Применения дизельных двигателей на грузовых автомобилях. Дизельный двигатель: устройство, принцип работы, преимущества
Из-за своей топливной экономичности, мощности, экологичности дизельные моторы получили самое широкое распространение среди всех типов двигателей внутреннего сгорания. Они с большим успехом применяются в грузовых и легковых автомобилях, строительной и сельскохозяйственной технике, на ж/д транспорте и в кораблестроении, а также, как силовые агрегаты электростанций и т.п.
В зависимости от области применения, они имеют V-образную или рядную компоновку. От бензиновых, дизельные двигатели выгодно отличаются тем, что не имеют детонации.
Остановимся более подробно на областях применения дизельных двигателей.
Стационарные агрегаты
В основном, дизельные двигатели, приводящие в движение стационарные агрегаты (например, электростанции), работают с постоянной частотой вращения коленвала. Поэтому двигатель и система впрыска разрабатываются так, чтобы оптимально работать в постоянном режиме. В этом случае роль регулятора частоты вращения коленвала сводится к изменению объема подачи топлива так, чтобы, вне зависимости от нагрузки, частота вращения не менялась. Допускается в качестве стационарных использовать двигатели от легковых или грузовых автомобилей после соответствующей доработки регулятора частоты вращения.
Легковые и легкие грузовые автомобили
В этом на первое место выходят такие параметры двигателя, как «эластичность», т.е. высокий крутящий момент в широком диапазоне оборотов коленвала, а также, плавность работы. Успехи в этом направлении были достигнуты как благодаря применению современных систем впрыска с электронным управлением (например, Common Rail), в которых ТНВД конструкционно отделен от управляемых компьютером форсунок , так и модернизацией самих двигателей. В настоящее время на легковых автомобилях устанавливаются двигатели с частотой вращения до 5500 об/мин и объемом от 800 см 2 (для малолитражек) до 5000 см 2 (для автомобилей премиум класса). Автомобили европейских производителей комплектуются исключительно двигателями с системами непосредственного впрыска с электронным управлением, т.к. такие двигатели на 15-20% более экономичны, чем моторы с «классическим» впрыском. Также, почти всегда дополнительно устанавливается турбина, которая, нагнетая больше воздуха в камеру сгорания, позволяет «снимать» с литра рабочего объема больший крутящий момент, чем у бензиновых двигателей.
Тяжелые грузовые автомобили
Основное требование к дизелям, устанавливаемым на тяжелые грузовики, это топливная экономичность. Именно поэтому на современных «тяжеловозах» применяются только моторы с непосредственной системой впрыска. Частота вращения коленвала у двигателей грузовиков не более 3500 об/мин. Также, т.к. моторы этих машин имеют внушительный рабочий объем, большое внимание уделяется разработке систем нейтрализации и отчистки продуктов сгорания дизельного топлива.
Строительная и с/х техника
В этом случае, помимо высокой топливной экономичности, также важна прочность и надежность конструкции двигателя, а также удобство техобслуживания. Также, в этом случае, можно пожертвовать такими параметрами, как уровень шума и максимальная мощность двигателя, которые для таких машин не имеют первостепенного значения. Диапазон мощностей этих двигателей составляет от 3 кВт до значений, которые в несколько, а, иногда, и в десятки, раз превышают мощность моторов тяжелых грузовиков. Как указывалось ранее, в этой отрасли очень важна простота и надежность конструкции. Поэтому тут еще достаточно широко распространены «классические» механически регулируемые системы впрыска с рядными ТНВД , а также надежная и простая система воздушного охлаждения двигателя.
Суда
В зависимости от типа судна, технические параметры дизелей сильно отличаются. Это могут быть как четырехтактные моторы с частотой оборотов коленвала до 1500 об/мин, которые устанавливаются на спортивные катера, так и большие, низкооборотные (до 300 об/мин), двухтактные двигатели, которые устанавливаются на тихоходные суда.
КПД таких дизелей максимален из всех типов ДВС и составляет до 55%. Также допускается работа низкооборотных двигателей на недорогих «тяжелых» видах топлива – мазуте. Однако, в этом случае требуется предварительный нагрев топлива до 160 градусов для того, чтобы его вязкость уменьшалась до значений, необходимых для нормальной работы топливных насосов и фильтров.
На небольших тихоходных судах иногда применяются двигатели, сконструированные для тяжелых грузовиков. Это позволяет сэкономить на разработке, однако требует дополнительной настройки под новые условия эксплуатации.
Железнодорожный транспорт
В общем, дизели для тепловозов похожи на судовые. Единственное отличие – возможность работы на низкокачественном топливе без предварительной подготовки.
Многотопливные дизели
В военных целях, а также для регионов с нестабильной поставкой топлива, разрабатывались дизели, работающие как на солярке, так и на бензине, спирте и других видах топлива. Однако, в настоящее время, эти разработки утратили актуальность в связи с тем, что такие моторы обладают низкой мощностью и топливной экономичностью, а также, очень вредны для окружающей среды.
Нет похожих записей
Проф. д-р. Франц К. Мозер, АВЛ Лист ГмбХ (Prof. Dr. Franz X. Moser, AVL List GmbH)
Введение
За последние десять – двадцать лет произошло ускоренное развитие дизельных двигателей как для легковых, так и для грузовых автомобилей. Значительно увеличились мощности, резко снизилась токсичность отработавших газов, главным образом за счет сокращения выбросов NOx и сажи. Было достигнуто значительное снижение шума, расхода топлива, улучшилась надежность, увеличились интервалы технического обслуживания, особенно для двигателей грузовиков. В результате всего этого дизели стали незаменимыми для всех типов транспортных средств и заняли значительную долю рынка силовых агрегатов (в Европе более 50%).
