Сажа и копоть уходят в прошлое. Современные дизельные автомобили отличаются бесшумностью, экологичностью и высокими скоростями.
8-цилиндровый двигатель BMW
Система Common Rail, разработанная фирмой Bosch, снабжена топливным резервуаром высокого давления, из которого топливо поступает на отдельные инжекторы
От 6-цилиндрового двигателя на Mercedes Е-класса или 8-цилиндрового V-образного двигателя на BMW 7 серии принято ожидать ровной и тихой работы. А вот от дизеля такого никто не ждет. И все же это дизельные двигатели! Куда же делись привычные прежде шум и тряска? Теперь с водительского места не слышно рокота, и понять, что двигатель включен, можно только взглянув на тахометр!
В поисках максимальной эффективности использования топлива мир обращает взоры на газо-электрические гибриды и водородные топливные элементы. Однако научные исследования показывают, что дизельный двигатель способен выйти на такие же и даже лучшие показатели, чем топливные элементы, и почти догнать бензиновый гибрид типа Toyota Prius. Детальные сравнительные исследования общего потребления энергии проводились General Motors, Массачусетским Технологическим Институтом (MIT) и Университетом провинции Альберта (Канада). Ученые из MIT спроецировали развитие двигателей до 2020 года и пришли к выводу, что дизель по возможностям намного превосходит водородные топливные элементы и даже гибридные газо-электрические автомобили!
В Европе дизельные машины чрезвычайно популярны. Не исключено, что вскоре аналогичная ситуация сложится и в США, где любят большие машины, автоматические коробки передач и бензиновые движки. На сегодня единственная компания, которая ввозит в США легковые автомобили с дизельными двигателями, — Volkswagen. Сейчас здесь продаются только модели VW Jetta/Golf/Beetle с 1,9-литровым 4-цилиндровым дизельным двигателем с турбонаддувом и прямым впрыском топлива (TDI). VW намерен поставить на Passat более продвинутый 2-литровый дизель, а также рассматривает возможность установки на внедорожник Touareg 5-литрового 10-цилиндрового V-образного дизельного мотора мощностью 308 л.с. с крутящим моментом 745,8 Нм.
Однако скоро демонстрацию возможностей дизеля начнет и Daimler Chrysler. Дизельные машины фирмы будут продаваться в будущем году в экспериментальных объемах. Это означает, что в продажу попадет по несколько тысяч Jeep Liberty 2.8 Four и Mercedes Е-класса с 3,2-литровым двигателем с однорядным расположением 6 цилиндров. Думают над этим и другие компании. Возможно, будет принято решение об установке дизельного двигателя на Ford Focus. 4-литровый V-образный 8-цилиндровый дизель BMW попадет в Америку не скоро.
У дизеля нет свечей зажигания. Зато у него очень высокий коэффициент сжатия — примерно в два раза выше, чем у бензинового ДВС. Поэтому в такте сжатия создаются высокая температура и давление. В камеру сгорания впрыскивается уже готовая к взрыву смесь, которая воспламеняется из-за температуры, вызванной сжатием. В отличие от бензиновых двигателей с дроссельной заслонкой для регулировки подачи воздуха, дизель такой заслонки не имеет. Он постоянно всасывает весь доступный воздух, не расходуя энергию на забор воздуха через полузакрытую заслонку. Показатели (в границах степени сжатия) зависят от объема впрыскиваемого топлива, поэтому дизель может выдавать высокий крутящий момент при сравнительно низких оборотах. Надавив на педаль газа, мы даем команду инжекторам впрыскивать больше топлива. На турбодизелях мы еще и заставляем систему турбонаддува нагнетать дополнительный воздух. Двигатель выходит на чудовищные показатели крутящего момента, когда на тахометре нет еще и двух тысяч оборотов. Бензиновый двигатель воспламеняет смесь воздуха с бензином в пропорции 15:1. Дизельный может работать на смеси, обедненной до соотношения 100:1.
