200 градуса по Целзий: Да си спомним за ерата на въздушното охлаждане

19 Jul 2024

Преди четвърт век краят на четвъртото поколение на култовия 911 (993), произвеждан от 1993 до 1998 г., бележи края на ерата на двигателите с въздушно охлаждане на Porsche. А с Tatra T700 през 1999 г. тези мотори изчезват напълно от света на леките автомобили.

Днес те отдавна не се използват… Подобно на карбураторите, моторите с въздушно охлаждане вече са част от миналото и никога повече няма да се върнат. Двигателят с вътрешно горене продължава да има бутала, мотовилки, маслени помпи и пр.; въпреки огромната еволюция на тази топлинна машина конструктивният му принцип не се променил. Въздушното охлаждане обаче е някъде в забвението.

Щом четете тази статия, по всяка вероятност сте от онези хора, които обичат автомобила. И знаете, че един влюбен едва ли ще отговори точно на въпроса защо изпитва тези чувства. Медиците казват, че влюбените хора отделят значителни количества от хормона окситоцин и че това не подлежи на контрол. Може би контактът с автомобила също води до отделяне и на другите „хормони на щастието“ допамин и серотонин. За всеки един човек обаче тази любов има и своите специфични нюанси. За мен такъв нюанс са автомобилните двигатели с въздушно охлаждане. Не знам защо е така. Може би защото моторът с въздушно охлаждане е някакъв най-естествен израз на факта, че той – независимо дали става дума за бензинов или за дизелов – е топлинна машина. Вълнува ме начинът, по който в този тип двигател се съчетават термодинамика и аеродинамика, промишленият дизайн и прецизната изработка. Вълнува ме дори шумът, който тези машини създават в резултат от липсата на поглъщащата звука водна риза, резонанса на охлаждащите ребра и шума от вентилатора. Възхищавам се на огромния труд и сложната инженерна работа за изчисляването на целия комплекс от ребра, насочващи дефлектори, вентилатор и регулатори на потока. И всичко това – в години, когато проектирането става без помощта на компютри и с цената на много време и ресурсоемки проби и грешки. Казват, че един добре проектиран двигател с въздушно охлаждане, с всичко описано и подходящите материали е една изключително надеждна машина. Примери за това са поколенията боксерни мотори на VW и Citroen, на Fiat и NSU, Porsche, Magirus и Tatra. Апропо, Tatra – всъщност ако се върнем към началото на тази статия, ще открием едно изключение от споменатия факт за забвението. Върховен израз на най-модерната технология в областта на конструирането на двигатели с въздушно охлаждане е дизеловият V8 агрегат T3D-928 с работен обем от 12,7 л, турбопълнене, въртящ момент от 2100 Нм, мощност 440 к.с. и очистване на азотните окиси за постигането на Euro 5.

Любов от пръв поглед

Явно подобна любов още преди войната са изпитвали и конструктори като Ханс Ледвинка и Фердинанд Порше, създали двигатели за Tatra и VW, както и Пол Хенслер и Ханс Мецгер (за Porsche), които ще останат завинаги като шедьоври на инженерното майсторство. Сойчиро Хонда също е бил влюбен в двигателя с въздушно охлаждане – последният проект на екипа на великия конструктор и мениджър е моделът 1300, върховен израз на технологиите за времето си, който не използва класическите охлаждащи ребра, а преплетена структура от заоблени къси ребра, които не резонират. Фактът, че двигателят прави автомобила по-скъп, отколкото се продава, го превръща в една от най-екзотичните машини на нашето съвремие. По-трагична е съдбата на магнезиевия 3.0 V8 двигател с въздушно охлаждане Honda RA302 за Формула 1 с атмосферно пълнене, който избухва в пламъци заедно с горивото (магнезият и сплавите му са леснозапалими материали) и погубва Жо Шлесер през 1968 г.

