Как работает наддув двигателя TDI

Система наддува двигателя TDI при работе обеспечивает оптимальное давление воздуха в большом диапазоне частоты вращения двигателя. Это осуществляется благодаря регулированию энергии потока отработавших газов.

При малых оборотах двигателя энергия отработанных газов небольшая. Чтобы такую энергию эффективно использовать, направляющие лопатки устанавливают в закрытом положении, при котором достигается наименьшее значение площади канала отработавших газов. Из-за малой площади сечения поток отработанных газов увеличивается и заставляет турбину вращаться быстрее, что, в свою очередь, приводит во вращение колесо компрессора и тем самым повышается производительность турбокомпрессора.

При резком увеличении частоты вращения двигателя энергии отработанных газов становиться не хватать. В связи с этим для прохождения «турбоямы» поворот лопаток осуществляется с некоторой задержкой, что обеспечивает допустимое давление наддува.

Энергия отработанных газов максимальна на высоких оборотах двигателя. Чтобы предотвратить появление избыточного давления наддува, лопатки делают поворот на максимальный угол, обеспечивая тем самым наибольшую площадь поперечного сечения канала.

Показатели экономичности и токсичности различных типов двигателей

приведены в таблице 21.6.

Таблица 21.6

Сравнительные данные по удельному расходу топлива и эффективному КПД

Аккумуляторы энергии.

Масса и размеры топливного бака или аккумулятора должны быть мини-

мальными. С этих точек зрения наиболее приемлемым топливом (аккумулято-

ром энергии) является бензин и дизельное топливо.

Хотя атомная энергия обладает наибольшей плотностью энергии, однако

способы ее высвобождения очень сложны, а обеспечение защиты от радиации

обладают большими размерами и массой, поэтому она нашла применение на

АЭС и больших судах, и вряд ли в ближайшее время ее можно будет использо-

вать в тракторах и автомобилях.

Ниже приведена плотность энергии, запасаемой в различных аккумуляторах.

Таблица 21.9

ОБИТЕЛЬ ЗЛА

Каждые пять лет в Европе прини-

мают новые экологические нормы.

Как назло, наибольшие ужесточения

касаются тех выбросов, которые

более характерны для дизеля, - речь

об оксидах азота и твердых частицах.

От Евро-3 до Евро-6 допустимый уро-

вень понизили соответственно в восемь

и десять раз.

Даже при нормальном сгорании

дизельного топлива неизбежно образо-

вание твердых частиц - сажи. А режи-

мов неполного сгорания предостаточно,

причем в каждом выбросы сажи повы-

шаются многократно. Пресловутые

оксиды азота образуются в камере сго-

рания при высокой температуре и боль-

шом избытке воздуха в топливовоз-

душной смеси, на котором, собственно,

и работает дизельный двигатель. Из-за

этого же избытка воздуха привычный

нейтрализатор не способен их обезвре-

живать.

Для начала инженерам пришлось

внедрить систему рециркуляции отра-

ботавших газов (EGR), которая направ-

ляет часть их обратно на впуск. Многие

думают, что это нужно просто для

дожигания выхлопных газов. Отчасти

так, но основная задача - снизить коли-

чество кислорода в свежей топливо-

воздушной смеси и сбить температуру

сгорания в цилиндре. Иногда системой

рециркуляции снабжают и бензино-

вые двигатели. У дизеля она состоит из управля-

ющего клапана,

охладителя потока газов

и впускного запорного клапана.

Управляющий клапан EGR уста-

новлен на стороне выпуска и отво-

дит отработавшие газы (ОГ) обратно

на впуск. Его работой заведует модуль

управления двигателем. Также в клапан

встроен датчик положения. Преду-

смотрена функция самоочистки:

при выключении двигателя клапан

несколько раз открывается и закры-

вается. При выходе из строя системы

EGR он остается закрытым. Однако

нередки случаи, когда отложения сажи

и коррозия со временем приводят

к залипанию клапана в открытом поло-

жении. Дизельный мотор и так не отли-

чается внутренней чистотой, вдобавок

постоянно на впуск будет возвращаться

полная порция ОГ, что снизит ресурс

элементов двигателя и его мощность.

