Применения дизельных двигателей на грузовых автомобилях. Современные дизельные двигатели грузовиков

Того же года он был успешно испытан. Дизель активно занялся продажей лицензий на новый двигатель. Несмотря на высокий КПД и удобство эксплуатации по сравнению с паровой машиной практическое применение такого двигателя было ограниченным: он уступал паровым машинам того времени по размерам и весу.

Первые двигатели Дизеля работали на растительных маслах или лёгких нефтепродуктах. Интересно, что первоначально в качестве идеального топлива он предлагал каменноугольную пыль. Эксперименты же показали невозможность использования угольной пыли в качестве топлива - прежде всего из-за высоких абразивных свойств как самой пыли, так и золы, получающейся при сгорании; также возникали большие проблемы с подачей пыли в цилиндры.

Принцип работы

Четырёхтактный цикл

• 1-й такт. Впуск . Соответствует 0° - 180° поворота коленвала. Через открытый ~от 345-355° впускной клапан воздух поступает в цилиндр, на 190-210° клапан закрывается. По крайней мере до 10-15° поворота коленвала одновременно открыт выхлопной клапан, время совместного открытия клапанов называется перекрытием клапанов .
• 2-й такт. Сжатие . Соответствует 180° - 360° поворота коленвала. Поршень, двигаясь к ВМТ (верхней мёртвой точке), сжимает воздух в 16(в тихоходных)-25(в быстроходных) раз.
• 3-й такт. Рабочий ход, расширение . Соответствует 360° - 540° поворота коленвала. При распылении топлива в горячий воздух происходит инициация сгорания топлива, то есть частичное его испарение, образование свободных радикалов в поверхностных слоях капель и в парáх, наконец, оно вспыхивает и сгорает по мере поступления из форсунки, продукты горения, расширяясь, двигают поршень вниз. Впрыск и, соответственно, воспламенение топлива происходит чуть раньше момента достижения поршнем мёртвой точки вследствие некоторой инертности процесса горения. Отличие от опережения зажигания в бензиновых двигателях в том, что задержка необходима только из-за наличия времени инициации, которое в каждом конкретном дизеле - величина постоянная и изменению в процессе работы не подлежит. Сгорание топлива в дизеле происходит, таким образом, длительно, столько времени, сколько длится подача порции топлива из форсунки. Вследствие этого рабочий процесс протекает при относительно постоянном давлении газов, из-за чего двигатель развивает большой крутящий момент. Из этого следуют два важнейшие вывода.
  • 1. Процесс горения в дизеле длится ровно столько времени, сколько требуется для впрыска данной порции топлива, но не дольше времени рабочего хода.
  • 2. Соотношение топливо/воздух в цилиндре дизеля может существенно отличаться от стехиометрического, причем очень важно обеспечить избыток воздуха, так как пламя факела занимает небольшую часть объема камеры сгорания и атмосфера в камере должна до последнего обеспечить нужное содержание кислорода. Если этого не происходит, возникает массивный выброс несгоревших углеводородов с сажей - «тепловоз „даёт“ медведя».).
• 4-й такт. Выпуск . Соответствует 540° - 720° поворота коленвала. Поршень идёт вверх, через открытый на 520-530° выхлопной клапан поршень выталкивает отработавшие газы из цилиндра.

В зависимости от конструкции камеры сгорания, существует несколько типов дизельных двигателей:

• Дизель с неразделённой камерой : камера сгорания выполнена в поршне, а топливо впрыскивается в надпоршневое пространство. Главное достоинство - минимальный расход топлива. Недостаток - повышенный шум («жесткая работа»), особенно на холостом ходу. В настоящее время ведутся интенсивные работы по устранению указанного недостатка. Например, в системе Common Rail для снижения жёсткости работы используется (зачастую многостадийный) предвпрыск.
• Дизель с разделённой камерой : топливо подаётся в дополнительную камеру. В большинстве дизелей такая камера (она называется вихревой либо предкамерой) связана с цилиндром специальным каналом так, чтобы при сжатии воздух, попадая в оную камеру, интенсивно завихрялся. Это способствует хорошему перемешиванию впрыскиваемого топлива с воздухом и более полному сгоранию топлива. Такая схема долго считалась оптимальной для легких дизелей и широко использовалась на легковых автомобилях. Однако, вследствие худшей экономичности, последние два десятилетия идёт активное вытеснение таких дизелей двигателями с нераздельной камерой и с системами подачи топлива Common Rail.

Двухтактный цикл

Продувка двухтактного дизельного двигателя: внизу - продувочные окна, выпускной клапан верху открыт

Кроме вышеописанного четырёхтактного цикла, в дизеле возможно использование двухтактного цикла .

При рабочем ходе поршень идёт вниз, открывая выпускные окна в стенке цилиндра, через них выходят выхлопные газы, одновременно или несколько позднее открываются и впускные окна, цилиндр продувается свежим воздухом из воздуходувки - осуществляется продувка , совмещающая такты впуска и выпуска. Когда поршень поднимается, все окна закрываются. С момента закрытия впускных окон начинается сжатие. Чуть не достигая ВМТ, из форсунки распыляется и загорается топливо. Происходит расширение - поршень идёт вниз и снова открывает все окна и т. д.

Продувка является врожденным слабым звеном двухтактного цикла. Время продувки, в сравнением с другими тактами, невелико и увеличить его невозможно, иначе будет падать эффективность рабочего хода за счет его укорочения. В четырёхтактном цикле на те же процессы отводится половина цикла. Полностью разделить выхлоп и свежий воздушный заряд тоже невозможно, поэтому часть воздуха теряется, выходя прямо в выхлопную трубу. Если же смену тактов обеспечивает один и тот же поршень, возникает проблема, связанная с симметрией открывания и закрывания окон. Для лучшего газообмена выгоднее иметь опережение открытия и закрытия выхлопных окон. Тогда выхлоп, начинаясь ранее, обеспечит снижение давления остаточных газов в цилиндре к началу продувки. При закрытых ранее выхлопных окнах и открытых - еще - впускных осуществляется дозарядка цилиндра воздухом, и, если воздуходувка обеспечивает избыточное давление, становится возможным осуществление наддува.

