Будущее дизеля: Тихая сила

В поисках максимальной эффективности использования топлива мир обращает взоры на газо-электрические гибриды и водородные топливные элементы. Однако научные исследования показывают, что дизельный двигатель способен выйти на такие же и даже лучшие показатели, чем топливные элементы, и почти догнать бензиновый гибрид типа Toyota Prius. Детальные сравнительные исследования общего потребления энергии проводились General Motors, Массачусетским Технологическим Институтом (MIT) и Университетом провинции Альберта (Канада). Ученые из MIT спроецировали развитие двигателей до 2020 года и пришли к выводу, что дизель по возможностям намного превосходит водородные топливные элементы и даже гибридные газо-электрические автомобили!

В Европе дизельные машины чрезвычайно популярны. Не исключено, что вскоре аналогичная ситуация сложится и в США, где любят большие машины, автоматические коробки передач и бензиновые движки. На сегодня единственная компания, которая ввозит в США легковые автомобили с дизельными двигателями, — Volkswagen. Сейчас здесь продаются только модели VW Jetta/Golf/Beetle с 1,9-литровым 4-цилиндровым дизельным двигателем с турбонаддувом и прямым впрыском топлива (TDI). VW намерен поставить на Passat более продвинутый 2-литровый дизель, а также рассматривает возможность установки на внедорожник Touareg 5-литрового 10-цилиндрового V-образного дизельного мотора мощностью 308 л.с. с крутящим моментом 745,8 Нм.

Однако скоро демонстрацию возможностей дизеля начнет и Daimler Chrysler. Дизельные машины фирмы будут продаваться в будущем году в экспериментальных объемах. Это означает, что в продажу попадет по несколько тысяч Jeep Liberty 2.8 Four и Mercedes Е-класса с 3,2-литровым двигателем с однорядным расположением 6 цилиндров. Думают над этим и другие компании. Возможно, будет принято решение об установке дизельного двигателя на Ford Focus. 4-литровый V-образный 8-цилиндровый дизель BMW попадет в Америку не скоро.

У дизеля нет свечей зажигания. Зато у него очень высокий коэффициент сжатия — примерно в два раза выше, чем у бензинового ДВС. Поэтому в такте сжатия создаются высокая температура и давление. В камеру сгорания впрыскивается уже готовая к взрыву смесь, которая воспламеняется из-за температуры, вызванной сжатием. В отличие от бензиновых двигателей с дроссельной заслонкой для регулировки подачи воздуха, дизель такой заслонки не имеет. Он постоянно всасывает весь доступный воздух, не расходуя энергию на забор воздуха через полузакрытую заслонку. Показатели (в границах степени сжатия) зависят от объема впрыскиваемого топлива, поэтому дизель может выдавать высокий крутящий момент при сравнительно низких оборотах. Надавив на педаль газа, мы даем команду инжекторам впрыскивать больше топлива. На турбодизелях мы еще и заставляем систему турбонаддува нагнетать дополнительный воздух. Двигатель выходит на чудовищные показатели крутящего момента, когда на тахометре нет еще и двух тысяч оборотов. Бензиновый двигатель воспламеняет смесь воздуха с бензином в пропорции 15:1. Дизельный может работать на смеси, обедненной до соотношения 100:1.

Несмотря на современный уровень развития дизельных технологий, этот тип двигателя все еще считается недостаточно экологичным. Например, жесткие требования штата Калифорния к содержанию вредных веществ в автомобильном выхлопе не позволяют осуществлять торговлю дизельными машинами на территории штата. В 2004 г. значительно ужесточится и федеральное законодательство США. Предельное содержание твердых частиц (сажа) и оксидов азота (NOх) с 2004 по 2010 годы будет серьезно ограничено, и требования вступают в полную силу с 2007 г. Аналогичные меры предпринимаются в Европе, так что конструкторам есть над чем задуматься.

Серьезную проблему представляет образование больших объемов NOх из-за высоких температур при сгорании смеси в дизельном двигателе. Для эффективного сокращения числа твердых частиц и NOх требуется дополнительная обработка выхлопа. Однако разработка большинства технологий для такой очистки находится в начальной стадии.

Другой проблемой, стоящей перед дизельными автомобилями, является качество топлива. Нефтеперерабатывающие компании сосредоточены на производстве высокооктанового бензина, а дизельное топливо производится из того сырца, который остается. Вице-президент Chrysler Бернард Робертсон говорит, что в США самое плохое дизтопливо в мире. Очевидно, он не очень хорошо знаком с соляркой, продающейся на российских заправках... Дизельному двигателю нужно топливо с высоким цетановым, а не октановым, числом, чтобы он хорошо заводился и в нем поддерживалось устойчивое сгорание. Европейское цетановое число составляет несколько больше 50, а в Америке оно едва превышает 40. Это влияет на все аспекты регулировки дизеля и удлиняет время пуска — и увеличивает вредные выбросы.

