От чего зависит ресурс двигателя?

Рано или поздно каждого из владельцев автомобилей начинает беспокоить проблема предстоящего капитального ремонта двигателя. Капитальный ремонт - всегда крайняя мера, а проведение его в условиях автомастерской позволяет с большой вероятностью превратить автомобиль типа BMW в заурядный “Запорожец”.
Какие же факторы определяют естественный ресурс двигателя, на который можно рассчитывать при нормальной его эксплуатации (отсутствии перегревов, своевременной замене масла, исправности фильтров, применении качественных топлива и масел)?
Для двигателей с блочной конструкцией цилиндров общепринятое понятие капитального ремонта означает полную разборку двигателя с последующей расточкой цилиндров и шлифовкой коленчатого вала.
Внешними признаками необходимости капитального ремонта являются: падение давления масла ниже предельных значений, наличие характерных стуков при работе двигателя, заклинивание. Основная причина таких ситуаций - критический износ или поломка деталей кривошипно-шатунного  механизма.
Наработка на отказ для различных узлов двигателя неодинакова: обычно в первую очередь происходят отказы топливной аппаратуры и газораспределительного механизма, затем - цилиндропоршневой группы и, наконец, кривошипно-шатунного механизма. Такая последовательность отказов обусловлена различиями условий работы этих узлов.
В самых жестких условиях эксплуатируются прецизионные пары трения топливной аппаратуры, смазка которых обеспечивается только за счет топлива, а также некоторые пары трения газораспределительного механизма (выпускной клапан - седло, кулачок распредвала - толкатель), работа которых происходит при высоких температурах или повышенных нагрузках ударного характера. Средний ресурс этих деталей в автомобилях типа ВАЗ не превышает 70 - 90 тыс. км пробега.
Износ деталей топливной аппаратуры и газораспределительного механизма значительно ухудшает работу двигателя, однако эти детали сравнительно легко и быстро можно заменить.
Более опасен по последствиям износ элементов цилиндропоршневой группы. Применение высококачественных моторных масел и принудительная система охлаждения позволили значительно облегчить условия работы фрикционных сопряжений цилиндропоршневой группы. Однако любые неисправности в работе предшествующих узлов двигателя - некачественное топливо или перелив топлива, неисправность системы зажигания, нарушение регулировки тепловых зазоров или прогорание клапанов - неотвратимо ведут к ухудшению сгорания топлива, смыву масляной пленки со стенок цилиндров и ускоренному изнашиванию ЦПГ. Нарушения в работе ЦПГ становятся ощутимыми обычно при пробеге 100-120 тыс. км.
Пары трения кривошипно-шатунного механизма работают в наиболее благоприятных условиях гидродинамического трения (при наличии между металлическими поверхностями масляной пленки достаточной толщины). В режиме гидродинамического трения износ в принципе не должен происходить. Однако средняя наработка до отказа этих узлов составляет около 150 тыс. км. Причинами износа пар трения кривошипно-шатунного механизма являются отсутствие масляного слоя в моменты пуска, применение некачественного масла, но главное - предшествующий износ цилиндропоршневой группы. Влияние состояния цилиндропоршневой группы на последующий отказ кривошипно-шатунного механизма обусловлено следующими факторами.
При ухудшении функционирования ЦПГ в картер попадают несгорающие фракции топлива, шламы, повышается прорыв картерных газов, что приводит к снижению вязкости моторного масла, зашлаковыванию и ускоренному окислению масла. Контрольные замеры износа вкладышей и шеек коленвала при демонтаже двигателей часто показывают большую выработку твердого материала шеек, чем мягкого антифрикционного сплава вкладышей. Причина этого заключается во внедрении в мягкий слой подшипников твердых абразивных частиц, поступающих с воздухом или в качестве продуктов изнашивания деталей ЦПГ. Такие твердые вкрапления работают при последующей эксплуатации подобно напильнику, снимающему слой за слоем материал с шеек коленвала. Кроме того, при существенной выработке в цилиндрах нагружение на поршневой палец, шатунные и коренные подшипники и шейки коленвала приобретает ударный характер, приводящий к усталостному поверхностному разрушению этих деталей.
Поэтому столь важно для предотвращения отказа кривошипно-шатунного механизма своевременно предотвратить изнашивание элементов цилиндропоршневой группы.
