Как устроен двигатель ВАЗ 1,8: английские технологии и русское упорство

История

«Новейшая история» 1,8-литрового двигателя началась на АВТОВАЗе в 2006 году. Тема была инициирована тогдашним главным конструктором завода Владимиром Ивановичем Губой в рамках проекта «Силуэт», он же ВАЗ-2116, он же «ВАЗовский С-класс». Мотор задумывался как верхний или один из верхних в линейке. Планировался под установку не только на С-класс, но и на внедорожники. Конструкция мотора была детально проработана, но проект встал по причине того, что С-класс в целом не был поддержан руководством предприятия.

В следующий раз тема возникла в 2008 году и уже с совершенно новым видением – мотор планировалось создать с «привязкой» к действующему производству двигателей, ибо было понятно, что абсолютно новую конструкцию заводу не потянуть. Был проведён ряд консультаций с иностранными компаниями, занимающимися разработкой систем регулирования фаз газораспределения VVT, и в итоге в октябре 2008 года появился контракт с британской фирмой Ricardo.

В августе следующего 2009 года в Тольятти собрали первые моторы и отправили англичанам на испытания. В конце 2009 года были подтверждены все проектные показатели и начался процесс доводки. История у двигателя получилась непростая – много раз проект в силу тех или иных причин останавливался и запускался вновь. Но в феврале 2016 года стартовало его серийное производство.

Технические характеристики и общее направление разработки

Двигатель был спроектирован так, чтобы его можно было с минимальными затратами запустить в действующем производстве. В силу этого за «базу» нужно было принять какой-то из уже существующих моторов. Такой базой для двигателя ВАЗ-21179 стал 1,6-литровый ВАЗ-21127 (или, в варианте для Vesta и Xray, ВАЗ-21129). Встречающееся далее в рассказе словосочетание «базовый двигатель» следует трактовать именно таким образом.

Мощность двигателя ВАЗ-21179 составляет 122 л. с./90 кВт (у базового двигателя –106 л. с./78 кВт), а максимальный крутящий момент – 170 Нм (у базового двигателя – 148 Нм). Особенно важно то, что «левая ветвь» внешней скоростной характеристики (ВСХ) этого мотора (то есть зона низких оборотов) получилась «приподнятой». То есть уже с 1 000 об/мин водителю доступен момент 127 Нм – значение, до которого первые ВАЗовские моторы не дотягивались даже «в пике». Итак, мотор получился «моментным», то есть обеспечивающим хорошую приёмистость, а значит, и позитивные эмоции на разгоне.

В действительности потребителю нужно, чтобы двигатель был мощным, но при этом расходовал мало топлива и был недорогим. Это, как мы понимаем, во многом противоречивые требования. Дать мощность – один набор решений. Чтобы при этом остался приемлемым расход топлива – второй набор. А чтобы двигатель по стоимости не ушёл в премиальный сегмент – третий набор. Всё это компромиссы, и зачастую нелёгкие.

На АВТОВАЗе долгое время отдавали приоритет расходу топлива, а энерговооружённость по сравнению с иномарками была скромной. ВАЗовские конструкторы-двигателисты долгое время «бежали впереди производства», т.к. мечтали о двигателе большего объёма, дающим удовольствие от вождения. Но нужно было, чтобы ситуация созрела – с точек зрения рынка, экономики и техники.

Так как же повысить энерговооружённость атмосферного мотора? Нет-нет, мы сейчас не о чип-тюнинге – оставим его гаражным умельцам. Один из наиболее распространённых приёмов, применяемых в тюнинге двигателей – увеличение рабочего объёма за счёт хода поршня. Ранее на ВАЗе уже использовали этот приём, пошли этим путём и в этот раз – на замену коленвалу, обеспечивающему ход поршня в 75,6 мм, был разработан тот, что давал 84 мм. Казалось бы, простейший приём, чисто геометрический элемент форсирования, заключающийся в том, чтобы позволить двигателю потреблять больше воздуха.

