Двигатель дизель: Дизельные двигатели: виды, принцип работы, преимущества дизельных двигателей

Дизельный двигатель — это… Что такое Дизельный двигатель?

Ди́зельный дви́гатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу самовоспламенения распылённого топлива от воздействия разогретого при сжатии воздуха.^[1]

Спектр топлива для дизелей весьма широк, сюда включаются все фракции нефтеперегонки от керосина до мазута и ряд продуктов природного происхождения — рапсовое масло, фритюрный жир, пальмовое масло и многие другие. Дизель может с определённым успехом работать и на сырой нефти.

Компрессионные карбюраторные двигатели не относят к дизельным двигателям, так как в «дизелях» происходит сжатие чистого воздуха, а не топливо-воздушной смеси. Топливо впрыскивается в конце такта сжатия.^[2][3].

История

В 1824 году Сади Карно формулирует идею цикла Карно, утверждая, что в максимально экономичной тепловой машине нагревать рабочее тело до температуры горения топлива необходимо «изменением объема», то есть быстрым сжатием.

В 1890 году Рудольф Дизель предложил свой способ практической реализации этого принципа. Он получил патент на свой двигатель 23 февраля 1892 года (в США в 1895 году^[2]), в 1893 году выпустил брошюру. Ещё несколько вариантов конструкции были им запатентованы позднее.^[3] После нескольких неудач первый практически применимый образец, названый Дизель-мотором, был построен Дизелем к началу 1897 года, и 28 января 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.

Инженер Экройд Стюарт (англ.)русск. ранее высказывал похожие идеи и в 1886 году построил действующий двигатель (см. полудизель). Он предложил двигатель, в котором воздух втягивался в цилиндр, сжимался, а затем нагнетался (в конце такта сжатия) в ёмкость, в которую впрыскивалось топливо. Для запуска двигателя ёмкость нагревалась лампой снаружи, и после запуска самостоятельная работа поддерживалась без подвода тепла снаружи. Экройд Стюарт не рассматривал преимущества работы от высокой степени сжатия, он просто экспериментировал с возможностями исключения из двигателя свечей зажигания, то есть он не обратил внимания на самое большое преимущество — топливную эффективность.

Независимо от Дизеля в 1898 году на Путиловском заводе в Петербурге инженером Густавом Тринклером был построен первый в мире «бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления», то есть дизельный двигатель в его современном виде с форкамерой, который назвали «Тринклер-мотором». При сопоставлении Дизель-мотора и Тринклер-мотора русская конструкция, появившаяся на полтора года позднее немецкой и испытанная на год позднее, оказалась гораздо более удачной в плане практического использования. Именно Тринклер-мотор был первым двигателем с воспламенением от сжатия, работавшим на сырой нефти. Использование гидравлической системы для нагнетания и впрыска топлива позволило отказаться от отдельного воздушного компрессора и сделало возможным увеличение скорости вращения. Российская конструкция оказалась проще, надёжнее и перспективнее немецкой.^[4] Однако под давлением Нобелей и других обладателей лицензий Дизеля работы над двигателем в 1902 году были прекращены.

В 1898 г. Эммануэль Нобель приобрёл лицензию на двигатель внутреннего сгорания Рудольфа Дизеля. С 1899 г. Механический завод «Людвиг Нобель» в Петербурге развернул массовое производство дизелей. В Петербурге Тринклер приспособил двигатель для работы на сырой нефти вместо керосина. В 1900 г на Всемирной выставке в Париже двигатель Дизеля получил Гран-при, чему способствовало известие, что завод Нобеля в Петербурге наладил выпуск двигателей, работавших на сырой нефти. Этот двигатель получил в Европе название «русский дизель». ^[5] Выдающийся русский инженер Аршаулов впервые построил и внедрил топливный насос высокого давления оригинальной конструкции — с приводом от сжимаемого в цилиндре воздуха, работавший с бескомпрессорной форсункой (В. Т. Цветков, «Двигатели внутреннего сгорания», МАШГИЗ, 1954 г.).

В настоящее время для обозначения ДВС с воспламенением от сжатия используется термин «двигатель Дизеля», «дизельный двигатель» или просто «дизель», так как теория Рудольфа Дизеля стала основой для создания современных двигателей этого типа. В дальнейшем около 20—30 лет такие двигатели широко применялись в стационарных механизмах и силовых установках морских судов, однако существовавшие тогда системы впрыска топлива с воздушными компрессорами не позволяли применять дизели в высокооборотных агрегатах. Небольшая скорость вращения, значительный вес воздушного компрессора, необходимого для работы системы впрыска топлива сделали невозможным применение первых дизелей на автотранспорте.

В 20-е годы XX века немецкий инженер Роберт Бош усовершенствовал встроенный топливный насос высокого давления, устройство, которое широко применяется и в наше время.

Он же создал удачную модификацию бескомпрессорной форсунки. Востребованный в таком виде высокооборотный дизель стал пользоваться всё большей популярностью как силовой агрегат для вспомогательного и общественного транспорта, однако доводы в пользу карбюраторных двигателей (традиционный принцип работы, лёгкость и небольшая цена производства) позволяли им пользоваться большим спросом для установки на пассажирских и небольших грузовых автомобилях: с 50-х — 60-х годов XX века дизель устанавливается в больших количествах на грузовые автомобили и автофургоны, а в 70-е годы после резкого роста цен на топливо на него обращают серьёзное внимание мировые производители недорогих маленьких пассажирских автомобилей.

В дальнейшие годы происходит рост популярности дизельных двигателей для легковых и грузовых автомобилей, не только из-за экономичности и долговечности дизеля, но также из-за меньшей токсичности выбросов в атмосферу. Все ведущие европейские производители автомобилей в настоящее время имеют модели с дизельным двигателем.

Дизельные двигатели применяются также на железной дороге. Локомотивы, использующие дизельный двигатель — тепловозы — являются основным видом локомотивов на неэлектрифицированных участках, дополняя электровозы за счёт автономности. Тепловозы перевозят до 40 % грузов и пассажиров в России, они выполняют 98 % маневровой работы^{[источник не указан 995 дней]}. Существуют также одиночные автомотрисы, дрезины и мотовозы, которые повсеместно используются на электрифицированных и неэлектрифицированных участках для обслуживания и ремонта пути и объектов инфраструктуры. Иногда автомотрисы и небольшие дизель-поезда называют рельсовыми автобусами.

Принцип работы

Четырёхтактный цикл

Работа четырёхтактного дизельного двигателя.

• 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.

Далее цикл повторяется.

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

Принцип работы двухтактного дизельного двигателя 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

Крейцкопфный (слева) и тронковый (справа) двигатели. Номером 10 обозначен крейцкопф.

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

Большинство ДВС рассчитаны на вращение только в одну сторону; если требуется получить на выходе вращение в разные стороны, то используют передачу заднего хода в коробке перемены передач или отдельный реверс-редуктор. Электрическая передача также позволяет менять направление вращения на выходе.

Однако на судах с жёстким соединением двигателя с гребным винтом фиксированного шага приходится применять реверсивные двигатели, чтобы иметь возможность двигаться задним ходом. Для этого нужно изменять фазы открытия клапанов и впрыска топлива. Обычно распределительные валы снабжаются двойным количеством кулачков; при остановленном двигателе специальное устройство приподнимает толкатели клапанов, что даёт возможность передвинуть распредвалы в новое положение. Встречаются также конструкции с реверсивным приводом распределительного вала — здесь при изменении направления вращения коленчатого вала сохраняется направление вращения распределительного вала. Двухтактные двигатели с контурной продувкой, когда газораспределение осуществляется поршнем, не нуждаются в специальных реверсивных устройствах (однако в них всё же требуется корректировка момента впрыска топлива).

Реверсивные двигатели также применялись на ранних тепловозах с жёстким соединением вала двигателя с колёсами.

Преимущества и недостатки

Проверить информацию. Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье. На странице обсуждения должны быть пояснения.

Возможно, эта статья содержит оригинальное исследование. Добавьте ссылки на источники, в противном случае она может быть выставлена на удаление. Дополнительные сведения могут быть на странице обсуждения.

Современные дизельные двигатели обычно имеют коэффициент полезного действия до 40-45 %, некоторые малооборотные крупные дизели — свыше 50 % (например, MAN S80ME-C7 тратит только 155 гр на кВт*ч, достигая эффективности 54,4 %).^[6] Дизельный двигатель из-за особенностей рабочего процесса не предъявляет жестких требований к испаряемости топлива, что позволяет использовать в нём низкосортные тяжелые масла.

Дизельный двигатель не может развивать высокие обороты — топливо не успевает догореть в цилиндрах, для возгорания требуется время инициации. Высокая механическая напряженость дизеля вынуждает использовать более массивные и более дорогие детали, что утяжеляет двигатель. Это снижает удельную мощность двигателя, что послужило причиной малого распространения дизелей в авиации (только некоторые бомбардировщики Junkers, а также советский тяжёлый бомбардировщик Пе-8 и Ер-2, оснащавшиеся авиационными дизелями АЧ-30 и АЧ-40 конструкции А. Д. Чаромского и Т.  М. Мелькумова). На максимальных эксплуатационных режимах топливо в дизеле не догорает, приводя к выбросу облаков сажи.

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^{[источник не указан 196 дней]}. 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)^[7]. 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^{[источник не указан 400 дней]}, в частности, у танков Т-34 она приводила к разрыву сварных швов и выбиванию верхней лобовой детали бронекорпуса^{[источник не указан 400 дней]}. 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 (CO₂) 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

Цех судовых дизелей завода «Даймлер-Бенц» в Штутгарте 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^[8]. 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

Судовой, 14 цилиндровый — Wärtsilä-Sulzer RTA96-C, созданный финской компанией Wärtsilä в 2002 году, для установки на крупные морские контейнеровозы и танкеры, является самым большим дизелем в мире^[9].

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^{[источник не указан 1275 дней]}

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^{[источник не указан 1275 дней]}

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.

См. также

Примечания

Ссылки

Особенности двигателя TDI в автомобилях Volkswagen

Двигатель TDI — это повышенная мощность при низком объеме вредных выбросов. Под аббревиатурой TDI (Turbo Diesel Injection) понимается дизельный силовой агрегат, который обладает повышенным крутящим моментом, незначительными топливными затратами и высокой мощностью. Какими же еще положительными сторонами и спецификой отличается подобный мотор?

Единственная модель Volkswagen, которая комплектуется TDI — полноприводный внедорожник Toaureg. Этот тип двигателя не самый популярный на автомобилях Volkswagen, в отличии от TSI. На Passat В8, Passat СС, Tiguan устанавливают сейчас (2016 года) только двигатели типа TSI. На  Golf и Jetta кроме TSI устанавливают также MPI-двигатели.

Каждый современный мотор с турбонагнетателем, а также прямым впрыском в транспортных средствах «Volkswagen» помечают как TDI. Важной отличительной чертой для каждого такого мотора считается то, что топливный впрыск, который производится под повышенным давлением вместе с изменяющейся турбинной геометрией, дозволяет осуществлять сжигание предельно эффективно.

Во время применения технологии прямого топливного впрыска удается достичь уровня КПД максимум 45 процентов. В результате происходит преобразование значительной доли возможной топливной энергии в кинетическую, то есть в моторную мощность. Хотя для этого нужно, чтобы почти полностью и эффективно сгорало топливо. Достигается это с помощью особенной конфигурации камеры сгорания.

Главные положительные стороны TDI

Двигательное устройство TDI отличает экономное расходование. Важнейшими его положительными сторонами считаются:

• незначительное топливное потребление;
• небольшой объем выбросов вредоносных веществ;
• надобность лишь изредка проводить автосервисные работы и техобслуживание.

Непосредственно во время низких оборотов получается в значительной мере увеличить мощность до предельной вращательной частоты. Происходит улучшение показателей разгона, а заодно качества рабочей динамики. Повышенный крутящий момент заодно обеспечивает предельное удобство от вождения автомобиля, который оснащен двигательным устройством TDI.

Прямой либо предварительный топливный впрыск?

Двигатели с прямым топливным впрыском осуществляют довольно жесткое топливное сжигание. В итоге при охлажденном запуске, как правило, появляется отличительный гул. Во избежание этого дизельное топливо впрыскивается предварительно.

Перед главным циклом непосредственно в камеру сгорания происходит топливная подача в малом объеме. Давление в камере повышается не немедленно, а понемногу, поэтому сгорание становится «мягким».

Уменьшение вредоносных выбросов

После того, как топливо предварительно впрыскано, происходит постинжекционный процесс, приводящий к уменьшению выброса вредоносных веществ. Минимизируются азотные оксиды в выхлопе за счет того, что в камеру сгорания попадает немного топлива исходя от оборотов. Когда смешиваются воздух, который поглощается, а заодно выхлопные газы, в камере уменьшается температурный режим, поэтому происходит сокращение объема азотных оксидов.

Двигательный турбонагнетатель

В моторах TDI используется турбонагнетатель с изменяющейся геометрией, что дозволяет осуществлять сжимание воздуха, который поглощается. За счет этого увеличивается объем поглощаемого воздуха в камере. В итоге мощность мотора повышается при прежней объемности и на таких же оборотах.

Две турбины формируют устройство турбонагнетателя. Находящаяся в выпускном тракте турбина, начинает вращаться от исходящей массы выхлопных газов. Она начинает двигать компрессорное колесо, которое осуществляет сжатие воздуха непосредственно на впуске. Воздух, нагреваемый во время сжатия, подвергается охлаждению и затем поступает в камеру. Так как при снижении температурного режима объем воздуха также уменьшается, то и в камере его оказывается больше.

Изменение турбинной геометрии

Система VTG сегодня довольно успешно употребляется в моторах TDI. Во время малых оборотов и незначительном газовом объеме блок контроля меняет местоположение механических устремляющих лопастей, при которых происходит сужение диаметра. Это способствует ускорению газового потока и усилению давления. При повышении оборотов мотора происходит усиление выхлопного давления, поэтому блок контроля наоборот повышает трубопроводный диаметр. Подобные нагнетатели способствуют приданию дополнительной мощности мотору, уменьшая объем выбросов и увеличивая приемистость.

Отличие дизельного двигателя от бензинового

Автолюбители, выбирая себе машину, смотрят в первую очередь на возможности двигателя и его характеристики. Часто возникают сомнения при выборе между бензиновым и дизельным мотором. Нельзя сказать точно какой из них лучше, потому как между ними существуют отличия, и делать выбор надо, ориентируясь на них. Успешность выбора будет зависеть от их слабых и сильных сторон. С чем можно смириться, а что неприемлемо для условий дорог, по которым они будут ездить. Мы же постараемся рассказать обо всех нюансах этих двух устройств.

Отличия при работе устройств

По конструкции оба двигателя идентичны. Каждый из них имеет шатуны, цилиндры и поршни. Но для того чтобы дизельный мотор воспринимал серьезные нагрузки на нем стоят усиленные клапаны, поэтому он имеет большие габариты, а также весит тяжелее бензинового аналога. Его устройство намного сложнее, а это отражается на стоимости автомобиля.

Главное отличие дизельного двигателя от бензинового — их топливо. Один работает на дизтопливе, а другой на бензине, что и заложено в их названиях. При этом стоит учесть, что бензин относится к легко возгораемым веществам. Мотор на дизтопливе более безопасен.

Такты в дизельном двигателе

Формирование топливно-воздушной смеси у них происходит по-разному. Что влияет на работу моторов. В дизельном двигателе сначала в цилиндр подается воздух. Он нагревается при движении поршня вверх, температура может достигать 900 градусов за счет уменьшения объема воздуха и увеличения его давления, достигающего порой 5 МПа. Затем уже через форсунки поступает топливо под давлением, которое тут же возгорается от горячего воздуха. Оно, расширяясь, вызывает резкое нарастание давления в цилиндре, поэтому дизель отличается высокой шумностью работы.

Регулировку момента впрыска и количества топлива производит топливный насос высокого давления (ТНВД) — главный узел дизельного мотора. Из-за впрыска высокого давления дизель нетребователен к летучести горючего, поэтому ездит даже на низкосортных маслах. Мощность агрегата регулируется подачей топлива и из-за этого даже на низких оборотах давление не падает. Автомобиль с таким двигателем может набрать большую мощность уже при 2000 оборотов, а бензиновый аппарат не так скор.

В бензиновом двигателе топливная смесь образуется прямо во впускной системе и ее воспламенение в цилиндре происходит от искры свечей зажигания. Регулировка мощности осуществляется при помощи потока воздуха, который дозируется дроссельной заслонкой. Старт автомобиля с таким двигателем менее мощный, так как его топливный насос не может дать такого высокого давления, как у дизельного собрата.

Мощность и производительность двигателя

Дизельный агрегат выигрывает у бензинового по экономичности. Хотя сейчас и подняли стоимость дизтоплива, все же она стоит дешевле бензина. И еще надо учесть, что дизельные двигатели меньше потребляют топлива, чем их бензиновые аналоги. Сейчас на всех европейских дизельных авто установлена топливная система Common Rail. Она предусматривает установку датчиков, которые передают информацию на блок управления и на основе ее компьютер определяет время подачи топлива и его количество. Примечательно, что доза рассчитывается с точностью до миллиграмма. Такое дозирование обеспечивает плавное нарастание давления, и двигатель работает без рывков при переключении передач. С этой системой расход топлива уменьшился на 20%, а крутящий момент на малых оборотах увеличился на 25%. Поэтому у дизельных агрегатов КПД больше на 40%, чем у аналоговых аппаратов. То есть сгорание топлива внутри их устройств более эффективно по сравнению с бензиновыми моделями. Хотя существуют и экономные агрегаты на бензине.

Мощность больше, конечно же, у бензиновых двигателей, но дизельные установки компенсируют этот показатель ровной тягой на любых оборотах, до чего их аналогам надо еще стремиться.

Производимый шум и выхлопы

Дизельные агрегаты более шумные, их работа сопровождается вибрацией. А все из-за того, что давление в камере сгорания очень высокое. Но это не так ощутимо в салоне авто, если в нем предусмотрена хорошая звукоизоляция. На холостом ходу звук двигателя напоминает урчание и поэтому не раздражает слух.

В европейских странах популярность дизельных двигателей постоянно растет. Это объясняется не только экономичным расходом топлива, но и их экологичностью. В их выхлопах меньше угарного газа, чем в агрегатах на бензине.