Охладитель EGR работает как

интеркулер в системах наддува. Охлаж-

денные газы имеют большую плот-

ность, а значит, влекут больший расход.

Дополнительно они еще сильнее сби-

вают температуру сгорания в цилиндре.

В некоторых режимах двигателя такая

интенсивная рециркуляция во вред: она

ведет к неполному сгоранию топлива -

например, при пуске и в режиме про-

грева. Чтобы избежать этого, в систему

встроен клапан, который направляет газы в обход

охладителя

и дополнительно

предохраняет

его от осаждения

конденсата из-за

слишком низкой температуры.

Впускной запорный клапан - не что

иное, как дроссельная заслонка, которая

стоит во впускном тракте перед каналом

подачи отработавших газов. При необ-

ходимости она закрывается почти напо-

ловину, уменьшая поперечное сечение

впускного трубопровода. За счет этого

во впускном коллекторе создается

разрежение и растет интенсивность

рециркуляции ОГ. По факту для работы

самого двигателя она не используется,

за исключением момента его более мяг-

кой остановки, когда заслонка полно-

стью закрывается и прекращает подачу

воздуха. У дизеля - качественное регу-

лирование топливовоздушной смеси,

то есть меняются только параметры

впрыска топлива. При отказе заслонка

полностью открывается. Функция само-

очистки срабатывает после выключения

двигателя, когда дроссель несколько раз

полностью открывается и закрывается.

О неисправности системы рецир-

куляции отработавших газов сигна-

лизирует лампа Check. Диагностику

проводят в основном с помощью

компьютера. Хорошее самочувствие

системы да и самого мотора продлят

периодические поездки за город без пробок, дабы немного очистить их

от нагара, а также применение рекомен-

дованного моторного масла и заправка

на проверенных АЗС. Продукты сгора-

ния сомнительной солярки и дешевого

масла бумерангом вернутся в двига-

тель.

ТРУБОЧИСТ

Дальше экологи начали сильно при-

жимать двигателистов насчет выбросов

сажи. Для этого окислительный нейтра-

лизатор, который борется с выбросами

СО и СН, дополнили дизельным саже-

вым фильтром (DPF). Чаще их объеди-

няют в одном корпусе, но встречаются

и раздельные конструкции.

Фильтр DPF напоминает обычный

нейтрализатор. Разница в том, что он

именно накапливает в себе частицы

сажи и производит их дожигание -

регенерацию. Для процесса нужна

температура около 600 градусов. При обычных условиях температура отрабо-

тавших газов дизеля - от 150 до 300 °С,

а воздействием на управление двига-

теля ее можно поднять только до пяти-

сот. Проблему решают двумя путями.

Следуя первым, каналы фильтра покры-

вают платиной. Этот каталитический

слой снижает температуру сгорания

сажи до нужных 500° и ускоряет сам

процесс. Второй путь - использовать

в качестве катализатора присадку

к топливу, для которой предусмотрен

небольшой дополнительный бак.

После регенерации остаются

зольные остатки, которые заполняют

фильтр. Образуются они из моторного

масла и топлива, преобразовать их

во что-либо невозможно. Полезный

объем фильтра уменьшается, сокраща-

ются интервалы регенерации. Фильтр,

забитый окончательно, заменяют.

Фильтр с каталитическим слоем

дополнен датчиком разности давлений, датчиками температуры отработавших

газов и лямбда-зондом. Датчик давле-

ния определяет разницу давлений ОГ

до и после фильтра DPF. По разности

давлений определяется количество

накопленной сажи: чем она больше,

тем сильнее забит фильтр. По этому же

параметру оценивается состояние

самого фильтра. Слишком сильный

перепад давлений «мозг» двигателя

расценивает как засорение фильтра,

зажигает лампу Check и переходит

в аварийный режим работы. Анало-

гично он поведет себя и в случае слиш-

ком низкого перепада, приписав его

повреждению фильтра. Также сигнал

датчика служит для контроля процесса

регенерации.

В зависимости от сложности

системы используют от двух до трех

датчиков температуры ОГ, размещен-

ных на корпусе фильтра. Передний

датчик на входе в окислительный нейтрализатор определяет, достиг-

нута ли его рабочая температура. Сред-

ний - на входе фильтра DPF - сигна-

лизирует о температуре, необходимой

для регенерации. Задний (в более про-

стых системах не используют) ставят

на выходе для контроля температуры

выхлопных газов в процессе. По пока-

заниям рассчитывается количество сго-

ревшей сажи.

