Модульные двигатели: технология в угоду маркетологам или взгляд в будущее моторостроения? - «Автоновости»

Модуль — это автономный элемент конструкции. По-разному комбинируя модули, автопроизводители выпускают узлы для совершенно разных продуктов. Новая версия создается из уже готовых решений. Это экономит деньги и время на разработку. Активное использование потенциала модульных конструкций в автоиндустрии началось с платформ. Drom.ru уже писал о «тележках» ранее. Сегодня мы расскажем о модульных двигателях — еще одном веянии современного автомобилестроения.

Как все зарождалось — прародители модульных моторов

Казалось бы, термин «модульные моторы» оказался в обиходе недавно. Но еще 30 лет назад — в 1989 году — в Volvo впервые рискнули подойти к вопросу создания линейки двигателей комплексно. Прародителями стали созданные в 60-х годах прошлого столетия моторы B18, B20, B30 разного объема. Эти агрегаты, которые устанавливались на серийные модели (B18 — Volvo Amazon, P210, P1800), отличались от остальных едиными внутренними параметрами: взаимозаменяемыми клапанами, поршнями и шатунами.

Сегодня подход каждого производителя к созданию семейства модульных агрегатов индивидуален. Тотальная «двухлитровая» экспансия Volvo, два направления развития двигателей BMW, находящийся в поиске оптимального решения Jaguar/Land Rover и сделавший смелый шаг вперед Mercedes-Benz. Но идея одна — сделать запуск новых модификаций быстрее и дешевле.

Модуль представляет собой базовый набор унифицированных деталей: блок и головку блока цилиндров, кривошипно-шатунный механизм, цилиндро-поршневую группу. Это самые дорогие в разработке и производстве элементы конструкции. Исходя из задач, дооснащая готовую базу дополнительными системами, можно получать новые модификации: смещать акцент в пользу ресурса или отдачи. Это вопрос тонких настроек.

На наших глазах развивается показательная ситуация: ЗМЗ и УМЗ разрабатывают новые двигатели, но почему-то делают это по отдельности. У ЗМЗ рынком востребовано не более 40 000 единиц, у УМЗ — 60 000. Такой серийности недостаточно для того, чтобы сделать рентабельным применение современных и дорогих технологий в виде непосредственного впрыска или управляемого наддува. Для их внедрения нужно обновлять оснастку завода и всей цепочки поставщиков. При малом тираже это бессмысленно. Однако если ЗМЗ и УМЗ объединят усилия и пойдут по пути модульной конструкции, совокупный тираж уже составит 100 000 единиц. А если создать крепкую базу модульного двигателя в России для смежных областей: навесные лодочные моторы, моторы для катеров, легкой авиации и банальных электрогенераторов, тираж может увеличиться многократно, а затраты на производство во много раз снизятся. Это позволит дать российской промышленности современный мотор за разумные деньги.

Кстати, координационный совет при Минпромторге России разработал стратегию развития поршневого двигателестроения. Суть этого документа заключается как раз в создании унифицированных семейств современных двигателей. Главный вопрос: будет ли реализована эта идея на практике, а главная проблема — доступное финансирование...

Модульные моторы Volvo — с 90-х годов до наших дней

Идея создания унифицированных частей, подходящих к разным агрегатам, вылилась в эксперименты в 70-е годы, однако по неизвестным причинам те прототипы моторов Volvo в серию не пошли. Дебют первого представителя модульной линейки пришелся на 1990 год: рядным 6-цилиндровым мотором B6304F с архитектурой нового образца оснащался Volvo 960. Через год — летом 1991 года — представили переднеприводный Volvo 850, под капотом которого инженеры (впервые в такой конфигурации) разместили поперечно рядный 5-цилиндровый мотор объемом 2,5 литра.

После выхода Volvo из империи Ford шведы поставили амбициозную цель — использовать в своих машинах только моторы собственной разработки. Решением стали мощные модульные «четверки» Drive-E, которые компания представила в 2013 году. Новые модульные моторы были призваны заменить 5- и 6-цилиндровые агрегаты, а также двигатель Yamaha V8 (устанавливали на S80 и XC90).

В 2014 году Volvo анонсировала аналогичные трехцилиндровые агрегаты, дополняющие модельный ряд. При этом шведский производитель не отказался от привычных наименований моторов, проявив хитрость: так «четверки» из семейства — в зависимости от мощности и системы наддува — по-прежнему имеют привычные обозначения Т6 (306/320 л.с.), Т5 (245 л.с.), Т4 (190 л.с.), D5 (225 л.с.) и D4 (181/190 л.с.).