Окна могут использоваться и для выпуска отработавших газов, и для впуска свежего воздуха; такая продувка называется щелевой или оконной. Если отработавшие газы выпускаются через клапан в головке цилиндра, а окна используются только для впуска свежего воздуха, продувка называется клапанно-щелевой. Существуют двигатели, где в каждом цилиндре находятся два встречно двигающихся поршня; каждый поршень управляет своими окнами - один впускными, другой выпускными (система Фербенкс-Морзе - Юнкерса - Корейво : дизели этой системы семейства Д100 использовались на тепловозах ТЭ3 , ТЭ10 , танковых двигателях 4ТПД, 5ТД(Ф) (Т-64), 6ТД (Т-80УД), 6ТД-2 (Т-84), в авиации - на бомбардировщиках Junkers (Jumo 204, Jumo 205).

В двухтактном двигателе рабочие ходы происходят вдвое чаще, чем в четырёхтактном, но из-за наличия продувки двухтактный дизель мощнее такого же по объёму четырёхтактного максимум в 1,6-1,7 раз.

В настоящее время тихоходные двухтактные дизели весьма широко применяются на больших морских судах с непосредственным (безредукторным) приводом гребного винта. Ввиду удвоения количества рабочих ходов на одних и тех же оборотах двухтактный цикл оказывается выгодным при невозможности повысить частоту вращения, кроме того, двухтактный дизель технически проще реверсировать; такие тихоходные дизели имеют мощность до 100 000 л.с.

В связи с тем, что организовать продувку вихревой камеры (или предкамеры) при двухтактном цикле сложно, двухтактные дизели строят только с неразделёнными камерами сгорания.

Варианты конструкции

Для средних и тяжелых двухтактных дизельных двигателей характерно применение составных поршней, в которых используется стальная головка и дюралевая юбка. Основной целью данного усложнения конструкции является снижение общей массы поршня при сохранении максимально возможной жаростойкости донышка. Очень часто используются конструкции с масляным жидкостным охлаждением.

В отдельную группу выделяются четырехтактные двигатели, содержащие в конструкции крейцкопф . В крейцкопфных двигателях шатун присоединяется к крейцкопфу - ползуну, соединенному с поршнем штоком (скалкой). Крейцкопф работает по своей направляющей - крейцу, без воздействия повышенных температур, полностью ликвидируя воздействие боковых сил на поршень. Данная конструкция характерна для крупных длинноходных судовых двигателей, часто - двойного действия, ход поршня в них может достигать 3 метров; тронковые поршни таких размеров были бы перетяжеленными, тронки с такой площадью трения существенно снизили бы механический КПД дизеля.

Реверсивные двигатели

Сгорание впрыскиваемого в цилиндр дизеля топлива происходит по мере впрыска. Потому дизель выдаёт высокий вращающий момент при низких оборотах, что делает автомобиль с дизельным двигателем более «отзывчивым» в движении, чем такой же автомобиль с бензиновым двигателем. По этой причине и ввиду более высокой экономичности в настоящее время большинство грузовых автомобилей оборудуются дизельными двигателями . Например, в России в 2007 году почти все грузовики и автобусы были оснащены дизельными двигателями (окончательный переход этого сегмента автотранспорта с бензиновых двигателей на дизели планировалось завершить к 2009 году) . Это является преимуществом также и в двигателях морских судов , так как высокий крутящий момент при низких оборотах делает более лёгким эффективное использование мощности двигателя , а более высокий теоретический КПД (см. Цикл Карно) даёт более высокую топливную эффективность.

По сравнению с бензиновыми двигателями, в выхлопных газах дизельного двигателя, как правило, меньше окиси углерода (СО), но теперь, в связи с применением каталитических конвертеров на бензиновых двигателях, это преимущество не так заметно. Основные токсичные газы, которые присутствуют в выхлопе в заметных количествах - это углеводороды (НС или СН) , оксиды (окислы) азота (NO х) и сажа (или её производные) в форме чёрного дыма. Больше всего загрязняют атмосферу в России дизели грузовиков и автобусов , которые часто являются старыми и неотрегулированными.

Другим важным аспектом, касающимся безопасности, является то, что дизельное топливо нелетучее (то есть легко не испаряется) и, таким образом, вероятность возгорания у дизельных двигателей намного меньше, тем более, что в них не используется система зажигания . Вместе с высокой топливной экономичностью это стало причиной широкого применения дизелей на танках, поскольку в повседневной небоевой эксплуатации уменьшался риск возникновения пожара в моторном отделении из-за утечек топлива. Меньшая пожароопасность дизельного двигателя в боевых условиях является мифом, поскольку при пробитии брони снаряд или его осколки имеют температуру, сильно превышающую температуру вспышки паров дизельного топлива и так же способны достаточно легко поджечь вытекшее горючее. Детонация смеси паров дизельного топлива с воздухом в пробитом топливном баке по своим последствиям сравнима со взрывом боекомплекта, в частности, у танков Т-34 она приводила к разрыву сварных швов и выбиванию верхней лобовой детали бронекорпуса. С другой стороны, дизельный двигатель в танкостроении уступает карбюраторному в плане удельной мощности, а потому в ряде случаев (высокая мощность при малом объёме моторного отделения) более выигрышным может быть использование именно карбюраторного силового агрегата (хотя это характерно для слишком уж лёгких боевых единиц).

Конечно, существуют и недостатки, среди которых - характерный стук дизельного двигателя при его работе. Однако, они замечаются в основном владельцами автомобилей с дизельными двигателями, а для стороннего человека практически незаметны.

