• Сегодня: Четверг, Ноябрь 23, 2017

 

Блоги   6 июля 2015    2 438

Дизель — быстро, мощно, бесшумно!

На пути, который пришлось пройти инженерам, чтобы свести разницу между бензиновыми и дизельными силовыми агрегатами к минимуму, были годы исследований и множество технических новшеств. Я расскажу о самых интересных и полезных из них.

 

 

screen-capture-4

 

Первый дизельный двигатель.
Выглядит неказисто из-за огромного маховика.

 

НЕ РЫЧИ!

Первое, за что мы с вами так долго недолюбливали машины на дизельной тяге – непрерывно сопровождающее их тарахтение. Таков уж принцип работы этого мотора. Горючая смесь в нем приготавливается непосредственно в камере сгорания, куда, в уже сжатый и нагретый воздух впрыскивается порция дизтоплива. Температура сжатого воздуха настолько высока, что топливо самовоспламеняется. Поэтому в дизеле, в отличие от бензиновых моторов, работающих по циклу Отто, нет свечей зажигания, а есть лишь калильные свечи, нагревающие воздух перед пуском в морозы.

Стуки и металлическое бряцание исходит вовсе не от соприкосновения металлических частей мотора, как может показаться, а прямо из центра камеры сгорания. Кардинально изменить ситуацию можно только при помощи оптимизации процесса горения солярно-воздушной смеси. А именно – заставить весь ее объем воспламениться в максимально короткое время. Для этого нужна высокая точность дозы и момента впрыска. Сделать это можно в первую очередь, подняв давление топлива. Тогда все то, что должно воспламениться попадет в цилиндр предельно быстро, и задержка вспышки будет минимальной, а звук работы — тихим.

 

screen-capture-5

 

Пионер в области автостроения компания Mercedes-Benz первая освоила и дизельные моторы.
Четырехцилиндровый рядный дизель этого грузовика составлен из двух одинаковых блоков.
Все трубки охлаждения и подачи топлива, равно как и привод клапанов, «на улице»,
от чего дизель становится больше похож на паровую машину.
Фото предоставлено компанией Mercedes-Benz.

 

Поднять давление в привычном для дизеля устройстве подачи солярки – топливном насосе высокого давления (ТНВД) — на высоких оборотах работы мотора выше двухсот атмосфер, без ущерба для его ресурса, оказалось очень сложно технически. И главное – слишком дорого для технологии, претендующей на массовость. Кроме этого, искать принципиально новые решения конструкторов вынудили жесткие условия экологических норм.

Выход был найден. Так появились насос–форсунки, поместившиеся рядом с клапанами и приводящиеся не от отдельного вала, как ТНВД, а вместе с клапанами — распредвалом. Заодно, на один навесной агрегат (а ТНВД – довольно громоздкая штуковина) у двигателя стало меньше.

Своего конструкторы добились – давление было повышено относительно простым способом, но усложнилась задача регулировки длительности фазы впрыска. Точное управление количеством топлива требовало совершенно нового подхода к конструкции топливной аппаратуры, которая в конце концов повторила по сути обычный, бензиновый впрыск c общей топливной рампой и электронно управляемыми форсунками, но на качественно ином уровне.

Дизель, в отличие от бензинового мотора, работает при втрое большей степени сжатия, а потому и давление впрыска у систем Common Rail, по сравнению с бензиновыми аналогами, выглядит едва ли не фантастическим. В 2008 году лидер и пионер выпуска впрысковых топливных систем компания Bosch создала систему с рабочим давлением 2000 бар!

 

screen-capture-6

 

Форсунка дизельного двигателя (к которой на рисунке подходит трубка)
впрыскивает порцию дизтоплива прямо в сжатый объем камеры сгорания.
В этот момент рождается характерный дизельный стук.
Фото предоставлено компанией Mercedes-Benz.

 

Само собой, такое давление потребовало повышения качества топлива, и в первую очередь – его очистки от сернистых примесей. Большинство топливных компаний мгновенно отреагировали на новые требования и, по этой причине, мир стремительно забывает о дешевой солярке. Как говорится – красота требует жертв!

Рабочее давление подобных систем, как и многие другие процессы, влияющие на характер горения топлива и, в конечном итоге, на КПД мотора, очень разнятся от производителя к производителю. Именно поэтому некоторые бренды до сих пор опасаются выводить на отечественный рынок версии машин с дизельными двигателями. По их представлениям, качество топлива на наших просторах ниже того, которое требуется для производимых ими моторов.

 

ТРЯСКЕ — НЕТ!

Вибрация – второй вечный спутник дизеля. Длинный ход цилиндра и высокая энергия вспышки топлива заставляют мотор трястись, особенно в области холостых оборотов.