В настоящее время во всем мире ставится вопрос: по какому пути пойдет дальнейшее развитие дизеля под давлением ужесточающегося с каждым годом законодательства по токсичности транспортных средств? Может быть, в сегменте легковых автомобилей дизели исчезнут совсем, как прогнозируют некоторые эксперты? Ведь и бензиновые двигатели не стоят на месте и догоняют своего дизельного конкурента по расходу топлива. А в будущем дизельные моторы будут еще дороже бензиновых: стоимость и без того уже более дорогого дизеля будет возрастать из-за сложных систем очистки отработавших газов. Какие меры необходимы для того, чтобы сделать дизели будущего конкурентоспособными? Как будут выглядеть дизели будущего для легковых и грузовых автомобилей? Для легковых автомобилей доведенный бензиновый мотор с непосредственным впрыском топлива и турбокомпрессором, несомненно, может стать альтернативой дизелю. Для грузовых автомобилей и промышленности это менее вероятно.
На сегодняшний день дизель обладает самой обширной областью применения и самым большим спектром мощностей среди всех существующих моторов вообще, поэтому заменить его невозможно (рисунок 1). В дополнение следует заметить, что КПД дизельных двигателей, как видно на рисунке, достигает более 40% для малых агрегатов и более 50% у самых больших судовых и стационарных двигателей, что не может быть достигнуто никаким другим типом ДВС.
Рисунок 1. Область применения и КПД дизельных двигателей.
За последние 20 лет произошло удвоение удельной мощности и удельного крутящего момента дизелей легковых автомобилей (рисунок 2).
Рисунок 2. Соотношение удельной мощности к удельному крутящему моменту дизелей для легковых автомобилей.
У дизелей для грузовых автомобилей удельная мощность с 1970 г. увеличилась почти втрое, несмотря на то, что за последние пятнадцать лет токсичность выхлопных газов намного уменьшилась (рисунок 3).
Рисунок 3. Рост удельной мощности дизелей для грузовых автомобилей.
Параллельно этому развитию происходит постоянное увеличение максимального давления в камере сгорания с 90 Бар до 220 Бар (рисунок 4). Подобная тенденция наблюдается и в секторе дизелей для легковых автомобилей, где в недалеком будущем ожидаются максимальные давления в диапазоне от 180 до 200 Бар.
Рисунок 4. Рост максимального давления в камере сгорания дизелей грузовых автомобилей.
Будущие требования к дизелям легковых автомобилей
Из всего множества различных требований стоит особенно обратить внимание на следующие четыре: расход топлива, токсичность, комфорт при вождении автомобиля (например, тяговые качества, ездовые характеристики, акустика) и стоимость двигателя. Благодаря пониженному расходу топлива и хорошим тяговым характеристикам, возникающим при высоком крутящем моменте на низких частотах вращения коленчатого вала, дизель с непосредственным впрыском топлива занял большую долю рынка в Европе. Но уже сейчас, и особенно в перспективе, выполнение будущих законодательств по токсичности, а также относительно высокая себестоимость являются препятствием, преодоление которого будет являться основным направлением дальнейшей работы (рисунок 5).
Рисунок 5. Требования рынка к дизелю для легковых автомобилей.
Законодательство по нормам токсичности отработавших газов, начиная с норм EU4, представлено на рисунке 6. При этом следует учесть, что для достижения норм EU6 или US Tier2, Bin5, которые еще обсуждаются, необходимо разработать и принять множество мер.
Рисунок 6. Законодательства разных регионов по выбросу токсичных веществ для легковых автомобилей.
Еще сложнее будет выполнить будущие ограничения по CO2, особенно если учесть состояние продуктов различных производителей на сегодняшний день (рисунок 7). Прежде всего, производителям более тяжелых автомобилей предстоит большая работа для достижения поставленной цели: 120-130 г/км в 2012 году.
Рисунок 7. Законодательство по ограничению выбросов CO2 – стимулирование развития технологий ДВС.
Особые направления разработок дизелей легковых автомобилей
Учитывая обозначенные выше проблемы дизелей для легковых автомобилей, необходимы особые стратегии развития, нужны новые технические решения и подходы. Существует три возможных пути дальнейшего выполнения требований законодательства по токсичности, схематически представленные на рисунке 8. Во всех трех вариантах необходим фильтр частиц для достижения очень жестких ограничений по выбросам. Для уменьшения выбросов NOx возможно использование:
Рисунок 8. Стратегии уменьшения токсичности отработавших газов дизельных двигателей легковых автомобилей.
1) системы DeNOx, обладающей очень высокими показателями конвертирования;
2) особой организации рабочего процесса (улучшенный обычный рабочий процесс или альтернативный);
3) комбинации вышеуказанных вариантов 1) и 2).
Предположительно в 2015 г. будут реализованы все три варианта.
На данный момент специалисты АВЛ предпочитают способ, основанный полностью на оптимизации рабочего процесса, названный EmIQ (Intelligente Emissionsreduzierung - «умное» снижение токсичности), Рисунок 9.
Рисунок 9. Общий подход АВЛ к доводке рабочего процесса дизеля для легковых автомобилей.
При этом, с одной стороны, рабочий процесс оптимизируется в классическом смысле для достижения пониженных показателей выбросов NOx (рисунок 10), с другой стороны, производится особый контроль процесса сгорания (рисунок 11).
Рисунок 10. EmIQ Ч асть 1, процесс сгорания.
Рисунок 11. EmIQ Ч асть 2, управление рабочим процессом.
В рамках оптимизации рабочего процесса сгорания для достижения требуемого расхода топлива и удельной мощности возможно использование двухступенчатого наддува (рисунок 12) и доводка степени рециркуляции ОГ (в виде «внешней» рециркуляции ОГ - газов низкого давления из выпускного коллектора), рисунок 13.
Рисунок 12. Д вухступенчатый наддув: концепция и эффект.
Рисунок 13. Рециркуляция выхлопных газов низкого давления на дизелях различного назначения.
Для контроля оптимизированного процесса сгорания фирмой АВЛ был разработан основанный на физической модели алгоритм контроля CYPRESS™, основанный на давлении рабочей смеси как входном сигнале, схематически изображенный на Рисунке 14.
Рисунок 14. Основанный на давлении рабочей смеси как входном сигнале замкнутый цикл процесса сгорания, AVL CYPRESSTM.
