Инновационные взрывозащищенные электродвигатели с повышенным КПД и сниженным уровнем шума выполнены концерном в рамках масштабной модернизации Омского НПЗ.
Основные принципы работы электрических машин, разработанные еще в конце XIX века, используются и сегодня.
Но история их усовершенствования непрерывно движется в сторону повышения энергоэффективности (увеличения КПД), снижения массы и эксплуатационных затрат.
Наряду с этим, современные требования обязуют разработчиков электрооборудования решать задачи уменьшения уровня шума - одного из ключевых показателей эргономичности электродвигателя.
В настоящее время компания Газпром нефть проводит масштабную модернизацию Омского НПЗ - крупнейшего НПЗ в России.
Программа направлена на обновление технологических установок, повышение экологической безопасности и энергоэффективности производства.
_43.jpg)
2й этап модернизации рассчитан до 2020 г и предполагает реновацию производственных мощностей с целью повышения надежности и безопасности производственных процессов.
Цель программы - не только усовершенствовать процесс производства нефтепродуктов, но и создать на предприятии благоприятные условия для сотрудников, снизить показатели производственного травматизма и профессиональных заболеваний.
В соответствии с этим появилась необходимость применения на предприятии взрывозащищенных электродвигателей с повышенным КПД и со сниженным уровнем шума.
Федеральная программа импортозамещения требует искать решение этой задачи у отечественных производителей, но российский рынок электрических машин, в отличие от зарубежного, ранее не нуждался в подобном оборудовании.
Успешным решением этой проблемы стало сотрудничество с концерном РУСЭЛПРОМ, инженеры которого взяли на себя обязательства решить задачу и справились с ней в срок.
_39.jpg)
Разработка «малошумного» энергоэффективного электродвигателя потребовала комплексного подхода, так как шумы, сопровождающие работу электрической машины, имеют различную природу.
Во-1х, это механические шумы.
Они обычно связаны с работой подшипникового узла и зависят от типа и размера подшипника.
Во-2х, электромагнитные шумы, которые вызываются колебаниями магнитопровода статора и ротора под действием магнитного поля.
И аэродинамические шумы, которые возникают в результате работы системы охлаждения и зависят от частоты вращения и диаметра вентилятора, а также формы его лопаток.
Достичь поставленных целей удалось, пошагово воздействуя на каждую из причин.
Для снижения уровня механических шумов подшипники качения со стальным сепаратором были заменены на подшипники более высокого класса с латунным сепаратором.
Этот металл тяжелее стали и значительно мягче, что позволяет эксплуатировать подшипник в условиях большей нагрузки.
Также латунь обладает высокой вибростойкостью.
Такой сепаратор обеспечивает идеальный контроль положения вращающихся тел качения даже при наличии неравномерных динамических нагрузок.
Все эти преимущества, в комплексе, существенно повышают качество работы подшипникового узла, снижают уровень исходящего от него шума, нагрева и, как следствие, минимизируют потери.
Борьба с электромагнитными шумами потребовала усовершенствования электромагнитного ядра.
Электромагнитный шум имеет широкий частотный спектр и по интенсивности отрицательного воздействия на человека зачастую превосходит механический.
Снижение его достигается уменьшением электромагнитных нагрузок, выбором рационального соотношения зубцов статора и ротора, введением скоса пазов, укорочением шага обмотки, что зачастую снижает использование активных материалов.
Особенностью данной работы было то, что все разрабатываемые машины должны были иметь скорость оси вращения 3 000 об/мин.
Преобладающую роль в подобных машинах играет аэродинамический шум, и снижение именно его уровня потребовало особого внимания.
_26.jpg)
Источником шума в данном случае является вентилятор системы охлаждения, который является необходимым элементом асинхронных электродвигателей.
Он располагается на валу ротора, приводится в движение валом машины и вращается вместе с ним.
В результате происходит охлаждение двигателя.
Вне зависимости от системы охлаждения, которая бывает сосредоточенной или распределенной, в стандартных электрических машинах, как правило, применяется центробежный вентилятор с прямыми лопатками.
«Решение пришло не сразу. Был ряд возможных вариантов, и нужно было выбрать оптимальный, - комментирует один из инженеров проекта, специалист по аэродинамике. - Но основная трудность заключалась в том, что работать пришлось в условиях дефицита времени».
