Масложор. О повышенном расходе масла на турбомоторах Audi/VW

Почему совсем еще не старый мотор именитой фирмы вдруг начинает пожирать масло? Это система или случайность? В проблеме, при участии Александра Михайловича Пахомова разбираются Александр Шабанов и Михаил Колодочкин.

Повышенный расход масла некоторых современных моторов или «масложор», как это часто называют, одна из самых обсуждаемых тем на интернет-форумах. И это не пустой трёп. Например, на некоторых фольксвагеновских двигателях TFSI (ЕА888) выпуска 2009-2012 годов наиболее распространенных типов (1.8T и 2.0T) при пробеге от 60 тысяч до 120 тысяч километров начинает резко расти расход масла на угар — до литра-полутора на тысячу километров.

«Расход масла больше 200 мл на тысячу уже должен насторожить, хотя это еще не повод для паники»

Мы расскажем о турбомоторе 1.8T, который отличался совсем уж неприличным расходом: 400 мл масла на 100 км. Не на тысячу километров, а на сто! И это не единичный случай.



Фото 1: Все поршневые канавки и маслосъемные кольца забиты отложениями. Такие кольца уже не могут работать нормально. (Автор фото: "За рулем", zr.ru)

Вскрытие показало

Дефектовка мотора выявила два критических, на наш взгляд, обстоятельства.

Первое: маслосъемное кольцо полностью забито черными отложениями непонятной природы. Такие же отложения наблюдались и на втором уплотнительном кольце. Они присутствовали как на внешней стороне кольца, прилегающей к цилиндру, так и на внутренней, где расположена пружина расширителя. Ее витки практически спеклись из-за этой грязи, а поэтому расширитель был в нерабочем состоянии. Забавно, что на чугуне корпуса кольца отпечатались витки пружины расширителя. Обычно такого не бывает, поскольку пружина перемещается относительно канавки поршня. Эти отпечатки явно говорят о том, что кольцо неподвижно. А значит, не работает.

Второе: пружинка расширителя маслосъемного кольца, которая должна обеспечивать его прижатие к стенкам цилиндра, заметно потеряла свою упругость. Такое бывает в случае ее перегрева. Деталь эта термофиксирована, то есть упругость свою получает в процессе соответствующей термообработки. Ее перегрев свыше температуры термофиксации приводит к так называемому отпуску пружины, то есть к потере упругости.

Рассуждаем дальше. В исправном двигателе при движении поршня вверх-вниз кольца также периодически перемещаются от нижнего торца канавки к верхнему. Это называют перекладкой кольца. Момент перекладки определяется направлением движения поршня и действующим на кольце перепадом давления. А вот если сам зазор на канавке полностью заполнен маслом, то при перекладке кольца от верхнего торца к нижнему часть масла перекачивается наверх в камеру сгорания (так называемый насосный эффект).

При нормальной работе колец в канавках наблюдаются лишь следы масла. Масляная пленка сидит на стенке цилиндра — насосный эффект не проявляется. Но если отсутствует дренаж, кольца начинают качать масло в цилиндр. Тут как раз тот случай: крошечные дренажные отверстия забиты грязью.

Застой масла в канавках при отсутствии дренажа и повышенных температурах приводит к ускоренному старению и разложению масла — так и рождаются те самые черные отложения, которые мы наблюдали при вскрытии мотора.

Еще одна возможная причина резкого увеличения угара масла — нерабочая пружина расширителя маслосъемного кольца. Это кольцо — важнейший элемент системы уплотнения камеры сгорания поршневого двигателя. Его задача — регулировать раздачу масла в зоне компрессионных колец, принимающих на себя основную газовую нагрузку.



Фото 2: Камера сгорания двигателя покрыта толстым слоем отложений – это следы сгорания масла в цилиндрах. (Автор фото: "За рулем", zr.ru)

Если это регулирование (то есть маслоограничение) перестает работать, то толщина масляного слоя, оставляемого первым поршневым кольцом на стенках цилиндра, резко растет. С ним возрастает и расход масла на угар.

Ошибка или плата за экологию?

В чем причина такого расхода масла? И что это — конструктивная особенность мотора или случайность?

Когда вскрываешь такой мотор в глаза сразу бросаются миниатюрные поршни (Фото 4). Это современная тенденция в проектировании высокооборотных двигателей: конструкторы стараются максимально облегчить поршень — чтобы снизить инерционные нагрузки на шатун и коленчатый вал, а также уменьшить силу прижатия поршня к стенкам цилиндра. Всё это способствует уменьшению потерь на трение в двигателе, приводя к росту его механического и эффективного коэффициентов полезного действия. Цель — снижение расхода топлива и, что особенно важно, содержания двуокиси углерода СО2 в отработавших газах.

