ШКОДА ЕСТ МАСЛО.

[Ohotnik]

[Ohotnik]

ВСКРЫТИЕ ПОКАЗАЛО

Дефектовка мотора выявила два критических, на наш взгляд, обстоятельства.

Первое: маслосъемное кольцо полностью забито черными отложениями непонятной природы. Такие же отложения наблюдались и на втором уплотнительном кольце. Они присутствовали как на внешней стороне кольца, прилегающей к цилиндру, так и на внутренней, где расположена пружина расширителя. Ее витки практически спеклись из-за этой грязи, а потому расширитель был в нерабочем состоянии. Забавно, что на чугуне корпуса кольца отпечатались витки пружины расширителя. Обычно такого не бывает, поскольку пружина перемещается относительно канавки поршня. Эти отпечатки явно говорят о том, что кольцо неподвижно. А значит, не работает.

Второе: пружинка расширителя маслосъемного кольца, которая должна обеспечивать его прижатие к стенкам цилиндра, заметно потеряла свою упругость. Такое бывает в случае ее перегрева. Деталь эта термофиксирована, то есть упругость свою получает в процессе соответствующей термообработки. Ее перегрев свыше температуры термофиксации приводит к так называемому отпуску пружины, то есть к потере упругости.



Рассуждаем дальше. В исправном двигателе при движении поршня вверх-вниз кóльца также периодически перемещаются от нижнего торца канавки к верхнему. Это называют перекладкой кольца. Момент перекладки определяется направлением движения поршня и действующим на кольце перепадом давления. А вот если сам зазор в канавке полностью заполнен маслом, то при перекладке кольца от верхнего торца к нижнему часть масла перекачивается наверх, в камеру сгорания (так называемый насосный эффект).

При нормальной работе колец в канавках наблюдаются лишь следы масла. Масляная пленка сидит на стенке цилиндра — насосный эффект не проявляется. Но если отсутствует дренаж, кольца начинают качать масло в цилиндр. Тут как раз тот случай: крошечные дренажные отверстия забиты грязью!

Застой масла в канавках при отсутствии дренажа и повышенных температурах приводит к ускоренному старению и разложению масла — так и рождаются те самые черные отложения, которые мы наблюдали при вскрытии мотора.

Еще одна возможная причина резкого увеличения угара масла — нерабочая пружина расширителя маслосъемного кольца. Это кольцо — важнейший элемент системы уплотнения камеры сгорания поршневого двигателя. Его задача — регулировать подачу масла к зоне компрессионных колец, принимающих на себя основную газовую нагрузку.


2. .Камера сгорания двигателя покрыта толстым слоем отложений — это следы сгорания масла в цилиндрах
Если это регулирование (то есть маслоограничение) перестает работать, то толщина масляного слоя, оставляемого первым поршневым кольцом на стенках цилиндра, резко растет. С ним возрастает и расход масла на угар.

[Ohotnik]

ОШИБКА ИЛИ ПЛАТА ЗА ЭКОЛОГИЮ?

В чем причина такого расхода масла? И что это — конструктивная особенность мотора или случайность?


Когда вскрываешь такой мотор, в глаза сразу бросаются миниатюрные поршни (фото 4). Это современная тенденция в проектировании высокооборотных двигателей: конструкторы стараются максимально облегчить поршень — чтобы снизить инерционные нагрузки на шатун и коленчатый вал, а также уменьшить силу прижатия поршня к стенкам цилиндра. Всё это способствует уменьшению потерь на трение в двигателе, приводя к росту его механического и эффективного коэффициентов полезного действия. Цель — снижение расхода топлива и, что особо важно, содержания двуокиси углерода СО 2 в отработавших газах.

В итоге поршень получается «коротким». Если раньше принималось, что высота поршня должна быть не меньше диаметра цилиндра, то теперь от этого правила отошли. Более того, сейчас используется Т‑образная конструкция поршня, при которой опорная часть боковой поверхности максимально уменьшается — остаются только сегменты боковой поверхности тронка (юбки) в плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца. Это тоже снижает потери на трение. Но и негатив от уменьшения размера поршня очевиден. При росте нагрузок в форсированном моторе меньшее количество воспринимающего их железа работает в более жестких условиях. Температура поршня растет, напряжения в нем — тоже. Следствие — снижение ресурса и надежности. И, как частный случай, возможность перегрева поршневой группы.

[Ohotnik]

Рассуждаем дальше. В исправном двигателе при движении поршня вверх-вниз кóльца также периодически перемещаются от нижнего торца канавки к верхнему. Это называют перекладкой кольца. Момент перекладки определяется направлением движения поршня и действующим на кольце перепадом давления. А вот если сам зазор в канавке полностью заполнен маслом, то при перекладке кольца от верхнего торца к нижнему часть масла перекачивается наверх, в камеру сгорания (так называемый насосный эффект).

При нормальной работе колец в канавках наблюдаются лишь следы масла. Масляная пленка сидит на стенке цилиндра — насосный эффект не проявляется. Но если отсутствует дренаж, кольца начинают качать масло в цилиндр. Тут как раз тот случай: крошечные дренажные отверстия забиты грязью!