Но реальность не укладывается в чистую геометрию – потреблению воздуха сопротивляются газовые каналы, клапаны, их сопряжения с сёдлами… Чтобы двигатель мог эффективно засасывать в себя возросшие объёмы воздуха, и понадобились услуги Ricardo, владеющей мощными программными средствами расчёта характеристик двигателя в динамике.

В результате их расчётов двигатель хоть и остался похож на базовый, поменялся значительно – из-за нового модуля впуска, иных газовых каналов, увеличенного диаметра клапанов… Но ведь и на этом дело не кончается – после того, как мотор всосал рабочую смесь, её нужно максимально полно сжечь. Для достижения этой цели в Ricardo применили комбинацию горизонтальных и вертикальных вихрей в цилиндрах.

А ведь ещё нужно обеспечить хорошую детонационную стойкость мотора, чтобы его не пришлось кормить высокооктановым Аи-98! В первую очередь эта стойкость зависит от формы камеры сгорания и расположения свечи, и у базового мотора эти параметры были близки к оптимальным.

Второй важный момент при борьбе с детонацией – температурный режим. Для его оптимизации были внесены изменения в охлаждение блока цилиндров, а главное – радикально переработана рубашка охлаждения головки блока. Интересный факт: у появившихся в 1996 году 16-клапанных моторов ВАЗ расход жидкости через новую головку блока был в 2,5 раза меньше, чем через прежнюю восьмиклапанную. Всё логично: больше деталей, клапанов, каналов – всё это «съело» внутреннее пространство и затруднило приток жидкости через головку. При проектировании мотора 1,8 литра внимательно работали над обеспечением хорошего притока жидкости через головку, над охлаждением стенок цилиндров и в целом над улучшением антидетонационных свойств.

Тем самым удалось реализовать большие углы опережения зажигания, а значит и заложить основу экономичности нового двигателя. Ключевой показатель для двигателистов во всём мире – удельный расход при среднем эффективном давлении Pe = 0,2 МПа. Этот показатель является характерным, он позволяет сравнивать расход топлива в городском режиме проектируемого двигателя с другими агрегатами. Так вот, у базового двигателя этот показатель был равен 404 г/(кВт·ч), а у нового получился на уровне 370 г/(кВт·ч).

И ещё один немаловажный момент – снижение механических потерь. Это целый комплекс мер – в частности, у нового коленвала более тонкие шатунные шейки. К мехпотерям относят также и потери на газообмен, и поэтому в новом двигателе выпускные каналы катколлектора имеют диаметр 39 мм (у базового – 36 мм), и в итоге, с учётом модернизации впуска, газовых каналов и клапанов, новый мотор легче «вдыхает» и «выдыхает».

Блок цилиндров, коленвал, прокладка головки блока

На первый взгляд, блок остался таким же, как у базового мотора. Действительно, очень похож – и чисто внешне, и по ключевым решениям: межцентровое расстояние по-прежнему составляет 89 мм, параметры хонингования цилиндров тоже оказались неизменными.

Но отличия есть. Во-первых, появился дополнительный маслоканал между первым и вторым цилиндрами (такой же, как между вторым и третьим), связанный с основным масляным каналом, проходящим параллельно продольной оси блока в средней его части.

Во-вторых, поменялось, как мы уже говорили, охлаждение блока. В 2008-2009 годах испытатели столкнулись с повышенным износом поршневых колец на новом моторе, а причина этого износа крылась в перегреве перемычек между цилиндрами. В итоге в этих зонах появились трехмиллиметровые V-образные каналы охлаждения – мера возымела действие, и вопрос раннего износа колец был снят.

В-третьих, постели коренных подшипников теперь разбиты на три размерных класса. Соответственное разбиение на классы получил и коленвал – по коренным и по шатунным шейкам. Вкладыши – и коренные, и шатунные – также разбиты на три класса. На переднем торце блока теперь отмечается класс коренных опор.

В свою очередь на торец коленвала наносится информация о классах коренных и шатунных шеек. При этом в производстве реализована автоматическая селективная сборка: следящее устройство считывает размерные классы с блока и коленвала и даёт сигнал сборщику о том, какой именно взять вкладыш.

