Дизель в 2015 г. Требования и направления развития технологий дизелей для легковых и грузовых автомобилей

Проф. д-р. Франц К. Мозер, АВЛ Лист ГмбХ (Prof. Dr. Franz X. Moser, AVL List GmbH)

Введение

За последние десять – двадцать лет произошло ускоренное развитие дизельных двигателей как для легковых, так и для грузовых автомобилей. Значительно увеличились мощности, резко снизилась токсичность отработавших газов, главным образом за счет сокращения выбросов NOx и сажи. Было достигнуто значительное снижение шума, расхода топлива, улучшилась надежность, увеличились интервалы технического обслуживания, особенно для двигателей грузовиков. В результате всего этого дизели стали незаменимыми для всех типов транспортных средств и заняли значительную долю рынка силовых агрегатов (в Европе более 50%).

В настоящее время во всем мире ставится вопрос: по какому пути пойдет дальнейшее развитие дизеля под давлением ужесточающегося с каждым годом законодательства по токсичности транспортных средств? Может быть, в сегменте легковых автомобилей дизели исчезнут совсем, как прогнозируют некоторые эксперты? Ведь и бензиновые двигатели не стоят на месте и догоняют своего дизельного конкурента по расходу топлива. А в будущем дизельные моторы будут еще дороже бензиновых: стоимость и без того уже более дорогого дизеля будет возрастать из-за сложных систем очистки отработавших газов. Какие меры необходимы для того, чтобы сделать дизели будущего конкурентоспособными? Как будут выглядеть дизели будущего для легковых и грузовых автомобилей? Для легковых автомобилей доведенный бензиновый мотор с непосредственным впрыском топлива и турбокомпрессором, несомненно, может стать альтернативой дизелю. Для грузовых автомобилей и промышленности это менее вероятно.

На сегодняшний день дизель обладает самой обширной областью применения и самым большим спектром мощностей среди всех существующих моторов вообще, поэтому заменить его невозможно (рисунок 1). В дополнение следует заметить, что КПД дизельных двигателей, как видно на рисунке, достигает более 40% для малых агрегатов и более 50% у самых больших судовых и стационарных двигателей, что не может быть достигнуто никаким другим типом ДВС.

Рисунок 1. Область применения и КПД дизельных двигателей.


За последние 20 лет произошло удвоение удельной мощности и удельного крутящего момента дизелей легковых автомобилей (рисунок 2).

Рисунок 2. Соотношение удельной мощности к удельному крутящему моменту дизелей для легковых автомобилей.


У дизелей для грузовых автомобилей удельная мощность с 1970 г. увеличилась почти втрое, несмотря на то, что за последние пятнадцать лет токсичность выхлопных газов намного уменьшилась (рисунок 3).

Рисунок 3. Рост удельной мощности дизелей для грузовых автомобилей.


Параллельно этому развитию происходит постоянное увеличение максимального давления в камере сгорания с 90 Бар до 220 Бар (рисунок 4). Подобная тенденция наблюдается и в секторе дизелей для легковых автомобилей, где в недалеком будущем ожидаются максимальные давления в диапазоне от 180 до 200 Бар.

Рисунок 4. Рост максимального давления в камере сгорания дизелей грузовых автомобилей.


Будущие требования к дизелям легковых автомобилей

Из всего множества различных требований стоит особенно обратить внимание на следующие четыре: расход топлива, токсичность, комфорт при вождении автомобиля (например, тяговые качества, ездовые характеристики, акустика) и стоимость двигателя. Благодаря пониженному расходу топлива и хорошим тяговым характеристикам, возникающим при высоком крутящем моменте на низких частотах вращения коленчатого вала, дизель с непосредственным впрыском топлива занял большую долю рынка в Европе. Но уже сейчас, и особенно в перспективе, выполнение будущих законодательств по токсичности, а также относительно высокая себестоимость являются препятствием, преодоление которого будет являться основным направлением дальнейшей работы (рисунок 5).

Рисунок 5. Требования рынка к дизелю для легковых автомобилей.


Законодательство по нормам токсичности отработавших газов, начиная с норм EU4, представлено на рисунке 6. При этом следует учесть, что для достижения норм EU6 или US Tier2, Bin5, которые еще обсуждаются, необходимо разработать и принять множество мер.

