2 Конструкторско-технологический раздел

2.1 Описание конструкторско-технологических особенностей (решений), обеспечивающих достижение требуемых параметров (показателей)

абор дополнительных устройств, с помощью которых производители двигателей обеспечивают соответствие своей продукции требованиям Евро-5, Tier 4, Stage IIIB и IV , может включать в себя двухступенчатый каталитический нейтрализатор выхлопных газов, различные технологии повышения эффективности сгорания топлива, систему рециркуляции отработавших газов EGR, турбокомпрессоры с поворотными лопатками и т. п.

В экологических нормах для самоходных спецмашин или внедорожных мобильных машин (ВММ, англ. – NRMM) Stage IV (Евросоюз) и Tier 4 (США) допустимые уровни токсичности отработавших газов (ОГ) значительно жестче предыдущих. Частично эти нормы будут выполняться за счет совершенствования конструкции двигателей, но необходимо использовать и очистку ОГ в системе выпуска.

Стандарты Stage IV ограничивают предельное содержание сажи (твердых частиц) в пределах 0,020...0,025 г/кВт·ч. Системы выпуска двигателей, чтобы обеспечить соответствие этим нормам (составляющим приблизительно 90%-ное уменьшение содержания токсичной составляющей по сравнению с нормами Stage II), по-видимому, придется оборудовать сажевыми фильтрами. Для некоторых двигателей может также потребоваться нейтрализация ОГ при помощи каких-либо устройств в системе выпуска, например, избирательная каталитическая нейтрализация ОГ с аммиачным реагентом (SCR), чтобы обеспечить соответствие очень жестким нормам Stage IV по NOx – 0,4 г/кВт·ч.

В настоящее время в нормах ЕС Stage II и Stage IIIA уровень содержания серы в топливе для ВММ установлен 2000 ррм (0,2% по массе). Однако постепенное введение новых технологий в конструкцию двигателей, побуждаемое вступлением в действие с 31 декабря 2010 г. норм Stage IIIB, потребует не только значительно снизить уровень содержания серы в топливе, но и привести в соответствие с Европейским стандартом EN590 другие параметры видов топлива, применяемых в эксплуатации: смазывающих свойств, цетанового числа, вязкости и содержания поли ароматических гидрокарбонатов.

Чтобы обеспечить уровень токсичности ОГ, регламентируемый нормами Stage IV/ Tier 4, требуется значительно снизить токсичность ОГ, покидающих камеру сгорания двигателя, и обеспечить высокоэффективную обработку (нейтрализацию) ОГ в системе выпуска. Эти требования во многом идентичны требованиям для будущих двигателей дорожных транспортных средств класса С1.

Технических меры, направленные на совершенствование экологических показателей двигателей, можно разделить на несколько групп:

• Группа 1 Механическая аппаратура впрыска топлива; рециркуляция ОГ не применяется.

• Группа 2 Механическая аппаратура впрыска топлива, внутренняя рециркуляция ОГ.

• Группа 3 Электронная аппаратура впрыска топлива, внутренняя рециркуляция ОГ и поздние углы впрыска либо рециркуляция ОГ с наружным охлаждением.

• Группа 4 Электронная аппаратура впрыска топлива, внутренняя рециркуляция ОГ плюс сажевый фильтр, или предкамерный впрыск плюс сажевый фильтр плюс управляемая регенерация фильтра, или бензиновый двигатель с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором.

• Группа 5 Электронная аппаратура впрыска топлива, внутренняя или с наружным охлаждением рециркуляция ОГ плюс сажевый фильтр, или электронная аппаратура впрыска топлива (>1800 бар), рециркуляция ОГ с наружным охлаждением плюс система с фильтром с непрерывной регенерацией, например окислительный каталитический нейтрализатор (англ. – РОС) с сажевым фильтром.

• Группа 6 Электронная аппаратура впрыска топлива, рециркуляция ОГ с наружным охлаждением плюс сажевый фильтр, или электронная аппаратура впрыска топлива (>1600 бар) плюс нейтрализация с применением реагента AdBlue (SCR); рециркуляция ОГ не применяется, сажевый фильтр не применяется.