Сегодня курс на модульные моторы захватил и флагманы марки. Полноразмерный кроссовер XC90 и седан S90 — оба безальтернативно оснащаются модульными моторами объемом 1969 см³. Малый расход топлива, экологичность, компактность, небольшая масса — все достоинства даунсайзинга.

При этом с диапазоном мощностей полный порядок — от 190 л.с. (на XC90) в самой слабой дизельной конфигурации до более чем 300 л.с. в бензиновом исполнении с турбокомпрессором и приводным нагнетателем. Гибридная версия Volvo XC60 и вовсе перешагивает за отметку в 400 лошадиных сил. Проблемой для потребителя является лишь потенциально низкий ресурс. Но о надежности (как, впрочем, и о ненадежности) новой линейки двигателей говорить пока рано.

Модульные моторы для потребителя: подводные камни и недостатки новой технологии

Если все производители массовых автомобилей возьмут на вооружение модульную технологию с удельным объемом каждого цилиндра в 450–500 см³ (считается, что именно такой объем обеспечивает максимальный термодинамический КПД), то для обывателя очевидно снизится диапазон выбора двигателей по объему. Уйдут в прошлое 1100см³, 1400 см³, 2400 см³ и другие агрегаты с «некратными» объемами.

Вопрос о надежности подобных силовых агрегатов остается открытым, но уже понятно, что ремонтопригодность — однозначно не самая сильная черта модульных двигателей. Без специального оборудования сертифицированного сервиса дальше крышки мотора не добраться, что вынуждает более ответственно подходить к обслуживанию и… почти забыть про тюнинг. Запас по характеристикам ничтожен, а конфигурация подчас настолько компактна, что некоторые узлы объединены друг с другом: так, на модульном моторе BMW B58 интеркулер составляет единое целое с впускным коллектором.

Модульные двигатели BMW — два пути развития линейки моторов баварского концерна

В BMW приняли отличную от Volvo концепцию. Немецкий концерн, проектируя семейство модульных моторов, пошел менее радикальным путем и начал внедрять модульные моторы осторожно и избирательно. Модульные агрегаты дебютировали сначала на футуристичном гибридном BMW i8 и моделях Mini. После удачного запуска в 2013 году двигатели с литерой B (в классификации моторов BMW именно первая буква B перед наименованием мотора означает модульную технологию) продолжили экспансию по модельному ряду компании.

BMW и три цилиндра

Кроме моделей линейки Mini и вышеупомянутого i8, моторы семейства B38 устанавливали на обновленный хэтчбек 1-series (116i, 118i), BMW 2-series (218i), 3-series (318i), кроссовер X1 (sDrive18i). По аналогии с B38 сконструирован и применяется дизельный двигатель B37: единый 500-кубовый цилиндр в основе, три цилиндра в ряд и два варианта отдачи — 95 л.с. и 116 л.с.

Первым стал двигатель B38 — 3-цилиндровый бензиновый мотор с выдающимися для своих габаритов и конфигурации характеристиками. Степень сжатия достигает 11:1, объем каждого цилиндра — от 400–500 см³, мощность — от 75 до 231 л.с., крутящий момент — от 150 до 320 Нм, соответствие экологическому стандарту Euro VI. Всего этого удалось добиться благодаря двойному турбокомпрессору twin-scroll, непосредственному впрыску топлива и механизму изменения фаз газораспределения. За виброкомфорт отвечает балансировочный вал и специальный демпфер, гасящий вибрации.

BMW и четыре цилиндра

4-цилиндровые представители семейства с рабочим объемом в 2,0 литра именуются B48 (бензин) и B47 (дизель). В упрощенном варианте они представляют собой B38/B37 с «надстроенным» в ряд цилиндром. Эти двигатели сохраняют достоинства младших агрегатов в части технических характеристик и габаритов. Причем оба неприхотливы к компоновке — допускается как продольная, так и поперечная установка. Мощностные показатели за счет изменения программного обеспечения, давления наддува и иных хитростей варьируются от 184 л.с. до 258 л.с. и от 290 Нм до 400 Нм на бензиновых моторах; от 116 л.с. до 231 л.с. и от 270 Нм до 450 Нм — на дизелях. Моторы с четырьмя цилиндрами устанавливаются практически на весь модельный ряд баварского автопроизводителя, начиная от BMW 1-series, включая полноразмерные внедорожники BMW X5/X6 (для европейского рынка) и заканчивая BMW 7-series.