Главная роль в защите поверхностей трения от износа принадлежит моторному маслу. По оценкам зарубежных экспертов, за последние 30 лет только в результате улучшения качества моторных масел удалось увеличить в полтора раза ресурс автомобильных двигателей без существенного изменения их конструкции. Однако в любом двигателе неизбежны ситуации, когда даже наиболее качественные масла не в состоянии предохранить узлы или отдельные участки контактных поверхностей от износа. Основными причинами таких ситуаций являются:
- недостаток масла в зоне трения (”масляное голодание”) в моменты холодных пусков двигателя, при загрязнении масляных каналов, при смыве масляного слоя топливом;
- локальный перегрев масла в отдельных фрикционных сопряжениях из-за повышенного тепловыделения или ухудшенного теплоотвода от таких сопряжений.
В поршневых двигателях внутреннего сгорания наиболее уязвимым местом, где моторное масло не справляется со своими обязанностями, является зона контакта верхней части цилиндров с компрессионными кольцами.
Повышенный износ в этой области связан с двумя неблагоприятными факторами:
- смывом масляной пленки топливом;
- локальным перегревом масляного слоя при сгорании топлива.
Постепенное изнашивание цилиндров, вначале локализованное в их верхней части, со временем разрастается подобно раковой опухоли и вовлекает в процесс разрушения все основные элементы двигателя. При износе верхней части цилиндров (формировании в них конусности и эллипсности) увеличивается утечка топливовоздушной смеси из сжимаемого объема через зазор цилиндр - кольцо и снижается величина компрессии - давления, до которого сжимается топливовоздушная смесь перед воспламенением, а вследствие уменьшения компрессии ухудшается полнота сгорания топлива. В результате падают приемистость и мощность, повышаются нагароотложение и перегрев поршней, увеличивается токсичность отработавших газов. Несгоревшее топливо по стенкам цилиндров стекает в картер и разбавляет моторное масло. Разбавленное топливом масло не обладает необходимыми герметизирующими и смазочными свойствами, в результате чего повышается прорыв газов в картер, происходит перегрев масла во всем его объеме, увеличивается расход и падает давление масла в системе, начинается износ кривошипношатунного и газораспределительного механизмов.
Поэтому для предотвращения ухудшения технического состояния поршневых двигателей необходимо, в первую очередь, защитить от износа их наиболее слабое место - верхнюю часть цилиндров.
Новые технологии позволяют решить эту проблему, создавая дополнительную линию защиты цилиндров в результате напыления на их рабочую поверхность металлополимерного покрытия. После такой обработки в критических ситуациях масляного голодания и перегрева масляного слоя вместо изнашивания поверхностных слоев конструкционных материалов пары трения цилиндр-кольца происходит изнашивание металлополимерного покрытия. При износе этого защитного слоя в процессе эксплуатации металлопо-лимерное покрытие возобновляется (регенерируется) без разборки двигателя последующей периодической обработкой цилиндров через свечные или форсуночные отверстия.
