Дизельный двигатель с турбонаддувом
История создания дизельных двигателей с турбонаддувом
Турбокомпрессоры применялись для повышения мощности двигателей внутреннего сгорания еще на этапе развития этого вида технологий. Запатентованный американцем Альфредом Бюхи в 1911 году турбокомпрессор на заре своего развития сыграл значительную роль в военной авиации – турбированные бензиновые двигатели ставились на истребители и бомбардировщики для повышения их высотности. Свое применение в автомобильном дизелестироении технология нашла относительно недавно. Первым серийным автомобилем с турбированным дизелем был появившийся в 1978 г. Mercedes-Benz 300 SD, а в 1981 г. за ним последовал VW Turbodiesel.
Устройство и принцип работы дизельного двигателя с турбонаддувом
Принцип работы турбированного дизельного двигателя основан на использовании энергии выхлопных газов. Покинув цилиндр, отработавшие газы попадают на крыльчатку турбины, вращая ее и закрепленную с ней на одном валу турбину компрессора, встроенного в систему подачи воздуха в цилиндры.
Таким образом, в отличие от атмосферных дизелей, в турбокомпрессорных агрегатах воздух в цилиндры подается принудительно под более высоким давлением. В итоге объем воздуха, попадающего в цилиндр за один цикл, возрастает. В сочетании с увеличением объема сгорающего топлива (пропорции топливно-воздушной смеси остаются неизменными) это дает прирост мощности до 25%.
Для еще большего повышения объема поступающего в цилиндры воздуха дополнительно применяют интеркулер – специальное устройство, охлаждающее атмосферный воздух перед нагнетанием в двигатель. Из школьного курса физики известно, что холодный воздух занимает меньше места, чем теплый. Таким образом, при охлаждении можно «затолкать» в цилиндр больше воздуха за цикл.
В результате у турбодизеля меньше удельный эффективный расход топлива (в граммах на киловатт-час) и выше объемная мощность (количество лошадиных сил на литр объема двигателя). Все это обеспечивает возможность существенно подрастить суммарную мощность мотора без значительного увеличения его габаритов и числа оборотов.
Плюсы и минусы дизельного двигателя с турбонаддувом
Обратная сторона повышения мощности мотора при сохранении общих характеристик, то есть форсирования, – более интенсивный износ узлов, как следствие, снижение ресурса силовой установки. Кроме того, турбины требуют применения специальных сортов моторных масел и строгого соблюдения рекомендуемых изготовителем сроков обслуживания. Еще более требователен к вниманию владельца воздушный фильтр. Также в работе двигателей с турбинами низкого давления может присутствовать эффект «турбоямы», выражающийся в заметном «проседании» на низких и средних оборотах двигателя.
Турбированные моторы менее экономичны, чем атмосферные дизели, потребляя на 20 – 50% больше топлива при том же объеме. Еще один явный недостаток системы турбонаддува – она очень чувствительна к износу поршневой группы. Возрастание давления картерных газов ощутимо снижает ресурс турбины. При продолжительной работе в таких условиях наступает «масляное голодание» и поломка турбокомпрессора. Причем повреждение этого агрегата вполне может привести к выходу из строя всего двигателя, а турбированные дизели еще менее ремонтопригодны, чем их атмосферные братья.
Да и вообще, наличие технически сложного турбокомпрессора, нуждающегося в дополнительных устройствах стабилизации давления, аварийного его сброса и так далее делает силовую установку автомобиля более замысловатой, увеличивая число деталей, а значит, снижая общую надежность. К тому же, ресурс самого турбокомпрессора значительно меньше, чем аналогичный показатель двигателя в целом.
Современные технологии усовершенствования дизельных двигателей
Значительную популярность сегодня приобрела система повышения эффективности и гибкости режимов дизеля под названием «Common-Rail». Если в традиционном дизельном двигателе каждая секция насоса высокого давления подает топливо в отдельный топливопровод, замкнутый на одну форсунку. Даже несмотря на изрядную толщину стенок топливопроводов при подаче в них жидкости под давлением в 1500-2000 атмосфер они незначительно, но «раздуваются». В результате попадающая в цилиндр порция топлива отличается от расчетной. «Довесок», сгорая, увеличивает расход горючего, повышает дымность и снижает полноту сгорания топливно-воздушной смеси.