В-четвёртых, была предусмотрена возможность установки двигателя на полноприводные автомобили: традиционное место нанесения номера двигателя на заднем торце блока не подходило (номер при установке на автомобили 4х4 не читался бы), и поэтому номер «переехал» на оригинальную площадку на левой стороне блока.

И в-пятых, блок адаптирован под семейства Xray и Vesta, последняя уже этой весной может получить мотор 1,8, а также под Largus, над ним уже начали трудиться ВАЗовские инженеры: добавлены точки крепления чугунного кронштейна правой опоры двигателя на переднем торце блока – там появились три резьбовых отверстия М10; это нововведение пришло с платформы B0.

Коленчатый вал серьёзно переработан. Помимо нового, увеличенного под рабочий ход 84 мм колена, вал получил уменьшенные в диаметре шатунные шейки (коренные остались без изменений): 43 мм вместо 47,8 мм у базового мотора. Меньше диаметр – меньше длина окружности – меньше потерь на трение. Кроме того, в новом коленвале нет масляных каналов, перекрывающихся заглушками, т.к. такие каналы могут быть потенциальным местом накопления стружки. Вместо этого применены диагональные сверления, называемые «из шейки в шейку» – они менее трудоёмки в изготовлении, а технологическая продувка их легче.

Разумеется, в новом двигателе применена металлическая прокладка головки блока – такая прокладка позволяет гораздо меньше деформировать стенки цилиндра при сборке двигателя. У так называемых «мягких» прокладок всегда есть довольно высокая окантовка цилиндров – это как раз то «колено», через которое вы, затягивая болты крепления, гнёте стенку цилиндра. В результате поршневые кольца идут по «кривому» цилиндру – возникает большое сопротивление, растёт расход масла, появляется большое количество картерных газов, увеличивается токсичность. У семейства двигателей ВАЗ-2101 (потомок этих агрегатов всё ещё ставится на автомобили Lada 4x4) максимальная деформация цилиндров составляла до 90 микрон, у двигателей ВАЗ-2108 и ВАЗ-2112 – до 55 микрон.

С переходом на твёрдые прокладки, у которых «колено» значительно меньше (а значит меньше и изгибающий момент, действующий на стенку), деформация цилиндров в сегодняшних ВАЗовских двигателях упала до 25 микрон, что является хорошим современным показателем. Металлическая прокладка нового двигателя отличается от прежней – она «доводилась» по проходным отверстиям, чтобы оптимизировать движение охлаждающей жидкости.

Головка блока цилиндров

Головка блока мотора ВАЗ-21179 также весьма похожа на головку базового 16-клапанника, но отличия есть и здесь – и они, пожалуй, ещё более значительные, чем изменения по блоку. В первую очередь, появилась дополнительная система масляных каналов для управления фазовращателем – к нему мы еще вернемся позже.

В прежних моторах точка подвода масла к головке расположена между третьим и четвертым цилиндрами, но в новом моторе пришлось ввести ещё одну точку – между первым и вторым цилиндрами. Этот канал идёт вверх, переходит в продольный канал, потом в поперечный (относительно головки), и подаёт масло к управляющему клапану фазовращателя. Этот управляющий клапан – по сути соленоид, который регулирует подачу масла в камеры фазовращателя. Переднюю шейку распредвала и её опору пришлось увеличить в размерах, потому что на ней и находится фазовращатель, о котором речь пойдёт чуть позже.

Система смазки долго доводилась до ума. В расширенной передней опоре впускного распредвала появились два канала подачи масла и один канал слива. С помощью электроклапана эти три канала в определённом сочетании соединяются с двумя камерами фазовращателя, заставляя последний поворачиваться. Для исключения течи масла через сальники распредвалов в нижней части передних опор выполнено по два сливных отверстия.

У головки блока совершенно новая «водяная рубашка», которая оптимизирована с точки зрения охлаждения. Если взять песчаный стержень, который при изготовлении головки нового мотора оформляет «водяную рубашку», и сравнить его со стержнем базового 16-клапанника, можно увидеть, что ранее стержень был очень «ажурным»: мало песка, а значит впоследствии мало и охлаждающей жидкости. Новый стержень гораздо более массивный, проходные сечения для охлаждающей жидкости больше.

