30 июл. 2014 г.

Топливная аппаратура дизелей: альтернативы нет, проблемы бывают

Что ни говори, а среди большинства российский автомобильных обывателей дизель до сих пор ассоциируется с грузовиками, сельхозтехникой и прочими тракторами. «Тарахтит, не едет, вонять солярой будешь всегда», — вот типичные образы моторов на тяжелом топливе, сформированные продолжительным общением с двигателями, мало чем отличающимися от того, который более века назад запатентовал Рудольф Дизель. Между тем, агрегат за время своей эволюции добрался до серьезных спортивных состязаний вроде ралли-марафонов или кольцевых гонок на выносливость типа 24 часов Ле-Мана. И если жесткая по сравнению с бензиновыми установками работа и специфический запах солярки так и остались неотъемлемыми составляющими дизеля, то мощностные показатели уже далеко не тракторные. Но и былая неприхотливость с топливной всеядностью остались в прошлом.
Справедливости ради нельзя не отметить: за всю свою жизнь дизель всегда отставал в развитии от бензинового мотора. У последнего играли с количеством клапанов, с системой зажигания. Ему доставались системы изменения фаз газораспределения и различные варианты наддува. В конце концов, электронное управление подачей топлива бензиновые агрегаты в основной своей массе получили гораздо раньше.
А что дизель? Мы будем не правы, если скажем, что конструкторы над ним не работали. Вспомним, что еще в конце XIX века сам Рудольф Дизель экспериментировал с каменноугольной пылью в качестве топлива. Велись работы над двухтактным мотором, перспективным с точки зрения мощности. Он применялся на бронетехнике, тепловозах, даже самолетах, в частности, бомбардировщиках люфтваффе (кстати, не обошли авиаинженеры и четырехтактный мотор; таковой, например, устанавливался на советский Пе-8). Сейчас, будучи изначально грязным по выхлопу, дизельный «двухтактник» используется только на морских судах. На них же нередко существуют агрегаты, в которых для увеличения длинноходности между поршнем и шатуном устраивается специальная вставка. Но это все «параллельные ветви эволюции». А как же установки на более привычной для нас технике?

В первой половине XX века эксперименты с дизелем носили совсем уж экзотические формы. Вот двухтактный оппозитный мотор Junkers Jumo 205. 6 цилиндров, 16 с лишним литров объема, 867 сил — вроде бы ничего необычного. Однако поршней 12, расположены они вертикально, движутся навстречу друг другу и приводятся в движение двумя коленвалами

Легковые дизели отставали от своих тяжелых собратьев. Достаточно сказать, что турбонаддув, известный на крупных, включая авиационные, агрегатах с первой половины XX века, на легковых двигателях появился к концу 70-х годов. Развитию компактных дизелей отчасти поспособствовал топливный кризис и принимавшиеся в разных странах различные экологические стандарты. Ведь содержание в выхлопах оксида углерода у дизеля меньше, чем у бензинового мотора.
Работы в основном велись по оптимизации смешивания и горения топливовоздушной смеси. Известно, что для этого использовалась форкамера, первой принимавшая в себя топливо. В ней оно хорошо перемешивалось с воздухом. Воспламенившись, смесь благодаря разнице давления попадала в основную камеру сгорания и поджигала воздух уже там. Противоположное решение предполагало расположение форсунки прямо в цилиндре. Однако традиционная камера сгорания у таких дизелей отсутствовала, поскольку при нахождении поршня в ВМТ пространства над ним не оставалось. Топливо впрыскивалось в выемку, выполненную в днище поршня. У каждой конструкции были свои достоинства и недостатки. Скажем, форкамерные дизели отличались мягкой работой, но худшими пусковыми характеристиками и повышенным аппетитом. При этом ни в том, ни в другом случае не удавалось добиться значительного увеличения мощности или повышения экономичности.
Дизели с непосредственным впрыском имеют камеру сгорания, выполненную в поршне. Они работают жестче форкамерных, но экономичнее их. Впрочем, форкамеры и вихрекамеры — это уже прошлое. Все форсунки современных дизелей расположены прямо в цилиндре

Как не удавалось это сделать и с помощью применения двух видов топливных систем. Ни аппаратура рядного типа, где количество плунжерных пар равнялось числу цилиндров, ни топливный насос высокого давления (ТНВД) распределительного типа с единственным плунжером не смогли принципиально улучшить процесс подачи топлива. Сделать это в конце 80-х начале 90-х годов пытались, используя так называемый двухфазный впрыск. Например, фирмы Isuzu и MAN в распылителях форсунок размещали по два отверстия. Через одно небольшой объем топлива поступал в центр камеры сгорания, через другое побольше — на ее стенки. Чуть позже благодаря развитию электронного управления удалось реализовать охлаждение камеры сгорания — впрыском солярки в конце такта сжатия. Это позволило сделать воспламенение более мягким и управляемым. И, тем не менее, старые принципы топливоподачи уже не могли отвечать предъявляемым к дизелям требованиям, в том числе по части вредных выбросов. Выход из создавшейся ситуации всем конструкторам виделся единственный — значительное увеличение подаваемого в цилиндры топлива. Но сделать это, используя традиционные решения, не представлялось возможным. Дело в том, что ТНВД не дает все время постоянное давление — он привязан к оборотам двигателя, к режиму работы. Оттого в магистралях происходит пульсация топлива. И если давление будет существенно повышено, произойдет разрушение топливопроводов.
 
ТНВД — топливный насос высокого давления — ключевой узел топливной аппаратуры дизельных моторов. Еще на заре появления двигателей, работающих на солярке, было ясно, что для качественного смешивания с воздухом и воспламенения ее нужно подавать в камеры сгорания под большим давлениям. Первые экспериментальные ТНВД появились еще в начале прошлого века. В конце 20-х годов Bosch выпустил серийный насос для грузовых установок, а в 30-х дебютировал агрегат для легковых моторов. 
Топливные аппаратуры рядного (слева) и распределительного (справа) типов не отличались по качеству распыла топлива. Хотя подача солярки во втором случае была более равномерной. Скорее, тут играли роль компоновочные решения и определенный запас необходимой надежности, по которому рядная ТА, конечно же, выигрывала

Тупиковый путь

Одной из первых свое решение вопроса предложила компания Isuzu. В 1998 году на трехлитровом дизеле 4JX1, который устанавливался на джипы фирмы, на Opel Monterey и Frontera, японцы применили интересную систему. В ней присутствовал масляный насос высокого давления и обычный топливный насос. Форсунки несли в себе плунжерные пары и также содержали моторное масло (сверху плунжера) и солярку (снизу него). Давление впрыскиваемого топлива возрастало благодаря давлению масла, которое увеличивалось по командам процессора. Мотор для того времени получился достаточно мощным, тяговитым, экономичным и мягким в работе. Однако владельцы внедорожников Isuzu и Opel недобрым словом поминали эти инженерные эксперименты. Так, резиновые уплотнители, призванные разделять в форсунках смазывающую и горючую жидкости, не отличались большим ресурсом. Солярка смешивалась с маслом, насос на холостых или средних оборотах не мог создавать достаточного для качественного распыла давления. Двигатель глох или переставал тянуть. Другие уплотнители в форсунках отделяли охлаждающую жидкость. И они также не отличались выдающимся сроком службы. Дизтопливо смешивалось с антифризом.
Всем хорош был 4JX1, однако когда разменивал 100 тыс. км… Форсунки форсунками, а ведь реально были случаи, при которых из-за солярки в картере владельцам приходилось не только восстанавливать топливную аппаратуру, но и капиталить двигатель

Еще одной причиной появления дизтоплива в картере со всеми вытекающими отсюда последствиями становился топливный насос. Солярка просачивалась через шток из-за его износа. Что любопытно, в середине 1999 года Opel отзывал автомобили с 4JX1 для замены уплотнителей. Через год конструкцию форсунок изменили. В 2001-02-м выпуск двигателя и вовсе прекратился.
В свое время экспортный Trooper (или его внутренний аналог Bighorn) пользовался небольшим, но устойчивым спросом. У него был определенный шарм — классическая внешность, рамная основа, торсионная передняя подвеска и бездифференциальный полный привод с демультипликатором и функцией автоматического подключения переднего моста. Вот с дизелем внедорожнику не повезло

Несмотря на недостатки, японские инженеры все-таки решили основную проблему — волн давления в системе не было, точнее, само давление топлива было низким, поскольку за впрыск отвечало масло. Иными словами, роль привычного ТНВД играл масляный насос высокого давления. А вот конструкторы VW в соавторстве с коллегами из компании Bosch пошли по другому пути. Немцы отказались не от ТНВД — от топливных магистралей.

Два в одном

Об объединении насоса, плунжерной пары и форсунки думали еще на заре дизелизации транспорта. Поговаривают, что Рудольф Дизель видел систему подачи топлива именно такой — лишенной магистралей. В середине прошлого века насос-форсунки с механическим управлением стали приживаться на крупных агрегатах, грузовых или, скажем, судовых, хотя речи о развитии ими какого-то запредельного давления тогда не шло. С середины 90-х годов эти детали уже под управлением электроники начали использовать на грузовиках. А в конце 90-х насос-форсунки появились на легковых моторах Volkswagen.
Помимо устройства инжекторов, отличия от обычных ТНВД заключаются в том, что традиционных магистралей в таких системах нет. Поскольку насос-форсунки установлены непосредственно на ГБЦ, роль их играют каналы в головке блока. А они, само собой, способны выдержать очень значительное давление и его изменение. Еще одна особенность подобной схемы, правда, связанная с развитием радиоэлектроники, — электромагнитные клапаны, позволяющие впрыскивать топливо несколько раз за цикл. В середине минувшего десятилетия появились пьезофорсунки. В них используется так называемый пьезоэффект — на специальные кристаллы подается напряжение, и они от этого меняют объем, поднимая иглу форсунки. При кажущейся футуристичности пьезофорсунки определили новый уровень распыла топлива. Срабатывают в несколько раз быстрее электромагнитных, позволяя впрыскивать солярку еще чаще и добиваться более полного сгорания топлива.
Основная проблема насос-форсунок — это компоновка в головке блока, где они занимают много места. Поэтому в основном дизели с ним имеют по два клапана на цилиндр. Хотя у VW все-таки были двухлитровые 16-клапанные моторы. Скорее, исключение. Например, у того же Touareg на 2,5-литровой «пятерке» и пятилитровом V10 с насос-форсунками всего лишь по два клапана. Для потребителей же эти детали — мощный катализатор роста ремонтного бюджета

Впрочем, и у насос-форсунок есть врожденные конструктивные недостатки. Так, из-за их громоздкости осложнена компоновка головки блока. А привод от распредвала обуславливает такую же зависимость от оборотов двигателя, как и у прежних топливных систем.

Предел совершенства

Попытки «развязать» режимы работы двигателя и давление на впрыске предпринимались давно. В Первую мировую войну нечто подобное нынешним системам common rail для подачи солярки и мазута на двигателях подлодок использовала британская компания Vickers. Якобы еще в 20-х годах прошлого столетия этим занимались советские инженеры. А в 60-х предлагали теоретические выкладки и создавали прототипы швейцарские конструкторы. О внедрении на конвейер говорить не приходилось — не позволяли технологии. В первой половине 90-х, тем более в Японии они, разумеется, уже поднялись до нужного уровня. Корпорация Denso предложила common rail с электронным управлением на дизеле грузовика Hino Ranger в 1995 году. А концерн Fiat в соавторстве с фирмой Magneti Marelli впервые применил систему в 1997-м на Alfa Romeo 156. Сейчас common rail используется практически повсеместно. Редкие фирмы, да и то не на всех моделях, предпочитают насос-форсунки. Почему?
Схема системы common rail не так сложна, как может показаться. Подкачивающий насос (не показан), ТНВД, рампа-аккумулятор давления и форсунки. Ранее реализовать подобный принцип подачи топлива не позволяли технологии обработки материалов

Объяснение в самом названии системы, ведь common rail в переводе означает «общая магистраль». Или рампа, или аккумулятор высокого давления. По сути, труба-резервуар, куда ТНВД «запрессовывает» топливо и поддерживает там постоянное давление. А уже из нее солярка поступает к форсункам (электрогидравлическим или с пьезоэлементами). Причем величину давления в зависимости от режимов работы, управляя насосом, устанавливает процессор. И она никак не зависит от последовательности и частоты впрыска. Более того, с момента появления common rail давление постоянно поднимают. В конце 90-х – начале 2000-х насосы развивали 1200-1300 атм., против 1000 атм. у обычных ТНВД. Сейчас достигнутый максимум — 2200 и даже 2500 атм. Это если и не предельное значение, то, во всяком случае, очень близкое к нему. Дальнейшее развитие впрыска с аккумулятором давления, вероятно, может развиваться только по управляющей электронике. А вот альтернативы «рэйлу» пока не видно. Что же касается дальнейшего ужесточения экологических требований, то удовлетворять их, очевидно, будут с помощью совершенствования каталитических нейтрализаторов.
Помимо более качественного распыла и более полного сгорания топлива, и насос-форсунки, и common rail помогли реализовать многоимпульсный впрыск — до 4 и более подач солярки за рабочий цикл. Это позволило сделать дизели экономичнее и экологичнее

Крушение стереотипов

Увы, как и по многим атрибутам технического прогресса в автомобилестроении, ожидать возвращения к старым дизельным принципам работы не приходится. В отношении двигателей на тяжелом топливе даже просматривается некая ирония судьбы и насмешка создателей. Ведь дизель всегда был едва ли не синонимом всепрощения в эксплуатации. Бухнул ли ты в бак жижи, купленной у знакомого тракториста-машиниста, или перешел реку вброд по лобовое (конечно, со шноркелем). Прочихается» и поедет дальше. Теперь же, подобно легковушкам с бензиновыми моторами, оснащенными непосредственным впрыском, любой автомобиль с common rail привязан к АЗС с качественным топливом. Что же делать тем, кто хочет приобрести, скажем, новый пикап-внедорожник, но сам проживает вдали от «центров цивилизации»? Вопрос без конкретного ответа.
Между тем, некоторые владельцы, особенно те, кто и раньше имел неприхотливые дизельные машины прошлых поколений, до сих пор веруют во всеядность моторов. Разочарование может прийти быстро. Хватит одной заправки соляркой, богатой водой, чтобы вышел из строя ТНВД у common rail или качающие топливо элементы в насос-форсунках. А каков ресурс деталей в тепличных условиях?
К замене форсунок нужно быть готовым при пробегах в пределах 100-150 тыс. км. За прецизионность исполнения, если речь идет об электромагнитных составляющих, придется отдать от 10 до 20 тыс. руб. Страшнее для владельца насос-форсунки, которым на некоторых моторах отдает предпочтение VW. Эти могут оцениваться и в 25 тысяч за штуку, и хорошо за 30. Пьезофорсунки — привилегия в основном европейских автомобилей — способны стоить еще дороже. От 25 до почти 40 тыс. руб.
Пьезофорсунки (слева) постепенно приходят на смену электромагнитным (справа). Скорость изменения размеров пьезокристаллов, поднимающих иглу, выше, чем у электромагнита, занимающегося тем же. Это позволяет увеличить частоту впрыска за цикл. Но когда они изнашиваются, вся топливная экономия выглядит эфемерной — разница в цене может быть четырехкратной

ТНВД живут дольше — до 200-250 тыс. км. Но в ряде случаев можно говорить о 300 000 и более тысячах км. Правда, и заплатить при замене придется больше — 40-70 тыс. руб. Некоторые насосы (впрочем, как и форсунки) можно восстановить в крупных городах страны — и сэкономить до половины суммы. Противоположная ситуация, когда металлическая стружка из поврежденного ТНВД добирается до рампы, форсунок и через обратку пробирается в бак. Некоторые производители в ремонтные процедуры включают замену последнего и магистралей.
При хорошем топливе ТНВД способны отходить чуть ли не до капиталки двигателя. С другой стороны, насос может приговорить всего лишь одна заправка. Особенно разрушительное действие на него оказывает вода

До естественного износа компонентов системы при использовании качественной солярки бывают и другие хлопоты. Например, трехлитровые Touareg первого поколения и Discovery III с дизелем 2,7 л отзывались для замены ТНВД. Двухлитровые фольксквагеновские дизели с common rail при пробеге около 100 тыс. км тревожат уплотнениями форсунок. В одних мерседесовских агрегатах (2,1 и 3,0 л) порой подводят регуляторы давления и форсунки (2,1 л, менялись за счет производителя). В других (иной 2,1 и 2,7 л) — снятие после 100 тыс. км прикипевшей форсунки может привести к замене не только ее, но и ремонту либо смене головки блока. Обрабатывать смазкой! Убивают форсунки при снятии их и на Ssang Yong. Привести к этому может мойка двигателя под давлением. Процесс ремонта также обеспечит процедура замены свечей накаливания. Они устроены в глубоких и узких колодцах. Некоторые механики научились выходить из положения. Но те, кому не хватает смекалки, вынуждены снимать форсунки — копеечная операция выливается в серьезное по финансам восстановление.
Достаточно проблем доставляет владельцам Nissan Navara — отказом регулятора давления, выходом из строя одной из секций ТНВД, по всей видимости, бракованными форсунками, чьи неисправности не были напрямую связаны с качеством топлива. Схожие неприятности, за исключением насоса, преследуют и дизели Hyundai/Kia.
YD25, который устанавливается на Nissan Navara и Pathfinder, а также на ряд моделей для внутреннего рынка Японии, многострадальный мотор. Обычная топливная аппаратура доставляла очень много хлопот. Ее сменили на common rail, но и в этом случае дизель остался проблемным именно по системе подачи топлива

Простые правила

При всей своей нежности современная топливная аппаратура в сравнении с прежними механическими системами имеет неоспоримые преимущества. Во-первых, дизели с ней лишены недостатка предшественников — не греются и не кипят от того, что ушел угол опережения впрыска. Во-вторых, диагностика common rail и насос-форсунок гораздо проще, чем у механических систем. Есть и обратная сторона — производители аппаратуры Denso («японцы», Ford, Land Rover) и Siemens (Land Rover), в отличие от Bosch и Delphi, поставляют запчасти и информацию на вторичный рынок с «опозданием» в несколько лет. Такая вот привязка к официальным дилерам. А к форсункам распылители найдутся только в редких случаях. Отсюда высокая стоимость ремонта.
А как себя обезопасить? Тот случай, когда выбор АЗС имеет решающее значение. Совсем нелишне будет попросить паспорт качества топлива. Стоит установить между баком и основным фильтром Separ. Он не отсечет мелкодисперсные включения, зато не допустит к ТНВД воду и не нагрузит сверх меры подкачивающий насос. Само собой, нельзя ездить «на лампочке», из фильтров желательно выбирать оригинальные и менять не реже, чем через 5-15 тыс. км. В общем, делать-то нужно все то же самое, что и в отношении прежних топливных аппаратур. Только цена вопроса значительно выше. А еще, конечно, жаль, что хотя бы на самых сермяжных автомобилях, вроде пикапов и сейчас уже редких честных джипах, нельзя увидеть старый ТНВД и форсунки, которые были способны работать на смеси воды и серы. Потому что все-таки очень сильно российская топливная действительность отстает от нынешних технических реалий.
Фильтр-сепаратор не обеспечит очистку на уровне основного оригинального фильтрующего элемента. Зато убережет от воды, которая встречается на наших заправках. А благодаря прозрачной колбе снизу можно по виду отслеживать качество залитой солярки
Виктор Ивашкевич, технический директор СТО Политех-Автоград, стаж по специальности более 10 лет
— Помимо выбора качественного топлива и установки Сепара, стоит в некоторых случаях (скажем, заправка на сомнительной АЗС в дальней поездке) проверять состояние солярки. Достаточно слить топливо с фильтра и посмотреть, есть ли там какие-нибудь инородные включения. Худший вариант — металлическая стружка. В такой ситуации уже нужно идти дальше, проводить ревизию насоса и форсунок. Последние, кстати, желательно периодически диагностировать и чистить. Все же топливо у нас далеко не везде отвечает тем требованиям, которые предъявляют к нему современные дизели
Максим Маркин
Drom.ru