Такой подход обеспечивает помимо прочего не только низкий выброс вредных веществ, но и ограничение разброса, возникающего из-за производственных погрешностей, что гарантирует стабильность процесса сгорания в течение длительного периода эксплуатации. Помимо этих основных эффектов также достигается ряд других преимуществ, приведенных на рисунке 15. Уже долгое время эксплуатируется демонстрационный автомобиль, показывающий осуществимость достижения ожидаемых результатов.
Рисунок 15. Результаты контроля процесса сгорания как замкнутого цикла AVL CYPRESSTM
Для достижения целей, поставленных к 2015 году, помимо вышеперечисленных подходов необходимы дополнительные решения (рисунок 16).
Рисунок 16. Технологии будущего дизелей для легковых автомобилей.
За счет оптимизации различных решений и технологий станет возможным не только удовлетворить все требования мировых законодательств по токсичности, но и одновременно сохранить или даже улучшить показатели расхода топлива, причем не за счет ухудшения важных для потребителя ездовых качеств, «удовольствия» от во ждения и управления автомобилем. Большим препятствием на этом пути является стоимость производства. Вышеописанные решения повлекут за собой дальнейшее повышение стоимости дизеля, хотя по сравнению со стоимостью доработанного бензинового двигателя разница в стоимости может и уменьшиться, так как и для бензиновых двигателей ожидается подорожание.
В заключение на рисунке 17 приведен обобщенный временной график внедрения вышеуказанных и некоторых дополнительных технических решений. Становится очевидным, что для того, чтобы в 2015 году надежно выполнялись требования к двигателям серийного производства, необходимо не только одновременно комбинировать многие из этих решений, но и начать работы по их разработке/реализации уже сегодня.
Рисунок 17. Пути развития технологий дизельных моторов для легковых автомобилей.
Будущие требования к дизелям грузовых автомобилей
Несмотря на то, что ряд будущих требований к дизелям для грузовых автомобилей аналогичен требованиям к легковым автомобилям, для двигателей грузовых и внедрение компенсирующих решений. На рисунке 18, в отличие от диаграммы для дизелей легковых автомобилей, критерий «удовольствие от вождения» заменен критерием «надежность и долговечность».
Рисунок 18. Требования рынка к дизелям средних и тяжелых грузовиков.
Основным направлением разработок будет компенсация ожидаемых ухудшений, которые возникнут вследствие введения ограничений по токсичности. Это означает, что необходимо искать решения, противодействующие: увеличению расхода топлива, ухудшению надежности и долговечности и увеличению стоимости продукта. В этом сегменте потребитель никогда не пойдет ни на какие компромиссы, особенно касающиеся расхода топлива и долговечности.
Учитывая эти условия, мировые ограничения по токсичности являются особым препятствием. На рисунке 19 представлены максимально допустимые значения выбросов сажи и NOx в США, Японии и Европе, которые будут действовать примерно с 2010 года, а также необходимые для их выполнения значения «сырой» эмиссии. За основу этой оценки взято значение эффективности системы очистки отработавших газов, которое возможно при использовании систем, имеющихся на сегодняшний день.
Рисунок 19. Ограничения токсичности ОГ для дизелей грузового транспорта и необходимые для этого «сырые» эмиссии.
Становится очевидным, что должны быть достигнуты выбросы сажи около 0,08 г/кВт*ч и NOx - 1,5 г/кВт*ч. Это актуально и для Японии, хотя предельно допустимый выброс NOx там менее строг, чем в США и в Европе (0,7 г/кВт*ч). Причиной этого является специфика работы транспортных средств в Японии, которая редко допускает достижение необходимой температуры отработавших газов для обеспечения работоспособности системы их нейтрализации. Эффективность системы очистки ОГ, достигающая в Японии 65-70%, намного ниже, чем в США и Европе, что в конечном итоге требует соблюдения адекватного уровня «сырой» эмиссии.
В отличие от легковых автомобилей, процедура сертификационных испытаний дизелей производится на моторном стенде. При этом проводятся как стационарные, так и нестационарные, так называемые транзиентные испытания, при которых двигатель, в отличие от испытаний двигателей легковых автомобилей, долгое время работает в режиме полной нагрузки. Это сильно усложняет задачу, т.к. в режиме полной нагрузки особенно сложно обеспечить и регулировать необходимую степень рециркуляции отработавших газов.
Грузовые автомобили классифицируются на легкие, средние и тяжелые. Обычно в этих трех классах применяются двигатели с рабочим объемом цилиндров примерно 0,8-1,2-2,0 л/цилиндр, к которым, в зависимости от класса, применяются разные требования. На рисунке 20 изображены основные требования к двигателям в этих классах, причем чем больше рабочий объем цилиндров двигателя (т.е. сам двигатель), тем большее значение придается расходу топлива, надежности и долговечности.
Рисунок 20. Требования к дизелям грузовых автомобилей.
В отношении стоимости двигателя ситуация прямо противоположна, так как легкие грузовые автомобили для доставок товаров к местам назначения особенно дороги в эксплуатации, причем расход топлива здесь не играет большой роли из-за относительно небольших годовых пробегов. Рассматривая будущие технические требования (рисунок 21), стоит отдельно отметить такие параметры, как удельная мощность, максимальное давление сгорания, долговечность и интервалы технического обслуживания.
Рисунок 21. Будущие технические требования к дизелям для грузовых автомобилей.
Значения этих параметров заметно возрастают с ростом рабочего объема двигателя. Также представляет интерес распределение общих эксплуатационных расходов, где для тяжелых грузовиков расход топлива составляет одну треть, что и объясняет такое повышенное внимание к этому параметру.
Особености развития дизелей грузовых автомобилей
Как уже было упомянуто выше, сертификационные испытания дизелей грузовых автомобилей проводятся на моторном стенде. Помимо стационарных испытаний во всех режимах, требуются также и транзиентные испытания, которые отличаются друг от друга в зависимости от страны по типам выбранных нагрузочных режимов. Помимо европейских, японских и американских транзиентных испытаний обсуждается и подготавливается обобщенное, так называемое „World Harmonized Transient Cycle“ испытание - WHTC. На рисунке 22 представлены эти четыре типа испытаний (на графиках с осями «крутящий момент» / «частота вращения коленчатого вала»).