Эффективным решением задачи снижения уровня аэродинамического шума электродвигателя стала разработка нового типа вентилятора (на фото ниже), который обеспечивает более высокие объемы подаваемого воздуха, а главное, резкое снижение уровня шума по сравнению с обычным.
Также был разработан специальный кожух особой формы с внутренним звукопоглощением.
_17.jpg)
В результате применения новых технологий уменьшились потери, а КПД увеличился в среднем на 0,7% от общей мощности двигателя.
Это позволило концерну РУСЭЛПРОМ вплотную приблизиться к массовому выпуску машин, соответствующих стандарту энергоэффективности IE3.
В настоящее время данная технология применима, если двигатель имеет только одно направление вращения.
Но наши инженеры уже разрабатывают технологию, подходящую для применения и на реверсивных машинах.
«Принципиально задача для реверсивных машин уже решена, имеется в виду аэродинамическая и мощностная эффективность, - утверждает специалист по аэродинамике. - Сейчас идет процесс оптимизации и упрощения конструкции для получения малошумного исполнения».
Стоимость полученных машин отечественного производства существенно ниже аналогичных по характеристикам, но изготовленных зарубежными производителями.
«Конкуренты не ожидали, что мы справимся с решением поставленной задачи, но мы сделали это, - говорит руководитель проекта, - что в очередной раз доказывает наличие у нас талантливых, прекрасно подготовленных конструкторов и специалистов!».
_9.jpg)
Комплекс проведенных мероприятий позволил не просто удовлетворить требования заказчика - компании Газпром нефть - и произвести «малошумные» низковольтные и высоковольтные взрывозащищенные электродвигатели с повышенным уровнем КПД для модернизации Омского НПЗ.
Тем самым совершен прорыв в отечественном машиностроении, так как данная технология применима и к общепромышленным машинам.
В результате командной работы конструкторов РУСЭЛПРОМа получены энергоэффективные электрические машины с уровнем шума от 67 до 79 дБА (в зависимости от высоты оси вращения) и уровнем вибрации около 1 мм/cек.
Работы в данном направлении продолжаются, и с освоением новой экологичной и энергоэффективной серии 7А (на фото ниже) открываются возможности по дальнейшему совершенствованию выпускаемой концерном продукции, соответствующей самым жестким европейским стандартам качества.
Макаров Лев Николаевич, генеральный конструктор ООО «Русэлпром»
_7.jpg)
neftegaz.ru
Принцип работы
Предлагаемая инновационная технология основана на использовании высокоэффективного четырехцилиндрового двигателя внешнего сгорания. Это - тепловой двигатель. Тепло может поставляться от внешнего источника тепла или производиться путем сжигания широкого спектра видов топлива внутри камеры сгорания.
Тепло поддерживается при постоянной температуре в одном отделении двигателя, где оно преобразуется в водород, находящийся под давлением. Расширяясь, водород толкает поршень. В отделении двигателя с низкой температурой водород охлаждается при помощи аккумуляторов тепла и охладителей жидкости. При расширении и сжатии водород вызывает возвратно-поступательное движение поршня, которое преобразуется во вращательное движение при помощи наклонной шайбы, которая приводит в действие стандартный, емкостный электрический генератор. В процессе охлаждения водорода также производится тепло, которое можно использовать для комбинированного производства электроэнергии и тепла во вспомогательных процессах.
Общее описание
Теплоэнергетическая установка FX-38 представляет собой единый модуль "двигатель-генератор", который включает двигатель внешнего сгорания, систему сгорания, работающую на пропане, природном газе, попутном нефтяном газе, других видах топлива со средней и низкой энергоемкостью (биогаз), индуктивный генератор, систему контроля двигателя, защищенный от атмосферных воздействий корпус со встроенной системой вентиляции и другое вспомогательное оборудование для параллельной работы с сетью высокого напряжения.
Номинальная мощность по электричеству при работе на природном газе или биогазе при частоте 50 Гц составляет 38 кВт. Кроме того, установка производит 65 кВт-ч извлекаемого тепла с поставляемой по специальному заказу системой комбинированного производства тепла и электроэнергии.
Установка FX-38 может быть оснащена различными опциями системы охлаждения для обеспечения гибкости схемы установки. Продукт разработан для простого подключения к электрическим контактам, системам подачи топлива и внешним трубам системы охлаждения, если оборудованы таковыми.
