Перспективы развития автомобильного двигателестроения (zip 1.6 Mb) (стр. 3 из 6)

В «коммон рейл» все обстоит иначе – можно непосредственно регулировать момент впрыска, количество топлива и закон его подачи, даже давление в магистрали. Иными словами, всегда обеспечивать оптимальные условия работы. Принципиальное отличие системы в том, что ТНВД подает топливо не в индивидуальные трубопроводы к форсункам, а в «общую магистраль», оборудованную датчиком давления и обратным клапаном, сливающим лишнее топливо в бак. Форсунки остались прежними, механическими (ничего другого пока не придумали), но вот к каждой добавился пьезоэлектрический клапан, открыванием и закрыванием которого управляет электронный блок. Он же управляет ТНВД, обеспечивая различную подачу топлива и давление в «общей магистрали». Так, давление на холостом ходу минимально, что позволяет снизить шум работы форсунок и ТНВД, а при разгоне с низких оборотов – максимально, что обеспечивает наилучшую приемистость.

Схема компонентов системы «коммон рейл» фирмы «Бош»: 1 – топливный насос высокого давления;

2 – электронный блок управления; 3 – датчик давления; 4 – собственно «общий путь» – коллектор;

5 – обратный клапан; 6 – форсунка с электронным управлением; 7 – топливный бак.

Как видим, идея отнюдь не сложна. Иное дело, что технологическое ее исполнение в условиях массового производства стало возможно лишь в нынешнем году. Сегодня доподлинно известно, что фирмы «Бош» и «Тойота» располагают готовыми к серийному производству системами впрыска «коммон рейл», причем двигатели с «бошевской» системой уже испытаны на серийных моделях автомобилей. По неофициальным данным, это дизельные моторы для нового «Опеля-Астра» и "Мерседеса-А".

Так что же дает система «коммон рейл» по сравнению с обычным дизелем непосредственного впрыска? По предварительным данным, экономия топлива составила около 10-15%, мощность возросла до 40%, существенно снизились выбросы окислов азота и углерода, а также снизился шум на 10 дБ. На стенде «Тойоты» в Женеве можно было послушать и сравнить запись звука обычного дизеля с непосредственным впрыском и опытного мотора с «коммон рейл». Первый, как и полагается, издавал типично «тракторный» шум, а второй, скорее, напоминал обычный бензиновый мотор со слегка увеличенными зазорами в клапанном механизме.

Насос-форсунка.

То, что вылетает из выхлопной трубы дизельного мотора, напрямую зависит от того, что и как поступает в его цилиндры. Точнее говоря, давление впрыска имеет здесь решающее значение. Именно в этом немецкий концерн еще раз оставил конкурентов далеко позади.

Популярная ныне схема «коммон рейл» создает давление поступающего топлива не более 1350 атм. Выше показатель у оптимизированного в каждой своей детали топливного насоса высокого давления (ТНВД) на БМВ-3200D – 1750 атм. Новая же насос-форсунка от «Фольксвагена» развивает давление 2050 атм!

Новый трехцилиндровый дизель для «Фольксвагена-Лупо».

Как следует из самого названия, этот узел объединяет в одно целое насос и форсунку. Расположен он непосредственно около каждого цилиндра в головке двигателя. Усиленный кулачковый вал воздействует на поршень насосной части через рычаг, снабженный роликовым подшипником, что исключает трение скольжения.

Почему стремятся увеличивать давление впрыска? Чем оно больше, тем мельче частицы распыленной солярки, тем полнее их сгорание, поскольку необходимое количество кислорода достигает чуть ли не каждой молекулы топлива. А это позволяет окончательно решить проблему дымности выхлопа: новый трехцилиндровый дизель соответствует нормам D3 и, может быть, уложится в требования будущих Евро IV. К тому же благодаря полному использованию энергии топлива расход его составит менее 3 л/100 км!

Но вернемся к насос-форсунке. Ее идея известна (и опробована) уже давным-давно – вспомним хотя бы мотор ЯАЗ-206. И все же насос-форсунки первого поколения были почти повсеместно вытеснены ТНВД и привычными нам «обычными» форсунками. Этот тандем прекрасно работает – но только не при давлении 2000 атм., когда сжимаются даже «несжимаемые» жидкости. Что уж говорить о трубопроводах: они превратились бы в сложно колеблющиеся упругие резервуары и точное управление моментом впрыска стало бы просто невозможным. Только из-за этого необходимо было свести к минимуму объем сжатого топлива. Другой немаловажный аспект: теперь и трубопроводы низкого давления спрятаны в головке цилиндров.

Тем не менее, без точно управляемого компьютером электромагнитного клапана почти все труды пропали бы даром, поскольку важно не только ввести нужное количество топлива в нужный момент – так же точно должен быть определен конец фазы впрыска.

Разрез головки блока цилиндров: 1 – кулачковый вал; 2 – рычаг с роликом; 3 – насос-форсунка.

Для мягкой и чистой работы новый двигатель использует предварительный («пилотный») впрыск небольшой (1-2 мм³) дозы горючего. Еще одна особенность: насос-форсунка закачивает топливо в зависимости от скорости вращения кулачкового вала, но при этом обладает всегда одним и тем же ничтожным запасом солярки.

Сочетая сверхвысокое давление впрыска с другими параметрами рабочего процесса дизеля, удалось уменьшить содержание окислов азота в выхлопе.

Ну и, наконец, новый мотор обеспечивает отличные ездовые характеристики. Так, трехцилиндровый дизель рабочим объемом 1,4 л развивает крутящий момент 195 Н×м уже при 2200 об/мин и, как было сказано, удовлетворяет жестким нормам токсичности D3, обладая высокой экономичностью. Остается подождать ответа конкурентов.

Пьезокерамический инжектор.

Современные системы впрыска отличают быстродействие и давление. За них и идет постоянная борьба. Ведь топливо необходимо без задержки доставить в нужный цилиндр и при этом распылить его на мельчайшие частицы, чтобы обеспечить полное сгорание. С этой же целью в последнее время применяют и дополнительный «пилотный» впрыск 1-2 мм³ топлива, для чего требуется в течение нескольких миллисекунд выдать команду форсунке. И не только выдать – на то и быстродействующие мозги – но и исполнить с максимальной точностью.

Напомним, что системы «коммон рейл» работают при давлении около 1500 атм. и управляют началом и длительностью впрыска с помощью суперскоростных электромагнитных или комбинированных электрогидравлических клапанов. Впрочем, «супер» здесь означает задержки в пределах 0,5 мс., тогда как для гарантированного выполнения новых норм токсичности и дымности надо бы работать быстрее. Но электромагнит с подвижным сердечником уже исчерпал все, даже теоретические, возможности. И тут на помощь пришел концерн «Сименс», запатентовавший... пьезокерамический инжектор, который обещает настоящий прорыв в быстродействии. Он работает вчетверо быстрее прежних и был удостоен в 1999 году премии за «Инновационное применение материалов» Союза немецких инженеров.

В чем же суть изобретения? Известно, что при подаче электрического напряжения на пьезокерамическую пластинку она несколько изменяет свою толщину.

График процесса двойного впрыска и характер распыления топлива.

Несколько – это микроны, и до сих пор эффект использовался в основном лишь для излучения ультразвука. Изобретателям немецкой фирмы удалось создать 280 –слойный пакет из пьезокерамики, расширяющийся на 80 мкм всего за 0,1 мс – достаточно, чтобы воздействовать на иглу форсунки с усилием 6300 Н! При этом для управления используют напряжение бортсети автомобиля. Серийное производство новинки планируется на заводе в Лимбах-Оберфроне (Саксония) – «Сименс» инвестирует в него более 60 млн. долларов.

Стартер-генератор.

Трудно представить себе автомобиль без …стартера? Однако в этом нет ничего невозможного. Дочерняя фирма шинного концерна «Континенталь ИСАД Системс» в Кельне разработала принципиально новый узел, который так и называется – ИСАД (Интегрированный Стартер-Альтернатор (Генератор) – Демпфер). За этими сухими словами кроется настоящая революция в автомобилестроении.

Как и в обычных электромоторах, принцип работы нового устройства основан на силовом воздействии электромагнитного поля. Однако теперь ротором стартера-генератора служит сам маховик (конечно, без привычного зубчатого венца), вокруг которого размещены обмотки статора. Управляющая узлом электроника сама решает, в каком режиме - стартера или генератора - должен работать ИСАД в данный момент. Ременный привод генератора, никогда не отличавшийся надежностью и требовавший периодической регулировки, больше не нужен.

Но не ради этой мелочи создавался ИСАД. Привычный стартер раскручивал коленчатый вал двигателя максимум до 150 об/мин. Новый механизм развивает 800 оборотов всего за 0,2 с! От такого рывка заведется даже самый «дохлый» мотор. При этом нет никаких тарахтящих звуков. Следовательно, появляется возможность автоматического выключения и пуска двигателя на любой остановке, например у светофора или в «пробках». Экономия топлива в городском цикле может составить до 35%! Теперь представьте, что у светофора собралась компания машин, оснащенных ИСАДом. Моторы молчат, значит, на улице тишина и не идет ядовитый газ из выхлопных труб, но едва зажигается «зеленый» – словно по мановению волшебной палочки, поток автомобилей приходит в движение. Причем достаточно резво: ведь «революционный» стартер может помочь при разгоне, добавив около 50 кВт(!) мощности, правда, всего на несколько секунд. Где взять энергию? Об этом позаботятся установленные на автомобиле конденсаторные накопители большой емкости. Далее: благодаря электронике неумелый водитель не заглушит нечаянно двигатель при троганьи с места, не дав достаточно «газа». Ему поможет сила электромагнитных полей.

Размещение узлов системы ИСАД: 1 – стартер-генератор; 2 – блок управления; 3 – аккумулятор;