Рисунок 22. Анализ различных транзиентных циклов
Становится очевидным, что распределение основных режимов нагрузок весьма различно, что делает унификацию моторов почти невозможной. Применение испытания WHTC решило бы эту проблему, но возникают сомнения, произойдет ли его внедрение. Выполнение требований на различных испытательных циклах сложно для каждого отдельного из них, так как нестационарные режимы в эксплуатации все больше и больше являются камнем преткновения.
Особенно сложным является прохождение испытаний, которые проводятся в режимах малых нагрузок и оборотов, как, например, на японском цикле или на цикле WHTC. Проще всего выполняются требования цикла USTC, где преобладают высокие частоты вращения коленчатого вала двигателя.
В течение последних лет на фирме АВЛ были достигнуты выдающиеся результаты на стационарных режимах (рисунок 23).
Рисунок 23. Результаты разработок по достижению минимальных выбросов сажи и NOx.
При этом применялись улучшенные и доработанные процессы сгорания, высокие или очень высокие степени рециркуляции отработавших газов и чрезвычайно высокие давления впрыска топлива - до 2500 бар. «Сырые» эмиссии NOx - 1,0 г/кВт*ч и сажи - 0,02 г/кВт*ч были достигнуты при сохранении вполне приемлемого расхода топлива.
Для достижения таких значений «сырых» эмиссий необходимы очень высокие давления впрыска топлива, до 2500 бар (рисунок 24). А для реализации удельной мощности более 28 кВт/л на двигателе, выполняющем требования EU6, не обойтись без применения двухступенчатого турбонаддува.
Рисунок 24. Максимальное давление газов в камере сгорания в зависимости от удельной мощности и степени рециркуляции отработавших газов для различных уровней выбросов / норм токсичности.
Необходимость в таких высоких давлениях объясняется большой степенью рециркуляции отработавших газов, необходимой также и на режимах полной нагрузки, так как в этом случае для обеспечения необходимого коэффициента избытка воздуха? требуются значительно более высокие давления воздуха во впускном коллекторе. Поэтому становится необходимой совершенно новая, очень жесткая и прочная конструкция блока и головки цилиндров, предпочтительно из высокопрочного чугуна (вермикулярный графит), а также «параллельное» расположение впускных каналов.
В свою очередь такая особая конструкция головки цилиндров в совокупности с требованием высокой эффективности работы моторного тормоза делает необходимым расположение валов газораспределения, одного или двух, в головках цилиндров (OHC или DOHC).
Сложность работы двигателя на транзиентных режимах для различных циклов испытаний отображена на рисунке 25. На тех испытаниях, где часто происходит разгон с низких оборотов, а именно испытания JPTC и WHTC, наблюдается значительное увеличение выбросов NOx и сажи по сравнению со стационарным режимом.
Рисунок 25. Увеличение выбросов на переходных режимах.
Таким образом, будущие требования по токсичности могут быть удовлетворены только интенсивными разработками и улучшением работы двигателя на переходных режимах, а прежний, преимущественно стационарный подход к оптимизации поршневого двигателя, устарел.
Особенностью дизелей грузовых транспортных средств является необходимость единовременного контроля взаимозависимых параметров «давление воздуха во впускном коллекторе» и «степень рециркуляции отработавших газов». Вместо двух раздельных контроллеров на фирме АВЛ был разработан так называемый MMCD™ контроллер: один контроллер с несколькими переменными величинами, который, основываясь на физической модели, компенсирует интерференцию обоих переменных параметров (рисунок 26).
Рисунок 26. Концепция и результаты основанного на физической модели алгоритма контроля давления воздуха во впускном коллекторе и процента рециркуляции отработавших газов.
Таким образом, возможно значительное уменьшение выбросов NOx на переходном режиме при сохранении уровня выбросов сажи неизменным (рисунок 27).
Рисунок 27.Уменьшение выбросов на переходных режимах с помощью AVL MMCDTM контроллера.
На рисунке 28 приведены технологии и решения, с помощью которых удастся выполнить будущие требования для дизелей грузовых автомобилей. При этом должен быть предусмотрен фильтр для частиц и система SCR (впрыск мочевины). Применение топливных систем, обеспечивающих высокие давления впрыска, может быть достаточным и иметь преимущества перед использованием фильтра, конечно, если это будет совместимо с общими «политическими» тенденциями.
Рисунок 28. Технологии для будущих дизелей тяжелых грузовиков
Дизель в 2015 году
Необходимые технологии дизелей легковых и грузовых автомобилей для соответствия требований 2015 года известны.
В обеих областях разработки будут проходить эволюционным путем, технологические «скачки» не предвидятся, да и не требуются.
Учитывая большое количество новых технологий, которые необходимо будет внедрить в серийное производство, начинать работы по их разработкам нужно уже сегодня.
Как и до сих пор, большую часть работ для достижения целей должны будут везти производители двигателей.
На сегодняшний день ситуация оценивается таким образом, что двигатели для развивающихся стран едва ли будут в корне отличаться по своему технологическому уровню от двигателей для индустриально развитых стран.
Двигатель и система нейтрализации токсичности отработавших газов должны рассматриваться как единое целое.
Дизель для легковых автомобилей в 2015 году будет обладать следующими свойствами:
Максимальное давление газов в камере сгорания 180-200 бар, облегченные конструкции, преимущественно применение чугуна для блока и головки цилиндров.
Удельные мощности до 75 кВт/л, двухступенчатый турбонаддув с или без промежуточного охлаждения наддувочного воздуха.
Гибкая система впрыска топлива Common Rail, возможность обеспечения давления впрыска до 2000 бар.
Оптимизированная, высокотехнологичная система контроля расхода воздуха и рециркуляции отработавших газов, основанная на физической модели алгоритма контроля.
