На пути к экологической революции (ч. 1)

В исторической перспективе Россия если и не войдет в Евросоюз, то будет тесно сотрудничать с ним. Тесные связи предполагают гармонизацию требований законодательства. В настоящей статье мы поговорим о перспективных европейских экологических нормах по содержанию вредных составляющих в ОГ, которым рано или поздно должны будут соответствовать и отечественные двигатели.

Нормы Европейского экономического сообщества (ЕЭС) второго этапа (Stage II) на содержание вредных составляющих в отработавших газах (ОГ) в настоящее время полностью вступили в силу. Уже просматривается перспектива следующего этапа – Stage III, который должен стать законом в 2006 г. В этой статье мы познакомимся с методами, с помощью которых производители обеспечивают соответствие новых двигателей всё возрастающим требованиям законов.

Во всем мире законы по содержанию вредных выбросов постепенно, но неуклонно ужесточаются. В Соединенных Штатах Управление по защите окружающей среды (ЕРА) выпустило «Извещение о предлагаемых нормах Tier 4 по вредным выбросам», которое должно вступить в действие в период с 2008-го по 2014 г. В Европе приняты очередные этапы норм токсичности ОГ Stage IIIA и Stage IIIB, которые начнут действовать с 2006-го по 2010 г. соответственно.

Одной из главных исторических проблем законодательств по вредным выбросам всегда было отсутствие гармонизации европейских и американских норм по времени вступления в действие и уровню требований. Кроме того, эти экологические нормы объективно препятствуют стремлению производителей сократить номенклатуру типов двигателей, предлагаемых на мировом рынке, т. е. мешают использованию одних и тех же двигателей для различных видов транспортных средств и разных целей. Эти проблемы только усугубляют тот факт, что достижение показателей, установленных упомянутыми законами, было и остается сложнейшей технической проблемой для двигателестроителей. Однако в этой ситуации наметились перемены. По мнению экспертов, различия между разными системами норм токсичности ОГ в будущем будут уменьшаться и европейское законодательство рано или поздно придет в соответствие с законодательством США.

Напомним, что первые законы по защите окружающей среды были разработаны и введены в Калифорнии Советом по защите воздушных ресурсов (см. журнал «ОС» № 9, 10, 11). Их целью было снижение вредного влияния двигателей внутреннего сгорания на окружающую среду. Первоначально ограничивались выбросы дорожных транспортных средств, и лишь позже были установлены нормы для двигателей, используемых для других целей. Сейчас экологические законы приняты во многих странах мира.

Какова же главная цель этой законодательной работы? Каждые последующие, все более сближающиеся этапы норм Tier (США) и Stage (Евросоюз) все больше ограничивают допустимое количество вредных выбросов в ОГ двуокиси и окиси углерода (СО2 и СО), оксидов азота и серы, а также содержание твердых частиц (сажи) в ОГ двигателей. Как в гротескной форме выразился один представитель двигателестроительной индустрии, «конечная цель этих законодательных норм – сделать отработавшие газы двигателя чище воздуха, который он всасывает».

Почти все крупные производители двигателей уже обеспечили соответствие требованиям норм Stage II и теперь работают над тем, чтобы создать двигатели, соответствующие нормам Stage IIIA. Первые результаты их усилий уже появляются. Perkins – одна из фирм, добившихся существенных успехов на этом пути. Компания инвестировала 10 млн. фунтов стерлингов (14 млн. USD) в свой новый исследовательский центр в г. Питерборо и поэтому уверена, что работы по созданию двигателей, соответствующих требованиям норм Stage IIIA, увенчаются успехом. На выставке Bauma 2004 компания продемонстрировала экспериментальный образец двигателя семейства 1100, отвечающий нормам Stage IIIA. В основу конструкции двигателя положена технология ACERT (усовершенствованная технология уменьшения вредных выбросов в отработавших газах), разработанная головной компанией Caterpillar, которой принадлежит Perkins. Эта методика предусматривает использование электронного управления работой двигателя и впрыска топлива под высоким давлением, а также усовершенствование конструкции камеры сгорания и некоторых других узлов и деталей двигателя.