Явными недостатками дизельных двигателей являются необходимость использования стартёра большой мощности, помутнение и застывание (запарафинивание) летнего дизельного топлива при низких температурах, сложность и более высокая цена в ремонте топливной аппаратуры, так как насосы высокого давления являются прецизиоными устройствами. Также дизель-моторы крайне чувствительны к загрязнению топлива механическими частицами и водой. Ремонт дизель-моторов, как правило, значительно дороже ремонта бензиновых моторов аналогичного класса. Литровая мощность дизельных моторов также, как правило, уступает аналогичным показателям бензиновых моторов, хотя дизель-моторы обладают более ровным и высоким крутящим моментом в своём рабочем объёме. Экологические показатели дизельных двигателей значительно уступали до последнего времени двигателям бензиновым. На классических дизелях с механически управляемым впрыском возможна установка только окислительных нейтрализаторов отработавших газов, работающих при температуре отработавших газов свыше 300 °C, которые окисляют только CO и CH до безвредных для человека углекислого газа (CO 2) и воды. Также раньше данные нейтрализаторы выходили из строя вследствие отравления их соединениями серы (количество соединений серы в отработавших газах напрямую зависит от количества серы в дизельном топливе) и отложением на поверхности катализатора частиц сажи. Ситуация начала меняться лишь в последние годы в связи с внедрением дизелей так называемой системы Common rail . В данном типе дизелей впрыск топлива осуществляется электронно-управляемыми форсунками . Подачу управляющего электрического импульса осуществляет электронный блок управления, получающий сигналы от набора датчиков. Датчики же отслеживают различные параметры двигателя, влияющие на длительность и момент подачи топливного импульса. Так что, по сложности современный - и экологически такой же чистый, как и бензиновый - дизель-мотор ничем не уступает своему бензиновому собрату, а по ряду параметров (сложности) и значительно его превосходит. Так, например, если давление топлива в форсунках обычного дизеля с механическим впрыском составляет от 100 до 400 бар (приблизительно эквивалентно «атмосфер»), то в новейших системах «Common-rail» оно находится в диапазоне от 1000 до 2500 бар, что влечёт за собой немалые проблемы. Также каталитическая система современных транспортных дизелей значительно сложнее бензиновых моторов, так как катализатор должен «уметь» работать в условиях нестабильного состава выхлопных газов, а в части случаев требуется введение так называемого «сажевого фильтра» (DPF - фильтр твёрдых частиц). «Сажевый фильтр» представляет собой подобную обычному каталитическому нейтрализатору структуру, устанавливаемую между выхлопным коллектором дизеля и катализатором в потоке выхлопных газов. В сажевом фильтре развивается высокая температура, при которой частички сажи способны окислиться остаточным кислородом, содержащимся в выхлопных газах. Однако часть сажи не всегда окисляется, и остается в «сажевом фильтре», поэтому программа блока управления периодически переводит двигатель в режим «очистки сажевого фильтра» путём так называемой «постинжекции», то есть впрыска дополнительного количества топлива в цилиндры в конце фазы сгорания с целью поднять температуру газов, и, соответственно, очистить фильтр путём сжигания накопившейся сажи. Стандартом де-факто в конструкциях транспортных дизель-моторов стало наличие турбонагнетателя, а в последние годы - и «интеркулера » - устройства, охлаждающего воздух после сжатия турбонагнетателем - чтобы после охлаждения получить большую массу воздуха (кислорода) в камере сгорания при прежней пропускной способности коллекторов, а Нагнетатель позволил поднять удельные мощностные характеристики массовых дизель-моторов, так как позволяет пропустить за рабочий цикл большее количество воздуха через цилиндры.

В своей основе конструкция дизельного двигателя подобна конструкции бензинового двигателя. Однако, аналогичные детали у дизеля тяжелее и более устойчивы к высоким давлениям сжатия, имеющим место у дизеля, в частности, хон на поверхности зеркала цилиндра более грубый, но твёрдость стенок блока цилиндров выше. Головки поршней, однако, специально разработаны под особенности сгорания в дизельных двигателях и почти всегда рассчитаны на повышенную степень сжатия. Кроме того, головки поршней в дизельном двигателе находятся выше (для автомобильного дизеля) верхней плоскости блока цилиндров. В некоторых случаях - в устаревших дизелях - головки поршней содержат в себе камеру сгорания («прямой впрыск»).

Сферы применения

Дизельные двигатели применяются для привода стационарных силовых установок, на рельсовых (тепловозы , дизелевозы , дизель-поезда , автодрезины) и безрельсовых (автомобили , автобусы , грузовики) транспортных средствах, самоходных машинах и механизмах (тракторы , асфальтовые катки, скреперы и т. д.), а также в судостроении в качестве главных и вспомогательных двигателей.

Мифы о дизельных двигателях

Дизельный двигатель с турбонаддувом

• Дизельный двигатель слишком медленный.

Современные дизельные двигатели с системой турбонаддува гораздо эффективнее своих предшественников, а иногда и превосходят своих бензиновых атмосферных (без турбонаддува) собратьев с таким же объёмом. Об этом говорит дизельный прототип Audi R10, выигравший 24-х часовую гонку в Ле-Мане, и новые двигатели BMW , которые не уступают по мощности атмосферным (без турбонаддува) бензиновым и при этом обладают огромным крутящим моментом.

• Дизельный двигатель слишком громко работает.

Громкая работа двигателя свидетельствует о неправильной эксплуатации и возможных неисправностях. На самом деле некоторые старые дизели с непосредственным впрыском действительно отличаются весьма жёсткой работой. С появлением аккумуляторных топливных систем высокого давления («Common-rail») у дизельных двигателей удалось значительно снизить шум, прежде всего за счёт разделения одного импульса впрыска на несколько (типично - от 2-х до 5-ти импульсов).

• Дизельный двигатель гораздо экономичнее.

