АЛЕКСАНДР ХРУЛЕВ, кандидат технических наук, директор моторного центра «АБ-Инжиниринг»
Сергей Самохин

Отказ двигателя по вине автозавода в период гарантии – случай довольно редкий. Даже в чем-то экзотический. Но если при изготовлении мотора все же был допущен брачок, он не заставит себя долго ждать. Обычно скрытые дефекты «вылезают» на начальной стадии эксплуатации автомобиля. Поэтому если двигатель отказал при пробеге, превышающем 15-20 тыс. км, искать в этом вину производителя бесперспективно. А уж если до поломки мотора машина пробежала все 50 000 км, вероятность, что она произошла из-за заводского брака, - величина, как говорят математики, бесконечно малая. Это проверенное практикой правило. Но у каждого правила, как известно, бывают исключения …

Этот исключительный случай произошел с легковым автомобилем, продуктом уважаемого японского автопрома. Именно тогда, когда пробег машины только-только перевалил за 50 000 км, ее современный 2,3-литровый мотор с турбонаддувом и непосредственным впрыском бензина забарахлил: начал расточительно расходовать масло (более 1,5 л/1000 км), а затем и вовсе «захромал» на один цилиндр.

Представьте – машина на гарантии, инструкции по эксплуатации выполнялись, замена масла проводилась в рекомендованные сроки (через 15 000 км). Да и водитель, как позже выяснилось, был необычайно аккуратный (что сыграло немаловажную роль в этой истории). Но двигатель вдруг сломался. Казалось бы, чего проще: вскрыть, установить причину, устранить, собрать и ездить дальше. В действительности все вышло не так гладко, как могло бы. И хотя в итоге виновного в отказе двигателя удалось-таки установить, это потребовало привлечения нескольких экспертных организаций и колоссальных затрат времени, исчислявшихся несколькими месяцами. Вот как было дело.

По ложному пути

Вначале за расследование происшествия взялись дилеры. Пригласили эксперта, разобрали мотор. Эксперт установил, что во втором цилиндре прогорел поршень, и, не мудрствуя лукаво, заключил, что это произошло из-за использования некачественного топлива. Таким образом, виновным был объявлен автовладелец. Однако тот оказался не слишком покладистым и не согласился с выводами экспертизы. Кстати, не без оснований. Во-первых, этот мотор на российский рынок поступает в дефорсированной версии, которая на двадцать с лишним «лошадей» слабее стандартной. Недостающие до стандарта «лошади» – это и есть поправка на хреновый бензин и прочие отягчающие обстоятельства российской действительности. Во-вторых, в системе управления двигателем, как это и положено, предусмотрена коррекция зажигания по сигналу датчика детонации. По идее, двигатель, оснащенный такой системой, должен без серьезных последствий переваривать бензин с колебаниями октанового числа в пределах нескольких единиц (до 4-5). И, в-третьих, владелец настаивал, что ездил неспешно и на газ вообще не давил…

Так разбирательство плавно перешло в судебную фазу. Суд, в свою очередь, назначил следующую, уже судебную экспертизу. Которая, в общем и целом, также согласилась с заключением первого эксперта: прогар поршня по вине некачественного топлива.

Единодушное мнение экспертов можно было бы принять за истину, но … Если взглянуть на поврежденный поршень, видно, что у него не только разрушена часть днища и огневого пояса, но есть еще один серьезный дефект – сломано верхнее компрессионное кольцо. Причем кольцо оказалось сломано в трех местах: примерно посередине, напротив замка, и с двух сторон от него, так что кольцо лишилось двух «кончиков». На этот счет эксперты предположили, что после того как поршень прогорел, температурный режим кольца в этом месте сильно изменился, кольцо перегрелось, потеряло прочность – вот вам и результат… Этот вывод и вызвал наибольшие сомнения очередной, третьей команды экспертов, назначенной судом для раскрытия тайны мотора по ходатайству уже порядком измученного, но все еще не сдававшегося автовладельца.

Вопросы, вопросы …

После изучения останков того, что еще недавно было двигателем, вновь назначенные эксперты засомневались: а может ли прогорание поршня вызвать поломку верхнего компрессионного кольца? Покопавшись в своем достаточно богатом опыте по ремонту моторов и изучив техническую информацию от авторитетных производителей моторных комплектующих, они пришли к выводу, что в мировой практике моторного ремонта такое явление как-то не просматривается. Да, поршни прогорают, огневой пояс и перемычки между кольцами оплавляются, но верхнее кольцо при этом в подавляющем большинстве случаев остается целым. Даже при сильной детонации в цилиндре повреждается, как правило, только среднее компрессионное кольцо, а верхнее – нет. Дело в том, что верхнее кольцо должно воспринимать основную часть нагрузки от давления расширяющихся в камере сгорания газов. Поскольку действующая нагрузка имеет ударный характер, в современных моторах верхние кольца нередко изготавливаются из достаточно пластичных материалов – например, из высокопрочного чугуна. Такое кольцо можно разогнуть руками, и оно не сломается. В двигателях же с наддувом обычно верхние кольца делаются из очень прочных материалов – к примеру, из теплостойкой стали. Такое кольцо можно сломать, но усилие «на слом» будет очень большим, значительно превышающим прочность элементов поршня. Так что поршень если и сломается, то верхнее кольцо, скорее всего, устоит.

В отличие от верхнего кольца среднее не испытывает больших нагрузок, и его обычно изготавливают из серого чугуна. Оно действительно очень хрупкое и порой буквально рассыпается на мелкие кусочки даже при не очень больших усилиях. Но в исследуемом моторе все средние кольца почему-то оказались целыми…

Если прогорание поршня не могло стать причиной поломки кольца, может, все происходило наоборот: вначале сломалось кольцо, а уже потом прогорел поршень? По крайней мере, это выглядит логично, поскольку сломанное кольцо в таком случае нарушит отвод тепла от поршня. Внимание экспертов привлекла канавка верхнего кольца, вернее, характер ее повреждения. В технике его принято называть размыванием. Размывание – это довольно длительный процесс постепенной выработки материала вокруг детали, получившей свободу перемещения и колеблющейся с большой частотой. Возникло предположение, что вначале все-таки сломалось кольцо, далее теплоотвод от поршня в зоне повреждения нарушился, обломки кольца размыли канавку, и поршень прогорел. Что ж, сценарий вполне объяснимый.

Однако осталось непонятным, почему сломалось кольцо, и когда это случилось? Ответы были найдены только после двух месяцев тщательных исследований, анализов и жарких споров. Для начала было решено как следует отмыть место повреждения поршня. Сделать это было непросто, поскольку при очистке твердого нагара с поверхности нельзя повредить саму поверхность. Но результат очистки превзошел ожидания – «прогар» вдруг исчез! После удаления слоя нагара стало абсолютно очевидным, что поврежденные поверхности не оплавлены. Напротив, на них были отчетливо видны следы механического износа и излома. Это убедительно доказывало, что повреждение поршня имеет не термический, а чисто механический характер.

Здесь стоит обратить внимание еще на одну интересную деталь. На первый взгляд кажется, что размывание канавки поршня должно распространяться вниз, в направлении действия давления продуктов сгорания. На самом деле процесс идет преимущественно в противоположном направлении, вверх. Дело в том, что при вспышке смеси в камере сгорания сломанное кольцо не удерживает давления, поэтому больших сил в направлении вниз на него тоже не действует. Но поршень в такой момент подвергается воздействию, сравнимому с ударом хорошей кувалды. От которого он резко устремляется вниз и буквально наталкивается на свободно болтающийся в канавке обломок кольца. Удар обломка о поверхность канавки, очевидно, будет направлен в противоположную сторону, вверх. Он весьма незначителен, но таких ударов происходит в минуту столько, сколько оборотов делает двигатель. И при каждом ударе от поверхности канавки поршня отбивается пусть незаметная, но конечная часть материала…

Картина происшедшего начала проясняться. По какой-то причине (вероятно, не имеющей ничего общего с заправкой некачественным топливом) верхнее кольцо сломалось, обломок кольца постепенно промыл огневой пояс со стороны канавки почти насквозь, а когда толщина огневого пояса в данном месте стала недопустимо малой, кусок пояса поршня отломился и улетел в цилиндр вместе обломком кольца. Обломки какое-то время болтались в надпоршневом пространстве, дробились на более мелкие части, нанося при этом днищу поршня и головке блока множественные мелкие повреждения незначительной степени тяжести. Поскольку эксплуатация продолжалась, обломки постепенно переместились из цилиндра куда-то дальше в выпускную систему, а место излома поршня скоро замаскировалось нагаром так, что приобрело вид полноценного прогара. Однако обломки успели нанести заметный вред цилиндру в виде многочисленных рисок и задиров, что вполне могло явиться прямой причиной резкого повышения расхода масла.

Немое свидетельство колец

Разобравшись с судьбой поршня, эксперты сосредоточили внимание на половинах сломанного поршневого кольца. Их рабочие поверхности (наружный торец и нижняя плоскость), за исключением самых кончиков, были густо покрыты нагаром, в то время как на верхней плоскости его почти не было. Это свидетельство того, что кольцо длительное время не работало. У рабочего кольца, которое скользит по стенке цилиндра и одновременно давлением газов прижимается к нижней стенке канавки поршня, на ответных поверхностях нагара быть не должно. Половинки кольца также решили отмыть. Оказалось, не зря – и здесь обнаружилось много любопытного для внимательного исследователя.

Внимание экспертов привлекли два момента. На нижнем рабочем торце сломанного кольца характерный пояс приработки оказался заметно уже, чем у нормальных колец в других цилиндрах: узенькая контактная полоска, смещенная в сторону днища канавки. Оставшаяся часть плоскости – девственно матовая, без каких-либо следов контакта с канавкой. Нормально работающие компрессионные кольца изнашиваются прямо противоположным образом – приработка идет почти по всей нижней плоскости, и чем дальше к периферии, тем она больше. Причина в том, что верхнее компрессионное кольцо за счет фаски на внутреннем диаметре изначально располагается в канавке поршня с небольшим закручиванием. На работающем двигателе под действием давления газов и трения о цилиндр поперечное сечение кольца выпрямляется и даже слегка заваливается в обратную сторону. Так достигается более равномерный износ поверхностей кольца и канавки. В данном же случае все признаки указывали на то, что кольцо не распрямлялось, то есть не работало как должно и, значит, не держало давления в цилиндре. Но когда и как оно сломалось?

В подобных случаях большую помощь исследователям может оказать металлографическое исследование сломанного кольца. Установили, что оно изготовлено из материала, аналогичного нашей хирургической стали: прочного, теплостойкого и нержавеющего. Значит, от перегрева кольцо сломаться не могло. Осмотр изломов при большом увеличении показал, что обломки кольца долго терлись друг о друга и поверхности изломов частично заполировались. Тем не менее, на изломе, расположенном посередине кольца, удалось обнаружить признаки усталости материала, а на изломах, примыкающих к кончикам – следы хрупкого разрушения.

Начала складываться следующая картина. Практически с самого начала эксплуатации мотора у кольца были сломаны кончики (один или, что более вероятно, оба). Такое кольцо уже не могло плотно прилегать к цилиндру по всей наружной поверхности. Эпюра давления кольца на стенку цилиндра резко изменилась – вместо почти постоянного давления по окружности создавались пиковые давления у отломанных концов и посередине кольца, между которыми возникли просветы. Этот вывод подтверждают вертикальные следы на стенках цилиндра, примерно совпадающие с расположением изломов, и полное отсутствие следов контакта кольца с цилиндром между ними. На то, что кольцо было повреждено изначально, указывает еще один явный признак. На стенках нормально работающих цилиндров следы небольшой выработки наблюдаются до высоты, на которой при положении поршня в ВМТ останавливается верхнее компрессионное кольцо. В дефектном же цилиндре выработка на большей части окружности заканчивается заметно ниже, на уровне среднего кольца.

Получается, что отломанные кончики кольца начали свою «черную» работу по размыванию канавки поршня задолго до того, как владелец смог обнаружить какие-то признаки неисправности. Которая никак себя не проявляла – до поры до времени, пока обломки не попали в цилиндр. А когда канавка оказалась значительно изношена, в основной части кольца возникли колебания, и кольцо развалилось пополам от знакопеременных нагрузок и усталости. После чего половинки кольца просто «спрятались» в канавку и постепенно покрылись нагаром, который и создал иллюзию прогара поршня.

Но если кольцо было сломано, как же мотор работал вообще, тем более, так долго? Ответ на этот вопрос дало второе компрессионное кольцо. Обычно оно играет вспомогательную «компрессионно-маслосъемную» роль, дополнительно уплотняя цилиндр за верхним кольцом и собирая со стенок цилиндра остатки масла, оставшиеся от маслосъемного кольца. Такие «мягкие» условия работы предполагают незначительный износ среднего кольца при нормальной эксплуатации. Но в нашем случае кольцо оказалось изношенным чрезвычайно сильно – зазор в замке увеличился до 2 мм, наружная поверхность приобрела ярко выраженную бочкообразность, нижняя плоскость стала вогнутой. Выходит, что среднее кольцо работало несвойственным ему образом, воспринимая большое давление и сильно закручиваясь в канавке. Фактически оно взяло на себя основную «компрессионную» функцию, а потому и износилось примерно так же, как износилось бы верхнее компрессионное кольцо, но за гораздо больший пробег.

Значит, мотор с самого начала работал с одним компрессионным кольцом во втором цилиндре. И скорее всего, верхнее кольцо было повреждено при сборке. Эта версия подтверждается сведениями от производителей моторных компонентов. Они отмечают, что такое случается из-за погрешностей в процессе монтажа поршней в цилиндры. В данном случае причиной мог стать сбой в технологическом процессе сборки, когда оснастка, которой обжимаются кольца на поршне перед установкой в цилиндр, встала неплотно или с перекосом.

В том, что этот заводской дефект проявился так поздно, «виноват» сам владелец автомобиля. Вернее, стиль его вождения, о котором упоминалось ранее – даже тормозные диски автомобиля оказались практически не изношены. А при такой щадящей эксплуатации расход масла тоже невелик, даже если с цилиндропоршневой группой что-то не в порядке. Попади машина к «гонщику», он развалил бы дефектный мотор, не проехав и тысячи километров. Или, по крайней мере, быстро бы выявил повышенный расход масла. У среднестатистического водителя двигатель мог бы продержаться раз в пять или даже десять дольше, что чаще всего и приходится наблюдать. Но чтобы такое «жило» внутри двигателя на протяжении 50 000 км пробега – с этим пришлось столкнуться впервые.

Завершающая экспертиза ответила практически на все вопросы, поставленные судом. Непонятным осталось только одно: куда подевались отвалившиеся куски поршня и колец, следы которых остались на днище поршня, в головке блока и на поверхности цилиндра? Вероятно, их остатки застряли где-то в выпускном коллекторе, откуда просто высыпались при разборке мотора предыдущими экспертами. И, судя по состоянию крыльчатки турбины, до турбокомпрессора они не добрались. Или добрались, но уже в измельченном и неопасном виде.