Эксплуатационные особенности

Дизельные двигатели более долговечны, они отличаются своей надежностью от бензиновых собратьев. Это объясняется конструкцией блока цилиндров и продуманностью топливной системы. Их детали, такие как коленчатый вал, головка, цилиндры, форсунки выполнены из прочных материалов, которые исключают быстрый износ. А также от выхода из строя их спасает дизтопливо, которое выполняется две функции: служит горючим и смазкой. Но здесь, надо учесть, что на это будет влиять ее качество, а, как известно отечественное дизтопливо включает в себе различные примеси. Они могут стать причиной сокращения жизнедеятельности дизельного мотора, хотя его показатель даже при этом нюансе будет выше, чем у бензиновых аналогов. Последние реагируют на качество топлива менее чувствительно, поэтому выдерживают примеси и другие включения, которые встречаются в бензине низкого качества.

Дизельные двигатели плохо реагируют на низкие температуры, для их нормальной работы надо предусмотреть специальные зимнее топливо или установить современные системы отопления. Также в большинстве дизельных двигателей устанавливаются свечи накаливания для облегчения пуска мотора в холодное время, ведь дизтопливо неохотно испаряется при невысоких температурах воздуха. Они представляют собой обычный нагревательный резистор. В основном свечи устанавливаются в цилиндры двигателя, после поворота ключа в замке зажигании они включаются и в момент поступления топлива в камеру сгорания нагревают его до температуры при которой оно начинает испаряться. После запуска двигателя свечи работают до нескольких минут для уменьшения вредных выбросов и стабилизации процесса горения на холодном двигателе.

Еще одним вариантом может быть присадка – антигель. Ее заливают в топливо при каждой заправке, и она не дает ему сворачиваться. Бензиновые двигатели в этом не нуждаются. Зато дизельные моторы совершенно не реагируют на воду. Электричество в них используется только для запуска мотора. Поэтому их часто устанавливают на военную технику и внедорожники.

Обслуживание дизельного и бензинового мотора

На частоту ремонта и осмотров влияет много нюансов: условия эксплуатации автомобиля, климат, качество топлива, состояние автомобиля и материал деталей. Ремонт дизельного агрегата более трудоемкий, так как в его конструкции есть свои особенности. Наиболее дорогой его деталью является ТНВД. Но так как ремонт дизельного двигателя происходит гораздо реже, чем бензинового, то это не сильно ударит по карману. В случае использования последнего потребуется постоянно производить смазку его деталей, чтобы они не изнашивались.

Достоинства и недостатки двигателей на бензине и на дизтопливе

Вначале рассмотрим отрицательные стороны каждого из указанных моторов. Они не такие уж критичные, но при рассмотрении характеристик двигателей их надо учесть.

Недостатки дизельного мотора:

• чувствительность к качеству топлива;
• малое число сервисов техобслуживания дизельных двигателей. Но это скорее не его недостаток, а отсутствие специалистов по его ремонту в стране;
• как следствие высокая стоимость ремонтных работ;
• в зимнее время, если не придерживаться рекомендаций по эксплуатации может быть затруднен запуск двигателя и его работа. Но качественное топливо сможет обеспечить работу двигателя и при –55 ⁰С;
• не всегда выдерживает большую скорость и высокие обороты;
• повышенный шум и вибрация;
• большие габариты двигателя;
• небольшая мощность;
• он имеет малые пределы рабочих оборотов (максимальная величина — 4500), тогда как у бензинового мотора средние показатели от 3000 и до 7000.

Недостатки бензинового мотора:

• вредные выхлопы угарного газа;
• менее долговечен по сравнению с дизельным аналогом;
• большой расход топлива;
• его топливо – взрывоопасное вещество;
• поломки его деталей более частые.

Теперь перейдем к положительным сторонам, каждого из них. Достоинства продемонстрируют, что может предоставить выбранный агрегат, какие функции он выполняет на отлично.

Преимущества дизельного двигателя:

• экологичность, в его выхлопах меньше угарного газа;
• дизтопливо безопаснее, чем бензин;
• действенней на бездорожьях;
• имеет большие тяговые усилия на низких оборотах;
• меньший расход топлива;
• высокий КПД;
• отсутствует система зажигания;
• не боится грязи и воды;
• его горючее используется не только как топливо, но и исполняет роль смазочного материала;
• меньшая стоимость дизтоплива.

Преимущества бензинового мотора:

• простота изготовления и ремонта;
• бесшумность работы;
• большая мощность;
• высокая устойчивость к некачественному топливу;
• хорошо реагирует на низкие температуры;
• запчасти имеют доступную стоимость.

Рассмотрев особенности конструкции, эксплуатации, обслуживания, мощность и производительность можно сделать заключение, что каждый из этих двух двигателей по-своему хорош. Приобретая более дорогой автомобиль с дизельным двигателем, можно в дальнейшем сэкономить на дизтопливе. При правильном использовании он более долговечен и как следствие надежен.

Глядя вперед на перспективу, то будущее однозначно за экологическими автомобилями, а, значит, спрос на дизельные двигатели будет постоянно расти. Бензиновый же более мощный и простой. Проблем в обслуживании и ремонте не возникнет, да и запчасти на него более дешёвые. Каждый выбирает, что ему предпочтительней самостоятельно. Можно принимать советы, но окончательное решение за вами.

Дизельный двигатель В-2

А. Протасов, рисунок А. Краснова

Прославленный танковый дизель был создан на Харьковском паровозостроительном заводе (ХПЗ) имени Коминтерна в 1939 г. Мотор, получивший обозначение В-2, устанавливался перед войной на советских лёгких быстроходных колёсно-гусеничных танках БТ-7М, средних танках Т-34 и тяжелых КВ-1 и КВ-2, а также на тяжелом гусеничном артиллерийском тягаче «Ворошиловец». В военное время его ставили на средние танки Т-34, тяжелые KB и ИС, а также на самоходные артиллерийские установки (САУ) на их базе. В послевоенные годы этот двигатель модернизировался, и современные танковые моторы являются его прямыми потомками.

Технические особенности В-2 наглядно демонстрируют пути, которыми развивалась техническая мысль в целом и моторостроение в частности в преддверии Второй мировой войны.

Проектировать этот двигатель начали в дизельном отделе ХПЗ в 1931 г. под руководством начальника отдела К.Ф. Челпана. Активное творческое участие в работе принимали А.К. Башкин, И.С. Бер, Я.Е. Вихман и др. Поскольку опыта разработки танкового быстроходного дизеля не было, они начали его проектирование широким фронтом: прорабатывались три схемы расположения цилиндров – одно- и двухрядного (V-образного), а также звездообразного. Послеобсуждения и оценки каждой схемы отдали предпочтение 12-цилиндровой V-образной конструкции. При этом проектируемый двигатель, получивший первоначальное обозначение БД (быстроходный дизель), был схож с авиационными карбюраторными двигателями М5 и М17Т, устанавливавшимися на лёгких колёсно-гусеничных танках БТ. Это закономерно: предполагалось, что мотор будет выпускаться в танковом и авиационном вариантах.

Разработка велась поэтапно. Сначала создали одноцилиндровый двигатель и проверяли его в работе, а затем изготовили двухцилиндровую секцию, имевшую главный и прицепной шатуны. В 1932 г., добившись её устойчивой работы, приступили к разработке и испытаниям 12-цилиндрового образца, получившего обозначение БД-2 (быстроходный дизель второй), которые были закончены в 1933 г. Осенью 1933 г. БД-2 выдержал первые государственные стендовые испытания и был установлен на лёгком колёсно-гусеничном танке БТ-5. Ходовые испытания дизелей БД-2 на БТ-5 начались в 1934 г. Одновременно продолжалось совершенствование двигателя и устранение обнаруженных недостатков. В марте 1935 г. члены ЦК компартии и правительства ознакомились в Кремле с двумя танками БТ-5 с дизелями БД-2. В том же месяце последовало решение правительства о строительстве при ХПЗ цехов для их изготовления.

Для оказания технической помощи в Харьков были направлены из Москвы инженеры из Центрального института авиационных моторов (ЦИАМ) М.П. Поддубный, Т.П. Чупахин и другие, имевшие опыт проектирования авиационных дизелей, а также начальник кафедры двигателей Военной академии механизации и моторизации Красной Армии проф. Ю.А. Степанов и его сотрудники.

Руководство подготовкой серийного производства доверили И.Я. Трашутину и Т.П. Чупахину. К концу 1937 г. на испытательный стенд был установлен новый доведённый дизель, получивший к тому времени обозначение В-2. Проведённые в апреле-мае 1938 г. государственные испытания показали, что можно начинать его мелкосерийное производство, которым стал руководить С.Н. Махонин. В 1938 г. на ХПЗ изготовили 50 двигателей В-2, а в январе 1939 г. дизельные цеха ХПЗ отделились и образовали самостоятельный моторостроительный за вод, получивший позднее № 75. Чупахин стал главным конструктором этого завода, а Трашутин – начальником конструкторского бюро. 19 декабря 1939 г. начался крупносерийный выпуск отечественных быстроходных танковых дизелей В-2, принятых в производство распоряжением Комитета обороны вместе с танками Т-34 и КВ.

За разработку двигателя В-2 Т.П. Чупахину была присуждена Сталинская премия, а осенью 1941 г. завод № 75 награжден Орденом Ленина. В то время этот завод был эвакуирован в Челябинск и слился с челябинским Кировским заводом (ЧКЗ). Главным конструктором ЧКЗ по дизельным двигателям назначили И.Я. Трашутина.

Необходимо упомянуть и об авиационном варианте В-2А, судьба которого сложилась драматически. К началу серийного производства основной модели самолёт-разведчик, на котором предполагалось устанавливать В-2А, устарел, а переделывать основную модель В-2 в чисто танковую было нецелесообразно. Это потребовало бы дополнительного времени, которого у наших моторостроителей не было: надвигалась Вторая мировая война, и Красной Армии требовались – срочно и в большом количестве – новые танки с противоснарядной бронёй и мощными дизелями.

В-2 так и пошел «на поток» с алюминиевым картером и блоками цилиндров, с длинным носком коленчатого вала и упорным шарикоподшипником, способным передавать усилие от воздушного винта картеру двигателя. Уместно заметить, что самолёт-разведчик Р-5 успешно летал с двигателем В-2А.

Существовала и другая модификация этого двигателя – В-2К, отличавшаяся повышенной до 442 кВт (600 л.с.) мощностью. Увеличение мощности достигалось за счёт повышения степени сжатия на 0,6–1 ед., увеличения частоты вращения коленчатого вала на 200 мин^–1 (до 2 000 мин^–1) и подачи топлива. Модификация первоначально предназначалась для установки на тяжелых танках KB и изготавливалась на ленинградском Кировском заводе (ЛКЗ) по документации ХПЗ. Массогабаритные показатели по сравнению с базовой моделью не изменились.

В предвоенное время на заводе № 75 были созданы и другие модификации этого двигателя – В-4, В-5, В-6 и другие, максимальная мощность которых находилась в довольно широких пределах – от 221 до 625 кВт (300–850 л.с.), которые предназначались для установки на лёгких, средних и тяжелых танках.

Перед Великой Отечественной войной танковые дизели изготавливались заводом № 75 в Харькове и ЛКЗ в Ленинграде. С началом войны их стал изготавливать Сталинградский тракторный, завод № 76 в Свердловске и ЧКЗ (Челябинск). Однако танковых дизелей не хватало, и в конце 1942 г. в Барнауле срочно построили завод № 77. Всего же эти заводы в 1942 г. изготовили 17 211 шт., в 1943 г. – 22 974 и в 1944 г. – 28 136 дизельных двигателей.

В-2 относился к быстроходным 4-тактным бескомпрессорным, с непосредственным впрыском топлива 12-цилиндровым тепловым машинам жидкостного охлаждения, имеющим Vобразное расположение цилиндров с углом развала 60°.

Картер состоял из верхней и нижней половин, отлитых из силумина, с плоскостью разъёма по оси коленчатого вала. В нижней половине картера имелись два углубления (передний и задний маслозаборники) и передача к масляному и водяному насосам и топливоподкачивающей помпе, крепящихся снаружи картера. К верхней половине картера крепились на анкерных шпильках левый и правый блоки цилиндров вместе с их головками. В корпусе рубашки каждого блока цилиндров, изготовленного из силумина, устанавливались по шесть стальных азотированных мокрых гильз.

В каждой головке цилиндров были два распредвала и по два впускных и выпускных клапана (т.е. по четыре!) на каждый цилиндр. Кулачки распределительных валов действовали на тарелки толкателей, установленных непосредственно на клапанах. Сами валы были полыми, по внутренним сверлениям подводилось масло к их опорам и к тарелкам клапанов. Выпускные клапаны не имели специального охлаждения. Для привода распредвалов использовали вертикальные валы, каждый из которых работал с двумя парами конических шестерён.

Коленчатый вал изготавливался из хромоникельвольфрамовой стали и имел восемь коренных и шесть шатунных пустотелых шеек, располагавшихся попарно в трёх плоскостях под углом 120°. Коленчатый вал имел центральный подвод смазки, при котором масло подводилось в полость первой коренной шейки и по двум сверлениям в щеках проходило во все шейки. Развальцованные в выходных отверстиях шатунных шеек медные трубки, выходившие к центру шейки, обеспечивали поступление на трущиеся поверхности центрифугированного масла. Коренные шейки работали в толстостенных стальных вкладышах, залитых тонким слоем свинцовистой бронзы. От осевых перемещений коленвал удерживался упорным шарикоподшипником, установленным между седьмой и восьмой шейками.

Поршни – штампованные из дюралюминия. На каждом установлены пять чугунных поршневых колец: два верхних компрессионных и три нижних маслосбрасывающих. Поршневые пальцы – стальные, полые, плавающего типа, удерживаемые от осевого перемещения дюралюминиевыми заглушками.

Шатунный механизм состоял из главного и прицепного шатунов. Из-за кинематических особенностей этого механизма ход поршня прицепного шатуна был на 6,7 мм больше, чем у главного, что создавало небольшое (около 7%) различие в степени сжатия в левом и правом рядах цилиндров. Шатуны имели двутавровое сечение. Нижняя головка главного шатуна к верхней его части крепилась с помощью шести шпилек. Шатунные вкладыши были стальными тонкостенными, залитыми свинцовистой бронзой.

Пуск двигателя был дублированным, состоявшим из двух, действующих независимо систем – электрического стартера мощностью 11 кВт (15 л.с.) и пуска сжатым воздухом из баллонов. На некоторых двигателях вместо обычных электростартеров устанавливали инерционные с ручным приводом из боевого отделения танка. Система пуска сжатым воздухом предусматривала наличие распределителя воздуха и пускового автоматического клапана на каждом цилиндре. Максимальное давление воздуха в баллонах составляло 15 МПа (150 кгс/см²), а поступавшего в распределитель – 9 МПа (90 кгс/см²) и минимальное – 3 МПа (30 кгс/см²).

Для подкачки топлива под избыточным давлением 0,05–0,07 МПа (0,5–0,7 кгс/см²) в питающую полость насоса высокого давления использовалась помпа коловратного типа. Насос высокого давления НК-1 – рядный 12-плунжерный, с двухрежимным (позже всережимным) регулятором. Форсунки закрытого типа с давлением начала впрыска 20 МПа (200 кгс/см²). В системе топливоподачи имелись также фильтры грубой и тонкой очистки.

Система охлаждения – закрытого типа, рассчитанная на работу под избыточным давлением 0,06–0,08 МПа (0,6–0,8 кгс/см²), при температуре кипения воды 105–107°С. В неё входили два радиатора, центробежный водяной насос, сливной кран, заливной тройник с паровоздушным клапаном, центробежный вентилятор, закрепленный на маховике двигателя, и трубопроводы.

Система смазки – циркуляционная под давлением с сухим картером, состоявшая из трёхсекционного шестерённого насоса, масляного фильтра, двух масляных баков, ручного подкачивающего насоса, уравнительного бачка и трубопроводов. Масляный насос состоял из одной нагнетающей секции и двух откачивающих. Давление масла перед фильтром составляло 0,6–0,9 МПа (6–9 кгс/см²). Основной сорт масла – авиационное МК летом и МЗ зимой.

Анализ параметров двигателей В-2 показывает , что они отличались от карбюраторных намного лучшей топливной экономичностью, большой габаритной длиной и сравнительно небольшой массой. Это объяснялось более совершенным термодинамическим циклом и «близким родством» с авиационными моторами, предусматривавшим длинный носок коленвала и изготовление большого числа деталей из алюминиевых сплавов.

Технические характеристики двигателей В-2

Двигатель	В-2	В-2К
Год выпуска	1939
Тип	Танковый, быстроходный, бескомпрессорный, с непосредственным впрыском топлива
Число цилиндров	12
Диаметр цилиндров, мм	150
Ход поршня, мм: – основного шатуна – прицепного шатуна	180 186,7
Рабочий объём, л	38,88
Степень сжатия	14 и 15	15 и 15,6
Мощность, кВт (л.с.), при мин–1	368 (500) при 1 800	442 (600) при 2 000
Максимальный крутящий момент Нм (кгс·м) при 1 200 мин–1	1 960 (200)	1 960 (200)
Минимальный удельный расход топлива, г/кВт·ч, (г/л.с.·ч)	218 (160)	231 (170)
Габариты, мм	1 558х856х1 072
Масса (сухая), кг	750

Следует сказать несколько слов о мировом приоритете. В отечественной военно-исторической литературе можно встретить мнение, что В-2 был первым в мире танковым дизелем. Это не совсем так. Он входит в «первую тройку» танковых дизелей. Его «соседями» были 6-цилиндровый двигатель жидкостного охлаждения «Заурер» мощностью 81 кВт (110 л.с.), устанавливавшийся с 1935 г. на польском лёгком танке 7ТР, и 6-цилиндровый дизель воздушного охлаждения «Мицубиси» АС 120 VD мощностью 88 кВт (120 л.с.), устанавливавшийся с 1936 г. на японском лёгком танке 2595 «Ха-го».

От своих «соседей» В-2 отличался значительно большей мощностью. Некоторая задержка с началом его серийного производства объяснялась, в том числе и стремлением советских моторостроителей основательно испытать двигатель в войсках, чтобы уменьшить количество «детских болезней». И мотор пользовался заслуженным доверием у советских воинов.

Рудольф Дизель – исчезнувший гений

Сегодня мировую автоиндустрию сложно представить без дизельного двигателя. По данным опроса онлайн-портала Autoscout24, почти каждый второй автомобиль, сходящий сегодня с немецкого конвейера, оборудован двигателем внутреннего сгорания, а свыше половины немцев (57 процентов) делают выбор в его пользу – не в последнюю очередь из-за его экономности.

