Революция с воспламенением от сжатия

ТЕХНИКА

/НОУ-ХАУ

РЕВОЛЮЦИЯ С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ОТ СЖАТИЯ

ТОПЛИВНАЯ АППАРАТУРА ДИЗЕЛЕЙ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

ТЕКСТ / ЛЕОНИД ГРЕХОВ, Д. Т. Н.

За последние пять лет ушедшего столетия автомобильные дизели совершили рывок в своем развитии. Некогда маломощный, шумный мотор теперь вовсю конкурирует с бензиновыми собратьями, по-прежнему опережая их в экономичности. "Хорошим тоном" ныне считается использование новейших открытых камер сгорания, регулирование фаз газораспределения и длины впускных каналов. Обязателен наддув с промежуточным охлаждением, причем регулируют его не простым перепуском газов мимо турбины, а поворотом направляющих лопаток компрессора или турбины, подкруткой турбокомпрессора электродвигателем и т.п. Непременная черта современных дизелей - топливные системы нового поколения.

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ

Качественный скачок дизелестроения простимулирован экологическими нормами. Например, в Европе выбросы окислов азота и твердых частиц дизелями снизились за 10 лет в 10 раз (!). В борьбе за чистоту выхлопа конструкторы столкнулись с серьезной проблемой: большинство изменений рабочего процесса дизеля снижает выбросы лишь одного из двух компонентов. Например, увеличение опережения впрыска уменьшает эмиссию частиц, но увеличивает выбросы NOx. Разрубить гордиев узел позволили высокое давление впрыска и электронное управление. Благодаря повышению давления улучшается распыление топлива, что способствует более быстрому и полному сгоранию. Это поясняет, почему почти 60 лет (с 1927 по 1985) максимальное давление впрыска составляло 20-50 МПа, а в последние 10 лет возросло до 200 МПа (рис. 1).

Электронное управление позволяет на всех режимах работы дизеля гибко изменять характеристику, величину подачи, давление и опережение впрыска. В итоге снижаются вредные выбросы, шумность, расход топлива, улучшается пуск дизеля. Автомобиль становится более скоростным и динамичным.

Топливные системы с механическими регуляторами постепенно снимают с производства. Переход на новый уровень давления и электронное управление потребовал пересмотра традиционных конструкций. Отказались от рядных насосов высокого давления (ТНВД) с регулировочным люком, ведущих родословную от насоса серии А фирмы "Бош" 1927 года. Ближайшие его родственники теперь имеют жесткий глухой корпус, толстый вал с вогнутыми кулачками, высокие моновтулки плунжеров, могут снабжаться второй рейкой, управляющей опережением впрыска.

В ряду распределительных насосов высокого давления самая популярная в мире модель "Бош-VE", ведущая историю с 1976 года, вытесняется более современными электроуправляемыми ТНВД фирм "Бош", "Лукас", "Зексель", "Станадайн".

ГЕНИАЛЬНОЕ - ПРОСТО

Чуть подробнее - о двух наиболее современных и перспективных конструкциях. Первая - насос-форсунка с быстродействующим электроуправляемым клапаном (рис. 2). Именно с насос-форсунки "Детройт Дизель" для карьерных самосвалов началось их шествие по миру. Такие системы прижились на двигателях грузовых и легковых автомобилей. Они перешагнули уровень давлений впрыска 200МПа, позволяют осуществить двухфазный впрыск, снизив шумность работы и выбросы NOx.

При всей простоте система на сегодня наиболее эффективна и пока только она позволяет выполнить перспективные требования Eврo IV.

Из-за особенностей компоновки сложно расположить насос-форсунку соосно цилиндру, ее обслуживание затруднено. Однако высокое качество впрыска (тонкий распыл) и возможности электронного управления обеспечивают, помимо высоких экологических свойств, очень низкий расход топлива. Автомобиль "Фольксваген-Лупо" с такой системой питания расходует в городском цикле 3,0 л/100 км (ЗР, 2001, № 5).

Фирмами "Бош" и "Лукас" освоены ТНВД с быстродействующим клапаном управления сливом (рис. 3). Индивидуальные насосы, придя на смену блочным, позволили сделать короткий нагнетательный трубопровод. Это приблизило их по свойствам к насос-форсункам - например, по давлению впрыска (150МПа и выше). Насосы приводятся распределительным валом, располагаются вблизи "своего" цилиндра и работают с обычными форсунками. Сохраняются привычная простота головки цилиндров, удобство обслуживания, применимость имеющихся топливных стендов, а необходимость в механической регулировке насоса отпадает.