Дополнительные детали и опции
Установка FX-48 может применяться в нескольких вариантах следующим образом:
Эксплуатационные характеристики установки
Выходная мощность складывается из электрической мощности и тепловой мощности. Для работы при частоте 50 Гц установка работает с тепловым коэффициентом 12230 кДж/кВт-ч (низшая теплота сгорания) и рассчитана на электрическую мощность 38 кВт. Показатель вырабатываемой электроэнергии 38 кВт включает паразитные потери, связанные с радиатором системы охлаждения, водяным насосом, вентилятором подачи воздуха в камеру сжигания, масляным насосом, контрольной системой и системой вентиляции блока.
В режиме производства электроэнергии и тепла при частоте 50 Гц установка производит 65 кВт-ч извлекаемого тепла. Продукт оборудован системой труб, готовой для подключения к поставляемому заказчиком теплообменнику типа жидкость/жидкость. Горячая сторона теплообменника представляет собой схему замкнутого цикла с охладителем кожуха двигателя и встроенным радиатором системы, если таковые присутствуют. Холодная сторона теплообменника предназначена для схем теплоприемника заказчика.
Техническое обслуживание
Установка предназначена для непрерывной работы и отбора мощности. Базовая проверка эксплуатационных характеристик проводится заказчиком с интервалом в 1000 часов и включает проверку системы водяного охлаждения и уровня масла. Через 10000 часов эксплуатации производится обслуживание передней части установки, включающее замену поршневого кольца, сальника штока, ремня привода и различных сальников. Специфические ключевые компоненты проверяются на износ. Скорость работы двигателя составляет 1500 оборотов в минуту для работы на частоте 50 Гц.
Бесперебойность
Бесперебойность работы установки составляет свыше 95%, исходя из интервалов эксплуатации, и учитывается при графике технического обслуживания.
Уровень звукового давления
Уровень звукового давления блока без встроенного радиатора составляет 64 дБА на расстоянии 7 метров. Уровень звукового давления блока с встроенным радиатором с вентиляторами охлаждения составляет 66 дБА на расстоянии 7 метров.
Выбросы
При работе на природном газе выбросы двигателя меньше или равны 0,0574 г/Нм3 NOx, 15,5 г/Нм3 летучих органических соединений и 0,345 г/Нм3 СО.
Газообразное топливо
Двигатель рассчитан на работу на различных типах газообразного топлива со значениями низшей теплоты сгорания от 13,2 до 90,6 МДж/Нм3, попутный нефтяной газ, природный газ, угольный метан, газ вторичной переработки, пропан и биогаз полигонов ТБО. Для охвата данного диапазона устройство может быть заказано со следующими конфигурациями топливной системы:
Система сгорания требует регулируемого давления подачи газа в 124-152 мбар для всех типов топлива.
Окружающая среда
Установка в стандартном исполнении работает при температуре окружающей среды от -20 до +50°С.
Описание установки
Теплоэнергетическая установка FX-38 полностью готова для выработки электроэнергии в заводской поставке. Встроенный электрический пульт монтируется на блок для удовлетворения требований интерфейса и контроля. Устойчивый к атмосферным воздействиям цифровой дисплей, встроенный в электрический пульт, обеспечивает оператору интерфейс запуска, остановки и перезапуска с помощью кнопок. Электрический пульт также служит основным местом подключения оконечного электрического устройства заказчика, а также с оконечными устройствами проводной связи.
Установка способна достигать выходной мощности полной нагрузки примерно через 3-5 минут с момента запуска в зависимости от изначальной температуры системы. Последовательность запуска и установки приводится в действие нажатием кнопки.
После команды пуска установка подключается к высоковольтной сети путем закрытия внутреннего контактора на сеть. Двигатель немедленно поворачивается, очищая камеру сжигания до открытия топливных клапанов. После открытия топливного клапана энергия подается на запальное устройство, поджигая топливо в камере сжигания. Наличие сжигания определяется по повышению температуры рабочего газа, что приводит в действие процедуру управления разгоном до точки рабочей температуры. После этого пламя остается самоподдерживающимся и постоянным.
После команды остановки установки сначала закрывается топливный клапан для прекращения процесса сжигания. По прошествии предварительно установленного времени, в течение которого механизм охлаждается, откроется контактор, отключая установку от сети. В случае если таковые установлены, вентиляторы радиатора могут работать некоторое время для уменьшении температуры охлаждающей жидкости.
В установке используется двигатель внешнего сгорания с постоянной длиной хода, подключенный к стандартному индукционному генератору. Устройство работает параллельно с высоковольтной сетью или параллельно с системой распределения энергии. Индукционный генератор не создает своего собственного возбуждения: он получает возбуждение от подключенного источника электросети. Если напряжение в электросети исчезает, установка отключается.