Содержащаяся в топливе сера участвует в смазке подвижных частей мотора, но является источником неприятного запаха в выхлопе. А при нынешнем содержании в топливе она абсолютно несовместима с требующейся технологией дополнительной очистки выхлопа. Новые стандарты требуют серьезно сократить содержание серы — со среднего показателя 300 частиц на миллион до 15 частиц к 2006−2007 гг.

Качество работы двигателя зависит от системы впрыска топлива. VW сегодня использует механическую систему с двумя импульсами на рабочий такт. В системах будущего будет использоваться электронный контроль импульсов инжекторов высокого давления. Топливный инжектор соленоидного типа способен обеспечить до 5 импульсов на один такт. Пьезоэлектрический инжектор обеспечивает 10.

Сейчас весьма популярной стала разработанная компанией Bosch технология common rail — питательная система с общей топливной рампой и аккумулятором давления. Насос высокого давления подает топливо в накопитель трубообразной формы. Это означает, что при любом числе оборотов каждый инжектор будет получать максимальное давление. Сегодня у Bosch это приблизительно 1820 кг/кв.см, а скоро будет 2100 кг/кв.см. Чем выше давление, тем меньше можно делать диаметр форсунки инжектора, уменьшая тем самым объем импульса и достигая большей распыленности топлива.

В сочетании с более частыми, стратегически правильно рассчитанными импульсами во время каждого впрыска в такте сжатия это даст более полное сгорание. Несмотря на пять лет успешной работы common rail, VW предпочитает другую систему впрыска топлива от Bosch — насос-инжектор на каждый цилиндр. Настройка сопоставима с аккумулятором давления и создает несколько более высокое пиковое давление. Однако общая для всех цилиндров топливная рампа имеет больший потенциал устойчивой работы.

Проблемой для дизельного двигателя всегда был холодный пуск, при котором помогали специальные свечи для подогрева воздушно-топливной смеси. Новые свечи накаливания от Bosch достигают температуры около 1200o С менее чем за 2 секунды, поэтому предварительный минутный прогрев дизелей в холодную погоду уже в прошлом.

У нынешних дизельных моторов не только низкий выброс углеводорода и окиси углерода, но и большое содержание воздуха в выхлопе, что может улучшить работу каталитического конвертера окислительного типа. Лучшие результаты показывают способы обработки выхлопа, где задействованы уловители, которые следует периодически заменять. Когда пропускная способность уловителя снижается (примерно после 150 км пути), производится впрыск в него небольшого количества топлива, поднимающий температуру в уловителе. Накопившаяся сажа сгорает примерно за 15 минут, рассказывает Гэри Смит из подразделения трансмиссии General Motors.

PSA Peugeot Citroen для экономии горючего впрыскивает раствор церия, снижая температуру сгорания. Но это дополнительная головная боль для автомобилиста — раствор периодически заканчивается и его запас следует обновлять. GM проводит эксперименты с каталитическим покрытием, рассказывает Смит, которое будет работать весь срок службы машины.

Однако образование NOх остается серьезной проблемой, так как 3-уровневые каталитические нейтрализаторы бензиновых двигателей на дизельных не работают. Неплохо помогает рециркуляция выхлопных газов, когда в систему включен охладитель для понижения температуры выхлопа. Это снижает пиковые температуры, при которых образуются оксиды азота. Возможно, в решении проблемы может помочь калибровка топливной системы и турбонагнетателя, а также изменение формы входного отверстия и камеры сгорания для обеспечения более равномерного сгорания.

Сейчас идет разработка двух систем дополнительной обработки выхлопа, где проблема NOх решается. Обе системы используются в промышленных целях. Однако установка их на легковой автомобиль проблематична.

Одна система называется SCR (Selective catalytic reduction), избирательное каталитическое сокращение вредных веществ. Она основана на впрыске раствора, содержащего мочевину (готовое соединение на основе аммиака). В сочетании с особым катализатором в выхлопной системе SCR разлагает NOх на азот и воду, не вызывая дополнительного расхода топлива.

Другая возможность — это абсорбент NOх, также носящий название «обеднитель NOх». Газы оседают на поверхности абсорбента в виде нитратов. Когда уловитель «наполняется», происходит впрыск топлива. Это приводит к каталитической реакции: нитраты разлагаются на азот и воду.

Однако даже без этих устройств современный дизель не похож на своего предшественника двадцатилетней давности. Чадящие и вибрирующие «дизеля» остались в прошлом.