О таком успехе на своей родине немец Рудольф Дизель мог лишь мечтать – при жизни изобретателя его детище пользовалось успехом по всей Европе и даже за океаном, но только не в родной Германии. Дизель, с детства увлекавшийся физикой и с отличием закончивший Мюнхенскую политехническую школу, мечтал создать аппарат для максимального преобразования энергии под воздействием горячего воздуха.

23 февраля 1893 года ученый получил в Берлинском императорском патентном бюро свой первый патент. Спустя четыре года при финансовой поддержке компании промышленника Фридриха Круппа и инженеров машиностроительного завода MAN он создал первый функционирующий двигатель: сжатие воздуха приводило к самовоспламенению топлива. КПД первого дизельного двигателя составляло всего 26 градусов (у современных моделей – до 45), что на порядок превосходило уже имеющийся бензиновый двигатель Отто.

Эффективность дизельного двигателя в первую очередь оценили вкораблестроении: начиная с 1903 года им стали оборудовать многие судна. На Всемирной выставке в 1900 году в Париже был продемонстрирован дизельный двигатель, работающий на арахисовом масле. Дизель-визионер уже тогда выступал за биотопливо, поддерживая использование натуральных растительных масел.

В 1912 году был выпущен первый дизельный локомотив, в Первую мировую войну – подводная лодка. Первые дизельные моторы были слишком громоздки, поэтому понадобилось время, чтобы начать использовать их в автоиндустрии. Поставить такой двигатель на грузовик удалось лишь в 1923 году, а спустя 13 лет компания Mercedes выпустила первый легковой автомобиль на дизельном топливе – Mercedes 260-D.

Будучи гениальным инженером, Дизель совсем не имел предпринимательской жилки. Еще в 1898 году он основал свою компанию по продаже дизельных двигателей, но в итоге все его время отнимали патентные процессы. Финансовый кризис 1913 года окончательно разорил ученого, и тот отправился на корабле в Лондон, чтобы обсудить с англичанами возможность продажи патента.

Что случилось в ночь на 30 сентября 1913 года в проливе Ла-Манш, доподлинно не знает никто. Накануне Рудольф Дизель сел на паром в Антверпене, несмотря на финансовые проблемы пребывал в отличном настроении, шутил с друзьями и охотно рассказывал попутчикам о своем изобретении. Затем он отправился в свою каюту, попросил стюарда разбудить его с утра и… исчез. На палубе были найдены его пальто и шляпа, а спустя несколько суток из вод пролива выловили его тело.

Расследование обстоятельств смерти ни к чему не привело. Знавшие Дизеля лично утверждали, что покончить с собой он не мог, да и слишком много фактов свидетельствовало против этого, равно как и против несчастного случая. Был ли он убит? Не исключен след немецких спецслужб: к тому моменту в воздухе уже витало предчувствие Первой мировой, и продажа немецкого изобретения англичанам была совсем не на руку кайзеровской Германии. Однако это всего лишь домыслы, и обстоятельства смерти Рудольфа Дизеля навсегда останутся еще одной загадкой истории.

Ирина Михайлина

Лицензионный дизель М1 компании Steyr для Газели – Основные средства

В. Мамедов

В этой серии вы уже познакомились с новейшими конструкциями зарубежных дизелей. А между тем в Нижнем Новгороде начато производство первого отечественного дизеля, пригодного для установки на легковые автомобили и грузовики, вполне соответствующего тому, что называют «мировым уровнем», да еще имеющего весьма своеобразную конструкцию

Организовывая на Горьковском автозаводе производство «ГАЗели», специалисты завода уже думали над тем, каким дизелем оснастить эти автомобили. Обширные эксперименты с зарубежными моторами, такими как Perkins, Andoria (Польша), IVECO, Toyota и Steyr-Daimler-Puch привели к неожиданному для многих результату. По данным испытаний, лучшим оказался дизель М1 компании Steyr – двигатель, серийно не устанавливавшийся ни на один автомобиль в мире, однако его конструкция активно предлагалась фирмой на продажу.

В 1996 году австрийские специалисты совместно с ОАО «ГАЗ» проработали установку М1 в ГАЗель и, получив положительные результаты, ОАО «ГАЗ» приобрело лицензию у фирмы Steyr на производство двигателей этого семейства. Как позднее выяснилось, пример нижегородцев оказался заразительным: после них аналогичную лицензию купила корейская компания DAEWOO.

Собранные, преимущественно из привозных деталей, на ОАО «ГАЗ» несколько сот двигателей хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации, оказались нетребовательными к отечественному дизтопливу, прекрасно заводились в 30-градусные морозы, словом, подтвердили мнение о моторе, как высокоэффективном и надежном. Это позволило нижегородцам сделать следующий шаг.

25 июня 1998 года во время визита в Австрию премьер-министра России Евгения Примакова президентом «ГАЗа» Николаем Пугиным и президентом концерна Magna-Steyr (в 1997-м контрольный пакет акций Steyr перешел в собственность канадской компании Magna, изменившей название моторостроительной фирмы) было подписано рабочее соглашение об организации совместного предприятия по серийному производству дизельных двигателей семейства М1 и в конце года такое предприятие было создано. Соотношение уставного капитала в образованной компании 50% на 50%.

В первой половине этого года началось производство моторов ГАЗ-560 (такое название получил Steyr М1 на «ГАЗе»), из импортных комплектующих и параллельно решались вопросы о размещении их производства в России. С учетом поставок другим автозаводам проектная мощность предприятия была определена в 250 тысяч двигателей в год.

Предполагается выпускать унифицированные 3-, 4-, 5- и 6-цилиндровые дизели. Все – с турбонаддувом, в вариантах с интеркулером или без него. На ОАО «ГАЗ» ими будут оснащаться грузовики малой и средней грузоподъемности, легковые автомобили, пикапы, микроавтобусы. Предложения по использованию дизелей ГАЗ-560 сделаны московскому ЗИЛу и Ульяновскому автомобильному заводу. Впрочем, это все дело будущего. А пока самым актуальным является четырехцилиндровый мотор – для «Волги», «ГАЗели» и «УАЗа».

Конструкция

Главная особенность дизелей семейства М1 заключается в моноблочности их конструкции. Это значит, что у двигателя отсутствуют головка блока и сам блок цилиндров, а вместо этого имеется один чугунный моноблок – решение очень распространенное в моторах начала века. «Возврат к прошлому оправдан,» – считают австрийские конструкторы.

При таком подходе автоматически решаются многие проблемы, характерные для традиционных моторов. Отсутствие прокладки между головкой и блоком, газового стыка и разъема в камере сгорания исключило возможность прогара прокладки и необходимость ее замены при перегреве дизеля из-за потери охлаждающей жидкости, которая у М1 не может попасть в масло. Поскольку не нужно крепить головку шпильками, исчезает вероятность их обрыва или недотяга.

По сравнению с обычной схемой увеличивается жесткость моноблока и улучшается охлаждение цилиндров. В итоге износ двигателя снижается, он работает тише и меньше вибрирует. Почему такие моторы не выпускались раньше? Просто не было еще сконструировано сложное оборудование для обработки глухих отверстий.

Подождите, а как же расточить цилиндр, заменить клапан? Ведь эти операции потребуют практически полной разборки двигателя. В том-то и дело, что, поверите вы или нет, но многолетняя работа над двигателем (а ее вели совместно специалисты фирм Steyr и AWL, всемирно известной австрийской инжиниринговой компании, занимающейся исследованиями, испытаниями и разработкой новых двигателей) позволила избавиться от необходимости подобных работ.

Ремонт изношенного двигателя М1 производится простой заменой старого моноблока на новый, поставляемый в запчасти. При этом Steyr отправляет заказчику подсобранные и обкатанные на стенде моноблоки, внутри которых поршни, шатуны, коленчатый вал в подшипниках. Точно так же будут ремонтировать и дизели ГАЗ-560. Согласитесь, качество подобного ремонта намного выше того, которое можно получить кустарными «переборками».

Еще одна особенность М1 состоит в том, что топливо внутрь камеры сгорания впрыскивают насос-форсунки, работающие от кулачков распредвала и развивающие давление до 1800 бар (примерно 1800 кгс/см². – ред.). Впрыск осуществляют в две фазы, а «командует» им микропроцессорная система, следящая за токсичностью отработавших газов и стремящаяся к тому, чтобы работа дизеля была максимально экономичной. Насос-форсунка, объединяющая в себе и насос высокого давления, и собственно форсунку, делает ненужными трубопроводы высокого давления, повышая тем самым надежность работы. Сейчас для ГАЗ-560 насос-форсунки поставляет чешская фирма Autopal, а в будущем их должен освоить отечественный производитель.

Нельзя не отметить бесшумность этого дизеля. Конструктивно она обеспечивается алюминиевым разъемным кожухом-поддоном картера, состоящим из двух половин, которые эластично(!), с помощью специальных резиновых упоров крепятся к моноблоку. Так же, для снижения шума служит капсула, закрывающая верхнюю часть мотора.
Несомненно, освоение сборки таких двигателей – дело очень сложное, требующее особой культуры производства, непривычных навыков и необычного оборудования. А что же мы получим в результате?

Предполагается, что ходимость дизелей ГАЗ-560 составит 250 – 300 тысяч километров. Испытания выявили несколько характерных свойств моторов: высокую эластичность, отличную приемистость, низкие расход топлива и токсичность выхлопа, отличную приспособленность к российским климатическим условиям.

Последнее требует пояснения: дело в том, что форсунки мотора дополнительно охлаждаются топливом, которое при обратном сливе повышает температуру в баке. Поразительно, но зимой, в самый мороз, бак дизельных «ГАЗелей» на ощупь всегда бывает теплым. А это полностью снимает проблему парафинирования топлива, порой, донимающую водителей дизельных иномарок.

Опыт работы дизельных «ГАЗелей» на фирме «Автолайн» в Нижнем Новгороде в качестве маршрутных такси показал, что новые дизели очень надежны, работают на обычном российском дизтопливе, существенно экономят средства на горючее по сравнению с бензиновыми «ГАЗелями», повышая эффективность перевозок.

В соответствии с планами завода 90% комплектующих для сборки дизелей должны поставляться российскими заводами. По мнению нижегородцев, это позволит избавиться от единственного сегодняшнего недостатка мотора – его высокой цены. Пока же большой интерес, проявленный к двигателю зарубежными клиентами, способствует постоянному увеличению его производства, повышению конкурентоспособности продукции с маркой «ГАЗ» на западных рынках. Так самый оригинальный из российских дизелей, ГАЗ-560, завоевывает себе признание и право на жизнь.

Техническая характеристика двигателей семейства ГАЗ-560

Модель	ГАЗ-560	ГАЗ-5601
Тип	Дизельный, с непосредственным впрыском топлива и турбонаддувом, водяного охлаждения, монококовой конструкции, с насос-форсунками в системе питания
Наличие интеркулера	нет	есть
Число цилиндров	4	4
Число клапанов на цилиндр	2	2
Рабочий объем,см3	2133	2133
Диаметр цилиндра х Ход поршня, мм	85х94	85х94
Степень сжатия	20,5	20,5
Номинальная мощность, кВт (л.с.) при об/мин	70(95) при 4300	81(110) при 4300
Максимальный крутящий момент, Нм при об/мин	200 при 2300	250 при 1800
Минимальный расход топлива, г/кВт·ч	250	210
Масса, кг	200	200

Свечи накала дизельного двигателя

Свечи накаливания (калильные свечи, свечи накала) — главная зимняя деталь дизельного двигателя. Летом водители даже не вспоминают об их существовании, зато морозным зимним утром от работы свечей зависит, на чём вы поедете: на собственной машине или на общественном транспорте. О роли свечей накаливания в холодном пуске дизеля — в нашей статье.

Запуск дизеля: отличия от бензиновых моторов

Дизельный двигатель заводится совсем не так, как бензиновый. Летучий бензин даже при температуре -40° C готов вспыхнуть от одной искры, которую в цилиндрах создают свечи зажигания. Дизельному топливу — даже зимнему — из-за низкой летучести для воспламенения нужны те же 40 градусов, но уже со знаком «плюс» (а летнему — и вовсе +62° C). Недаром соляр называют тяжёлым топливом.

Высокую температуру, необходимую для горения дизеля, в цилиндре создаёт сжатие воздуха поршнем. Как и любой газ, воздух сжимается неохотно, при этом растёт его давление и температура. Когда форсунка впрыскивает порцию дизтоплива, оно самостоятельно воспламеняется от контакта с горячим сжатым воздухом — из-за этого часто говорят, что дизель заводится давлением или взрывом. Старые дизельные моторы, не оснащённые электронным впрыском и датчиками, легко могут работать без аккумулятора, поскольку воспламенение топлива в цилиндрах происходит механически, без каких-либо искр и свечей зажигания.

Но дизельную идиллию рушит мать-природа: при похолодании до минусовых температур сжатия воздуха в цилиндрах уже недостаточно, чтобы нагреть топливо до самовоспламенения. Поэтому совсем отказаться от свечей в дизельном двигателе невозможно. Просто свечи здесь нужны не для зажигания топливно-воздушной смеси, а для её нагрева.

Конструкция свечи накала

Любой, кто держал в руках кипятильник или ТЭН от водонагревателя, с ходу поймёт принцип работы дизельной свечи накаливания. Кстати, первые калильные свечи были с открытой спиралью и действительно внешне напоминали мини-кипятильник. Нагревательная спираль современных свечей закрыта прочным корпусом-стержнем (обычно стальным, иногда керамическим), заполненным оксидом магния — магнезией. При прохождении электрического тока спираль нагревается, отдавая тепло стержню, а тот — воздуху в камере сгорания и топливно-воздушной смеси, помогая ей воспламениться. Кончик стержня находится ровно в том месте камеры сгорания, где образуется завихрение смеси при впрыске топлива форсункой.

Свеча с открытым нагревательным элементом и современная стержневая свеча накала

Время прогрева первых свечей накаливания в 1920-е годы составляло бесконечные 180 секунд — целых 3 минуты водитель должен был ждать, пока свечи достигнут рабочей температуры, чтобы запустить двигатель! Современные свечи со стальным стержнем полностью раскаляются менее чем за 10 секунд (рекордсмены — за 4 секунды), а температура стержня достигает 800–1000 °C.

Свечи с керамическим стержнем ещё эффективнее: прогрев за 2 секунды и максимальная температура 1350 °C. Такие свечи используются в высокофорсированных дизелях, отвечающих самым жёстким экологическим требованиям. Но и стоимость керамических свечей в сравнении с классическими стальными заметно выше.

Саморегулируемые свечи SRM/SRC

В свечах накаливания первого поколения время и мощность их нагрева регулировал либо сам водитель, либо отдельный электронный блок управления. Современные свечи меняют свой режим работы самостоятельно благодаря дополнительной регулирующей (управляющей) спирали. Такие свечи накаливания называются саморегулирующимися и обозначаются маркировкой SRM — Self Regulating Metal. Или SRC (Self Regulating Ceramic), если речь о керамической свече.

Сопротивление регулирующей спирали меняется в зависимости от температуры: чем она выше, тем меньший ток управляющая спираль пропускает к основной спирали накаливания. Это позволяет изначально подать на свечу больший ток, ускорив её прогрев, без риска выхода свечи из строя — встроенный предохранитель в виде управляющей спирали не даст ей сгореть.

Системы быстрого накаливания QGS. Свечи на 6 и 12 вольт

В двухступенчатых системах быстрого накаливания QGS (Quick Glow System) свечи последовательно работают в двух режимах: сперва интенсивный накал, затем более слабый догрев. В фазе накала свеча почти мгновенно выходит на пиковую температуру, а затем переходит в режим догрева, где поддерживает её какое-то время. Системы QGS обычно встречаются в зимних комплектациях дизелей, а работой свечей в них заведуют сразу два реле и специальный таймер.

В двухступенчатых системах используются особые свечи накаливания с пониженным вольтажом (6V или 7V). В режиме накала они работают на повышенном напряжении 12V, а после запуска двигателя переходят в режим догрева, где напряжение уже соответствует номинальным 6V. Если такие свечи установить в одноступенчатую систему накаливания, где 12 вольт подаются постоянно, то они очень быстро сгорят. А если использовать обычные свечи на 11/12 вольт в системе QGS, то автомобиль будет плохо запускаться и нестабильно работать на холостых оборотах, ведь свечи не будут раскаляться до расчётной температуры. Поэтому правильный подбор свечей накаливания очень важен — нельзя устанавливать в двигатель первые попавшиеся свечи, подходящие по размеру.

Послепусковое накаливание и очистка от сажи

С ролью свечей накаливания при запуске всё ясно. Но нередко они греются и во время работы мотора! Современные алгоритмы управления дизельным двигателем предусматривают послепусковое накаливание — включение свечей, пока двигатель холодный. Это улучшает сгорание топлива и снижает дымность двигателя при прогреве.

Другая важная функция свечей накаливания — очистка мотора от сажи. Как известно, нагар — главный враг дизеля. Продукты горения и износа оседают на поверхности поршней, в камерах сгорания и в узлах системы EGR (рециркуляции выхлопных газов). Клапан EGR особенно активно засоряется при низкой температуре выхлопа, когда отложения не успевают сгорать. Чтобы принудительно повысить её, вновь включаются свечи накаливания — этот режим называется промежуточный накал.

Современные дизельные моторы дополнительно оснащены сажевым фильтром DPF, чтобы вписываться в жёсткие экологические нормы. Ёмкость фильтра не бесконечна, поэтому в электронном блоке управления двигателя предусмотрена программа его регенерации. Чтобы очистить сажевый фильтр, его нужно прожечь — принудительно нагреть до высокой температуры на 10–15 минут. Для этого двигатель переходит в особый режим работы, где свечи накаливания также задействуются. Режим регенерации сажевого фильтра активируется водителем или механиком автосервиса вручную с помощью кнопки или специальной процедуры каждые 1500–5000 км (зависит от модели автомобиля) — подробная информация есть в сервисной инструкции. О необходимости очистки сажевого фильтра напомнит специальный индикатор на приборной панели.

Проверка свечей накала и симптомы поломки

К сожалению, на дизельных машинах редко встречается самодиагностика свечей накаливания. Если при сгоревшей свече зажигания «бензинка» сразу зажжёт ошибку Check Engine, то суровый дизель может молчать, как партизан, не информируя водителя о проблеме. Не всегда дефектную свечу накаливания видно и диагностическим сканером. Самостоятельно заметить неисправность летом тоже непросто, ведь при плюсовой температуре двигатель заводится хорошо. В итоге поиск сгоревшей свечи начинается с первыми морозами, когда машина начинает плохо заводиться и дымить.

