Еволюция на видовете: дизелът, преди и след common rail

Още Рудолф Дизел опитва да създаде начини да впръсква горивото в цилиндрите и да разработи принудително пълнене. С въведеното от M.A.N през 70-те години в серийно производство турбо пълнене, и от Alfa Romeo със 156 2.4 JTD common rail система през 1997 година, дизеловият мотор придобива конструктивните особености известни ни днес. Именно създадената от Fiat и доразвита от Bosch система се превърна в огромен тласък за развитието на дизеловия мотор. 

Дизеловият двигател претърпя няколко сериозни удара през последните десетина години. Първоначално се случи скандалът със залъгващите софтуери и произтеклото от това залитане към пълното му отричане. След това голяма част от японските производители го елиминираха от инженерното и пазарното си уравнения, за сметка на бензинови и хибридни модели. Накрая започна стремителното развитие на технологиите в електрическата мобилност.

Така, до скоро съдбата му като че ли изглеждаше предрешена. Дори компании като BMW, превърнал се в ярък радетел на дизеловия двигател и Mercedes, за който дизеловият двигател е част от култа към автомобила, заговориха за „последно поколение“ дизелови двигатели, които няма да бъдат развивани допълнително.

В момента обаче дизеловият двигател с умерено темпо се завръща на сцената. Вероятно никога отново няма да заеме достигнатия преди пазарен дял, но поне още известно време ще присъства в нашето ежедневие. Може би това е достатъчен повод да си припомним как с въвеждането на турбопълнене и раждането на електронно управляваната система за директно впръскване common rail той се превърна в толкова високотехнологичен агрегат. На практика именно тази комбинация революционализира дизеловия двигател, промени статута му и му вдъхна нови сили. Когато през 1997 година системата създадена съвместно от инженерите на Centro Ricerce Fiat, Magnetti и подразделението на изследвания на Fiat Elasys за първи път е интегрирана в лек автомобил, повечето дизелови двигатели на леки автомобили все още са оборудвани с архаични дизели с горивни камери и предкамери конструирани от иначе гениалния германски конструктор Проспер Л’Оранж.

Геният Проспер Л’Оранж и предкамерният дизел 

Впрочем Л’Оранж представя проектите си на инженерното общество още през 1909 година, но ги патентова едва след края на Първата световна война, през 1919 година. Ако трябва да сме коректни, разработките и изобретенията на Л’Оранж са изключителни постижения за времето си. Мнозина учени и преди всичко самият Рудолф Дизел са си давали сметка за необходимостта от директно впръскване на горивото в цилиндъра. Изобретателят на дизеловия двигател обаче не съумява да създаде адекватна система за доставяне на горивото в цилиндрите и в края на краищата се примирява с възможността то да бъде „вдухвано“ в тях с помощта на помпа за сгъстен въздух. Едва през 20-те години с конструирането от Л’Оранж и усъвършенствана от Роберт Бош (редова) бутална помпа за високо налягане дизеловият двигател ще започне да се пълни на „хидравличен“ принцип – тоест чрез впръскване на гориво в цилиндрите.

Именно в комбинирането на тази помпа, изобретените по-рано инжектори и конструираната от Проспер Л’Оранж и Deutz и доразвика по-късно от сър Хари Рикардо предкамера започва и възходът на дизеловия двигател – първоначално в товарните автомобили (с двигател конструиран от Benz и MAN през 1923 година), а по-късно и при леките (Mercedes-Benz 1936 година). Въпреки че мнозина са опитвали да създадат системи за директно впръскване на горивото, нивото на технологиите и материалите по това време не позволява това да бъде реализирано на практика в комерсиални обеми. Проспер Л’Оранж решава да използва самото гориво, или по-точно горивния процес в качеството му на автономна помпа  – вместо то да получи кинетична енергия предварително с високо налягане на сгъстяване, с помощта на която да се разпраши фино, то я генерира само. Дизеловото гориво се впръсква в камера при сравнително ниско налягане, а инициираният горивен процес и респективно нарасналото налягане в предкамерата служи като помпа, която сгъстява останалата част. Последната, заедно с горещите газове, преминава през канал с огромна скорост от предкамерата към основния обем на горивната камера. Там се извършва остатъчното горене на частиците, които не са се възпламенили.