Описание узлов установки
Конструкция установки обеспечивает ее простой монтаж и подключение. Имеются внешние соединения для топливных труб, оконечных устройств электроэнергии, интерфейсов коммуникаций и, если это предусмотрено, внешнего радиатора и система труб теплообменника жидкость/жидкость. Установку можно заказать в комплекте со встроенным или удаленно монтированным радиатором и/или системой труб теплообменника жидкость/жидкость для охлаждения двигателя. Также предоставляются инструменты для безопасного отключения и логические схемы управления, разработанные специально для желаемого режима работы.
Кожух имеет две эксплуатационные панели на каждой стороне отделения двигатель/генератор и внешнюю однопетельную дверь для доступа к электрическому отделению.
Вес установки: около 1770 кг.
Двигатель является 4-цилиндровым (260 см3/цилиндр) двигателем внешнего сгорания, поглощающим тепло непрерывного сжигания газового топлива в камере внутреннего сгорания, и включает следующие встроенные компоненты:
Характеристики генератора приводятся ниже:
Интерфейс оператора – цифровой дисплей обеспечивает управление установкой. Оператор может запустить и остановить установку с цифрового дисплея, посмотреть время работы, рабочие данные и предупреждения/сбои. При установке опционального модуля измерения мощности оператор может видеть многие электрические параметры, такие как вырабатываемая мощность, киловатт-часы, киловатт-амперы и коэффициент мощности.
Функция диагностики оборудования и сбора данных встроена в систему контроля установки. Диагностическая информация упрощает удаленный сбор данных, отчет по данным и устранение неисправностей устройства. Эти функции включают сбор системных данных, таких как информация о рабочем состоянии, все механические рабочие параметры, такие как температура и давление цилиндров, а также, если подключен опциональный измеритель мощности, – электрические параметры значений вырабатываемой мощности. Данные могут быть переданы через стандартный порт соединения RS-232 и показаны на персональном компьютере или ноутбуке при помощи программного обеспечения для сбора данных. Для нескольких установок или в случаях, когда расстояние передачи сигнала превышает возможности RS-232, для получения данных используется опциональный порт RS-485 с использованием протокола MODBUS RTU.
Для переноса горячих выхлопных газов от системы сгорания используются трубы из нержавеющей стали. К выхлопной трубе в месте выхода из кожуха прикреплена сбалансированная выхлопная заслонка с защитным колпаком от дождя и снега.
Для охлаждения могут применяться различные прикладные технологии и конфигураций:
Встроенный радиатор – предоставляет собой радиатор, рассчитанный на температуру окружающей среды до +50°C. Все трубы подключаются в заводских условиях. Это типичная технология в случае, если не используется утилизация отходящего тепла.
Внешний радиатор – предназначен для установки заказчиком, рассчитан на температуру окружающей среды до +50°C. Короткие несущие ножки поставляются с радиатором для монтажа на контактном столике. При необходимости установки в помещении можно использовать данный вариант вместо предоставления системы вентиляции, требуемой для подачи охлаждающего воздуха во встроенный радиатор.
Внешняя система охлаждения – предоставляет систему труб снаружи кожуха для поставляемой заказчиком системы охлаждения. Ей может выступать теплообменник или удаленно монтированный радиатор.
Хладагент состоит из 50% воды и 50% этиленгликоля по объему: можно заменить смесью пропиленгликоля и воды, при необходимости.
Установка FX-38 использует водород в качестве рабочего тела для приведения в движение поршней двигателей по причине высоких способностей водорода к передаче тепла. В нормальном режиме работы потребляется предсказуемое количество водорода из-за нормальных утечек, вызванных проницаемостью материала. Для учета этого темпа потребления место установки требует наличия одного или нескольких наборов баллонов с водородом, отрегулированных и подсоединенных к блоку. Внутри установки встроенный водородный компрессор увеличивает давление в баллоне до более высокого давления в двигателе и вводит малые порции по запросу встроенного программного обеспечения. Встроенная система не требует технического обслуживания, а баллоны подлежат замене в зависимости от работы двигателя.