Без снятия с двигателя свечи накала проверяют мультиметром двумя способами:

1. В режиме омметра замеряют сопротивление каждой из свечей: оно колеблется от 0,7 до 1,8 Ом, в зависимости от модели, но обычно составляет около 1 Ома. Если сопротивление повышено, то свеча вряд ли раскаляется до расчётной температуры. А если электрической проводимости нет вовсе, то свеча полностью нерабочая.
2. В режиме амперметра замеряют потребление тока в бортовой сети при включении реле накаливания. Например, если в автомобиле установлены 4 свечи с потреблением тока 5, А, то общее потребление во время накаливания должно увеличиваться на 20 А. Если эта цифра не 20, а 15, А, то одна из свечей не работает.

Но проверка мультиметром — не панацея: бывает, что и при нормальном сопротивлении свеча накаливания чудит. Поэтому самый надёжный способ проверки — выкрутить свечи и подключить их напрямую к аккумулятору, проверив нагрев визуально.

Замена свечей

Многие автомобилисты уверены, что свечи накаливания лучше лишний раз не трогать, чтобы ненароком не сломать при выкручивании — ведь в камере сгорания стержень свечи обрастает нагаром и прикипает, с риском остаться там навсегда. Но чем дольше тянуть с заменой, тем выше риск сломать свечу. А рано или поздно менять свечи придётся, ведь ничего вечного не бывает. Поэтому лучше не оттягивать замену и не ждать проблем, а менять свечи планово каждые 30 000 км пробега — тогда они не успеют обрасти сажей и выкрутятся легко.

В любом случае, перед заменой свечей стоит залить их WD-40 или любой другой проникающей смазкой и оставить на ночь, чтобы жидкость прошла всю резьбу свечи. А непосредственно перед заменой свечей прогрейте двигатель — горячее резьбовое соединение всегда поддаётся легче.

Как и свечи зажигания бензиновых двигателей, свечи накаливания рекомендуется менять комплектом, поскольку время прогрева старых (пусть и рабочих) свечей постепенно увеличивается. Затягивать новые свечи нужно с помощью динамометрического ключа, чтобы при следующей замене они выкрутились без сложностей.

Как правильно заводить дизель

Дизель спешки не любит — не только при езде, но и при запуске. Чтобы мотор завёлся уверенно, дайте свечам накаливания отработать полный цикл, и лишь затем начинайте крутить стартер.

Свечи накала начинают нагрев при включении зажигания, а об их работе сигнализирует специальный индикатор на приборной панели — жёлтая спираль. Чем холоднее на улице, тем дольше продолжается цикл накаливания. Дождитесь, пока индикатор свечей погаснет, и лишь затем начинайте заводить мотор. А в сильный мороз можно сделать и два прогрева подряд: выключить зажигание после первого накаливания и сразу включить снова, чтобы запустить его повторно. Так вы заметно повысите шансы на успешный запуск.

Меняйте свечи накала вовремя, и ваш дизель будет радовать вас уверенным холодным запуском и стабильной работой.

Дизельный двигатель

Дизельный двигатель внутреннего сгорания отличается от цикла Отто с бензиновым двигателем тем, что для воспламенения топлива используется более высокая степень сжатия топлива, а не свеча зажигания («воспламенение от сжатия», а не «искровое зажигание»).

Стандартный цикл дизельного двигателя

В дизельном двигателе воздух сжимается адиабатически со степенью сжатия обычно от 15 до 20. Это сжатие повышает температуру до температуры воспламенения топливной смеси, которая образуется при впрыске топлива при сжатии воздуха. Идеальный стандартный цикл по воздуху моделируется как обратимое адиабатическое сжатие, за которым следует процесс сгорания при постоянном давлении, затем адиабатическое расширение как рабочий ход и изоволюметрический выхлоп. Новый заряд воздуха всасывается в конце выхлопа, как показано процессами a-e-a на диаграмме.

Поскольку такты сжатия и мощности этого идеализированного цикла являются адиабатическими, эффективность может быть рассчитана на основе процессов постоянного давления и постоянного объема.Энергия на входе и выходе, а также КПД могут быть рассчитаны исходя из температуры и удельной теплоемкости:

Эту эффективность удобно выразить через степень сжатия r _C = V ₁ / V ₂ и степень расширения r _E = V ₁ / V ₃ . КПД можно записать

, и его можно преобразовать в форму

Для авиационного стандартного двигателя с γ = 1.4, степень сжатия r _C = 15 и степень расширения r _E = 5, это дает идеальный КПД дизеля 56%.

Дизельный цикл зависит от того, является ли эта температура достаточно высокой для воспламенения топлива при его впрыске.

* фунт / кв. Дюйм — манометрическое давление в фунтах на квадратный дюйм. Обычные манометры в США измеряют превышение в фунтах на квадратный дюйм атмосферного давления.

Дизельные двигатели

Соединенные Штаты против.Caterpillar, Inc.
Соединенные Штаты против Cummins Engine Company
Соединенные Штаты против Detroit Diesel Corporation
Соединенные Штаты против Mack Trucks, Incorporated
Соединенные Штаты против Navistar International Transportation Corporation
Соединенные Штаты против Renault Vehicules Industriels
Соединенные Штаты. v. Volvo Truck Corporation

Выбросы загрязняющих веществ, в том числе оксида углерода, оксидов азота и углеводородов, от легковых и грузовых автомобилей регулируются Законом о чистом воздухе.Агентство по охране окружающей среды (EPA) публикует правила, реализующие требования, включая процедуры испытаний, используемые для демонстрации соблюдения предельных значений выбросов перед тем, как двигатели или транспортные средства могут быть проданы.

С появлением в 1980-х годах использования бортовых компьютеров для управления работой двигателя производители двигателей и транспортных средств получили возможность обходить процедуры испытаний EPA, запрограммировав компьютер на управление двигателем или транспортным средством в одну сторону при испытании EPA. сокращение некоторых загрязняющих веществ, но другим способом в реальном использовании.Производители могут сделать это, чтобы получить лучшую экономию топлива в реальном мире или по другим причинам, но изменение режима работы может привести к увеличению загрязнения. Эти действия являются незаконными. Закон о чистом воздухе и постановления Агентства по охране окружающей среды запрещают использование «защитных устройств», которые снижают эффективность системы контроля выбросов, за исключением некоторых узких обстоятельств, которые здесь не применяются.

В 1990-х годах испытания EPA показали, что производители дизельных двигателей для тяжелых условий эксплуатации использовали компьютерные программы, чтобы продемонстрировать соответствие ограничениям выбросов в испытании EPA, но изменить заправку двигателей в реальных условиях, чтобы снизить расход топлива, но в некоторой степени. что увеличились выбросы оксидов азота или «NOx.”

NOx способствует образованию приземного озона (смога), сажи и пыли. Эти загрязнители могут вызвать преждевременную смерть, приступы астмы, бронхит, снижение функций легких и другие проблемы с дыханием, особенно у пожилых людей и детей. NOx также вызывает кислотные дожди, которые наносят ущерб сельскохозяйственным культурам, загрязняют питьевую воду и вызывают кислотные осаждения в водоемах.

Агентство

EPA передало этот вопрос в Секцию охраны окружающей среды в начале 1998 года.Участвовали компании Caterpillar Inc., Cummins Engine Company, Detroit Diesel Corporation, Mack Trucks, Inc., Navistar International Transportation Corporation, Renault Vehicules Industriels, s.a. и Volvo Truck Corporation, представляющая 95 процентов рынка дизельных двигателей большой мощности в США.

Последовали интенсивные и высокотехнологичные переговоры, в результате которых в октябре 1998 года в Окружной суд США округа Колумбия были поданы предлагаемые постановления о согласии. В июле 1999 года Суд принял постановления о согласии.

Результат

В дополнение к выплате гражданских штрафов в размере 83,4 миллиона долларов — крупнейшей в истории правоприменения в области охраны окружающей среды на то время — и выполнению проектов по компенсации значительных избыточных выбросов в результате нарушений компаниями, Указы о согласии требуют, чтобы компании модифицировали свои двигатели, чтобы ограничить и исключить использование устройств поражения и тем самым снизить выбросы от новых двигателей.

5 причин, почему дизельные двигатели развивают больший крутящий момент, чем бензиновые

Лошадиная сила — это по-своему весело, но крутящий момент может быть не менее интересным.Если вы хотите вырывать пни из земли, вам понадобится много крутящего момента. Это также означает, что вы, вероятно, предпочтете дизельный двигатель. По сравнению со своими бензиновыми аналогами, дизельные двигатели — короли крутящего момента. Это почему?

Джейсон Фенкс из Engineering Explained знает почему, и он здесь, чтобы предложить пять причин, по которым дизельный двигатель развивает больший крутящий момент, чем сопоставимый бензиновый двигатель.

Прежде всего, это степень сжатия. В бензиновом двигателе поршень останавливается немного ниже верхней части цилиндра, когда он перемещается вверх и вниз во время цикла сгорания.Для сравнения: у дизельного двигателя поршень доходит до края цилиндра. Дизельный двигатель должен делать это, потому что у него нет свечей зажигания, и закрытие этого зазора увеличивает сжатие и, следовательно, перегревает топливно-воздушную смесь, вызывая сгорание. Джейсон отлично справляется с визуальным объяснением этого с помощью голого поршня и цилиндра.

Далее переходим к скорости горения. При сгорании в верхней части такта сжатия дизельный двигатель мгновенно создает мощность, когда поршень движется обратно по цилиндру.В бензиновом двигателе поршень уже начал отходить от верхней части цилиндра, но сгорание происходит только сейчас, поэтому он движется не так быстро. Дизель едет быстрее, и это приводит к увеличению крутящего момента.

Диаметр отверстия и размер хода — еще одно соображение. Это требует некоторой математической математики, поскольку крутящий момент равен силе, умноженной на расстояние. На видео вы можете увидеть, как бензиновый двигатель может иметь более широкий диаметр цилиндра, но поршень не перемещается так далеко, поэтому длина его хода короче.Однако у дизеля длина хода больше (частично из-за этого дополнительного хода в конце хода поршня), что увеличивает расстояние в уравнении крутящего момента. Вся эта сила распространяется дальше, поэтому у нас часто оказывается больше крутящего момента.

В качестве четвертого пункта Джейсон переходит к турбонаддуву. Эта технология часто используется в современных дизельных двигателях, поскольку дизельный двигатель требует значительного количества воздуха. Дизели созданы для работы с турбинами. Добавьте больше воздуха, и вы получите больше мощности.То же самое и с газовыми двигателями, но они реже оснащаются турбонаддувом.

Наконец, дизельное топливо само по себе обладает большей энергетической плотностью, чем бензин. Джейсон говорит, что это от 10 до 15 процентов. Больше энергии также означает больше мощности.

Jason отлично знакомит нас с основами дизельных двигателей и их крутящего момента. Щелкай мышью и наслаждайся великолепной инженерией, ясно объясненной.

Новый двухтактный дизельный двигатель 10,6 л с 3 цилиндрами и 6 поршнями

Walmart испытывает дизельный двигатель с оппозитными поршнями с намерением заменить его более традиционные 13- и 15-литровые четырехтактные двигатели

Мы любим необычный двигатель здесь, в CT, независимо от предполагаемого применения.Вот почему несколько недель назад мы взглянули на первый в мире подвесной двигатель V12, а сегодня мы хотим поговорить о чем-то, разработанном для приведения в движение грузовика.

Однако это необычная силовая установка — этот агрегат от Achates Power звучит все более непонятно, чем больше вы читаете описание. Это 10,6-литровый двухтактный трехцилиндровый шестипоршневой дизельный двигатель. Вы правильно прочитали — шесть поршней в трех цилиндрах, поскольку это двигатель с оппозитными поршнями.

В отличие от «оппозитного» двигателя с горизонтальным оппозитным двигателем , в котором поршни направлены наружу под углом 180 градусов в отдельных цилиндрах, в оппозитном двигателе используется пара поршней, обращенных друг к другу и имеющих общий цилиндр.Каждый поршень почти встречается посередине в верхней мертвой точке, и в этот момент зажигание отправляет оба обратно в нижнюю мертвую точку. Два коленчатых вала на обоих концах связаны через набор шестерен, обеспечивая трансмиссию энергией.

В теории это здорово.Обычно энергия теряется через головку блока цилиндров, но в двигателе с оппозитными поршнями она распределяется между поршнями с более минимальными потерями. Вместо головки блока цилиндров на одной стороне двигателя имеются зазоры для потока выхлопных газов, а на противоположном конце — для всасываемого воздуха. Отказ от головки также означает меньшее количество движущихся частей, что потенциально увеличивает надежность и снижает производственные затраты.

Это не новая концепция — двухтактные двигатели с оппозитными поршнями появились несколько лет назад, но только сейчас было предложено вернуться.Двигатель «OP» Ахатеса — тоже не просто идея. Прототип 2,7-литрового пикапа Ford F-150 заложил основу, и с июля в Калифорнии Walmart будет тестировать 10,6-литровую версию на Peterbilt 579. Джон Т. Уолтон, покойный наследник Walmart, стал соавтором. основал Ахатес вместе с физиком Джеймсом Лемке в 2004 году.

Один из неизбежных недостатков штабелирования поршней друг над другом — это то, насколько высока конечная высота упаковки, но, по словам Ахатеса, это не будет большой проблемой для больших грузовиков 8-го класса.Если все в порядке, OP станет рентабельной альтернативой модернизации существующих 13- и 15-литровых четырехтактных двигателей в соответствии со строгими правилами Агентства по охране окружающей среды (EPA), которые вступят в силу в 2027 году.

В конце прошлого года было объявлено, что ОП будет соответствовать новым правилам. В настоящее время Achates заявляет, что его испытания показали снижение выбросов CO2 на семь процентов и колоссальное сокращение выбросов NOx на 96 процентов по сравнению с двигателем обычного грузовика. Несмотря на это, 10.6-литровый двигатель, используемый в демонстрационном автомобиле Walmart, развивает мощность около 400 л.с. и крутящий момент 1674 фунт-фут.

Полностью электрические грузовики, конечно, были бы еще экологичнее, но с учетом имеющихся препятствий с точки зрения запаса хода / аккумуляторной технологии, что-то вроде OP могло бы стать идеальным промежуточным решением. Будет интересно увидеть, как это получится.

Источник: Achates Power через Driveintake

границ | Снижение расхода топлива в течение цикла привода дизельного двигателя за счет использования функции отключения цилиндров для поддержания температуры компонентов системы нейтрализации выхлопных газов в условиях холостого хода и низких нагрузок

1.Введение

Предельные значения для выхлопных труб для тяжелых дорожных дизельных двигателей в США в настоящее время составляют 0,2, 0,01 и 0,14 г / л.с. · ч для оксидов азота (NOx), твердых частиц (PM) и несгоревших углеводородов (UHC). соответственно (Агентство по охране окружающей среды США, 2010). Системы контроля выбросов дизельных двигателей включают в себя стратегии как на двигателе, так и на системе нейтрализации выхлопных газов. Система доочистки обычно включает в себя катализатор окисления дизельного топлива (DOC), дизельный сажевый фильтр (DPF) и систему избирательного каталитического восстановления (SCR).DOC преобразует UHC в диоксид углерода и воду, DPF улавливает PM, а система SCR снижает NOx. Интегрированная система последующей обработки обычно требует рабочих температур, превышающих 200 ° C, для эффективной работы, требуя реализации «терморегулирования» для достижения и поддержания желаемых рабочих температур (Blakeman et al., 2003; Song et al., 2007; Charlton et al., 2010; Hou et al., 2010; Gehrke et al., 2013; Stadlbauer et al., 2013).

Традиционные стратегии управления температурным режимом последующей обработки дизельного двигателя включают поздний впрыск топлива в цилиндры, дросселирование впускного воздушного клапана, дросселирование выхлопных газов (с использованием клапана или турбонагнетателя с изменяемой геометрией) и дозирование топлива катализатором окисления.Все эти стратегии, будучи эффективными для ускоренного прогрева компонентов системы нейтрализации, также приводят к увеличению расхода топлива (Maiwald et al., 2010).

Деактивация цилиндров (CDA) обычно ассоциируется с улучшением топливной экономичности за счет сокращения работы насоса. В бензиновых двигателях CDA широко изучается для повышения эффективности использования топлива на низких скоростях и малых нагрузках за счет снижения потерь на дросселирование (Leone and Pozar, 2001; Falkowski et al., 2004). CDA в бензиновых двигателях также была реализована в серийных автомобилях — например, двигатели GM V-6 и V-8 используют CDA для повышения экономии топлива до 5% (McCarthy, 2016), в то время как Honda внедрила CDA в свои 3.5-литровый двигатель V6 для снижения расхода топлива на 7%.

CDA в дизельных двигателях также может снизить расход топлива за счет снижения насосных потерь и повышения термического КПД тормозов. Улучшение расхода топлива на 5–25% на дизельном двигателе было продемонстрировано путем внедрения CDA в установившемся режиме работы с низкой нагрузкой (Ramesh et al., 2017). Ding et al. (2015) экспериментально продемонстрировали, что CDA в сочетании с другими стратегиями VVA, включая позднее закрытие впускного клапана (LIVC) и внутреннюю систему рециркуляции отработавших газов (iEGR), при малонагруженных и нагруженных режимах холостого хода, позволяют улучшить компромисс между экономией топлива и регулированием температуры по сравнению с с обычными стратегиями управления температурным режимом.Было показано, что CDA приводит к температуре выхлопных газов, способной к пассивной регенерации DPF в условиях круиза по шоссе (Lu et al., 2015).

В этом документе CDA демонстрируется как конкурентная стратегия для одновременного снижения расхода топлива и поддержания температуры системы нейтрализации выхлопных газов за счет реализации в условиях холостого хода под нагрузкой и на соответствующих участках HD-FTP, где BMEP <3 бар, тем самым устанавливая CDA как эффективный метод улучшения компромисс между расходом топлива и выбросами NOx из выхлопной трубы.

2. Экспериментальная установка

Представленные здесь экспериментальные данные были получены на рядном шестицилиндровом дизельном двигателе Cummins, оборудованном электрогидравлической системой срабатывания регулируемого клапана (VVA). Динамометр переменного тока позволяет проводить испытания как в установившемся, так и в переходном режиме вождения.

2.1. Конфигурация двигателя и приборы

Двигатель оборудован системой впрыска Common Rail, системой рециркуляции выхлопных газов с охлаждением под высоким давлением (EGR) и турбонаддувом с изменяемой геометрией турбины (VGT).На рис. 1 представлена ​​схема системы вентиляции двигателя.