Застой масла в канавках при отсутствии дренажа и повышенных температурах приводит к ускоренному старению и разложению масла — так и рождаются те самые черные отложения, которые мы наблюдали при вскрытии мотора.

[Ohotnik]

Еще одна возможная причина резкого увеличения угара масла — нерабочая пружина расширителя маслосъемного кольца. Это кольцо — важнейший элемент системы уплотнения камеры сгорания поршневого двигателя. Его задача — регулировать подачу масла к зоне компрессионных колец, принимающих на себя основную газовую нагрузку.



2. .Камера сгорания двигателя покрыта толстым слоем отложений — это следы сгорания масла в цилиндрах
Если это регулирование (то есть маслоограничение) перестает работать, то толщина масляного слоя, оставляемого первым поршневым кольцом на стенках цилиндра, резко растет. С ним возрастает и расход масла на угар.

[Ohotnik]

ОШИБКА ИЛИ ПЛАТА ЗА ЭКОЛОГИЮ?

В чем причина такого расхода масла? И что это — конструктивная особенность мотора или случайность?

Когда вскрываешь такой мотор, в глаза сразу бросаются миниатюрные поршни (фото 4). Это современная тенденция в проектировании высокооборотных двигателей: конструкторы стараются максимально облегчить поршень — чтобы снизить инерционные нагрузки на шатун и коленчатый вал, а также уменьшить силу прижатия поршня к стенкам цилиндра. Всё это способствует уменьшению потерь на трение в двигателе, приводя к росту его механического и эффективного коэффициентов полезного действия. Цель — снижение расхода топлива и, что особо важно, содержания двуокиси углерода СО 2 в отработавших газах.

В итоге поршень получается «коротким». Если раньше принималось, что высота поршня должна быть не меньше диаметра цилиндра, то теперь от этого правила отошли. Более того, сейчас используется Т‑образная конструкция поршня, при которой опорная часть боковой поверхности максимально уменьшается — остаются только сегменты боковой поверхности тронка (юбки) в плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца. Это тоже снижает потери на трение. Но и негатив от уменьшения размера поршня очевиден. При росте нагрузок в форсированном моторе меньшее количество воспринимающего их железа работает в более жестких условиях. Температура поршня растет, напряжения в нем — тоже. Следствие — снижение ресурса и надежности. И, как частный случай, возможность перегрева поршневой группы.


3. Чугунная вставка выше и ниже канавки под первое уплотнительное кольцо повышает ресурс поршня, но ухудшает теплоотдачу.

[Ohotnik]

Это еще не всё. Чтобы снизить температуру поршня, его охлаждают струей масла из форсунок, врезанных в главную масляную магистраль двигателя. В рассматриваемых моторах эти форсунки имеют клапаны, открываемые при давлении, превышающем 0,18 МПа (в новых вариантах — 0,25 МПа). Так сделано потому, что при открытии форсунок давление масла в магистрали падает, а это может обделить смазкой часть подшипников. Но давление масла зависит от двух параметров — температуры масла в двигателе (чем она выше, тем ниже давление) и частоты вращения коленчатого вала. Это означает, что в самых неблагоприятных режимах работы двигателя — при высокой температуре окружающего воздуха, низких оборотах и высокой нагрузке — поршни не охлаждаются! Ведь форсунки при низком давлении закрыты!

Короче говоря, мотор запросто можно убить, если жарким летним днем загрузить автомобиль под завязку и тащиться на высокой передаче в затяжной подъем.

Еще одна особенность этого фольксвагеновского мотора — размеры поршневых колец. Они непривычно узкие. Вдобавок высота первого кольца — всего 1,0 мм, второго — 1,2 мм, маслосъемного — 1,5 мм! Вот это кажется совсем странным — ведь ни в наших ГОСТах, ни в немецких DIN, ни даже в каталогах поршневых колец ведущих фирм мы не нашли колец высотой 1,0 мм при диаметре цилиндра 82,5 мм; выходит, это некий специальный заказ.

Чем это грозит? У кольца с такими размерами снижается механическая прочность. Это особенно существенно для коробочки маслосъемного кольца. Чтобы компенсировать снижение прочности, производитель колец пошел на уменьшение и без того маленьких дренажных отверстий в нем. Отсюда — повышенный риск их закоксовывания и полной потери дренажа.


4. Так поршни делались раньше B , а так — сейчас A . Облегчение конструкции коснулось буквально всего — отсюда минимальная высота и ликвидация металла по максимуму. А ведь нагрузки на этот поршень, в сравнении со старым, раза в два выше!