Основная экономичность обусловлена более высоким КПД дизельного двигателя. В среднем современный дизель расходует топлива до 30 % меньше . Срок службы дизельного двигателя больше бензинового и может достигать 400-600 тысяч километров. Запчасти для дизельных двигателей несколько дороже, стоимость ремонта так же выше, особенно топливной аппаратуры. По вышеперечисленным причинам, затраты на эксплуатацию дизельного двигателя несколько меньше, чем у бензинового. Экономия по сравнению с бензиновыми моторами возрастает пропорционально мощности, чем определяется популярность использования дизельных двигателей в коммерческом транспорте и большегрузной технике.

• Дизельный двигатель нельзя переоборудовать под использование в качестве топлива более дешёвого газа.

С первых моментов построения дизелей строилось и строится огромное количество их, рассчитанных для работы на газе разного состава. Способов перевода дизелей на газ, в основном, два. Первый способ заключается в том, что в цилиндры подаётся обеднённая газо-воздушная смесь, сжимается и поджигается небольшой запальной струёй дизельного топлива. Двигатель, работающий таким способом, называется газодизельным. Второй способ заключается в конвертации дизеля со снижением степени сжатия, установкой системы зажигания и, фактически, с построением вместо дизеля газового двигателя на его основе.

Рекордсмены

Самый большой/мощный дизельный двигатель

Конфигурация - 14 цилиндров в ряд

Рабочий объём - 25 480 литров

Диаметр цилиндра - 960 мм

Ход поршня - 2500 мм

Среднее эффективное давление - 1,96 МПа (19,2 кгс/см²)

Мощность - 108 920 л.с. при 102 об/мин. (отдача с литра 4,3 л.с.)

Крутящий момент - 7 571 221 Н·м

Расход топлива - 13 724 литров в час

Сухая масса - 2300 тонн

Габариты - длина 27 метров, высота 13 метров

Самый большой дизельный двигатель для грузового автомобиля

MTU 20V400 предназначен, для установки на карьерный самосвал БелАЗ-7561.

Мощность - 3807 л.с. при 1800 об/мин. (Удельный расход топлива при номинальной мощности 198 г/кВт*ч)

Крутящий момент - 15728 Н·м

Самый большой/мощный серийный дизельный двигатель для серийного легкового автомобиля

Audi 6.0 V12 TDI с 2008 года устанавливается на автомобиль Audi Q7 .

Конфигурация - 12 цилиндров V-образно, угол развала 60 градусов.

Рабочий объём - 5934 см³

Диаметр цилиндра - 83 мм

Ход поршня - 91,4 мм

Степень сжатия - 16

Мощность - 500 л.с. при 3750 об/мин. (отдача с литра - 84,3 л.с.)

Крутящий момент - 1000 Нм в диапазоне 1750-3250 об/мин.

Тема 1.4. Изобретение автомобиля с ДВС

Создание первых транспортных поршневых ДВС. Газовый двигатель Этьена Ленуара (1860 г.): принцип действия и основы устройства; достоинства и недостатки.

Четырехтактный газовый двигатель Николая-Августа Отто и Евгения Лангена (1876 г.). Рассмотрение четырехтактного цикла работы двигателя. Причины, воспрепятствовавшие применению двигателя Отто на автомобиле.

Двигатель Готлиба Даймлера на жидком топливе (1883 г.) ― первый автомобильный ДВС. Основные технические характеристики и особенности устройства. Создание Рудольфом Дизелем поршневого двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия.

Готлиб Даймлер и Карл Бенц ― признанные миром изобретатели автомобиля (1885 г.). Первый (трехколесный) автомобиль К. Бенца. Первый (двухколесный) и второй (четырехколесный) автомобили Г. Даймлера. Превращение "безлошадного экипажа" в автомобиль. Совершенствование ДВС и рост его мощности как основные факторы формирования концепции автомобиля отличной от конной повозки. Новая компоновочная схема, предложенная Эмилем Левассором (1894 г.). Дополнительные штрихи к схеме, внесенные Луи Рено в 1898 г. (карданная передача, трехвальные коробки передач (КП) и рулевое колесо). Совершенствование автомобильного ДВС к началу XXвека: закрытый картер с системой смазки разбрызгиванием; управляемые клапаны системы газораспределения; жидкостная система охлаждения с сотовым радиатором и водяным насосом; увеличение количества цилиндров. Система зажигания с магнето высокого

напряжения Роберта Боша.

Первые автомобили Г. Даймлера и К. Бенца. Автомобилестроительные фирмы Германии «Даймлер», «Бенц». Начало промышленного производства автомобилей во Франции: «Панар – Левассор», «Де-Дион-Бутон», «Пежо » и др. Автомобилестроительные фирмы США: «Форд Мотор Компани», «Кадиллак », «Уайт», «Паккард».

Тема 1.5. Периоды развития автомобилестроения

Три периода истории развития автомобиля (по Ф. Пикару): изобретательский (до 1918 г.), инженерный (до 40-х гг.) и дизайнерский (или стилистический).

Характерные черты автомобиля "изобретательского" периода в США и Европе ("Олдсмобил", "Де-Дион"). Применение глушителей выпуска отработанных газов, батарейного зажигания, системы запуска двигателя стартером. Дальнейшее развитие механизмов: сцепление, коробка передач, тормозные системы, подвеска, шины, колеса.

Рост спроса на автомобили. Повышение технической культуры в производстве автомобилей: использование высококачественных материалов, более совершенных технологий и оборудования. Первые успехи стандартизации и взаимозаменяемости ("Кадиллак" Г. Лиленда, 1907 г.).

Начало крупносерийного и массового производства "Форд-Т" (1903 г.). Социальный, экономический, конструкторский и технологический аспекты массового производства. "Серебряный дух" (1907 г.) Чарлза Стюарта Роллса и Фредерика Генри Ройса ― пример нового подхода к задаче производства автомобилей.

