Мы живем в эпоху не просто перемен, а перемен очень быстрых. Вот, к примеру, дизели – символ всей тяжелой техники и коммерческого транспорта, в частности. Изобретенный более 120 лет назад чудо-мотор с воспламенением топлива от сжатия воздуха в цилиндре всегда славился надежностью и, прежде всего, экономичностью. Но нет предела совершенству.
Михаил Бирюков
Вначале немного теории. Вы когда-нибудь накачивали велосипедную шину? Если да, то наверняка ощущали рукой, как нагревается насос уже после нескольких энергичных движений. Такова физика процесса: быстрое сжатие любого газа вызывает повышение его температуры. Велосипедный насос, как нетрудно заметить, состоит из цилиндра и поршня внутри, то есть напоминает двигатель. Если же сделать эти детали попрочнее, и сжать воздух быстро, почти ударом, то его температура мгновенно поднимется очень высоко.
ДВИГАТЕЛЬ С САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕМ
Этот эффект был известен еще в ХIХ веке. Именно тогда (1893 г.) немецкий инженер Рудольф Дизель создал двигатель с воспламенением от сжатия, названный благодарными потомками его именем. Поршень в таком двигателе сжимает в цилиндре не горючую смесь, а чистый воздух. Камера сгорания очень небольшого объема, и размещается она в углублении толстого днища поршня, а не над ним иначе клапаны не умещаются. При таких условиях температура сжатого воздуха в этой самой камере при быстром подходе поршня к верхней точке подскакивает до 600 о С и более, а давление достигает 30 – 60 бар. В этот момент через форсунку в камеру сгорания насосом под огромнымдавлением впрыскивается крохотная порция топлива.
В раскаленном сжатом воздухе струя топлива распыляется, частично испаряется и, тут же, вспыхивает факелом. Дальше все происходит, как и в бензиновом двигателе: расширяющиеся газы с давлением 90 – 220 бар и температурой 1700 – 2000 0С действуют на поршень. Тот движется вниз, совершая рабочий ход. После рабочего хода открывается выпускной клапан, поршень идет вверх и отработавшие газы вылетают из цилиндра в атмосферу.
Дизель называли иногда двигателем с внутренним смесеобразованием или двигателем с самовоспламенением. И то и другое, в принципе, правильно: в самом деле, смесь топлива с воздухом образуется непосредственно внутри цилиндра, а не во впускном коллекторе, как у бензинового мотора. И воспламеняется топливо лишь от высокой температуры воздуха при сжатии. Мощность дизеля регулируется только изменением объема впрыскиваемого топлива, то есть величиной подачи топливного насоса за каждый рабочий цикл.
Но самое главное преимущество дизеля – его экономичность. Благодаря высокой степени сжатия, тепло от сгорания используется более полно, поэтому топлива дизель потребляет меньше примерно на треть-четверть. Наиболее заметна экономичность дизеля в городском режиме.
Экономичность – главная причина того, что на всей тяжелой технике от грузовика до морского теплохода в наши дни применяются исключительно дизели. Но этим список достоинств «моторов на тяжелом топливе», как ещё в старину называли дизели, не заканчивается. У них не бывает детонации, несмотря на большуюстепень сжатия. В выхлопе дизеля примерно в шесть раз меньше угарного газа (из-за избытка кислорода, активно превращающего СО в углекислоту). Дизель заметно долговечнее, поскольку не столь быстроходен, а все его детали сделаны более прочными.
ФОКУС ВНУТРИ
Так что же получается: дизель – это сплошные преимущества? Увы, это не так. С чем у всех нас до сих пор связано слово «дизель», ну-ка, закроем на секундочку глаза. Что-то такое огромное, громко рычащее и с сизым дымом из трубы. И в этом, к сожалению, есть немалая доля истины! Высокое давление сгорания, заставляет делать все детали дизеля более прочными, а значит и тяжелыми. Если мы сравним бензиновые моторы и дизели одинакового объема, окажется, что бензиновые всегда были мощнее раза в полтора-два и легче во столько же, и «крутились» они быстрее на одну-две, а то и три тысячи оборотов. Ну, понятное дело – скажет кто-то: бензин, он - вон как горит, а солярка коптит еле-еле. Но дело не в этом, энергии в бензине и в солярке заключено примерно поровну и горит дизельное топливо, если заглянуть в цилиндр одним глазком из термостойкого стекла, очень даже впечатляюще.
Весь фокус в этом самом внутреннем смесеобразовании. Факел топлива из форсунки за тысячные доли секунды обязан распылиться по всей камере сгорания и тут же сгореть полностью. Задача эта очень непростая! Если в цилиндре окажется воздуха ровно столько, сколько надо для сжигания определенной дозы топлива, каждой его молекуле наверняка не достанется своей молекулы кислорода. Смесь просто не успевает за такое короткое время как следует перемешаться и стать однородной смесью в полном смысле слова. И долгожданная встреча со своей «половинкой» у множества молекул не произойдет, ровно так бывает порой и у людей. Значит, сгорание будет неполным, с дымом и потерей мощности. Приходится уменьшать количество впрыскиваемого топлива, а относительное количество воздуха при этом увеличивается. То есть получается, что мотор как бы впустую перекачивает через себя «запасной», крайне необходимый, но не участвующий в сгорании воздух. Отсюда и увеличенный рабочий объем цилиндров, и меньшая частота вращения, большая масса деталей и всего двигателя.