Несмотря на современный уровень развития дизельных технологий, этот тип двигателя все еще считается недостаточно экологичным. Например, жесткие требования штата Калифорния к содержанию вредных веществ в автомобильном выхлопе не позволяют осуществлять торговлю дизельными машинами на территории штата. В 2004 г. значительно ужесточится и федеральное законодательство США. Предельное содержание твердых частиц (сажа) и оксидов азота (NOх) с 2004 по 2010 годы будет серьезно ограничено, и требования вступают в полную силу с 2007 г. Аналогичные меры предпринимаются в Европе, так что конструкторам есть над чем задуматься.
Серьезную проблему представляет образование больших объемов NOх из-за высоких температур при сгорании смеси в дизельном двигателе. Для эффективного сокращения числа твердых частиц и NOх требуется дополнительная обработка выхлопа. Однако разработка большинства технологий для такой очистки находится в начальной стадии.
Другой проблемой, стоящей перед дизельными автомобилями, является качество топлива. Нефтеперерабатывающие компании сосредоточены на производстве высокооктанового бензина, а дизельное топливо производится из того сырца, который остается. Вице-президент Chrysler Бернард Робертсон говорит, что в США самое плохое дизтопливо в мире. Очевидно, он не очень хорошо знаком с соляркой, продающейся на российских заправках… Дизельному двигателю нужно топливо с высоким цетановым, а не октановым, числом, чтобы он хорошо заводился и в нем поддерживалось устойчивое сгорание. Европейское цетановое число составляет несколько больше 50, а в Америке оно едва превышает 40. Это влияет на все аспекты регулировки дизеля и удлиняет время пуска — и увеличивает вредные выбросы.
Содержащаяся в топливе сера участвует в смазке подвижных частей мотора, но является источником неприятного запаха в выхлопе. А при нынешнем содержании в топливе она абсолютно несовместима с требующейся технологией дополнительной очистки выхлопа. Новые стандарты требуют серьезно сократить содержание серы — со среднего показателя 300 частиц на миллион до 15 частиц к 2006−2007 гг.
Качество работы двигателя зависит от системы впрыска топлива. VW сегодня использует механическую систему с двумя импульсами на рабочий такт. В системах будущего будет использоваться электронный контроль импульсов инжекторов высокого давления. Топливный инжектор соленоидного типа способен обеспечить до 5 импульсов на один такт. Пьезоэлектрический инжектор обеспечивает 10.
Сейчас весьма популярной стала разработанная компанией Bosch технология common rail — питательная система с общей топливной рампой и аккумулятором давления. Насос высокого давления подает топливо в накопитель трубообразной формы. Это означает, что при любом числе оборотов каждый инжектор будет получать максимальное давление. Сегодня у Bosch это приблизительно 1820 кг/кв.см, а скоро будет 2100 кг/кв.см. Чем выше давление, тем меньше можно делать диаметр форсунки инжектора, уменьшая тем самым объем импульса и достигая большей распыленности топлива.
В сочетании с более частыми, стратегически правильно рассчитанными импульсами во время каждого впрыска в такте сжатия это даст более полное сгорание. Несмотря на пять лет успешной работы common rail, VW предпочитает другую систему впрыска топлива от Bosch — насос-инжектор на каждый цилиндр. Настройка сопоставима с аккумулятором давления и создает несколько более высокое пиковое давление. Однако общая для всех цилиндров топливная рампа имеет больший потенциал устойчивой работы.
Проблемой для дизельного двигателя всегда был холодный пуск, при котором помогали специальные свечи для подогрева воздушно-топливной смеси. Новые свечи накаливания от Bosch достигают температуры около 1200o С менее чем за 2 секунды, поэтому предварительный минутный прогрев дизелей в холодную погоду уже в прошлом.
