Расплата за лидерство: 15 секретов дизеля

Обкатывают или нет?

Объединяют дизели Ingenium (от латинского талант, гениальность) базовые технические решения:

• Алюминиевая конструкция с запрессованными в блок цилиндров чугунными гильзами;
• Пара балансирных валов (для снижения вибраций) на подшипниках качения – это решение в 10 раз сокращает усилие прокрутки на холодном моторе;
• Масляный и водяной насос переменной производительности;
• Цепной привод ГРМ и ТНВД на стороне маховика;
• Электронный термостат, способный регулировать температуру в системе охлаждения со скоростью пять градусов в секунду.

А еще – проверки на прочность. Каждый собранный мотор на заводе проходит так называемый холодный тест, прокрутку в течение 72 секунд. Затем дизель заводят и 240 секунд греют на частоте 3000 об/мин. Выборочно устраивают жесткое ресурсное испытание: монтируют агрегат на стенд и гоняют 300 часов на режиме максимальной мощности, добиваясь эквивалента по нагрузке движению на скорости 240 км/ч и пробегу 72 000 км.

Тоже горит, но иначе

Конструктивный козырь дизеля – приличный тепловой КПД: 40-45% против 20-25% у бензинового мотора. Если в цилиндре последнего происходит принудительное воспламенение смеси свечой зажигания и так называемое кинетическое горение с постепенным распространением фронта пламени, то в дизеле процесс диффузионный. Топливо подается в раскаленный сильным сжатием воздух и… нет, не взрывается, как многие думают. На самом деле, каждая капля в окружении кислорода больше напоминает пляшущий огонек восковой свечи или же струю огнемета. Результат – солярка окисляется полностью, не вылетая буквально в трубу, как не успевший выполнить свою миссию бензин. Вот почему на заправку дизелистам приходится заезжать реже.

Пытка поршня

Дизель массивнее бензинового двигателя, потому что должен выдерживать более серьезные нагрузки. Так, давление сгорания в первом случае выше почти в два раза – 180-220 атм против 80-130, и нарастает быстрее. А сильнее всего достается поршню: ему приходится принимать на себя до 11 тонн, впитывая при этом температуру до 900 градусов! Для понимания: синтетическое моторное масло коксуется при 250 градусах (минералка – при 220). Поэтому инженерам приходится городить принудительное охлаждение поршня особыми форсунками и прокладывать внутри кольцевой канал – галерею, по которой также циркулирует прохладная жидкость основной системы смазки. Иначе случилось бы скорое залегание поршневых колец и, как следствие, сложный ремонт с переборкой мотора.

Нежное сердце

Еще один ключевой (и очень дорогой) элемент любого дизеля – ТНВД, топливный насос высокого давления. На словах задача аппарата вроде бы ерундовая: «надуть» магистраль с 4,5 бар на подаче из бака до 1800-2200 в общей рампе (Common rail), распределяющей солярку по форсункам цилиндров. На деле же увеличить давление в 400-500 раз способен только прецизионный прибор с индивидуально подогнанной плунжерной парой (поршень + цилиндр). В семействе Ingenium эта роль отведена ТНВД Bosch CP4.1, которому для корректной работы необходимы тепличные условия и ряд помощников. Первый, подкачивающий насос, забирает топливо из бака, поскольку сам ТНВД сосет из рук вон плохо. Затем солярка проходит через жидкостный охладитель, ведь «сердце» системы питания дизеля предпочитает прокачивать состав температуры порядка 40 градусов. Но и переусердствовать тоже нельзя: дизтопливо, как известно, на морозе превращается в густой гель. Поэтому в баках Jaguar Land Rover есть специальная перекачивающая система, нон-стоп взбалтывающая «коктейль», не давая застояться. А еще запас подогревается «обраткой»: сливом из рампы и форсунок разогретого сжатием в ТНВД, но лишнего на данный момент топлива. Воду из трубок подачи убирает фильтр, он же не пускает в точный прибор механические примеси размером больше 15 микрон и пузырьки воздуха.

