Развитие дизельных автотехнологий


Дизельные двигатели


Несовершенство технологии

Первые дизельные двигатели в конце XIX века успешно работали только несколько часов. Промышленники, клюнувшие на новость и рискнувшие запустить производство модного двигателя, сперва обвиняли Рудольфа Дизеля в неспособности моторов работать вообще. Затем, когда точность производства цилиндров, поршней и колец повысилась в разы, моторы заработали, но вылезли другие трудности — материалы, из которых строились дизельные моторы в начале века, не обладали должной прочностью и жаростойкостью.

Долговечность дизельного мотора стала напрямую зависеть от металловедения, и специалисты по сплавам стали такими же участниками дизельного прогресса, как инженеры и технологи. Специальный чугун для блока и гильз, жаростойкая сталь специальной закалки для клапанов, разнообразные ухищрения с конструкцией и охлаждением поршней — далеко не полный перечень тем, которыми пришлось заниматься инженерам для того чтобы дизельный мотор действительно мог составить конкуренцию паровой машине или бензиновым моторам.

Между прочим, несмотря на то что в России первые серийные дизельные установки появились даже раньше, чем в Европе, это в основном были стационарные тихоходные машины — огромные многометровые в длину и в высоту гиганты, пригодные для оживления фабрик и заменившие паровые машины в трюмах кораблей. Даже до появления дизельного двигателя на железной дороге, не говоря уж об автомобильных моторах, были десятилетия.

Развитие дизельных автотехнологий

Казалось бы, что может быть проще. Взять обычный бензиновый двигатель внутреннего сгорания, убрать из него систему зажигания со свечами, добавить трубочки, по которым вместо бензина подавать солярку — и готов дизель… В теории все так, а на практике — не совсем.

Нужно еще добавить турбонаддув, скажете вы, и будете правы, хотя далеко не все дизельные моторы оборудуются турбиной. Однако, поговорим сегодня о тех проблемах, которые у дизеля внутри — там, где порция впрыснутой солярки вспыхивает и толкает поршень вниз.

Практика постройки первых дизелей, между прочим, столкнулась как раз с тем, чем был силен дизельный мотор в теории — своей способностью воспламенять топливо без какого-либо внешнего поджига, а только при помощи сжатия воздуха в цилиндре и сильного его нагрева — минимум до 600 градусов.

Для этого степень сжатия в цилиндре дизеля пришлось устроить примерно вдвое большую, чем в бензиновом моторе. Вместо привычных 8 — 11, объем камеры сгорания в дизеле сокращается примерно 20 — 25 раз. Для работы при таком сжатии требовалась принципиально другая, чем в бензиновом моторе, точность изготовления деталей и настолько же повышенная прочность их.

Сверху вниз

Большинство машин на пути своего развития проходит эволюцию снизу вверх. Первые образцы — уменьшенные модели будущих устройств — сменяются более крупными, мощными, серийными. Так было и с паровой машиной, и с бензиновыми двигателями. Но дизель претерпел развитие ровно наоборот, спустившись от судовых гигантов к мобильным и компактным быстроходным моторам. Причина этого тоже в технологии производства.

Огромные детали тихоходных машин двигались медленно, не успевали перегреваться. Их можно было изготавливать из обычных материалов и со стандартной точностью. Но для мобильных механизмов — подводных лодок, тепловозов, автомобилей — требовались более компактные, значительно более оборотистые и главное — легкие моторы. Большие обороты мотора — большие ускорения и ударные нагрузки. Рецепт избежать их — сделать поршни, шатуны и коленвал легче.

А облегчение тянуло за собой опять-таки, прочностные проблемы, которые требовали утолщения элементов и увеличения веса. Получился замкнутый круг, разорвать который снова помогли металловеды, а также жесточайшие требования к новым моторам со стороны заказчиков. Знаете ли вы, что первый массовый отечественный дизель — знаменитый танковый двигатель В2, прославивший наши Т-34, получился в 30-е годы таким легким и универсальным благодаря тому, что разрабатывался он изначально… для тяжелого бомбардировщика, и его прототип был испытан на отнюдь невеликом двухместном разведывательном самолете Р5!

Ресурс первых экземпляров не превышал пары десятков часов, и даже тогда, когда этот мотор в итоге попал на первые экземпляры 34-ки, вместо заявленных 200 часов работы, выдерживал не более 70-ти. Так и провоевал этот мотор, постоянно ломаясь, и был доведен до приемлемых качеств только в начале 50-х.

Сталь стали рознь

Главное отличие любого дизельного двигателя от бензинового — материалы, из которого он сделан, и точность их обработки. Буквально каждая деталь — будь то поршень, кольцо или топливная форсунка — сочетают в себе редкие качества и производятся из металлов, специально для них созданных. По большому счету это и есть главная причина дороговизны дизельных моторов.