Для подачи топлива поставляется труба со стандартной трубной резьбой 1 дюйм для всех стандартных типов топлива, за исключением низкоэнергетических вариантов, для которых используется стандартная трубная резьба 1 1/2 дюйма. Требования к давлению топлива для всех видов газообразного топлива составляют от 124 до 152 мбар.
energy-units.ru
Значительно меньший расход топлива на фоне существенно большей мощности – таков результат разработки нового поколения агрегатов с V-образным расположением цилиндров. Восьмицилиндровая версия осенью 2010 г. дебютирует на автомобилях CL-Класса, а затем распространится на седаны S-Класса. Специалисты Mercedes-Benz продолжают разрабатывать новые шести- и восьмицилиндровые моторы, поскольку оптимизированные ДВС, по сравнению с другими вариантами автомобильного привода, сохраняют характерные преимущества в плане запаса хода, времени заправки и расходов и одновременно обладают наилучшими оптимизационными возможностями, которые в краткосрочной перспективе позволят не раз добиться дальнейшего существенного снижения расхода топлива при повседневной эксплуатации автомобилей. Даже у гибридных моделей сердцем автомобиля остается ДВС, внося решающий вклад в повышение их экономичности.
На смену успешному поколению двигателей Mercedes-Benz пришло новое поколение агрегатов, где также последовательно используется модульный принцип и инновационные технологии. Модульный принцип позволяет использовать функцию старт-стопа, полный привод 4MATIC и даже гибридный модуль.
V8 – игрок нового уровня
Новый двигатель V8, хотя и построен на базе предшественника и имеет аналогичное расстояние между цилиндрами, во всех деталях претерпел, однако, последовательную модернизацию. Так, например, обладая на 15 процентов меньшим рабочим объемом (4663 вместо 5461 см3), он развивает мощность в 320 кВт (435 л. с.), то есть примерно на 12 больше, чем у предшественника (285 кВт/388 л. С.). В то время как текущая версия купе CL 500 расходует 12,3 л топлива на 100 км, то с новым двигателем эта модель будет уже обходиться 9,5 л, что означает 22-процентную экономию топлива. Выбросы CO2 также снизились на 22 процента с 288 г/км до 224 г/км – великолепный показатель для данного класса двигателей. Одновременно величина номинального крутящего момента возросла с 530 до 700 Н∙м, то есть прибавка составила 32 процента. В плане удельной мощности новый двигатель V8 демонстрирует рекордные показатели – 68,5 кВт и 150 Н∙м на каждый литр рабочего объема.
Поскольку максимальное значение крутящего момента становится доступным уже при 1 800 об/мин, новый высокотехнологичный агрегат V8 способен на низких оборотах обеспечивать превосходный съем мощности, а также уникальные даже для восьмицилиндрового двигателя плавность хода и эксплуатационные качества.
Большей мощности из меньшего рабочего объема инженеры Mercedes-Benz добились в случае двигателя V8, прежде всего, за счет использования двух турбонагнетателей – по одному на каждый ряд цилиндров. Они закачивают воздух в восемь камер сгорания, создавая избыточное давление до 0,9 бар. При этом турбинные и компрессорные колеса вращаются с частотой до 150 тыс. оборотов в минуту. Турбонагнетатели и часть их конструкции, соединенная с выпускным трактом, устанавливаются снаружи на головках блоков цилиндров. Тем самым модуль охлаждения наддувочного воздуха, включающий в себя воздушно-водяной охладитель и распределитель наддувочного воздуха, удалось разместить внутри угла, образованного рядами цилиндров.
Турбонагнетатели выполнены таким образом, что они обеспечивает высокий уровень крутящего момента уже при низких оборотах двигателя: прирост крутящего момента в районе 2 000 об/мин составил, по сравнению с предшествующей версией двигателя, более 45 процентов. Таким образом, в диапазоне между 1 600 и 4 700 об/мин, водителю становятся доступны впечатляющие 600 Н∙м.
В основе конструкции силового агрегата – усовершенствованный (по сравнению с предыдущей версией двигателя) картер из литого под давлением алюминия с литыми гильзами цилиндров, выполненными из силитека (Silitec, сплав кремния с алюминием). Диаметры рамных и шатунных шеек оставлены такими же, как и у предшествующей версии двигателя, а высота головки поршня увеличена почти на четыре миллиметра – в связи с повышением нагрузки. При этом удалось сохранить высоту крышки картера – за счет уменьшения хода поршня и укорачивания шатуна на два миллиметра. Примечательно, что с таким же высоким коэффициентом сжатия (10,5 : 1), как и у атмосферного предшественника, новый битурбированный агрегат V8, демонстрирует более высокую экономичность при использовании бензина марки «Супер» (с октановым числом 95).