Основанный на давлении рабочей смеси, как входном сигнале, замкнутый цикл процесса сгорания и физический модельный алгоритм контроля процесса сгорания. На режимах неполных (частичных) нагрузок смешанные альтернативные (гомогенные - гетерогенные) рабочие процессы (напр. HCCI).
Фильтр частиц как базовая модификация, конвертирование NOx преимущественно с помощью SCR (впрыск мочевины), возможно также адсорбирование NOx.
Дизель для грузовых автомобилей в 2015 году будет обладать следующими свойствами:
Максимальное давление газов в камере сгорания 220-250 бар, оптимизированная конструкция головки и блока цилиндров из чугуна.
Удельные мощности 35–40 кВт/л, двухступенчатый турбонаддув с или без промежуточного охлаждения наддувочного воздуха, комбинированный наддув.
Гибкая система впрыска, обеспечение давления впрыска до 2500 бар, предпочтительно Common Rail, стандартизированные форсунки.
Привод валов газораспределения со стороны маховика, расположение валов газораспределения, одного или двух, в головке цилиндров (OHC или DOHC).
Высокоэффективный, встроенный моторный тормоз.
Оптимизированная, высокотехнологичная система контроля расхода воздуха и рециркуляции отработавших газов, основанная на физической модели алгоритма контроля; степень рециркуляции на режимах полной нагрузки до 30%.
Фильтр частиц как базовая комплектация, возможно применение «открытого» фильтра, SCR (впрыск мочевины).
За дополнительной информацией, пожалуйста, обращайтесь по указанным ниже адресам:
Проф., доктор Франц. К. Мозер Исполнительный вице-президент AVL LIST GMBH A-8020 Graz, Hans-List-Platz 1 email: [email protected] Тел.: +43 316 787 1200, Факс: +43 316 787 965 www.avl.com
Г-н Левит Семен Моисеевич Директор по развитию бизнеса «Силовые установки транспортных средств» в России и СНГ ООО «АВЛ» Россия, 127299, Москва, ул. Б. Академическая, д.5, стр.1 email: [email protected] Тел.: +7 495 937 32 86, Факс: +7 495 937 32 89
Принцип работы которого основан на самовоспламенении топлива при воздействии горячего сжатого воздуха.
Конструкция дизеля в целом мало чем отличается от бензинового двигателя , за исключением того, что в дизеле отсутствует как таковая система зажигания, поскольку воспламенение топлива происходит по другому принципу. Не от искры, как в бензиновом двигателе, а от высокого давления, с помощью которого сжимается воздух, из-за чего тот сильно разогревается. Высокое давление в камере сгорания накладывает особые требования к изготовлению деталей клапанов, которые предназначены для восприятия более серьезных нагрузок (от 20 до 24 единиц).
Дизельные двигатели применяются не только на грузовых, но и на многих моделях легковых автомобилей. Дизели могут работать на различных типах топлива - на рапсовом и пальмовом масле, на фракционных веществах и на чистой нефти.
Принцип действия дизельного двигателя
Принцип действия дизеля основан на компрессионном воспламенении топлива, которое попадает в камеру сгорания и смешивается с горячей воздушной массой. Рабочий процесс дизеля зависит исключительно от неоднородности ТВС (топливно-воздушной смеси). Подача ТВС в таком типе двигателя происходит раздельно.
Вначале подается воздух, который в процессе сжатия нагревается до высоких температур (около 800 градусов по Цельсию) , затем в камеру сгорания под высоким давлением (10-30 МПа) подается топливо, после чего происходит его самовоспламенение.
Сам процесс воспламенения топлива всегда сопровождается высокими уровнем вибраций и шума, поэтому двигатели дизельного типа являются более шумными в сравнении с бензиновыми собратьями.
Подобный принцип работы дизеля позволяет использовать более доступные и дешевые (до недавнего времени:)) виды топлива, снижая уровень затрат на его обслуживание и заправку .
Дизели могут иметь как 2, так и 4 рабочих такта (впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск). Большинство автомобилей оснащено 4-х тактовыми дизельными двигателями.
Типы дизельных двигателей
По конструкционным особенностям камер сгорания дизели можно разделить на три типа:
- С разделенной камерой сгорания. В таких устройствах подача топлива осуществляется не в основную, а в дополнительную, т.н. вихревую камеру, которая располагается в головке цилиндрового блока и соединяется с цилиндром каналом. При попадании в вихревую камеру воздушная масса максимально сжимается, тем самым улучшая процесс воспламенения топлива. Процесс самовоспламенения начинается в вихревой камере, затем переходит в основную камеру сгорания.
- С неразделенной камерой сгорания. В таких дизелях камера располагается в поршне, а топливо подается в пространство над поршнем . Нераздельные камеры сгорания с одной стороны позволяют экономить расход топлива, с другой стороны - повышают уровень шума при работе двигателя.
- Двигатели предкамерные. Подобные дизели оснащаются вставной форкамерой, которая соединяется с цилиндром тонкими каналами. Форма и размер каналов определяют скорость движения газов при сгорании топлива, снижая уровень шума и токсичности, увеличивая ресурс работы двигателя.
Топливная система в дизельном двигателе
Основой любого двигателя дизельного типа является его топливная система. Основной задачей топливной системы является своевременная подача нужного количества топливной смеси под заданным рабочим давлением.
Важными элементами топливной системы в дизельном двигателе являются:
- насос высокого давления для подачи топлива (ТНВД);
- топливный фильтр;
- форсунки
Топливный насос
Насос отвечает за подачу топлива к форсункам по установленным параметрам (в зависимости от числа оборотов, рабочего положения регуляторного рычага и давления турбонаддува). В современных дизельных двигателях могут применяться два типа насосов для топлива - рядные (плунжерные) и распределительные.
Фильтр является важной составляющей частью двигателя дизельного типа. Топливный фильтр подбирается строго в соответствии с типом двигателя. Фильтр предназначен для выделения и удаления из топлива воды, и лишнего воздуха из топливной системы.
