Мозги для двигателя

На протяжении последних нескольких десятилетий конструкция дизеля переживала драматические изменения – может быть, не такие значительные, с точки зрения самого принципа работы, но в плане управления и настройки его отдельных компонентов для получения максимальной мощности, экономичности и соответствия жестким требованиям по содержанию выбросов было сделано очень много. Обыватели спорят о преимуществах системы впрыска common-rail, турбонаддува и вентиляторов с электронным управлением, но не менее важной является система управления, помогающая этим и другим системам и агрегатам добиваться более высокого уровня эффективности.

Двигатель семейства тракторов John Deere 6R имеет 4-клапанную топливную систему высокого давления common rail с рабочим давлением 2000 бар и турбонаддув с изменяемой геометрией для регулирования степени наддува. Выбросы NOx контролируются системой рециркуляции отработавших газов.

Для начала вспомним, как устроен дизель, чтобы заодно оценить и понять, как использование электронного управления позволило современным двигателям достичь таких высоких характеристик. Дизель – это двигатель внутреннего сгорания с воспламенением, происходящим от сжатия, в тот момент, когда поршень сжал воздух в цилиндрах и тем самым довел его температуру до величины, при которой воспламеняется дизельное топливо, впрыснутое в верхнюю часть цилиндра. Степень сжатия обычно находится в диапазоне от 15:1 до 22:1, что повышает давление в цилиндре перед моментом сгорания почти до 40 бар и температуру воздуха до 550 °C. Если двигатель оснащен турбонаддувом, то давление в цилиндре может достигать 150 бар, а температура – 900 °C, что значительно выше температуры воспламенения дизельного топлива (около 250 °C). Процесс поступления топлива в цилиндр в заданное время и в нужном объеме был большой проблемой для первых дизелей, которые после разнообразных вариантов конструкций в итоге стали оснащаться механическим многорядным насосом, состоящим из нескольких мелких насосов высокого давления для впрыскивания в цилиндры определенной порции топлива. Кстати, раньше дизели были тяжелыми, низкооборотистыми, шумными и чуть чище, чем паровой двигатель, работавший на угле. Но в сравнении со старыми бензиновыми двигателями дизели были более экономичными и надежными. Однако уже тогда в конструкции было очень много узлов, требующих модернизации, а с появлением системы впрыска common-rail, турбонаддувов и интеркулеров их экономичность значительно повысилась, а вместе с ней вырос и крутящий момент. Но все же одной из главных причин развития современных дизелей стала необходимость производителей соблюдать обязательные требования по сокращению содержания  выбросов в отработавших газах. Поэтому при проектировании двигателя, отвечающего этим строгим требованиям, такие же серьезные требования предъявляются к электронным системам управления двигателем.

ECU обеспечивает лучшее управление мощностью. John Deere называет это системой интеллектуального управления мощностью IPM (Intelligent Power Management).

В сердце электронной системы управления – электронный блок управления (ECU). Это запрограммированный компьютер, способный реагировать на любые изменения в работе двигателя: другие впрыск топлива, температура, давление в цилиндре и иные параметры. Это устройство получает необходимую информацию с различных датчиков двигателя и должно надежно работать в жестких условиях эксплуатации. Теперь посмотрим, как система электронного управления двигателем взаимодействует с системой впрыска common-rail. В первую очередь здесь ECU необходим для мониторинга и поддержания давления в топливной магистрали common-rail, которое может достигать 2000 бар. Для этих целей имеется специальный датчик, следящий за давлением и отправляющий информацию в ECU. Электронный блок управления, в свою очередь, опираясь на показания датчика, активирует насос высокого давления для поддержания заданного значения давления топлива. За открытие/закрытие форсунок отвечают либо электромагнитные клапаны, либо набирающие популярность и применяющиеся на новейших двигателях пьезоклапаны. Любой владелец зажигалки знает про кристаллический материал, который сжимается для создания электричества, – это пьезоэлектрик. Если подводить к кристаллу электричество, то произойдет обратный эффект – кристалл будет быстро, хотя и незначительно, расширяться. При достаточном количестве соединенных вместе слоев кристалла их перемещение способно быстро открыть клапан форсунки и тут же закрыть, как только подача тока прекращена. Таким образом, обеспечивается весьма быстрый цикл открытия/закрытия, позволяющий обеспечить точные и многочисленные импульсы впрыска.