Рисунок 6. Законодательства разных регионов по выбросу токсичных веществ для легковых автомобилей.


Еще сложнее будет выполнить будущие ограничения по CO2, особенно если учесть состояние продуктов различных производителей на сегодняшний день (рисунок 7). Прежде всего, производителям более тяжелых автомобилей предстоит большая работа для достижения поставленной цели: 120-130 г/км в 2012 году.

Рисунок 7. Законодательство по ограничению выбросов CO2 – стимулирование развития технологий ДВС.


Особые направления разработок дизелей легковых автомобилей

Учитывая обозначенные выше проблемы дизелей для легковых автомобилей, необходимы особые стратегии развития, нужны новые технические решения и подходы. Существует три возможных пути дальнейшего выполнения требований законодательства по токсичности, схематически представленные на рисунке 8. Во всех трех вариантах необходим фильтр частиц для достижения очень жестких ограничений по выбросам. Для уменьшения выбросов NOx возможно использование:

Рисунок 8. Стратегии уменьшения токсичности отработавших газов дизельных двигателей легковых автомобилей.


1) системы DeNOx, обладающей очень высокими показателями конвертирования;

2) особой организации рабочего процесса (улучшенный обычный рабочий процесс или альтернативный);

3) комбинации вышеуказанных вариантов 1) и 2).

Предположительно в 2015 г. будут реализованы все три варианта.

На данный момент специалисты АВЛ предпочитают способ, основанный полностью на оптимизации рабочего процесса, названный EmIQ (Intelligente Emissionsreduzierung — «умное» снижение токсичности), Рисунок 9.

Рисунок 9. Общий подход АВЛ к доводке рабочего процесса дизеля для легковых автомобилей.


При этом, с одной стороны, рабочий процесс оптимизируется в классическом смысле для достижения пониженных показателей выбросов NOx (рисунок 10), с другой стороны, производится особый контроль процесса сгорания (рисунок 11).

Рисунок 10. EmIQ Ч асть 1, процесс сгорания.


Рисунок 11. EmIQ Ч асть 2, управление рабочим процессом.


В рамках оптимизации рабочего процесса сгорания для достижения требуемого расхода топлива и удельной мощности возможно использование двухступенчатого наддува (рисунок 12) и доводка степени рециркуляции ОГ (в виде «внешней» рециркуляции ОГ — газов низкого давления из выпускного коллектора), рисунок 13.

Рисунок 12. Д вухступенчатый наддув: концепция и эффект.


Рисунок 13. Рециркуляция выхлопных газов низкого давления на дизелях различного назначения.


Для контроля оптимизированного процесса сгорания фирмой АВЛ был разработан основанный на физической модели алгоритм контроля CYPRESS™, основанный на давлении рабочей смеси как входном сигнале, схематически изображенный на Рисунке 14.

Рисунок 14. Основанный на давлении рабочей смеси как входном сигнале замкнутый цикл процесса сгорания, AVL CYPRESSTM.


Такой подход обеспечивает помимо прочего не только низкий выброс вредных веществ, но и ограничение разброса, возникающего из-за производственных погрешностей, что гарантирует стабильность процесса сгорания в течение длительного периода эксплуатации. Помимо этих основных эффектов также достигается ряд других преимуществ, приведенных на рисунке 15. Уже долгое время эксплуатируется демонстрационный автомобиль, показывающий осуществимость достижения ожидаемых результатов.

Рисунок 15. Результаты контроля процесса сгорания как замкнутого цикла AVL CYPRESSTM


Для достижения целей, поставленных к 2015 году, помимо вышеперечисленных подходов необходимы дополнительные решения (рисунок 16).

Рисунок 16. Технологии будущего дизелей для легковых автомобилей.


За счет оптимизации различных решений и технологий станет возможным не только удовлетворить все требования мировых законодательств по токсичности, но и одновременно сохранить или даже улучшить показатели расхода топлива, причем не за счет ухудшения важных для потребителя ездовых качеств, «удовольствия» от во ждения и управления автомобилем. Большим препятствием на этом пути является стоимость производства. Вышеописанные решения повлекут за собой дальнейшее повышение стоимости дизеля, хотя по сравнению со стоимостью доработанного бензинового двигателя разница в стоимости может и уменьшиться, так как и для бензиновых двигателей ожидается подорожание.