Двигатель V6 особенно впечатляет своей экономичностью
Новый силовой агрегат V6 – в отличие от нового V8 – представляет собой атмосферный двигатель, который, однако, благодаря применению модульного принципа позволит в будущем использовать вместе с собой один турбонагнетатель. Самым примечательным отличием нового двигателя V6 от его предшественника является изменившийся угол между рядами цилиндров: он уменьшен с 90 до 60 градусов. Тем самым удалось избежать использования уравновешивающего вала для компенсации колебаний первого порядка. В результате водители отмечают великолепный уровень комфорта.
Кроме того, для двигателя V6 была разработана абсолютно новая система впуска воздуха и выпуска ОГ в сочетании с резонансным впускным газопроводом и оптимизацией условий на стороне впуска и выпуска. Благодаря этому двигатель из 3499 см3 рабочего объема «выжимает» бóльшую мощность – 225 кВт (306 л. с.), особенно на фоне предшествующей версии двигателя, работавшей под капотом автомобиля S-Класса и дававшей при том же рабочем объеме 200 кВт (272 л. с.). Крутящий момент возрос с 350 до 370 Н∙м и доступен теперь в диапазоне между 3 500 и 5 250 об/мин.
Особо отметить хочется уменьшившийся расход топлива. Модель S 350, оснащенная новым силовым агрегатом V6, обходится 7,6 л на 100 км пути, то есть расходует на 24 процента меньше топлива, чем ее предшественница (10,0 л на 100 км). Таким образом, обновленный двигатель V6 при сопоставимой мощности задает новый ориентир для своего сегмента (по предварительным данным).
Инновационные технологии делают агрегаты V6 и V8 конкурентоспособными в будущем
У новых двигателей V6 и V8 Mercedes-Benz картер, поршни и головка блока цилиндров выполнены из алюминия. А коленчатый вал, шатуны и клапаны изготовлены из особой кованой стали.
Существенного повышения экономичности специалисты Mercedes-Benz сумели добиться за счет применения инновационных технических решений – в частности, новой системы непосредственного бензинового впрыска третьего поколения со струйным управлением сгоранием рабочей смеси и многоступенчатым впрыском. На примере нового поколения двигателей с V-образным расположением цилиндров специалисты Mercedes-Benz хотят показать, что потенциал двигателей внутреннего сгорания при последовательном их совершенствовании все еще велик и что даже агрегаты V6 и V8 сумеют сохранить свою конкурентоспособность, учитывая их превосходные технические свойства.
В конструкции двигателей нового поколения, среди прочего, применяются уникальные сочетания определенных инновационных решений:
• Усовершенствованная технология высокоточного непосредственного впрыска третьего поколения со струйным управлением сгоранием и пьезоинжекторами в сочетании с зажиганием рабочей смеси несколькими последовательными искровыми разрядами свечи открывает новые возможности для уменьшения расхода топлива: в случае двигателя V8 – за счет оптимизации однородного сгорания рабочей смеси, а в случае двигателя V6 – за счет нового метода послойного сжигания с существенно расширенным диапазоном параметров и сжиганием обедненной смеси.
• В сочетании с системой старт-стопа, смещением точек переключения и последовательным уменьшением мощности трения расход топлива удалось сократить более чем на 20 процентов.
• Потребление мощности вспомогательными агрегатами было снижено. Здесь стоит упомянуть оптимизированный водяной насос с системой тепловой регуляции 2-го поколения, регулируемый масляный насос, регулируемый топливный насос высокого давления, а также интеллектуальное управление генератором.
Кроме того, за счет последовательного применения облегченных конструкций и глубокой, детальной оптимизации компонентов двигателя, удалось существенно уменьшить трение в нем, особенно, по сравнению с его предшественником.
Система непосредственного впрыска третьего поколения
Система непосредственного впрыска со струйным управлением сгоранием рабочей смеси, которую первыми в мире на серийной основе начали получать именно легковые автомобили Mercedes-Benz, была усовершенствована инженерами штутгартской марки таким образом, что в итоге вышло третье ее поколение. Давление в системе, способное достигать 200 бар, в зависимости от параметров, регулируется до оптимального уровня. Полностью заново разработанные пьезоинжекторы для оптимального смесеобразования на каждый впуск обеспечивают до пяти впрыскиваний.