Любителям ездить «на лампочке»

Топливо охлаждает и смазывает ТНВД, поэтому дизели Ingenium снабжены интересной защитой от дурака. Если водитель настолько упорный, что не внял призыву борткомпьютера заехать на заправку по сигналу контрольной лампы, то при остатке солярки в баке четыре литра электроника выдаст более настойчивое предупреждение. При падении уровня до 2,8 л начнутся принудительные пропуски воспламенения, машина будет дергаться, мотор «троить». Два литра – критический рубеж, компьютер станет глушить двигатель на 60 секунд, а «засуха» до полулитра вызовет аварийную остановку дизеля во избежание смерти ТНВД. И автомобиль не оживет, пока владелец не зальет минимум пять литров.

Тоньше волоса

Давление в 100 раз выше, чем в автомобильном колесе, необходимо системе Common rail, чтобы распылять топливо на мельчайшие частицы, обеспечивая предельно эффективное сгорание. Помогают в этом и форсунки – на дизелях Ingenium электромагнитные (вместо дорогих и капризных пьезоэлементов), с косвенным гидравлическим управлением иглой. Она открывает доступ топливу к распылителю, в котором расположены восемь отверстий диаметром тоньше человеческого волоса, сотые доли миллиметра – только через лупу и разглядишь. На каждом из вариантов дизеля Ingenium форсунки оригинальные, отличаются производительностью. Ведь мало солярку превратить в туман, надо подать ее в нужном количестве и в правильное время. К примеру, характерный рокот дизелей объясняется не только быстрым нарастанием давления в цилиндрах, а еще и периодом задержки воспламенения, когда топливо уже смешивается с воздухом, но еще не горит. Инженеры смягчают работу мотора серией предварительных впрысков – до пяти за такт. Это же, забегая вперед, помогает прожигать сажевый фильтр, без которого современному дизелю никуда.

Полезная турбулентность

Второй компонент правильного горения – вихревой воздушный поток (посмотрите на хорошо заметные следы гари). Карманный ураган в цилиндрах дизеля призван закрутить топливную взвесь, лучше перемешать, дать солярке больше кислорода. Отчасти эту задачу решает дно поршня особой формы, но на мощных моторах применяют также пластиковые заслонки с электроприводом. Фактически, на определенных режимах они превращают цилиндр в трехклапанный, перекрывая один из впускных каналов. В турбулентности важна умеренность: упадет скорость потока – повалит дым из выпускной трубы, слишком увеличится – вихри наложатся друг на друга, поэтому заслонками управляет электроника по особому алгоритму.

Свечи все же есть

При тепловом зазоре поршень-цилиндр 0,07-0,09 мм бензиновый мотор отправляют в переборку, а для горячего нутром дизеля это нормальный показатель в холодном состоянии. Чтобы быстрее вывести двигатель на рабочий режим, сократив попутно шум и вредные выбросы, в каждом цилиндре размещают свечу. Но не зажигания, а накаливания. За 2-3 секунды керамический стержень набирает температуру 1250 градусов, нагревая воздух и компенсируя потерю тепла в окружающие детали. На дизелях Ingenium система работает по сложной логике в четыре фазы:

• Предварительная – при температуре антифриза до 15 градусов;
• Пусковая – при температуре антифриза до 60 градусов;
• Послепусковая – при температуре антифриза до 60 градусов в течение 1-20 минут;
• Промежуточная – когда надо поддержать тепло на принудительном холостом ходу (например, движение на длинном спуске).

Вот такой получается парадокс – дизель вроде горячий внутри, но вопрос прогрева для него весьма актуален. Кстати, по этой причине моторы на тяжелом топливе редко ставят на гибриды, где ДВС постоянно останавливается и теряет температуру.

