Выбор сделан

В 1996 году «Фольксваген» первым освоил легковой дизель с неразделенной камерой сгорания («непосредственным впрыском») на «Гольфе» третьего поколения. Преимущества таких моторов по сравнению с предкамерными трудно переоценить. Это высокая эффективность процесса сгорания и соответствующая ей экономичность, большой потенциал для форсирования двигателя и лучшие экологические показатели. В пассиве – «жесткость» работы, которую научились побеждать, и высокие требования к топливной аппаратуре.

Прежде такие моторы применяли в основном на грузовиках. Там экономичность и отличные удельные показатели давно позволили закрыть глаза на чуть большие шум и вибрации. На легковых автомобилях 80-х преобладали предкамерные дизели, работающие заметно мягче.

Форсунки сложной конструкции обеспечили «непосредственному» дизелю двухфазный впрыск. Основной дозе топлива предшествовала так называемая пилотная. Так удалось уменьшить испарение горючего в камере сгорания в период задержки самовоспламенения. Двигатель стал работать мягче. Впрочем, двухфазный впрыск оказался лишь временным решением. Далее пути разделились – часть производителей во главе с «Фольксвагеном» выбрала насос-форсунки, сделав ставку на высокое давление впрыска и точное дозирование. Остальные выбрали систему с накопительной магистралью «коммон рейл», где при несколько меньшем давлении больше возможностей управления впрыском.

ОБЩИЙ ПУТЬ

Сегодня система с общей магистралью готова на равных сражаться с насос-форсунками. Еще несколько лет назад давление впрыска в системах «коммон рейл» не превышало 130 МПа, но вскоре конструкторы вышли на рубеж в 160 МПа. Однако и это не вершина: «Тойота» уже заявила о 180 МПа (сегодня насос-форсунки серийных моторов достигли 205 МПа). Один из первых образцов – новейший двигатель D-4D Clean Power.

В насос-форсунках закон впрыска задан раз и навсегда сечением каналов и жесткостью пружин, управлять можно только началом впрыска и количеством подаваемого топлива. А в большинстве ныне применяемых схем с общей магистралью соленоиды командуют открытием форсунок. У «Тойоты» процессом впрыска оперативно управляют пьезо-элементы.

Каждая форсунка D-4D Clean Power оснащена блоком керамических пьезоэлектрических элементов. Когда подается напряжение, элементы расширяются практически мгновенно, позволяя быстро открыть форсунку. Быстродействие пьезоэлементов и высокое давление в «общей магистрали» помогает впрыснуть весь объем топлива за меньший промежуток времени. Специалисты говорят – улучшается характеристика впрыска, способствуя более тонкому распылу топлива и эффективному сгоранию. Мотор D-4D Clean Power отличает также пониженная степень сжатия и высокое давление наддува – во благо экономичности. А специально разработанные керамические свечи накаливания облегчают холодный пуск.

Это, так сказать, активные меры по достижению экономичности и высоких экологических показателей. Но есть и «пассивные». В ходе разработки устройства D-CAT «Тойота» получила более 1600 патентов. Сердце системы – четырехступенчатый каталитический нейтрализатор. Причем дожигающий и окислы азота, и сажевые частицы! Эффективность нейтрализатора напрямую зависит от управляющей электроники «коммон рейл». Но даже высокие технологии впрыска не в силах обеспечить идеальный состав выхлопных газов. Потребовалось оснастить выпускной коллектор еще одной, пятой форсункой – Exhaust Port Injector (EPI). Периодически EPI впрыскивает дополнительную порцию топлива и восстанавливает состав газов, необходимый для эффективной работы нейтрализатора D-CAT.

Проиллюстрируем эту сложную конструкцию цифрами. Во-первых, в зависимости от режима работы токсичность выхлопа новых двигателей на 50–80% меньше, чем требуют жесткие европейские нормы Евро IV. Во-вторых, серийный мотор обещает перещеголять по мощности всех конкурентов в «весовой категории» от 1,9 до 2,2 л. По уверению специалистов «Тойоты», мощность двигателя достигнет 132 кВт/180 л. с., а крутящий момент – 400 Н.м.

ОТКУДА ДУЕТ ВЕТЕР?

Дизели все чаще появляются под капотами престижных автомобилей, зачастую становясь одними из самых мощных в двигательном ряду. Один из лидеров в дизельной гонке за киловатты – фирма БМВ. Яркий пример – технологии Variable Twin Turbo («Битурбо») применительно к дизельным моторам.