BMW и шесть цилиндров

6-цилиндровое семейство агрегатов именуется B58 (бензин) и B57 (турбодизель). Эти 3,0-литровые двигатели — самые современные и энерговооруженные в гамме. Диапазон мощностей бензинового B58 (кстати, лучшего мотора 2017 года по версии автожурнала WardsAuto) производит впечатление — минимальная отдача составляет 326 л.с. при 450 Нм, а в максимальной конфигурации мотор выдает 360 л.с. и 500 Нм момента. Неудивительно, что с такими показателями двигатель появился под капотом нового BMW Z4!

Созданием семейства моторов B58/B57 в BMW закрыли очень большую нишу — теперь похвастаться немодульной конструкцией могут лишь избранные агрегаты «заряженных» М-версий и некоторых флагманских моделей. Кроме того, создание и запуск в серию самого мощного 6-цилиндрового дизеля в мире (B57S) с четырьмя (!) турбинами (доступен при заказе BMW 750d (G11/G12), с отдачей в 400 л.с./760 Нм) прозрачно намекает: отныне и M550d будет оснащаться модульным мотором, а там и до модульной M5 рукой подать! Конечно, в ближайшем будущем баварский концерн не покусится на «святое», а значит, нас ждет интересное параллельное развитие двух направлений двигателестроения — по модульному принципу для массового сегмента и по классическому для моделей M-линейки и флагманских седанов.

Модульные моторы НАМИ

Оседлать перспективную технологию создания семейства модульных двигателей хотят и в отечественном НАМИ. Правда, в отличие от мировых производителей, которые двигались от малолитражных двигателей с небольшим количеством цилиндров к мощным агрегатам, путем усложнения конструкции в НАМИ взяли за основу… могучий V12 проекта «Кортеж». В теоретических выкладках (семейство моторов «помладше» пока не реализовано даже в виде прототипов) предполагается создание рядных 4-, 3-, 2- и даже одноцилиндрового мотора. Самые миниатюрные моторчики по замыслу будут использоваться в садовой технике и мотоциклах: расчетная мощность 550-кубового агрегата — 41 л.с. Атмосферная «двойка» будет выдавать уже 76 л.с. при объеме 1,1 л, «турботройка» (1,65 л) сможет развивать до 181 л.с. Самым же близким к конвейеру двигателем видится рядный 4-цилиндровый 2,2-литровый турбомотор. Первый опытный двигатель должен быть готов в 2018 году.

Модульные моторы Ingenium от Jaguar/Land Rover

По аналогии с Volvo, после расставания с Ford в концерне Jaguar/Land Rover задумались над новой линейкой силовых агрегатов. Индийский инвестор Tata Motors выразил готовность вложиться в новое производство двигателей практически сразу после покупки компании в 2008 году, однако процесс разработки новой линейки моторов начался лишь в 2011-м. Ставку сделали на модульную конструкцию, и осенью 2014 года первый двигатель, разработанный с нуля — дизельный 2,0-литровый Ingenium дебютировал на Парижском автосалоне. За основу был взят «эталонный» 500-кубовый цилиндр, а минимальная заявленная конфигурация турбомотора включала четыре цилиндра, расположенных в ряд.

JLR начал с дизеля

Дебютный дизельный двигатель Ingenium изначально предлагался в двух вариантах исполнения — мощностью в 163 л.с. (380 Нм) и 180 л.с. (430 Нм). Первым носителем агрегата стал компактный седан Jaguar XE. Сегодня дизель можно сконфигурировать с двойным турбонаддувом, в таком исполнении мощность достигнет 240 л.с. (500 Нм). Гордостью моторостроителей является мизерный заявленный расход топлива (немногим более 4 л/100км в смешанном цикле), экологическая чистота дизеля, малая масса (на 80 кг легче предшественника). И все это не в ущерб динамическим характеристикам!

Бензиновый — через три года

Модульный бензиновый агрегат на 70% унифицирован с дизелем. Те же 2,0 литра и четыре цилиндра в ряд, та же вариативность в характеристиках. Несмотря на это он появился в конфигураторе Jaguar/Land Rover только в 2017 году. На разных автомобилях мотор выдает мощность в диапазоне от 200 л.с. до 290 л.с. Помимо седанов Jaguar XE и XF, кроссоверов F-pace и E-pace модульными двигателями оснащаются «младшие» модели Land Rover — Range Rover Evoque и Discovery Sport.