Важно заметить, что правильное время впрыска сильно влияет на уровень выбросов и расход топлива. Если топливо впрыскивается в момент, когда поршень все еще движется вверх, то падает КПД и увеличивается расход топлива; а при слишком позднем моменте впрыскивания падает крутящий момент и появляются дополнительные выбросы по причине неполного сгорания. Поэтому топливо впрыскивается в цилиндр последовательными порциями. Так что одна из ключевых задач ECU – обеспечение не просто одного впрыска за один цикл, а увязка по времени требуемой последовательности впрысков топлива. При этом обычно принято выделять три этапа впрыска, хотя они могут изменяться в зависимости от конструкции двигателя, с тенденцией к уменьшению их количества. Первый – это предварительное впрыскивание, короткий импульс топлива, который имеет двойной эффект: он уменьшает шум от сгорания и уменьшает выбросы NOx. Затем происходит основное впрыскивание, во время которого в цилиндр попадает основная масса топлива. Финальная фаза – поствпрыскивание – уменьшает образование сажи. Благодаря высокому давлению впрыскивания топливо распыляется и в результате его частицы соприкасаются с большим объемом кислорода за меньший промежуток времени. Любителям точных цифр будет интересно узнать, что количество топлива для предварительного впрыскивания составляет лишь 1 мм3, а при основной фазе впрыска возрастает до 50 мм3, и продолжительность впрыскивания обычно составляет 1–2 мс. Главная цель – смешать топливо с воздухом как можно быстрее. Несомненно, топливная форсунка работает в весьма напряженном режиме и, по оценкам, за время службы совершает цикл открытия/закрытия более миллиарда раз.

Характеристика двигателя PowerTech PVX, John Deere 6210R

Несмотря на то что сама по себе подача топлива – довольно сложный процесс, но для ECU, который рассчитывает количество необходимого топлива, он усложняется еще тем, что компьютер должен «знать» обороты двигателя, положение коленчатого вала, давление наддува, температуру охлаждающей жидкости и содержание кислорода, которое меняется в зависимости от высоты над уровнем моря и температуры окружающего воздуха. Поступая от датчиков, эта информация используется ECU для расчета моментов и продолжительности впрыска, чтобы обеспечить максимальную эффективность. Стоит отметить, что называемая нами «дросселем» педаль (рычаг) акселератора не имеет прямого управления количеством впрыскиваемого топлива; его положение создает запрос на требуемый крутящий момент, который обеспечивается блоком ECU за счет автоматического регулирования количества топлива при изменении нагрузки. Запрос на увеличение мощности обеспечивается не только простым увеличением впрыскиваемого топлива (оно ограничено пределом дымности отработавших газов), но также увеличением объема воздуха, нагнетаемого турбонаддувом, который по определению имеет большее время отклика, чем форсунки. Чтобы избежать поступления топлива в двигатель и предотвратить образование неправильной пропорции топливовоздушной смеси, ECU обеспечивает увеличение подачи топлива с темпом, учитывающим время на достаточный разгон турбины. 

Мощность нового двигателя Perkins 854F-E34TA достигает 121 л. с. благодаря использованию одноступенчатого турбонаддува с регулятором давления. 4-цилиндровый 3,4-литровый двигатель использует систему SCR, и благодаря главной магистрали common-rail с давлением 1800 бар и конструкции 16-клапанной головки блока улучшено сгорание, а образование твердых частиц сокращено до минимума, так что сажевый фильтр не нужен.

Двигатель запущен, трактор готов к работе. При использовании стандартной механической коробки передач оператор принимает решение относительно выбора передач, в то время как бесступенчатая трансмиссия открывает новые возможности для оптимизации расхода топлива путем регулирования передаточного числа и поддержания оборотов двигателя для работы ВОМ. Одна из головоломок, которую приходится решать при работе с ДВС, состоит в том, что минимальный удельный расход топлива и максимальная мощность никогда не достигаются одновременно. Лучший удельный расход топлива, близкий к точке достижения максимального крутящего момента, находится в зоне средних оборотов, примерно на половине значения максимальных оборотов. Дело в том, что с ростом оборотов двигателя потери на трение возрастают, что приводит к дополнительной трате топлива. Максимальная мощность почти всегда достигается при максимальных оборотах, при этом расход примерно на 25 % больше.

ECU управляет не только очисткой отработавших газов, но также выполняет множество других задач во время работы трактора – ECU контролирует обороты двигателя, трансмиссию, температуру, вентилятор системы охлаждения, круиз-контроль, ограничение скорости, управление гидросистемой, обороты ВОМ… Список большой, и нужно сказать, что в современном тракторе осталось не так много элементов, которыми не заправляет ECU.

ECU и система отработавших газов Теперь разберемся, какова роль ECU в обеспечении приемлемого состава отработавших газов. Конечно, в конструктивном отношении двигатели достигли высокой степени совершенства, заключающейся в том, как топливо подается и сгорает в цилиндре, какова конструкция камеры сгорания, насколько минимален размер частиц топлива, наконец, просто в использовании четырех клапанов на цилиндр. Но для чистого выхлопа этого недостаточно. И как мы уже заметили, для снижения содержания окисей азота NOx и углеводородов в дополнение ко всему перечисленному просто необходимы: точные показания оборотов двигателя, правильный момент и продолжительность впрыска топлива, высокое давление топлива, контроль температуры и пропорции состава топливовоздушной смеси. Но с учетом постоянного ужесточения современных требований в части чистоты выхлопа инженерам, чтобы соответствовать стандартам, приходится искать новые способы, которые помогли бы уменьшить содержание твердых частиц и NOx. Эти задачи и были возложены на усердно работающий ECU. Система рециркуляции отработавших газов EGR (Exhaust Gas Recirculation) обеспечивает смешивание части отработавших газов с впускным воздухом, что уменьшает выбросы NOx за счет понижения концентрации кислорода в камере сгорания и уменьшает пиковые температуры во время сгорания, отчего в большой степени и зависит количество NOx. 