В таких ТНВД отсутствуют выточки на плунжерах, механизмы поворота плунжеров, автоматические регуляторы. Их появление на рынке - приговор "двухреечным" насосам и, по всей видимости, традиционным рядным ТНВД. Единственный сложный элемент - клапан управления. Он должен срабатывать за 0,1 мс, не испытывать влияния гидравлических сил при огромных давлениях, иметь легкий и мощный электропривод.

COMMON RAIL -

ХОРОШО ЗАБЫТОЕ СТАРОЕ

Аккумуляторные топливные системы с успехом применялись в 50-е годы на двигателях морских судов. На новом техническом уровне, с применением электронного управления они появились на серийных автомобилях в 1997 году. О таких системах, названных "коммон рейл" (в осмысленном переводе - "общий аккумулятор"), журнал уже писал (ЗР, 1997, №8). Именно они, помимо регулирования величины и опережения подачи, умеют управлять характеристикой и давлением впрыска.

На рис. 4 - схема системы "коммон рейл". Наиболее сложные, дорогие и нетрадиционные ее элементы - ТНВД и электрогидравлическая форсунка. Радиально-плунжерный насос с помощью эксцентрикового вала приводит в движение три плунжера. В нем размещают также регулятор производительности и подкачивающий шестеренчатый насос. Принцип действия электрогидравлической форсунки сложнее. В отличие от бензиновых электромеханических форсунок, здесь электромагнит при давлении 135 МПа не в состоянии поднять запорную иглу, поэтому используется принцип гидроусиления (рис. 5).

Сегодня "коммон рейл" реализует не только двухфазный впрыск для снижения шумности или выбросов NOx, но и трех-пятифазный. Готовятся системы с 15 короткими импульсами впрыска - так формируется наиболее желательная для каждого режима дизеля характеристика впрыска.

КАЖДОМУ ЦИЛИНДРУ - СВОЮ ДИЕТУ

Уже сейчас ведущие производители заменили механические регуляторы Уатта электронными. Их характеризует гибкость управления, самодиагностика, использование резервных программ. Появились и собственные опции: питание каждого цилиндра в соответствии с его техническим состоянием и особенностями изготовления, отключение цилиндров, управление параметрами впрыска и др.

Крупнейшие мировые производители выпускают весь спектр топливных систем. Какие из ныне распространенных не приживутся, а какие станут популярными? Рядные насосы уже покинули класс легковых автомобилей и вытесняются с грузовиков. Распределительные ТНВД пока остаются наиболее массовыми, но из-за большей сложности и дороговизны их роль и тем более перспективы стремительно сужаются. Самых новых и современных роторных насосов это коснулось даже в большей степени. Фирма "Бош" планирует уже к 2006 году сократить долю распределительных насосов до 15%; ранее не выпускавшиеся электроуправляемые насос-форсунки и индивидуальные ТНВД завоюют 19% всего объема, а 62% объема выпуска будет приходиться на "коммон рейл".

Будущее отечественных дизелей не столь предсказуемо. На дизель ГАЗ-560 взамен "механической" чешской насос-форсунки просится новая, с электронным управлением: она даст возможность изменять опережение впрыска. Для всех транспортных дизелей применима и желательна "коммон рейл". На опытном ЗМЗ-514 она уже работает. Но зарубежные комплектующие сильно поднимут цену отечественных двигателей, а собственных готовых изделий и технологической базы нет. К сожалению, слишком медленно внедряются самые подходящие для России ТНВД с быстродействующими клапанами слива. Одно из объяснений этого в том, что потребитель не заинтересован в современных двигателях. С учетом стоимости он однозначно выбирает устаревшие. Ситуацию могли бы исправить только государственные меры по стимулированию разработки, производства и, главное, приобретения новой техники.

Рис. 1. Ужесточение экологических норм потребовало увеличить давление впрыска. А это в свою очередь простимулировало внедрение новых систем подачи топлива.

Рис. 2. Насос-форсунки DDEC-II фирмы "Детройт Дизель Аллисон" с быстродействующим клапаном. При движении плунжера 3 электромагнит 1 закрывает клапан 2 и топливо устремляется не на слив, а в распылитель 5. При отключении электромагнита клапан открывается и через канал 4 отсекается подача. Момент включения электромагнита обусловливает опережение впрыска, момент выключения - величину подачи.

Рис. 3. Индивидуальный ТНВД с быстродействующим клапаном.

Рис. 5. Электрогидравлическая форсунка. При подаче на электромагнит 1 напряжения открывается миниатюрный сливной шариковый клапан 2. Давление в камере управления 3 падает, и запорная игла 6 под действием высокого давления в кармане распылителя 7 открывается. Чем дольше она открыта, тем больше подача и мощность дизеля. При отключении электромагнита клапан 2 закрывается, давление в камере управления восстанавливается через жиклер 4. Мультипликатор 5 увеличенного диаметра быстро закрывает иглу.

Рис. 4. Схема системы "коммон рейл".