У нынешних дизельных моторов не только низкий выброс углеводорода и окиси углерода, но и большое содержание воздуха в выхлопе, что может улучшить работу каталитического конвертера окислительного типа. Лучшие результаты показывают способы обработки выхлопа, где задействованы уловители, которые следует периодически заменять. Когда пропускная способность уловителя снижается (примерно после 150 км пути), производится впрыск в него небольшого количества топлива, поднимающий температуру в уловителе. Накопившаяся сажа сгорает примерно за 15 минут, рассказывает Гэри Смит из подразделения трансмиссии General Motors.
PSA Peugeot Citroen для экономии горючего впрыскивает раствор церия, снижая температуру сгорания. Но это дополнительная головная боль для автомобилиста — раствор периодически заканчивается и его запас следует обновлять. GM проводит эксперименты с каталитическим покрытием, рассказывает Смит, которое будет работать весь срок службы машины.
Однако образование NOх остается серьезной проблемой, так как 3-уровневые каталитические нейтрализаторы бензиновых двигателей на дизельных не работают. Неплохо помогает рециркуляция выхлопных газов, когда в систему включен охладитель для понижения температуры выхлопа. Это снижает пиковые температуры, при которых образуются оксиды азота. Возможно, в решении проблемы может помочь калибровка топливной системы и турбонагнетателя, а также изменение формы входного отверстия и камеры сгорания для обеспечения более равномерного сгорания.
Сейчас идет разработка двух систем дополнительной обработки выхлопа, где проблема NOх решается. Обе системы используются в промышленных целях. Однако установка их на легковой автомобиль проблематична.
Одна система называется SCR (Selective catalytic reduction), избирательное каталитическое сокращение вредных веществ. Она основана на впрыске раствора, содержащего мочевину (готовое соединение на основе аммиака). В сочетании с особым катализатором в выхлопной системе SCR разлагает NOх на азот и воду, не вызывая дополнительного расхода топлива.
Другая возможность — это абсорбент NOх, также носящий название «обеднитель NOх». Газы оседают на поверхности абсорбента в виде нитратов. Когда уловитель «наполняется», происходит впрыск топлива. Это приводит к каталитической реакции: нитраты разлагаются на азот и воду.
Однако даже без этих устройств современный дизель не похож на своего предшественника двадцатилетней давности. Чадящие и вибрирующие «дизеля» остались в прошлом.
Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№3, Март 2004).www.popmech.ru
Довыдовский В. А. Современные дизельные двигатели. Топливная система // Молодой ученый. 2016. №29. С. 73-75. URL https://moluch.ru/archive/133/37172/ (дата обращения: 17.07.2018).
Топливная система предназначена для питания двигателя автомобиля топливом, а также его хранения и очистки.
Конструкция топливной системы автомобиля включает топливный бак, топливный насос, топливный фильтр,систему впрыска, которые последовательно соединены топливопроводами.
Топливная система бензинового и дизельного двигателей имеет, в основном, аналогичное устройство. Принципиальные отличия имеет система впрыска.
Наиболее современной системой топливоподачи для дизельных двигателей является система непосредственного впрыска СOMMON RAIL. Рассмотрим подробнее её устройство.
Она характеризуется впрыском топлива в цилиндр под высоким атмосферным давлением, благодаря чему снижается расход топлива, а мощность двигателя вырастает.
Это не все достоинства. Было отмечено уменьшения шума при работе двигателя, притом, что крутящий момент дизеля был увеличен. Благодаря своему преимуществу, система впрыска Common Rail приобрела широкую популярность, и на данное время, каждый второй автомобиль сдизельным двигателемоснащен этой системой впрыска.
К недостаткам системы относят более высокие требования к качеству дизельного топлива. При попадании мелких посторонних частиц в топливную систему, которая выполнена с большой точностью, управляемые электроникой форсунки могут выйти из строя. Поэтому в дизелях Common Rail использование качественного топлива является обязательным условием.
Принцип работы
Принцип работы основан на подаче топлива к форсункам от общего аккумулятора высокого давления — топливной рампы. Давление в топливной системе создается и поддерживается независимо ни от частоты вращения коленчатого вала двигателя, ни от количества впрыскиваемого топлива. Сами форсунки впрыскивают топливо по команде контроллера блока EDC, посредством встроенных в них магнитных соленоидов, активация которых, происходит с блока управления.