Высокое давление сгорания приводит к повышенному шуму и вибрациям, а малейшие неисправности, некачественное топливо или неправильная регулировка системы питания вызывают образование микроскопических частиц сажи.
Но, отдадим должное прогрессу: большинство недостатков дизеля, благодаря микропроцессорному управлению впрыском, качественному топливу, и турбонаддуву почти сведены на нет. За последние три десятилетия в дизелестроении произошла, буквально, революция! Новейшие дизели не «коптят небо» и выдают столько же «лошадок», что и их бензиновые братья всего лет двадцать назад. Как этого удалось достичь?
Вспомним, как работает система питания классического дизеля. Ее главный агрегат - топливный насос высокого давления (ТНВД) – самый дорогой и сложный агрегат во всём моторе. Насос состоит из корпуса, в котором на подшипниках качения вращается кулачковый вал. Его кулачки действуют через роликовые толкатели на подпружиненные плунжеры – маленькие стальные поршни, которые помещены в стальные втулки насоса, похожие на миниатюрные цилиндры. В торце каждой втулки расположен нагнетательный клапан с пружиной, а в стенках проделаны отверстия и каналы для впуска топлива во втулку и слива его в бак. Плунжеры, управляемые кулачками вала насоса, двигаются во втулках взад-вперед, засасывая топливо и подавая его под высоким давлением к форсункам.
Для каждой форсунки существует свой плунжер с втулкой. Эти детали образуют плунжерную пару, собранную путем подбора очень точно и чисто обработанных деталей для достижения минимального зазора между ними.
Форсунка, распыляющая топливо в цилиндре, состоит из корпуса, подпружиненной штанги с иглой и распылителя. Игла под действием сжатой пружины запирает отверстие, не пропуская топливо в распылитель, то есть является, проще говоря, клапаном. Несколько очень малых отверстий распылителя диаметром 0,1 – 0,35 мм обращено непосредственно в камеру сгорания, а вся форсунка герметично установлена в головке блока цилиндров.
Работает форсунка автоматически под действием импульса давления топлива. От ТНВД по топливопроводу топливо поступает в корпус форсунки и, действуя на иглу распылителя как на маленький поршень, сдвигает ее вместе со штангой вверх. Игла поднимается, сжимая пружину и открывая канал. Через открывшийся канал топливо проходит в отверстия распылителя и впрыскивается в камеру сгорания в виде нескольких факелов, которые тут же становятся огненными факелами в прямом смысле. Затем, давление топлива падает, игла-клапан под действием пружины запирает отверстие канала, и впрыск прекращается.
Чем выше будет давление впрыска, тем лучше топливо успеет перемешаться в цилиндре с воздухом для обеспечения полного сгорания. Тем выше будет мощность, а содержание нежелательных примесей в отработавших газах станет ниже. Поэтому на дизелях давление впрыска на протяжении всей истории моторостроения стремились поднять насколько возможно.
Но, вот беда, у классической системы было слишком много недостатков. Прежде всего, давление впрыска не удавалось поднять выше 1000 бар. Препятствием стали длинные топливопроводы высокого давления. В столбе жидкости внутри трубопроводов возникали резонансные волны, нарушающие чёткость и точность впрыска.
Кроме того, дизели малого объема требовали и сверхмалых доз впрыскиваемого топлива. Детали ТНВД для таких моторов получались слишком миниатюрными (диаметр плунжеров 5-6 мм), и поэтому трудно было обеспечить их надежную работу и ресурс.
Наконец, обычный ТНВД с трудом управлялся электроникой, а без нее невозможно мгновенно изменять параметры впрыска, в зависимости от режима работы двигателя.
БОЛЬШОЙ ПРОСЧЕТ «ФИАТА»
Все это привело специалистов фирм Magneti Marelli, Bosch и Denso к созданию в конце ХХ века системы питания с общей магистралью (у Bosch эта система называется Common Rail). Главным её отличием был резервуар высокого давления и электронный блок управления (контроллер), который «командует» форсунками, подобно тому, как это происходит в современном бензиновом двигателе.
С помощью топливоподкачивающего насоса топливо проходит через фильтр с водоотделителем и подается в радиально-плунжерный насос высокого давления, эксцентриковый вал которого приводит в движение три плунжера. Насосом топливо закачивается в гидроаккумуляторный резервуар, иногда называемый рампой или топливной рейкой, откуда под высоким давлением поступает к форсункам. На рампе расположен регулятор давления, который стравливает лишнюю часть топлива обратно в топливный бак при превышении давления. Излишки топлива от форсунок и ТНВД также сливаются в бак.