Хитрый наддув

Дизель и турбо – понятия уже неразделимые. Но если на моторах Ingenium мощностью 150 и 180 л.с. используется одноступенчатая система с жидкостным интеркулером (снижает температуру воздуха на впуске со 130-150 до 60 градусов) и избыточным давлением до 1,8-2 бар, то на 240-сильной версии «железо» устроено куда сложнее. Последовательно-каскадная схема BorgWarner наддувает до 2,7 бар и насчитывает два турбокомпрессора. При низкой нагрузке трудится, в основном, малый агрегат с переменной геометрией соплового аппарата – у него меньше инерция, раскручивается он быстрее. Крупная турбина с вейстгейтом (перепускной клапан регулирования давления) и отдельным охлаждением воздуха на «холодной» стороне (своего рода дополнительный мини-интеркулер) при этом тоже не спит, но крутится едва-едва. На средних оборотах первая ступень подходит к пределу производительности, поэтому электроника заслонкой направляет больше газов на большую «улитку». Ну а на предельной нагрузке уже оба каскада дуют в полную силу.  Результат – не только повышенная отдача, но и ровная, широкая полка крутящего момента. Максимальные 500 Нм старший дизель развивает в пределах 1500-3000 об/мин, в то время как младшие версии выдают пик на 1750-2500 об/мин.

P.S. Интересный факт: из-за сильнее раскаленных отработавших газов применять турбины изменяемой геометрии на бензиновых моторах – весьма дорогое удовольствие, нужны особо жаропрочные материалы для сложного механизма регулировки направляющих лопаток.

Очищение – начало

Интересно, что экологическая навеска современного дизеля едва ли не сложнее топливной аппаратуры или наддува. А началось все с введением экологических норм Euro 3 и системы EGR – рециркуляции отработавших газов, которая борется с неприятной особенностью дизельного выхлопа, оксидами азота (NO_x). В реакции с водой они образует кислоту, раздражающую слизистые оболочки людей да животных, а природу заставляющую плакать вредными дождями. Сам азот из выхлопа не убрать, кислород-окислитель в дизеле и так используется без остатка, остается одно – снижать температуру в камере сгорания. Этим и занимается EGR, возвращая на сторону впуска часть отработавших газов – на рабочий процесс они не влияют, но сами нагреваются, забирая часть тепла. Причем на двигателях Ingenium аж два электронноуправляемых контура EGR – высокого (до системы наддува) и низкого давления (после турбины) для разных нагрузок. При этом газы в «обратке» дополнительно охлаждают, а предельно быстрое поступление их в цилиндры обеспечивает… дроссельная заслонка, как на бензиновых моторах. Она же, к слову, используется для глушения дизеля и прожига сажевого фильтра DPF.

Не одно, так другое

Парадокс в том, что инженеры, сокращая оксиды азота, напарываются на сажу – оставшийся при дефиците кислорода углерод нефтяного топлива (причем справедлив и обратный эффект: меньше сажи, больше NO_x). Впитавшая металлы, серу и прочие вредные вещества сажа очень токсична – из организма не выводится, накапливается и в итоге вызывает, например, рак. Вот почему экологи озаботились этой проблемой в 2011 году: если нормы Euro 4 выполнялись при помощи EGR и повышенного давления впрыска, то уложиться в Euro 5 без фильтра твердых частиц уже сложновато. По сути, это пористый элемент наподобие каталитического нейтрализатора, где 99,9% сажи оседает и затем догорает. Загрузку фильтра электроника чувствует по падению давления до и после DPF. На дизелях Ingenium фильтр способен накопить до 26 г сажи, после чего компьютер попросит проехать 10-20 мин со скоростью 60-112 км/ч. Вообще прожиг происходит в фоновом режиме, но сугубо городские машины в зоне риска. Если владелец не выполнил требование, на 30,5 г в комбинации приборов вспыхнет красный индикатор. Теперь «обнулить» DPF получится только на дилерском оборудовании. Это последнее предупреждение, после которого достаточно всего грамма сажи, чтобы фильтр забился необратимо и отправился на помойку.