Рисунок 1 . Схема системы вентиляции двигателя с указанием положения соответствующих исполнительных механизмов и датчиков.

Давление в цилиндрах измеряется для каждого из шести цилиндров с помощью датчиков давления Kistler 6067C и AVL QC34C через модуль AVL 621 Indicom. Поток свежего воздуха в двигатель измеряется с помощью элемента ламинарного потока. Расход топлива измеряется гравиметрически с помощью устройства Cybermetrix Cyrius Fuel Subsystem (CFS).На впуске и выпуске CO ₂ концентрации измеряются с помощью анализаторов Cambution NDIR500, что позволяет рассчитать фракцию рециркуляции отработавших газов. Для измерения концентрации NOx используется быстрый анализатор Cambustation fNOx400. Концентрации CO _2, и NOx также измеряются с помощью анализаторов California Analytical Instruments NDIR600 и HCLD600 соответственно. Несгоревшие углеводороды измеряются с помощью анализатора CAI HFID600.

Температура охлаждающей жидкости, масла и газа в различных местах измеряется с помощью термопар.Данные отслеживаются и регистрируются через интерфейс dSPACE. Модуль управления двигателем (ЕСМ) подключен к системе dSPACE через общий последовательный интерфейс (GSI), который позволяет от цикла к циклу контролировать и контролировать заправку топливом и различные другие функции двигателя.

2.2. Система срабатывания регулируемого клапана

Схема системы VVA показана на рисунке 2. Электрогидравлическая система срабатывания регулируемого клапана (VVA) обеспечивает гибкое, независимое от цилиндра, циклическое управление работой клапана.Каждая пара впускных и выпускных клапанов приводится в действие независимо. Обратная связь по положению для каждой пары клапанов измеряется с помощью линейного переменного дифференциального трансформатора (LVDT). В dSPACE реализован контроллер реального времени для управления срабатыванием клапана.

Рисунок 2 . Схема системы срабатывания регулируемого клапана.

Профили клапанов для активных цилиндров в этой работе сохранены такими же, как профили стандартных клапанов, как показано на рисунке 3. CDA для трех цилиндров достигается за счет деактивации впрыска топлива и движения клапана для цилиндров 4, 5 и 6, как показано на рисунке 4.Заправка увеличена (почти вдвое) в трех активированных цилиндрах для поддержания тормозного момента.

Рисунок 3 . Профили впускных и выпускных клапанов с обычным распредвалом.

Рисунок 4 . В отключенных цилиндрах нет впрыска топлива, и их клапаны закрыты во время CDA. Количество впрыскиваемого топлива увеличивается вдвое, чтобы активные цилиндры в CDA могли обеспечить требуемый тормозной момент.

2.3. Система дополнительной обработки

На рис. 5 показана схема системы последующей обработки (A / T) в испытательной установке.Катализатор окисления дизельного топлива (DOC) окисляет несгоревшие углеводороды и монооксид углерода с образованием диоксида углерода и воды. Дизельный сажевый фильтр (DPF) физически улавливает твердые частицы, а система избирательного каталитического восстановления (SCR) способствует реакции между впрыснутой мочевиной, оксидами азота (NOx) и другими частицами в выхлопных газах с образованием азота и воды (Koebel et al., 2000). Система SCR на экспериментальном испытательном стенде в настоящее время настроена для пассивной работы без введения мочевины.

Рисунок 5 . Система доочистки дизельного двигателя (A / T) состоит из дискретных модулей снижения выбросов, а также системы впрыска мочевины и необходимого оборудования, такого как термопары и средства измерения выбросов. Обратите внимание, что SCR в испытательной установке в настоящее время используется в пассивном режиме без введения мочевины.

3. Анализ эффективности

Анализ эффективности цикла двигателя реализован, чтобы лучше понять влияние CDA и традиционных стратегий терморегулирования АКП.Эффективность открытого цикла (OCE) отражает эффективность процесса газообмена, эффективность замкнутого цикла (CCE) представляет собой эффективность сгорания, а механический КПД (ME) учитывает потери на трение и дополнительные потери (Stanton, 2013). Три показателя эффективности влияют на термический КПД тормозов (BTE), как показано в уравнении (1) (дополнительную информацию см. В Stanton et al. (2013)).

4. Регулирование температуры доочистки (АКП) Релевантность простоя во время HD-FTP

Раздел 1065.530 Свода федеральных правил EPA (Агентство по охране окружающей среды США, 2017 г.) определяет последовательность испытаний для цикла привода HD-FTP, включая цикл холодного пуска, выдержки и цикла горячего пуска, как показано на рисунке 6. Цикл топлива потребление, совокупные NOx на выходе из двигателя и совокупные NOx в выхлопной трубе для последовательности испытаний рассчитываются путем взвешенного суммирования расхода топлива, совокупных NOx на выходе из двигателя и совокупных NOx в выхлопной трубе циклов холодного и горячего запуска.Холодный пуск имеет весовой коэффициент 1/7, а горячий пуск имеет весовой коэффициент 6/7 (Агентство по охране окружающей среды США, 2017).

Рисунок 6 . Профили скорости и крутящего момента для HD-FTP показывают, что почти 40% операций HD-FTP происходит в режиме ожидания. Затененные серые области выделяют участки холостого хода (800 об / мин / 1,3 бара), в то время как соответствуют BMEP <3 бар, где потенциально может быть реализован CDA.

На рисунке 6 показано, что примерно 40% цикла HD-FTP проводится в режиме ожидания, здесь предполагается, что это 800 об / мин / 1.BMEP 3 бар, что соответствует обычному среднему диапазону применений. Следовательно, температура на выходе из двигателя и расход выхлопных газов в этом состоянии оказывают значительное влияние на способность двигателя нагревать, поддерживать или охлаждать компоненты АКП до желаемых уровней.

В следующем разделе подробно рассматриваются расход топлива, температура на выходе из двигателя, расход выхлопных газов и характеристики выбросов как в обычных шестицилиндровых, так и в полумоторных рабочих режимах CDA во время установившегося холостого хода.Цель состоит в том, чтобы обеспечить сравнение характеристик управления температурным режимом АКП обычных шестицилиндровых двигателей и CDA половинного двигателя в условиях холостого хода.

5. Результаты — Рабочие стратегии 800 об / мин / 1,3 бара на холостом ходу для управления температурным режимом A / T: разогрев и поддержание тепла

Для повышения температуры компонентов АКП желательны как повышенные температуры на выходе из двигателя, так и повышенная скорость потока выхлопных газов. Температура на выходе из двигателя должна быть не менее 200 ° C для прогрева компонентов АКП до 200 ° C, при этом более высокий расход выхлопных газов (или температура на выходе из двигателя) ускоряет процесс прогрева.После того, как компоненты АКП достигли желаемых температур, для поддержания этих температур требуется повышенная температура на выходе из двигателя; однако в повышенных расходах выхлопных газов больше нет необходимости. Более низкие скорости потока выхлопных газов предпочтительны для уменьшения эффекта охлаждения в случае, если температура на выходе из двигателя упадет ниже температуры достаточно прогретой системы АКП. В этом разделе особое внимание уделяется работе двигателя в установившемся режиме, в то время как сравнения во время переходной работы двигателя (по ездовому циклу HD-FTP) подробно описаны в следующем разделе.В этом разделе сравниваются вышеупомянутые воздействия температуры на выходе из двигателя и расхода выхлопных газов на прогрев / нагрев АКП для следующих четырех рабочих стратегий на установившемся холостом ходу (800 об / мин / 1,3 бар).

1. Шестицилиндровый двигатель с максимальной эффективностью на холостом ходу — обычный режим работы шестицилиндрового двигателя с целью достижения максимального удельного расхода топлива при торможении (BSFC). Эта стратегия реализует топливосберегающие профили впрыска с началом тепловыделения вблизи верхней мертвой точки и характеризуется низкой температурой на выходе из двигателя и расходом выхлопных газов, что несовместимо с прогревом АКП или работой в режиме поддержания тепла.Стратегия «Шестицилиндровый двигатель с максимальной эффективностью на холостом ходу» включена сюда в качестве основы для демонстрации увеличения расхода топлива, обычно требуемого в обычных системах двигателя для повышения и поддержания желаемых температур АКП для соответствия текущим требованиям по выбросам выхлопных газов.

2. Шестицилиндровый прогрев АКП на холостом ходу — обычный режим работы шестицилиндрового двигателя с упором на повышение температуры АКП. Эта стратегия использует полностью закрытый VGT и четыре поздних впрыска (что приводит к неэффективному с точки зрения расхода топлива отложенному тепловыделению) для повышения температуры на выходе из двигателя и расхода выхлопных газов для ускоренного прогрева АКП, хотя и за счет повышенного расхода топлива. .

3. Шестицилиндровый двигатель АКП с подогревом на холостом ходу — обычный режим работы шестицилиндрового двигателя с упором на поддержание повышенных температур АКП при максимально возможной экономии топлива. Подобно стратегии «прогрева АКП с шестью цилиндрами на холостом ходу», эта стратегия реализует неэффективное по топливу отложенное тепловыделение для поддержания повышенных температур на выходе из двигателя для работы АКП в режиме ожидания и включает в себя в основном закрытый VGT для улучшения топливная экономичность по сравнению со стратегией «прогрев шестицилиндрового АКП на холостом ходу» за счет снижения насосных потерь.

4. CDA A / T с половинным двигателем, холостой ход с подогревом —Работа с трехцилиндровым двигателем позволяет поддерживать желаемую температуру A / T более экономичным способом, чем это возможно с помощью «6-цилиндрового A / T. теплый холостой ход ». Деактивация трех цилиндров уменьшает воздушный поток (но не ниже уровней, требуемых для полного сгорания с низким уровнем дыма), повышая температуру на выходе из двигателя (за счет уменьшения соотношения воздух-топливо) с меньшим расходом топлива (из-за меньшей работы насоса) . Эта стратегия предусматривает достаточно высокие температуры на выходе из двигателя и более низкий расход выхлопных газов, что помогает снизить скорость охлаждения прогретых компонентов АКП на более поздних этапах цикла движения.

Первые две стратегии соответствуют работе стандартного двигателя в тех случаях, когда система нейтрализации выхлопных газов: (i.) Уже полностью прогрета и (ii.) Требует терморегулирования, соответственно. Положение клапана рециркуляции отработавших газов и давление в рампе для последних двух стратегий были изменены, чтобы реализовать выбросы NOx из двигателя, несгоревшие углеводороды и твердые частицы в соответствии со стратегиями складских запасов. Общее количество топлива было изменено для достижения желаемого крутящего момента. Испытания проводились со строгим соблюдением механических ограничений, указанных в таблице 1.

Таблица 1 . Механические ограничения.

На рисунке 7 сравниваются профили закачки, используемые для каждой из описанных выше стратегий. Стратегия «Шестицилиндровый двигатель с максимальной эффективностью на холостом ходу» включает впрыск топлива и последующее тепловыделение около ВМТ (см. Рисунок 7A), поскольку это соответствует низкому расходу топлива. Для достижения повышенных температур на выходе из двигателя в стратегиях «прогрева АКП с шестью цилиндрами на холостом ходу» и «нагрева АКП с шестью цилиндрами на холостом ходу» используются четыре отложенных впрыска и последующие отложенные тепловыделения (см. Рисунки 7B, C. ).Стратегия «Половина двигателя CDA A / T с подогревом на холостом ходу» обеспечивает достижение желаемых повышенных температур на выходе из двигателя (за счет более низкого соотношения воздух-топливо за счет уменьшения расхода воздуха) с двумя поздними впрысками (вместо четырех поздних впрысков) (см. Рисунок 7D). Обратите внимание, что это не самая экономичная стратегия для CDA с половинным двигателем в этой рабочей точке, и она все же более эффективна, чем наиболее эффективная стратегия работы с 6-цилиндровым двигателем.

Рисунок 7 . Экспериментальный ток топливной форсунки и тепловыделение для четырех стратегий при 800 об / мин / 1.3 бар. Стратегия (A) «шестицилиндровый двигатель с максимальной эффективностью на холостом ходу» предусматривает два ранних впрыска, в то время как стратегии, предполагающие работу с шестью цилиндрами в стратегии управления температурой (B, C) , имеют четыре поздних впрыска для получения повышенной температуры на выходе из турбины. Два отсроченных впрыска используются для стратегии (D) «Половина двигателя CDA A / T с подогревом на холостом ходу» для поддержания желаемых температур A / T с экономией топлива.

На рисунке 8 показано, что стратегия «прогрев шестицилиндрового АКП на холостом ходу» имеет самую высокую температуру на выходе из двигателя (260 ° C) и расход выхлопных газов, оба из которых являются предпочтительными для прогрева компонентов АКП — за счет высочайшего расхода топлива.Для сравнения, стратегия «шестицилиндровый двигатель с максимальной эффективностью на холостом ходу» имеет более низкий расход топлива, а также гораздо более низкую температуру на выходе из двигателя (146 ° C) и меньший поток выхлопных газов, что не соответствует требованиям ни для прогрева АКП, ни для Работа АКП в режиме подогрева. Это сравнение демонстрирует потери топлива, которые обычно требуются при работе обычного шестицилиндрового дизельного двигателя для соответствия требованиям управления температурным режимом АКП.

Рисунок 8 . Экспериментальные результаты при 800 об / мин / 1.3 бара на холостом ходу. Стратегия «прогрев шестицилиндрового АКП на холостом ходу» обеспечивает быстрый прогрев АКП за счет повышения температуры и расхода на выходе из двигателя, хотя и за счет увеличения расхода топлива. Стратегия «Половина двигателя CDA A / T с подогревом на холостом ходу» обеспечивает экономичное поддержание температуры компонентов A / T за счет повышения температуры на выходе из двигателя, низкого расхода выхлопных газов и низкого расхода топлива.

После того, как компоненты АКП достигли желаемых температур (как будет показано позже, примерно 40% пути через HD-FTP), для Поддержание температуры АКП.Стратегия шестицилиндрового АКП с подогревом на холостом ходу, показанная на Рисунке 8, является примером такой стратегии работы с 11% экономией топлива за счет снижения температуры на выходе из двигателя на 20 ° C. Обратите внимание, что эта стратегия по-прежнему имеет существенно более высокий расход топлива, чем стратегия «Шестицилиндровый двигатель с максимальной эффективностью на холостом ходу», поскольку она включает поздний впрыск и в основном закрытый VGT.

Рисунок 8 демонстрирует, что CDA допускает температуру на выходе из двигателя выше 200 ° C и самый низкий расход выхлопных газов, при этом расход топлива на 40, 33 и 4% ниже, чем при «прогреве шестицилиндрового АКП. на холостом ходу », стратегии« Шестицилиндровый АКП с подогревом на холостом ходу »и« Шестицилиндровый двигатель с максимальной эффективностью на холостом ходу »соответственно.Таким образом, стратегия «полу-двигателя CDA A / T с подогревом на холостом ходу» является предпочтительной экономичной стратегией для поддержания A / T выше примерно 200 ° C. Уменьшение расхода выхлопных газов (за счет уменьшенного смещенного объема) снижает скорость охлаждения компонентов АКП, в то время как температура АКП превышает 200 ° C. Другими словами, из четырех рабочих стратегий предпочтительна стратегия «Половина двигателя CDA A / T с подогревом на холостом ходу» для экономичного поддержания повышенных температур компонентов A / T. Это будет продемонстрировано через HD-FTP в следующем разделе этой статьи.

На рисунке 9 для каждой из четырех стратегий холостого хода показано приблизительное значение относительной скорости теплопередачи от выхлопного газа двигателя к слоям катализатора системы АКП. Рассматривая слои катализатора DOC, DPF и SCR как одну сосредоточенную массу при мгновенной температуре T _{, слой} , скорость теплопередачи можно приблизительно оценить с помощью уравнения (2) (Ding et al., 2015).

Рисунок 9 . Расчетные нормализованные результаты теплопередачи для четырех стратегий при 800 об / мин / 1.3 бар. Прогрев катализатора происходит быстрее всего во время стратегии «прогрев шестицилиндрового АКП на холостом ходу». Как только температура катализатора достигает желаемой температуры (например, 300 ° C), предпочтительна стратегия «полу-двигателя CDA A / T в режиме холостого хода» с учетом более низкого расхода выхлопных газов и повышенной температуры на выходе из двигателя.

q = C × m⋅exh55 × (Texh − Tbed) (2)

m⋅exh — расход газа на выходе из двигателя, T _exh — температура газа на выходе из двигателя и C — постоянная величина, которая зависит от геометрии и материала катализатора.

Эта простая модель дает приблизительную скорость теплопередачи от выхлопного газа к системе A / T для данной эффективной температуры слоя в зависимости от экспериментально измеренных расхода и температуры на выходе из двигателя для каждой из четырех стратегий холостого хода. Положительная скорость теплопередачи соответствует разогреву катализатора, поскольку тепло передается от выхлопных газов к катализатору. Отрицательная скорость теплопередачи соответствует охлаждению катализатора, поскольку тепло передается от катализатора к выхлопным газам.Нормализованная скорость теплопередачи остается положительной, пока температура слоя катализатора T _слоя ниже температуры газа на выходе из двигателя T _exh и происходит прогрев катализатора. Нормализованная скорость теплопередачи является отрицательной, когда T _слой выше T _exh и происходит охлаждение катализатора. Таким образом, «переход через нуль» на рисунке 9 для каждой из четырех стратегий соответствует T _exh для соответствующей стратегии.Согласно уравнению (2), наклон нормализованных линий теплопередачи на рисунке 2 пропорционален m⋅exh55. Следовательно, наклон линии более крутой при более высоком расходе выхлопных газов. В результате и в соответствии с ожиданиями более высокая скорость потока выхлопных газов приводит к более высокой скорости прогрева, когда T _слой ниже, чем T _exh . Однако более высокий расход выхлопных газов соответствует более быстрому охлаждению катализатора, когда T _слой выше, чем T _exh .В результате на рис. 2 показано, что для температуры катализатора ниже примерно 200 ° C предпочтительна стратегия «прогрева АКП с шестью цилиндрами на холостом ходу». Однако для температур катализатора выше примерно 200 ° C предпочтительна стратегия «Половина двигателя CDA A / T с подогревом на холостом ходу», поскольку она может охлаждать катализатор медленнее, чем другие стратегии, и одновременно потреблять меньше топлива.