Тази технология се оказва толкова ефективна, че много автомобилни производители продължават да я използват почти до началото на XXI век. Такъв е например случаят с Toyota, която през същата година, в която за първи път се появява сериен автомобил с common rail система, представя своя авангарден Prius, но продължава да произвежда архаични дизели с предкамерно пълнене. Последният факт може да се погледне и от друга страна – предкамерният дизел и по-късните му разновидности с вихрова камера всъщност са много надеждни машини, в които поради естеството на работа с постепенно възпламенавяне на горивото нарастването на налягането става плавно, равномерно и щадящо движещите се елементи в двигателя. Непоклатими модели като Land Criuser, които оперират в места по света, където висококачественото сероочистено гориво е последното нещо, което може да се очаква, са типичен пример за подобно нещо. 

Експериментите на Рудолф Дизел с компресори

Рудолф Дизел наистина е бил гениален конструктор, който, вероятно за голямо съжаление, е отделял прекалено много време на търговските аспекти и продаването на патенти на своите творения. Личната му история е много драматична и тежка, но тук е моментът да отбележим, че той не само е поставил основите и работил за създаване на функционални прототипи на своите изобретения, но е опитвал да усъвършенства двигателя със системи като гореспоменатото впръскване и дори принудително пълнене. По същото време, по което той се опитва да лансира патентите си пред някоя от големите нефтени компании и в края на краищата успява да ги продаде скъпо и прескъпо на шведите братя Нобел, добиващи нефт в кавказките нефтени полета на Русия и подаващи продукти по цял свят, той чертае схеми и мъдрува как да увеличи допълнително коефициента на полезно действие на своята доста ефективна по принцип топлинна машина. Малко известен днес факт е, че Дизел монтира агрегат за предварително сгъстяване на въздуха още на втория си лабораторен образец, заработил в развойната база на M.A.N. в Аугсбург, а през декември 1896 г. се появява цяла серия от оборудвани с компресори дизелови двигатели. Описание на голяма част от разработките му може да бъде открито в книгата му “Die Entstehung des Dieselmotors“ или „Създаването на дизеловия мотор“, появила се на бял свят през 1912 година малко преди смъртта му.  

Много по-късно в ролята на основен помощник на дизеловия двигател ще влезе задвижваният от отработилите газове турбокомпресор, благодарение на който изобретението на Рудолф Дизел ще се изкачи до днешния си ранг на пълноценен конкурент на бензиновия мотор. Първите експериментални двигатели на Рудолф Дизел с механичен компресор отбелязват очакваното значително покачване на мощността, но нещата съвсем не се оказват толкова розови по отношение на коефициента на полезно действие. Дизел, за когото икономичността на двигателя е първостепенен фактор, оценява резултатите от собствените си експерименти като негативни. За гениалния инженер те се превръщат в абсолютна и неразрешима загадка, противоречаща на добре познатите му закони на термодинамиката. След като приключва опитите в тази област, той записва в бележника си следното: „Проведеният на 28 януари 1897 г. експеримент и сравнението между него и предхождащите го експерименти от 12 януари поставиха остро въпроса за въздействието на предварителната компресия. Тя очевидно е извънредно вредна и затова от този момент нататък следва да се откажем от тази идея и да се концентрираме върху обикновения четирицилиндров двигател с директно всмукване на свеж въздух от атмосферата в досегашния му вид.” Слава богу, тук гениалният Дизел дълбоко се заблуждава! Впоследствие се оказва, че погрешна е не самата идея за принудително пълнене, а начинът за нейната реализация. С въвеждането на системите за впръскване на горивото проблемите ще бъдат разрешени, но при начина, по който горивото се подава в цилиндрите при разработките на двигателите на Дизел, смесообразуването се влошава.