ТНВД системы Common Rail создает постоянное высокое давление (1400 – 2500 бар) в аккумуляторном резервуаре при первых же оборотах стартера. В отличие от классической системы питания дизеля, здесь насос не управляет впрыском, он лишь постоянно подает топливо в резервуар под высоким давлением. Распределение и дозирование доверено форсункам с электромагнитными или пьезоэлектрическим клапанами, которые управляются контроллером.
История создания новой системы была непроста и заняла несколько десятков лет. Но надо сказать, что подобные системы, называемые аккумуляторными, применялись на крупных дизелях еще в первой половине прошлого века. Тем самым удавалось избавиться от влияния волн давления в многометровых топливопроводах на работу впрыска. Однако, маленькая разница, электроники тогда не было и в помине. Именно появление микропроцессора обеспечило распространение аккумуляторных систем на автомобильных дизелях XXI века.
Прототип Common Rail был разработан швейцарцем Робертом Хубером в конце 60-х годов. Его идеи были развиты Марком Гансером из Швейцарского Института технологии в Цюрихе. В середине 90-х Шохей Ито и Масахико Мияки из корпорации Nippon Denso, разработали систему, названную Common Rail и воплотили ее в серийном варианте ECD-U2, а в 1995 году продали право использования другим производителям. Поэтому именно Denso считается лидером, применившем систему Common Rail в автомобилестроении.
В дальнейшем эта система доводилась до рабочего состояния усилиями специалистов Magneti Marelli, Centro Ricerche Fiat и Elasis. После того, как Fiat завершил разработку в целом, она была продана компании Robert Bosch GmbH для подготовки массового производства. В целом, это стало большим просчетом FIATа, но итальянский концерн был в то время в очередной раз в тяжёлом экономическом положении и не имел возможности сам закончить работу. Тем не менее, итальянцы первые запустили своего «гагарина» в 1997-м на дизельном Alfa Romeo 156 1.9 JTD и только после того он появился на Mercedes-Benz C 220 CD концерна Bosch.
Первым серийным автомобилем с системой Common Rail довелось стать грузовичку Hino Ranger 1989 года выпуска, ничем внешне не примечательному японскому бескапотнику с волшебным сердцем внутри. Но уже в начале ХХI века в мире не осталось ни одной серийной легковой модели с классическим дизелем. Common Rail начал свое победное шествие по планете!
Использование более точного и гибкого электронного управления впрыском вместо механического позволило снизить дымность, уменьшить шум и расход топлива примерно на 20 %. Еще одно преимущество - возможность формировать процесс многофазного впрыска, а также автоматически и мгновенно подгонять давление впрыска под скоростной и нагрузочный режимы движения. В ранних системах применялся двойной впрыск – пилотный и основной. В современных системах используется до девяти фаз впрыска!
Можно сказать, что Common Rail стал для дизелей тем же, чем инжектор для бензиновых двигателей. Именно с новым принципом подачи топлива удалось достичь феноменально чистого выхлопа, соответствующего самым жестким нормам. Работа автомобиля с Евро-6 впечатляет: не только дыма нет из трубы, но можно подставить под выхлоп руку, и ладонь не пропитается запахом горелой солярки!
Правда, положа руку на сердце, дизель, строго говоря, сегодня перестал быть чисто «железным» мотором, лишенным проводов и прочей электроники.
Недостатком электронных дизельных систем питания является их меньшая надёжность в суровой эксплуатации и полная неремонтопригодность в полевых условиях. Кроме того, они очень чувствительны к качеству топлива и моторного масла. Поэтому классическая система сохраняется на той технике, которая работает вдали от цивилизации и где отказы недопустимы (военные агрегаты, флот, дизель-генераторы).
Кстати, резкое повышение цены на тяжелое топливо, тоже заслуга «умных» систем впрыска и систем нейтрализации отработавших газов – горючее приходится специально подготавливать, и это сказывается на стоимости ДТ, который беззастенчиво и нагло обогнал бензин на заправочных табло.
Со второй половины XX века можно заметить интересное соревнование: дизель стремится стать таким же мощным, быстроходным и легким как бензиновый мотор, а тот, в свою очередь, пытается «достать» дизель по экономичности. Дистанция там и там сокращается, но… как атлет Ахиллес теоретически не может догнать черепаху, так и этот забег, наверное, будет длиться долго.
Конечно, Рудольф Дизель вряд ли мечтал о подобном в далёком 1897 году. Но запись в его дневнике свидетельствует, что он высоко оценивал потенциал своего мотора: «После долгих лет напряженных усилий и преодоления невообразимых трудностей, мне наконец-то удалось создать машину, воплощающую мою идею. Это плавно работающий, очень простой и удобный в эксплуатации механизм, результаты работы которого превосходят все разработки, сделанные ранее».
Что еще почитать:
Топливные насосы Common Rail для дизелей Евро-5
Прокладки ГБЦ: какими они бывают, как их делают и что нужно знать при их покупке
Почему расплавился поршень или к чему приводит установка б/у форсунок без их проверки
Подписка на рассылку материалов Автопарка
Редакция рекомендует:
(2 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...
Статьи по теме
Популярное
