Внедорожные дизели готовы к следующему уровню

Черный дым из выхлопной трубы? Рано или поздно это станет воспоминанием, наряду с менее заметными дизельными загрязнителями, все из которых регулируются и проектируются почти до нуля. «Раньше» теперь здесь для небольших внедорожных дизелей, выхлопные газы которых уже несколько очищены в соответствии с федеральными стандартами Tier EPA, которые начались в 1995 году и поэтапно внедряются более 20 лет. «Позже» вырисовывается для некоторых более крупных двигателей — следующий крайний срок наступает в январе этого года — но пройдут десятилетия, прежде чем дымчатое старое железо изнашивается и выводится на пенсию или высылается в другие части мира.

Для покупателей дизельных двигателей это означает более высокие затраты на покупку и техническое обслуживание, а также новые запчасти и процедуры, к которым нужно привыкнуть. Все дизели, произведенные после января 2011 года, должны будут использовать топливо со сверхнизким содержанием серы и низкозольное моторное масло. Оба теперь легко доступны, потому что дизельные двигатели на дорогах уже используют их. Уровневые ограничения для внедорожных дизелей обычно следуют правилам EPA для двигателей грузовых автомобилей на шоссе на три-четыре года. Это означает, что уроки, извлеченные из обширных испытаний компонентов двигателей грузовых автомобилей и миллионов миль опыта работы с ними, могут быть применены к внедорожным дизелям.

С начала до середины 1990-х годов ограничения EPA на дорогах и бездорожьях были направлены на снижение содержания твердых частиц (PM), обычно называемых сажей, черного вещества, которое мы видим, выдуваемого из штабелей (хотя многие частицы настолько малы, что мы их не можем увидеть), и оксидов азота (NOx). Ученые говорят, что мы вдыхаем частицы в наши легкие, где они повреждают нежные ткани, особенно у детей. NOx невидим, но он вызывает характерный запах дизельного топлива и помогает образовывать смог в атмосфере.

Эти и другие загрязняющие вещества — окись углерода (CO) и несгоревшие углеводороды (HC) — резко вытесняются из дизельных выхлопных газов. По сравнению со многими современными двигателями, легальные в 2011 году большие дизели будут выделять на 90 процентов меньше PM и на 45-50 процентов меньше NOx. К 2015 году эти загрязнители упадут почти до нуля.

Внедорожные ограничения EPA начались с Tier 1, затем перешли на Tiers 2 и 3, где сейчас находится большинство двигателей. Важный шаг наступает в январе этого года, когда стандарты Tier 4-Interim вступают в силу для двигателей мощностью от 175 до 750 лошадиных сил. В январе 2012 года многие двигатели мощностью ниже 175 лошадиных сил должны будут соответствовать ограничениям Tier 4-I. Последний шаг, названный Tier 4-Final, вступает в силу для двигателей мощностью от 50 до 75 лошадиных сил в 2012 году, а затем затрагивает более крупные дизели в 13, 14 и 15 годах. Система показателей на лицевой странице иллюстрирует эти уровни.

Ограничения Tier 4-Interim EPA также используются в Канаде и почти идентичны европейским стандартам Stage IIIB, которые также используются в других странах мира. Это позволяет производителям разрабатывать двигатели для многих рынков, чего они не могли сделать в прошлом. Некоторые люди думают, что ограничения Агентства по охране окружающей среды США для грузовых автомобилей соответствуют определенным ограничениям tier, но это не так. Хотя количество загрязняющих веществ аналогично, ограничения для грузовых автомобилей вступили в силу за несколько лет до сопоставимых пределов tier. Например, ограничения EPA 2010 года для дорожных дизелей первоначально не будут требоваться для внедорожных двигателей до 2014 года.

Как это делается

Методы, которые производители дизельных грузовиков начали использовать еще в начале-середине 1990-х годов, начали появляться позже с внедорожными дизелями. Примечательны следующие:

• Усовершенствованные электронные органы управления, топливные системы высокого давления и усовершенствованные конструкции сгорания обеспечивают точное измерение и синхронизацию топлива, многократное впрыск топлива с каждым тактом мощности для все более чистого сжигания топлива. Некоторые дизельные грузовики имели электронное управление в начале-середине 1990-х годов. Давление на рельсах или впрыске неуклонно увеличивалось, и на многих двигателях оно теперь превышает 30 000 фунтов на квадратный дюйм. Сопоставимые системы были применены к внедорожным двигателям, и скоро они будут иметь больше моделей.
• Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией сжимают впускной воздух и изменяют его поток с помощью подвижных лопастей или сопел, управляемых электронными органами управления двигателем. Они сложны и дорогостоящи в ремонте или замене, хотя последние турбины предположительно более долговечны и долговечны.
• Рециркуляция выхлопных газов (EGR) посылает количество выхлопных газов в баллоны, чтобы вытеснить часть богатого кислородом воздуха. Это охлаждает горение и уменьшает образование NOx (которое происходит при высоких температурах). EGR применяется к автомобильным бензиновым двигателям с 1970-х годов, но это большая сделка для дизелей, потому что больше ее идет в цилиндры. Внутренний EGR, который открывает выпускной клапан во время такта впуска, чтобы всасывать некоторое количество отработанного газа, был первоначальным методом; Затем последовал внешний EGR, который подает выхлопные газы в цилиндры в различных количествах, регулируемых специальным клапаном, который управляется электронным модулем управления двигателем. Простой EGR в настоящее время используется на многих внедорожных дизелях, и более высокие количества выхлопных газов скоро будут использоваться для соответствия ограничениям Tier 4-I для NOx. Большинство производителей также перейдут на охлажденный EGR. Охладитель — обычно водо-газовый теплообменник — вытягивает тепло из выхлопных газов, чтобы облегчить процесс сгорания и охлаждения; тепло уносится в охлаждающей жидкости двигателя, а дополнительные БТЕ рассеиваются более крупными радиаторами.
• Дизельные сажевые фильтры (DPF) улавливают твердые частицы, когда они спускаются по выхлопной трубе, и временно хранят их в сотовой структуре. Тепло от жесткого бега сжигает сажу, что называется «пассивной регенерацией». Если двигатель много буксует, сажа должна быть сожжена путем «активной регенерации», когда топливо впрыскивается перед DPF и либо воспламеняется свечой зажигания, либо нагревается катализатором, прежде чем оно попадет в DPF.

Датчики на DPF сообщают органам управления двигателем, когда фильтр загружается сажей, и органы управления автоматически запускают активную регенерацию. При некоторых условиях сигнальная лампочка предложит оператору пробить переключатель, чтобы инициировать «regen». Операторы должны знать об этом. Во время активного регена газы, выходящие из выхлопной трубы, могут достигать от 900 до 1 200 F, поэтому диффузоры устанавливаются для разбавления газа холодным свежим воздухом. Тем не менее, операторам придется держать дым или выхлопную трубу подальше от кустарника или травы, чтобы избежать его воспламенения. (Выхлопные газы от бензиновых двигателей часто становятся такими горячими, и никто, кажется, не слишком обеспокоен этим, хотя травяные пожары были вызваны горячими глушителями и каталитическими нейтрализаторами на автомобилях и легких грузовиках.)

DPF также улавливает и хранит пепел, который поступает из моторного масла, которое уклоняется от поршневых колец. Зола остается в сотовой структуре до тех пор, пока DPF не будет удален из транспортного средства и выдувается сжатым воздухом или смывается деионизированной водой. Вот почему низкозольное моторное масло, называемое CI-4, рекомендуется для дизельных двигателей грузовых автомобилей, построенных с января 2007 года, когда были применены DPF, и почему его следует использовать в внедорожных двигателях, которые вскоре будут оснащены DPF. Некоторые автопарки остались с моторным маслом CJ-4 с более высоким содержанием золы без каких-либо вредных последствий.

DPF также действует как глушитель и заменяет его. Но DPF весит гораздо больше, поэтому для его безопасного удаления иногда требуются специальные подъемные инструменты. Его сотовая структура покрыта керамикой драгоценными металлами, такими как платина, и она сломается, если устройство упадет на твердую поверхность. Полное удаление DPF не только незаконно, но и делает двигатель неработоспособным, потому что его элементы управления теряют связь с датчиками DPF.

Современное низкосернистое топливо имеет слишком много серы (до 500 частей на миллион) и будет закупоривать фильтр, поэтому требуется топливо со сверхнизким содержанием серы (с содержанием серы не более 15 частей на миллион). Корпуса DPF для грузовых автомобилей изготовлены из нержавеющей стали, поэтому они не подвергаются коррозии при воздействии дорожных солей; более распространенной стали может быть достаточно для внедорожной техники. Первые внедорожные дизели будут иметь DPF в январе этого года. Еще одна проблема: взорванные турбины или турбины с неисправными уплотнениями отправляют масло в DPF, закупоривая, а иногда и разрушая их. Замена одного может стоить несколько тысяч долларов.