В итоге поршень получается «коротким». Если раньше принималось, что высота поршня должна быть не меньше диаметра цилиндра, то теперь от этого правила отошли. Более того, сейчас используется Т-образная конструкция поршня, при которой опорная часть боковой поверхности максимально уменьшится — остаются только сегменты боковой поверхности тронка (юбки) в плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца. Это тоже снижает потери на трение. Но и негатив от уменьшения размера поршня очевиден. При росте нагрузок в форсированном моторе меньшее количество воспринимающего их железа работает в более жестких условиях. Температура поршня растет, напряжение в нем — тоже. Следствие — снижение ресурса и надежности. И, как частный случай, возможность перегрева поршневой группы.



Фото 3: Чугунная вставка выше и ниже канавки под первое уплотнительное кольцо повышает ресурс поршня, но ухудшает теплоотвод. (Автор фото: "За рулем", zr.ru)

Это еще не всё. Чтобы снизить температуру поршня, его охлаждают струей масла из форсунок, врезанных в главную масляную магистраль двигателя. В рассматриваемых моторах эти форсунки имеют клапаны, открываемые при давлении, превышающем 0,18 МПа (в новых вариантах 0,25МПа). Так сделано потому, что при открытии форсунок давление масла в магистрали падает, а это может обделить смазкой часть подшипников. Но давление масла зависит от двух параметров — температуры масла в двигателе (чем она выше, тем ниже давление) и частоты вращения коленчатого вала. Это означает, что в самых неблагоприятных режимах работы двигателя — при высокой температуре окружающего воздуха, низких оборотах и высокой нагрузке — поршни не охлаждаются! Ведь форсунки при низком давлении закрыты!

Короче говоря, мотор запросто можно убить, если жарким летним днем загрузить автомобиль под завязку и тащиться на высокой передаче в затяжной подъем.

Еще одна особенность этого фольксвагеновского мотора — размеры поршневых колец. Они непривычно узкие. Вдобавок высота первого кольца — всего 1,0 мм, второго — 1,2 мм, маслосъемного — 1,5 мм! Вот это кажется совсем странным — ведь ни в наших ГОСТах, ни в немецких DIN, ни даже в каталогах поршневых колец ведущих фирм мы не нашли колец высотой 1,0 мм при диаметре цилиндра 82,5 мм; выходит это некий специальный заказ.

Чем это грозит? У кольца с такими размерами снижается механическая прочность. Это особенно существенно для коробочки маслосъемного кольца. Чтобы компенсировать снижение прочности, производитель колец пошел на уменьшение и без того маленьких дренажных отверстий в нем. Отсюда — повышенный риск их закоксовывания и полной потери дренажа.



Фото 4: Так поршни делались раньше (B), а так – сейчас (A). Облегчение конструкции коснулось буквально всего – отсюда минимальная высота и ликвидация металла по максимуму. А ведь нагрузки на этот поршень, в сравнении со старым, раза в два выше! (Автор фото: "За рулем", zr.ru)

Еще один важный аспект. Поршневое кольцо для нормальной работы должно поджиматься к стенке цилиндра — иначе нет уплотнения. Прижатие кольца осуществляется давлением газовых сил, которое достаточно только на тактах сжатия и расширения, то есть менее чем на половине продолжительности рабочего цикла. В остальное же время работает усилие собственной упругости. Но чем меньше размер кольца, тем меньшее давление на стенку цилиндра оно способно создать. А это параметр, закрепленный в нормативных документах: от него многое зависит. Кстати, есть такое явление, как флаттер поршневого кольца: некий колебательный процесс, при котором кольцо работает неустойчиво, не уплотняет «по газу» и гонит масло вверх. Так вот, пониженное радиальное давление — один из факторов, который способствует возникновению этого самого флаттера.



Комментарий к графику: Так изменяется толщина масляной пленки, оставляемой на стенках цилиндров первыми поршневыми кольцами при движении поршней вниз. Чем толще этот слой, тем больше угар масла в цилиндрах. Отсутствие дренажа и нерабочее состояние маслосъемного кольца приводят к резкому увеличению толщины этого слоя — расход масла начинает приближаться к расходу топлива, сизый дым из выпускной трубы предупреждает о беде.