На стадии обкатки двигателя металлополимерное покрытие намного легче и быстрее, чем упрочненные слои деталей, приобретает оптимальный поверхностный рельеф и тем самым исправляет несовершенства изготовления и сборки фрикционного сопряжения без образования твердых частиц износа. Кроме того, такое буферное металлополимерное покрытие предотвращает усталостное выкрашивание глубже лежащего твердого слоя цилиндров.  Не так уж и давно многократный ремонт двигателя с заменой многих его узлов и агрегатов на протяжении срока эксплуатации автомобиля был нормой жизни. Эти времена безвозвратно проходят. Сегодня потребитель предпочитает автомобили, требующие минимального объема техобслуживания и тем более ремонта за весь срок его службы. Однако практика показывает, что далеко не у всех автомобилей двигатель способен работать так надежно и долго, чтобы «умереть» одновременно с кузовом, коробкой передач, ходовой частью. Напротив, именно двигатель начинает страдать старческой немощью намного раньше многих других узлов автомобиля. И на то есть свои серьезные причины, в которых мы решили разобраться. Действительно, для некоторых автомобилей, в первую очередь отечественных, долговечность двигателя - достаточно серьезная проблема. Причем тесно связанная с надежностью. Поскольку ускоренный износ, дефекты и поломки, в результате которых требуется выполнить тот или иной вид ремонта, - все это показатель и невысокой надежности. К сожалению, пока подобные проблемы решаются скорее потребителем, нежели отечественными производителями автомобилей. Хотя конкуренция с иностранной техникой на внутреннем рынке постепенно делает свое дело, заставляя и наши заводы уходить от старых архаичных конструкций, технологий и подтягиваться к новым, обеспечивающим более надежную и долговечную работу двигателя. Однако будем справедливы, даже сравнительно надежные иностранные моторы не всегда оказываются на высоте: известно немало случаев досрочного выхода из строя двигателей самых именитых марок. В то же время известны случаи, когда наши образцы техники показывают завидные чудеса долговечности. Причина? Очевидно, в особенностях эксплуатации автомобиля. Но грамотная эксплуатация - не эликсир долголетия, - срок службы двигателя зависит от его «наследственности» в не меньшей степени. Одним словом, на продление срока жизни двигателя «работает» весь комплекс, в том числе его конструкция, технология производства и использованные материалы. При определенных условиях особенности конструкции двигателя могут стать решающим фактором, влияющим на его ресурс. К примеру, незначительные нарушения в работе систем смазки, охлаждения, питания или зажигания для одних двигателей практически безболезненны, а для других - критичны или просто опасны. И все же следует особо отметить, что эксплуатация оказывает наибольшее влияние на надежность и долговечность двигателя, в значительной мере изменяя заявленный производителем ресурс.

Что такое хорошо и что такое плохо

Сформулировать основные правила, выполнение которых обеспечивает максимальный ресурс двигателя, несложно. Тем более что они приводятся во всех инструкциях по эксплуатации: необходимо применять высококачественное топливо, смазочные материалы и рабочие жидкости, следя за их чистотой и хорошей фильтрацией, следует избегать нештатных режимов работы двигателя, своевременно и квалифицированно выполнять техобслуживание. И все. Проще некуда. Но только в идеальном варианте. В реальной жизни все намного сложнее - всегда найдется масса причин, во много раз снижающих срок службы двигателя. Топлива, смазочные материалы и рабочие жидкости, точнее, их качество и соответствие двигателю, - достаточно избитая тема. Тем не менее, значительная доля неисправностей двигателя «зарыта» именно здесь. Низкооктановый бензин, как известно, - главная причина детонации и, как следствие, поломки поршней, поршневых колец и даже прогаров стенок камеры сгорания. Даже если поломки не произошло, ударные нагрузки все равно свое дело делают - к примеру, разбивают канавки под кольца на поршнях. После чего ресурс цилиндропоршневой группы заметно снижается. В той же реальной жизни топливо может иметь повышенное содержание различных химических соединений и воды, что способствует коррозии и преждевременному износу деталей. Но это - объективные реалии, сопутствующие работе АЗС, на которые не повлиять. А вот сознательно из грошовой экономии покупать топливо в сомнительных местах или использовать для облегчения пуска легковоспламеняющиеся жидкости - все равно что сыпать песок в двигатель. С маслом связано еще больше неприятностей. Проблемы начинаются, как