Форсунки
Форсунки не менее важные элементы топливной системы в дизеле. Своевременная подача топливной смеси в камеру сгорания возможна только при взаимодействии топливного насоса и форсунок. В дизелях применяются два типа форсунок - с многодырчатым и шрифтовым распределителем. Распределитель форсунок определяет форму факела, обеспечивая более эффективный процесс самовоспламенения.
Холодный пуск и турбонаддув дизельного двигателя
Холодный пуск отвечает за механизм предпускового подогрева. Это обеспечивается за счет электрических нагревательных элементов - свечей накаливания, которыми оснащена камера сгорания. При запуске двигателя свечи накаливания достигают температуры в 900 градусов, подогревая воздушную массу, которая попадает в камеру сгорания. Питание со свечи накаливания снимается через 15 секунд после запуска двигателя. Системы подогрева перед запуском двигателя обеспечивают его безопасный запуск даже при низких атмосферных температурах.
Турбонаддув отвечает за повышение мощности и эффективности работы дизеля. Он обеспечивает подачу большего количества воздуха для более эффективного процесса сгорания топливной смеси и увеличения рабочей мощности двигателя. Для обеспечения нужного давления наддува воздушной смеси во всех рабочих режимах двигателя применяется специальный турбонагнетатель.
Остается только сказать, что споры относительно того, что лучше выбрать рядовому автолюбителю в качестве силовой установки в свой автомобиль, бензин или дизель , не утихают до сих пор. Преимущества и недостатки есть у обоих типов двигателя и выбирать необходимо, исходя из конкретных условий эксплуатации автомобиля.
Задумывались ли вы уважаемые автомобилисты над тем, почему экономные Европейцы чаще всего приобретают автомобили с дизельными двигателями? Ведь уровень жизни и доходы на душу населения в Европе позволяет людям не сильно задумываться о стоимости топлива. Но не смотря на нормальное благосостояние граждан Европы они по-прежнему все-равно продолжают чаще всего покупать автомобили с дизельными моторами. И причина здесь между прочим не только в экономии топлива. Из-за одной только экономии педантичные Европейцы никогда бы не стали массово скупать дизельные автомобили. На самом деле в самом Евросоюзе связана с рядом иных преимуществ, которые имеют эти дизельные автотранспортные средства, если их сравненивать с бензиновыми аналогами. Давайте друзья вместе с нами (вами) узнаем подробно, а какие-же преимущества помимо экономии топлива есть у дизельных двигателей.
1. Дизельные двигатели более экономичные.
Как нам всем давно известно самое главное и значительное преимущество любого дизельного мотора по сравнению с бензиновыми аналогами, является его меньший . Низкий расход дизельного агрегата связан с его особенностью преобразования данного дизельного топлива в энергию. Так например, такой дизельный силовой агрегат более эффективно сжигает горючее (топливо), что позволяет ему получать от одного объема соженного топлива около 45 - 50% всей энергии. Бензиновый же мотор получает от того же объема приблизительно 30% энергии. То есть, 70% бензина сгорает просто впустую!!!
Кроме того, дизельные двигатели имеют более высокую степень сжатия, чем бензиновые моторы. А так как на степень этого сжатия влияет время воспламенения топлива, то соответственно получается, что чем выше степень сжатия, тем больший КПД имеет двигатель.
Также, все современные дизельные моторы из-за отсутствия в них дроссельной заслонки на впускном коллекторе более эффективны, которая как правило использовалась да и используется сегодня во всех бензиновых автомобилях. Это позволяет дизелям (моторам) избегать потери драгоценной энергии связаной с всасыванием воздуха, который необходим для воспламенения топлива в бензиновых двигателях.
2. Дизельные двигатели надежнее чем бензиновые.
За последние 50 лет дизельные моторы зарекомендовали себя, как более надежные, чем их бензиновые соконкуренты. Главной особенностью этого дизельного агрегата является отсутствие в самой машине системы зажигания, которая работает от высокого напряжения. В итоге получается, что в машине с дизельным мотором отсутствуют радиочастотные помехи от линии высокого напряжения, которые часто становятся виновниками проблем с электроникой автомобиля.
Так же считается, что большинство внутренних компонентов дизельного двигателя имеют более долгий срок службы и это действительно так. А все из-за более высокой степени сжатия, где компоненты такого дизельного силового агрегата уже изначально являются более долговечными.
Именно по этой важной причине в мире существует очень много дизельных автомобилей с пробегом около и не так много с таким же пробегом бензиновых машин.
Есть правда один существенный минус у дизельных моторов, который раньше не давал покоя всем поклонникам мощных автомобилей. Дело в следующем, у дизельных двигателей старого поколения на каждый литр объема мотора была (выдавалась) очень маленькая мощность. Но к нашему счастью инженеры решили эту проблему с появлением на авторынке машин с турбинами. В итоге, почти все современные дизельные моторы сегодня оснащаются турбинами, которые и позволяют им сравняться по мощности (а порой даже превзойти) с бензиновыми аналогами. В том числе, с развитием новых технологий в современных дизелях инженерам удалось минимизировать практически все его недостатки, которые преследовали долгое время эти дизельные моторы.
3. Дизельный двигатель сам автоматически сжигает топливо.
Еще одно главное преимущество всех дизельных моторов заключается в том, что дизельные автомобили как бы автоматически сами по себе, сжигают внутри себя топливо не затрачивая фактически для этого ни какой лишней энергии. Напомним своим читателям следующее, не смотря на то, что дизельный двигатель использует для себя четырехтактный цикл (впуск, сжатие, сгорание и выхлоп), сжигание дизельного топлива у него происходит как бы самопроизвольно прямо внутри двигателя от большой степени сжатия. для того-же сжигания топлива нужны (необходимы) свечи зажигания, которые постоянно находятся под высоким напряжением и выдают искру, которая и воспламеняет бензин в камере сгорания.
В дизельных же двигателях в свечах зажигания необходимости нет, а также ему не нужны и высоковольтные провода ну и т.п. составляющие. По этой причине затраты на содержание автомобилей с дизельными агрегатами значительно снижаются, если их сравнивать с тем же бензиновыми автомобилями, в которых периодически нужно менять свечи зажигания, высоковольтные провода и связанные с ними другие компоненты.
