А вместо сердца — пламенный мотор

Главные достоинства двигателя - экономичность и высокий крутящий момент на низких оборотах, оказались востребованными в самой различной технике: будь то легковые автомобили, строительная техника, корабли и даже самолеты (во время второй мировой войны на некоторых дальних бомбардировщиках ПЕ-8 стояли дизельные двигатели). Чем живут двигателеcтроители сегодня, какие проблемы они решают и какие технические достижения привлекают, об этом мы коротко расскажем в этой статье.

Самый мощный двигатель на магистральных грузовиках DAF - 530 л.с. Для каждого цилиндра - индивидуальный насос высокого давлени

Мощность, экономичность, надежность, экологичность — основные характеристики двигателя, на которые опираются конструкторы при создании новых моторов. За последние 30 лет мощность двигателей стандартных автопоездов увеличилась в два раза, а потребление топлива этими же автопоездами уменьшилось на 1/3. Уровень шума, издаваемый работающим мо­тором, уменьшился на 11 дБ за те же 30 лет. Значительный прогресс достигнут и в борьбе с токсичностью выхлопных газов автомобилей.

На двигателях Cursor применяют подачу топлива насос-форсунками

В течение 23 лет уровень окислов азота снижен почти в три раза, а твердых частиц в семь раз (см график). За сухими цифрами этих двух экологических параметров стоит одно из сложнейших противоречий дизельных двигателей: улучшая один параметр — портим другой. Топливо впрыскивается в камеру сгорания, наполненную раскаленным сжатым воздухом. В цилиндре оно никогда не сгорает полностью, можно говорить лишь о более или менее полном его сгорании. Чем выше температура воздуха в цилиндре в момент подачи в него топлива, тем меньше времени остается для образования полноценной топливно-воздушной смеси, а как следствие, неполное сгорание топлива и повышенное со­держание сажи в выхлопе. То же самое происходит при неисправности распылителя форсунки и при загрязненном воздушном фильтре. Если мы уменьшим температуру воздуха в цилиндре двигателя, то улучшим сгорание топливной смеси и уменьшим образование сажи. Но при понижении температуры в камере сгорания увеличивается содержание окислов азота в выхлопных газах. Приходится увеличивать подачу количества топлива в цилиндр для дожито Nox. Поэтому более «чистые» двигатели Евро-3 потребляют топлива больше, чем моторы Евро-2. Это противоречие так никто до конца и не решил. Для улучшения топливно-воздушной смеси в цилиндрах в современных двигателях применяют следующие технические решения:
1. Установка форсунки точно по центру головки блока двигателя.
2. Многоточечный впрыск топливо.
3. Давление впрыска 150С -2000 бар.
4. Четыре клапана на один ци­линдр.

Практически все производители тяжелых дизельных двигателей применяют эти технические решения, которые еще пять лет на­зад можно было встретить только на легковых автомобилях. Количество точек впрыска в распылителе увеличили до 8 - 12, тогда как десять лет назад их было, как правило, четыре. Перечисленные выше технические особенности позволили добиться оптимального, насколько это возможно сегодня, образования топливно-воздушной смеси.

Насос-форсунка: насос высокого давления и форсунка объединены в один блок

Топливные насосы высокого давления на современных моторах применяются нескольких видов.

Во-первых, это традиционный рядный ТНВД, но с электронным управлением. Именно такой насос стоит на новой машине MAN TGA.

Во-вторых, индивидуальные насосы для каждого цилиндра. Таким путем пошли моторостроители фирм DAF и DaimlerChrysler, производящая автомобили Mercedes-Benz. Топливные насосы могут быть объединены с форсунками в общий блок. В этом случае мы имеем дело с насос-форсунками. Volvo, Scania, Iveco на моторе Cursor применяют этот принцип подачи топлива. На моторах, соответствующих нормам токсичности выхлопных газов Евро-2, применяются обыкновенные (если здесь применимо это слово) механические насос-форсунки. На двигателях Евро-3 насос-форсунками и подачей топлива управляет электроника.