След серията от неуспешни експерименти на Рудолф Дизел и последвалите погрешни изводи, конструкторите за дълго време се отказват от използването на подобно устройство за принудително захранване с допълнително количество свеж въздух, осланяйки се изключително и само на естественото атмосферното налягане. Единственият правоверен и проверен на практика способ за постигане на по-висока мощност по това време си остава увеличаването на работния обем и нивото на оборотите, доколкото последното е технологично осъществимо. Мъглата на заблудата се стеле цели две десетилетия, докато технологиите не достигат необходимото ниво и M.A.N. отново не поставя идеята на дневен ред. В резултата от интензивната работа на компанията в началото на 20-те години на миналия век се появяват първите серийно произведени дизелови агрегати, използващи принудително пълнене с механичен компресор. През 1924 г. вече съществуват кораби с компресорни дизелови двигатели, сред които може да бъде открито и едно интересното технологично решение, при което компресорите се задвижват не директно от коляновия вал, а от специално пригодени за целта електрически двигатели, вследствие на което мощността им нараства от стандартните 900 на цели 1200 к. с. Разбира се, във всички тези случаи става дума за задвижвани по механичен път агрегати – макар в началото на века идеята за задвижван от отработилите газове компресор вече да е патентована, до момента на внедряването ѝ в серийни образци ще измине още дълъг период от време. Изключително бавното развитие на компресорните технологии се дължи на две основни причини – слабото познаване на поведението на бензините с тяхната вродена склонност към детонации и неяснотата относно ефективността на различните видове компресорни агрегати.

Появата на съчетанието от Turbo и Diesel

Съвременните турбокомпресорни двигатели са част от висшето технологично общество, които след дълго лутане в определен момент успяват да намерят своя „спокоен“ пристан при дизеловите двигатели. Последните ги приемат гостоприемно, с отворени обятия като единствена възможност за запазване на своята конкуретноспособност пред бензиновите съперници.

Опитно поле за създаването на турбо дизелови двигатели стават разработките на швейцарската компания за товарни автомобили Saurer, създала тестови образци на камиони с дизелови турбо двигатели през 1938 година и агрегатите с турбопълнене и на Scania, която започва серийно производство на дизелов двигател с турбо пълнене предназначен за малки кораби през 1951 година. През това време M.A.N също работи интензивно по темата и през 1954 година MAN 750 TL1 се превръща в първия в света сериен камион с турбо дизелов двигател. Коефициентът на полезно действие на последния достига удивителните 45,7 процента.

Турбокомпресорното пълнене в областта на серийните дизелови двигатели за леки автомобили вижда бял свят през 1977 година, благодарение на Mercedes. Вярна на своите традиции в дизеловата област, щутгартската компания прави първия си опит да пренесе идеята на икономичния двигател със самозапалаване отвъд океана още в края на 70-те години. Да, именно в онова размирно време, в което OPEC налага ембарго на Запада, а малко след това увеличава цените на нефта почти четирикратно. През 1979 година иранската ислямска революция става предпоставка за втори петролен шок върху току-що успокоилите се потребители, свикнали да получават евтини петролни продукти в неограничени количества. В резултат и на тези събития Mercedes не само успяват да лансират успешно зад Атлантика своя практичен и надежден дизел от среден клас 300 D Turbodiesel от серията W123 (седан, купе и комби), но поставят началото и на нещо нечувано до този момент – на американския пазар е пусната в продажба дизелова версия на луксозната S-класа (W116) под наименованието 300SD. Разработките им дължат много на опитното муле C111 IID с петцилиндров турбодизелов двигател. Първи в Европа обаче ще стане Peugeot със своя 604 D Turbo.