Таким образом, рисунок 9 демонстрирует, что: (i) стратегия «прогрев шестицилиндрового АКП на холостом ходу» предпочтительна для прогрева АКП и (б) «полу-двигатель CDA A / T остается. Стратегия «теплый холостой ход» предпочтительна для поддержания повышенных температур компонентов АКП.В следующем разделе мы продемонстрируем это с помощью экспериментальных результатов HD-FTP.

На рисунке 10 показан результат анализа эффективности цикла для каждой из четырех стратегий. Основным фактором более высокого расхода топлива (т. Е. Более низкой термической эффективности тормозов (BTE)) для стратегий «прогрев АКП с шестью цилиндрами на холостом ходу» и «подогрев АКП с шестью цилиндрами на холостом ходу» является более низкий открытый цикл. КПД за счет более высокого давления в выпускном коллекторе. Более высокое давление в выпускном коллекторе приводит к большим неэффективным с точки зрения топлива контурам откачки (согласно рисунку 11) и вызвано комбинацией отложенного тепловыделения (согласно рисункам 7B, D) и полностью / в основном закрытыми положениями VGT, используемыми для этих стратегий.Более конкретно, задержанные тепловыделения увеличивают давление в выпускном коллекторе за счет повышенного давления в цилиндре во время такта расширения и продувки. Полностью / в основном закрытый VGT увеличивает давление в выпускном коллекторе за счет ограничения потока между выпускным коллектором и выпускными объемами турбины. С другой стороны, стратегия «полу-двигателя CDA A / T с подогревом на холостом ходу» имеет меньший насосный контур и более высокую эффективность открытого цикла, чем даже стратегия «шестицилиндровый двигатель с максимальной эффективностью на холостом ходу».Это результат уменьшения воздушного потока в двигателе за счет меньшего смещенного объема, а также более раннего впрыска топлива и в основном открытого положения VGT.

Рисунок 10 . Эффективность экспериментального цикла для четырех стратегий при 800 об / мин / 1,3 бар. Основным фактором более высокого расхода топлива для стратегий «прогрев АКП с шестью цилиндрами на холостом ходу» и «подогрев АКП с шестью цилиндрами на холостом ходу» является более низкая эффективность открытого цикла в результате отложенного впрыска топлива и полностью / в основном закрытые позиции VGT.Расход топлива для стратегии «Половина двигателя CDA A / T с подогревом на холостом ходу» ниже, чем для стратегии «Лучшая эффективность шестицилиндрового двигателя на холостом ходу», в результате более высокой эффективности открытого цикла, которая выше из-за более низких насосных потерь через меньше смещенный объем во время CDA.

Рисунок 11 . Экспериментальные диаграммы PV для четырех стратегий при 800 об / мин / 1,3 бар. Контуры нагнетания являются самыми большими для стратегий «прогрев АКП с шестью цилиндрами на холостом ходу» и «подогрев АКП с шестью цилиндрами на холостом ходу» в результате полностью закрытых положений VGT и задержки SOI.Увеличенная работа насоса требует более высокого расхода топлива, повышения температуры на выходе из двигателя и расхода для прогрева АКП. Насосный контур является самым маленьким для стратегии «Полудвигатель CDA A / T на холостом ходу с подогревом» в результате меньшей работы по перекачке за счет уменьшенного смещенного объема.

На Рисунке 12 показаны измеренные выбросы вне двигателя для каждой из четырех стратегий. Положение клапана рециркуляции ОГ и давление в рампе были отрегулированы таким образом, что выбросы для стратегий «Шестицилиндровый АКП с подогревом на холостом ходу» и «Половина двигателя CDA с подогревом на холостом ходу» были сравнимы с выбросами для «Шести -цилиндр наивысший КПД на холостом ходу »Результат« прогрев АКП с шестью цилиндрами на холостом ходу ».

Рисунок 12 . Результаты экспериментов по выбросам для каждой из четырех стратегий при 800 об / мин / 1,3 бар.

В этом разделе показано, что стратегии неэффективного использования топлива, а именно отложенная SOI и полностью / в основном закрытые положения VGT, могут использоваться на холостом ходу для увеличения температуры на выходе из двигателя и расхода для прогрева компонентов АКП при обычной работе с шестью цилиндрами. . Эти стратегии также могут быть использованы для поддержания повышенных температур компонентов АКП, причем CDA с половинным двигателем является предпочтительным, учитывая его более низкий расход топлива, повышенную температуру и более низкий расход выхлопных газов.В следующем разделе это будет продемонстрировано во время HD-FTP посредством сопоставления с разрешением ездового цикла кумулятивных прогнозируемых NOx в выхлопной трубе и измеренного расхода топлива.

6. Половина двигателя CDA на участках HD-FTP с BMEP ниже 3 бар

В предыдущем разделе CDA для половины двигателя был представлен как стратегия экономии топлива на холостом ходу с нагрузкой для поддержания температуры компонентов АКП, когда они достигают 200 ° C, за счет снижения расхода выхлопных газов и достаточных температур на выходе из двигателя для предотвращения охлаждения АКП. .Чтобы еще больше снизить расход топлива во время цикла привода HD-FTP и одновременно поддерживать температуру компонентов АКП, не холостые участки HD-FTP, где BMEP <3 бар, также рассматривались для CDA половинного двигателя.

В следующем разделе представлены результаты реализации CDA для половины двигателя как на нагруженных участках холостого хода, так и на участках, где BMEP <3 бар в тестовой последовательности HD-FTP.

7. Результаты — экономия топлива и влияние NOx в выхлопных трубах традиционных и поддерживаемых CDA стратегий управления температурным режимом в ходе HD-FTP

7.1. Результаты

В этом разделе сравниваются результаты четырех экспериментов HD-FTP, чтобы продемонстрировать, что: (i) сокращение NOx в выхлопной трубе возможно за счет неэффективных по топливу стратегий управления температурой шестицилиндрового АКП (отложенный впрыск топлива и максимально / почти закрытый Положение VGT), и (ii) аналогичные уровни NOx в выхлопной трубе возможны при значительно более низком расходе топлива за счет использования CDA половинного двигателя на холостом ходу для работы АКП в режиме подогрева. Четыре стратегии работы HD-FTP включают:

1. Цикл максимальной эффективности шестицилиндрового двигателя — результат работы двигателя через HD-FTP с использованием стандартной калибровки двигателя, разработанной для максимальной экономии топлива двигателя. Эта стратегия включает в себя стратегию «Максимальный КПД шестицилиндрового двигателя на холостом ходу», описанную в предыдущем разделе на холостом ходу, и обеспечивает основу для выбросов выхлопных газов и расхода топлива.

2. Цикл терморегулирования АКП с шестью цилиндрами — результаты работы двигателя через HD-FTP с использованием калибровки двигателя, которая соответствует текущим ограничениям выбросов на шоссе.Эта стратегия включает отложенный впрыск топлива во всех возможных рабочих условиях (включая режим без холостого хода) и максимально закрытое положение VGT на холостом ходу под нагрузкой, чтобы повысить температуру на выходе из двигателя и скорость потока. Подход использует ранее описанные стратегии «прогрев АКП с шестью цилиндрами на холостом ходу» и «нагрев АКП с шестью цилиндрами на холостом ходу» во время холостого хода для частей цикла холостого хода, когда температура на выходе системы SCR ниже 200 ° C ( заштрихованные красным участки холостого хода «прогрева» на Рисунке 13) и при температуре выше 200 ° C (заштрихованные зеленые участки холостого хода «поддержание тепла» на Рисунке 13), соответственно.В не холостых условиях поздний впрыск также снижает выбросы NOx в двигатель, что вместе с более быстрым прогревом компонентов АКП снижает выбросы NOx в выхлопной трубе до приемлемых уровней. Этот рабочий режим включен, чтобы продемонстрировать увеличение расхода топлива, которое обычно требуется при работе обычного шестицилиндрового двигателя, чтобы термически управлять АКП в соответствии с текущими ограничениями по выбросам.

3. Цикл холостого хода CDA A / T с половинным двигателем — результаты выполнения «Цикла терморегулирования АКП с шестью цилиндрами» с одной модификацией: с использованием «Цикл поддержания тепла в CDA A / T с половинным двигателем. режим холостого хода вместо режима работы шестицилиндрового АКП на холостом ходу, когда температура на выходе SCR превышает 200 ° C (заштрихованные зеленые участки на Рисунке 13).Эта стратегия демонстрирует экономию топлива, возможную за счет использования CDA на холостом ходу для поддержания температуры компонентов АКП.

4. CDA A / T с половинным двигателем, цикл холостого хода / без холостого хода — результаты выполнения «Цикла регулирования температуры шестицилиндрового A / T» со следующими модификациями: с использованием «CDA A / T с половиной двигателя» T остается в тепле на холостом ходу »на холостом ходу с подогревом (заштрихованные зеленые участки на рис. 13) и при работе участков« полу-двигатель CDA A / T остается в тепле без холостого хода », где BMEP <3 бар (заштрихованные коричневые участки на рис. ).Проблема с помпажем компрессора, которая первоначально наблюдалась при переходе с шести цилиндров на CDA (на высокоскоростных участках, где BMEP <3 бар), была решена путем соответствующей задержки перехода. Стратегия «Наполовину двигатель CDA A / T остается в тепле без холостого хода» демонстрирует дополнительную экономию топлива, возможную за счет использования CDA на не холостых участках HD-FTP с поддержанием температуры компонентов A / T.

Рисунок 13 . Последовательность испытаний для цикла HD-FTP. Заштрихованные красные участки соответствуют работе на холостом ходу «прогрев АКП».Заштрихованные участки зеленого цвета соответствуют режиму холостого хода АКП в режиме ожидания, а заштрихованные коричневые участки соответствуют режиму “подогрев АКП без холостого хода”, где BMEP <3 бар. Для «Цикла управления температурой АКП с шестью цилиндрами» стратегии «Прогрев АКП с шестью цилиндрами на холостом ходу» и «Сохранение тепла АКП с шестью цилиндрами на холостом ходу» используются во время прогрева и остановки. -тёплые неработающие секции соответственно. Для «Цикла холостого хода CDA A / T в нагретом двигателе» стратегии «Прогрев холостого хода шестицилиндрового A / T» и «CDA A / T на холостом ходу на полдвигателях» используются во время прогрева. секции холостого хода и подогрев, соответственно.Для «цикла максимальной эффективности шестицилиндрового двигателя» стратегия «максимальная эффективность шестицилиндрового двигателя на холостом ходу» использовалась как для прогрева, так и для прогрева на холостом ходу.

На рисунке 14 приведены основные результаты цикла HD-FTP для каждой из этих стратегий. Как показано, снижение NOx в выхлопной трубе на 35% стало возможным благодаря стратегии «Шестицилиндровый цикл управления температурой АКП», хотя и за счет увеличения расхода топлива примерно на 5% по сравнению с HD-FTP. Внедрение «Половина двигателя CDA A / T на холостом ходу» на холостом ходу (как часть «Цикла на холостом ходу CDA A / T на полумоторном двигателе») для условий, в которых система SCR была не менее 200 ° C, приводит к очень схожим уровням NOx в выхлопной трубе с уменьшением расхода топлива на 3% по сравнению с «циклом управления температурой АКП с шестью цилиндрами».В дополнение к реализации «Половина двигателя CDA A / T с подогревом на холостом ходу» во время холостого хода, «Полумоторный CDA с подогревом на холостом ходу / без холостого хода» также использует CDA с половинным двигателем на участках без холостого хода (BMEP <3 бар), в результате чего потребление топлива улучшается на 0,4% по сравнению с «циклом холостого хода CDA A / T с полумотором в горячем состоянии». В оставшейся части этого раздела статьи будут подробно описаны причины этих результатов. Результаты расхода топлива, показанные на рисунке 14, были определены путем экспериментальных измерений расхода топлива на испытательном двигателе.Измеренные температуры на выходе СКВ использовались в качестве входных данных для предполагаемой карты эффективности преобразования СКВ NOx (см. Рисунок 15) для оценки мгновенных выбросов NOx из выхлопной трубы. Затем они были объединены для получения результатов, показанных на Рисунке 14 и последующих графиках, описанных ниже.

Рисунок 14 . Улучшение расхода топлива до 3,0% может быть достигнуто за счет внедрения CDA на нагруженных холостых участках HD-FTP. Более того, улучшение на 3,4% может быть достигнуто за счет внедрения CDA на соответствующих участках без холостого хода вместе с загруженными участками холостого хода.Способность CDA поддерживать температуру A / T отражается в форме почти равного / более низкого выхода NOx из выхлопной трубы по сравнению с шестицилиндровым терморегулятором.

Рисунок 15 . Измеренная температура SCR от оборудования A / T используется для прогнозирования эффективности SCR. Кривая эффективности SCR показывает, что эффективность достигает максимального значения при температурах катализатора от 250 до 450 ° C. NOx в выхлопной трубе оценивается с использованием этой прогнозируемой эффективности SCR.

На рисунках 16–18 показаны результаты выполнения четырех вышеупомянутых стратегий через HD-FTP.Все показанные результаты были измерены экспериментально, за исключением «Эффективности SCR» и «NOx на выходе из выхлопной трубы», которые были оценены с использованием стратегии, показанной на Рисунке 15. На Рисунке 16A показано отложенное начало закачки (SOI), реализованное для «Шести». -цилиндровый цикл терморегулирования АКП »,« Цикл холостого хода АКП в полумоторном двигателе в горячем состоянии »и« Цикл в режиме нагрева в режиме холостого хода / не холостого хода АКП половинного двигателя », за исключением жестких переходных режимов (для всех их) и во время холостого хода с подогревом для «Цикла холостого хода CDA A / T с подогревом половинного двигателя» и «Цикл холостого хода CDA с подогревом половинного двигателя / цикл холостого хода без холостого хода.”

Рисунок 16 . (A) Начало впрыска топлива (SOI), реализованное через HD-FTP для каждого из циклов. (B) позиций VGT, реализованных через HD-FTP для каждого из циклов. (C, D) Стратегии «Цикл терморегулирования АКП с шестью цилиндрами» и «Цикл холостого хода с подогревом АКП половинного двигателя» приводят к температурам газа на выходе из двигателя (C) и SCR температуры на выходе (D) , которые сопоставимы друг с другом и превосходят таковые для «цикла шестицилиндрового двигателя с максимальной эффективностью».«Цикл на холостом ходу и не на холостом ходу CDA с подогревом половинного двигателя» приводит к более высокой температуре на выходе EOT и SCR, чем в трех других циклах.

На рис. 16B показан максимально или почти полностью замкнутый VGT для всех участков холостого хода «цикла терморегулирования АКП с шестью цилиндрами», но только во время участков холостого хода прогрева «Пауза АКП половинного двигателя». -Теплый цикл холостого хода »и« Цикл холостого хода и не холостого хода CDA с подогревом половинного двигателя ». «Цикл терморегулирования АКП с шестью цилиндрами», «Цикл холостого хода АКП в полумоторном двигателе в горячем состоянии» и «Цикл в режиме холостого хода в режиме ожидания / холостого хода АКП половинного двигателя» одинаковы во время A / T фаза разогрева, как и ожидалось.

На рис. 16C показано, что температура на выходе из двигателя для «цикла управления температурным режимом шестицилиндрового АКП» и «цикла подогрева АКП с полумоторным двигателем» выше, чем для «наилучшего КПД шестицилиндрового двигателя». цикл », как и ожидалось. Еще более высокие температуры на выходе из двигателя наблюдаются для «прогретого цикла АКП на холостом ходу / без холостого хода» из-за дополнительного режима работы АКД половинного двигателя во время прогретых участков без холостого хода (BMEP <3 бар). Повышенные температуры и благоприятные скорости потока выхлопных газов (не показаны) приводят к более высоким температурам на выходе SCR на протяжении всего цикла, как показано на Рисунке 16D.

Рисунок 17 демонстрирует, что эффективность преобразования SCR NOx для «Цикл холостого хода / холостого хода с подогревом CDA на половину двигателя» выше, чем для других циклов, в то время как эффективность преобразования для «Цепи холостого хода CDA полумоторного двигателя с подогревом АКП цикл »и« Цикл терморегулирования АКП с шестью цилиндрами »сопоставимы друг с другом и выше, чем у« Цикла с максимальной эффективностью шестицилиндрового двигателя ». Это прямой результат более высоких выходных температур SCR для этих циклов (см. Рисунок 16D). Более высокие NOx на выходе из двигателя (через более ранний SOI) и более низкая эффективность SCR для «цикла максимальной эффективности шестицилиндрового двигателя» приводят к более высоким прогнозируемым NOx на выходе из выхлопной трубы по сравнению с двумя циклами терморегулирования (см. Рисунок 17).Результаты циклов холодного и горячего пуска NOx суммируются (с надлежащим взвешиванием) и сравниваются, чтобы получить различия NOx, показанные на рисунке 14.

Рисунок 17 . Улучшенные температуры на выходе SCR для «цикла терморегулирования АКП с шестью цилиндрами», «Цикл холостого хода CDA A / T в полумоторном двигателе» и «Цикл холостого хода CDA в режиме холостого хода / цикл без холостого хода» приводят к большей эффективности SCR по сравнению с «циклом максимальной эффективности шестицилиндрового двигателя». Ранний впрыск топлива, используемый во время «цикла максимальной эффективности шестицилиндрового двигателя», приводит к увеличению выбросов NOx на выходе из двигателя для этого цикла.Вышеупомянутая эффективность SCR и реакция NOx на выходе из двигателя приводят к совокупным уровням NOx на выходе из выхлопной трубы для «цикла регулирования температуры шестицилиндрового АКП» и «цикла холостого хода CDA A / T в полумоторном двигателе», которые аналогичны и заметно ниже, чем для «цикла максимальной эффективности 6-цилиндрового двигателя». По сравнению с другими циклами, «Цикл холостого хода / не холостого хода АКПП CDA на половинном двигателе» имеет более высокую эффективность SCR, что приводит к снижению выбросов NOx из выхлопной трубы.

