Дизель или бензин?

Специалисты в области энергетики на сегодняшний день не видят реальной и единой альтернативы традиционному автомобильному топливу, производимому из нефти. Даже, несмотря на рост популярности автомобилей с электротягой, увеличение доли гибридных силовых установок и активные исследования в области водородного топлива, ученые по-прежнему отдают ключевую роль в вопросе повышения энергоэффективности транспорта, особенно грузового, классическим дизельным технологиям.

По мнению специалистов, планируемым к 2020 году новым европейским нормам по выбросам CO2 (не более 95 г/км) при минимуме дополнительных трат возможно будет соответствовать исключительно за счет дизельных технологий, способных обеспечивать более высокие показатели в плане экономичности и, прежде всего, экологичности по сравнению с бензиновыми моторами.

Не секрет, что главную роль, позволяющую дизелю одерживать верх над бензином в данном вопросе, играет система впрыска топлива. Именно совершенствование систем впрыска и даст конструкторам двигателей возможность вписаться в рамки новых экологических требований и параллельно с этим снизить потребление топлива, а также повысить надежность моторов.

На сегодняшний день дизельные силовые агрегаты комплектуются тремя вариантами систем впрыска: наиболее распространенная Common Rail, система с единичными насосами в блоке цилиндров и система, использующая насос-форсунки с электронным управлением.

Аккумуляторные системы

Ведущей системой впрыска на рынке дизельных технологий является система Common Rail, относящаяся к классу аккумуляторных систем, т.е. систем, подающих топливо к форсункам непосредственно из общего аккумулятора, в который топливо закачивается под высоким давлением, позволяющим осуществлять многократные и разделенные по времени циклы нагнетания и впрыска топлива. Такой подход гарантирует более точную регулировку моментов начала подачи топлива и обеспечивает возможность многократного впрыска в рамках одно цикла работы двигателя. При этом впрыск может быть основным, предварительным или дополнительным, чаще всего используемым для регенерации фильтра твердых частиц.

Топливная аппаратура типа Common Rail способна поддерживать постоянное давление в системе, абсолютно не зависящее от оборотов двигателя. Достигается это за счет применения плунжерных насосов (радиального типа на легких агрегатах и линейного типа на средних или тяжелых дизелях). Кроме того, управлением работой насоса занимается электронная система, практически исключающая потери давления.

В системах Common Rail используется два вида форсунок. Наибольшую распространенность имеют электрогидравлические форсунки, осуществляющие впрыск за счет электромагнитного клапана. Впрочем, в последние годы они активно вытесняются более эффективными пьезофорсунками в которых используются пьезокристаллы, повышающие скорость работы форсунки примерно в 4 раза.

В список крупнейших компаний, занимающихся выпуском топливной аппаратуры аккумуляторного типа, входят корпорации Bosch, Delphi и Denso. При этом лидером по производству систем типа Common Rail является немецкий концерн Bosch, создавший данную технологию в 1997 году. Позднее (в 2005 году) специалисты Bosch вывели на рынок и пьезофорсунки, не только улучшив качество дизельных систем впрыска, но и сформировав новое направление для развития дизельных технологий.

Работая над совершенствованием технологий Common Rail, разработчики представили в прошлом году форсунку CRSN3-25, поддерживающую максимальное давление до 2500 бар. Данная новинка ориентирована на сегмент средних, а также тяжелых грузовых автомобилей и имеет три важные особенности, отличающие ее от моделей предыдущего поколения. Во-первых, это особая конструкция канала высокого давления, снижающая объем утечки топлива в дренажную магистраль. Во-вторых, новинка обеспечивает более тонкий распыл и прекрасно гармонизирует с системами нейтрализации отработавших газов. И, в-третьих, новая форсунка адаптирована под работу с системами «Старт-Стоп», использующими частые и быстрые пуски двигателя.

Известно, что в 2012 году суммарное производство систем Common Rail превысило 75 млн. комплектов, при этом большую часть по-прежнему занимают системы с электрогидравлическими форсунками, так как их стоимость пока на порядок ниже, чем систем с пьезофорсунками. К выгодным преимуществам систем Common Rail, прежде всего, стоит отнести простоту их адаптации к силовым агрегатам, изначально ориентированным на работу с ТНВД, имеющим механическое управление и привод от распредвала. Особенно важно данное преимущество для производителей, занимающихся модернизацией собственных двигателей под новые требования экологических стандартов. К примеру, системы Common Rail использовались для приведения к нормам Евро-4 моторов ЗМЗ-51432.10, ММЗ Д-245 и Д-263, а также КАМАЗ-740.64.

Интегральные системы

Несмотря на рост объемов использования технологий Common Rail, пока что не собираются уходить на покой и, так называемые, интегральные системы впрыска топлива, представленные индивидуальными насосными узлами (системы типа PLD) и системами типа PDE с насос-форсунками.

В системах PDE применяются насос-форсунки, установленные в головке блока. Их количество соответствует количеству используемых на двигателе цилиндров, а привод осуществляется от распредвала. Работой насос-форсунки руководит специальный соленоидный клапан, управляемый электронной системой управления двигателем в соответствии с заданной программой, что позволяет обеспечивать сверхточную регулировку момента начала впрыска и скорости потока подаваемого топлива. Система PDE довольно часто применяется на двигателях, оснащенных функцией отключения части цилиндров при малых нагрузках.

В свою очередь системы PLD состоят из инжекторов, коротких трубопроводов и блока высокого давления, имеющего электромагнитный клапан, регулирующий подачу топлива. Для каждого цилиндра предусмотрен самостоятельный модуль, встроенный для повышения жесткости конструкции в корпус блока цилиндров.

