1°С), а ведь на скорости они уже получают какое-никакое охлаждение набегающим воздухом. Немного прогрелись и шины (50,6°С / 46,3°С передние и 45,9°С / 39,6°С задние). Хотя по своему гоночному опыту знаю, что это слезы: и тормоза, и шины при быстрой агрессивной езде греются до куда больших значений.

Вот двигателю стало заметно тяжелее: на выпуске получаем рекордные 321,1°С и 280°С, блок прогрелся до 84,9°С, это притом что система охлаждения уже хорошенько нагружена: на модуле термостата +79,8°С, на расширительном бачке +86,9°С, даже радиатор прогрет до 73°С, хотя в движении он должен куда лучше охлаждаться. Еще горячее стал впускной коллектор (+62,2°С), а на корпусе коробки мы намеряли 81,9°С. Разница в цифрах кажется небольшой, но еще раз: в таком режиме мы двигались всего несколько минут. А если атаковать жестче и в течение более длительного времени?

Езда по трассе

Теперь пора дать машине отдохнуть. Для этого отправляемся на загородную трассу. Ведь если держать 90-100 км/ч, избегать разгонов и торможений, мы обеспечим устоявшееся движение, в котором многие узлы трудятся в оптимальном режиме.

За каких-то 10 минут мы остудили и шины (передние до 41°С, задние до 36°С), и тормоза (+46°С на дисках и +35°С на барабанах). Разумеется, мы опустили температуру радиатора (до 62,2°С), впускного коллектора (+52,1°С), остыл и двигатель (всего 76°С на блоке), и элементы системы охлаждения (расширительный бачок показал +75,7°С, модуль термостата +72°С). Но двигатель работал с некоторой нагрузкой, поэтому выпускная система все равно осталась довольно горячей (287°С у лямбда-зонда и 263°С на катализаторе). Вовсю крутила шестеренками и коробка передач, поэтому +75,5°С на ее корпусе.

Выводы

Наш эксперимент наглядно показал, что разные детали даже в составе одного агрегата могут работать в разных температурных режимах. Отличный пример здесь — двигатель, где температуры блока, элементов системы охлаждения, впуска и выпуска совершенно разные. Это же на самом деле касается и трансмиссии, и тормозов, и колес. Но это, в общем-то, предсказуемо.

Также понятно, что температура этих узлов зависит от режима движения. Но вот здесь уже начинаются нюансы, которые очевидны для «технаря», но могут оказаться сюрпризом для обычного водителя. Во время всей поездки стрелка термометра даже не шелохнулась, а на блоке двигателя мы фиксировали от 77°С до 85°С. Но ни намека на перегрев благодаря эффективной системе охлаждения, а насколько хорошо она нагружена, можно было понять по скачущей температуре ее компонентов. И надеюсь, мы показали, что заметной нагрузкой для двигателя является не только агрессивный стиль езды, но и режим стоянки с работой мотора на холостых оборотах, и черепашья езда в пробке.

А вот коробка, тормоза, шины греются в первую очередь при быстрой езде с нагрузкой в виде разгонов и торможений. Стоит выйти в устоявшийся режим — и шины с тормозами начнут охлаждаться, станет легче и коробке. Впрочем, надо учитывать фактор скорости. Эти 90-100 км/ч можно считать «отдыхом», а если разогнаться ближе к максимальной скорости автомобиля, практически все узлы уже будут работать под нагрузкой. Впрочем, из-за эффективного охлаждения набегающим воздухом далеко не все они продемонстрируют склонность к перегреву.

Ну а выводы просты (и да, вполне очевидны). Самый оптимальный режим с точки зрения термонагруженности — не очень быстрая езда по загородной трассе. Далее идут городские поездки с высокой средней скоростью, то есть когда вы постоянно держите 40-60 км/ч без частых остановок, лишних разгонов и торможений. Все остальное, будь то агрессивная или, наоборот, очень медленная езда с длительными остановками, уже нагружает двигатель и трансмиссию, причем совершенно по-разному. Так что старайтесь по возможности их избегать, особенно в жаркие летние дни.

Лето, жара, свобода! Кабриолеты в базе объявлений Автобизнеса

Заговор производителей: современные моторы обречены на перегрев

В девяностые и нулевые на наших дорогах часто можно было наблюдать автомобили с перегревшимся двигателем. Их было видно издалека по клубам пара из-под капота. В основном это были немолодые отечественные машины, а причина перегрева часто крылась в некачественных комплектующих: некондиционные термостаты, насосы охлаждающей жидкости, дефектные шланги и радиаторы. Двигатели теряли охлаждающую жидкость и закипали.

Современные автомобили куда надежнее, но и сложнее конструктивно. Перегрев в привычном понимании этого слова случается реже, но настолько внезапно, что водитель не успевает среагировать и что-либо предпринять, а последствия перегрева для мотора зачастую фатальны. Да и в целом нынешние моторы куда «горячее» предшественников.

