Сумма технологий

Чем вызваны такие титанические усилия инженерной мысли и финансовые затраты при переходе со Stage IIIA на Stage IIIB? Вдвое должно быть снижено содержание окислов азота, а главное – содержание твердых частиц (сажи) надо сократить в 8 раз – с 0,2 до 0,025 г/кВт.ч. Решению этих задач служит ряд технологий. Высокие комиссии занялись внедорожной техникой позже автомобильной. Первые нормы Euro появились в 1992 г., EPA Tier и EU Stage – в 1999 г. И строительное машиностроение могло в полной мере воспользоваться достижениями автомобилистов, тем более что моторостроители выпускают двигатели как для автомобильной, так и для внедорожной техники. Вместе с тем просто перенести автомобильные технологии на внедорожную технику невозможно. У строительной техники, например экскаватора или погрузчика, короткий рабочий цикл. За малый промежуток времени нагрузка на двигатель меняется в широких пределах, т. е. двигатель строительной машины на номинальных оборотах практически не работает.

Какие технологии моторостроение предлагает для решения задачи «Stage IIIB/ Tier 4 interim»? Аккумуляторную систему впрыска топлива под высоким давлением даже не стоит упоминать, так как она уже стала стандартной де-факто. Но двигатели без турбонаддува, или атмосферные, широко применяли. Теперь же потребуется более широкое распространение турбонаддува как с постоянной, так и с изменяемой геометрией и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха. Вместе со снижением токсичности эти системы увеличивают мощность и крутящий момент. Избыточная мощность сама по себе является фактором, снижающим токсичность, поскольку двигатель больше времени работает в комфортных условиях. Тенденция к увеличению рабочего объема и мощности двигателей проявила себя при переходе на Stage IIIA. Обратная сторона этого явления – увеличение потребления топлива и массы агрегатов и машины в целом. Каждое новое поколение техники весит ощутимо больше предыдущего, и, следовательно, мощности нужно все больше и больше.

Вторая широко применяемая в строительном машиностроении технология рециркуляции отработавших газов еще не исчерпала своего потенциала и будет использоваться в дальнейшем при подготовке двигателей к «окончательным» нормам Stage IV/ Tier 4, которые вступят в силу в 2014 г. Но со Stage IIIB/ Tier 4 interim ей в одиночку уже не справиться, а потому в систему выпуска вводят сажевые фильтры DPF. Это в буквальном смысле большое новшество 2011 г., так как фильтр представляет собой объемистый, тяжелый и достаточно дорогой цилиндр (порядка $1000), в ячеистых блоках которого задерживается сажа. По мере накопления сажи ее необходимо выжигать, чтобы не увеличивать сопротивление в системе выпуска. Здесь применяют две технологии. Одна технология, названная пассивной, или непрерывной, регенерацией, – окисление сажи в присутствии катализатора, нанесенного на поверхность внутренних блоков с сотовой структурой. В качестве катализатора используют драгоценные и редкоземельные металлы. Технология активной, или управляемой, регенерации предусматривает выжигание сажи пламенем встроенной в фильтр форсунки.

Существенное ограничение фильтров помимо размеров, массы и стоимости в том, что содержащаяся в топливе сера препятствует регенерации. Поэтому в Евросоюзе и США предусмотрено введение ограничений на содержание серы в дизельном топливе. Нормы EU Stage II и Stage IIIA устанавливают содержание серы в топливе для внедорожных машин в 2000 ррm (0,2% по массе). Нормы Stage IIIB ограничивают содержание серы уровнем 10 ррm. Одновременно требуется привести в соответствие с новыми стандартами другие параметры топлива – смазывающие свойства, цетановое число, вязкость и содержание полиароматических гидрокарбонатов. Отсюда вытекает следующая проблема. На рынки, где отсутствует топливо с требуемыми параметрами, такие как, например, наш, противопоказано поставлять технику Stage IIIB/ Tier 4 interim. Соответственно производитель вынужден поддерживать одновременное производство техники двух поколений, конструктивно существенно различающихся, что усложняет и удорожает производство. А если кто-то надумает продать на таком рынке бывшую в эксплуатации машину Stage IIIB/ Tier 4 interim, ему придется демонтировать фильтр DPF и внести некоторые изменения в программу управления двигателем.

