Сухой картер

Сухой картер — это система смазки двигателя внутреннего сгорания, в которой масло хранится не в поддоне картера, а в отдельном внешнем резервуаре, а его подача к трущимся деталям и откачка обратно осуществляются при помощи масляных насосов. В отличие от системы с «мокрым картером», где масло собирается в поддоне и забирается оттуда одним насосом, сухой картер предусматривает принудительное удаление масла из картера с помощью одного или нескольких откачивающих насосов и последующую его подачу в систему под давлением нагнетающим насосом.

Принцип работы

В системе с сухим картером масло, стекающее с деталей двигателя (поршней, шатунов, коленчатого вала, распределительного вала), не накапливается в поддоне, а немедленно откачивается. Для этого в нижней части картера устанавливаются специальные каналы или секции, соединённые с откачивающими насосами. Обычно используется несколько откачивающих секций (от двух до пяти), расположенных в разных точках картера, чтобы обеспечить эффективный сбор масла при любых ускорениях и наклонах автомобиля.

Откачанное масло поступает в масляный бак (резервуар), где происходит его деаэрация — отделение воздуха и газов, попавших в масло при работе двигателя. Из бака масло забирается нагнетающим насосом и под давлением подаётся к главной масляной магистрали и далее к подшипникам коленчатого вала, распределительного вала, поршневым пальцам и другим узлам. После смазки масло снова стекает в картер, откуда откачивается, и цикл повторяется.

Основные компоненты системы

• Масляный бак (резервуар) — герметичная ёмкость, в которой хранится запас масла. Обычно имеет внутренние перегородки для гашения вспенивания и отделения воздуха. Объём бака может составлять от 4 до 12 литров в зависимости от двигателя.
• Откачивающие насосы — шестерённые или роторные насосы, установленные в картере. Их производительность обычно на 30–50% превышает производительность нагнетающего насоса, чтобы гарантировать полное удаление масла.
• Нагнетающий насос — подаёт масло из бака в систему под давлением (обычно 4–8 бар, в гоночных двигателях до 10–12 бар).
• Масляный фильтр — может быть установлен как на линии нагнетания, так и на линии откачки.
• Масляный радиатор — для охлаждения масла, так как в системе с сухим картером масло циркулирует интенсивнее и нагревается сильнее.
• Деаэратор (газоотделитель) — устройство для удаления пузырьков воздуха и газов из масла, часто встроенное в бак.

История

Первые системы с сухим картером появились в начале XX века на авиационных двигателях. Самолёты выполняют фигуры высшего пилотажа, при которых масло в обычном поддоне может перестать поступать к насосу из-за перегрузок и изменения положения. Для обеспечения надёжной смазки в любых условиях была разработана система с принудительной откачкой.

В автомобильной промышленности сухой картер начал применяться на гоночных автомобилях в 1930-х годах. Одним из пионеров была компания Auto Union (Германия), использовавшая такие системы на своих гоночных машинах с двигателями V16. В 1950-х годах сухой картер стал стандартом для двигателей Формулы-1 и других кольцевых гонок.

На серийных дорожных автомобилях сухой картер долгое время был редкостью из-за высокой стоимости и сложности. Первым массовым автомобилем с такой системой стал Porsche 911 (модель 1975 года, версия Turbo). Впоследствии сухой картер применялся на некоторых моделях Chevrolet Corvette, Ferrari, Lamborghini, а также на многих спортивных и внедорожных автомобилях.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Надёжная смазка при экстремальных нагрузках — система обеспечивает подачу масла даже при длительных боковых и продольных перегрузках (до 2–3 g), что критично для гоночных автомобилей и самолётов.
• Снижение высоты двигателя — поддон картера может быть плоским, что позволяет установить двигатель ниже в моторном отсеке, улучшая центр тяжести автомобиля.
• Увеличение ёмкости масляной системы — резервуар может быть большего объёма, чем поддон, что улучшает охлаждение масла и увеличивает интервал между заменами.
• Улучшенное охлаждение масла — интенсивная циркуляция через радиатор позволяет эффективнее отводить тепло от двигателя.
• Снижение вспенивания масла — конструкция бака с деаэрацией уменьшает образование пены, что повышает стабильность давления в системе.
• Возможность использования более жидких масел — за счёт принудительной подачи и лучшего охлаждения.