На рисунке 18A показана совокупная разница в расходе топлива между «циклом управления температурой АКП с шестью цилиндрами» и «циклом обеспечения максимальной эффективности шестицилиндрового двигателя».«Внедрение отложенных SOI и максимально / в основном закрытых положений VGT во время« цикла управления температурой шестицилиндрового АКП »приводит к более высокому расходу топлива в течение большей части цикла, что согласуется с постоянным увеличением расхода топлива. Показана разница в расходе. На рисунке 18B показана совокупная разница в расходе топлива между «циклом управления температурным режимом шестицилиндрового АКП» и «циклом холостого хода полу-двигателя CDA A / T с подогревом». Единственная разница между этими циклами заключается в использовании режима «Половина двигателя CDA A / T на холостом ходу» во время участков холостого хода без нагрева HD-FTP, что приводит к разнице в расходе топлива только во время холостого хода с подогревом. разделы.На рис. 18C показана разница в расходе топлива между «циклом холостого хода / холостого хода CDA с подогревом половинного двигателя» и «циклом терморегулирования АКП с шестью цилиндрами». Видно, что различия возникают как из-за нагруженных секций холостого хода (из-за использования режима «Половина двигателя CDA A / T на холостом ходу»), так и из-за использования секций без холостого хода (из-за использования «Полумоторной стойки АКП АКПП»). «теплый без холостого хода» на участках без холостого хода, где BMEP <3 бар). Видно, что разница в расходе топлива на других участках испытания остается относительно постоянной.Различия в расходе топлива на Рисунке 14 являются результатом взвешенного суммирования холодного и горячего пусков для каждой из стратегий.

Рисунок 18 . (A) Задержка впрыска топлива и максимально / в основном закрытые положения VGT приводят к более высокому расходу топлива для «Шестицилиндрового цикла терморегулирования АКП» по сравнению с «Шестицилиндровым циклом с максимальной эффективностью двигателя». (B) Более эффективная работа CDA на половинном двигателе во время участков холостого хода с подогревом в «Цикл холостого хода с подогревом АКП на полумоторном двигателе» приводит к снижению расхода топлива в эти периоды по сравнению с расходом топлива во время «Шестицилиндровый цикл управления температурным режимом АКП.» (C) « Цикл холостого хода / не холостого хода CDA с подогревом половинного двигателя », как видно, имеет более низкий расход топлива, чем« цикл терморегулирования АКП с шестью цилиндрами »как во время холостого, так и не холостого хода.

7.2. Реакция на крутящий момент CDA и достоверность цикла привода

Рисунок 19 демонстрирует, что реализация CDA с половинным двигателем на холостом ходу по-прежнему позволяет нормально реагировать на крутящий момент двигателя, что ранее уже высказывалось в отношении динамических характеристик CDA. Достоверность реакции крутящего момента также подтверждается выполнением регрессионного анализа данных скорости цикла движения и крутящего момента.Контрольный крутящий момент и измеренный крутящий момент цикла привода сравниваются для получения значений набора статистических параметров путем выполнения регрессионного анализа. Допустимые значения этих параметров для допустимого ездового цикла вместе с полученными значениями этих параметров для приводного цикла CDA показаны в Таблице 2.

Рисунок 19 . Отклик крутящего момента во время «цикла терморегулирования АКП с шестью цилиндрами» и «Цикла холостого хода АКП полу-двигателя CDA / T в нагретом состоянии» по существу одинаковы, демонстрируя, что реакция крутящего момента не ухудшается, когда двигатель переходит в режим холостого хода. и выключен, из работы CDA половинного двигателя на холостом ходу и не на холостом ходу.

Таблица 2 . Агентство по охране окружающей среды определило статистические критерии для крутящего момента в приводном цикле.

8. Заключение

Этот документ демонстрирует, что CDA можно использовать для поддержания температуры последующей обработки более экономичным способом за счет уменьшения расхода воздуха и работы по перекачке. Экспериментально продемонстрировано, что включение CDA для поддержания желаемых температур последующей обработки в режиме холостого хода и в соответствующих условиях без холостого хода (<3 бар BMEP) HD-FTP приводит к экономии топлива в 3 раза.4% по циклу HD-FTP. Дополнительные выводы включают:

1. Значительное сокращение NOx в выхлопной трубе HD-FTP (примерно на 35%) возможно с помощью стратегий управления температурным режимом последующей обработки, включая отложенный запуск впрыска (SOI) и максимально закрытые положения VGT, хотя и с повышенным расходом топлива (примерно 5%).

2. Примерно 80% этого увеличения расхода топлива можно устранить (что соответствует снижению расхода топлива на 3,4%) за счет использования CDA половинного двигателя на холостом ходу под нагрузкой в ​​качестве средства для более эффективного поддержания желаемых температур компонентов системы нейтрализации выхлопных газов.

8.1. Будущая работа

1. Изучите дополнительные области в приводном цикле, где CDA может быть реализован с различным количеством рабочих цилиндров.

2. Оптимизируйте CDA на холостом ходу с нагрузкой для дальнейшего улучшения тепловых характеристик.

Авторские взносы

Лидеры усилий включают GS, JM, LF, MJ, DG и CA. Основные экспериментальные усилия от MJ, DG, CA, MV, KV и AT. Необходимая аппаратная и программная поддержка от EK и DS.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Этот проект финансируется Cummins Inc. и Eaton, а эксперименты проводятся в лабораториях Рэя У. Херрика в Университете Пердью. Экспериментальный двигатель был предоставлен Cummins Inc., а техническая помощь была предоставлена ​​как Cummins Inc., так и Eaton. Авторы также хотели бы поблагодарить своих коллег Асвина Рамеша и Троя Одстрцила, а также персонал магазина в Herrick labs, особенно Дэвида Мейера и Рона Эванса, за поддержку, которую они оказали в этой работе.

Финансирование

Cummins и Eaton профинансировали эту работу.

Сокращения

BTE, тепловой КПД тормоза; CAC, охладитель наддувочного воздуха; CCE, КПД замкнутого цикла; CDA, отключение цилиндра; DOC, катализатор окисления дизельного топлива; DPF, сажевый фильтр; ECM, блок управления двигателем; EGR, рециркуляция выхлопных газов; EOT, температура на выходе из двигателя; EPA, агентство по охране окружающей среды; ФЦП, федеральная процедура тестирования; GSI, стандартный последовательный интерфейс; LFE, элемент ламинарного потока; LVDT, линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор; ME — механический КПД; NOx, оксиды азота; OCE, эффективность открытого цикла; ТЧ, твердые частицы; SCR, селективное каталитическое восстановление; TOT, температура на выходе из турбины; UHC, несгоревшие углеводороды; ВГТ — турбина с изменяемой геометрией; VVA, регулируемое срабатывание клапана.

Список литературы

Блейкман П., Чиффи А., Филлипс П., Твигг М. и Уокер А. (2003). Развитие технологий доочистки дизельных выхлопных газов. Технический документ SAE 2003-01-3753 . DOI: 10.4271 / 2003-01-3753

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чарльтон, С., Доллмейер, Т., и Грана, Т. (2010). Соответствует американским стандартам EPA 2010 для тяжелых условий эксплуатации и обеспечивает повышенную ценность для клиента. SAE Int. J. Commer. Veh. 3, 101–110.DOI: 10.4271 / 2010-01-1934

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Динг, К., Робертс, Л., Фейн, Д. Дж., Рамеш, А. К., Шейвер, Г. М., Маккарти, Дж. И др. (2015). Экономичное регулирование температуры выхлопных газов для двигателей с воспламенением от сжатия на холостом ходу за счет отключения цилиндров и гибкого срабатывания клапана. Внутр. J. Engine Res. 17, 619–630. DOI: 10.1177 / 1468087415597413

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фальковски А., Макэлви М. и Бонн М.(2004). «Проектирование и разработка системы отключения многоступенчатого цилиндра двигателя Daimlerchrysler 5,7 л hemi ^® », в техническом документе SAE 2004-01-2106 . DOI: 10.4271 / 2004-01-2106

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Герке С., Ковач Д., Эйлтс П., Ремпель А. и Эккерт П. (2013). Исследование стратегий управления выхлопом на основе VVA с помощью одноцилиндрового исследовательского двигателя HD и систем быстрого прототипирования. SAE Int.J. Commer. Veh. 6, 47–61. DOI: 10.4271 / 2013-01-0587

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хоу Х., Ма Й., Пэн Ф., Янь Ф. и Чжан Х. (2010). «Исследование температурных характеристик технологии регенерации dpf на основе каталитического сжигания при впрыске топлива», Азиатско-Тихоокеанская конференция по энергетике и энергетике 2010 г. (APPEEC) (IEEE), 1–4.

Google Scholar

Кобель М., Эльзенер М. и Климанн М. (2000). Мочевина-СКВ: перспективный метод снижения выбросов NOx из автомобильных дизельных двигателей. Catal. Сегодня 59, 335–345. DOI: 10.1016 / S0920-5861 (00) 00299-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Леоне Т. Г. и Позар М. (2001). Преимущество экономии топлива за счет чувствительности отключения цилиндров к условиям эксплуатации автомобиля и эксплуатационным ограничениям. Серия технических документов SAE 1645, 10–11. DOI: 10.4271 / 2001-01-3591

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лу, X., Динг, К., Рамеш, А., Шейвер, Г., Холлоуэй, Э., Маккарти, Дж. И др.(2015). Влияние отключения цилиндров на активную регенерацию сажевого фильтра в условиях круиза по шоссе. Фронт. Мех. Англ. 1: 9. DOI: 10.3389 / fmech.2015.00009

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Майвальд О., Брюк Р., Рорер С., Заки М., Шац А. и Атцлер Ф. (2010). «Оптимизированное сгорание дизельного топлива и нейтрализация выхлопных газов SCR в сочетании с 48-вольтовой системой для минимальных выбросов и расхода топлива в RDE», в 25-й Aachen Cooloquium Automobile and Engine Technology .Доступно по адресу: http://www.emitec.com/fileadmin/user_upload/Presse/Paper_Vortraege/2016_Aachen_Conti_Super_Clean_Diesel_V10.pdf

Google Scholar

Рамеш А., Шейвер Г., Аллен К., Госала Д., Найяр С., Кайседо Д. и др. (2017). Использование стратегий с низким расходом воздуха, включая отключение цилиндров, для повышения топливной эффективности и управления температурным режимом последующей обработки. Внутр. J. Engine Res. 1, 1. doi: 10.1177 / 1468087417695897

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Песня, X., Суренахалли, Х., Набер, Дж., Паркер, Дж., И Джонсон, Дж. Х. (2007). Экспериментальное и модельное исследование катализатора окисления дизельного топлива (DOC) в переходных режимах и условиях активной регенерации CPF. Технический документ SAE 2013-01-1046 , 10–11. DOI: 10.4271 / 2013-01-1046

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Stadlbauer, S., Waschl, H., Schilling, A., and del Re, L. (2013). «Контроль температуры DOC для рабочих диапазонов низких температур с дополнительным и основным впрыском», в Техническом отчете , Техническом документе SAE .

Google Scholar

Стэнтон Д., Чарльтон С. и Ваджапеязула П. (2013). Технологии дизельных двигателей, позволяющие оптимизировать трансмиссию с учетом выбросов парниковых газов в США. SAE Int. J. Engines 6, 1757–1770. DOI: 10.4271 / 2013-24-0094

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стэнтон, Д. У. (2013). Систематическая разработка высокоэффективных и экологически чистых двигателей в соответствии с будущими нормативами по выбросам парниковых газов в грузовых автомобилях. Дизельный двигатель 2013, 5–16.DOI: 10.4271 / 2013-01-2421

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Почему дизельные двигатели служат дольше?

3 причины, по которым дизельные двигатели служат дольше газовых

20 лет назад считалось, что газовый двигатель истечет через 100 000 миль, но сегодня двигатели постоянно совершают еще один обход одометра. Но там, где бензиновые двигатели достигают более 200 000 миль, срок службы дизельных двигателей часто достигает 500 000 миль и более.Вот три причины, по которым дизельные двигатели служат дольше, чем их бензиновые аналоги:

1. КОНСТРУКЦИЯ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Мы прожили достаточно долго, чтобы понять, что больше не всегда лучше. Однако в случае дизельных двигателей именно поэтому они служат дольше, чем их бензиновые аналоги. Дизельные двигатели имеют более высокую степень сжатия и более высокое давление в цилиндрах, чем бензиновые двигатели. Дизельные двигатели создаются с учетом этих соображений.У них более крупный коленчатый и распределительный валы, для чего требуются более крупные подшипники и более прочные коренные и стержневые болты. Коленчатые и распределительные валы большего размера также означают увеличенный зазор, что способствует лучшему потоку масла. Лучшая смазка двигателя означает меньший износ двигателя, что способствует увеличению срока службы двигателя.

Есть и другие ключевые конструктивные отличия дизельного двигателя, которые способствуют его долговечности, к ним относятся:

• Конструкция с зубчатым приводом — Конструкция с зубчатым приводом большинства дизельных двигателей означает, что вам не придется беспокоиться о выходе из строя ремня ГРМ.Это также помогает сэкономить деньги на дорогостоящем обслуживании, поскольку нет необходимости заменять ремень ГРМ.
• Форсунка охлаждения поршня — В дизельных двигателях форсунки охлаждения поршня распыляют моторное масло на нижнюю часть поршней. Этот спрей моторного масла помогает предотвратить преждевременный износ, поддерживая правильную смазку поршней, что снижает трение и сохраняет поршни в холодном состоянии.
• Без свечей зажигания — Компрессионные двигатели дизельных двигателей обеспечивают более медленное сгорание топлива. Это более медленное сгорание создает меньшее напряжение и больший крутящий момент, свойственный эффективности дизельного двигателя.

2. Дизельное топливо

Другая причина, по которой дизельные двигатели служат дольше, чем газовые, связана с топливом, которое они сжигают. Дизельное топливо — это тип дистиллятного топлива, которое в основном производится из сырой нефти, что приводит к более медленному износу цилиндров дизельных двигателей по сравнению с бензиновыми двигателями. Это придает дизельному топливу смазочные свойства, которые продлевают общий срок службы двигателя. Напротив, бензин в основном состоит из ароматических углеводородов, которые действуют аналогично растворителям, которые являются агрессивными и едкими.Отсутствие смазывающей способности вызывает чрезмерный износ компонентов вашего двигателя. Дизельные двигатели также имеют более низкую температуру выхлопных газов (EGT), что также способствует увеличению их долговечности. Хотя у дизельного топлива больше британских тепловых единиц (БТЕ), 139 000 против 115 000 БТЕ для бензина, законы термодинамики показывают, что степень расширения дизельных двигателей с более высокой степенью сжатия фактически охлаждает выхлопные газы быстрее. В сочетании с более низкой температурой самовоспламенения около 410 ° F для дизельного топлива по сравнению с 495 ° F для бензина, начальный фронт пламени более холодный.Дизельные двигатели также работают с гораздо более обедненным соотношением воздуха к топливу, которое может составлять от 25: 1 до 70: 1 в отличие от 12: 1 — 16: 1 для бензина. Более бедное соотношение воздуха и топлива помогает охлаждать EGT. Бензин также горит намного быстрее дизельного топлива. Меньший удар по вращающемуся узлу происходит из-за более низкой ламинарной скорости пламени во время сгорания в дизельных двигателях, что способствует дальнейшему увеличению их долговечности.

3. Меньшие обороты

Третий ключ к долговечности дизельного топлива — это эффективность работы.Дизельные двигатели работают на более низких оборотах в минуту (об / мин) и достигают более высоких уровней крутящего момента по сравнению с газовыми двигателями. Возможность работать на более низких оборотах для достижения той же мощности означает меньший износ поршней, колец, стенок цилиндров, подшипников, клапанов и направляющих, что помогает продлить срок службы вашего двигателя. Дизельные двигатели обычно оставляют включенными, если они не работают в течение коротких периодов времени. Поскольку большой процент износа происходит при запуске, постоянное циклическое включение и выключение двигателя снижает износ по сравнению с бензиновым двигателем.Это также сокращает количество циклов нагрева и поддерживает постоянную рабочую температуру.

В центре внимания экспертов:

Вот что Стивен Петерс из PSP Diesel в Южном Хьюстоне, штат Техас, известный своими 6,0-литровыми двигателями Ford Powerstroke, говорит о том, почему дизельные двигатели служат дольше:

«Владельцы дизельных двигателей обычно используют свои двигатели для гораздо более важных целей. Обычно это необходимо для обеспечения максимального крутящего момента и более продолжительной работы в течение дня, в отличие от типичных схем запуска / остановки бензинового двигателя.Они не подвергаются быстрым запускам и остановкам. Запуск двигателя — одно из самых тяжелых воздействий на двигатель. Хотя работа вашего двигателя на холостом ходу не идеальна для его долговечности, это то, через что проходит большинство этих грузовиков. Их запускают в начале дня и выключают в конце, они работают много часов и работают очень усердно, но это их цель ».

Петерс добавляет: «Дизельные двигатели просто строятся прочнее. Например, блоки больше, стенки толще, а поршни больше.И даже с увеличенным объемом, не говоря уже о точности допусков в кольцах для предотвращения прорыва, конструкция разработана с учетом смазки, помогающей снизить трение и повреждение трущихся деталей ».

ОБСЛУЖИВАНИЕ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ НЕОБХОДИМО ДЛЯ СРОКА СЛУЖБЫ ДВИГАТЕЛЯ

Несмотря на то, что дизельные двигатели созданы для длительного использования, как и все ценные вещи, вы захотите позаботиться о своих инвестициях с помощью регулярного технического обслуживания.

Владельцы дизельных двигателей могут принимать простые, но эффективные профилактические меры с использованием топливных и масляных присадок к маслам и топливным смесям.Поскольку смазывающая способность является высоким стандартом при работе с дизельным двигателем, присадки помогают сбалансировать топливные смеси, обеспечивая большую смазывающую способность в топливе со сверхнизким содержанием серы. Моторные масла, разработанные для более высоких требований дизельной рабочей лошадки, служат дольше и имеют меньшее снижение вязкости, а также улучшенную теплопередачу. Высококачественная охлаждающая жидкость двигателя помогает поддерживать более низкие общие рабочие температуры, уменьшая дополнительное трение из-за теплового расширения. Присадки и охлаждающие жидкости Hot Shot’s Secret были специально разработаны для тяжелых условий эксплуатации дизельных двигателей.

Если просто добавить подходящие моторные и трансмиссионные жидкости, вы можете быть уверены, что ваш дизельный двигатель прослужит долго.

Свидетельство:

«Hot Shot’s Secret производит удивительные продукты, и мы используем их в течение многих лет.

Мы известны своими 6,0-литровыми двигателями Ford Powerstroke, а благодаря масляным системам высокого давления эти форсунки действительно зависят от хорошего качества масла. Если нет, то со временем форсунки накапливают мусор, и я могу дать подробный список случаев, когда клиенты приходили в магазин, а их форсунки в значительной степени уходили.Мы вручаем им 2-литровую бутылку Secret Stiction Eliminator от Hot Shot и еще год не слышим от них об их инъекторах. Наши клиенты возвращаются и заявляют: «Эта штука отлично поработала, и мои форсунки прослужили еще на год дольше!» «

Стивен Питерс
PSP Diesel
Южный Хьюстон, Техас

Выбросы твердых частиц дизельными двигателями: взаимосвязь между технологией двигателей и выбросами | Журнал профессиональной медицины и токсикологии

Технология, используемая в дизельных двигателях, постоянно совершенствовалась в течение последних 40 лет, что привело к широкому спектру воздействия на выбросы и потребление.

