Взгляд с позиции экологии. Двигатели. Часть II

В настоящее время к силовым установкам, используемым на строительно-дорожной и землеройно-транспортной технике, предъявляются весьма жесткие требования по экологической безопасности.

Валерий Васильев, обозреватель СТТ
Журнал "Строительная техника и технологии" №5'2002

В последние годы в этой области достигнут очевидный прогресс, который стал возможен благодаря внедрению прогрессивных систем управления подачей топлива, использованию нейтрализаторов различного типа, применению сжатого и сжиженного природного газа.

Основным источником токсичности дизелей является неполное сгорание топлива, в результате которого образуются не сгоревшие углеводороды CnHm (парафины, олефеины, ароматические углеводороды), не полностью сгоревшие углеводороды, прежде всего СО (оксид углерода), производные продуктов термического разложения С (сажа), побочные продукты сгорания из атмосферного азота NOx (оксиды азота).

Чтобы уменьшить содержание канцерогенных веществ в отработавших газах, современные дизельные моторы оснащаются системой непосредственного впрыска топлива. В этом устройстве используются топливный насос высокого давления (ТНВД) и форсунки с 3-5 распылительными отверстиями, расположенными вблизи центра камеры сгорания, имеющей по центру в днище поршня профилированное углубление. Это позволяет обеспечить очень мелкое распыление топлива, его хорошее воспламенение и сгорание. Более совершенной является конструкция, в которой для впрыска топлива применяются индивидуальные насос-форсунки. Каждый такой механизм (блок) представляет собой одноцилиндровый электронно-управляемый ТНВД, обеспечивающий давление впрыска топлива до 160 МПа (1600 кгс/см2), а на перспективных моделях это значение может быть повышено до 180 МПа. Этот блок, снабженный интегральным электромагнитным клапаном (соленоидом), устанавливается непосредственно на головке цилиндров дизеля. Топливо из бака подается к насос-форсунке под низким давлением, что делает менее сложной эксплуатацию системы. В корпусе насос-форсунки установлен плунжерный насос высокого давления, приводимый кулачком распределительного вала через коромысло или с помощью штанги и коромысла. Быстродействующий электромагнитный клапан по команде электронного блока обеспечивает точный момент начала впрыска топлива и скорость его потока.

Экологические параметры дизелей могут быть повышены за счет применения системы рециркуляции отработавших газов. В данном случае часть отработавших газов направляется во впускную систему для уменьшения количества кислорода в свежем заряде с одновременным увеличением его теплоемкости. Оба указанных фактора приводят к понижению температуры сгорания и, таким образом, к снижению образования оксидов азота NOх. Повышенное количество рециркулируемых газов вызывает более высокие выбросы сажи, оксида углерода из-за недостатка воздуха в смеси. Поэтому количество рециркулируемых отработавших газов должно быть ограничено.

Следующим шагом в развитии устройств подачи топлива является система Common Rail. Ее особенностью стало использование аккумуляторного узла (резервуара), который включает распределительный трубопровод (общая рейка), линии подачи топлива, форсунки. Электронный блок ECU по заданной программе передает управляющий сигнал к соленоиду форсунки, которая подает топливо в камеру сгорания. Использование в этой системе принципа разделения узла, создающего давление (насос высокого давления), и узла впрыска (электромагнитная форсунка) дает возможность повысить точность управления процессом сгорания, а также повысить величину давления впрыска топлива. В итоге значительно уменьшается содержание вредных веществ в отработавших газах и заметно снижается уровень шума. Не случайно при этом удается добиться выполнения норм Евро-3, а в дальнейшем и Евро-4. Кроме того, чтобы приспособить Common Rail к работе на дизеле, не требуется создавать его модификацию, поскольку насос высокого давления заменяет традиционный ТНВД, а форсунка устанавливается в головке блока, так же, как и обычный комплект насос-форсунки. Изложенные аспекты способствовали активному использованию Common Rail на самоходной технике, применяемой в строительном комплексе.

Сегодня все большее распространение получает система подачи топлива HEUI. Полное название - Hydraulicaly actuated Unit Injection - можно перевести как электронно-гидравличе-ское устройство впрыска. Оно разработано американской компанией "Caterpillar".

Главным элементом HEUI является уже известная насос-форсунка, но со своей изюминкой. Американские специалисты не стали, в отличие от европейской системы Common Rail, отказываться от уже хорошо зарекомендовавших себя решений. Просто кулачковый вал, воздействовавший на исполнительные механизмы насос-форсунок, заменили гидравлическим приводом. В этом случае основным рабочим инструментом стало масло, подаваемое но специальному трубопроводу (магистрали) из системы смазки под давлением 25 МПа. Попадая в насос-форсунку, масло воздействует на соответствующий масляный плунжер, который, в свою очередь, перемещает топливный плунжер. Последний, вследствие меньшего диаметра, создает высокое давление впрыска топлива, превышающее 160 МПа. Это обстоятельство позволяет добиться лучшего распыления топлива и его оптимального смешения с воздухом, находящимся под давлением. Электромагнитный клапан насосфорсунки, дозирующий подачу топлива, в этой конструкции переместился из топливного канала в масляный. При этом теперь он находится под значительно меньшим, чем ранее, давлением, что, безусловно, самым положительным образом сказалось на его работоспособности и позволяет точно выполнить подачу заданной порции топлива. Чтобы создать необходимое давление в масляной магистрали, которое значительно выше рабочего давления, в системе смазки двигателя используется специальный насос. Одновременно этот же агрегат по трубопроводу подает топливо под нужным давлением и к насос-форсунке.