Чтобы обеспечить соответствие двигателей нормам Stage II, Perkins затратил почти 5 лет, а к нормам Stage IIIA конструкторы компании приблизились за вдвое меньший срок. Perkins обещает, что ее новый двигатель будет соответствовать нормам Stage IIIA, его мощность и крутящий момент увеличатся на 30%, а расход топлива уменьшится на 40%.

Обеспечение соответствия нормам Stage IIIB и Stage IV будет наиболее сложной задачей для производителей двигателей. Ограничения вредных выбросов, которые устанавливаются этими нормами, настолько жесткие, что даже современный испытательный комплекс компании Perkins оказывается недостаточно хорошо оборудован для проведения исследовательских и доводочных работ. Поэтому компания озабочена объемом дополнительных капиталовложений, которые потребуются, чтобы провести необходимые испытания. В одном конструкторы компании Perkins твердо уверены: чтобы привести уровень токсичности в соответствие с этими нормами, ОГ двигателей должны будут подвергаться какой-либо обработке, а это значит, что на автомобилях придется размещать дополнительные узлы и детали, что усложнит работу конструкторов. Особенно значительной будет стоимость дополнительной обработки ОГ для двигателей меньших типоразмеров. Другой проблемой для конечных потребителей будет то, что при любой обработке ОГ, по-видимому, потребуется использовать топливо с низким содержанием серы, и в настоящее время нет уверенности, что такое топливо будет повсеместно доступно. Тем не менее представители компании в будущее смотрят с оптимизмом. Вполне возможно, что им уже удалось обеспечить соответствие нормам Stage IIIA. По крайней мере, в истории Perkins не было случая, когда конструкторы, берясь за какую-либо задачу, не находили бы способа решить ее. Скорее всего, с нормами Stage IIIB и Stage IV будет то же самое.

Первые двигатели компании Perkins, соответствующие нормам Stage IIIA/ Tier 3, – это четырех- и шестицилиндровые двигатели серии 1100D. Как утверждает компания, благодаря технологии ACERT вредные выбросы этих двигателей будут значительно меньше, чем установлено этими нормами.

Сама компания Caterpillar представила на выставке Bauma несколько новых двигателей, но во время пресс-конференций была довольно скупа на подробности. Конечно, среди технических решений, использованных для снижения токсичности ОГ, технология ACERT занимала главное место. Когда нормы токсичности ОГ ужесточились, компания приняла решение о разработке единого универсального, пригодного для всех ее двигателей технического решения, которое к тому же обеспечивало бы лучшие результаты, чем технические решения, разрабатываемые для конкретных, узких сфер применения. Принцип, на котором создана технология ACERT, прост: если процесс сгорания лучше управляется, объем вредных выбросов уменьшается.

Первым из двигателей Caterpillar, соответствующих нормам Stage IIIA, в конструкции которого была использована технология ACERT, был С18 – 18,2-литровый двигатель, имеющий пять модификаций по мощности от 429 до 570 кВт. В головках блока поперечно-поточной конструкции с четырьмя клапанами на цилиндр происходит лучшее распределение воздуха в камере сгорания, а насос-форсунки с механическим приводом и электронным управлением обеспечивают многократный впрыск и возможность изменения полезной мощности. Работой двигателя управляет электронный модуль ADEM4, самый совершенный из когда-либо созданных компанией Caterpillar.

Компания Deutz также выбрала общий метод, который может быть использован в конструкции всех двигателей, предназначенных для самых разных сфер применения, и позволяет обеспечить их соответствие нормам токсичности ОГ. Этот общий метод – использование системы впрыска Common Rail (с общим аккумулирующим топливопроводом высокого давления), которая является главной составляющей двигателей с воздушным, масляным и жидкостным охлаждением полезной мощностью от 4 до 960 кВт. Специалисты компании Deutz считают, что эта технология – наилучшее решение проблемы токсичности ОГ. Для того чтобы уменьшить расходы на разработку и производство, вместо одинарного топливного насоса повышенного давления с шестеренчатым приводом для этой системы впрыска была разработана конструкция двойного топливного насоса, в которой конструкция базового двигателя остается неизменной. Эта система названа DCR (Deutz Common Rail) и использована в конструкции всей линейки дизельных двигателей Deutz.

