ВЕЛ
» 23 май 2007, 09:38
Собственно из журнала Автомобиль и Сервис за 2006 год.
Читаем, внимаем, делаем выводы...
К сожалению первую часть пока не вытащил в текстовый формат, есть только PDF
Дизельный ликбез
Дизель против Даймлера. Часть 2
СЕРГЕЙ САМОХИН
Качественный способ регулирования является одним из наиболее важных отличий дизельного процесса. Вместе с особым характером смесеобразования и воспламенения топливовоздушной смеси он во многом определяет конструктивный облик, технические и эксплуатационные параметры дизельных двигателей.
Начнем с вопроса, поставленного в конце предыдущей серии. Как, имея преимущество в эффективном КПД в 10-12%, дизельным двигателям удается демонстрировать до 40% экономии топлива в сравнении с бензиновыми моторами?
Причина в еще одном, пожалуй, наиболее важном отличии дизельного процесса, которое часто упускают из виду, - в способе регулирования. Работа на гетерогенной топливной смеси дает возможность применять метод качественного регулирования выходной мощности двигателя. Он характеризуется тем, что количество поступающего в двигатель воздуха практически не изменяется (в дизелях без наддува). Мощность регулируется только изменением подачи топлива. В результате меняется интегральное качество топливной смеси (усредненный по объему коэффициент избытка воздуха ?). В дизельных двигателях он может варьироваться в широких пределах - от 1,1-1,2 в режиме максимальной нагрузки до 15-20 и даже более на холостом ходу. Выражаясь образно, можно сказать, что в режиме холостого хода дизель работает практически «на одном воздухе». Заметьте, что во всех случаях смесь остается «бедной».
Чтобы понять, как в дизельном двигателе удается сжигать бедные смеси, нужно еще раз припомнить, как протекает процесс смесеобразования. Как бы мало топлива ни было распылено в камере сгорания, именно в силу неоднородности концентрации паров топлива всегда сохраняется способность к локальному воспламенению и последующему сгоранию всего топливного заряда. Поэтому дизельный процесс свободен от ограничений для работы на бедных и сверхбедных смесях.
Эффективный КПД моторов сравнивают в режиме максимальной нагрузки. При этом лидерство дизелей выглядит довольно скромным. В действительности двигатель городского автомобиля большую часть времени (до 90%) работает в режиме частичной нагрузки, выдавая едва ли пятую часть максимальной мощности. В таких условиях в полной мере проявляются преимущества качественного регулирования. В то время как бензиновому мотору постоянно перекрывают «дыхание» дроссельной заслонкой, искусственно сокращая наполняемость цилиндров (за которую истово борются разработчики), дизель всегда «дышит» свободно, расходуя топливо существенно экономнее.
Бытует мнение…
Гетерогенность топливной смеси - «палка о двух концах». В том смысле, что она одновременно служит дизелям и недобрую службу. Речь идет о содержании вредных для окружающей среды компонентов в отработавших газах. Бытует мнение, что выхлопные газы дизельного двигателя менее токсичны. По всей вероятности, это представление сложилось в ту пору, когда единственными компонентами, содержание которых контролировалось, были монооксид углерода (СО) и несгоревшие углеводороды (СН). Действительно, концентрация этих веществ в «продуктах жизнедеятельности» дизеля ниже, чем у двигателей, работающих на бензине. Объясняется это тем, что дизельный процесс, как мы выяснили, протекает в условиях постоянного избытка воздуха. Это способствует более полному окислению указанных компонентов.
С другой стороны, работа на бедных смесях и более высокая температура в камере сгорания приводят к тому, что отработавшие газы дизельного двигателя содержат примерно вдвое больше чрезвычайно вредных оксидов азота (NOx). Их массовая доля в суммарном выбросе токсичных компонентов составляет от 30 до 80% . И это не все. Особенностью гетерогенных смесей является то, что при их сгорании всегда образуются так называемые твердые частицы. В основном они представляют собой свободный углерод в виде сажи. Токсичность частиц сажи определяется не углеродом, а адсорбированными на их поверхностях канцерогенными соединениями (полициклическими ароматическими углеводородами). Помимо сажи в составе твердых частиц присутствуют несгоревшие частицы топлива и масла, соединения серы и оксиды металлов, добавляемых в топливо и масло в качестве присадок. Наличие этих неотъемлемых «прелестей» дизеля в отработавших газах визуально проявляется в виде дымности - снижения прозрачности выхлопа вплоть до появления черного дыма. Твердые частицы имеют мелкодисперсную структуру, легко переносятся в воздухе и способны изрядно подпортить атмосферу и наше здоровье. Хуже всего, что от них очень сложно избавиться.