Всичко тече, всичко се променя... Авантюрата на дизеловия двигател в САЩ през 70-те не трае дълго. За сметка на това, през 80-те той продължава своята еволюция в Европа, за да достигне своя апогей преди десетина години. Първият далечен исторически опит за демонстрация на потенциала на турбодизеловия двигател е извършен през 1972 година, когато Opel успява да осъществи няколко световни рекорда със своя оборудван с турбодизелов двигател спортен GT. Моторът с вихрова камера и работен обем от 2,1 литра развива максимална мощност от 95 к. с. при 4400 об./мин и позволява на автомобила да достигне максимална скорост от немалките за онези времена 192,72 км/ч. На практика този дизелов двигател е своеобразен праотец на известния 2,3-литров атмосферен агрегат, който впоследствие е използван в модела Rekord, а след това във версия с и без турбо бе предлаган и в Omega. Пенсионирането му дойде чак през 1994 година, макар че имаше и кратък гастрол под предния капак на Frontera, който продължи до следващата, 1995 година.

По това време развитието на дизеловите двигатели тече все още мудно и в средата на деветдесетте все още могат да бъдат открити атмосферни агрегати като този на Mercedes E300 diesel например. Макар вече да разполага с шест цилиндъра и четирикланова глава, при липсата на турбо динамичните параметри на този мотор са повече от скромни – максимумът на въртящия момент е едва 210 Нм, а мощността достига само 136 к. с. Което идва да ни напомни, че пословичната еластичност на дизеловия мотор се дължи в голямата си част на турбопълненето. Което, разбира се, важи и за бензиновия мотор.

Днес в Европа на практика не съществуват дизелови двигатели, които да не се възползват от възможностите на турбокомпресора. Именно тези технологии направиха възможно немислимото на пръв поглед завръщане на дизеловите двигатели в луксозния клас, макар че на практика всичко започна още през деветдесетте, когато за първи път в Европа се появиха луксозни дизелови автомобили в лицето на Mercеdes S350 TD и BMW 725 tds, оборудвани съответно с предкамера и вихрова такава.

Създадени един за друг

Поради своя принцип на работа, дизеловият двигател не се сблъсква с явление като детонацията, създаващо проблеми на бензиновия му събрат. Напротив, микроклиматът в горивните камери за него е дори по-благоприятен, тъй като дизеловото гориво се самозапалва и изгаря по-качествено при условия на високо налягане и температура. Тъй като дизеловият двигател работи с бедни смеси, респ. с излишък от въздух, той и дизеловият двигател са сякаш създадени един за друг. Поради липсата на дроселова клапа, цялото доставено от компресора количество въздух отива направо в цилиндрите, а двигателят разполага с обилно количество отработили газове в целия диапазон на натоварване и оборотни режими. Същите биват използвани изключително за задвижване на турбината, благодарение на което тя реагира максимално адекватно на условията и изискванията. Температурата им е по-ниска, а това позволява използване на турбокомпресори с променлива геометрия. А когато в уравнението се добави система за директно впръскване common rail, щастливият кръг се затваря.

Директно впръскване без common rail система  

Сега, да се върнем на впръскването на гориво. И все пак, ако човек познава естеството на горивните процеси в дизеловия двигател, ще осъзнае факта, че конструкцията с предкамера е един сериозен компромис. Инженерите използват за него термина „повърхностно изпарение“ и главният му недостатък е фактът, че горивото облива стените на камерата. Освен, че при студен мотор това влошава пусковите качества и изисква висока степен на сгъстяване (която е предизвикателство за коляново-мотовилковия механизъм), то налага и монтиране на подгревна свещ в предкамерата, което води и до влошаване на ефективността на горивния процес. Освен всичко друго, при това решение налягането на впръскване е пряко свързано с оборотите на двигателя. Обратно, ако горивото се впръска директно в обема на сгъстения въздух под високо налягане през фини отвори, горивният процес би бил много по-ефективен, респективно мощността би била по-голяма при по-нисък разход на гориво и емисии на частици. Подобно нещо обаче изисква много по-сложни помпи, инжектори и конструктивни хлабини. Проблемът с неравномерното налягане обаче си остава и с това се сблъскват всички конструктори на двигатели, които въвеждат директно впръскване преди изобретяването на системата common rail.

