Рецепт охлаждения

Оптимизация системы охлаждения является одним из главных факторов снижения количества вредных выбросов и улучшения топливной экономичности, считают инженеры компании Behr. Разрабатывая новые радиаторные пакеты для двигателей Евро-6, производители автокомпонентов уделяют внимание не только повышению эффективности теплообмена, но и уменьшению монтажного пространства и массы

В 2013 году в Европе начинают действовать нормы экологического класса Евро-6. Подобные нормы уже вступили в силу в Японии и США, причем американский стандарт на сегодняшний день даже строже. Но, в отличие от стандартов Евро-3 и Евро-5, маловероятно, что значительно заниженная в Евро-6 предельная величина выбросов может быть достигнута без увеличения расхода топлива. По мнению конструкторов немецкой компании Behr, компенсировать этот негативный тренд можно путем модернизации системы охлаждения, в том числе за счет применения новых компонентов. Во всяком случае, специалисты сходятся в одном: взнос системы охлаждения в топливную экономичность автомобиля становится все более важным.

НА НОВУЮ СТУПЕНЬ

Прежде всего, отметим, что прогнозы, сделанные европейскими экспертами еще в 2008 году насчет прихода технологии EGR (Exhaust Gas Recirculation), уже стали реальностью. Так, абсолютное большинство исполнений Евро-6 на сегодняшний день представляет собой комбинацию из трех элементов: охлаждаемой рециркуляции отработавших газов EGR, избирательной каталитической нейтрализации SCR (Selective Catalytic Reduction) плюс включение в выпускную систему фильтра твердых частиц DPF (Diesel Particular Filter). При этом имеется два принципиальных подхода, согласно которым вышеупомянутые технологии могут быть реализованы в системе выпуска. В одном случае главная роль отводится системе SCR, а технология EGR является вспомогательной. В другом случае все наоборот: основной акцент делается на технологию EGR, при этом конструкция катализатора SCR существенно упрощается и расход реагента AdBlue уменьшается.

Итак, в случае фокусировки на технологии EGR внимание будет сосредоточено на уменьшении образования окислов азота (NOх) непосредственно в камере сгорания. Это достигается за счет рационально организованной охлаждаемой рециркуляции отработавших газов, высокого давления впрыска, а также применения турбонаддува с изменяемой геометрией (VGT) или двухступенчатого наддува с промежуточным охлаждением. Кстати, если говорить о расходе топлива, то с точки зрения экономии наиболее эффективным считается применение так называемого косвенного охлаждения воздуха наддува, где промежуточное охлаждение заряда происходит не в привычном интеркулере, а в водовоздушном теплообменнике, который связан посредством отдельного жидкостного контура с низкотемпературным радиатором. Данное техническое решение позволяет повысить экономичность дизеля на 2% в сравнении с обычной схемой наддува (с прямым охлаждением). Укороченная впускная магистраль, отсутствие дополнительных потерь давления и высокая динамика воздушного потока позволяют инженерам подстраивать характеристики силового агрегата в сторону снижения потребления топлива. Более того, такая система косвенного охлаждения воздуха наддува может еще и расширить свой функционал, например за счет включения в свой оборот «холодной» ступени теплообменника EGR. Получаемое при этом снижение температуры сгорания способствует уменьшению содержания NOx, а это в свою очередь позволяет конструкторам улучшить не только экологичность, но и экономичность турбодизеля (экономия при таком раскладе может составить от 1,5 до 2%).

Все вышеизложенное, разумеется, оказывает непосредственное влияние на конструкцию компонентов системы охлаждения. Нас же сегодня интересует, какими критериями руководствуются разработчики при проектировании этих компонентов. Таких критериев несколько. Во-первых, учитывается увеличение количества тепла, подлежащего рассеиванию посредством системы охлаждения. Для примера достаточно сказать, что теплообменник системы EGR 360-сильного дизеля отдает порядка 100 кВт тепловой мощности в окружающую среду через систему охлаждения. Но рост теплообмена должен быть подкреплен увеличением производительности вентилятора и водяного насоса. При этом желательно чтобы потребляемая ими мощность оставалась на прежнем уровне или уменьшалась.

Принцип работы муфты вентилятора E-Visco — передача крутящего момента за счет внутреннего трения

Во-вторых, надо принимать в расчет повышенную нагрузку на радиатор, возникающую вследствие увеличения давления в системе охлаждения (по причине использования более мощного водяного насоса) и повышения рабочей температуры теплоносителя.