Но и это еще не всё. Вместо обычного первого уплотнительного кольца мы увидели так называемое торсионное, имеющее хитрую выборку на внутренней поверхности. Такая фаска создает различный момент сопротивления в разных сечения кольца, а это приводит к его «скручиванию», что повышает локальное удельное давление на стенку цилиндра. Но ведь даже в теории так не поступают! Установка торсионных колец в качестве первых в свое время считалась недопустимой по причине их негативного влияния на скорость износа первой поршневой канавки. «Перекошенное» кольцо создает повышенное контактное давление не только на поверхность прочного стального или чугунного цилиндра, но и на канавку в поршне — мягкую и податливую, ведь поршень выполнен из алюминиевого сплава и к тому же сильно нагрет. Смотрим внимательно на поршень разобранного двигателя. Ага, всё правильно: для компенсации этого негатива первая канавка нарезана в специальной чугунной износостойкой вставке (Фото 3). Но такая вставка, защищая от износа, нарушает нормальное охлаждение поршня — ведь теплопроводность чугуна впятеро меньше, чем у алюминиевого сплава поршня, и такая вставка мешает протеканию теплового потока. Вот и дополнительный путь к перегреву как поршня, так и маслосъемного кольца.



Фото 5: В поршне больного двигателя оказалось лишь четыре дренажных отверстия – по два на сторону. Не мало ли? Застой масла из-за недостаточного дренажа плюс его перегрев дают те самые отложения, которые в итоге убивают поршень. (Автор фото: "За рулем", zr.ru)

И, наконец, еще одно «открытие». Обычно для отвода масла из зоны работы маслосъемного кольца в поршне сверлят специальные сквозные отверстия. Но и тут нас ожидала неожиданность. Мало того, что дренажные отверстия крошечные, — их оказалось всего четыре (Фото 5)! У поршней аналогичных двигателей их, как правило, не меньше восьми (Фото 6). А когда-то вместо отверстий для дренажа вообще делались прорези-окна. Не лучшее решение с точки зрения прочности поршня, зато дренаж всегда работал.



Фото 6: Та же фирма, та же размерность – но всё вернулось на круги своя. Это – из новых вариантов, рекомендованных к установке согласно извещению концерна Volkswagen. (Автор фото: "За рулем", zr.ru)

Малое количество отверстий вкупе с их миниатюрностью ухудшает отвод масла, а это со временем приводит к закоксовыванию — аналогично с дренажем в самом маслосъемном кольце. А чем кончается работа при отсутствии дренажа, мы поведали в начале статьи.

Зачем это сделано? Скорее всего, для уменьшения напряжений в зоне канавки под маслосъемное кольцо. Понятно, что каждое отверстие является концентратором напряжений, а они там и так высоки. Убрав половину дренажных отверстий, избавились от половины концентраторов - поршню стало легче. Но ничто не дается бесплатно — в итоге получили то, что получили.

Зачем?

Почему же конструкторы создали поршневую группу, основные решения которой противоречат устоявшейся практике проектирования двигателей? Мы можем лишь предполагать: для того, чтобы выполнить требования действующих норм Евро-5 и новых норм Евро-6 по токсичности и содержанию СО2 в отработавших газах. Дело в ограничении содержания так называемых нетопливных остаточных углеродов, которые дает горящее моторное масло: снижение угара жестко связано с токсичностью. Отчасти поэтому в качестве первого кольца взято торсионное кольцо, которое обычно используется как уплотнительно-маслосъемное.

Малая высота колец и тронка поршня позволяет уменьшить удельный расход топлива. Это важно и само по себе, и как фактор ограничения выхода СО2. Однако при этом страдает ресурс: удельные нагрузки на поршень, кольца и стенки цилиндра растут, а потому неизбежно увеличивается скорость износа. Но для современного мотора ресурс уже не главное.

Итак, с большой долей вероятности причиной дефекта можно считать неоптимальную конструкцию поршневой группы двигателя, при которой возрастает возможность перегревов масла в зоне поршневых канавок и ухудшается дренаж моторного масла от маслосъемного кольца в картер двигателя. Все это способствует резкому росту пропуска масла в камеру сгорания.

"Volkswagen считает критическим расход масла, превышающий пол-литра на тысячу километров»

Нам возразят: мол, далеко не все моторы фирмы Volkswagen страдают подобной особенностью. Да, для запуска механизма «масложора» необходимо, чтобы совпало несколько обстоятельств: когда-то двигатель был перегрет, плюс частые короткие поездки, плюс столбняк дорожных пробок, а еще — нестабильное качество моторного масла, забитые соты радиатора... Поэтому «масложор» не система, а плавающий дефект. Но это не делает его малозначимым.

Чистосердечное признание?