Модульные моторы Land Rover и Jaguar будут развиваться и дальше. Пока Ford продолжает поставку V6 и V8 британскому концерну (контракт действует до 2020 года), но со временем их заменят на V6 собственной разработки семейства Ingenium. С такой философией и ресурсами эта задача решаема.

По турбине на каждый цилиндр — взгляд в будущее моторостроения или нереализуемая фантазия?

Джим Кларк — авторитетный моторист, получивший за свои изобретения в области двигателестроения 27 патентов, соавтор культовой серии моторов Ford V6 Duratec и их производных — запатентовал очередное изобретение, на которое в свете развития модульных технологий стоит взглянуть по-новому.

Суть инновации Кларка — в создании мотора с отдельной турбиной на каждый цилиндр. В теории такая схема позволяет уменьшить потери энергии выхлопных газов и повысить эффективность установки, уменьшив турбояму. Кроме того, Кларк предлагает установить на каждый цилиндр собственные дроссельные заслонки. Конечно, пока выгоды такого сложного и неординарного решения меркнут на фоне уменьшения надежности и ремонтопригодности двигателя, однако производители давно не стремятся выпускать «миллионники» и отнюдь не горят желанием сделать свое детище удобным для ремонта или тюнинга в сторонних фирмах.

Взгляд из Штутгарта — дебют модульных агрегатов на массовых моделях Mercedes-Benz

В Mercedes-Benz позже конкурентов продемонстрировали свое видение модульной концепции, зато дебютировал двигатель сразу на E-klasse — основном локомотиве модельного ряда Mercedes-Benz! Основные постулаты схожи с общемировыми трендами — объем в 500 см³ для каждого цилиндра, единая архитектура для бензинового и дизельного агрегата, торжество наддува и рядная компоновка. Но в Mercedes-Benz точно решили не выпускать 3- и 5-цилиндровых двигателей. Такие моторы не устраивают мерседесовцев по вибронагруженности.

Турбодизельные модульные моторы Mercedes-Benz

Первым мотором семейства стал 2,0-литровый дизель OM654, а его первым носителем — Mercedes-Benz E220d в новом кузове W213. На данный момент доступно две конфигурации: 150 л.с. (360 Нм) на Е200d и 194 л.с. (400 Нм) на E220d.

Флагман дизельных агрегатов Mercedes-Benz — модульный 6-цилиндровый OM656. Двухступенчатый наддув и впервые примененная на дизелях фирменная система изменения фаз газораспределения Camtronic позволили получить отдачу в 313 л.с. и 650 Нм, что на 20% больше предшественника V6 OM642. Именно этот двигатель будут в скором времени устанавливать на внедорожники и седаны. Позже появятся и менее мощные модификации.

Модульные 6-цилиндровые двигатели Mercedes-Benz

Модульные 6-цилиндровые двигатели дебютировали и вовсе на обновленном S-klasse — флагмане штутгартского концерна. В отличие от конкурентов, осторожно тестирующих новинку на моделях младших серий (и даже марок), в Mercedes-Benz уверены в своих технических решениях настолько, что запускают новую идею на флагмане.

Бензиновый представитель семейства «шестерок» — M256 впитал в себя самые передовые технологии моторостроения. Борьба за эластичность ведется в несколько этапов: благодаря внедрению 48-вольтного мотора-генератора на 10–15 КВт двигатель получает тягу уже с холостых оборотов, затем, в диапазоне от 1000 об/мин, подключается электрокомпрессор, а после 2000–3000 об/мин начинает работать классический турбонагнетатель twin-scroll. В итоге эффект турбоямы сведен к минимуму. По характеристикам рядная «шестерка» сравнима с двигателями V8 (например, с V8 M278) и выдает более 400 л.с. и 500 Нм крутящего момента, но при этом на 15% экономичнее!

Рост конкуренции и объемов производства вынуждает автопроизводителей снижать издержки и объединяться друг с другом. Модульные платформы, модульные моторы, производственные альянсы — звенья одной цепи в стремлении создавать конкурентоспособный продукт при минимальных затратах. Массовый автомобиль — давно продукт компромиссов, и пока технология модульных двигателей может похвастать привлекательными для производителя характеристиками, число приверженцев такой концепции среди производителей будет только расти.