Выхлоп бензинового двигателя, в принципе, можно сделать сколь угодно чистым. Для этого с успехом применяют как активные, так и пассивные методы. Активные заключаются в оптимизации рабочего процесса, пассивные - в использовании каталитических нейтрализаторов. Активные меры борьбы с токсичностью выхлопа дизелей также применяются. Одна из таких мер - «нижнее» ограничение качества смеси значениями ? на уровне 1,1-1,2. Дальнейшее снижение избытка воздуха приводит к превышению допустимого уровня дымности. Кстати, из-за того, что в режиме максимальных нагрузок дизель вынужден работать на обедненной смеси, да еще и с меньшей частотой вращения, его удельная мощность обычно ниже, чем у бензиновых моторов.
Эффективным способом снижения токсичности выхлопа и одновременного повышения удельной мощности дизелей является применение принудительного наддува воздуха. С увеличением массы поступающего в двигатель воздуха появляется возможность впрыскивать большее количество топлива. При этом на всех режимах работы дизеля качество смеси поддерживается на уровне, обеспечивающем допустимую дымность. Наддув также является действенным средством уменьшения концентрации оксидов азота, так как подача дополнительного воздуха способствует снижению температуры в камере сгорания.
Дизель лучше приспособлен к применению наддува, который эквивалентен повышению степени сжатия. В то время как у бензинового мотора давление наддува ограничено детонационным порогом, дизельный мотор можно «надувать» сколько угодно. Единственное, что при этом нужно учитывать, - чтобы максимальное давление цикла не превысило допустимый уровень, определяемый прочностью конструкции. Существуют способы снижения максимального давления в камере сгорания, например изменение циклограммы впрыска топлива.
Что касается пассивных методов очистки отработавших газов, то тут у дизелей проблемы. Они возникают из-за присутствия в отработавших газах сажи. Она быстро (буквально в течение сотни километров пробега) выводит из строя любой нейтрализатор. В то же время создание эффективного и экономичного сажевого фильтра до сих пор остается нерешенной задачей. Так что тезис об экологическом превосходстве дизелей пока выглядит спорным.
Не бесспорно и распространенное мнение о более высоком ресурсе дизельных двигателей. С одной стороны, более прочная конструкция и меньшая частота вращения действительно должны способствовать меньшему износу. На эту же чашу весов можно также «положить» и применение в качестве топлива солярки, в меньшей степени смывающей масляную пленку со стенок цилиндров, чем бензин. С другой стороны, эти преимущества сводятся «на нет» высокой теплонапряженностью камеры сгорания и большими нагрузками, которые испытывают детали механизмов дизеля.
Скорее всего, высокий ресурс дизелей - миф, который сформировался потому, что дизель является атрибутом коммерческих автомобилей, для которых большой пробег является нормой. Поэтому среди «миллионников» дизели встречается значительно чаще. Имеющие существенно меньший годовой пробег бензиновые автомобили «умирают» раньше, и в большинстве случаев вовсе не по причине выхода из строя двигателя.
О потерях и приобретениях
Реализация иных способов смесеобразования и регулирования обусловливает ряд конструктивных отличий дизельных двигателей от бензиновых. Начать стоит с упоминания о том, чего дизели лишены. Лишены они, как известно, системы зажигания в составе всех ее компонентов за их полной ненадобностью. Помимо этого в большинстве дизелей отсутствует узел дросселя, так как нет необходимости регулировать расход воздуха. В некоторых конструкциях воздушная заслонка все же используется. Ее назначение сводится к тому, чтобы при работе двигателя в задроссельном пространстве создавалось некоторое разрежение, необходимое для функционирования устройств автомобиля, использующих вакуумный привод. Значительно чаще для этой цели применяется вакуумный насос, который приводится в действие от распределительного вала двигателя.
Нельзя сказать, что отсутствие системы зажигания значительно упростило конструкцию дизеля. Напротив, «утрата» с лихвой компенсировалась появлением системы предпускового подогрева со свечами накаливания или электрофакельными элементами, дополненными устройствами питания и управления, а также существенно более сложной и дорогостоящей системы топливоподачи, включающей топливный насос высокого давления (ТНВД).
По сложности конструкции и уровню применяемых при изготовлении технологий ТНВД вполне сопоставим с самим мотором. Достаточно сказать, что некоторые насосы, применяемые на дизелях современных легковых автомобилей, развивают давление до 2000 бар. При этом они обеспечивают заданный момент впрыска топлива в пределах угла поворота коленчатого вала ?1? и ювелирную точность его дозирования. Сложность и деликатность топливной аппаратуры дизеля чревата рядом не очень приятных последствий: повышенными требованиями к качеству топлива, увеличением стоимости обслуживания, ремонта и запасных частей.