Недостатки

• Высокая стоимость — требуется большее количество насосов, баков, трубопроводов и дополнительных компонентов. Стоимость системы может составлять 10–30% от стоимости двигателя.
• Сложность конструкции — большее количество деталей увеличивает вероятность утечек и требует более квалифицированного обслуживания.
• Увеличение веса — дополнительные насосы, бак, радиатор и трубопроводы добавляют 5–15 кг к массе автомобиля.
• Повышенный расход масла — в некоторых системах может наблюдаться больший угар масла из-за более интенсивной циркуляции.
• Шум — масляные насосы, особенно откачивающие, могут создавать дополнительный шум.

Применение

В автоспорте

Сухой картер является обязательным или стандартным элементом для большинства гоночных серий: Формула-1, WEC, WRC, NASCAR, IndyCar, DTM. В этих дисциплинах требуется максимальная мощность и надёжность при высоких перегрузках. В Формуле-1, например, система с сухим картером используется с 1960-х годов, а современные двигатели имеют до пяти откачивающих насосов.

В авиации

Практически все поршневые авиационные двигатели, используемые в пилотажных и спортивных самолётах, оснащены сухим картером. Это связано с необходимостью работы в перевёрнутом положении и при отрицательных перегрузках. В реактивных двигателях сухой картер также применяется, но там масло циркулирует в замкнутом контуре.

В дорожных автомобилях

На серийных автомобилях сухой картер встречается преимущественно на спортивных и высокопроизводительных моделях:

• Porsche — 911 Turbo, 911 GT3, 918 Spyder.
• Chevrolet — Corvette Z06, Corvette ZR1.
• Ferrari — большинство моделей V8 и V12.
• Lamborghini — Aventador, Huracán.
• Mercedes-AMG — GT Black Series.
• Audi — R8 (V10).

Некоторые внедорожные автомобили, такие как Land Rover Defender (с двигателем V8), также используют сухой картер для предотвращения масляного голодания при преодолении крутых подъёмов и спусков.

В мотоциклах

Система с сухим картером применяется на некоторых мотоциклах, особенно спортивных и туристических. Например, Harley-Davidson использует её на многих моделях с двигателем V-Twin, а также на некоторых моделях BMW Motorrad.

Особенности конструкции

Количество откачивающих насосов

В простейших системах используется один откачивающий насос, но в современных гоночных двигателях их может быть несколько. Каждый насос отвечает за свою зону картера:

• Передняя часть — сбор масла от передних подшипников коленвала.
• Задняя часть — сбор масла от задних подшипников.
• Головка блока — сбор масла из клапанного механизма.
• Масляный радиатор — может быть отдельный насос для прокачки радиатора.

Масляный бак

Бак обычно изготавливается из алюминия или стали и имеет внутренние перегородки ( baffles ), которые предотвращают вспенивание масла при резких ускорениях. В верхней части бака устанавливается сапун для выхода газов, а в нижней — сливная пробка. Некоторые баки имеют смотровое окно для контроля уровня масла.

Деаэрация

Для отделения воздуха от масла используются различные методы: центробежные сепараторы, сетчатые фильтры, отстойники. В гоночных двигателях часто применяются вакуумные системы, которые создают разрежение в картере, что снижает потери на трение и улучшает уплотнение поршневых колец.

Влияние на двигатель

Система с сухим картером позволяет снизить потери мощности на трение, так как коленчатый вал не вращается в масляной ванне. Это может дать прирост мощности до 2–5% по сравнению с мокрым картером. Кроме того, улучшается охлаждение масла, что увеличивает ресурс двигателя.

Однако из-за более сложной конструкции и большего количества деталей система требует более тщательного обслуживания. Масло в таких системах часто меняют чаще, а фильтры — каждые 500–1000 км для гоночных двигателей.

Критика

Основная критика сухого картера связана с его высокой стоимостью и сложностью. Для большинства дорожных автомобилей система с мокрым картером является более практичной и дешёвой. Кроме того, некоторые инженеры отмечают, что для обычных условий эксплуатации преимущества сухого картера незначительны, а недостатки (вес, шум, сложность обслуживания) перевешивают.

В гоночных же кругах сухой картер считается безальтернативным решением, и его недостатки компенсируются надёжностью и производительностью.

Источники

• Bosch, R. (2014). Automotive Handbook. 9th Edition. SAE International.
• Heywood, J. B. (2018). Internal Combustion Engine Fundamentals. 2nd Edition. McGraw-Hill Education.
• Stone, R. (2012). Introduction to Internal Combustion Engines. 4th Edition. Palgrave Macmillan.
• Porsche AG. (2019). 911 Turbo Technical Specifications.
• SAE International. (2005). Dry Sump Lubrication Systems for High-Performance Engines. SAE Technical Paper 2005-01-1850.
• Wikipedia. Dry sump. (Проверено 2023).