Руководствуясь принципом «клин клином вышибают», конструкторы оснастили самые передовые дизели балансирными валами, которые создают точно такие же ускорения, но направленные в противоположную сторону. Не смотря на громоздкость этих валов, которых внутри блока может быть два, сложность их привода, дополнительный вес и шум от работы, принцип активного подавления вибраций оказался единственно приемлемым для дизельного мотора.

В разных моторах балансирные валы приводят и шестернями, и специальной цепью, и зубчатым ремнем. Их располагают в самых разных местах двигателя, но все они делают моторы менее дрожащими, и работу – плавной.

 

ПАРОВОЗАМ ТУТ НЕ МЕСТО

О том, что дизельный выхлоп токсичен, знали еще во времена первых, самых несовершенных агрегатов. Черный дым из выхлопной трубы и сегодня частый спутник автомобиля с шильдиком «D» на корме. Копоть – самый трудноустранимый спутник моторов на топливе тяжелее бензина. Даже в почти прозрачном, на вид, дизельном выхлопе содержится сажи на порядок больше, чем в отработанной смеси бензинового мотора. Массовое применение дизельной техники в Европе, и последовавшее вслед за ним резкое повышение концентрации углеводородов в атмосфере поставило проблему снижения дымности выхлопа перед европейскими производителями в полный рост. Поскольку большое количество сажи — врожденная черта дизельного мотора, в борьбу с «паровозным» шлейфом из трубы, помимо передовых топливных систем, о которых я уже рассказал, вступили разнообразные сажеуловители. Противосажевые фильтры стали обязательными для всех автомобилей, продающихся в Европе. Наиболее продвинутые конструкторы, озабоченные чистотой природы, соорудили целую систему, помогающую углеродистым соединениям догорать в устройстве, аналогичном бензиновому катализатору. Mercedes-Benz предлагает на модели Е320 с этой целью добавлять в продукты горения мочевину, для которой предусмотрена отдельная емкость. В его двигателе Bluetec в выхлопные газы впрыскивается восстановитель AdBlue, на 80% сокращающий объем угарного газа. Кроме того, в моторе предусмотрены сажевый фильтр и катализатор-накопитель. Инженеры Mercedes считают силовую установку Bluetec самым чистым дизельным двигателем в мире.

 

screen-capture-7

 

С первых серийных дизельных двигателей начала века и по сегодняшний день
обычный дизельный двигатель питает свои цилиндры при помощи топливного
насоса высокого давления (ТНВД, на фото — серебристого цвета). Турбодизели Common Rail
внешне отличаются отсутствием ТНВД. Фото предоставлено компанией Mercedes-Benz.

 

САМЫЕ САМЫЕ

Так, постепенно, дизель избавился от трех своих заклятых врагов – вибрации, черного дыма и шума. Последнему, помимо оптимизации процесса горения топлива, отлично противостоит специальная, дизельная шумоизоляция подкапотного пространства. Толстенный многослойный пластиковый колпак, закрепленный поверх большинства дизельных двигателей, который первым бросается в глаза любому, поднявшему крышку капота – не только украшение. Его основная функция – не пропустить звук в салон. Дополнительная звукоизоляция моторного щита и пола под ногами пассажиров способна поставить полностью непроницаемый барьер любой дизельной трескотне.

Благодаря всем перечисленным ухищрениям, дизель не только оказался на одном пользовательском уровне с лучшими бензиновыми моторами, но и превзошел многих из них. Отмечу, что для уверенного наступления на абсолютное большинство бензиновых моторов, дизелям нужно было научится легко «раскручиваться» до значительно больших оборотов, чем их тарахтящие предки.

Тут конструкторы столкнулись с самыми большими трудностями. А все из-за той же высокой степени сжатия, обуславливающей большой (по сравнению с бензиновыми конструкциями) ход поршня. Кроме того, что испытывающий несравнимо большие ударные нагрузки, дизельный поршень сам по себе тяжел, он передает усилия на коленвал при помощи более прочного, и тоже тяжелого шатуна, да и сам коленвал дизеля больше по размеру и тяжелее.

Развить большие обороты — значит заставить все это хозяйство прыгать, качаться и крутиться с большими ускорениями. И тут двигательные технологии уперлись в проблему создания качественно иных материалов, способных выдержать высокие температуры и тяжелые нагрузки без прироста веса. Иными словами, чтобы построить дизельный мотор, способный достигать в длительном режиме частоты вращения хотя бы пять с половиной тысяч оборотов, нужно применить специально для таких целей созданные чугун, стальные и алюминиевые сплавы и, кроме того, изготовить все детали с точностью, в несколько раз превышающую требования к деталям для бензиновых моторов. Оно и понятно – вершина технологии невозможна без соответствия всех ее составляющих идее совершенства.