[Ohotnik]

Еще один важный аспект. Поршневое кольцо для нормальной работы должно поджиматься к стенке цилиндра — иначе нет уплотнения. Прижатие кольца осуществляется давлением газовых сил, которое достаточно только на тактах сжатия и расширения, то есть менее чем на половине продолжительности рабочего цикла. В остальное же время работает усилие собственной упругости. Но чем меньше размер кольца, тем меньшее давление на стенку цилиндра оно способно создать. А это параметр, закрепленный в нормативных документах: от него многое зависит. Кстати, есть такое явление, как флаттер поршневого кольца: некий колебательный процесс, при котором кольцо работает неустойчиво, не уплотняет «по газу» и гонит масло вверх. Так вот, пониженное радиальное давление — один из факторов, который способствует возникновению этого самого флаттера.

Но и это еще не всё. Вместо обычного первого уплотнительного кольца мы увидели так называемое торсионное, имеющее хитрую выборку на внутренней поверхности. Такая фаска создает различный момент сопротивления в разных сечениях кольца, а это приводит к его «скручиванию», что повышает локальное удельное давление на стенку цилиндра. Но ведь даже в теории так не поступают! Установка торсионных колец в качестве первых в свое время считалась недопустимой по причине их негативного влияния на скорость износа первой поршневой канавки.

«Перекошенное» кольцо создает повышенное контактное давление не только на поверхность прочного стального или чугунного цилиндра, но и на канавку в поршне — мягкую и податливую, ведь поршень выполнен из алюминиевого сплава и к тому же сильно нагрет.

Смотрим внимательно на поршень разобранного двигателя. Ага, всё правильно: для компенсации этого негатива первая канавка нарезана в специальной чугунной износостойкой вставке (3). Но такая вставка, защищая от износа, нарушает нормальное охлаждение поршня — ведь теплопроводность чугуна впятеро меньше, чем у алюминиевого сплава поршня, и такая вставка мешает протеканию теплового потока. Вот и дополнительный путь к перегреву как поршня, так и маслосъемного кольца.


5. В поршне больного двигателя оказалось лишь четыре дренажных отверстия — по два на сторону. Не мало ли? Застой масла из-за недостаточного дренажа плюс его перегрев дают те самые отложения, которые в итоге убивают поршень.

[Ohotnik]

И наконец, еще одно «открытие». Обычно для отвода масла из зоны работы маслосъемного кольца в поршне сверлят специальные сквозные отверстия. Но и тут нас ждала неожиданность. Мало того, что дренажные отверстия крошечные, — их оказалось всего четыре (5)! У поршней аналогичных двигателей их, как правило, не меньше восьми (6). А когда-то вместо отверстий для дренажа вообще делались прорези-окна. Не лучшее решение с точки зрения прочности поршня, зато дренаж всегда работал.


6. Та же фирма, та же размерность — но всё вернулось на круги своя. Это — из новых вариантов, рекомендованных к установке согласно извещению концерна Volkswagen
Малое количество отверстий вкупе с их миниатюрностью ухудшает отвод масла, а это со временем приводит к закоксовыванию — аналогично с дренажом в самóм маслосъемном кольце. А чем кончается работа при отсутствии дренажа, мы поведали в начале статьи.

Зачем это сделано? Скорее всего, для уменьшения напряжений в зоне канавки под маслосъемное кольцо. Понятно, что каждое отверстие является концентратором напряжений, а они там и так высоки. Убрав половину дренажных отверстий, избавились от половины концентраторов — поршню стало легче. Но ничто не дается бесплатно — в итоге получили то, что получили.

[Ohotnik]

ЗАЧЕМ?

Почему же конструкторы создали поршневую группу, основные решения которой противоречат устоявшейся практике проектирования двигателей? Мы можем лишь предполагать: для того, чтобы выполнить требования действующих норм Евро‑5 и новых норм Евро‑6 по токсичности и содержанию СО 2 в отработавших газах. Дело в ограничении содержания так называемых нетопливных остаточных углеводородов, которые дает горящее моторное масло: снижение угара жестко увязано с токсичностью. Отчасти поэтому в качестве первого кольца взято торсионное кольцо, которое обычно используется как уплотнительно-маслосъемное.

Малая высота колец и тронка поршня позволяет уменьшить удельный расход топлива. Это важно и само по себе, и как фактор ограничения выхода СО 2. Однако при этом страдает ресурс: удельные нагрузки на поршень, кóльца и стенки цилиндра растут, а потому неизбежно увеличивается скорость износа. Но для современного мотора ресурс уже не главное.

Итак, с большой долей вероятности причиной дефекта можно считать неоптимальную конструкцию поршневой группы двигателя, при которой возрастает возможность перегревов масла в зоне поршневых канавок и ухудшается дренаж моторного масла от маслосъемного кольца в картер двигателя. Всё это способствует резкому росту пропуска масла в камеру сгорания.

Нам возразят — мол, далеко не все моторы фирмы Volkswagen страдают подобной особенностью. Да, для запуска механизма «масложора» необходимо, чтобы совпало несколько обстоятельств: когда-то двигатель был перегрет, плюс частые короткие поездки, плюс столбняк дорожных пробок, а еще — нестабильное качество моторного масла, забитые соты радиатора… Поэтому «масложор» не система, а плавающий дефект. Но это не делает его малозначимым.