Несмотря на рост популярности электромобилей, ученые-энергетики не видят единой альтернативы для автомобильного топлива из нефти, а значит, одна из ключевых ролей в повышении энергоэффективности транспорта по-прежнему отводится дизельным технологиям.
Многие специалисты считают, что будущие нормы по выбросам CO2 в Европе (95 г/км) в 2020 году при минимальных дополнительных затратах будут достижимы только благодаря дизельной технологии.
Что же позволяет двигателю с воспламенением от сжатия держать высокие показатели экологичности и экономичности? Сегодня ни у кого не возникает сомнения, что роль первой скрипки в улучшении этих параметров играют системы впрыска топлива. От их совершенства во многом зависит развитие мирового моторостроения.
Основные требования, предъявляемые к дизельным топливным системам, сейчас таковы: обеспечение лучшей экономии топлива, низкий уровень шума, надежность и длительный срок службы. В современных дизельных двигателях применяют три системы впрыска: Common Rail, электронно-управляемые насос-форсунки и единичные насосы в блоке цилиндров.
С общей магистралью
Система Common Rail, подразумевающая подачу топлива к форсункам от общего аккумулятора высокого давления, позволяет разделить во времени процессы нагнетания и впрыскивания топлива. Это обеспечивает более точную регулировку начала подачи топлива и возможность многократного впрыска в течение одного цикла работы двигателя. Различают предварительный, основной и дополнительный впрыски (последний обычно используется для регенерации фильтра твердых частиц).
Давление топлива в системе Common Rail постоянное, оно не зависит от оборотов и обеспечивается плунжерным насосом (линейный насос на тяжелых и средних дизелях или радиальное плунжерное устройство на легких). Электронное регулирование производительности насоса позволяет существенно снизить потери в приводе.
В Common Rail используется два типа форсунок - электрогидравлические и пьезоэлектрические. Впрыск топлива электрогидравлической форсункой осуществляется за счет управления электромагнитным клапаном. Активным элементом пьезофорсунки являются пьезокристаллы, значительно повышающие скорость работы устройства (в 4 раза быстрее электромагнитного клапана).
Крупнейшими мировыми производителями топливной аппаратуры являются компании Bosch, Denso, Delphi (правопреемник бренда Lucas). Лидером в производстве систем Common Rail считается Bosch. Компания вывела "рейл" на рынок в качестве массового продукта в 1997 году. А в 2005-м штутгартская марка получила отраслевую премию за создание пьезофорсунки. В 2012 году было произведено 75 млн комплектов Common Rail, большая часть из них приходится на системы с электрогидравлическими форсунками (видимо, значительную роль играет вопрос цены).
Несколько слов о новинках. В прошлом году для сегмента средних и тяжелых грузовиков выпущена форсунка CRSN3-25 с максимальным давлением впрыска 2500 бар. Данный продукт имеет три особенности.
Прежде всего, это специальная конструкция канала высокого давления, позволяющая минимизировать утечки топлива в дренажную магистраль. Второй особенностью является возможность более тонкого распыла с более тонкой гармонизацией с системами нейтрализации отработавших газов (например, Denoxtronic) или рециркуляции. Наконец, форсунка CRSN3-25 отличается незначительным падением давления, что особенно важно для быстрых и частных пусков, характерных для режима старт-стоп.
Если говорить о преимуществах системы Common Rail, стоит упомянуть ее недорогую и несложную адаптацию к двигателям, изначально рассчитанным на ТНВД с механическим управлением и приводом от распределительного вала. Это качество особенно ценно для производителей двигателей, модернизирующих существующие силовые агрегаты под новые экологические нормы. В качестве примеров можно назвать адаптацию Common Rail на двигателях КАМАЗ-740.64, ММЗ Д-245, Д-263 и ЗМЗ-51432.10 для выполнения норм Евро-4.
Каждому цилиндру - свой насос
Свое место под солнцем в дизельном мире имеют и так называемые интегральные системы. К ним относятся насос-форсунки (PDE) и индивидуальные насосные узлы (PLD). Насос-форсунки, количество которых соответствует числу цилиндров двигателя, устанавливаются в головке блока цилиндров, привод осуществляется от распределительного вала. Быстродействующий соленоидный клапан в соответствии с параметрами, определяемыми в программной карте двигателя, обеспечивает точную регулировку начала впрыска топлива и скорости потока. Кстати, данная конструкция также может применяться для выборочного отключения цилиндров.
Индивидуальные насосные узлы состоят из блока высокого давления с электромагнитным клапаном, короткого трубопровода и инжектора. Каждый цилиндр двигателя обслуживается отдельным модулем, выполненным как составная часть блока цилиндров (такое решение обеспечивает повышенную жесткость).
В настоящее время системы PDE и PLD от Bosch можно встретить, в частности, на автомобилях Volkswagen (первоначально разрабатывались для двигателей TDI), грузовиках Iveco (двигатель Cursor) и Mercedes-Benz (Actros, Axor, Atego).
