Почему умер воздушный двигатель? Триумф жидкостного охлаждения

Автомобильный двигатель с воздушным охлаждением - это архитектура, в которой тепло отводится путём прямого обдува воздухом металлических рёбер охлаждения над цилиндрами, без радиатора и помпы, и сегодня она практически полностью исчезла из серийных автомобилей. Причина её смерти - не недостаток простоты, а, наоборот, цена простоты: долгое охлаждение блока при холодном запуске, неконтролируемые выбросы, неуправляемые горячие точки и невыполнимые нормы по шуму.

Как работает воздушное охлаждение и почему оно было настолько простым?

То, что мы называем системой охлаждения в двигателе с воздушным охлаждением, фактически состоит из рёбер на поверхности цилиндров и вентилятора. Радиатор, расширительный бачок, шланги и водяная помпа, необходимые жидкостному аналогу, здесь отсутствуют. Тепло напрямую переходит в воздух с расширенной поверхности рёбер. С инженерной точки зрения это означает меньше деталей, меньше веса, меньше обслуживания: охлаждающая жидкость не подтекает, помпа не выходит из строя, нет риска замерзания.

Но если взглянуть на энергетический баланс, картина проясняется. Около 44% энергии топлива уже уходит с выхлопом, а 8% уходит в масло. В двигателе с воздушным охлаждением лишь около 12% оставшегося тепла может отводиться через металлические рёбра. То есть способность системы отводить тепло структурно ограничена, и двигатель вынужден работать в гораздо более широком диапазоне температур, чем конструкция с жидкостным охлаждением. Такой широкий диапазон означает ослабление допусков, снижение порога детонации (преддетонационного сгорания) и, особенно в жарком климате, усложнение теплового управления.

Есть и преимущество, причём серьёзное: простота обслуживания. В тесном моторном отсеке работать с системой охлаждения и менять детали при воздушной конструкции обычно дешевле и проще. Поэтому авиационная отрасль так и не отказалась от неё; в самолётах общей авиации двигатели Lycoming и Continental до сих пор используют эту архитектуру.

От Benz до Franklin: первое столетие двигателя с воздушным охлаждением

История воздушного охлаждения почти ровесница истории автомобиля. Первый успешный двигатель с воздушным охлаждением был разработан немецким инженером Карлом Бенцем в конце 1800-х годов, а идея созрела в 1920–1930-е годы. На американской стороне история пишется с Franklin. Проект, начавшийся с экспериментального автомобиля Джона Уилкинсона 1901 года без радиатора и водяной помпы, в 1902 году был запущен в производство в Сиракузах, штат Нью-Йорк, и Franklin стал самым успешным американским производителем автомобилей с воздушным охлаждением.

Franklin не только производил, но и доказывал. В 1904 году Franklin прошел маршрут Сан-Франциско–Нью-Йорк за 32 дня 23 часа 20 минут предыдущий рекорд составлял 61 день. В 1905 году марка представила один из первых шестицилиндровых автомобилей и прошла тот же маршрут за 15 дней Бренд также был пионером таких новшеств, как автоматическая регулировка свечей зажигания (1907), алюминиевые поршни и смазка под давлением. Следует отметить: эти ранние рекордные истории происходят не из первичных архивов, а из музейных и мнемонических источников, поэтому их историческая точность ограничена.

Не каждая попытка удавалась. Chevrolet в 1921–1923 годах с моделью Series M Copper-Cooled пыталась вынести воздушное охлаждение в серийное производство, но отступила перед лицом инженерных проблем; было выпущено очень мало экземпляров, и проект считается неудачным.

Авиация и Beetle: Золотой век воздушного охлаждения

Победа в небе, первая тень в небе

Главной сферой престижа воздушного охлаждения была авиация. В 1921 году ВМС США из-за простоты поддержали развитие двигателей воздушного охлаждения в Pratt & Whitney и Wright Aeronautical. Представленный в 1929 году капот NACA (аэродинамический капот, охватывающий цилиндры), в значительной степени решил проблему управления потоком воздуха для двигателей воздушного охлаждения. Но в то же десятилетие прогрессировала и противоположная сторона: вода под давлением и, с 1929 года, этиленгликоль - решение, уменьшившее размер радиатора на 50% - открыло путь таким высокопроизводительным жидкостным гигантам, как Rolls-Royce Merlin и Daimler-Benz DB601.

Сердце народного автомобиля

Со стороны автомобилей же наибольший успех воздушного охлаждения пришелся на послевоенную эпоху компактной экономики. Двигатель flat-4 разработанный Фердинандом Порше для "народного автомобиля", с 1938 года стал сердцем VW Beetle затем Type 2, Karmann Ghia и Type 3; он выпускался в различных объемах до 2013 года. В послевоенной Европе тем же путем пошли Tatra, Fiat и Citroën. Citroën 2CV (1948–1990) еще больше упростил систему, подключив вентилятор непосредственно к коленчатому валу. Trabant (1957–1991), ZAZ Zaporozhets (1958–1994), Fiat 126 (1972–1987) и Citroën GS/GSA - другие примеры этого поколения.