В заключение на рисунке 17 приведен обобщенный временной график внедрения вышеуказанных и некоторых дополнительных технических решений. Становится очевидным, что для того, чтобы в 2015 году надежно выполнялись требования к двигателям серийного производства, необходимо не только одновременно комбинировать многие из этих решений, но и начать работы по их разработке/реализации уже сегодня.

Рисунок 17. Пути развития технологий дизельных моторов для легковых автомобилей.


Будущие требования к дизелям грузовых автомобилей

Несмотря на то, что ряд будущих требований к дизелям для грузовых автомобилей аналогичен требованиям к легковым автомобилям, для двигателей грузовых и внедрение компенсирующих решений. На рисунке 18, в отличие от диаграммы для дизелей легковых автомобилей, критерий «удовольствие от вождения» заменен критерием «надежность и долговечность».

Рисунок 18. Требования рынка к дизелям средних и тяжелых грузовиков.


Основным направлением разработок будет компенсация ожидаемых ухудшений, которые возникнут вследствие введения ограничений по токсичности. Это означает, что необходимо искать решения, противодействующие: увеличению расхода топлива, ухудшению надежности и долговечности и увеличению стоимости продукта. В этом сегменте потребитель никогда не пойдет ни на какие компромиссы, особенно касающиеся расхода топлива и долговечности.

Учитывая эти условия, мировые ограничения по токсичности являются особым препятствием. На рисунке 19 представлены максимально допустимые значения выбросов сажи и NOx в США, Японии и Европе, которые будут действовать примерно с 2010 года, а также необходимые для их выполнения значения «сырой» эмиссии. За основу этой оценки взято значение эффективности системы очистки отработавших газов, которое возможно при использовании систем, имеющихся на сегодняшний день.

Рисунок 19. Ограничения токсичности ОГ для дизелей грузового транспорта и необходимые для этого «сырые» эмиссии.


Становится очевидным, что должны быть достигнуты выбросы сажи около 0,08 г/кВт*ч и NOx — 1,5 г/кВт*ч. Это актуально и для Японии, хотя предельно допустимый выброс NOx там менее строг, чем в США и в Европе (0,7 г/кВт*ч). Причиной этого является специфика работы транспортных средств в Японии, которая редко допускает достижение необходимой температуры отработавших газов для обеспечения работоспособности системы их нейтрализации. Эффективность системы очистки ОГ, достигающая в Японии 65-70%, намного ниже, чем в США и Европе, что в конечном итоге требует соблюдения адекватного уровня «сырой» эмиссии.

В отличие от легковых автомобилей, процедура сертификационных испытаний дизелей производится на моторном стенде. При этом проводятся как стационарные, так и нестационарные, так называемые транзиентные испытания, при которых двигатель, в отличие от испытаний двигателей легковых автомобилей, долгое время работает в режиме полной нагрузки. Это сильно усложняет задачу, т.к. в режиме полной нагрузки особенно сложно обеспечить и регулировать необходимую степень рециркуляции отработавших газов.

Грузовые автомобили классифицируются на легкие, средние и тяжелые. Обычно в этих трех классах применяются двигатели с рабочим объемом цилиндров примерно 0,8-1,2-2,0 л/цилиндр, к которым, в зависимости от класса, применяются разные требования. На рисунке 20 изображены основные требования к двигателям в этих классах, причем чем больше рабочий объем цилиндров двигателя (т.е. сам двигатель), тем большее значение придается расходу топлива, надежности и долговечности.

Рисунок 20. Требования к дизелям грузовых автомобилей.


В отношении стоимости двигателя ситуация прямо противоположна, так как легкие грузовые автомобили для доставок товаров к местам назначения особенно дороги в эксплуатации, причем расход топлива здесь не играет большой роли из-за относительно небольших годовых пробегов. Рассматривая будущие технические требования (рисунок 21), стоит отдельно отметить такие параметры, как удельная мощность, максимальное давление сгорания, долговечность и интервалы технического обслуживания.

Рисунок 21. Будущие технические требования к дизелям для грузовых автомобилей.


Значения этих параметров заметно возрастают с ростом рабочего объема двигателя. Также представляет интерес распределение общих эксплуатационных расходов, где для тяжелых грузовиков расход топлива составляет одну треть, что и объясняет такое повышенное внимание к этому параметру.