Все рабочие процессы с помощью многочисленных датчиков, размещенных в определенных точках мотора, контролирует блок электронного управления БЭУ (ЕСМ). Он отслеживает работу электромагнитного клапана, поддерживающего необходимое давление в масляной магистрали, управляет работой насос-форсунок, обеспечивает правильную дозировку подачи топлива, следит за температурой топлива и масла в системе смазки, контролирует частоту вращения коленчатого вала, температуру наддувочного воздуха, положение педали акселератора, атмосферное давление, температуру охлаждающей жидкости и т. д. Электронная система, используя программное обеспечение, запрашивает значения заранее установленных показателей рабочего режима и настраивает систему топливоподачи соответствующим образом. Само топливоподается в два этапа. Сначала производится первичный впрыск небольшой порции, которая значительно улучшает сгорание подаваемой позже основной части топлива.

В отличие от других, в системе HEUI давление впрыска топлива совершенно не зависит от частоты вращения коленчатого вала мотора, т. е. горючее попадает в камеру сгорания в нужный момент времени и в оптимальном количестве. Вот почему дизель, оборудованный электронногидравлической системой подачи топлива, отвечает самым строгим экологическим требованиям (Евро-3, а в дальнейшем и Евро-4) и обладает отсутствием белого дыма в выхлопе.

Выброс углеводородов в дизелях может быть уменьшен при использовании в выпускной системе каталитических нейтрализаторов. В них часть газообразных углеводородов, включая и те, что соединяются с твердыми частицами (сажей), сгорает в присутствии кислорода, содержащегося в отработавших газах

Для удаления из отработавших газов дизелей твердых частиц устанавливают сажевые фильтры, монтируется в выпускной системе машины. К ним относятся фильтры с так называемой "металлической шерстью", фильтры с керамическими фильтрующими элементами, спиральные фильтры с керамическим заполнителем и т. д. В зависимости от конструкции, эти устройства могут задерживать от 70 до 95 процентов твердых частиц.

Снижение содержания вредных веществ в отработавших газах строительных машин, наряду с каталитическими нейтрализаторами, достигается использованием каталитических фильтров - преобразователей топлива (КФПТ). Эти устройства предназначены для активации топлива перед подачей в рабочий объём двигателя, с тем чтобы увеличить полноту его сгорания, и попутно - для очистки топлива от механических загрязнений, воды и смолистых соединений. Поступающее в фильтр топливо подвергается физической обработке, протекая через лабиринтные поры титанового фильтрующего элемента. Происходит его гомогенизация и активация молекул, подготовка топлива перед подачей в рабочий объём  до состояния однородной суспензии с активными молекулами. В результате этого значительно меньше энергии затрачивается на процесс окисления молекул, что существенно увеличивает полноту сгорания топлива. Использование КФПТ на дизельных моторах позволяет значительно улучшить их экологические показатели, а также свойства топлива. Так, содержание СО и серы уменьшается более чем на 50%, NOx - нa 5-7%.

Все большее распространение находит применение природного газа. Последний может храниться при высоком давлении (160-200 бар) или в сжиженной форме (при -160 °С) в изолированном баллоне. Конструкции системы питания и выпуска отработавших газов при использовании топлива обоих типов аналогичны. Любая строительная машина, имеющая дизель, может быть переоборудована для работы на сжатом (компримированном) или сжиженном природном газе. Поскольку природный газ достаточно хорошо смешивается с воздухом, то выбросы в атмосферу загрязняющих веществ у моторов, работающих на этом топливе, по наиболее вредным составляющим в 2-5 раз менее опасны, чем у дизелей. При этом дымность отработавших газов  снижается в 6-8 раз, СО - в 1,5 - 3,5 раза, NOx - в 1,2-1,5 раза. Кроме того, содержание вердых частиц уменьшается в 4-5 раз.

Присоединяйтесь к нам на канале Яндекс.Дзен.
Заметили ошибку? Выделите участок текста и нажмите Ctrl+Enter, чтобы оповестить редакцию сайта.
Оцените, пожалуйста, статью:
Оценивших: 8, оценка: 5 из 5
Нам очень важно ваше мнение
5
5
5
8
Подписаться на новости
рынка спецтехники
Подписаться