Какая температура двигателя нормальная?

А что же нам показывает штатный указатель температуры? Начнем с того, что у части машин его просто нет. Таковы некоторые комплектации Kia Rio прошлого поколения, Nissan Note, Honda Jazz, Lada Granta первых годов выпуска и другие. Присутствует лишь индикатор перегрева, срабатывающий, как правило, слишком поздно. У других автомобилей очень условные индикаторы в виде «кирпичиков», управляемые бортовым компьютером. Информативность у таких указателей низкая. Например, у Лады Ларгус, будь температура антифриза 80°C или 105°C, на дисплее четыре «кирпичика».

Почему мотор греется?

• В пробках, которые стали неотъемлемой частью нашей жизни, температура двигателя достигает 115-125°С.

Производители борются со слишком высокой рабочей температурой двигателя. Применяют форсунки охлаждения поршней маслом. Устанавливают теплообменники, через которые циркулируют и охлаждающая жидкость, и моторное масло. На начальном этапе прогрева температура антифриза растет быстрее и он нагревает масло. А при больших нагрузках полностью прогретого мотора масло охлаждается от более холодного антифриза. Без такого теплообменника масло охлаждалось бы лишь за счет обдува поддона двигателя, а этого зачастую недостаточно.

В чем опасность?

На все автомобили стали ставить очень тонкие, облегченные радиаторы. Теплоотдача их достаточна, пока все работает в штатном режиме, но как только радиатор засорится, он не сможет долго сдерживать температуру мотора в рабочем диапазоне. Все потому, что системы охлаждения современных моторов разработчики стараются сделать максимально эффективными, без какого-либо запаса. Раньше на 75-сильный движок приходилось порядка 10 литров тосола, а сейчас в 150-сильный мотор заливают чуть больше 5 литров. Например, в Ниву с карбюраторным мотором входило 10,7 л, а кроссоверу Hyundai Creta c 2-литровым мотором в систему заливают 5,7 л антифриза.

Чем меньше объем охлаждающей жидкости, тем быстрее изменится температура в системе. В случае какой-либо неисправности закипит сразу же.

А если капитально перегрел?

Если указатель температуры двигателя оказался в красной зоне, которая начинается после 120-125 °С, может случиться следующие:

• Задиры цилиндров. У современных моторов зазоры в паре поршень-цилиндр малы, а при перегреве обращаются в ноль и начинаются задиры. Ну а дальше последуют снижение показателей двигателя, прогрессирующий износ, масложор.
• Деградация масла. В условиях перегрева моторное масло теряет часть свойств, быстрее угорает, что может привести к масляному голоданию.
• Выход из строя резиновых и пластмассовых деталей двигателя. Быстрее дубеют сальники, что может вызывать повышенный расход масла; стареют пластмассовые детали мотора, что может вызвать их механическое разрушение.
• Выход из строя каталитического нейтрализатора. У перегретого двигателя растет и температура отработавших газов. Возможно оплавление керамических сот. Для предотвращения нужны более высококачественные материалы нейтрализаторов, а производители в стремлении сэкономить, напротив, применяют все более доступные и недолговечные конструкции.

Что может владелец?

• Следить за чистотой радиаторов. Это, пожалуй, самый действенный способ предотвратить перегрев. Мыть радиаторы следует не реже одного раза в год.
• Замена ОЖ не реже чем раз в 60 000 км. Конечно, это не столь важно с точки зрения теплообмена, но продлит срок службы узлов системы охлаждения.
• Некоторые производители автокомпонентов выпускают термостаты с разной температурой открытия. Например, для широко распространенного мотора К4М Renault есть термостаты на 82°С, а есть на 86°С. И разница, поверьте, очень заметна. Для автомобилей с очень напряженным тепловым режимом лучше подобрать термостат с более низкой рабочей температурой.
• Рекомендую установить точный цифровой термометр. Для машин без штатного прибора это обязательно. Можно использовать программу для смартфона в сочетании с прибором ELM 327, можно поставить отдельный прибор.

И еще в сильную жару можно скорректировать стиль езды для снижения теплонапряженности двигателя. Разгоняйтесь спокойнее, и температура не превысит расчетных значений. Если у вас механическая коробка передач, то чаще применяйте прием «торможения двигателем». При этом сгорание топливовоздушной смеси в моторе не происходит, а помпа продолжает интенсивно прокачивать охлаждающую жидкость. Так что температура двигателя снижается.

Более высокая рабочая температура современных двигателей обусловлена конструктивными особенностями, которые появились за последнее время. Как следствие, современный мотор легче перегреть. Это факт. Поэтому больше внимания следует уделять техническому обслуживанию машины, чтобы не допустить беды. Читай – дополнительных трат на ремонт или замену двигателя.

Есть ли в этом заговор автопроизводителей? Зависит от вашего мировоззрения.