Взаимовлияние автомобилестроения начала XX в. и других отраслей промышленности и техники. Расширение практической сферы применения автомобиля: появление автобусов, грузовых автомобилей, такси. Потребность армии в автомобиле, и его роль в Первой мировой войне.

«Инженерный» период развития автомобиля: новые производственные и материальные возможности автомобилестроения после Первой мировой войны (конверсия военного и авиационного производства). Концепция автомобиля данного периода ― хорошая транспортная машина.

Дальнейшее усовершенствование механизмов и систем: синхронизаторы КП, гипоидное зацепление в главной передаче, дисковое сцепление и др. Повышение интереса к вопросам конструктивной безопасности и системам сигнализации (электрогудок, стоп-фонарь, указатели поворота, стеклоочистители, буферы , установка тормозов на все колеса, стекло-триплекс).

Появление интереса к вопросам аэродинамики (П. Ярай, Э. Румплер). Обтекаемые автомобили "Крайслер -Эрфлоу", "Татра-77" и "Татра-87".

Привод на передние колеса ― важный момент в развитии компоновки легкового автомобиля ("ДКВ" Й. Расмуссена, "Ситроен -7СУ" Ж. Соломона).

Повышение роли научных методов решения технических проблем автомобилестроения. Решение проблем устойчивости и управляемости в связи с ростом скорости.

Развитие грузовых автомобилей и автобусов. Грузовики с "передней" кабиной, достоинства и недостатки. Автобусы вагонного типа: повышение вместимости, улучшение условий работы водителей. Автобусы с несущим кузовом.

Применение дизелей на грузовых автомобилях и автобусах. Особенности устройства и рабочего процесса дизеля, достоинства и недостатки.

Итоги развития автомобилестроения в "инженерный" период: создание производственной базы, конструкторских и научных коллективов , испытательных лабораторий и полигонов. Компоновочные особенности американских и европейских автомобилей этого периода. Технические характеристики и уровень производства автомобилей к концу периода.

«Дизайнерский» период развития автомобиля. Особенности направлений американского и европейского автостроения в послевоенное время: "сухопутные дредноуты" и "народный автомобиль"(Фольксваген "Жук", ФИАТ-500, Ситроен-2СУ, "Изетта", "Мини", НАМИ-013, "Белка").. Послевоенное автомобилестроение в Японии.

Концепция – дешевый «автомобиль для всех». Успех в борьбе за «автомобиль для всех» фирм «Ситроен» и «Пежо» во Франции, «Опель» и БМВ в Германии, «Остин» и «Моррис» в Англии, «Фиат» в Италии.

Разработка теории устойчивости автомобиля (Морис Олей). Новые имена в автомобилестроении: Винченцо Лянча - в Италии(«Лямбда»), Сенсо-де-Лаво, Коттен Дегут и братья Сизер -во Франции, Ледвинка -в Чехословакии(«Татра»).

Развитие теории обтекаемости автомобиля: немецкие авиаконструкторы Пауль Ярай и Эдмунд Румплер. Появление автомобилей с приводом на передние колеса: ДКВ, «Ситроен-Траксьон аван».

Развитие конструкций грузовых автомобилей. Особенности конструкции автомобиля конца 1930-х годов. Совершенствование приборов системы питания. Улучшение эксплуатационных показателей автомобиля: увеличение мощности двигателя, улучшение приемистости. Новые требования к автомагистралям. Наступление автомобильного транспорта на железнодорожный.

Единообразие требований рынка, международные стандарты безопасности, международные экономические и технические связи и кооперация ― главные факторы выработки общей концепции мирового автомобилестроения.

Развитие компоновки и конструкции грузовых автомобилей. Распространение прицепных и полуприцепных автопоездов. Разделение грузовых автомобилей на городские и магистральные (различия требований по грузоподъемности, скорости, типу двигателя и пр.). Специализированный подвижной состав .

Тема 1.6. История отечественного автомобилестроения

Первые отечественные автомобили и мотоциклы. Автомобили фирм "ДУКС" , "Психо", "Кузьмин", "Пузанов", "Аксонт" и др.

Яковлева, электрические и бензиновые автомобили П. Фрезе (1986 г.), Б. Луцкого и И. Пузырева, автомобили "Руссо-Балт" (1909 г.), их двигатели и конструкции. Контракты 1916 г. Главного военно-технического управления на строительство в России шести автозаводов. Бронеавтомобили Путиловского завода.

Первый советский легковой автомобиль "Промбронь" (1922 г.). Грузовики АМО-Ф-15 (1924 г.), ЯЗ (1925 г.), НАМИ-1 (1926 г.).

Первые электромобили

Организация массового производства автомобилей "АМО-3" (1931 г.), ГАЗ-АА и ГАЗ-А (1932 г.). Отечественное автомобилестроение к 1941 г.

Отечественные автомобили в Великой Отечественной войне.

Автомобили повышенной проходимости.

Послевоенный период отечественного автомобилестроения. Производство автомобилей в СССР в 1945–1986 гг. Увеличение количества автомобильных заводов. «Победа М-20» ― новое слово в автомобилестроении.

Достоинства конструкции автомобилей "ЗИМ ГАЗ-12" и "ЗИС-110". Грузовые автомобили ГАЗ-51, ЗИС-150, МАЗ-200 и др. Автобусы вагонного типа ЗИС-155, ЗИС-154 (с электротрансмиссией).

Изменения в автомобилестроении, вызванные новым экономическим курсом России (1986–1991 гг.). Поиск направлений выхода из кризиса. Первые достижения автомобилестроительной отрасли (1991 – 2000 гг.) Изменения в структуре управления, вызванные новым экономическим курсом России (1986–2000 гг.). Обострение проблемы безопасности дорожного движения. Поиск направлений выхода из кризиса.