Особености развития дизелей грузовых автомобилей

Как уже было упомянуто выше, сертификационные испытания дизелей грузовых автомобилей проводятся на моторном стенде. Помимо стационарных испытаний во всех режимах, требуются также и транзиентные испытания, которые отличаются друг от друга в зависимости от страны по типам выбранных нагрузочных режимов. Помимо европейских, японских и американских транзиентных испытаний обсуждается и подготавливается обобщенное, так называемое „World Harmonized Transient Cycle“ испытание — WHTC. На рисунке 22 представлены эти четыре типа испытаний (на графиках с осями «крутящий момент» / «частота вращения коленчатого вала»).

Рисунок 22. Анализ различных транзиентных циклов


Становится очевидным, что распределение основных режимов нагрузок весьма различно, что делает унификацию моторов почти невозможной. Применение испытания WHTC решило бы эту проблему, но возникают сомнения, произойдет ли его внедрение. Выполнение требований на различных испытательных циклах сложно для каждого отдельного из них, так как нестационарные режимы в эксплуатации все больше и больше являются камнем преткновения.

Особенно сложным является прохождение испытаний, которые проводятся в режимах малых нагрузок и оборотов, как, например, на японском цикле или на цикле WHTC. Проще всего выполняются требования цикла USTC, где преобладают высокие частоты вращения коленчатого вала двигателя.

В течение последних лет на фирме АВЛ были достигнуты выдающиеся результаты на стационарных режимах (рисунок 23).

Рисунок 23. Результаты разработок по достижению минимальных выбросов сажи и NOx.


При этом применялись улучшенные и доработанные процессы сгорания, высокие или очень высокие степени рециркуляции отработавших газов и чрезвычайно высокие давления впрыска топлива — до 2500 бар. «Сырые» эмиссии NOx — 1,0 г/кВт*ч и сажи — 0,02 г/кВт*ч были достигнуты при сохранении вполне приемлемого расхода топлива.

Для достижения таких значений «сырых» эмиссий необходимы очень высокие давления впрыска топлива, до 2500 бар (рисунок 24). А для реализации удельной мощности более 28 кВт/л на двигателе, выполняющем требования EU6, не обойтись без применения двухступенчатого турбонаддува.

Рисунок 24. Максимальное давление газов в камере сгорания в зависимости от удельной мощности и степени рециркуляции отработавших газов для различных уровней выбросов / норм токсичности.


Необходимость в таких высоких давлениях объясняется большой степенью рециркуляции отработавших газов, необходимой также и на режимах полной нагрузки, так как в этом случае для обеспечения необходимого коэффициента избытка воздуха ? требуются значительно более высокие давления воздуха во впускном коллекторе. Поэтому становится необходимой совершенно новая, очень жесткая и прочная конструкция блока и головки цилиндров, предпочтительно из высокопрочного чугуна (вермикулярный графит), а также «параллельное» расположение впускных каналов.

В свою очередь такая особая конструкция головки цилиндров в совокупности с требованием высокой эффективности работы моторного тормоза делает необходимым расположение валов газораспределения, одного или двух, в головках цилиндров (OHC или DOHC).

Сложность работы двигателя на транзиентных режимах для различных циклов испытаний отображена на рисунке 25. На тех испытаниях, где часто происходит разгон с низких оборотов, а именно испытания JPTC и WHTC, наблюдается значительное увеличение выбросов NOx и сажи по сравнению со стационарным режимом.

Рисунок 25. Увеличение выбросов на переходных режимах.


Таким образом, будущие требования по токсичности могут быть удовлетворены только интенсивными разработками и улучшением работы двигателя на переходных режимах, а прежний, преимущественно стационарный подход к оптимизации поршневого двигателя, устарел.

Особенностью дизелей грузовых транспортных средств является необходимость единовременного контроля взаимозависимых параметров «давление воздуха во впускном коллекторе» и «степень рециркуляции отработавших газов». Вместо двух раздельных контроллеров на фирме АВЛ был разработан так называемый MMCD™ контроллер: один контроллер с несколькими переменными величинами, который, основываясь на физической модели, компенсирует интерференцию обоих переменных параметров (рисунок 26).

Рисунок 26. Концепция и результаты основанного на физической модели алгоритма контроля давления воздуха во впускном коллекторе и процента рециркуляции отработавших газов.