Удачное инженерное решение этой проблемы разработали одновременно сразу несколько автопроизводителей. В новой системе топливный насос высокого давления подает горючее в общий трубопровод — топливную рампу, которая, помимо прочего, играет роль ресивера, то есть стабилизатора давления в контуре. В рампе все время присутствует постоянный объем топлива, находящегося не под пульсирующим давлением, а под постоянным.
К тому же, развитие интеллектуальных технологий позволило оснастить форсунки электронными системами открытия (в традиционных дизелях регулировка циклов впрыска происходит гидромеханическим способом при повышении давления в трубопроводе). Электронный блок, управляющий работой форсунок, учитывает информацию о положении педали акселератора, давлении в рампе, температурном режиме двигателя, его нагрузке и т.д. На основе этих данных рассчитывается размер порции топлива и момент его подачи.
Еще одно новшество, появившееся благодаря развитию автомобильной электроники – двухэтапная подача топлива в камеру сгорания. Сначала впрыскивается «разгонная» (около миллиграмма) порция. При сгорании она дополнительно к эффекту сжатия повышает температуру в камере, и основная доза, впрыскиваемая следом, сгорает более плавно, также плавно наращивая давление в цилиндре. В результате двигатель работает мягче и менее шумно, а расход топлива сокращается примерно на 20% при одновременном возрастании крутящего момента на малых оборотах на 25%. Что немаловажно - уменьшается содержание в выхлопе сажи.
Среди новых разработок, призванных улучшить экологические характеристики дизелей одновременно с оптимизацией их экономичности, наиболее перспективной считается система BlueTec, разработанная специалистами концерна Daimler AG. Основная ее составляющая – инновационная методика каталитической нейтрализации выхлопных газов.
Каталитические нейтрализаторы современных автомобилей работают за счет керамических или металлических «сот», покрытых слоем химически активных веществ — катализаторов. Катализаторы окисляют или восстанавливают токсичные соединения CO, CH и NOx до углекислого газа, простого азота и воды.
Однако особенности дизельного топлива, а также процессов образования и сгорания топливно-воздушной смеси в дизеле таковы, что выхлоп содержит не только вредные химические компоненты, но большое количество сажи. Причем если начать уменьшать долю сажи возрастает содержание NOx, и наоборот. Таким образом, для комплексной очистки дизельного выхлопа нужна многокомпонентная химико-механическая система, усложняющая конструкцию автомобиля и, как следствие, снижающая рентабельность производства.
Технология BlueTec построена на сочетании традиционных и новых решений. Сначала отработавшие газы проходят имеющийся на большинстве дизельных автомашин противосажевый фильтр и катализатор, «истребляющий» соединения углерода. Далее в выпускной тракт впрыскивается активный реагент AdВlue на основе мочевины (раствора аммиака в воде). Получившаяся смесь попадает в специальный нейтрализатор избирательного действия (SCR), в котором аммиак из AdBlue под влиянием катализа при температуре 250–300°С вступает в химическую реакцию с окислами азота, «разбирая» их на азот и воду. Здесь же «дожигаются» остальные вредные компоненты.
При очевидных плюсах BlueTec имеет не менее очевидные минусы. Хранение запаса компонента AdВlue требует отдельной емкости. Сама система осложняется за счет присутствия дополнительных узлов и магистралей. К тому же, система еще более прихотлива к качеству топлива и может работать только на солярке с минимальным содержанием серы.
Еще одна весьма актуальная для России проблема - раствор AdВlue замерзает при минус 11,5 градусов. Поэтому инженеры BlueTec сейчас активно работают над совершенствованием систем без использования мочевины. Сегодня проходят опробование и доработку комплексы из противосажевого фильтра, платинового каталитического нейтрализатора и двух SCR-катализаторов, «заряженных» исключительно на борьбу с оксидами азота. В настоящее время система позволяет обеспечить содержание NOx в выхлопе дизелей примерно на уровне Евро-5.