Старую идею идеально уравновешенной рядной «шестерки» решили объединить с передовой технологией наддувной в 3-литровом двигателе для седана и универсала БМВ-535d. Его работу мы подробно описывали (ЗР, 2004, № 9). А вот достигнутые результаты напомним: 500 Н.м крутящего момента уже при 1250 об/мин, 560 Н.м при 1750 об/мин. Максимальная мощность 200 кВт/272 л. с. при 4400 об/мин. Этому двигателю с удельной мощностью 90 л. с./л и крутящим моментом 187 Н.м/л принадлежит неофициальный рекорд среди серийных дизелей.

Одна из самых сложных задач, по признанию фирмы, состояла в синхронизации работы турбин и контроля над перепускным воздушным клапаном. Задачу решили с помощью процессора. Электроника же позволила вписать мотор в рамки Евро IV. Конечно, не без помощи сажевого фильтра: им оснащены все новейшие дизели БМВ «по умолчанию».

Динамические показатели БМВ-535d впечатляют: до 100 км/ч машина ускоряется всего за 6,6 с, а максимальная скорость, скорее всего, выше 250 км/ч, «разрешенных» электроникой.

Рубеж 100 л. с./л для серийных дизелей с наддувом пока не преодолен. Как долго он устоит? Чтобы достичь подобных характеристик, двигатель должен развивать давление наддува не менее 200 кПа. Конструкторам будет непросто обеспечить мотору со столь высоким давлением наддува приемлемую, удобную внешнюю скоростную характеристику. Недостаток известных устройств наддува – с ростом давления сужается диапазон оборотов, в котором доступен высокий момент.

Сложная система наддува на БМВ – только один из путей решения. Возможно, конструкторы предпочтут экзотический турбокомпрессор, раскручиваемый вспомогательным электромотором, или оснастят автомобиль каким-нибудь причудливым вариатором с небывало широким диапазоном передаточных чисел? Или автоматизированной восьмиступенчатой коробкой передач? А еще можно включить такой дизель в состав гибридной силовой установки, которая будет исправлять «неправильную» кривую. Инженерам есть над чем подумать, а студентам – где проявить фантазию.

ЧЕТ-НЕЧЕТ

В последние годы стал актуальным вопрос – сколько цилиндров нужно современному дизелю в том или ином классе? Сейчас выпускают не только многоцилиндровые легковые машины, но и трехцилиндровых «малышей». Количество последних в ближайшее время возрастет: безнаддувные дизели окончательно уходят в прошлое, а мощность двухлитровых наддувных агрегатов избыточна для миниатюрных машин. Почему двухлитровых? При четырех цилиндрах у них близкий к оптимуму объем каждого – 500 смз. Чем больше объем цилиндра, тем эффективней пойдет процесс сгорания, но высокие обороты не для моторов с тяжелыми поршнями и шатунами, да и размеры силового агрегата сильно возрастают. При малом (около 300 смз) заметно страдает термодинамическая эффективность, а вместе с ней и экономичность.

Двигатели «Смарт Фо-Фо» фирмы «Мерседес-Бенц» интересны именно нестандартной трехцилиндровой схемой. Они развивают 50 кВт/68 л. с. и 70 кВт/96 л. с., да и объем вполне «взрослый» – 1,5 л. Агрегаты чрезвычайно компактны и развивают высокий момент (160 и 210 Н.м) при 1600 и 1800 об/мин при среднем расходе топлива всего 4,6 л. Давление впрыска в «коммон рейл» достигает 160 МПа – отсюда исключительная тонкость распыла и благоприятные условия сгорания.

А как же неуравновешенные силы инерции? Эту проблему решают балансирные валы и двухмассовый маховик. Кстати, ныне они не редкость и на четырехцилиндровых моторах.

«Современность» легкового дизеля определяют не блок и головка цилиндров, а в первую очередь топливная аппаратура и управление наддувом. Без них не добиться рекордных показателей. Впрочем, не стоит сбрасывать со счетов и проблему топлива. С ростом цен на нефть окажется востребованным синтетическое горючее, сырьем для которого могут служить и растительные масла, и каменный уголь, и природный газ. Нефтяные компании вкладывают немалые средства в технологии альтернативных топлив. Они призваны помочь не только решению экологических проблем, но и достижению еще более высоких мощностных и экономических показателей.

Моторов, способных выполнить Евро IV без помощи сажевых фильтров, пока немного. Грядущие Евро V с ужесточением выбросов окислов азота окажутся еще более твердым орешком. Впрочем, проблемы не обязательно решать «в лоб». Опыт грузовых дизелей доказывает, что с ними можно справиться с помощью окислительных нейтрализаторов с впрыском мочевины. Ждет ли легковые машины такая участь? Это станет ясно в ближайшие четыре-пять лет. Если технология приживется, то главный вопрос Евро V можно считать решенным. А раз так – триумфальное шествие дизелей продолжится.

Не будем загадывать на послезавтра, но свой выбор на день завтрашний европейцы сделали.