Особенностью системы Common Rail стало использование аккумуляторного узла, который содержит распределительный трубопровод, линии подачи топлива и форсунки. ЭБУ по заданной программе передает управляющий сигнал к соленоиду форсунки, которая подает топливо в камеру сгорания двигателя. Использование здесь принципа разделения узла, создающего давление, и узла впрыскивания обеспечивает повышение точности управления процессом сгорания, а также увеличение давления впрыскивания
Рис. 1. Принципиальная схема системы CRDI
Устройство системы
Common Rail состоит из трех основных частей: контура низкого давления, контура высокого давления и системы датчиков. В контур низкого давления входят: топливный бак, подкачивающий насос, топливный фильтр и соединительные трубопроводы.
Контур высокого давления состоит из насоса высокого давления (заменяющего традиционный ТНВД) с контрольным клапаном, аккумуляторного узла высокого давления (рампы) с датчиком, контролирующим в ней давление, форсунок и соединительных трубопроводов высокого давления. Аккумуляторный узел представляет собой длинную трубу с поперечно расположенными штуцерами для подсоединения форсунок и выполнен двухслойным.
Электронный блок управления Common Rail получает электрические сигналы от следующих датчиков: положения коленвала, положения распредвала, перемещения педали «газа», давления наддува, температуры воздуха, температуры охлаждающей жидкости,массового расхода воздухаи давления топлива. ЭБУ на основе полученных сигналов вычисляет необходимое количество подаваемого топлива, дает команду на начало впрыска, определяет продолжительность открытия форсунки, корректирует параметры впрыска и управляет работой всей системы.
В контуре низкого давления подкачивающий насос засасывает топливо из бака, пропускает его через фильтр, в котором задерживаются загрязнения, и доставляет его к контуру высокого давления.
В контуре высокого давления насос высокого давления подает топливо в аккумуляторный узел, где оно находится при максимальном давлении 135 Мпа с помощью контрольного клапана. Если контрольный клапан насоса высокого давления открывается по команде ЭБУ, топливо от насоса по сливному трубопроводу поступает в топливный бак. Каждая форсунка соединяется с аккумуляторным узлом отдельным трубопроводом высокого давления, а внутри форсунки имеется управляющий соленоид (электромагнитный клапан).
При получении электрического сигнала от ЭБУ, форсунка начинает впрыскивать топливо в соответствующий цилиндр. Впрыск топлива продолжается, пока электромагнитный клапан форсунки не отключится по команде блока управления, который определяет момент начала впрыска и количество топлива, получая данные от датчиков и анализируя полученные значения по специальной программе, заложенной в памяти компьютера.
Кроме того, блок производит постоянный контроль работоспособности системы. Поскольку в аккумуляторном узле топливо находится при постоянном и высоком давлении, это дает возможность впрыска небольших и точно отмеренных порций топлива. Появилась возможность впрыска предварительной порции топлива перед основной, что дает возможность значительно улучшить процесс сгорания.
Форсунки CRDI.
Рис. 2. Устройство форсунки
Форсунки включаются по команде контроллера — блока EDC (ЭБУ) посредством магнитного соленоида или пьезоэлемента. Гидравлическая сила давления позволяет открывать и закрывать форсунку, однако активация происходит с блока управления. Если форсунка с пьезокристаллом, то в ней под влиянием магнитного поля кристалл увеличивается в своих физических размерах, мгновенно изменяя гидравлическое равновесие внутри форсунки и тем самым поднимая иглу. В форсунке типа Piezo Inline кристалл находится близко к игле и поэтому в нем не используется механических деталей для поднятия иглы. В ранних системах применялся двойной впрыск — пилотный и основной для предотвращения детонации. В современных системах используется до семи фаз впрыска, в самых современных с поддержкой стандарта Евро 6 и до девяти. Каждая форсунка производится и тестируется в лаборатории, где ей присваивают определенный код по измеренным данным её работы. После замены форсунок код должен быть прописан в память блока управления с помощью сканера.