4. Стоимость дизельного топлива сопоставима со стоимостью того же бензина, или даже ниже.
Не смотря на то, что в России стоимость дизельного топлива находится на том же почти уровне, что и цена бензина, нужно отметить следущее, что стоимость дизельного топлива во многих странах мира в том числе и в странах Европы в сравнении с нашей страной, заметно ниже, чем тот же самый бензин. То есть получается, что помимо пониженного расхода топлива владельцы данных дизельных автомобилей в других странах мира тратят на диз-топливо гораздо меньше денег, чем остальные владельцы бензиновых автотранспортных средств.
Но даже с тем условием, что в нашей стране солярка стоит также как и бензин (или даже дороже), то преимущество по той же эффективности данных дизельных автомобилей очевидно многим. Ведь запас хода машины на полном залитом баке диз-топлива получается на много больше, чем на том же автомобиле оснащенном бензиновым силовым агрегатом.
5. Более низкая стоимость владения.
С таким преимуществом (владением автомобиля с бензиновым двигателем) поспорить конечно трудно, так как в определенных случаях сама стоимость технического обслуживания и ремонта дизельных автомобилей значительно может превысить стоимость ТО (техобслуживание) бензиновых машин. И это действительно неоспоримый и доказанный факт. Но вот с другой стороны, если брать общие затраты, то стоимость владения дизельным автомобилем в совокупности получается значительно меньше, чем того-же бензинового аналога. Особенно на тех мировых авторынках, где наблюдается повышенный спрос именно на дизельные автомашины. Поясним нашим читателям, дело в том, что в стоимости владения машиной необходимо всегда учитывать на подержанном рынке и конкретную потерю рыночной цены автомобиля и естественный износ всех автозапчастей в процессе эксплуатации ТС (транспортного средства). Как правило дизельные автомобили теряют в цене намного меньше (и медленнее), чем те же бензиновые аналоги. Также, из-за более высокой долговечности деталей дизельного двигателя данные автомобили имеют более долгий срок своей службы, что естественно позволяет затрачивать значительно меньшие суммы денежных средств на .
Таким образом можно сказать, что в долгосрочной перспективе (от 5 лет и выше) владение дизельной машиной более выгодней, чем автомобилем с бензиновым агрегатом. Правда здесь друзья необходимо заметить, что стоимость дизельных автомоделей как правило бывает значительно выше бензиновых. Но, если вы в перспективе будете долгое время владеть таким диз-автомобилем и проезжать на нем 20.000 - 30.000 тыс. км в год, то такая переплата окупиться для вас за счет той-же экономии топлива.
6. Дизельные автомобили более безопасные.
На протяжении многих лет было доказано следующее, что дизельное топливо значительно безопаснее того-же самого бензина по нескольким причинам. Во-первых,- солярка меньше подвержена быстрому и легкому воспламенению (возгоранию) в сравнении ее с бензином. Например, то самое дизельное топливо не воспламеняется как правило при воздействии на него высокого источника тепла.
Во-вторых,- дизельное топливо не выделяет опасных паров, как тот-же бензин. В итоге вероятность воспламенения паров салярки что может вызвать пожар автомобиля, в дизельных автотранспортных средствах значительно ниже, чем в тех же бензиновых.
Все эти факторы делают дизельные автомобили на дорогах по всему миру намного безопаснее в отличии от бензиновых машин. Например, в случаях возникновения ДТП.
7. В выхлопе дизельного автомобиля меньше окиси углерода, чем в бензиновом.
С самого начала появления этих турбин инженеры столкнулись с определенной проблемой, которая была связана с питанием этих турбокомпрессоров. Как правило, сама крыльчатка турбины вращается за счет энергии, получаемой от выхлопных газов автомобиля. Если же сравнивать бензиновые и дизельные автомобили между собой, то турбины в дизельных моторах работают куда более эффективней, так как в дизельном автомобиле количество выхлопных газов на вырабатываемый объем гораздо больше, чем в бензиновом агрегате. Именно по этой причине турбокомпрессор(ы) дизельного мотора выдает(ют) максимальную мощность намного быстрее и раньше бензиновых автомобилей. То есть, уже на низких оборотах начинают ощущать максимальную мощность машины и ее крутящий момент.
9. Дизельные моторы без дополнительных модификаций могут работать на синтетическом топливе.
Еще одно главное преимущество дизельных двигателей это возможность их работы на синтетическом топливе без каких-либо существенных изменений в конструкции силового агрегата. Бензиновые же двигатели тоже по сути могут работать на альтернативном топливе. Но им для этого необходимы значительные изменения в самой конструкции силового агрегата. Иначе бензиновый двигатель работающий на альтернативном топливе просто быстро выйдет из строя.
В настоящий момент экспериментирует с биобутанолом (топливом), который отличным образом подходит в виде того синтетического биотоплива для всех бензиновых автомобилей. Этот вид топлива возможно не будет причинять бензиновым автомобилям никого существенного вреда без проведения каких-либо изменений в конструкции двигателя.
Дизельные двигатели для грузовых автомобилей как никакие другие должны отвечать постоянно растущим экологическим требованиям. Основной диапазон мощностей двигателей, применяемых на тяжелых грузовых автомобилях, составляет от 250 до 500 л.с. и более. Все изготовители грузовых автомобилей предпочитают использовать серии двигателей, унифицированных по конструкции и размерам цилиндров. У фирмы Mersedes это шести- и восьмицилиндровые V-образные двигатели с цилиндрами объемом около 2 л каждый. V-образные шестицилиндровые двигатели развивают мощность от 320 до 456 л.с. в зависимости от модификации. У компании DAF диапазон двигателей еще шире – мощность рядных двигателей рабочим объемом 12,6 л – от 340 до 530 л.с. в зависимости от модификации.