 

За разлика от японците, Porsche се справя успешно с предизвикателствата при осемцилиндровия боксерен мотор Type 753 с работен обем от едва 1,5 литра за модела 804 от Формула 1 от 1962 г., който постига мощност от 185 к.с. при 9200 об./мин. Разбира се, не бива да се пропускат и феноменалните V12 машини с ъгъл между редовете от 180 градуса (да не се бърка с боксер), които във версия с атмосферно пълнене осигуряват на Porsche 917 (4,5; 4,9 и 5,0 литра) куп награди и победа в Льо Ман през 1970 и 1971 година, а в Can-Am версиите с турбокомпресор достигат мощност от 1100 к.с. – феноменално за началото на 70-те години. Този двигател (Type 912) и до днес остава истински екзотичен инженерен шедьовър. За да се намали осевото усукване на коляновия вал, отводът за задвижване на клапаните става в средата на двигателя. Всеки цилиндър има своя алуминиева глава, долната част на блок-картера е от алуминиево-магнезиева сплав, а капаците на двата разпределителни вала на всеки ред са магнезиеви. Самите цилиндри са от алуминиеви сплави с покритие Nikasil. Забележете – мотовилките, буталните болтове, валовете за генератора и за вентилатора са от титан – всичко в името на по-ниското тегло. Компонентите, свързани с подвеждането на въздуха, като кожуси, перка и дефлектори, са от фибростъкло. Нуждата от смазване и охлаждане в тези машини се задоволява от система със сух картер и нито повече, нито по-малко от седем маслени помпи и 30 литра масло. Специално място в алеята на славата има и прочутият 959 с въздушно охлаждане на цилиндрите, водно на главите и охлаждане на маслото, каквито в различни разновидности имат и спортните модели от Group C 956 и 962. Последният факт идва, за да ни напомни, че в повечето случаи двигателите с въздушно охлаждане разчитат в голяма степен и на охлаждането на маслото – и това е важен фактор за работата им в нормални температурни режими.

200 градуса по Целзий

Подобно на Porsche, и други от споменатите компании дълго отстояваха кредото си на конструктори и производители на двигатели с въздушно охлаждане. Но в края на краищата и двигателят с водно охлаждане има нужда от въздух, за да охлади водата. Интересен факт, е че за да се поддържа температура на стените на цилиндрите от 180-200 градуса (оптимална по отношение на нуждите на горивния процес и термичната устойчивост на използваните материали за главата, където е най-високата температура), двигателят с водно охлаждане има температура на охлаждащия агент на двигателя около 80 градуса, а този с въздушно – 180 градуса. При външна температура 0 градуса това означава температурна разлика от съответно 80 и 180 градуса. При външна температура 40 градуса разликата обаче става съответно 40 и 140 градуса. Така отвеждането на топлина в първия случай се намалява с 50 процента, а във втория с 22 процента. При въздушното охлаждане все още има достатъчно голяма температурна разлика, поради което тези двигатели имаха предимства както в сурова зима (поради липсата на водна риза и възможността за по-бързо достигане на работна температура), така и в горещ климат.

С нарастването на мощността обаче двигателите, особено бензиновите, започнаха да отделят по-големи количества топлина, за което въздушното охлаждане вече би изисквало много по-големи вентилатори и площ на ребрата – пример за това е огромният вентилатор на двигателя на 917, който има капацитет от 148 м3 на минута. Един модерен двигател с работен обем 1,6 литра генерира между 160 и 200 к.с., докато двигателят на VW 1600L от 1970 г. е с мощност само 54 к.с. Увеличените изисквания към охлаждането не са проблем при течностните системи, тъй като циркулиращият поток и радиаторът могат лесно да се увеличат, мощен електрически вентилатор да увеличи няколкократно охлаждащия поток, а двуконтурните охлаждащи кръгове с отделен поток за цилиндровия блок и главата и интегрираните изпускателни колектори позволяват много по-бързо загряване на мотора. Много от тях вече разполагат с топлообменници между маслото и водата, които балансират разликите в температурата. Мощните варианти на моделите на Porsche са една друга тема, за която ще ви разкажем скоро.