Затова преди да кажем каквото и да било за раждането на системата common rail трябва да споменем и няколко думи за този вид технология, защото по същество common rail е нейно развитие. За разлика от товарните автомобили обаче одисеята наречена директно впръскване в лек автомобил, при която не се използва common rail система за високо налягане, трае твърде кратко. Ако се поровим в аналите на историята отново ще открием намесата на Fiat и Bosch. Конструкторите на „центъра за изследвания“ на италианската фирма дават началото на разработките за директно впръскване в лек автомобил, а реализацията става възможна благодарение на конструираната от Bosch разпределителна помпа. За първи път двигател с подобна система е интегриран във Fiat Croma през 1986 година.

В основата на всичко са Fiat и Bosch  

Малко след Fiat подобна система внедрява и Rover, който я създава съвместно с английските специалисти от Perkins. Тя ще се използва по-късно и за моделите на Honda. Едва през 1988 година в групата на VW се появява и първият дизел с директно впръскване, който също използва разпределителна помпа на Bosch. Да, именно VW изиграва ролята на масовизатор на директното впръскване в дизелови леки автомобили. VW обаче е толкова пристрастен към своите TDI мотори, че пропуска революцията състояла се в края на 20-ти век.

Така се връщаме към началото на разказа, за да се срещнем отново с инженерите на Fiat и Bosch. Този път не става дума за сътрудничество. Споменатите Centro Ricerce Fiat и Мagnetti Marelli все пак успяват да конструират функционална система, в която процесът на създаване на налягането и впръскването са отделени един от друг. Така се избягват и разликите в налягането и респективно постигането на най-високо налягане при високи обороти. За целта роторна помпа пълни горивна рейка изработена от дебелостенна стомана. Директното впръскване се извършва с помощта на електромагнитно контролирани дюзи. Първите прототипи са създадени още през 1991 година, а три години по-късно технологията е продадена и на Bosch, която я доразвива. Така разработената от Fiat и доразвита от Bosch система се появява през 1997 година в Alfa Romeo 156 2.4 JTD и Mercedes-Benz E220 d. При нея максималното налягане на впръскване от 1360 бара все още не превишава това на някои от дотогавашните системи (използваната от Opel Vectra и Audi A6 2.5 TDI от 1996 година и BMW 320d от 1998 година помпа VP 44 за директно впръскване постига пиково налягане в порядъка 1500 – 1750 бара), но контролът на процесите и ефективността е на значително по-високо ниво.

Най-голямото ѝ предимство е запазването на постоянно високо налягане в рейката, позволяващо прецизно управление на впръскването, което от своя страна вече може да става на порции – нещо много важно за смесообразуването в един дизелов двигател. Така налягането не зависи от оборотите, качеството на горивния процес значително се увеличава, а с това се намаляват разходът на гориво и емисиите. С развитието на системата електромагнитните инжектори ще бъдат заменени с по-прецизните пиезоинжетори, позволяващи в последните поколения дизели голям брой кратковременни впръсквания и налягания достигащи до 2500 бара при автомобилите и до 3000 бара при камионите и автобусите. На тази база в последното поколение DCPCI дизелови двигатели инженерите от Mazda съумяват дори да комбинират процес, при който инжекторът създава предварителен облак от бедна гориво-въздушна смес в широка камера, който достига почти гранични стойности на самовъзпламеняване. Основното впръскване и самовъзпламеняване става във вдълбана в нея друга камера, и то от своя страна предизвиква самовъзпламеняването на останалата част, предварително „миксирана“ смес.      