Основные термины (генерируются автоматически): высокое давление, аккумуляторный узел, CRDI, топливо, топливная система, форсунка, EDC, топливный бак, система, контрольный клапан.
moluch.ru
Появление большого числа новых дизельных легковых автомобилей класс "люкс" невольно заставляет искать причину этого интересного явления. Неужели в начале XXI века бензиновый мотор проиграл дизельному и тихо покинет поле битвы, которая велась особо остро последние 20 лет?
Для того, чтобы познакомиться с последними достижениями конструкторов-дизелистов, освежим в памяти основные технические стороны проблемы.
Впервые дизель на легковой автомобиль установила фирма Daimler-Benz в 1936 году, однако до 1970 года количество выпускаемых в мире дизельных легковушек было ничтожно мало (в 1970 году оно составило 100 тыс. или 0,5 % от всего объема мирового производства легковых машин). Причиной тому была их повышенная на 10-12 % цена, которая не окупалась при относительно малых годовых пробегах. Иное дело такси. Там дизели "прижились" в первую очередь.
В результате нефтяного кризиса в семидесятых годах бензин сильно подорожал, и картина радикально изменилась. В 1977 году выпуск легковых дизельных автомобилей составил 500 тысяч, за семь лет увеличившись в 5 раз! Однако свою роль сыграло не только повышение цены на бензин. Ограничение выброса токсичных веществ, введенное в Европе, привело к усложнению бензиновых моторов и повышению их стоимости. Сегодня доля дизельных легковых автомобилей составляет среди продающихся в странах Европы от 10 до 18 %. Такой большой разброс объясняется значительной разницей в цене бензина и дизтоплива, наблюдаемой в государствах континента. Однако, все идет к тому, что их доля значительно возрастет.
Попробуем сравнить дизель с бензиновым мотором. Трудность распыления "солярки" и смесеобразование в короткие промежутки времени заставляет дизель уступить бензиновому по числу развиваемых им оборотов, что ощутимо снижает удельную мощность. Поскольку давление в камере сгорания у дизеля намного выше, он выполняется более прочным и его удельная масса выше. Нельзя не сказать и о том, что дизель шумнее, особенно на холостом ходу, больше подвержен вибрациям, сложнее (из-за аппаратуры впрыска) и требует более высококвалифицированного персонала при техобслуживании, что удорожает ТО.
Привлекателен дизель тем, что благодаря более высокому, чем у бензинового мотора кпд расход топлива дизельного автомобиля меньше на 25-30 %, соответственно у него больше и запас хода после заправки. Очень важно и то, что крутящий момент такого двигателя выше, особенно на низких оборотах. К тому же цена дизельного топлива значительно ниже, а само топливо менее огнеопасно.
Конструкторы дизелей уже давно борются с его недостатками. В дизелях с двухполостными камерами сгорания ценой некоторого ухудшения экономичности удалось снизить шум, вибрации, повысить число оборотов до 5000 в мин. В них топливо впрыскивается и воспламеняется, как правило, в вихревой камере, из которой поток газов быстро устремляется в основную. Для облегчения запуска зимой вихревую камеру снабжают свечой накаливания, однако большие тепловые потери этого типа дизелей ухудшают кпд, в то время как "растянутость" процесса сгорания по времени делает работу мотора более мягкой и тихой.
Дизели с предкамерой активно начали вытесняться дизелями с непосредственным впрыском топлива в камеру сгорания. Тепловые потери у них меньше, они лучше заводятся зимой (без свечи), но из-за быстрого нарастания давления на поршень более шумны в работе. Организация завихрения воздуха во впускном тракте и в зоне над поршнем привела к очень высоким параметрам их экономичности. Этот тип дизеля в настоящее время рассматривается как единственный перспективный, с недостатками которого нужно бороться, используя современные возможности электроники.