Лямбда-зонд находится за сажевым

фильтром, его показания нужны для

более точного определения количества

сгоревшей сажи.

Система с топливной присадкой

устроена и работает по похожему прин-

ципу. В ней нет лямбда-зонда и только

один датчик температуры ОГ. В зави-

симости от уровня топлива из допол-

нительной емкости (примерно на пару

литров) в основной бак впрыскивается

присадка. При работе двигателя она,

осаждаясь на частицах сажи в фильтре

DPF и его каналах, выступает как ката-

лизатор.

За регенерацию отвечает блок управ-

ления двигателем. Когда уровень нако-

пления сажи превышает 60%, «мозг»

начинает искать подходящие усло-

вия движения. Обычно это скорость

от 40 км/ч при оборотах свыше 2000.

В таких условиях различными спосо-

бами (как правило, это дополнительный

впрыск и закрытие управляющего кла-

пана EGR) температура ОГ повышается

до 500°. Запущенный процесс контро-

лируется датчиками давления и темпе-

ратуры, так как разогрев свыше 1000°

может повредить фильтр DPF.

В идеальных условиях полная

регенерация занимает 15 минут.

(Не паникуйте, если вдруг из выхлоп-

ной трубы пойдет белый дым, а потом

так же неожиданно исчезнет: это сво-

еобразный побочный эффект.) Харак-

терных интервалов ее проведения нет,

так как каждый автомобиль эксплуати-

руют по-своему.

Однако в реальных условиях всё

сложнее. Постоянная езда в пробках на короткие расстояния препятствует

нормальной регенерации. Она может

стартовать неоднократно и ни разу

не завершиться. Рано или поздно

система начинает просить помощи.

При достижении накоплений сажи

в 80% загорается сигнальная лампа

DPF. В этом случае еще есть надежда

на автоматическое протекание про-

цесса, если поездить продолжительное

время вне пробок. При 100-процент-

ной заполненности лампа начинает

постоянно мигать. В блоке управления

двигателя сохраняется ошибка, и он

переходит в аварийный режим с огра-

ничением впрыска топлива. В этом слу-

чае следует ехать в сервис, где прове-

дут регенерацию вручную с помощью

диагностического компьютера. Но если

пропустить и это предупреждение...

Когда накопления сажи достигнут

140%, загорается Check - двигатель

еще сильнее придушен, однако при-

нудительную регенерацию все еще

можно выполнить. При 200% фильтр

уже не спасти. А ведь его цена доходит

до 100000 рублей...

Без компьютера диагностику

системы не произвести. Для ее нор-

мальной работы требуется качествен-

ное топливо с низким содержанием

серы и периодическая езда вне пробок.

Любые металлосодержащие присадки

приводят к повышенному образованию

золы в сажевом фильтре и сокращению

интервалов регенерации.

ТРОЙНОЙ ТУЛУП

При дополнительной подаче топлива

в процессе регенерации оно попадает

в моторное масло, вызывая его раз-

жижение. Поэтому на масляном щупе

дизельного двигателя иногда можно

увидеть три метки: две привычные

(минимум и максимум) и еще метка

максимального уровня разжижения.

Модуль управления двигателем

способен сам рассчитывать уровень

разжижения по продолжительности

и интервалам регенерации. По дости-

жении определенного порога на щитке

появляется та или иная индикация.

Полностью полагаться на электро-

нику не стоит, нужно периодически

контролировать уровень по щупу.

Даже не достигнув предела разжи-

жения, масло заметно теряет свои

эффективные свойства, а продукты

его сгорания дополнительно забивают

сажевый фильтр. Не ждите до послед-

него и замените масло пораньше.

При наличии DPF нужно использовать

масло с пониженной зольностью, иначе

интервалы регенерации с повышением

расхода будут сокращаться, а масло,

следовательно, станет еще быстрее

терять плотность.

ДОРОГА В АД

Очередное предписание снизить

выбросы оксидов азота заставило

инженеров еще больше усложнить

дизельный мотор. А ведь некоторые

уже дошли до предела возможностей

ограничивать их образование в цилин-

дре двигателя. Знакомьтесь: система

селективной каталитической нейтра-

лизации (SCR). Увидеть ее можно

не только на грузовиках, но и, к при-

меру, на дизельном кроссовере «Мазда

СХ-7», предназначенном для европей-

ского рынка. В выхлопную систему

добавили еще один нейтрализатор-пре-

образователь и бак с присадкой - кар-

бамидом (мочевиной). Этот раствор

AdBlue впрыскивается в нейтрализатор

и превращает оксиды азота в безвред-

ные вещества.

Преобразователь состоит из двух

частей: цеолитного нейтрализатора

и нейтрализатора проскальзывания.

Цеолит - это каталитическое покры-

тие, благодаря которому происходит

реакция между карбамидом и оксидами

азота. При этом выделяется аммиак,

он и нейтрализует оксиды. Иногда

непрореагировавший аммиак прохо-

дит дальше. Для его обезвреживания

служит вторая часть - нейтрализатор

проскальзывания. Смеситель перед пре-

образователем SCR обеспечивает почти

равномерное распределение карбамида

в потоке ОГ и помогает его испарению.

Датчик NOx (оксидов азота) кон-

тролирует очистку ОГ. Работает он ана-

логично кислородному датчику. При-

чем подключен к отдельному модулю

управления и представляет с ним еди-

ный блок.

В бак для AdBlue объемом

15 литров встроены насос и подогрева-

тель. Сам раствор безвреден, но начи-

нает замерзать уже при -11°. По регла-

менту его надо пополнять и иногда

обновлять. Форсунка стоит перед ней-

трализатором SCR и впрыскивает кар-

бамид на смеситель. Управляет работой

системы отдельный модуль. Индикация

SCR в основном связана с малым коли-

чеством жидкости. При неисправности

она дополняется «чеком». В некоторых

случаях возможна блокировка пуска

двигателя.

Как и в других системах, диа-

гностика возложена на компьютер.

Система очень требовательна к каче-

ству топлива, потому-то большая часть

проблем именно из-за него.

Итак, вывод. Следите за лампоч-

ками на щитке, не экономьте на топливе

и маслах, время от времени выводите

машину на загородную прогулку

и не ленитесь проверять уровень

масла - тогда ваша совместная жизнь

продлится дольше.

Впрыскивание топлива по сравнению с карбюрацией обеспечивает:

1. Повышение коэффициента наполнения вследствие уменьшения аэродинамического сопротивления впускной системы при отсутствии карбюратора и подогрева воздуха на впуске из-за меньшей длины впускного тракта.

2. Более равномерное распределение топлива по цилиндрам двигателя. Отличие коэффициента избытка воздуха по цилиндрам при впрыскивании топлива составляет 6-7 %, а при карбюрации 20–30 %.

3. Возможность повышения степени сжатия на 0,5–2 единицы при одинаковом октановом числе топлива в результате меньшего подогрева свежего заряда на впуске, более равномерного распределения топлива по цилиндрам.

4. Повышение энергетических показателей (Ni , Ne и др.) на 3–25 %.

5. Улучшение приемистости двигателя и более легкий его пуск.

Образование окиси углерода CO и углеводородов CH_x

При сгорании смеси стехиометрического состава должны образоваться безвредные двуокись углерода CO₂ и водяной пар, а при нехватке воздуха вследствие того, что часть топлива сгорает неполностью, – дополнительно токсичные окись углерода CO и несгоревшие углеводороды CH_x.

Эти вредные для здоровья компоненты отработавших газов можно дожечь и обезвредить. С этой целью необходимо специальным компрессором K (рис. 2) подавать свежий воздух в такое место выпускного трубопровода, где вредные продукты неполного сгорания можно сжечь. Иногда для этого воздух подают непосредственно на горячий выпускной клапан.

Рис. 2. Термический реактор:

M — вход отработавших газов из Двигателя; K — компрессор для подачи дополнительного воздуха; V — выход газов; I — теплоизоляция.

Как правило, термический реактор для дожигания CO и CH_x размещают сразу за двигателем непосредственно на выходе из него отработавших газов. Отработавшие газы M подводятся в центр реактора, а отводятся с его периферии в выпускной трубопровод V. Внешняя поверхность реактора имеет теплоизоляцию I.

В наиболее нагретой центральной части реактора размещена жаровая камера, нагретая отработавшими газами, где дожигаются продукты неполного сгорания топлива. При этом высвобождается теплота, поддерживающая высокую температуру реактора.

Несгоревшие компоненты в отработавших газах можно окислить и без горения при помощи катализатора. Для этого к отработавшим газам необходимо добавить вторичный воздух, нужный для окисления, химическую реакцию которого проведет катализатор. При этом также высвобождается теплота. Катализатором служат обычно редкие и драгоценные металлы, поэтому он весьма дорог.

Катализаторы можно применить в любом типе двигателя, однако они имеют относительно небольшой срок службы. Если в топливе присутствует свинец, то поверхность катализатора быстро отравляется, и он приходит в негодность. Получение высокооктанового бензина без свинцовистых антидетонаторов является достаточно сложным процессом, при котором расходуется много нефти, что при ее дефиците экономически нецелесообразно. Ясно, что дожигание топлива в тепловом реакторе ведет к энергетическим потерям, хотя при сгорании выделяется тепло, которое можно утилизировать. Целесообразно поэтому так организовать процесс в двигателе, чтобы при сгорании в нем топлива образовывалось минимальное количество вредных веществ. В то же время необходимо заметить, что для выполнения перспективных законодательных предписаний применение катализаторов будет неизбежным.

Образование окислов азота NO_x

Вредные для здоровья окислы азота образуются при высокой температуре горения в условиях стехиометрического состава смеси. Уменьшение выброса соединений азота связано с определенными трудностями, так как условия их снижения совпадают с условиями образования вредных продуктов неполного сгорания и наоборот. В то же время температуру сгорания удается снизить введением в смесь какого-либо инертного газа или водяного пара.

Для этой цели целесообразно рециркулировать во впускной трубопровод охлажденные отработавшие газы. Уменьшающаяся вследствие этого мощность требует обогащения смеси, большего открытия дроссельной заслонки, что увеличивает общий выброс вредных CO и CH_x с отработавшими газами.

Рециркуляция отработавших газов совместно с уменьшением степени сжатия, изменением фаз газораспределения и более поздним зажиганием может снизить содержание NO_x на 80 %.

Рис. 3. Схема двухкомпонентной системы каталитической нейтрализации отработавших газов:

S — впускной трубопровод; M — двигатель; K — компрессор для подачи дополнительного воздуха; V — выпускной трубопровод; NOx — восстановительный катализатор для нейтрализации окислов азота; CHx + CO — окислительный катализатор для нейтрализации углеводородов н окиси углерода.

Окислы азота устраняют из отработавших газов, используя также и каталитические методы. В этом случае отработавшие газы вначале пропускаются через восстановительный катализатор,в котором происходит снижение содержания NO_x, а затем вместе с добавочным воздухом – через окислительный катализатор, где устраняются CO и CH_x. Схема такой двухкомпонентной системы [3] дана на рис. 3.

Для снижения содержания вредных веществ в отработавших газах применяют так называемые α-зонды, которые могут быть также использованы совместно с двухкомпонентным катализатором. Особенность системы с α-зондом состоит в том, что добавочный воздух для окисления не подается к катализатору, но α-зонд постоянно следит за содержанием кислорода в отработавших газах и управляет подачей топлива таким образом, чтобы состав смеси всегда соответствовал стехиометрическому. В этом случае CO, CH_x и NO_x будут присутствовать в отработавших газах в минимальных количествах.

Принцип работы α-зонда заключается в том, что в узком диапазоне вблизи стехиометрического состава смеси α = 1 напряжение между внутренней и внешней поверхностью зонда резко меняется, что служит управляющим импульсом для устройства, регулирующего подачу топлива. Чувствительный элемент 1 зонда выполнен из двуокиси циркония, а его поверхности 2 покрыты слоем платины. Характеристика напряжения U, между внутренней и внешней поверхностями чувствительного элемента показаны на рис. 4.

Рис. 4. Схема и характеристика датчика состава смеси (α-зонда):

1 — корпус; 2 — слой платины.