Въздух и масло в симбиоза

Двигателите с въздушно охлаждане са силно уязвими от хардуера на охладителната система. Теч на масло по ребрата или разхлабени кожуси за насочване, както и по-обеднена смес, могат да доведат до прегряване. В името на по-доброто охлаждане те работят с леко обогатени смеси , а това повишава нивата на CO и HC. За разлика от „водните“ двигатели „въздушните“ обаче не се загряват повече при работа на празен ход, защото не зависят от насрещния поток на въздуха – поради което много от тях са били поставяни спокойно в задната част на автомобила, за да се опрости задвижването. Затова пък по-високото ниво на маслото (например в двигателите на VW) може да доведе до намаляване на възможността за „дренирането“ му в картера заради запушване на отвеждащите канали, в резултат от което се стига до повишаване на температурата на маслото, а това както и споменатите фактори, води до много бързо общо прегряване. Отоплението също в голяма степен зависи от натоварването на двигателя, защото липсва течността като топлинен буфер – двигателят се нагрява (и изстива) по-неравномерно в зависимост от натоварването, с по-големи температурни амплитуди, а това води до увеличаване на азотните окиси и необходимост от по-големи работни хлабини. Оборотите на вентилатора с изключение на някои по сложни системи зависят от оборотите на двигателя, а генерираната топлина не зависи само от това. В повечето случаи двигателите с въздушно охлаждане са по-шумни, макар че и това не винаги е правило – пример за последното са машините Deutz на Klöckner-Humboldt-Deutz AG и особено на Tatra (613). Твърденията че двигателят с въздушно охлаждане не е зависим от насрещния поток също се оказват не съвсем верни на практика – пример за това е боксерната четирилициндрова машина на VW, преминала през много еволюционни стъпала. Когато най-после я монтират за последно в бразилския VW Gol и за първи път в предната част на автомобила, се оказва, че тя може да се охлажда от по-малък вентилатор и напълно да се лиши от маслен радиатор. Както споменахме, флуктуациите в температурата пък водят до по-високи нива на емисии на CO, HC и NOx, в зависимост от това дали цилиндрите са по-нагрети.

Всички споменати причини – нарасналите изисквания за по-тиха работа и по-ниски емисии, подобряване на ефективността както и допълнителните източници на топлина, като климатичната система, турбокомпресорите и електрическите компоненти при хибридите (което би изисквало и увеличаването на размера на охлаждащите ребра и вентилатора, респективно на обема на мотора особено при четириклапанните глави), са все пирони в ковчега на двигателя с въздушно охлаждане.

Малко статистика

Апогеят на въздушното охлаждане е през 50-те и 60-те години, когато са създадени по-съвършени двигатели, но при някои производители те се произвеждат до 2000 г. Интересен факт е че в Австрия Steyr-Puch произвежда лицензна версия на Fiat 500 с боксерен двигател. През 1959 г., изумен от успеха на VW Beetle, Chevrolet представя своя Corvair с шестцилиндров боксер. За разлика от него NSU 1000 с четирицилиндров редови мотор се оказва доста успешен. Най-култови от всички си остават Porsche 356 (1948) и 911 (1963). Шестцилиндровият боксер на 911 е с отделни алуминиеви глави, чугунени цилиндрови втулки и охлаждане на буталата с маслена струя – философия, наследена още от доайена, на чието име е кръстена фирмата. Преди да се сдобие с впръскване на горивото, двигателят на 911 е оборудван със специални карбуратори, които дори при динамично шофиране гарантират хомогенна смес – както по-рано споменахме, обедняването на сместа може бързо на доведе до прегряване на мотора. Поетапно работният обем на двигателя ще нараства от 2,0 до 3,6 литра, освен атмосферните ще се появят и турбоверсии, за да се достигне апогеят в четвъртото поколение на 911 (993), произвеждано до 1998 г. – забележете, един от най-чистите по отношение на емисиите автомобили за времето си.

Познавачите на двигателите на VW могат подробно да ви разкажат кой на кой двигател е еволюция и кой е нов, но е факт, че архитектурата на четирицилиндров боксер с централно разположен разпределителен вал и повдигателни пръти не се променя. Дори при 1,7-литровия мотор на 411 със система за впръскване D- и L-Jetronic това конструктивно решение се запазва, макар че се променят материалите и маслената система. Двигателите на ЗАЗ 965 (уникален с факта, че вентилаторът изсмуква, а не нагнетява въздуха) и 968 също имат задоволително ниво на надеждност, стига да бъдат добре обслужвани.

Един от последните автомобили, оборудвани със създаден от чист лист хартия двигател с въздушно охлаждане, е Citroen GS, който става автомобил на годината за 1971-ва. Да, същият този модел, при който французите експериментират с роторен двигател. За разлика от далечния си предшественик 2CV, той обаче е с четири цилиндъра, първоначално с 1,0, а след това и с 1,2 литра работен обем. Главите и долната части на блок-картера са алуминиеви, цилиндрите чугунени, а вентилаторът е монтиран директно на предната част на коляновия вал. Компактната конструкция на двигателя на GS с хидропневматично окачване позволява поставянето на резервната гума над него.

• Tweet
• Pin it
• Share