Чтобы понять эффект от работы системы EGR, приведем пример обратного процесса – ацетиленокислородной сварки и резки, где, наоборот, чтобы увеличить температуру горения, вместо воздуха, в котором много азота, используют кислород, позволяющий при горении не тратить лишнюю энергию на нагрев «мертвого» газа. В случае EGR в цилиндры двигателя поступает большое количество отработавших газов, азота и углекислого газа для смешивания с впускным воздухом, тем самым происходит снижение температуры сгорания. Это приводит к снижению количества кислорода, взаимодействующего с азотом, таким образом, снижается количество NOx. В системе рециркуляции отработавших газов используется электронно-управляемый клапан. При работе двигателя на холостых оборотах клапан закрыт, предотвращая попадание отработавших газов во впускной коллектор, но когда двигатель прогрет и работает под нагрузкой, клапан открывается и пропускает отработавший газ в коллектор в объеме, заданном ECU с учетом изменения нагрузки на двигатель.

Один из новейших двигателей, разрабатываемых компанией Deutz, – 12,8-литровый 6-цилиндровый мотор с турбонаддувом, интеркулером, системами рециркуляции отработавших газов и избирательного каталитического восстановления соответствует нормам Stage IV. Deutz заявляет, что электронное управление двигателем обеспечило более высокую отдачу мощности и увеличило экономию топлива.

Для достижения максимального крутящего момента контур EGR временно отключается; теперь мощность двигателя ограничена только количеством доступного кислорода. Во всех других условиях система EGR уменьшает NOx вплоть до значения, при котором образуется большое количество сажи. В настоящее время всеобщее распространение получили дизельные сажевые фильтры DPF (Diesel Particulate Filters), которые состоят из пористых керамических материалов, задерживающих твердые частицы в отработавших газах. Эти фильтры очень эффективны и могут работать при любых температурах, начиная с холодного запуска и заканчивая максимальной мощностью. Некоторые из них используют такую особенность двуокиси азота NO₂, что при низких температурах (250 °C) она в присутствии катализатора может окислять углерод (сажу), – такой вот непрерывно восстанавливающийся уловитель сажи. Однако рано или поздно сажа накапливается. Образование ее большого количества можно определить по разнице давлений на входе и выходе из фильтра, эти значения регистрируются чувствительными датчиками. В ECU поступает информация о высоком содержании твердых частиц, которые необходимо удалить, и инициируется процесс регенерации. Для этого необходима температура 600 °C, которую можно достичь путем дополнительного импульса впрыска топлива в конце рабочего хода поршня и создания тем самым выпускных газов очень высокой температуры. Уменьшение содержания NOx путем последующей обработки выхлопа становится необходимостью, и на рынке появляется множество разных систем, предназначенных для этой цели. Их можно разделить по типу действия на «периодические» и «непрерывные». Первые состоят из химических уловителей NOx, которые периодически необходимо восстанавливать путем контакта с «обогащающими» компонентами – обычно топливом, впрыскиваемым в цилиндр в начале такта выпуска, что было бы невозможно в старых механических системах впрыска. Последние обычно называют системой избирательного каталитического восстановления SCR (Selective Catalytic Reduction), которая работает с помощью жидкости для выпускной системы дизеля на основе раствора мочевины, более известной как AdBlue. Такие системы сокращения выбросов NOx становятся все популярнее в тракторных двигателях. Присадка добавляется в выпускные газы в количестве, определяемом блоком ECU, и термически преобразуется в аммиак, который реагирует с NOx в присутствии катализатора и образует азот и кислород. Также ECU выполняет ряд функций при диагностике неполадок двигателя – неисправности проявляются, когда показатели датчиков не соответствуют определенному режиму работы двигателя. Для более сложной диагностики в сервисных центрах используются компьютеры, которые можно подключить напрямую к блоку ECU и идентифицировать неисправность двигателя. Кроме того, в настоящее время существует тенденция к переходу на удаленную диагностику, которая позволяет контролировать современные двигатели на расстоянии. Итак. ECU – настоящий труженик, и надо признать, что без него современный дизель едва ли запустится и сможет работать экономично и вряд ли будет соответствовать современным нормам выхлопа. За долгие года работы ECU заслуженно стал одним из важнейших компонентов современного трактора.