Родилните мъки на common rail

Разбира се дори инженерите на Fiat не започват работата си на сляпо. Те все пак имат достъп до разработките както на Vickers, които са създали подобна механична система преди много години, така и на швейцарския федерален институт за технологии ETH, и по-конкретно на екипа на Роберт Хуберт, който през 60-те години създава успешно работещ прототип на дизелов двигател с common rail система и електронно управление. Разбира се рудиментарните електронни средства от тези години позволяват работата само на прототипи в лабораторни условия, но през 1983 година Марко Ганзер от ETH патентова „електронно контролирана система с акумулаторно пълнене“ за леки дизелови автомобили. На практика именно това е първата обещаваща разработка на подобна система. В края на краищата проблемът не се състои в идеята, а в реализацията ѝ, и именно на инженерите на Fiat и на Bosch се удава да се справят със всички проблеми свързани с утечките при високите налягания, характерни за тази технология, създаването на адекватни инжектори и прочее. Малко известен факт е, че макар производителите на леки автомобили в Япония да закъсняват с разработките в областта на дизеловите двигатели, всъщност първият автомобил, използващ система за впръскване common rail, е товарният Hino с двигател J08C и система за впръскване на Denso, която е дело на екипите на д-р Шонеи Ито и Масахико Маяки. Не по-малко интересен е и фактът, че през 80-те инженерите на източногерманската IFA разработват успешно подобна система за своите камиони.

За съжаление обаче финансовите проблеми на Fiat в края на 90-те години го принуждават да продаде златната си кокошка на Bosch. В края на краищата именно Bosch масовизира тази технология и днес е неизменния лидер в производството на тези системи. На практика производителите на тази технология и сега не са много – освен Bosch, това са например Denso, Delphi  и Continental AG (след като придоби Siemens VDO). Под капака на който и автомобил да погледнете, ще откриете нещо подобно. Много скоро след като common rail демонстрира своите предимства пред всичко останало, той е въведен и от френските производители от PSA. По това време производители като Mazda и Nissan вече са въвели директно впръскване, но без common rail система, VW продължава да търси свои начини да създаде ефективна система, която до не използва патентите за common rail и през 2000 година въвежда по-разпространената от години в камионите система с помпа дюза. В края на краищата през 2009 година и VW също се предава и я заменя с common rail.

Производителите на камиони я въвеждат по-късно – само допреди десетина години двигателите им се оборудваха още и с помпа-дюза или така наречената помпа-тръба-дюза с отделни помпени елементи и много къса тръба за високо налягане. Някои японски производители като фирмата Quon разработиха друго интересно решение – технология помпа-дюза, която обаче се захранва от обща тънкостенна рейка с по-ниско налягане. Последната играе ролята на междинно балансиращо звено. 

Освен всичко гореспоменато системата common rail се отличава от тези с предкамерно впръскване фундаментално по това, че разчита на създадената от помпата кинетична енергия за фино впръскване на горивото. Така не е нужно създаване на толкова висока степен на сгъстяване, както и на високо ниво на турбулентност, каквато предпочитат предкамерните дизели и каквато се създава интензивно в тези с вихрова камера. Системата common rail заедно с развитието на електронните технологии за управление и турбокомпресорите създаде предпоставките в революцията на дизела и без нея той днес нямаше да има никакъв шанс пред бензиновия двигател. Апропо, последният също се сдоби с подобна система за пълнене, само че с по-ниско с един порядък налягане. Но това е друга история.

Да, системата common rail е скъпа и сложна, но в момента няма алтернатива при дизелите. А връзката ѝ с турбопълненето е неизменна. Производителите ѝ успяха да създадат дори и по-достъпни варианти с по-ниско налягане за бюджетни автомобили например за Индия, където дизелът все още има пазарно присъствие. Явно е, че дизеловият двигател е поставен пред предизвикателства, но системите за обработка на газовете включващи SCR технология с впръскване на урея за намаляване на азотните окиси показват, че очистването на газовете му е напълно възможно. Поне когато става дума за поддържани двигатели с малки конструктивни хлабини и качествени горива. Във всички случаи предстоят интересни времена.