• Группа 7 Электронная аппаратура впрыска топлива, рециркуляция ОГ с наружным охлаждением плюс сажевый фильтр и SCR, или электронная аппаратура впрыска топлива (>2200 бар), рециркуляция ОГ с наружным охлаждением плюс SCR; сажевый фильтр не применяется.

Для двигателей наиболее важного мощностного диапазона 56...130 кВт приоритетным выбором является система впрыска Common Rail вследствие ее широких возможностей по изменению цикловой подачи, угла опережения впрыска и числа впрысков за один цикл. Эти возможности обеспечивает электронная система управления. Для турбонаддува двигателей в этом мощностном диапазоне приоритетным выбором будут турбонагнетатели с постоянной геометрией (с перепускным клапаном) и, возможно, с активно управляемым перепускным клапаном. Рециркуляция ОГ с охлаждением будет работать с высоким давлением, также необходимо будет электронное управление количеством перепускаемых ОГ.

При использовании технологии SCR для нейтрализации NOx в ОГ в системе выпуска будет предпочтительно дозирование AdBlue (водного раствора мочевины). Поэтому для ОГ, покидающих камеру сгорания двигателя с охлаждаемой системой рециркуляции ОГ, уровень содержания NOx должен будет составлять примерно 2 г/кВт·ч, чтобы соответствовать требованиям норм Stage IV по NOx – в перспективе 0,36 г/кВт·ч (на 10% ниже предела 0,4 г/кВт·ч) с SCR и температуры ОГ по методике испытаний двигателей внедорожных машин на неустановившихся режимах, NRTC. Поскольку тепловыделение двигателей, соответствующих Stage IV , увеличится по сравнению с двигателями Stage IIIB, особое внимание надо уделять повышению мощности систем охлаждения.

Конфигурация системы последующей нейтрализации ОГ в системе выпуска зависит от уровня токсичности ОГ, покидающих камеру сгорания двигателя. Выполнить будущие нормы по уровню содержания NOx и сажи с помощью одной только системы SCR, без использования сажевого фильтра, по-видимому, технически возможно. Если для выполнения норм Stage IV / Tier 4 по содержанию твердых частиц (сажи) требуется использовать сажевый фильтр, в качестве предпочтительного средства удаления сажи из ОГ в системе выпуска рекомендуется не требующая обслуживания система с фильтром c непрерывной регенерацией как альтернатива сажевому фильтру с управляемой регенерацией, потому что в последнем обязательно должны быть предусмотрены специальные дожигатели сажи. Однако по соображениям «технической политики» возможно использовать сажевый фильтр с управляемой регенерацией.

Вообще говоря, расположение сажевого фильтра перед системой SCR не является обязательным, но в настоящее время это преобладающая тенденция. Несомненно, такие сложные системы нуждаются в достаточно совершенной системе управления, которая бы обеспечивала своевременную регенерацию скопившейся сажи, непрерывную нейтрализацию NOx и взаимодействие между собой отдельных подсистем этой системы. Благодаря применению фильтра с непрерывной регенерацией вместо сажевого фильтра с управляемой регенерацией можно значительно упростить систему управления и снизить трудоемкость ее настройки.

В этом контексте использование топлива со сверхнизким содержанием серы обязательно должно сочетаться с наличием какой-либо системы нейтрализации ОГ в системе выпуска, а смазывающие свойства этого топлива должны обеспечиваться тем или иным способом, чтобы предотвратить чрезмерный износ компонентов системы впрыска. Также немаловажно использовать низкозольные смазочные масла, чтобы обеспечить достаточную надежность сажевых фильтров и приемлемые интервалы их регенерации.

В дизелях ММЗ, сертифицированных на соответствие экологическому стандарту Stage IIIB, применены следующие новшества:

- Система впрыска Common Rail с электронным управлением;

- Система регенерации отработавших газов (РОГ);

- Закрытая система вентиляции картерных газов.