Модуль 2. Современное состояние мирового автомобилестроения

Тема 2.1. Автомобилестроение США

США - мировой лидер автомобилестроения. Влияние процессов глобализации мирового рынка на процессы концентрации производства . Перенос производства в страны третьего мира.

Влияние на автомобилизацию страны импорта автомобилей. Ведущие автомобильные концерны Америки: «Форд Моторс», «Дженерал Моторс» и «Даймлер-Крайслер», их состояние и перспективы развития.

Влияние экономического кризиса на перераспределение структуры

производства в пользу грузовых автомобилей. Ведущие компании по производству

средних и тяжелых грузовиков: «Фрейтлайнер» (дочерняя «Даймлер-Бенц»), «Нэвистар» и «Форд». Состояние фирм: «Мэк», «Вольво /Дженерал Моторс», «Кенворс», «Питербилт». Автобусы компании «Нэвистар».

Основные рынки сбыта американских автомобилей. Причины «не слишком благоприятных» перспектив для дальнейшего расширения американского экспорта.

Тема 2.2. Автомобилестроение Европы

Стратегия концерна «Фольксваген», интеграция в Европу, Южную Америку и Африку.

Перспективные разработки концерна БМВ, расширение выпускаемой гаммы автомобилей.

Новые автомобили фирмы «Даймлер-Крайслер», работы по созданию электромобиля.

Спортивные автомобили «Порше».Фирма «Опель».

Развитие производства автомобилей в Польше.

Тема 2.3. Автомобилестроение Азии

Япония - один из признанных мировых лидеров в автомобилестроении. Пять автомобильных фирм –лидеров: «Тойота », «Ниссан», «Хонда», «Мицубиси », «Судзуки», «Мазда ». Отличительная черта деятельности японских автомобилестроительных концернов. Стратегия ведущих автофирм Японии.

В последнее десятилетие дизельные технологии развиваются впечатляющими темпами. Модификации легковых авто с дизельными моторами составляют половину новых автомобилей, продаваемых в Европе. Густой черный дым из выхлопной трубы, громкое тарахтение и неприятный запах остались далеко в прошлом. Дизельные моторы сегодня – это не только экономичность, но также высокая мощность и достойные динамические характеристики.

Современный дизель стал тихим и экологически чистым. Как же удалось этому типу ДВС соответствовать постоянно ужесточающимся нормам токсичности и при этом не только не проигрывать в тяговитости и экономичности, но и улучшать эти показатели? Рассмотрим все по порядку…

На первый взгляд дизельный двигатель почти не отличается от обычного бензинового – те же цилиндры, поршни, шатуны. Главные и принципиальные отличия заключаются в способе образования и воспламенения. В карбюраторных и обычных инжекторных двигателях приготовление смеси происходит не в цилиндре, а во впускном тракте.

В бензиновых двигателях с непосредственным впрыском смесь образуется так же как и в дизелях- непосредственно в цилиндре. В бензиновом моторе топливо-воздушная смесь в цилиндре воспламеняется в нужный момент от искрового разряда. В дизеле же топливо воспламеняется не от искры, а вследствие высокой температуры воздуха в цилиндре.

Рабочий процесс в дизеле происходит следущим образом: вначале в цилиндр попадает чистый воздух, который за счет большой степени сжатия (16-24:1) разогревается до 700-900°С. Дизтопливо впрыскивается под высоким давлением в камеру сгорания при подходе поршня к верхней мертвой точке. А так как воздух уже сильно разогрет, после смешивания с ним происходит воспламенение топлива. Самовоспламенение сопровождается резким нарастанием давления в цилиндре – отсюда повышенная шумность и жесткость работы дизеля.

Такая организация рабочего процесса позволяет использовать более дешевое топливо и работать на очень бедных смесях, что определяет более высокую экономичность. Дизель имеет больший КПД (у дизеля – 35–45%, у бензинового – 25–35%) и крутящий момент. К недостаткам дизельных двигателей обычно относят повышенную шумность и вибрацию, меньшую литровую мощность и трудности холодного пуска. Но описанные недостатки относятся в основном к старым конструкциям, а в современных эти проблемы уже не являются столь очевидными.

Конструкция

Особенности

Как уже отмечалось, конструкция дизельного двигателя подобна конструкции бензинового двигателя. Однако аналогичные детали у дизеля существенно усилены, чтобы воспринимать более высокие нагрузки – ведь степень сжатия у него намного выше (16-24 единиц против 9-11 у бензинового). Характерная деталь в конструкции дизелей - это поршень.

Форма днища поршней у дизелей определяется типом камеры сгорания, поэтому по форме легко определить, какому двигателю принадлежит данный поршень. Во многих случаях днище поршня содержит в себе камеру сгорания. Днища поршней находятся выше верхней плоскости блока цилиндров, когда поршень находится в верхней точке своего хода.

Так как воспламенение рабочей смеси осуществляется от сжатия, в дизелях отсутствует система зажигания, хотя свечи могут применяться и на дизеле. Но это не свечи зажигания, а свечи накаливания, которые предназначены для подогрева воздуха в камере сгорания при холодном пуске двигателя.

Технические и экологические показатели автомобильного дизельного двигателя в первую очередь зависят от типа камеры сгорания и системы впрыскивания топлива.

Типы камер сгорания

Форма камеры сгорания значительно влияет на качество процесса смесеобразования, а значит и на мощность и шумность работы двигателя. Камеры сгорания дизельных двигателей разделяются на два основных типа: неразделенные и разделенные .

Несколько лет назад на рынке легкового машиностроения доминировали дизели с разделенными камерами сгорания. Впрыск топлива в этом случае осуществляется не в надпоршневое пространство, а в специальную камеру сгорания, выполненную в головке блока цилиндров. При этом различают два процесса смесеобразования: предкамерный (его еще называют форкамерным) и вихрекамерный.