На выставке Bauma 2004 Deutz представила агрегаты мощностью свыше 500 кВт – 8-, 12- и 16-цилиндровые двигатели серий 616 и 620.

DaimlerChrysler разработал три серии двигателей, отвечающих требованиям норм Stage IIIA: рядные четырех- и шестицилиндровые серии ОM900 мощностью от 75 до 240 кВт, шестицилиндровые серии ОM457 (от 240 до 330 кВт) и V-образные шестицилиндровые и V-образные восьмицилиндровые серий OM457 и ОМ502 (от 230 до 450 кВт). Все эти двигатели оснащены турбонаддувом с промежуточным охлаждением и впрыском топлива под высоким давлением. Как и почти все другие изготовители двигателей, компания уверена, что электронное управление двигателем – оптимальный метод обеспечения соответствия экологическим нормам, к тому же гарантирующий отличную топливную экономичность.

Что такое Common Rail

Использование системы впрыска топлива Common Rail – популярный метод снижения токсичности ОГ двигателей в соответствии с новейшими нормами Tier и Stage. Что же это за система?

Common Rail – это метод впрыска топлива в камеру сгорания под высоким давлением, не зависящим от частоты вращения двигателя или нагрузки. Обычно система Common Rail состоит из резервуара – аккумулятора высокого давления (или трубопровода, иногда его называют рампой), топливного насоса, электронного блока управления (ЭБУ) и комплекта форсунок, соединенных с общим трубопроводом высокого давления. Открытием-закрытием форсунок управляет ЭБУ, который также рассчитывает оптимальный момент и длительность впрыска, обеспечивающие наивысшие эффективные показатели двигателя на всех режимах работы при любой частоте вращения, вплоть до холостого хода, последовательность работы форсунок, включая длительность периодов перед основным впрыском топлива и после него. Такое управление процессом впрыска при помощи электронного оборудования можно использовать для уменьшения токсичности ОГ (особенно NОx) и шума двигателя.

Почему необходимо применять электронику? Традиционные механические системы впрыска топлива имеют существенный недостаток: давление впрыска зависит от частоты вращения двигателя и нагрузочного режима. Это значит, что при низкой нагрузке давление впрыска падает, в результате топливо при впрыске плохо распыляется, попадая в камеру сгорания слишком крупными каплями, которые оседают на ее внутренних поверхностях. Из-за этого уменьшается КПД сгорания топлива и повышается уровень токсичности ОГ.

Daewoo также разрабатывает три серии двигателей, соответствующих нормам Stage IIIA. Среди них мод. DL59 – рядный шестицилиндровый двигатель, развивающий мощность 199 кВт, рядный шестицилиндровый DL08 (236 кВт) и V-образный шестицилиндровый DL11 (309 кВт). И в этом случае для обеспечения соответствия нормам компания избрала систему впрыска Common Rail и оптимизацию конструкции двигателей.

Еще один производитель двигателей, избравший метод использования системы впрыска Common Rail, – компания John Deere. Она применяет эту передовую технологию на давно выпускаемой соответствующей нормам Stage II серии двигателей PowerTech. Компания ожидает, что использование электронного управления двигателем, системы впрыска Common Rail и усовершенствованной системы охлаждения обеспечит снижение токсичности ОГ этих двигателей до уровня гораздо ниже норм, которые должны вступить в действие в недалеком будущем.

В секторе двигателей самых малых типоразмеров компания Hatz представила на выставке Bauma 2004 новую серию дизельных двигателей жидкостного охлаждения. Семейство W35TOPIC состоит из двух-, трех- и четырехцилиндровых моделей мощностью от 6 до 30 кВт. Все двигатели соответствуют действующим экологическим нормам.

(Продолжение следует)