Знают ли о проблеме инженеры фирмы Volkswagen? Знают! Немцы даже разослали своим официальным дилерам несколько извещений с рекомендациями для исправления ситуации. В них последним пунктом: если, мол, не помогает перепрошивка контроллера и устранение проблем с вентиляцией картера — заменить поршневую новой, оптимизированной. Кольца у нее более привычные: высота первого увеличилась до стандартных для моторов этого класса 1,2 мм, высота второго — тоже до 1,2 мм, маслосъемного — до 2,0 мм. Кстати, в новых (начиная с 2012 года) моторах в базовом варианте устанавливают второе уплотнительное кольцо высотой 1,5 мм. То есть, фирма, по сути, вернулась к комплектации, которая характерна для двигателей, выпущенных до 2000 года. Увеличилась и ширина колец. Это важно, поскольку момент сопротивления кольца, а стало быть, и его жесткость зависят от высоты линейно, а зависимость от ширины — кубическая. И если у старого варианта первого компрессионного кольца замеренная сила упругости составляла меньше 10 Н, то у нового вернулась к обычным для двигателей этой размерности 15Н. Аналогично для остальных колец. Увеличенная высота маслосъемного кольца позволила улучшить дренаж. Соответственно изменились и поршни. Ремонт тянет за собой и смену комплекта шатунов: со старыми они не взаимозаменяемы — зачем-то на 1 мм увеличен диаметр поршневого пальца.

Кстати, попытки заказать для дополнительных исследований старые варианты миниатюрных поршневых колец и поршней под них оказались безуспешными: нет их уже на складах! На новые машины устанавливают оптимизированные кольца и поршни, и проблемы «масложора» у Фольксвагенов начиная с 2012 года выпуска практически нет. А вот машины 2009-2012 годов выпуска пребывают в зоне риска. И никакая гарантия на них уже не распространяется.

У дилеров стоимость такого ремкомплекта, включая работу по замене, превышает 190 тысяч рублей! Платить за странные конструктивные решения приходится из своего кармана.

А если подешевле? Решение есть. Штатный комплект миниатюрных колец заменяют другим — с размерами, близкими к тем, которые пошли в серию с 2012 года. При этом серийное малосъемное кольцо с пружинным расширителем и коробчатым корпусом меняют на так называемое трехэлементное, состоящее из двух скребков и пружинного расширителя. Поршни берут старые, но канавки под поршневые кольца растачивают в размер новых колец. Шатуны тоже остаются старыми. К моменту подготовки статьи на СТО "Дилижанс" таким образом было вылечено более десятка моторов. Результат положительный: «масложор» прекратился. Причем ремонт раза в три дешевле предписанного в извещении фирмы Volkswagen.

Комментирует Александр Пахомов, директор СТО «Дилижанс» (Санкт-Петербург)

Мы давно специализируемся на обслуживании автомобилей концерна Volkswagen. И не раз сталкивались со случаями, подобными упомянутому. Например, VW Passat 2010 года выпуска с двигателем TFSI CDA 1.8T к моменту возникновения «масложорной» проблемы проехал около 116 тысяч километров. Вкладыши подшипников - в идеальном состоянии, износа на цилиндрах нет совсем. Зазоры в норме, маслоотражающие колпачки клапанов тоже в порядке. Но вся камера сгорания покрыта толстым слоем отложений, явно образовавшихся при сгорании неприличного количества масла (Фото 2). Аналогичные отложения есть на огневой поверхности поршней. Самое же неприятное — огромное количество специфических отложений на боковой поверхности поршня, в том числе, в зоне расположения поршневых колец (Фото 1). Для борьбы с этим явлением нам пришлось разработать свою технологию, описанную в этой статье.

Если беда еще не пришла

Что делать, если вы в зоне риска, но беды пока нет (кстати, судя по извещению, Volkswagen считает критическим расход масла, превышающий пол-литра на тысячу километров)?

Для начала — следите за расходом масла. Если заметили его настойчивый рост, не дожидайтесь предписанного порога. Стакана (200 мл) на тысячу уже достаточно для беспокойства. На этом уровне есть шанс на успех терапии без жестких мер типа вскрытия мотора: можно попытаться отмыть отложения на поршне, выполнив, к примеру, внеочередную смену масла с промывкой двигателя.

Не экономьте на масле, поскольку очень важна именно его стабильность (склонность к образованию отложений). Поэтому — только хорошая синтетика. От новомодных низкосернистых масел типа LowSAPS лучше отказаться, поскольку нужны улучшенные моющие свойства. Интервал замены следует сократить в два раза.

И не насилуйте машину, не допускайте перегрева двигателя! Главное — не пытайтесь из легковушки делать мини-грузовик, особенно жарким летним днем!



Первая версия этой статьи была опубликована в журнале "За рулем" 07/2015 (1009) на стр. 182-185 "Гутен аппетит / Расход масла" (а также доступна на сайте ZR.ru - ссылка на источник). Редакция журнала "За рулем" благодарит СТО "Дилижанс" (Санкт-Петербург) и лично ее директора Александра Пахомова за помощь в подготовке материала.