Наконец, следует учитывать повышение давления и температуры воздуха наддува. Скажем, использование технологии EGR означает увеличение давление наддува до 4 бар (ранее до 3,5 бар) и температуры до 240 градусов (ранее до 200 градусов), в результате возникает дополнительная нагрузка на промежуточный охладитель.

Большинство исполнений Евро-6 представляют собой комбинацию рециркуляции отработавших газов EGR с технологией избирательной каталитической нейтрализации SCR и фильтром твердых частиц DPF

Выполнить эти и ряд других важных условий, необходимых для обеспечения надежной защиты современного двигателя от перегрева, возможно только с помощью эффективной и высокопроизводительной системы охлаждения, насыщенной целой обоймой доработанных и усовершенствованных компонентов. В чем же новизна этих компонентов? Попробуем разобраться.

ЖАРОПОНИЖАЮЩИЕ СРЕДСТВА

Прежде всего, следует упомянуть новое поколение теплообменников, проектируемых с использованием метода числового моделирования течений. Только за счет изменения формы ребер на активной поверхности сот (цель — усиление турбулентности) конструкторам удалось улучшить показатель перепада температур на горячей и холодной сторонах теплообменника на 50 °К при исходных габаритах узла. Среди прочих достоинств новых теплообменников EGR — эффект самоочистки, благодаря которому система сохраняет высокую эффективность даже после продолжительной эксплуатации.

Производство компонентов системы охлаждения становится все более наукоемким бизнесом

Достойно внимания и новое поколение радиаторов для Евро-6. Оно отличается уменьшенной толщиной (на 12 мм тоньше, чем у прежних конструкций), что позволяет конструкторам модернизировать основной блок радиаторного пакета. В частности, не меняя наружные габариты узла, есть возможность несколько увеличить расстояние между радиатором и вентилятором, что в итоге даст возможность усилить поток воздуха, проходящего через радиатор.

Теперь вкратце о современном поколении вентиляторов. Оно получило улучшение по двум направлениям — по показателям массового расхода воздуха и по снижению уровня внешнего шума. Все это стало возможным за счет изменений, внесенных в конструкцию ступицы и лопастей вентилятора. Причем больший диаметр лопастей вентилятора, требуемый для соответствия параметрам Евро-6, был получен практически без увеличения массы узла. Благодаря специальной интеграции вентилятора в радиаторный пакет улучшено взаимодействие с естественным воздушным потоком. При этом система управления, внедренная в ступицу вентилятора, позволяет осуществить бесступенчатое регулирование его частоты вращения в строгом соответствии с температурой воздушного потока. Это позволяет не только сократить затраты мощности на привод, но и существенно снизить уровень шума.

Подача вентилятора зависит от диаметра, числа, угла и наклона лопастей и частоты вращения его вала

Чтобы правильно понимать влияние системы охлаждения на сокращение расхода топлива, необходимо учесть еще и аэродинамику автомобиля. В зависимости от типа транспортного средства, негативный вклад системы охлаждения в повышение аэродинамического сопротивления может составлять от 5 до 10%. Взять, к примеру, междугородные перевозки. При движении по автомагистрали порядка 40% расхода топлива является результатом влияния сопротивления воздуха, и от 2 до 4% этого расхода берет на себя система охлаждения двигателя. С увеличением тепловой нагрузки есть вероятность того, что вентилятор, вносящий на сегодняшний день минимальную лепту в увеличение расхода топлива, может включаться чаще, что приведет к увеличению расхода топлива.

Интеркулер грузовика должен выдерживать давление до 4 бар и температуру до 240°

Казалось бы, есть возможность облегчить работу вентилятора за счет увеличения площади радиатора, но это может негативно отразиться на общей аэродинамике автомобиля. И вот вам типичный пример, когда аэродинамическая оптимизация кабины приобретает особое значение. При верном решении исходной задачи за счет более эффективного использования естественного воздушного потока в сочетании с особым размещением вентилятора (которое не только усилит входной и выходной потоки вентилятора, но и предотвратит паразитные завихрения) негативный вклад компонентов системы охлаждения в увеличение расхода топлива может быть сокращен до минимума.

Разрабатывая новые радиаторные пакеты для двигателей Евро-6, производители автокомпонентов уделяют внимание не только повышению эффективности теплообмена, но и уменьшению монтажного пространства и массы

В общем, благодаря применению современных новаций конструкторам удалось добиться того, что расход топлива в автомобилях, соответствующих нормам Евро-6, стал примерно на 3% меньше, чем у машин, оснащенных обычной системой охлаждения.

Однако эксперты считают, что оптимальные параметры экономичности еще не достигнуты и представителям автокомпонентной индустрии еще есть над чем поработать.