Именно дороговизна производства, подгонки и сборки становятся основной причиной большей стоимости высокооборотного легкового дизеля, хотя и его топливная аппаратура тоже откровенно недешева. Пришедшие на смену обычным ТНВД системы с общей рампой Common Rail или с насос–форсунками, конечно, ощутимо дороже. В мире устройств высокого давления действует простой закон. По мере линейного увеличения расчетного давления, цена любого механизма вырастает практически в квадратической зависимости.

 

screen-capture-8

 

Катализатор-сажеуловитель дизельного двигателя устроен сложнее, чем бензинового.
Поскольку сажа в выхлопе полностью не сгорает, часть ее можно
просто задержать своеобразным фильтром.
Очищенный от копоти выхлоп проникает сквозь фильтр и попадает в атмосферу.
Фото предоставлено компанией Mercedes-Benz.

 

ДУЕМ БОЛЬШЕ

Дизель и турбонаддув – близнецы–братья. Безнаддувные, так называемые атмосферные, дизели сегодня – большая редкость. Не случайно их называют «тракторными» за узкий диапазон характеристик и областей применения. Возможность кардинально и почти задаром улучшить характеристики дизеля при помощи турбины была использована конструкторами моторов еще на заре прошлого столетия. Еще бы! Для работы турбонагнетателя не требуется дополнительной энергии. Достаточно только силы улетающих в никуда выхлопных газов, а полученный прирост мощности около сорока процентов с лихвой окупает и сложность самой турбины, и еще более высокие требования ко все тем же железкам внутри мотора: поршням, цилиндрам и клапанам.

Сама по себе турбина — тоже маленькое инженерное чудо, сочетающее в себе массу противоречивых качеств. Одни только максимальные обороты около двадцати тысяч в минуту чего стоят!

Как ни странно, в доли стоимости современного дизеля турбина не столь весома, как пару десятилетий назад. Еще и поэтому ее можно считать самым простым и экономически наиболее выгодным способом превратить тракторный дизель в передовой мотор.

В паре с турбонагнетателем почти всегда работает радиатор, в котором наддуваемый воздух охлаждается набегающим спереди атмосферным потоком. Охлаждать воздух для работы двигателя надо по одной причине – масса холодной смеси больше, и значит, больше сила заряда и КПД мотора. Называемый интеркулером, такой радиатор прост, легок и дешев, а потому применяется почти повсеместно.

 

screen-capture-9

Двухцилиндровый дизельный двигатель Mercedes был установлен на тракторе.
Тракторный мотор был накрыт весьма символическим капотом.
Тряска, грохот и черная копоть были не в счет.
Главное — машина могла двигаться сама и тащить за собой солидный плуг.
Фото предоставлено компанией Mercedes-Benz.

 

А ПОТРЕБЛЯЕМ МЕНЬШЕ

То, ради чего и был задуман дизельный двигатель, работающий по циклу Тринклера-Сабатэ – высокая экономичность при огромном (в сравнении с бензиновыми моторами такого же литража или мощности) крутящем моменте, было и остается главным достоинством дизеля. Для примера приведу разработанный заводом Volkswagen двухлитровый дизельный мотор, который устанавливают на Volkswagen Jetta с 2009 года.

Помимо этого, большинство разработчиков экологически чистых силовых установок пристально смотрят на переспективные дизели, которые в паре с электромоторами и генераторами по экономичности и экологичности выходят на лидируюшие позиции среди всех гибридных агрегатов.
Дизельный цикл работы мотора проник даже туда, куда, казалось, ему заказана дорога самой теорией двигателестроения. Компания Mercedes-Benz создала бензиновый агрегат c переменной степенью сжатия, который в некоторых режимах, как и дизель, обходится без свечей зажигания, сжимая смесь воздуха и бензина до температуры самовоспламенения. Отдавая дань обоим принципам двигателей внутреннего сгорания, маркетологи Mercedes-Benz назвали этот мотор Dies-Otto.

Ну и на последок вспомним о дизелях, работающих на смеси дизтоплива и природного газа. Несмотря на то, что газ – тоже органическое топливо природного происхождения, подобные силовые установки позволяют заметно снизить уровень токсичных и сажевых выбросов дизеля без применения дорогостоящих катализаторов и сажеуловителей. Единственный минус газодизельного транспорта – привязанность к специализированным газовым заправкам. Тем не менее, автобусы с газобаллонной аппаратурой на крыше можно увидеть на улицах многих городов мира и России уже сегодня.

 

 

screen-capture-11     

 

Этот довоенный грузовик середины 1930-х был разработан компанией Mercedes.
Комплектовался как дизельными, так и бензиновыми моторами.
Армейские интересы заставили выпускать его аналог еще и под маркой Opel.
Его полноприводный дизельный вариант отличался фантастической проходимостью.
Благодаря отсутствию электрооборудования, влияющего на работу дизеля,
машина могла преодолевать брод глубиной ровно по нижнюю кромку боковых окон.
Фото предоставлено компанией Mercedes-Benz.