При форкамерном процессе топливо впрыскивается в специальную предварительную камеру, связанную с цилиндром несколькими небольшими каналами или отверстиями, ударяется об ее стенки и перемешивается с воздухом. Воспламенившись, смесь поступает в основную камеру сгорания, где и сгорает полностью. Сечение каналов подбирается так, чтобы при ходе поршня вверх (сжатие) и вниз (расширение) между цилиндром и форкамерой возникал большой перепад давления, вызывающий течение газов через отверстия с большой скоростью.

Во время вихрекамерного процесса сгорание также начинается в специальной отдельной камере, только выполненной в виде полого шара. В период такта сжатия воздух по соединительному каналу поступает в предкамеру и интенсивно закручивается (образует вихрь) в ней. Впрыснутое в определенный момент топливо хорошо перемешивается с воздухом.

Таким образом, при разделенной камере сгорания происходит как бы двухступенчатое сгорание топлива. Это снижает нагрузку на поршневую группу, а также делает звук работы двигателя более мягким. Недостатком дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания являются: увеличение расхода топлива вследствие потерь из-за увеличенной поверхности камеры сгорания, больших потерь на перетекание воздушного заряда в дополнительную камеру и горящей смеси обратно в цилиндр. Кроме того, ухудшаются пусковые качества.

Дизельные двигатели с неразделенной камерой называют также дизелями с непосредственным впрыском. Топливо впрыскивается непосредственно в
цилиндр, камера сгорания выполнена в днище поршня. До недавнего времени непосредственный впрыск использовался на низкооборотистых дизелях большого объема (проще говоря, на грузовиках). Хотя такие двигатели экономичнее моторов с разделенными камерами сгорания, их применение на небольших дизелях сдерживалось трудностями организации процесса сгорания, а также повышенными шумом и вибрацией, особенно в режиме разгона.

Сейчас благодаря повсеместному внедрению электронного управления процессом дозирования топлива удалось оптимизировать процесс сгорания топливной смеси в дизеле с неразделенной камерой сгорания и существенно снизить шумность. Новые дизельные двигатели разрабатываются только с непосредственным впрыском.

Системы питания

Важнейшим звеном дизельного двигателя является система топливоподачи, обеспечивающая поступление необходимого количества топлива в нужный момент времени и с заданным давлением в камеру сгорания.

Топливный насос высокого давления (ТНВД), принимая горючее из бака от подкачивающего насоса (низкого давления), в требуемой последовательности поочередно нагнетает нужные порции солярки в индивидуальную магистраль гидромеханической форсунки каждого цилиндра. Такие форсунки открываются исключительно под воздействием высокого давления в топливной магистрали и закрываются при его снижении.

Существует два типа ТНВД: рядные многоплунжерные и распределительного типа. Рядный ТНВД состоит из отдельных секций по числу цилиндров дизеля, каждая из которых имеет гильзу и входящий в нее плунжер, который приводится в движение кулачковым валом, получающим вращение от двигателя. Секции таких механизмов расположены, как правило, в ряд, отсюда и название – рядные ТНВД. Рядные насосы в настоящее время практически не применяются ввиду того, что они не могут обеспечить выполнение современных требований по экологии и шумности. Кроме того, давление впрыска таких насосов зависит от оборотов коленвала.

Распределительные ТНВД создают значительно более высокое давление впрыска топлива, нежели насосы рядные, и обеспечивают выполнение действующих нормативов, регламентирующих токсичность выхлопа. Этот механизм поддерживает нужное давление в системе в зависимости от режима работы двигателя. В распределительных ТНВД система нагнетания имеет один плунжер-распределитель, совершающий поступательное движение для нагнетания топлива и вращательное для распределения топлива по форсункам.

Эти насосы компактны, отличаются высокой равномерностью подачи топлива по цилиндрам и отличной работой на высоких оборотах. В то же время они предъявляют очень высокие требования к чистоте и качеству дизтоплива: ведь все их детали смазываются топливом, а зазоры в прецизионных элементах очень малы.

Ужесточение в начале 90-х законодательных экологических требований, предъявляемых к дизелям, заставило моторостроителей интенсивно совершенствовать топливоподачу. Сразу же стало ясно, что с устаревшей механической системой питания эту задачу не решить. Традиционные механические системы впрыска топлива имеют существенный недостаток: давление впрыска зависит от частоты вращения двигателя и нагрузочного режима.

Это значит, что при низкой нагрузке давление впрыска падает, в результате топливо при впрыске плохо распыляется, попадая в камеру сгорания слишком крупными каплями, которые оседают на ее внутренних поверхностях. Из-за этого уменьшается КПД сгорания топлива и повышается уровень токсичности отработанных газов.

Кардинально изменить ситуацию могла только оптимизация процесса горения топливо – воздушной смеси. Для чего надо заставить весь её объём воспламениться в максимально короткое время. А здесь необходима высокая точность дозы и точность момента впрыскивания. Сделать это можно, только подняв давление впрыска топлива и применив электронное управление процессом топливоподачи. Дело в том, что чем выше давление впрыска, тем лучше качество его распыления, а соответственно – и смешивания с воздухом.

В конечном итоге это способствует более полному сгоранию топливо-воздушной смеси, а значит и уменьшению вредных веществ в выхлопе. Хорошо, спросите вы, а почему бы не сделать такое же повышенное давление в обычном ТНВД и всей этой системе? Увы, не получится. Потому что есть такое понятие, как “волновое гидравлическое давление”. При любом изменении расхода топлива в трубопроводах от ТНВД к форсункам возникают волны давления, “бегающие” по топливопроводу. И чем сильнее давление, тем сильнее эти волны. И если далее повышать давление, то в какой-то момент может произойти обыкновенное разрушение трубопроводов. Ну, а о точности дозирования механической системы впрыска даже и говорить не приходится.