Меры по снижению выбросов в двигателе

Технология впрыска топлива

В зависимости от конструкции системы впрыска и нагрузки давление впрыска составляет от 150 до 2200 бар. При полной нагрузке впрыск имеет интервал угла поворота коленчатого вала от 15 до 50 ° CA в зависимости от системы сгорания. Первоначально для смесеобразования использовался непрямой впрыск в разделенную камеру сгорания (камера предварительного сгорания или вихревую камеру), которая была соединена с основной камерой сгорания.Этот метод был заменен прямым впрыском в основную камеру сгорания [19]. Это позволяет снизить потребление, в частности, благодаря устранению потерь при переполнении из-за отверстий в передней камере, которые имеют сильный дросселирующий эффект. Здесь процесс смесеобразования значительно улучшается благодаря использованию нескольких отверстий для впрыска и более высокому давлению впрыска, что создает меньшие капли топлива и уже снижает выбросы твердых частиц [1]. Значительно уменьшаются частицы всех категорий размеров.Особое управление запуском впрыска также оказывает большое влияние на выбросы твердых частиц [20].

До 1990-х годов в основном использовались методы закачки с механическим управлением, рисунок 4 (ниже). Они были заменены системами с электронным управлением, которые позволяют более высокое давление и гибкое регулирование скорости впрыска. Системы Common Rail, например, позволяют разделить впрыск на несколько отдельных впрысков топлива (предварительный впрыск, основной впрыск и дополнительный впрыск) с переменным началом впрыска и переменной продолжительностью впрыска [21].Таким образом, можно повлиять на кривую давления и, следовательно, на развитие шума, или можно реализовать стратегии для конкретной поддержки системы нейтрализации выхлопных газов.

Рисунок 4

Развитие технологий впрыска, давления впрыска и технологии наддува [21] .

Рециркуляция выхлопных газов (EGR)

Рециркуляция выхлопных газов, при которой выхлопные газы добавляются к свежему воздуху для горения (рис. 5), стала общепринятым методом снижения содержания оксидов азота.Можно различать внутримоторную и внешнюю рециркуляцию выхлопных газов. Оба варианта снижают пиковую температуру сгорания. Повышенная заданная теплоемкость заряда цилиндра с рециркуляцией отработавших газов приводит к более низкому повышению температуры, когда выделяется такое же количество тепла, чем без рециркуляции отработавших газов. Кроме того, в камере сгорания меньше кислорода, поэтому молекулы азота сталкиваются с меньшим количеством партнеров по реакции. Горение также происходит медленнее, что приводит к снижению температуры горения [22].Однако выбросы твердых частиц значительно увеличиваются, поскольку образование сажи облегчается из-за снижения доступности кислорода, и окисление сажи становится более трудным. Поэтому выбросы оксидов азота и сажи при регулировке рабочих параметров двигателя ведут себя в противоположных направлениях; это называется компромиссом между частицами и NO _x . Цель здесь состоит в том, чтобы сместить всю кривую компромисса, чтобы уменьшить выбросы твердых частиц, а также выбросы NO _x .

Рисунок 5

Обзор системы рециркуляции выхлопных газов.

Система рециркуляции отработавших газов в двигателе реализуется в процессе газообмена путем возврата выхлопных газов в камеру сгорания, когда цилиндр заполняется через одновременно открытые впускной и выпускной клапаны. Во внешней системе рециркуляции ОГ различают рециркуляцию ОГ высокого и низкого давления. При использовании системы рециркуляции ОГ высокого давления, которая в настоящее время является самой современной, выхлопные газы удаляются перед турбонагнетателем, охлаждаются и смешиваются со сжатым свежим воздухом после охладителя наддувочного воздуха и, следовательно, имеют высокий уровень давления.Основным преимуществом внешней системы рециркуляции отработавших газов по сравнению с системой рециркуляции отработавших газов в двигателе является возможность охлаждения рециркулируемых выхлопных газов, поскольку температура сгорания может быть дополнительно снижена, а плотность заряда увеличена, что позволяет двигателю выдерживать более высокие нагрузки. Это приводит к увеличению количества воздуха для горения, что способствует окислению сажи и сокращению выбросов сажи [1]. В системе рециркуляции ОГ низкого давления выхлопные газы удаляются после сажевого фильтра (DPF). Возврат в воздух для горения происходит перед компрессором и, следовательно, при более низком уровне давления.Преимущества заключаются в хорошей смеси в компрессоре, а также в эффективном охлаждении в охладителе наддувочного воздуха, что повышает эффективность системы рециркуляции отработавших газов. Следовательно, для того же уровня выбросов NO _x требуется меньшая система рециркуляции отработавших газов. Кроме того, турбокомпрессор работает с более высоким КПД — по сравнению с системой рециркуляции ОГ высокого давления — из-за увеличенного массового расхода через компрессор и турбину, что позволяет снизить потери в газовом цикле и, следовательно, потребление топлива. Из-за уменьшения рециркуляции отработавших газов, а также увеличения подачи воздуха происходит меньшее образование частиц и улучшенное их последующее окисление.В результате уменьшение количества частиц также может быть достигнуто с помощью системы рециркуляции отработавших газов низкого давления.

Движение заряда

Целенаправленное управление движением заряда может улучшить образование смеси и, таким образом, ускорить горение. Для создания закрученного потока, другими словами, воздушного потока, вращающегося вокруг оси цилиндра [1], наиболее важными факторами являются геометрия и расположение входных отверстий. Помимо этих элементов, геометрия поршня оказывает влияние на закрученный поток из-за ускорения массы смеси в углублении (завихрение в углублении) к концу сжатия.

В зависимости от точки нагрузки, системы сгорания и системы впрыска более или менее завихрение может быть полезным для выбросов твердых частиц, поэтому настроенный уровень завихрения важен для сгорания с низким уровнем выбросов. Переменная завихрение может представлять собой следующий шаг к оптимизации. В легковых автомобилях при низких частичных нагрузках более высокий уровень завихрения (частичное закрытие заправочного отверстия в головке цилиндров с четырьмя клапанами) может привести к лучшему компромиссу между частицами и NO _x , в результате чего увеличивается потребление, а также выбросы CO. из-за ухудшения объемного КПД [1].

Нагнетание

В настоящее время почти все дизельные двигатели имеют наддув, причем турбонаддув выхлопных газов является преобладающим методом. Здесь энергия извлекается из выхлопного потока и затем используется для приведения в действие компрессора [1]. Во время наддува воздух, необходимый для процесса сгорания, сжимается, так что в цилиндр подается большая масса воздуха за рабочий цикл. Таким образом, можно увеличить массу впрыскиваемого топлива, что, в свою очередь, позволяет увеличить мощность двигателя.Таким образом, наддув является важным инструментом для реализации так называемого «уменьшения габаритов» — уменьшения мощности двигателя без каких-либо изменений в интересах клиентов (мощность, ускорение и т. Д.). Могут быть и другие преимущества с точки зрения эффективности и выбросов. На рисунке 4 (выше) представлен обзор развития наддува [21].

Степень сжатия

Уменьшение компрессии имеет два положительных эффекта с термодинамической точки зрения: оно улучшает характеристики двигателя, поскольку такое же пиковое давление достигается во время полного открытия дроссельной заслонки с повышенным давлением наддува, и, следовательно, при постоянном сгорании можно впрыскивать больше топлива. соотношение воздуха.Во-вторых, температура в цилиндре снижается из-за сжатия при частичной нагрузке из-за низкого давления в цилиндре при постоянном давлении наддува. Это отрицательно сказывается на условиях воспламенения топлива, так что достигается лучшее предварительное смешивание топлива и воздуха. В результате может быть реализовано значительное улучшение компромисса между частицами / NO _x . Пониженная компрессия отрицательно влияет на поведение двигателя в холодных условиях окружающей среды в отношении стабильности сгорания и выбросов.

Внешние меры по снижению выбросов

Для снижения выбросов выхлопных газов все чаще используются вспомогательные системы нейтрализации выхлопных газов для дизельных двигателей [23–27]. Внедрение соответствующих технологий в массовые легковые автомобили в Европе показано на Рисунке 1. Дизельные катализаторы окисления (DOC) и дизельные сажевые фильтры (DPF) уже были утверждены, чтобы соответствовать ограничениям Euro 5 в дизельных легковых автомобилях и были представлены по всей Европе.Согласно законодательству Euro 6, для многих приложений также потребуется система дополнительной обработки оксидом азота. В двигателях коммерческих автомобилей технология избирательного каталитического восстановления (SCR) стала нормой по большей части в Европе после Евро IV. Причина этого в том, что при использовании системы SCR двигатель может быть настроен в направлении более высоких выбросов NO _x и, следовательно, в целом в направлении более низкого расхода топлива. Некоторые производители также использовали концепции систем сокращения выбросов твердых частиц до стандарта Euro V.Однако с введением стандарта Euro VI следует ожидать, что все двигатели будут использовать системы DOC, DPF, а также системы SCR.

Дизельный катализатор окисления (DOC)

С помощью DOC углеводороды и CO окисляются при соответствующей температуре выхлопных газов, превращаясь в CO ₂ и воду. Для этого редкие металлы, платина и палладий, наносятся на носитель катализатора на увеличивающем поверхность смывке. Температура превращения 50% обычно называется «температурой выключения» и находится в диапазоне от 150 до 350 ° C, в зависимости от типа катализатора, состава выбросов и каталитически эффективного покрытия.Обычно отключение CO достигается при более низких температурах, чем отключение HC. Если температура выключения была превышена, почти все выбросы HC и CO преобразуются. Термический и химический стресс (например, отравление серой) может снизить функцию катализатора; Light-Off перемещается в сторону более высоких температур.

Окисление частиц сажи в DOC невозможно. Тем не менее, DOC выполняет важные функции в сочетании с доочисткой выхлопных газов от выбросов твердых частиц: углеводороды (SOF), приставшие к саже, могут окисляться или растрескиваться, что в значительной степени снижает массу твердых частиц.Кроме того, DOC образует NO ₂ из-за окисления оксида азота, который может быть использован для пассивной регенерации сажевого фильтра благодаря эффекту CRT®. DOC также можно использовать в качестве каталитической горелки, которая увеличивает температуру выхлопных газов для активной регенерации сажевого фильтра.

Системы снижения выбросов твердых частиц

При использовании систем снижения выбросов твердых частиц необходимо различать два рабочих режима: накопление сажи и ее сжигание (регенерация). Системы снижения выбросов твердых частиц можно разделить на «закрытые» пристенные фильтры и «открытые» катализаторы на основе частиц [28–30].В то время как в закрытых системах выхлопные газы проходят через пористую фильтрующую среду, в открытых системах происходит частичная фильтрация частиц, в результате чего часть выхлопных газов проходит через фильтр, не подвергаясь фильтрации. Недостатком закрытых систем является более высокое противодавление выхлопных газов, что приводит к более высокому расходу топлива. Без каких-либо подходящих мер противодействия возможно засорение DPF. Катализаторы в виде частиц не могут засоряться, так как их эффективность фильтрации снижается с увеличением нагрузки.Обычно они регенерируются чисто пассивным образом, поэтому взаимодействие с синхронизацией двигателя не требуется. Вот почему они часто используются в качестве модернизированных систем.

В закрытых сажевых фильтрах требуется большая фильтрующая поверхность, чтобы поддерживать толщину слоя сажи и, следовательно, низкое гидравлическое сопротивление. Для этого фильтр выполнен в виде ячеистой структуры с поочередно закрытыми портами [1, 31]. Асимметричные конструкции с большими впускными и выпускными портами также используются для увеличения емкости хранения остатков сгорания (например,г. золы), образовавшихся в течение срока службы фильтра. В серийном производстве здесь используются такие материалы, как карбид кремния, титанат алюминия и кордиерит [32–39]. Эффективность фильтра зависит от размера пор керамики и состава частиц. Углеводороды с высокой температурой кипения, которые все еще присутствуют в газообразной форме при температуре фильтрации и прилипают к частицам, только когда они остывают и смешиваются с окружающим воздухом, не могут быть отфильтрованы. На рисунке 6 показаны механизмы фильтрации.Благодаря перекрывающимся механизмам фильтрации, как крупные, так и мелкие частицы могут надежно задерживаться, таким образом достигая эффективности фильтрации почти 100% по всему спектру размеров [6]. Поскольку почти все испускаемые частицы меньше пор подложки фильтра, они захватываются фильтром не из-за своего размера, а в основном за счет диффузии. Поскольку скорость диффузии увеличивается с уменьшением размера частиц, более мелкие частицы фактически отделяются наиболее эффективно.С увеличением количества сажи происходит переход от глубокой фильтрации в стенке фильтра к поверхностной фильтрации. Как слой сажи, хранящийся в порах, так и осадок на самой стенке фильтра, действуют как высокоэффективная фильтрующая среда. Из-за низкой способности глубокой фильтрации керамического сотового фильтра диапазон поверхностной фильтрации достигается уже после короткого времени загрузки. Вот почему значительный прорыв частиц в неповрежденный фильтр можно обнаружить только после завершения всего процесса регенерации на этапе запуска нагрузки [39].Катализаторы на основе частиц также могут достигать уровней фильтрации частиц значительно более 50% [40], но эти уровни остаются ниже, чем у фильтров с проточной стенкой. Для новых систем также возможно достичь эффективности фильтрации более 90% в сочетании с фильтрацией наночастиц с помощью электростатических сил [41].

Рисунок 6

Фильтрующие механизмы сажевых фильтров [6] .

Из-за ограниченной емкости накопления сажи ее необходимо регулярно удалять (обычно каждые 500–1000 км [42]), чтобы предотвратить перегрузку и термическую деградацию материала.Регенерация может происходить непрерывно (пассивно через NO ₂ при T> 250 ° C и при соответствующем массовом соотношении NO ₂ / сажа в выхлопе, а также минимальном количестве сажи в DPF [43]) или периодически. (термически через O ₂ , T> 600 ° C). Температуры, необходимые для термической регенерации, часто не достигаются при нормальной работе автомобиля, поэтому требуется дополнительное повышение температуры. Температуру можно повысить посредством дросселирования всасываемого воздуха, адаптации скорости рециркуляции отработавших газов, модификации управления впрыском предварительного и основного впрыска, а также введения раннего дополнительного впрыска для повышения температуры выхлопных газов в камере сгорания. как введение позднего дополнительного впрыска для увеличения температуры выхлопных газов за счет экзотермических реакций на DOC, расположенном ниже по потоку.Кроме того, системы дозирования топлива в выхлопных газах используются для экзотермических реакций в DOC, расположенном ниже по потоку, в системах горелок для повышения температуры выхлопных газов или в электрических нагревателях. Меры по активной регенерации увеличивают расход топлива, в результате чего поздние последующие впрыски могут дополнительно привести к разбавлению масла. Вот почему во многих случаях используются дополнительные меры для снижения температуры регенерации до уровней ниже 600 ° C или для уменьшения частоты регенерации. К ним относятся присадки к топливу для снижения температуры воспламенения сажи, каталитическое покрытие DPF, а также ускорение пассивной регенерации с помощью NO ₂ [44, 45].

NO

_x Системы доочистки

Оксиды азота могут быть уменьшены в случае избытка кислорода с помощью селективного каталитического восстановления (SCR), во время которого они в основном преобразуются в N ₂ и воду с использованием аммиака (NH ₃ ). Технология SCR уже много лет используется для нитрификации дымовых газов на электростанциях. В преобладающих стационарных условиях и температурах от 300 ° C до 500 ° C достигается степень конверсии NO _x более 90%.Оптимизация расширила температурный диапазон до 200 ° C, так что эта технология уже несколько лет используется для легковых и грузовых автомобилей [43, 46–48]. Сегодня коммерческие автомобили достигают коэффициента конверсии более 90% в испытательном цикле; для легковых автомобилей КПД ниже этих значений из-за более низкого уровня температуры. Использование газообразного аммиака в транспортных средствах вызывает сомнения по соображениям безопасности, поэтому химически связанный NH ₃ , например используется безопасный раствор мочевины / воды, который выделяет NH ₃ после закачки посредством каталитического гидролиза, который затем используется для восстановления NO _x .Реакционная способность катализатора SCR может быть увеличена путем подключения DOC перед SCR. Из-за окисления NO до NO ₂ кинетика каталитического процесса может быть значительно увеличена за счет промежуточного образования N ₂ O ₃ , в частности, при T <250 ° C [49].

Для доочистки NO _x также можно использовать катализаторы-накопители NO _x (NSC), которые в течение многих лет использовались в серийном производстве для бензиновых двигателей, работающих на обедненной смеси, и в течение некоторого времени в легковых автомобилях с дизельным двигателем [ 1, 50–54].Принцип работы основан на адсорбции оксидов азота на аккумулирующих элементах (например, BaO) в форме нитрата во время работы двигателя на обедненной смеси (хемосорбция). Первым шагом здесь является окисление NO до NO ₂ на редком металле. Десорбция и разложение нитрата происходит в короткие субстехиометрические (богатые) фазы сгорания с пониженной атмосферой в выхлопных газах. Дефицит кислорода и наличие несгоревших углеводородов, CO и водорода позволяют восстанавливать десорбированные оксиды азота с образованием N ₂ , CO ₂ и воды.

Дизельное топливо — тип и марка

В таблице 2 представлен обзор различных видов дизельного топлива с учетом их свойств по выбросу твердых частиц. Преимущества топлива GtL в отношении образования частиц были обнаружены Китано и др. [55]. Снижение выбросов сажи, а также потребление при постоянном уровне NOx за счет использования чистого HVO и / или смеси 70 процентов по объему дизельного топлива EN 590 с 30 процентами по объему HVO были подтверждены Aatola и др. [56] . Таким образом, альтернативные виды топлива без ароматических углеводородов, такие как HVO, GtL или FAME, демонстрируют явный потенциал для снижения соответствующих выбросов выхлопных газов.Тем не менее, установленный законом минимум для примеси биотоплива предусматривает только уровни примеси от 3% до максимум 10%. В этих областях повышенное цетановое число оказывает незначительное влияние на задержку воспламенения и, следовательно, на характеристики горения [57].

Таблица 2 Обзор типичных типов дизельного топлива .