Chevrolet Corvair: американский эксперимент с воздушным охлаждением

Среди крупных американских производителей после войны единственной маркой, попробовавшей двигатель воздушного охлаждения в серийном производстве, стал Chevrolet. Выпускавшийся в 1960–1969 годах Corvair с flat-6 двигателем считается инженерным успехом; более того, это был один из самых дорогостоящих в разработке двигателей Chevrolet. Но двигатель, размещенный сзади автомобиля, стал мишенью кампаний за безопасность потребителей и критики заднемоторной компоновки. Итог: после Corvair все двигатели General Motors стали жидкостными. Это расставание стало самым ранним признаком закрытия главного материкового рубежа воздушного охлаждения.

Porsche 911: 35-летнее сопротивление воздушного охлаждения

Самым верным выжившим воздушного охлаждения, несомненно, был Porsche. Двигатель flat-6 разработанный Хансом Мецгером и Паулем Хенслером, был введен в действие в 1964 году в первом Porsche 911 и В течение 35 лет он охлаждался большим вентилятором и рёбрами цилиндров. Это был, пожалуй, самый долгий срок преемственности в базовой архитектуре спортивного автомобиля.

Но в 1990-х баланс изменился. Правила по выбросам и шуму ужесточились; поскольку заднемоторная компоновка сводила два крупных источника шума в одну точку, законодательство фактически сделало воздушное охлаждение невозможным. В 1997 году Porsche перевела 911 на водяное охлаждение; поколение 993 стало последним 911 с воздушным охлаждением. Последний автомобиль с воздушным охлаждением был передан 30 марта 1998 года. был передан.

Этот переход открыл в лояльной аудитории марки спор, который продолжается и по сей день. Энтузиасты считают двигатели вплоть до 993 иконическими, утверждают, что воздушный мотор быстрее прогревается и даёт более механическое ощущение, а эпоху после 996 выделяют в отдельный период. С технической же точки зрения было очевидно, что реальным преимуществом были простота и малое число деталей, но с современными целями по выбросам и производительности эта архитектура больше не сочеталась.

Три технические причины, убившие двигатель с воздушным охлаждением

Выбросы и проблема холодного запуска

Это была самая определяющая причина. В двигателе с жидкостным охлаждением термостат, выводя радиатор из контура, позволяет мотору быстро достичь рабочей температуры. В двигателе с воздушным охлаждением система охлаждения всегда открыта; при холодном запуске мотор долго остаётся холодным и выделяет больше выбросов из-за частично сгоревшего топлива. При этом большая часть оставшихся выхлопных выбросов образуется именно в момент холодного запуска. Этот механизм - главное инженерное обоснование перехода на жидкостное охлаждение как у Porsche, так и в меньшей степени у VW. Высокие температуры сгорания, требуемые нормами по выбросам, воздушное охлаждение обеспечить не могло.

Горячие точки и предел детонации

Вторая проблема локальна: зона выпускного клапана и выпускного порта накапливает интенсивное тепло, которое поверхность рёбер не успевает отводить. Жидкостное охлаждение же направляет охлаждающую жидкость непосредственно в эти горячие точки, offering гораздо более эффективную конструкцию. Естественное следствие - порог сжатия: конструкции с жидкостным охлаждением менее чувствительны к качеству топлива, более толерантны к высокой степени сжатия и турбонаддуву. Именно этим объясняется физическая причина, по которой турбо-революция закрыла дверь перед двигателями с воздушным охлаждением.

Законодательство о шуме

Третья причина невидима: водяная рубашка сама по себе является шумоглушителем. Поэтому двигатель с жидкостным охлаждением от природы тише и легко соответствует стандартам многих стран, охватывающим и шум двигателя. У воздушного мотора с шумом вентилятора и металлическим резонансом рёбер шансов на этом пороге уже не было.

Действительно ли воздушное охлаждение умерло?

В автомобилях - да; в инженерии - нет. В поршневых авиационных двигателях лёгкость и простота имеют приоритет над целями производительности и выбросов, поэтому двигатели Continental и Lycoming по-прежнему имеют воздушное охлаждение; Rotax же предлагает гибридное решение, сочетающее воздушное охлаждение цилиндра с жидкостным охлаждением головки цилиндра. Последний сопротивляющийся на суше Tatra всё ещё производит грузовик T815 с воздушным охлаждением. То есть архитектура не умерла; она ушла с автомобильных дорог с тем, как там начали царить требования, делающие её излишней - точный контроль температуры, низкие выбросы, тишина. Воздушное охлаждение, как самое чистое воплощение простоты, продолжает жить лишь в тех областях, где эти требования остаются мягкими.

Источники

• Двигатель воздушного охлаждения - Wikipedia
• Почему Porsche 911 перешла на двигатель с водяным охлаждением - Porsche
• Старая школа круто: всё о двигателях воздушного охлаждения - State of Speed
• Воздушное охлаждение: проще некуда - Audrain Auto Museum
• Ранние автомобили с воздушным охлаждением: история Franklin и Holmes - Tampa Bay Automobile Museum
• Конец эпохи: последние автомобильные двигатели с воздушным охлаждением - Auto Universum
• Когда Porsche выпустила свой последний автомобиль с воздушным охлаждением? (30 марта 1998) - Automotive History
• Как работают двигатели с воздушным охлаждением и почему это больше не важно - CNET
• Почему двигатели с воздушным охлаждением больше не встречаются в большинстве автомобилей - Capital One
• Непокорный компакт: жизнь и смерть Chevrolet Corvair - Ate Up With Motor