Таким образом, возможно значительное уменьшение выбросов NOx на переходном режиме при сохранении уровня выбросов сажи неизменным (рисунок 27).

Рисунок 27.Уменьшение выбросов на переходных режимах с помощью AVL MMCDTM контроллера.


На рисунке 28 приведены технологии и решения, с помощью которых удастся выполнить будущие требования для дизелей грузовых автомобилей. При этом должен быть предусмотрен фильтр для частиц и система SCR (впрыск мочевины). Применение топливных систем, обеспечивающих высокие давления впрыска, может быть достаточным и иметь преимущества перед использованием фильтра, конечно, если это будет совместимо с общими «политическими» тенденциями.

Рисунок 28. Технологии для будущих дизелей тяжелых грузовиков


Дизель в 2015 году

Необходимые технологии дизелей легковых и грузовых автомобилей для соответствия требований 2015 года известны.

В обеих областях разработки будут проходить эволюционным путем, технологические «скачки» не предвидятся, да и не требуются.

Учитывая большое количество новых технологий, которые необходимо будет внедрить в серийное производство, начинать работы по их разработкам нужно уже сегодня.

Как и до сих пор, большую часть работ для достижения целей должны будут везти производители двигателей.

На сегодняшний день ситуация оценивается таким образом, что двигатели для развивающихся стран едва ли будут в корне отличаться по своему технологическому уровню от двигателей для индустриально развитых стран.

Двигатель и система нейтрализации токсичности отработавших газов должны рассматриваться как единое целое.

Дизель для легковых автомобилей в 2015 году будет обладать следующими свойствами:

• Максимальное давление газов в камере сгорания 180-200 бар, облегченные конструкции, преимущественно применение чугуна для блока и головки цилиндров.

• Удельные мощности до 75 кВт/л, двухступенчатый турбонаддув с или без промежуточного охлаждения наддувочного воздуха.

• Гибкая система впрыска топлива Common Rail, возможность обеспечения давления впрыска до 2000 бар.

• Оптимизированная, высокотехнологичная система контроля расхода воздуха и рециркуляции отработавших газов, основанная на физической модели алгоритма контроля.

• Основанный на давлении рабочей смеси, как входном сигнале, замкнутый цикл процесса сгорания и физический модельный алгоритм контроля процесса сгорания. На режимах неполных (частичных) нагрузок смешанные альтернативные (гомогенные — гетерогенные) рабочие процессы (напр. HCCI).

• Фильтр частиц как базовая модификация, конвертирование NOx преимущественно с помощью SCR (впрыск мочевины), возможно также адсорбирование NOx.

Дизель для грузовых автомобилей в 2015 году будет обладать следующими свойствами:

• Максимальное давление газов в камере сгорания 220-250 бар, оптимизированная конструкция головки и блока цилиндров из чугуна.

• Удельные мощности 35–40 кВт/л, двухступенчатый турбонаддув с или без промежуточного охлаждения наддувочного воздуха, комбинированный наддув.

• Гибкая система впрыска, обеспечение давления впрыска до 2500 бар, предпочтительно Common Rail, стандартизированные форсунки.

• Привод валов газораспределения со стороны маховика, расположение валов газораспределения, одного или двух, в головке цилиндров (OHC или DOHC).

• Высокоэффективный, встроенный моторный тормоз.

• Оптимизированная, высокотехнологичная система контроля расхода воздуха и рециркуляции отработавших газов, основанная на физической модели алгоритма контроля; степень рециркуляции на режимах полной нагрузки до 30%.

• Фильтр частиц как базовая комплектация, возможно применение «открытого» фильтра, SCR (впрыск мочевины).

За дополнительной информацией, пожалуйста, обращайтесь по указанным ниже адресам:

Проф., доктор Франц. К. Мозер Исполнительный вице-президент AVL LIST GMBH A-8020 Graz, Hans-List-Platz 1 email: franz.x.moser@avl.com Тел.: +43 316 787 1200, Факс: +43 316 787 965 www.avl.com

Г-н Левит Семен Моисеевич Директор по развитию бизнеса «Силовые установки транспортных средств» в России и СНГ ООО «АВЛ» Россия, 127299, Москва, ул. Б. Академическая, д.5, стр.1 email: semjon.levit@avl.com Тел.: +7 495 937 32 86, Факс: +7 495 937 32 89