Неотъемлемым элементом конструкции современных дизельных моторов являются устройства для принудительного наддува воздуха. В подавляющем большинстве случаев применяются турбокомпрессоры, приводимые в действие отработавшими газами. Давление выхлопных газов в дизеле в 1,5-2 раза выше (вследствие более высокой степени сжатия), а их температура на 200-300 ?С ниже, чем в искровых моторах. Поэтому турбонагнетатели эффективно работают практически во всем диапазоне частот вращения и демонстрируют высокую надежность. Механические нагнетатели с отбором мощности от коленчатого вала используются реже.
Так что воплощенные «в железе» идеи Дизеля оказались не менее сложными и одновременно более материалоемкими и дорогими. Несмотря на внешнюю схожесть с бензиновыми моторами, разработка и производство дизельных двигателей - особая история. Далеко не все автопроизводители берутся за это дело и не у всех одинаково хорошо получается. Известным мастером «дизельных дел» по праву считается фирма Isuzu. Ее продукцию нередко используют другие автоконцерны для комплектации дизельных версий своих автомобилей.
Преимущество в топливной экономичности и высокие тяговые характеристики дизельных двигателей давно обеспечили им победу в борьбе за первенство под капотом грузовых автомобилей. Что касается автомобилей легковых, то здесь на вопрос о превосходстве дизелей нет однозначно положительного ответа. Да, дизельный двигатель экономичнее, но выгода от его эксплуатации проявляется при очень больших ежедневных пробегах. В противном случае она обнуляется вследствие более частого и дорогого обслуживания. Ну а если «повезло» и пришлось выполнять ремонт, то «выгода» будет такая, что мало не покажется.
Да, дизель более тяговит и гибок в управлении, но одновременно отличается повышенной шумностью и вибрацией. Ничего не поделаешь - давление в камере сгорания и скорость его нарастания выше, да и масса деталей больше. По этой причине дизель пока не «вписывается» в конструкцию автомобилей высшего класса, где плавность и бесшумность играют определяющую роль.
Напрашивается вывод, не отличающийся оригинальностью: у дизелей всегда была и остается своя ниша – автомобили с интенсивной эксплуатацией, прежде всего коммерческие. С чем же в таком случае связан небывалый рост популярности дизельных «легковушек» у расчетливых европейцев? Возможно, это дань моде или следствие хитрой рекламной политики автопроизводителей, делающих упор на достоинства дизелей и умалчивающих об их недостатках. Хотя, не исключено, что эксплуатация нового автомобиля с современным дизельным мотором в условиях большой разницы в стоимости солярки и высокосортного бензина действительно оказывается более выгодной. Застрахованный от неожиданностей откатал гарантийный срок, сдал автомобиль в счет оплаты за новый и экономь дальше. В противном случае - смотри выше.
Итак, ни бензиновый мотор, ни дизель, имеющие как преимущества, так недостатки, пока не соответствуют идеальным представлениям об автомобильном двигателе. Скорее всего, идеал нужно искать где-то посередине между этими противоположностями единой сути, название которой - двигатель внутреннего сгорания. Справедливость этого предположения подтверждается жизнью. Налицо постепенный процесс сближения бензиновых и дизельных двигателей. Дизелисты работают над тем, чтобы, сохранив преимущество дизельного процесса, качественное регулирование, нивелировать недостаток - гетерогенный характер смеси, сделав ее более однородной. Успех в этом направлении связывают с совершенствованием процесса распыливания топлива и использованием альтернативных тяжелых топлив, обладающих лучшей способностью к гомогенизации смеси.
В свою очередь, разработчики бензиновых моторов стремятся к тому, чтобы их изделия по ряду параметров приблизились к дизелям. Борются за повышение степени сжатия и экономичности, применяют непосредственный впрыск топлива, экспериментируют с использованием неоднородных по составу, обедненных смесей, добиваются улучшения тяговитости и эластичности искровых моторов. Нельзя не отметить, что это им удается. Поэтому вполне вероятно, что усилия «с обеих сторон» вскоре приведут к созданию идеального автомобильного двигателя, сочетающего в себе лучшие черты бензиновых и дизельных моторов.
Редакция благодарит доктора технических наук, директора Ассоциации «НАМИ АСД» Георга Тер-Мкртичьяна, а также специалистов ООО «Роберт Бош» за помощь в подготовке статьи.
Че то в памяти такой цифер отбился.
Сейчас на бенз скидка 80 000 рэ.