По этой же причине даже сегодня, в век повального применения алюминиевых блоков цилиндров, многие производители, чтобы добиться большей надежности, продолжают изготавливать блок цилиндров из тяжелого, но прочного чугуна. Но самыми требовательными к качеству материала оказались те самые форсунки, через которые топливо попадает в сжатую и горяченную среду цилиндра.

Мало того, что они должны выдерживать вспышку топлива прямо под собой, еще и нагар на них не должен откладываться. Иначе вместо правильного распыла и факела в цилиндре — хаотическое горение с низким КПД и черным дымом. Для упрощения работы форсунок в свое время придумали перенести их из цилиндра в предкамеру — маленькое отделение рабочего цилиндра, соединенным с основным небольшими каналами. Но и у такого решения оказались минусы в виде трудного запуска и меньшей экономичности.

Точность дозы

Однако рано или поздно все проблемы с надежностью удалось решить, и встал вопрос том, как глобально избавить дизель от его спутников — шумной работы и дымного выхлопа. Исследования показали, что главная причина большинства дизельных проблем — избыточное количество топлива, попадающее на всех режимах в цилиндр. Причина этого явления также оказалась скрыта в природе системы питания мотора.

Топливо в обычном дизеле нагнетается в цилиндры специальным отдельным насосом — ТНВД. Он дозирует заряд солярки для каждого впрыска, и соединен с форсунками стальными трубками. Давление впрыскиваемого топлива велико — до 1000 бар. Жесткие, на первый взгляд, трубки, на самом деле при импульсах топлива внутри них раздуваются, словно питон, проглотивший кролика. По трубке пробегает волна, досылающая сверх меры в цилиндр нерегулируемое количество солярки.

Представьте себе, именно эти микрокапли солярки стали камнем преткновения дизелистов всего мира! В погоне за экономичностью производители увеличивали точность времени фазы впрыска с помощью роста давления, и эффект только увеличивался. Снова получился замкнутый круг. Выйти из него позволил радикально новый вид подачи топлива в цилиндр, который на самом деле при ближайшем рассмотрении ничего нового в себе не имел.

Вместо отдельного узла ТНВД, специалисты Volkswagen расположили насос-форсунки прямо над каждым цилиндром, избавившись от всяких трубок с пульсирующим высоким давлением. Приводились они распредвалом, также как и рядом расположенные клапаны.

Между прочим, такая же система была на первом отечественном грузовом двухтактном дизеле грузовика МАЗ-200, правда, там она не преследовала сверхэкономичных целей, а была скорее вынужденной мерой — наша промышленность с трудом осваивала обычные ТНВД. Насос-форсунки позволили поднять давление впрыска вдвое, однако сложность узла, требовательность к высококачественному топливу, невозможность регулировки в процессе работы и в сумме малый их ресурс заставил искать новые принципы.

Как обычный бензиновый впрыск

Самые современные системы дизельного впрыска Common Rail, позволяющие получить наконец требуемые характеристики по точности времени впрыска, его давлению и долговечности, с инженерной точки зрения получились полностью аналогичны бензиновым системам с непосредственным впрыском. Разница — в давлении, которое в отличие от 40–50 бар у бензиновых моторов, в системе Common Rail достигает 2000 бар.

Главное отличие от насос-форсунок — дешевое производство компонентов. Архитектурно эта система состоит из подкачивающего насоса в топливном баке (аналога обычного бензонасоса), установленного на двигателе, и приводимого от коленвала механического насоса высокого давления (постоянного, без пульсаций) и магнитоуправляемых форсунок. Для еще более точного дозирования топлива, вместо электромагнитных плунжеров, запирающих отверстие в форсунке, в последнем поколении Common Rail применены пьезофорсунки, в которых плунжер перемещается пьезокристаллом под действием тока.

Главное преимущество системы Common Rail — количество топлива можно точнейшим образом регулировать при помощи электроники. Система способна подавать в цилиндр две, три, четыре порции разного размера, и каждую — в свое время. Первая — минимальная, чтобы только образовалось горение. Следующие — в уже вспыхнувшую среду — полноценные, но не чрезмерные. Так инженеры добились отсутствия перерасхода топлива, копоти, а заодно и характерных стуков при работе дизеля.

Характеристики процессов горения тоже стали более оптимальными, позволив растянуть рабочий такт практически до длительности бензинового двигателя. Именно поэтому современные двигатели с системой Common Rail не только сверхэкономичны, но и тихи, а кроме того — раскручиваются чуть ли не до «бензиновых» оборотов с чисто дизельной легкостью.