Мочевина обязательна

Очередной удар по дизелю нанесли нормы Euro 6, которые в 2015 году более чем в два раза урезали допустимый уровень NO_x в выхлопе. Теперь стало не обойтись без селективного каталитического восстановления (SCR) посредством водного раствора мочевины NH₃ (32,5% состава), прямо в системе выпуска разбивающего оксиды азота на воду и азот. Устройство представляет собой бак (12-20 литров), на 12% объема заполненный воздухом. Как только отработавшие газы нагреются до 170 градусов, насос под давлением 6,5 бар начнет подавать к особой форсунке рабочую жидкость, названную DEF или AdBlue. Поскольку при минус 11 она замерзает, то в хранилище организована постоянная циркуляция состава, а после выключения мотора раствор откачивается из трубок назад в бак. Запас AdBlue на борту в теории рассчитан на пробег от ТО до ТО, однако реальный расход зависит от стиля езды и колеблется в районе литра на 400-800 км пробега. Так что владельцу современной дизельной машины есть риск попасть на долив жидкости. Если это не сделать вовремя, то двигатель не заведется. И, случись поймать неприятность в дальней дороге без возможности разжиться составом, разумно не глушить машину до магазина, иначе вызова эвакуатора не миновать. Кстати, в России линейка Ingenium пока представлена без впрыска мочевины, но появление системы лишь вопрос времени.

Дизельгейт и последствия

И все бы шло своим чередом, вот только в 2015 году концерн Volkswagen поймали на махинациях с вредными выбросами. Проблема в том, что европейцы привыкли замерять токсичность выхлопа по древнем циклу NEDC в лабораторных условиях. А современная машина без труда понимает, когда движется по дороге, а когда – по беговым барабанам без ускорений и прочих сопутствующих реальной жизни факторов. Вот немцы и научили электронику на стенде врубать секретный экономичный протокол – за то и поплатились. Но в итоге скандал привел к пересмотру программы тестов. Введенный пару лет назад цикл WLTС (сама процедура называется WLTP – Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure) оказался ближе к реальности – избавился от «пенсионерского» темпа, стал протяженнее, динамичнее, требовательнее к оснащению машины и режимам испытаний. И хотя норматив по выбросу NO_x не изменился, уложиться в него очевидно оказалось более сложной задачей. Одна беда – испытывали автомобили по старинке, в помещении. А когда ввели стандарт Euro6d-TEMP с обязательным дорожным пробегом RDE1 по весьма разнообразному маршруту (как по погоде, так и по типу трасс) длительностью 1,5-2 часа, токсичность поначалу зашкалила чуть ли не у всех машин поголовно! Пришлось экологам внести поправки на реальность, допустив превышение порога по NO_x в 80 мг/км в 2,1 раза. Но это временно, уже «завтра» (2020 год) в силу вступит вариант Euro 6d (WLTP+RDE2) с ограничением 120 мг NO_x на километр пробега. Вот почему разрабатывать сложнейшие дизели с учетом предельно жестких экологических требований для ряда компаний стало попросту невыгодно, равно как увлекаться даунсайзингом и системами «старт-стоп». А вот гибриды с большой батареей, позволяющей долго ехать на электричестве, оказались наоборот на коне.

По примеру бытовой техники

А тут еще окрылившиеся защитники окружающей среды снова подлили масла в огонь. Как независимая организация EuroNCAP устроила прорыв в пассивной безопасности, так и контора AIR в феврале 2019 года решила серьезно повлиять на загрязненность воздуха в мегаполисах. Эти ребята стали гонять автомобили только по городу согласно еврометодике CWA 17379: пять маршрутов по десять километров, на каждом отрезке – три теста, причем эксперты сравнивают показатели новой машины и экземпляра с пробегом. Первые же испытания показали, что при средней скорости 20-40 км/ч даже совершенно законные с точки зрения Euro 6 модели в плотном трафике, мягко говоря, изрядно токсичны. По примеру обозначения энергоэффективности бытовой техники AIR ввела AIR Index: метит подопытные автомобили литерами - от самой «зеленой» А (NO_x 0-80 мг/км) до опасно-красной E (NO_x от 600 мг/км). Так вот, например, Renault Clio со скромным 1,5-литровым дизелем внезапно улетел в эту худшую категорию. А немаленькие кроссоверы Jaguar E-Pace, Land Rover Discovery Sport, Range Rover Evoque и даже крупный Land Rover Discovery с мотором V6 предыдущего поколения поголовно пробились в самый «чистый» класс А. Поэтому британцы не собираются отказываться от дизелей – судя по всему, нас ждет еще немало интересных технических решений в пику экологическим вызовам. Возможно, разработанных сообща с другими автопроизводителями. Поэтому поголовный переход на электрокары если и случится, то не завтра - ДВС еще поборется.