Преди повече от двайсет години 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 в двигателите в вътрешно горене, но за това пък не са рядкост при батериите и електромоторите. 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 това, 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 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. 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 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.

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 (при който 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.

Източник: AMS.bg