Кристаллическая структура пьезокерамических элементов изменяется под электрическим напряжением в течение микросекунд и с точностью в несколько тысячных миллиметра. Центральным элементом пьезоинжектора является столбик из тонких слоев пьезокерамики, который непосредственно управляет форсуночной иглой. При скорости срабатывания всего 0,1 миллисекунды впрыск топлива может очень тонко и точно регулироваться в зависимости от конкретной нагрузки и числа оборотов, что положительно влияет на уровень выбросов, расход топлива и шумы при сгорании.
Многоступенчатый впрыск, в т. ч. мельчайшими дозами, ставший возможным благодаря пьезоэлектрической технологии, инженеры Mercedes-Benz использовали для того, чтобы новое поколение V-образных двигателей могло работать с бóльшим дипазоном параметров в рамках эффективного сжигания обедненной рабочей смеси и чтобы обеспечить двигателям новые эксплуатационные режимы:
• Первым новым режимом эксплуатации, разработанным инженерами Mercedes-Benz, стал HOS (от нем. Homogen-Schicht = однородный-послойный). Режим HOS, как следует из составляющих его понятий, представляет собой комбинацию из сжигания однородной обедненной смеси и классического послойного сжигания. При этом первое впрыскивание осуществляется в такт впуска, после чего образуется однородная базовая смесь. Послойный же впрыск происходит в момент хода сжатия перед зажиганием и, в зависимости от параметров, может быть однократным либо двухкратным.
• Еще одним новым эксплуатационным режимом стал режим под названием HSP (от нем. Homogen-Split = однородный-разделенный) При данном методе сжигания однородной смеси свыше 95 процентов ее объема впрыскивается такт впуска за один либо несколько раз и используется небольшое «зажигающее» впрыскивание для стабилизации процесса горения. Данный режим применяется в условиях, затрудняющих горение.
Таким образом, диапазон рабочих параметров нового двигателя V6 Mercedes-Benz можно по сути разделить на четыре участка:
- почти холостой ход - сжигание однородной смеси
- низкий уровень частичных нагрузок – до 4 бар и 3 800 мин—1 - послойное сжигание
- средний уровень частичных нагрузок – от 4 до 8 бар и до 4 000 мин—1 - HOS
- высокие нагрузки и весь диапазон оборотов - сжигание однородной смеси либо HSP.
В случае двигателя V8 во всем диапазоне рабочих параметров используется сжигание однородной смеси, а при больших нагрузках для повышения плавности хода применяется либо режим сжигания однородной смеси либо HSP.
Оптимальное зажигание рабочей смеси с помощью нескольких последовательных искровых разрядов свечи
Систему непосредственного впрыска 3-го поколения дополняет «быстрое зажигание рабочей смеси несколькими последовательными искровыми разрядами свечи», в английском языке обозначаемое аббревиатурой MSI (Multi-Spark Ignition = многоискровое зажигание). Работает оно следующим образом: после первого пробоя искры и кратковременного горения катушка очень быстро заряжается и дает следующую искру. Благодаря системе MSI в течение одной миллисекунды может быть сгенерировано в быстрой последовательности до четырех искр, которые формируют плазму с бóльшим, чем у традиционного зажигания, пространственным распространением. Через функцию управления быстрым зажиганием несколькими последовательными разрядами для конкретной рабочей точки могут оптимально настраиваться как интервал между разрядами, так и время горения смеси. Тем самым создаются условия для оптимального расположения центра горения, и повышается толерантность к остаточным газам, прежде всего, в режиме послойного смесеобразования. За счет этого появляется возможность уменьшить расход топлива примерно на два процента.
Благодаря одному только использованию пьезоэлектрической технологии впрыска в сочетании с зажиганием рабочей смеси несколькими последовательными искровыми разрядами свечи, в зависимости от ездового цикла можно экономить до четырех процентов топлива.
Головка блока цилиндров с новым регулятором распределительного вала
Опираясь на архитектуру предшествующей версии двигателя, инженеры Mercedes-Benz разработали новые бесступенчатые лопастные гидравлические регуляторы распределительного вала для стороны впуска и выпуска. Диапазон регулировки велик: он составляет 40 градусов по отношению к коленчатому валу. Кроме того, им удалось улучшить функциональность этих регуляторов, повысив на 35 процентов скорость их быстродействия и обеспечив возможность регулировки при более низком (на 0,4 бар) давлении масла. Несмотря на такое улучшение характеристик, новая разработка отличается существенно бóльшей компактностью и меньшей массой. Это позволило уменьшить монтажное пространство в районе двигателя – примерно на 15 мм по продольной его оси и на столько же по вертикальной.
Двухступенчатый цепной привод для уменьшения шума
Очень компактная конструкция регулятора распределительного вала – заслуга нового двухступенчатого цепного привода. С его помощью через первичную цепь и промежуточную шестерню в движение приводятся две короткие вторичные цепи – по одной на каждый ряд цилиндров. Все три цепи могут настраиваться по отдельности – с помощью соответствующих натяжителей. В результате мы имеем меньшее усилие натяжение и не столь высокую динамику цепей. Это обеспечивает стабильность фаз газораспределения и превосходные акустические характеристики на фоне уменьшившейся мощности трения. Одним словом, новый цепной привод отличается компактностью и минимальным шумом в работе.
Регулирующийся масляный насос с двумя уровнями давления
Четвертая цепь приводит в движение плавно регулирующийся лопастной масляный насос, также являющийся абсолютно новой разработкой. Он работает с двумя уровнями давления, в зависимости от рабочих параметров. При низкой частоте оборотов и нагрузке насос работает с низким уровнем давления (2 бар). Одновременно отключаются масляные форсунки охлаждения поршней. Высокий уровень давления задействуется в режиме высоких оборотов и нагрузок. Благодаря такому принципу управления насосом, точки смазки и охлаждения двигателя могут – в зависимости от нагрузки и числа оборотов двигателя – обходиться существенно меньшей приводной мощностью, чем в случае нерегулирующегося насоса.
Новое жидкостное охлаждение и 3-фазная тепловая регуляция
Полностью заново выполнено также жидкостное охлаждение головки блока цилиндров. В целях гидродинамической оптимизации водяная подушка сделана двухсекционной. Это позволяет целенаправленно повышать скорость потока и увеличивать отвод тепла при одновременном уменьшении падения давления во всем контуре жидкостного охлаждения. Тем самым, несмотря на повысившуюся мощность двигателя, удалось уменьшить расход энергии на привод водяного насоса.
Поток охлаждающей жидкости в фазе прогрева регулируется системой трехфазной тепловой регуляции, чтобы быстро достичь уровня рабочей температуры. Сначала жидкость находится в двигателе. Затем она начинает циркулировать по контуру охлаждения двигателя, не заходя в радиатор автомобиля. По достижении температуры в 105 градусов Цельсия в стандартном рабочем режиме (87 градусов – в режиме высокой нагрузки) в процесс, наконец, включается радиатор водяного охлаждения. Система отопления салона, подключается независимо от этого.
Кроме того, за счет последовательного применения пластика вместо алюминия и стали, например, в конструкции термостата, ременного шкива, крана подвода жидкости к отопителю и гидравлических трубопроводов, удалось уменьшить массу отдельных компонентов системы жидкостного охлаждения.
Система старт-стоп с функцией непосредственного запуска
Новая система старт-стоп работает с функцией непосредственного запуска, поддерживаемой стартером. Это означает, что при выключении двигателя, положение коленчатого вала фиксируется инновационным датчиком, так что электронный блок управления двигателем знает, в каком положении находятся конкретные поршни. Тем самым система управления двигателем при повторном его запуске может, в первую очередь, зажечь смесь именно в том цилиндре, который находится в оптимальном для этого состоянии. Поэтому после краткого проворачивания двигателя стартером там могут быть сразу же обеспечены надежный впрыск, зажигание и сгорание рабочей смеси.
Минимизация трения
Работая над модернизацией обоих силовых агрегатов, инженеры особое внимание уделили уменьшению трения. Добиться этого им удалось, прежде всего, за счет регулировки пропускной способности масляного и водяного насосов, оптимизации поршней, поршневых колец и зеркал цилиндров на трение, а также за счет новой тепловой регуляции и нового цепного привода.
Конкурентоспособность на будущее – благодаря использованию модульного подхода
Новые V-образные двигатели Mercedes-Benz обладают серьезным потенциалом на будущее. Их можно сочетать не только с системами старт-стопа, но и с системой полного привода 4MATIC, а также использовать при создании гибридных приводов. Новые двигатели удовлетворяют экологическим нормативам всех стран мира. Кроме того, использование непосредственного впрыска 3-го поколения с пьезоинжекторами позволит данным двигателям укладываться в рамки нормативов – даже при дальнейшем их ужесточении.
news.mercedes-benz.ru