Четыре клапана на одном цилиндре применяют все ведущие моторостроительные фирмы. Усложнение конструкции улучшает образование газовой смеси в цилиндре

В-третьих, топливная системе Common Rail. Впервые на тяжелых и средних грузовиках ее применила компания Renault, а позжe Iveco на двигателях Tector и DAF на новых грузовиках LF-ceрии. Принцип этой системы в том, что топливо подается насосом высокого давления в общую магистраль (рампу), а из нее уже поступает в форсунку. Во всей топливной магистрали постоянное высокое давление, распредвал через толкатель приводит в действие форсунку, в результате чего происходит впрыск топлива в цилиндр. В другом варианте форсункой может управлять электромагнитный клапан.

Процесс сгорания дизтопливав цилиндре, снятый скоростной видеокамерой

Турбокомпрессор также претерпел изменение. Моторостроители фирмы Iveco впервые применили турбокомпрессор с изменяемой геометрией на тяжелых двигателях Cursor. Моторостроителям уже знакомы турбины с изменяемой геометрией за счет поворота лопаток. Но компания Iveco совместно со специалистами фирмы Holset впервые применили новый принцип изменения геометрии турбины за чет изменения ее проходного сечения со стороны выхлопных газов. Чем меньше обороты двигателя, тем меньше проходное сечение турбины, выше скорость прохождения выхлопных газов, а значит, выше скорость вращения турбины и, следовательно, выше давление нагнетаемого в цилиндры воздуха. При увеличении оборотов двигателя, пневмопривод сдвигает кольцо с лопатками, увеличивая проходное сечение турбины, скорость прохождения выхлопных газов снизится со всеми вытекающими отсюда последствиями. Благодаря применению турбокомпрессора с изменяемой геометрией максимальный крутящий момент достигается при более низких оборотах двигателя, чем с традиционным турбокомпрессором, фирма Scania в этом году подготовила 12-литровый двигатель мощностью 470 л.с. с турбокомпаундом. Дополнительная турбина передает часть энергии через гидромуфту на коленвал, увеличивая крутящий момент двигателя. Десять лет назад фирма применяла это устройство на 11-литровых двигателях, но широкого применения оно не получило. Может, сейчас судьба турбокомпаунда сложится лучше.

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией. Скорость вращения лопаток регулируется изменением проходного сечения канала со стороны выхлопных газов

Фирма MAN для достижения стандарта норм токсичности выхлопных газов Евро-3 не стала мудрить с топливной системой, а, оставив рядный ТНВД, разработала и внедрила на своих новых машинах систему рециркуляции выхлопных газов. Часть выхлопных газов поступает обратно в цилиндр, пройдя предварительно теплообменник и охлаждаясь до 200°С.

Турбокомпаунд фирмы Scania: 1 - дополнительная турбина; 2 — гидромуфта; 3 - маховик

Необходимо отметить, что на современных двигателях широко применяется электроника. Частота вращения коленвала, давление в топливных магистралях, давление и температура наддувного воздуха, положение педали акселератора - все эти данные обрабатываются в бортовом компьютере и выдаются команды, с помощью которых оптимизируется процесс горения топливной смеси в цилиндрах.

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией впервые применен на тяжелом двигателе Cursor

Что касается топлива, применяемого в таких двигателях, то необходимым условием для соблюдения экологических требований является отсутствие в дизтопливе серы. Поэтому в нашей стране, стремящейся ввести поскорее европейские стандарты и продолжающей гнать солярку с повышенным содержанием серы, любые современные двигатели будут продолжать отравлять окружающую среду.

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией за счет изменения угла поворота лопаток турбины Mercedes-Sprinter

В заключение хочется добавить, что фирмы работают не только над улучшением характеристик дизельных двигателей, но и над возможностью использования не традиционных видов топлива, таких, как природный газ, смесь воды и дизтоплива, диметилэфира, для производства которого может использоваться сырье из возобновляемых источников.