С каждым новым этапом норм токсичности масса и объем агрегатов увеличиваются. В особенности это относится к двигателям, соответствующим нормам Stage IIIB/ Tier 4 interim, поэтому компоновка моторного отсека превратилась в сложный ребус. Плюс к этому модернизация производственного цикла и необходимость выпускать технику с разными уровнями токсичности для разных рынков.

Благими намерениями

Благие намерения высоких комиссий, разрабатывающих нормы токсичности, понятны. Понятно, что их волнует чистота воздуха, которым дышат, но не слишком ли высокий темп взят? Машины Stage IIIA не успели выработать и половины ресурса, как уже вводят Stage IIIB, а всего через три года – Stage IV. При этом стоимость двигателей Stage IIIB/ Tier 4 interim вырастет не менее чем на 15%. Порой складывается впечатление, что за комиссиями стоят производители техники, заинтересованные в подстегивании спроса на все новые модели. При этом сами производители жалуются, что в разработку приходится вкладывать все больше и что эти инвестиции окупаются все дольше. А оплачивает технический прогресс простой обыватель, ведь расходы на разработку и производство техники и топлива в итоге переносятся на потребительские товары и услуги – продукты питания, жилье, услуги транспорта и городских служб.

Следующий этап – «окончательные» нормы Stage IV/ Tier 4 interim предстоит пережить в 2014 г. «Окончательные» нормы вновь потребуют от производителей техники интеллектуальных и финансовых усилий. Приятной новостью станет необходимость встраивания в выпускной тракт каталитического нейтрализатора селективного типа (SCR). К склонности водного раствора мочевины AdBlue замерзать, что требует специальной системы подогрева, добавляется специфика работы внедорожной техники. Высока вероятность попадания в раствор пыли и грязи, а значит, будет необходима дополнительная фильтрация. Система SCR встраивается в выпускной тракт после сажевого фильтра с активной или пассивной регенерацией. Управление двигателем и всеми системами очистки отработавших газов представляет собой сложный комплекс, и предпочтение будут отдавать сажевому фильтру с пассивной регенерацией, так как она функционирует непрерывно без дополнительной инициации, которую в активном фильтре выполняет форсунка. С точки зрения эксплуатации такой подход проще и надежнее. Кроме того, тепловыделение двигателей Stage IV обещает быть больше, чем у Stage IIIB, и объемы радиаторов системы охлаждения подрастут.

Вступление в действие норм Stage IV/ Tier 4 может вынудить небольших зарубежных производителей внедорожной техники уйти с рынка. К затратам на адаптацию двигателей Stage IIIB/ Tier 4 interim и модернизацию производства добавляется дефицит оборотных средств, вызванный кризисом. В лучшем случае вход в верхние классы мощности им будет закрыт. Только у самых мощных корпораций будет возможность вкладываться в разработки, производство, и им будет доступен весь рынок. Мир становится строже и однообразнее.

Впрочем, российские и белорусские производители получили фору: нам пока не угрожают нормы токсичности для внедорожной техники. Ярославский и Минский моторные заводы могут еще долго насыщать российский рынок «грязными» агрегатами, сильно выигрывающими в цене и нетребовательными к качеству топлива. Но наши ведущие моторостроители не сидят сложа руки. ММЗ уже представил двигатели, соответствующие Stage IIIB, а «Автодизель» – семейство рядных 6- и 4-цилиндровых двигателей ЯМЗ-530 Euro 4, для которых предусмотрена и «тракторная» модификация.

Вряд ли стоит ожидать сильного напора со стороны китайского моторостроения. Как показали 2008–2009 гг., китайская угроза была сильно преувеличена.

Верным путем идете?

Что касается поиска альтернативных решений, то представляет интерес гибридный, точнее дизель-электрический привод, над которым работают крупные производители техники. Предложены разные схемы реализации дизель-электрического привода, но основная идея в том, что требуется двигатель меньшей мощности. Меньше расход топлива – меньше выбросы в атмосферу. Попутная выгода в том, что производитель получает возможность перейти в нижнюю категорию мощности, для которой нормы токсичности еще не вступили.