В конце столетия появились новые конструкции дизелей с электронным управлением впрыском, топливными насосами высокого давления, впускными коллекторами переменной длины. Все это вместе взятое позволило добиться еще больших побед в борьбе за экономичность.
Последние достижения дизелестроения связаны с организацией снабжения цилиндров более точно отмеренным и в более оптимальное время поданным количеством топлива. Несколько лет назад появились дизели с непосредственным впрыском топлива в общую топливную магистраль (common rail). В ней постоянно с помощью насоса поддерживается очень высокое давление. По сигналу компьютера электронно-управляемая форсунка впрыскивает в каждый цилиндр топливо, учитывая оптимальные параметры по началу впрыска, его продолжительности и количеству подаваемого топлива. В системе common rail давление, вырабатываемое топливным насосом, также постоянно корректируется электроникой. Результат? Экономия топлива - от 10 до 20 %, рост мощности - до 40 %, уменьшение уровня шума - на 10 % при значительном улучшении экологических показателей.
В 1998 году подобный дизель стал устанавливать на автомобили Peugeot и Citroen концерн PSA. Мотор, обозначаемый аббревиатурой HDI (High Pressure Direct Injection) при рабочем объеме 2,0 л развивает мощность 110 л.с. при 4000 об/мин и максимальный крутящий момент - 250 Нм при 1500 об/мин. Давление подачи в 1350 бар через быстродействующие клапана форсунок с электромагнитным приводом позволяет более точно дозировать соотношение топливо/воздух, меняя его при разных режимах работы мотора. Значительно улучшилось смесеобразование, что отразилось в 20% -ом снижении расхода топлива и в 30%-ом сокращении выбросов вредных веществ.
Однако более мягкой работы на своих новых дизелях удалось добиться концерну Fiat, также применившему подобную систему подачи топлива. Причина успеха заключается в переходе сначала на двухфазный впрыск топлива электронной форсункой, а затем и на многофазный в течение всего процесса горения смеси. Это положительно отразилось и на уменьшении токсичности выхлопа, не говоря уже о некотором повышении кпд дизеля. При работе с полной нагрузкой дизели FIAT с многофазовым впрыском показали также значительное повышение значений крутящего момента.
Достигнутые успехи в дизелестроении позволили по-новому оценить дизель в качестве силового агрегата для легковых автомобилей высокого класса. Интерес знакомства с подобными разработками объясняется тем, что появившись на дорогих моделях, все принципиально новое, в дальнейшем, по мере освоения в массовом производстве переходит на более доступные модели.
Итак, BMW. Эта фирма уже устанавливает на седьмую серию свои новые дизели, сразу попавшие в разряд самых мощных, когда-либо применявшихся на легковых автомобилях. V-образный 8-цилиндровый мотор с жестким блоком из серого чугуна имеет систему впрыска common rail, отличаясь применением двух турбокомпрессоров с поворотными направляющими лопаток турбины и двух интеркулеров. Изменением геометрии турбин руководит электроника. При рабочем объеме 3,9 л его мощность 240 л.с. при 4000 об/мин, максимум крутящего момента 500 Нм достигается при 1500 об/мин. Модель 740d с этим дизелем расходует не более 10 литров топлива на 100 км.
Близкие по конструкции дизели вскоре появятся на самых дорогих моделях Audi, VW и Mercedes-Benz. Даже сейчас дизели, установленные на более дешевых моделях, на голову превосходят аналоги, которые устанавливались 10-15 лет назад. Сейчас дизель - это настоящая альтернатива бензиновому двигателю и у флагманских корпораций явно есть виды на будущее дизельных агрегатов.
Огромные затраты, которые понесли концерны (стоимость разработки мотора HDI концерна PSA - 3 млрд евро) - не выброшены на ветер. Мы явно стоим накануне "дизельной революции". Может быть, в самом деле, дизель окажется самым подходящим двигателем для автомобилей XXI века.
23.06.2015
www.9151394.ru