В сегменте тяжелых дизелей главным конкурентом Bosch является английская компания Delphi, которая выпускает насос-форсунки EUI и насосные секции EUP. Топливные системы Delphi установлены более чем на 6 млн грузовиков, сошедших с конвейеров различных производителей. Среди них Volvo Trucks, Renault Trucks, Hyundai и DAF. Для двигателей большой мощности (объемом от 9 до 16 л) Delphi предлагает новую топливную систему F2, которую можно считать неким симбиозом Common Rail и насос-форсунок. Суть решения в соединении насос-форсунок общей рампой высокого давления и сокращении числа насосных элементов (уменьшает потери в приводе). Применительно к 6-цилиндровому двигателю это означает, что работу шести инжекторов обеспечивают всего три насосных элемента. На сегодняшний день система F2 имеет три архитектуры: F2Е - для двигателей с распределительным валом в головке блока цилиндров; F2P - c нижним расположением распределительного вала, F2R - стандартная система Common Rail c рампой и топливным насосом.
На выставке IAA 2014 в Ганновере Delphi раскрыла некоторые подробности о технологиях следующего поколения. Речь идет о системе с давлением до 3000 бар. Как следует из сообщения компании, следующие системы будут обеспечивать улучшенную гидравлическую эффективность, повышенную надежность в отношении подачи топлива и выбросов вредных веществ, а также будут оснащены клапанами, меньшими по размеру и более легкими по весу, что позволит осуществлять их более быстрое открытие и закрытие, обеспечивая лучшие возможности многократного впрыска топлива.
У правил есть исключения
Нередко автопроизводители отказываются от готовых решений, предлагаемых на рынке, и полностью или в сотрудничестве с партнерами берут на себя разработку топливной аппаратуры. Такой подход особенно характерен для мировых производителей тяжелых двигателей.
Например, американская компания Caterpillar, наряду с общепризнанными решениями, использует собственную разработку под аббревиатурой HEUI (Hydraulically Electronically Unit Injection). Как понятно из названия, в данной системе используются насос-форсунки с гидроприводом. Теперь вместо кулачка работает своеобразный гидроцилиндр, подпитываемый моторным маслом под давлением более 250 бар (создается специальным насосом). Электромагнитный клапан, управляющий впрыском, перекочевал из топливного канала в масляный, однако это не мешает реализации практически любых алгоритмов впрыска, в том числе многоэтапных. Caterpillar выпускает систему HEUI с 1992 года. Сегодня ей оснащаются хорошо известные в России двигатели С7, С9 и С11. Впрочем, эту систему можно встретить не только на машинах с эмблемой Cat, она также используется на двигателях Perkins, International и Isuzu.
Похожее решение имеет американский бренд PurePower, принадлежащий компании Navistar International. Для тяжелых дизелей марка предлагает электрогидравлическую систему ACR с насос-форсунками и гидроприводом. Система ACR выпускается в двух вариантах: для рядных 6-цилиндровых и для V-образных 8-цилиндровых двигателей. Давление впрыска достигает 2700 бар.
Имеются и такие системы, где гидравлика используется не для генерации высокого давления, а для управления впрыском, причем в качестве рабочей жидкости используется дизельное топливо. Такого рода системы под названием HPI (High Pressure Injection) находят применение в двигателях Cummins и Scania (DTC11). Вкратце о том, как это работает. В каждой насос-форсунке две секции: одна - рабочая, из нее топливо направляется в камеру сгорания; вторая - "командная", от объема находящегося в ней топлива (регулируется соленоидным клапаном) зависит момент впрыска и его продолжительность. Система HPI обладает такими ценными качествами, как легкий и недорогой ремонт (соленоиды размещены на блоке, и заменить их не составляет труда), меньший уровень шума.
Плюсом в условиях зимней эксплуатации является подогретое топливо, значительное количество которого, проходя через форсунку, возвращается обратно в бак.
В общем, каждая из современных систем впрыска занимает определенную нишу, но зачастую эти ниши пересекаются. И не исключено, что в недалеком будущем конкуренция между дизельными технологиями обострится.
Ярославский Common Rail
На Ярославском заводе дизельной аппаратуры "Группы ГАЗ" в 2013 году был выпущен 1000-й топливный насос системы подачи топлива Common Rail, отвечающий экологическому стандарту Евро-4. Как отметили на предприятии, разработка и промышленное производство такого вида топливоподающих систем из отечественных комплектующих российскими специалистами была выполненавпервые на постсоветском пространстве. При этом насосы высокого давления системы Common Rail созданы на основе серийных насосов "Компакт-40". Новый продукт получил заводское обозначение ТНВД мод. 47, в его производстве применяется большое количество серийных деталей, что позволило использовать имеющиеся металлорежущее оборудование и оснастки, не приобретая новое.
Производство топливной аппаратуры мод. 47 осуществлялось в рамках инвестиционного проекта "Организация производства V-образных двигателей ЯМЗ стандарта Евро-4 с топливоподающими системами производства ОАО "ЯЗДА". Сумма инвестиций по проекту - 26 млн руб. В двигательном сегменте потенциальными заказчиками топливной аппаратуры стандарта Евро-4 являются предприятия "Группы ГАЗ", ММЗ, КАМАЗ и другие.
Фото: 5koleso.ru
Автопарк