Одним из факторов, от которых зависит мощность двигателя внутреннего сгорания, является расход воздуха. Турбонагнетатель – надежный, хорошо себя зарекомендовавший инструмент точного регулирования расхода воздуха. Для получения нужной мощности необходимо в определенное количество воздуха подать строго дозированное количество топлива. Чем выше давление в камере сгорания, тем больше мощность двигателя. Максимальное значение мощности при этом ограничивается только допустимым давлением в камере сгорания дизельного двигателя.
Звучит просто, да и на самом деле все было очень легко до момента, когда вступили в силу экологические нормы Euro 1 и другие нормативы по токсичности отработавших газов (ОГ). Дело в том, что с повышением значения давления в камере сгорания возрастает температура сгорания и повышается содержание окислов азота (NOx) в ОГ. И наоборот, чем меньше давление в камере сгорания, тем меньше температура и больше содержание углеводородов (СН) в ОГ. При этом увеличивается количество окиси углерода CO и сажи, содержание которой традиционно выражается в количестве частей на миллион (Parts per Million, PM) или в мг/м 3 . Чтобы снизить содержание токсичных составляющих в ОГ, конструкторы двигателей увеличивают количество воздуха в топливовоздушной смеси. Идеально низкая токсичность ОГ достигается, когда в камеру сгорания поступает воздуха на 20% больше, чем топлива. Учесть все эти факторы, а также уменьшить расход топлива сегодня возможно, используя электронный впрыск топлива при высоком давлении. Электронная система впрыска достаточно точно управляет его началом, продолжительностью и остальными параметрами.
Содержание NOx и CH в отработавших газах напрямую зависит от параметров рабочего процесса в двигателе. Примером здесь может служить хотя бы тот факт, что из-за увеличения начала впрыска на 1° по углу поворота коленчатого вала содержание NOx в отработавших газах может по выситься на 5%, а содержание СН увеличиться на 15%. (Кроме конструктивных методов снижения токсичности ОГ существуют различные методы последующей обработки ОГ – использование каталитических нейтрализаторов, сажевых фильтров, рециркуляция отработавших газов и понижение температуры воздуха на впуске, но в данной статье мы рассматривать это не будем.) Такие сложные зависимости конструкторы двигателей стремятся учитывать при их разработке: тщательно подбирается форма камеры сгорания, от чего в значительной степени зависят токсичность ОГ и расход топлива, подбирают оптимальные объем и размеры цилиндров.
От экскаваторов до шаттлов
Компания Cometto выпустила несколько новых полуприцепов для перевозки крупногабаритных грузов. Модель 61MS оснащена шестью рядами осей по 8 колес на каждом. Грузоподъемность этого полуприцепа 183 т. Он был разработан для транспортировки компонентов электростанций. Напомним, что ранее для транспортировки турбин компания выпускала модель X64DAH/2530, которая использовалась совместно с грузовиком 6x4. Платформа полуприцепа 61MS раздвижная и может увеличиваться с 14 до 29 м. Модель XA4TAH/36 – полуприцеп с одноуровневым полом также может увеличиваться с 13 до 36 м. Максимальная грузоподъемность модели 52 т, она предназначена для транспортировки лопастей турбин.
Две другие модели итальянской компании Cometto служат для перевозки строительной техники. R04 грузоподъемностью 48 т разработана специально для перевозки тяжелой землеройной техники. Модель ZS4EAH грузоподъемностью 81 т способна перевозить и крупные строительные конструкции.
Немецкая компания Doll Fahrzeugbau расширила свой модельный ряд тремя низкопольными прицепами со съемным гузнеком. T4H-S3 – это четырехосный полуприцеп для перевозки крупной дорожной техники, например камнедробилок. Модель T3H-S3 – трехосный полуприцеп со специальным соединением между грузовой платформой и ходовой частью. Такая конструкция позволяет приспосабливать полуприцеп для перевозки самых разных грузов. Двухосная модель D2P-O с четырехшарнирными осями и нагрузкой на ось 12 т оснащена системой рулевого поворота с углом поворота 60°. Все большегрузные прицепы оснащаются электронной системой гидравлических поворотных осей, пневматическими или гидравлическими подвесками.
Затем создается серия двигателей широкого диапазона мощностей, различающихся числом цилиндров. У двигателей Scania, например, объем такого цилиндра 1,95 л. Именно из таких цилиндров состоят выпускаемые в настоящее время рядные шестицилиндровые и V-образные восьмицилиндровые двигатели. Шведская компания считает такие цилиндры не только оптимальными, но и универсальными, а потому планирует выпуск пятицилиндрового двигателя рабочим объемом 9,75 л. Видимо, по этой причине Scania разработала цилиндр меньшего размера, чтобы получи ть шестиц илиндровый двигатель рабочим объемом почти 10 л. Чтобы удовлетворить потребность в двигателях мощностью от 250 до 500 л.с. и более, появилась необходимость создать три типоразмера двигателей с оптимальным расходом топлива, увеличенной мощностью и долговечностью, а также низкой токсичностью ОГ. Похоже, что у двигателей двух производителей (Merсedes и Scania), выпускающих модельные ряды двигателей с одинаковыми камерами сгорания, проблем с реализацией задуманного не возникнет.
Volvo и IVECO также ориентируются на создание серий двигателей в трех диапазонах мощности с возможно бо’льшим числом унифицированных деталей. В настоящее время существуют только два варианта расширить границы возможностей двигателей. Один предлагают Scania и Volvo в виде турбокомпаундного привода, другой – IVECO в виде турбонагнетателя с изменяемой геометрией. Турбокомпаундный привод представляет собой две турбины, установленные последовательно по направлению движения отработавших газов. Такая конструкция позволяет полнее использовать остаточную энергию ОГ. Турбины не только закачивают свежий заряд в камеру сгорания, но и имеют кинематическую связь с маховиком, подкручивая коленчатый вал двигателя. Это техническое решение позволяет, по данным Scania, повысить КПД и мощность двигателя без увеличения давления в камере сгорания до 30...40 л.с. Турбонагнетатель с изменяемой геометрией позволяет при относительно небольшом объеме двигателя получить большой крутящий момент.
Других приемов увеличения мощностных показателей современных двигателей без кардинального изменения конструкции пока не разработано.