Изменилась и идеология прохода охлаждающей жидкости через головку: здесь масса нюансов, связанных с необходимостью охлаждения участков вокруг свечей, выпускных каналов, сёдел выпускных клапанов. В итоге терморежим в новой головке оптимизирован: температуры снизились и подровнялись от цилиндра к цилиндру.

Кроме того, в головке совершенно новые газовые каналы. Они проработаны с точки зрения наполнения двигателя смесью и образования вихревого движения заряда в цилиндре. Рассматривались как горизонтальное (на английском этот термин обозначается словом «swirl»), так и вертикальное («tumble») вихреобразование – требовалось получить должную экономичность двигателя. В результате поток смеси в цилиндре получился смешанным – в зависимости от режима работы он может быть и горизонтальным, и вертикальным.

Фазовращатель

Система VVT (Variable Valve Timing), фазовращатель или «фазер», в мире используется как минимум четверть века, но АВТОВАЗ, производитель бюджетной продукции, подошёл к этой технологии только сейчас.

Вообще, тема управления фазами газораспределения для АВТОВАЗа отнюдь не новая – как мы отметили ранее, собственные наработки двигателистов Волжского автозавода (как и инженеров завода в целом) зачастую сильно опережали возможности производства – и исторический экскурс в этом интереснейшем вопросе мы совершим в самое ближайшее время. Однако по нынешнему мотору, ВАЗ-21179, ВАЗовцы вырабатывали решения совместно с партнёрами из Ricardo.

В частности, рассматривался вариант применения «фазеров» и на впускном, и на выпускном распределительных валах, но в итоге по экономическим соображениям оставили только один, на впуске, ибо именно он даёт ощутимую прибавку в мощности и моменте, а также позволяет снизить токсичность.

После введения «фазера» в конструкцию при калибровке системы управления двигателем стали делать акцент на получении максимального крутящего момента – и только после этого калибровать токсичность, тем более что она, регламентируемая законодательно, обеспечивается в основном катколлектором.

Как же работает фазовращатель? Он позволяет распредвалу вращаться не в «жёсткой привязке» к движению ремня ГРМ, а в каждый момент времени опережая это движение или наоборот отставая от него. В результате «фазер», создавая опережение или запаздывание, изменяет фазы открытия и закрытия клапанов и постоянно адаптирует работу цилиндров к внешним условиям.

Фактически «фазер» – это гидромотор, у которого есть ротор (наружная часть) и статор. На статоре имеются лопасти, на роторе – соответствующие камеры (левая и правая, «А» и «Б»), и каждое отверстие в головке под «фазером» отводит или посылает масло в одну из камер. Переключением масляных потоков ведает управляющий соленоид, у которого есть несколько положений. Он работает постоянно и связан с контроллером двигателя. Алгоритм работы соленоида отстроен так, чтобы «фазер» отвечал на любые режимы работы двигателя каким-то конкретным своим положением.

«Фазер» крепится на передней шейке впускного распредвала с помощью болта, место крепления закрывается резьбовой заглушкой с резиновым уплотнением. Сальник впускного распредвала на передней шейке увеличен по сравнению с базовым двигателем. Производит фазовращатели для двигателя ВАЗ-21179 именитая германская фирма INA.

Экология

На старте производства экологический класс нового мотора – Евро 5. Однако уже сейчас ведутся активные работы над комплектацией Евро 6, и ничего не мешает появиться первым таким двигателям в самом ближайшем будущем, ведь стандарт Евро 6 уже опробован на LADA 4х4, поставляемых за рубеж.

Что дальше?

Во второй части рассказа о новом ВАЗовском моторе мы затронем изменения в газораспределительном механизме, шатунно-поршневой группе и некоторых других узлах, а также поговорим о поставщиках комплектующих, возможностях форсировки и тех моделях Lada, которые могут получить этот новый мотор.

Читайте также: