Эпоха дизеля

Каковы перспективы развития у дизельных моторов и какие ноу-хау появились в их конструкции? Эти вопросы обсуждали на семинаре, организованном компанией Bosch.

Каковы перспективы развития у дизельных моторов и какие ноу-хау появились в их конструкции? Эти вопросы обсуждали на семинаре, организованном компанией Bosch.

Каковы перспективы развития у дизельных моторов и какие ноу-хау появились в их конструкции? Эти вопросы обсуждали на семинаре, организованном компанией Bosch.

Mестом проведения семинара стал пресс-центр трассы Формулы-1 в Венгрии. И это не случайно. Ведь все чаще дизельные болиды становятся победителями спортивных состязаний (например, Audi R10 в Ле-Мане и в Себринге). И хотя в Ф-1 этот тип двигателя не прижился, в последнее десятилетие дизельные технологии развиваются впечатляющими темпами.

Модификации легковых авто с дизельными моторами составляют половину новых автомобилей, регистрируемых в Европе. Если бы на таких машинах с меньшим в среднем на 30% расходом топлива ездили все автовладельцы только в одной Германии, экономия горючего составила бы более пяти миллиардов литров в год!

В конечном итоге это принесло бы огромную пользу и окружающей среде, так как дизельные двигатели выбрасывают примерно на 25% меньше углекислого газа – источника парникового эффекта. Решили бы и проблему с увеличенным выбросом дизелями частиц сажи и токсичных химических соединений, которые также загрязняют воздух и отрицательно влияют на здоровье человека. В соответствии с нормами Euro 4 (с 2005 года) выбросы сажи снизились на 90%, другие выбросы (угарный газ, окись азота и углеводороды) – на 95% по сравнению с началом 90-х. Вот почему оправдано вкладывание огромных средств в развитие дизельных технологий. Но остается вопрос: как удалось этому типу ДВС соответствовать постоянно ужесточающимся нормам токсичности и при этом не только не проигрывать в тяговитости и экономичности, но и улучшать эти показатели.

Пути к успеху

После того как разработчики систем питания дизелей узнали в начале 90-х о грядущем ужесточении норм токсичности отработавших газов автомобильных двигателей, возник серьезный вопрос – способен ли этот агрегат стать экологически чище. Сразу же стало ясно, что с классической механической системой питания с ее распределительными топливными насосами высокого давления (ТНВД) и гидромеханическими форсунками эту задачу не решить. Такая система устарела и не способна обеспечить высокую точность дозирования и многократную подачу топлива на одном такте сжатия.

Источник проблемы был выявлен, и ученые занялись поиском способов более своевременного впрыскивания топлива, высокоточного дозирования и т. д. В результате разработали два новых типа систем питания – в первом форсунку и плунжерный насос объединили в один узел, а в другом ТНВД начал работать на общую топливную магистраль (Common Rail), из которой топливо поступает на электромагнитные (или пьезоэлектрические) форсунки и впрыскивается по команде электронного блока управления. Но с принятием Евро 3 и 4 и этого оказалось мало, и в выхлопные системы дизелей внедрили сажевые фильтры и катализаторы (см. АЦ № 44’2006).

Каким же образом новые системы наделили способностью выполнять постоянно ужесточаемые требования экологов? Дело в том, что чем выше давление впрыска, тем точнее дозировка порций топлива и лучше качество его распыления, а соответственно – и смешивания с воздухом. В конечном итоге это и способствует более полному сгоранию топливо-воздушной смеси. Использование режима предварительного впрыскивания топлива позволило значительно уменьшить шумность работы дизеля. Существуют и другие способы решения проблем. Для каждой системы они разные.

Насос-форсунки

Насос-форсунки на каждом цилиндре приводятся в действие кулачковым валом. Объединение насоса и форсунки в одном узле существенно уменьшило объем топлива, который находится между плунжером насоса и распылителем. Это позволило снизить погрешности в процессе топливоподачи, которые происходили из-за сжимаемости топлива и колебаний давления в системе при использовании разделенной топливной аппаратуры. Для повышения точности работы насос-форсунок в них встроили электромагнитные клапаны, которые управляются ЭБУ. Максимальное рабочее давление впрыска в данной системе – 2050 бар.

Приверженцем насос-форсунок является концерн Volkswagen, который начал применять данный тип системы питания с 1998 года сначала на моделях VW (TDI), а затем и на Audi. В 1999 году трехцилиндровый VW Lupo стал первым серийным автомобилем с дизельным мотором, в котором показатели отработавших газов соответствовали нормам Евро 4. В настоящее время мощнейшими дизельными моторами V10 TDI с насос-форсунками оснащаются как легковые автомобили, так и внедорожники концерна. Силовые характеристики этого мотора – весьма впечатляющие. Так, в модели Touareg пятилитровый дизель имеет максимальную мощность 313 л. с. (при 3750 об/мин) и крутящий момент – до 750 Нм (при 2000 об/мин).

По мнению некоторых специалистов, более перспективной является система Common Rail, способная более точно управлять процессом впрыскивания.

Common Rail

Система питания Common Rail (CR) используется в дизелях серийных моделей с 1997 года. В ней топливо из общей топливной магистрали высокого давления впрыскивается под давлением 1300–1800 бар. Дозировка определяется электронным блоком управления системы, который учитывает данные целого ряда датчиков – положения педали акселератора, давления в топливной рампе, температурного режима двигателя, его нагрузки и т. п. На основе этих показаний компьютер определяет нужное для работы мотора количество топлива и момент его подачи.

Данный способ топливоподачи имеет ряд преимуществ. Обеспечивается более точная дозировка порций топлива на разных режимах работы мотора. Для оптимизации и смягчения процесса сгорания топливо можно подавать несколькими разными по объему порциями.

Количество вредных веществ при использовании CR сократили за счет более плавного наращивания давления впрыска топлива инжекторами с новой геометрией. Многократная подача топлива за один такт попутно обеспечивает снижение температуры в камере сгорания, при которой уменьшается образование окиси азота.

Сегодня выпускается два типа систем Сommon Rail – с электромагнитными и пьезоэлектрическими форсунками. Последние отличаются высочайшей скоростью срабатывания, обеспечивающей снижение токсичности выхлопа на 20%, а также увеличение мощности, уменьшение расхода топлива и снижение уровня шума. Кстати, в прошлом году инженеры компаний Bosch и Siemens VDO получили премию президента Германии в области инноваций и передовых технологий Deutscher Zukunftspreis за разработку и внедрение технологии пьезоэлектрического впрыска топлива.

Характеристики двигателя во многом зависят от давления впрыска. Уже сейчас оно увеличено до 1800 бар, а к 2007 году повысится до 2000 бар. В 2008 г. в серию будет запущено четвертое поколение Common Rail с давлением впрыска 2500 бар.

Принцип работы дизеля

На современном этапе моторостроения у бензиновых и дизельных моторов появилось очень много общего. Например, топливо впрыскивается непосредственно в цилиндры, дозировка – несколькими порциями, оба оснащены катализаторами и лямбда-зондами, топливоподачей управляет электроника, обрабатывая данные одних и тех же датчиков, и т. д. Но тем не менее работают они по-разному. Способы образования и воспламенения топливо-воздушной смеси – главные отличия бензинового и дизельного двигателей. В бензиновом топливо-воздушная смесь воспламеняется в определенный момент от искрового разряда. В дизеле в цилиндр попадает чистый воздух, который за счет большой степени сжатия (20:1) разогревается до 750°С. Дизтопливо впрыскивается под высоким давлением в камеру сгорания при подходе поршня к верхней мертвой точке. А так как в этом положении воздух уже сильно разогрет, после смешивания с ним происходит воспламенение топлива. Более высокая экономичность дизельного двигателя (в среднем на 30%) по сравнению с бензиновым обусловлена более высоким КПД дизеля (у дизеля – 35–45%, у бензинового – 25–35%).

Фрагменты истории

Дизель, Бош, Нобель Эти три человека, которые вошли в мировую историю, имеют непосредственное отношение к созданию, совершенствованию и продвижению на рынке двигателя, топливо в котором воспламеняется от сжатия. Рудольф Дизель стал создателем этого мотора, который и получил его имя. В отличие от разработчиков двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топливо-воздушной смеси – самоучек Ленуара и Отто, которые шли к цели методом практических опытов, Дизель подходил к проблеме иначе. Он произвел необходимые аналитические и термодинамические расчеты. Систематизировал материал Дизель в 1893 г., в брошюре «Теория и конструкция рационального теплового двигателя, призванного заменить паровую машину и другие существующие в настоящее время двигатели». Патент на «Рабочий процесс и способ воспламенения одноцилиндрового и многоцилиндрового двигателя» был получен Дизелем годом раньше. Таким образом, новый двигатель был готов, но на бумаге: в виде формул и схем. Относительно вопроса, когда дизельный мотор был воплощен в металле, существуют разные версии. По одной, первый в мире двигатель мощностью 2,74 л. с. с воспламенением топлива от сжатия был построен в 1897 г. По другой – первый дизель был изготовлен швейцарской фирмой «Сафир АГ» в 1910 г. Однако первый серийный автомобиль с дизельным двигателем был построен лишь в 1923 г. Одна из попыток Рудольфа Дизеля (в 1908 г.) установить свое изобретение на грузовой автомобиль закончилась неудачей, после чего автор записал в своем дневнике: «впрыск топлива без помощи сжатого воздуха невозможен». Опроверг это утверждение в 1920 году немецкий инженер Роберт Бош, который создал первый многосекционный топливный насос высокого давления. Он заменил воздушный компрессор, который до этого применяли в дизеле. ТНВД позволил увеличить частоту вращения коленвала дизельного двигателя, что и дало возможность массово его использовать в серийных автомобилях. Несмотря на это бензиновые моторы остались на первых позициях и только в 50-х и 60-х годах прошлого столетия дизели стали широко применять в такси и небольших фургонах, а после нефтяного кризиса 70-х годов – и в легковых автомобилях. А какое же отношение к биографии дизельного мотора имеет Альфред Нобель? Дело в том, что этот крупный нефтепромышленник в 70–80 гг. XIX века купил за 30 тыс. марок у Рудольфа Дизеля права на производство и продажу его двигателей в России. Он стал бесплатно (!) предлагать их к изготовлению заводам, формируя таким образом рынок потребителей нефти.

Сегодня системой Bosch Сommon Rail оснащены примерно 23 млн. легковых автомобилей.

Юрий Дацык
Фото Bosch, AFP