правило, от мелочности, желания сэкономить и залить то масло, что подешевле. А там уж как повезет - может, обойдется, а может, и нет. Прямо - русская рулетка. Двигатели старых конструкций подобное, скорее всего, переживут, хотя и не без ущерба для своей долговечности. Зато новые, особенно с наддувом - вряд ли. Еще одна очевидная ошибка - масло не по сезону. Например, не заменили вовремя летнее масло, и при запуске в холодную погоду оно поступит к подшипникам двигателя лишь через несколько десятков секунд. Что при этом будет с подшипниками турбокомпрессора, можно только догадываться. А в жару малая вязкость масла - это недостаточная толщина и низкая прочность масляной пленки, ускоренный износ и задиры многих деталей двигателя. Теперь об охлаждающей жидкости. На лотках, среди банок многочисленных производителей, объединенных общим названием ТОСОЛ, встречается немало загадочной подкрашенной «жижи», способной за несколько месяцев «прогрызть» насквозь головку блока цилиндров, корпус водяного насоса или трубки радиатора. Перегрев же двигателя (явление отнюдь не безобидное) способен в кратчайший срок «убить» любой мотор. Вообще любое нарушение работы системы смазки или охлаждения двигателя имеет свой эквивалент - снижение ресурса двигателя на несколько сотен, а то и тысяч километров. Хорошая фильтрация всего потребляемого двигателем: топлива, масла, воздуха - еще одно важное слагаемое высокого ресурса. Загрязненный масляный фильтр, как известно, масло не очищает - оно проходит мимо фильтроэлемента через перепускной клапан. Воздушный и топливный фильтры при их загрязнении абразив в двигатель не пропускают, но их гидравлическое сопротивление возрастает, и мощность двигателя падает. В один «прекрасный» момент фильтроэлемент может не выдержать и разорваться, причем водитель этого, скорее всего, не заметит. Эти ситуации приведут к одному и тому же результату - абразивному износу деталей, что для двигателя наиболее губительно. Особенно, если учесть, что отдельно взятая твердая частица, внедрившись в мягкий материал детали, будет продолжать свою «грязную» работу очень долго, несмотря на все последующие «промывки» и «продувки». Режимы эксплуатации двигателя тоже могут оказать роковое влияние на его ресурс. Конечно, производители стараются застраховать свою технику от разных нештатных ситуаций. Но всех особенностей эксплуатации даже они предугадать не в силах. Пуск и прогрев двигателя при низкой температуре, когда нарушены условия смазки не только подшипников, но и цилиндропоршневой группы (обогащенная топливовоздушная смесь смывает масло со стенок цилиндров), никак не прибавляют ему долговечности. Плохо отразятся на двигателе и короткие поездки с длительными остановками - подобные режимы ухудшают свойства масла и ведут к отложениям на стенках каналов различных соединений. Негативно «сработает» и длительная зимняя стоянка автомобиля - без специальных защитных мер стенки цилиндров корродируют, после чего износ деталей резко ускоряется. Кстати, указанные причины снижения ресурса вполне закономерны. В технике подавляющее число отказов происходит именно при пуске и остановке механизмов и устройств (вспомните, к примеру, когда обычно перегорает электрическая лампочка). Именно поэтому на автомобилях с длительной непрерывной работой двигателя (такси, «дальнобойные» грузовики) его ресурс заметно выше. Точно так же «рваные» режимы городской езды («газ-тормоз») снижают ресурс двигателя по сравнению с его «плавной» эксплуатацией на автобанах с многополосным движением. В целом же отметим, что двигатель, как и любой другой агрегат автомобиля, «не любит» бездействия, которое не только не прибавляет ему ресурса, как ошибочно полагают некоторые, а, напротив, снижает его долговечность, ведет к возникновению различных дефектов и неисправностей. Особо следует сказать о влиянии стиля езды. Оптимальной можно считать работу двигателя на средних частотах вращения и нагрузках. Большие нагрузки на низких оборотах могут вызвать повышенный износ деталей из-за недостатка смазки (у некоторых двигателей на таких режимах недостаточна производительность масляного насоса), а эксплуатация на высоких частотах вращения - это высокие нагрузки на детали, вызывающие повышенное трение и износ. Причем последний фактор способен снизить долговечность очень значительно: у двигателя обычного автомобиля ресурс измеряется тысячами часов, а у гоночного двигателя, работающего на самых высоких частотах вращения и нагрузках, - всего несколькими часами.

Несвоевременное и неквалифицированное обслуживание и ремонт двигателя - еще один вклад в снижение его долговечности.