Свой первый дизель-электрический бульдозер Caterpillar разрабатывала 10 лет. D7E – бульдозер массой 26 т, оснащенный, можно сказать, классическим дизель-электрическим приводом. На него установлен двигатель Cat C9.3 ACERT мощностью 175 кВт, который приводит генератор переменного тока. Два электродвигателя переменного тока приводят дифференциальный механизм поворота, от которого крутящий момент через оси передается в двухступенчатые бортовые редукторы. При этом бульдозер может развернуться на месте противоходом гусениц. Как заявляет корпорация, бульдозер на 10...30% экономичнее конкурирующих моделей этого же типоразмера, производительность на 10% выше, а обслуживание дешевле на 10%. На D7R установлен двигатель мощностью 179 кВт, и экономия D7E достигнута не за счет уменьшения мощности дизеля, но за счет его оптимизированного режима работы и снижения потерь в трансмиссии. При этом D7E на $100 тыс. дороже, чем D7R. На западных рынках продажи D7E начались в октябре 2009 г.

В 2008 г. свое решение представила Volvo CE – фронтальный погрузчик L220F Hybrid. Между двигателем и коробкой передач погрузчика встроили электромотор, или, по терминологии Volvo, «интегрированный стартер-генератор» (Integrated Starter Generator). Электромотор, подключенный к специальным аккумуляторным батареям, значительно более мощным, чем обычные кислотные АКБ, выполняет функцию стартера, быстро раскручивая дизель до номинальных оборотов. А пока дизель на них не выйдет, электромотор генерирует и передает на трансмиссию мощный крутящий момент до 700 Н.м. В форсированном режиме электромотор добавляет 50 кВт к мощности дизеля. Можно использовать менее мощный дизель, ведь он работает только на номинальных оборотах и выше, ему теперь не нужна избыточная мощность для генерации мощного крутящего момента на низких оборотах. Более того, впрыск можно включать, когда дизель разгонится до номинальных оборотов – опять же экономия топлива, или даже глушить дизель, когда в нем нет необходимости, и работать на батареях. По мнению Volvo, погрузчик может до 40% времени работать с заглушенным двигателем, чем достигается значительная экономия топлива. При торможении электродвигатель возвращает энергию в батареи, работая как генератор и попутно как моторный тормоз. Главный недостаток решения Volvo – дорогие компоненты: специальные аккумуляторы и электромотор. До серийного производства погрузчика дело пока не дошло.

Komatsu в 2008 г. начала продажи гибридного экскаватора Hybrid PC200LC-8. Особенность японского решения в том, что вместо аккумулятора для хранения электроэнергии в машине используются конденсаторы, поскольку короткий рабочий цикл экскаватора требует быстрого, практически мгновенного накопления энергии и столь же быстрой ее отдачи. Аккумулятор, основанный на химической реакции, не в состоянии этого обеспечить. Гибридная система Komatsu Hybryd System включает дизель, электромотор, вставленный между двигателем и гидронасосом, механизм поворота платформы с электромотором, инвертор и конденсатор. Электромотор механизма поворота платформы при торможении поворотной платформы генерирует переменный ток и передает его в инвертор. Инвертор преобразует переменный ток в постоянный и аккумулирует в конденсаторе. Заряд конденсатора расходуется при повороте платформы и для разгона дизеля агрегатированным с ним электромотором. Электромотор через инвертор забирает энергию конденсатора. Он же заряжает конденсатор при небольших поворотах платформы, когда энергии торможения недостаточно. Внешне гибридный экскаватор не отличается от стандартного PC200LC-8, использует то же рабочее оборудование, и рабочие характеристики его точно такие же. В отличие от обычного экскаватора с 6-цилиндровым двигателем гибридный оснащен 4-цилиндровым (взят у PC160LC-7), который в тандеме с электромотором генерирует такую же мощность, при этом расходуя на 25% меньше топлива и меньше загрязняя атмосферу.

Разработкой гибридного экскаватора занимались также Doosan и Kobelco. Разработки такого уровня могут позволить себе только крупные, финансово устойчивые компании, что только подкрепляет тенденцию к укрупнению рынка.

* * *

Итак, западное машиностроение, подстегиваемое нормативными актами, бежит по полосе препятствий к идеальному выхлопу, расходуя все силы на эту гонку. Потенциал двигателя внутреннего сгорания исчерпан, перспективных решений нет. Дизель-электрический привод представляет собой временное решение, только затягивающее агонию. Требуется фундаментальный научный и технологический прорыв в поисках альтернативного источника энергии, который не под силу одной отдельно взятой корпорации, пусть даже очень мощной.