В результате были разработаны два новых типа систем питания – в первом форсунку и плунжерный насос объединили в один узел (насос-форсунка), а в другом ТНВД начал работать на общую топливную магистраль (Common Rail), из которой топливо поступает на электромагнитные (или пьезоэлектрические) форсунки и впрыскивается по команде электронного блока управления. Но с принятием Евро 3 и 4 и этого оказалось мало, и в выхлопные системы дизелей внедрили сажевые фильтры и катализаторы .

Насос-форсунка устанавливается в головку блока двигателя для каждого цилиндра. Она приводится в действие от кулачка распределительного вала с помощью толкателя. Магистрали подачи и слива топлива выполнены в виде каналов в головке блока. За счет этого насос-форсунка может развить давление до 2200 бар. Дозированием топлива, сжатого до такой степени и управлением угла опережения впрыска занимается электронный блок управления, выдавая сигналы на запорные электромагнитные или пьезоэлектрические клапаны насос-форсунок.

Насос-форсунки могут работать в многоимпульсном режиме (2-4 впрыска за цикл). Это позволяет произвести предварительный впрыск перед основным, подавая в цилиндр сначала небольшую порцию топлива, что смягчает работу мотора и снижает токсичность выхлопа. Недостаток насос-форсунок – зависимость давления впрыска от оборотов двигателя и высокая стоимость данной технологии.

Система питания Common Rail используется в дизелях серийных моделей с 1997 года. Common Rail – это метод впрыска топлива в камеру сгорания под высоким давлением, не зависящим от частоты вращения двигателя или нагрузки. Главное отличие системы Common Rail от классической дизельной системы заключается в том, что ТНВД предназначен только для создания высокого давления в топливной магистрали. Он не выполняет функций дозировки цикловой подачи топлива и регулировки момента впрыска.

Система Common Rail состоит из резервуара – аккумулятора высокого давления (иногда его называют рампой), топливного насоса, электронного блока управления (ЭБУ) и комплекта форсунок, соединенных с рампой. В рампе блок управления поддерживает, меняя производительность насоса, постоянное давление на уровне 1600-2000 бар при различных режимах работы двигателя и при любой последовательности впрыска по цилиндрам.

Открытием-закрытием форсунок управляет ЭБУ, который рассчитывает оптимальный момент и длительность впрыска, на основании данных целого ряда датчиков – положения педали акселератора, давления в топливной рампе, температурного режима двигателя, его нагрузки и т. п. Форсунки могуть быть электромагнитными, либо более современными- пьезоэлектрическими. Главные преимущества пьезоэлектрических форсунок – высокая скорость срабатывания и точность дозирования. Форсунки в дизелях c Common rail могут работать в многоимпульсном режиме: в ходе одного цикла топливо впрыскивается несколько раз – от двух до семи. Сначала поступает крохотная, всего около милиграмма, доза, которая при сгорании повышает температуру в камере, а следом идет главный «заряд».

Для дизеля - двигателя с воспламенением топлива от сжатия - это очень важно, так как при этом давление в камере сгорания нарастает более плавно, без «рывка». Вследствие этого мотор работает мягче и менее шумно, снижается количество вредных компонентов в выхлопе. Многократная подача топлива за один такт попутно обеспечивает снижение температуры в камере сгорания, что приводит к уменьшению образования окиси азота- одной из наиболее токсичных составляющих выхлопных газов дизеля.

Характеристики двигателя с Common Rail во многом зависят от давления впрыска. В системах третьего поколения оно составляет 2000 бар. В ближайшее время в серию будет запущено четвертое поколение Common Rail с давлением впрыска 2500 бар.

Турбодизель

Эффективным средством повышения мощности и гибкости работы является турбонаддув двигателя . Он позволяет подать в цилиндры дополнительное количество воздуха и соответственно увеличить подачу топлива на рабочем цикле, в результате чего увеличивается мощность двигателя.

Давление выхлопных газов дизеля в 1,5-2 раза выше, чем у бензинового мотора, что позволяет турбокомпрессору обеспечить эффективный наддув с самых низких оборотов, избежав свойственного бензиновым турбомоторам провала – “турбоямы”. Отсутствие дроссельной заслонки в дизеле позволяет обеспечить эффективное наполнение цилиндров на всех оборотах без применения сложной схемы управления турбокомпрессором.

На многих автомобилях устанавливается промежуточный охладитель наддуваемого воздуха – интеркулер, позволяющий поднять массовое наполнение цилиндров и на 15-20 % увеличить мощность. Наддув позволяет добиться одинаковой мощности с атмосферным мотором при меньшем рабочем объеме, а значит, снизить массу двигателя. Турбонаддув, помимо всего прочего, служит для автомобиля средством повышения “высотности” двигателя – в высокогорных районах, где атмосферному дизелю не хватает воздуха, наддув оптимизирует сгорание и позволяет уменьшить жесткость работы и потерю мощности.

В то же время турбодизель имеет и некоторые недостатки, связанные в основном с надежностью работы турбокомпрессора. Так, ресурс турбокомпрессора существенно меньше ресурса двигателя. Турбокомпрессор предъявляет жесткие требования к качеству моторного масла. Неисправный агрегат может полностью вывести из строя сам двигатель. Кроме того, собственный ресурс турбодизеля несколько ниже такого же атмосферного дизеля из-за большой степени форсирования. Такие двигатели имеют повышенную температуру газов в камере сгорания, и чтобы добиться надежной работы поршня, его приходится охлаждать маслом, подаваемым снизу через специальные форсунки.

Прогресс дизельных двигателей сегодня преследует две основные цели: увеличение мощности и уменьшение токсичности. Поэтому все современные легковые дизели имеют турбонаддув (самый эффективный способ увеличения мощности) и Соmmоn Rail.

Свечи – прибор, воспламеняющий топливную смесь в камере сгорания цилиндров двигателя. Искрообразование очень важный

Электронная система автомобиля состоит из блоков управления и многочисленных датчиков, объединенных в единую сеть

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