Вот только несколько примеров. Допустим, система управления переобогащает топливовоздушную смесь. Очевидно, топливо не только будет смывать масло со стенок цилиндров, но и разжижать масло в поддоне картера, ухудшая его смазочные свойства. Такое же разжижение масла, только не топливом, а охлаждающей жидкостью, возможно при негерметичности системы охлаждения. В последнем случае говорить о ресурсе просто смешно - двигатель на смеси масла с антифризом едва ли проедет тысячу километров - слишком быстрым будет износ подшипников. К еще более тяжелым, для некоторых двигателей, последствиям - катастрофическому износу деталей ЦПГ за считанные километры - может привести выход из строя нейтрализатора отработавших газов. Вообще, своевременное устранение неисправностей - одно из самых важных мероприятий в борьбе за поддержание высокого ресурса двигателя. Иногда на улице приходится слышать автомобиль с явно грохочущим двигателем. А стук - это ударные нагрузки, ускоренный износ дефектных деталей, быстрое засорение масляного фильтра продуктами этого износа и, наконец, абразивный износ всех остальных деталей двигателя. Такая вот логическая цепочка. В этой связи своевременное техобслуживание двигателя с проведением всех необходимых проверок и регулировок, заменой масла, охлаждающей жидкости и фильтров становится наиболее важным и действенным способом профилактики неисправностей и продления срока службы двигателя. Хотя не следует забывать о том, что частичная разгерметизация внутренних полостей двигателя (к примеру, снятие крышки ГРМ для регулировки зазоров в приводе клапанов) при выполнении техобслуживания - один из путей попадания пыли к трущимся парам. И, наконец, практика показала, что сокращение сроков замены масла и фильтра по сравнению с рекомендованным производителями, особенно, в тяжелых дорожных условиях, вместе с использованием высококачественных сортов масел и масляных фильтров может повысить ресурс некоторых двигателей (в частности, отечественных) на 30-50% и даже более. Поможет ли нам конструктор?

Опыт эксплуатации и ремонта двигателей автомобилей разных марок говорит о том, что есть целый ряд факторов, имеющих объективный характер, на которые водитель или механик воздействовать с целью повышения ресурса двигателя не могут. Тем не менее, снизить их негативное влияние вполне возможно, если при эксплуатации, техобслуживании и ремонте двигателя они принимаются во внимание.

О чем идет речь?

В первую очередь о конструктивных решениях, которые определяют надежность и долговечность двигателя. В качестве одного из примеров рассмотрим влияние мощностных характеристик на ресурс двигателя. Очевидно, чем меньше оборотов коленвала и ходов поршней в цилиндрах совершено за единицу времени или пробега, тем больше при прочих равных условиях будет ресурс. То есть, чем меньше частота вращения, тем лучше. А это значит, что малолитражные двигатели небольшой мощности - основа отечественного парка легковых автомобилей - проигрывают в ресурсе двигателям с большим объемом цилиндров и высоким крутящим моментом, реализуемым в широком диапазоне частот вращения. К примеру, ВАЗовские моторы обычно эксплуатируются в диапазоне средних частот вращения - в среднем около 3000-3500 об/мин. Сравнение с целым рядом двигателей большого объема показывает, что последние фактически недогружены, аналогичные тяговые свойства у них наблюдаются при частоте вращения 2000-2500 об/мин. Отсюда их долговечность: ресурс таких двигателей в 1,5 раза выше. Влияют на ресурс и другие особенности конструкции. Плохо, когда жесткость блока цилиндров недостаточна или у маслонасоса мала производительность (низкое давление в системе на низких оборотах). А вот гидротолкатели клапанов и гидронатяжители цепи (ремня) в приводе газораспределительного механизма снижают ударные нагрузки и обеспечивают более высокий ресурс деталей. Некоторые конструкции, как мы уже указывали, весьма чувствительны к нарушениям в работе систем смазки и охлаждения. Так, недостаток смазки и перегрев способны быстро вывести из строя весьма износостойкую пару «алюминиевый цилиндр - покрытый железом поршень», применяемую на ряде двигателей европейских автомобилей. Перегрев двигателей с «мокрыми» гильзами чаще, чем у моторов с цельнолитым блоком цилиндров, приводит к потере герметичности прокладки ГБЦ. Этот список можно продолжать и дальше. Не менее важны для долговечности технология производства и используемые материалы. Качество деталей и узлов (читай - ресурс) во многом определяется именно этими факторами. Совершенно недопустимы отклонения геометрических размеров деталей и их механических свойств от заданных разработчиками. Итак, подведем некоторые итоги. Долговечность двигателя складывается из множества «кирпичиков», ежечасно и каждодневно. В вопросе увеличения ресурса нет мелочей, пренебрежение любой из них способно зачеркнуть ту прибавку к ресурсу, которая накоплена за многие месяцы и годы, тысячи километров пробега. Об этом, как нам кажется, должны помнить те, кто рассчитывает на высокий ресурс двигателя своего автомобиля.