На сегодняшний день системы типа PDE и PLD, выпущенные концерном Bosch для средних и легких дизелей, активно используются на автомобилях Volkswagen (особенно с двигателями TDI), а также грузовиках Mercedes-Benz и Iveco.

Что касается рынка тяжелых дизельных моторов, то здесь у Bosch есть серьезный конкурент в лице английского концерна Delphi, специализирующегося на выпуске насосных секций типа EUP и насос-форсунок класса EUI. Топливная аппаратура Delphi используется более чем на 6 млн. грузовых автомобилей таких производителей как Renault Trucks, DAF, Volvo Trucks и Hyundai.

Для сверхмощных двигателей с рабочим объемом от 9 до 16 литров англичане предлагают топливную систему марки F2, имеющую три варианта исполнения: F2P – для моторов с нижним расположением распредвала; F2E – для моторов с верхним расположением распредвала (в головке блока цилиндров); F2R — стандартная Common Rail c рампой и ТНВД. По сути, топливная аппаратура F2 – это технологии Common Rail, дополненные насос-форсунками. Преимущество данного решения заключается в соединении насос-форсунок с общей топливной рампой высокого давления, что позволяет снизить количество насосных элементов в системе, уменьшая тем самым потери энергии в приводе.

В 2014 году в рамках выставки IAA, прошедшей в Ганновере, концерн Delphi частично раскрыл информацию о следующем поколении своих технологий, рассчитанных на давление до 3000 бар. По данным компании, следующее поколение топливных систем получит более легкие и уменьшенные в размерах клапана, что позволит увеличить скорость из открытия/закрытия, нарастив тем самым возможности для многократного впрыска. Новое поколение систем Delphi обеспечит более высокую гидравлическую эффективность и поможет заметно снизить выбросы вредных веществ.

Самостоятельные топливные системы

Далеко не все производители дизельных двигателей предпочитают использовать готовые решения от мировых лидеров рынка топливной аппаратуры. Некоторые компании, в первую очередь занимающиеся производством тяжелых моторов, нередко самостоятельно разрабатывают различные вариации топливных систем, стараясь снизить расходы на производство или же создать специализированные решения с более широкими возможностями.

Примером подобных компаний-разработчиков можно считать американский концерн Caterpillar, который, помимо традиционных решений, активно продвигает собственную разработку, получившую название HEUI (Hydraulically Electronically Unit Injection). Данная аппаратура впрыска топлива использует насос-форсунки, снабженные гидравлическим приводом, т.е. вместо классического кулачка используется специальный гидроцилиндр, наполняемый за счет отдельного насоса моторным маслом под давлением, превышающим 250 бар. Кроме того, осуществляющий управление впрыском электромагнитный клапан перенесен из топливного канала в канал подачи масла, что, впрочем, не мешает реализовывать в системе HEUI различные алгоритмы впрыска, в том числе и многоэтапные. Впервые система HEUI появилась на рынке в 1992 году и на сегодняшний день хорошо известна по двигателям марки С7, С9 и С11. Более того, весьма активно HEUI применяется на силовых установках, выпускаемых компаниями International, Perkins и Isuzu.

Нечто похожее реализовано и на двигателях, выпускаемых концерном Navistar International под маркой PurePower. Тяжелые дизельные агрегаты данного производителя снабжаются электрогидравлической системой впрыска ACR, имеющей гидропривод насос-форсунок. При этом системы типа ACR, давление впрыска в которых может достигать 2700 бар, выпускаются в двух вариантах исполнения: для рядных моторов с 6-ю цилиндрами и для 8-цилиндровых агрегатов, имеющих V-образную конструкцию.

Помимо вышеуказанных на рынке присутствуют и системы, использующие гидравлику не для создания высокого давления в системе подачи топлива, а непосредственно для управления впрыском. Подобные системы, использующие диз.топливо в качестве рабочей жидкости гидропривода, относятся к типу HPI (High Pressure Injection) и активно применяются на двигателях марки Cummins и Scania.

Топливная аппаратура типа HPI комплектуется двухсекционными насос-форсунками, где одна секция выполняет роль рабочей камеры, из которой топливо впрыскивается в камеру сгорания, а вторая является «командной» камерой. От давления находящегося в командной камере топлива зависит продолжительность и момент впрыска, при этом контроль давления осуществляется посредством соленоидного клапана. Существенными преимуществами систем HPI можно назвать низкий уровень шума, дополнительный подогрев топлива и недорогой ремонт, так как управляющие соленоиды располагаются на блоке цилиндров, что упрощает их замену.

Свое, родное

В 2013 году Ярославский завод дизельной аппаратуры, входящий в концерн «Группа ГАЗ», отметил выпуск 1000-го топливного насоса для систем типа Common Rail. Отечественная разработка, полностью собираемая из российских комплектующих и ориентированная на эксплуатацию в моторах V-образной компоновки, стала первой подобной конструкторской работой на постсоветском пространстве. В основе изделия лежит насос «Компакт-40», а сама новинка, отвечающая требованиям стандарта Евро-4, получила наименование ТНВД мод. 47. Инвестиции в разработку и наладку серийного выпуска составили порядка 26 млн. рублей, а заказчиками выступили предприятия концернов «Группа ГАЗ» и КАМАЗ, а также завод ММЗ. Разработчикам удалось максимально адаптировать уже имеющиеся в производстве серийные детали для выпуска нового продукта, что помогло снизить себестоимость ТНВД мод. 47 и исключить необходимость закупки нового металлорежущего оборудования, а это значит, что полномасштабный выпуск новинки будет развернут в кратчайшие сроки.