xtr1_Mitsubishi New L200 - The Engine story

 Принципиально новый пикап L200
Дизельный двигатель MIVEC с низкой токсичностью
отработавших газов
Предлагать в любом сегменте, будь то городские автомобили или пикапы, широкий ассортимент
транспортных средств, оказывающих минимальное воздействие на окружающую среду, — таково
ключевое обязательство, взятое на себя Mitsubishi Motors Corporation...
...Именно поэтому компания ведет передовые разработки электромобилей и автомобилей с
гибридным приводом plug-in.
...Именно поэтому значительные усилия направлены на улучшение аэродинамики и снижение
массы.
...И именно поэтому компания разработала совершенно новое семейство дизельных двигателей
MIVEC, представитель которого — 2,4-литровый 4N15 — устанавливается на новую модель L200.
Впервые представленный 20 июня 2006 г. и устанавливаемый на концепты Concept-cX (1,8 л,
сентябрь 2007 г.) и Concept-ZT (2,2 л, октябрь 2007 г.), двигатель 4N1 стал результатом
совместной работы компаний Mitsubishi Motors Corporation и Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Это
сверхэкономичный 4-цилиндровый силовой агрегат с полностью алюминиевой конструкцией,
двумя верхними распределительными валами (DOHC), 16 клапанами, аккумуляторной топливной
системой
высокого
давления,
непосредственным
впрыском,
уменьшенной
токсичностью
отработавших газов и самой низкой степенью сжатия в своем классе (15,5:1 на модели L200 с
двигателем 2,4 л).
Производство этих двигателей началось в 2010 г.; в Европе они устанавливались на модели ASX,
Outlander, а теперь стали доступны и для нового L200.
MIVEC и дизельный двигатель: уникальное сочетание
История разработки дизельных двигателей Mitsubishi началась в 1931 г., когда был создан первый
японский силовой агрегат 450AD для легковых автомобилей...
...В линейке 4N1 используется ряд запатентованных передовых технологий, часть которых была
унаследована от бензиновых двигателей MMC 4B1, а также высокопроизводительная топливная
система, разработанная с использованием собственных методик расчета MMC и MHI.
Главным технологическим достижением компании Mitsubishi является запатентованная система
изменения фаз газораспределения (MIVEC). Она впервые была адаптирована для дизельных
двигателей, устанавливаемых на пикапы, что позволило инженерам MMC добиться самой низкой
степени сжатия и обеспечить все связанные с этим преимущества.
Новый подход
Экологичный дизельный двигатель Mitsubishi 4N1 MIVEC имеет стратегически важное значение
для рынка Европы и является результатом применения нового подхода к разработке дизельных
силовых
агрегатов, предназначенных
автомобилей, внедорожников и пикапов.
для
высокопроизводительных
легковесных
легковых
Отсутствие внутренних стандартов и/или традиций компании в этой области позволило инженерам
Mitsubishi превратить сложную проблему в возможность для исследований и начать разработку
силового агрегата с чистого листа, ответив на несколько простых вопросов:
! «Можно ли использовать наши наработки в области создания бензиновых двигателей
при разработке дизельных силовых агрегатов?
! Если мы знаем все тонкости этих технологий, почему мы не можем создать дизельный
двигатель с конструкцией, максимально приближенной к бензиновому двигателю?
! Можно ли применить технические решения из бензиновых двигателей для создания
нового поколения экологичных дизельных силовых агрегатов?»
Ответом на эти вопросы стало семейство 4N1 — компактные и легкие двигатели демонстрируют
высокие эксплуатационные характеристики, превосходную топливную экономичность, низкую
токсичность
отработавших
газов
и
обладают
большим
потенциалом
для
дальнейшего
усовершенствования.
В ходе разработки этой инновационной линейки компания MHI использовала собственную базу
инженерно-технических знаний, накопленную за годы создания промышленных и судовых
дизельных двигателей, и газовых турбин. В частности, инженеры MHI занимались решением
конкретных задач в области литья (алюминиевый блок цилиндров), теплопередачи (головка блока
цилиндров) и сгорания топлива, используя для этого гидродинамическое моделирование (CFD).
Технология CFD является сложным методом расчетов, который используется в авиационной
промышленности для моделирования и анализа различных динамических (термодинамических в
данном случае) конфигураций перед проведением практических испытаний. Технология CFD
позволяет
сократить
расходы
и
время
разработки,
одновременно
повышая
точность
проектирования.
Уменьшение массы и снижение токсичности
Говоря о работе дизельного двигателя, напомним, что происходит от сжатия топлива, которое
впрыскивается в камеру сгорания во время завершающего такта сжатия.
В связи с тем, что данный процесс требует очень высокой степени сжатия, дизельные двигатели
обладают самым высоким тепловым КПД среди стандартных ДВС, что снижает расход топлива и,
как результат, выбросы CO2.
Тем не менее, чтобы выдерживать высокое рабочее давление и высокий крутящий момент,
создаваемый на коленчатом валу, дизельные двигатели оснащаются более тяжелыми и прочными
деталями, что увеличивает массу по сравнению с бензиновыми агрегатами.
Именно поэтому логичным решением для снижения рабочих нагрузок в двигателе является
уменьшение степени сжатия.
В свою очередь, это влечет за собой снижение массы конструкции до значений, схожих с
показателями бензиновых двигателей. Учитывая это, инженеры Mitsubishi приняли решение
добиться очень низкой (для дизельных двигателей) степени сжатия, что станет главной
особенностью линейки 4N1:
! 14.9:1 для 1,8-литрового 4N13,
! 14.9:1 для 2,2-литрового 4N14,
! 15,5:1 для 2,4-литрового 4N15, устанавливаемого на новый L200.
Для инженеров MMC и MHI низкая степень сжатия стала одной из основных задач на пути к
уменьшению уровня шума, вибрации и выбросов, увеличению долговечности, стабильности
работы и более комфортной эксплуатации двигателя любого объема — 1,8, 2,2 или 2,4 литра.
Таким образом, несмотря на то что конструкция дизельного двигателя 4N1 построена на базе
бензиновой модели MMC 4B1, в новом двигателе также реализованы специальные решения,
примеры которых приведены ниже:
! Легкий блок цилиндров. Изготовлен из литого алюминия, благодаря чему его масса
приблизительно на 10 кг меньше, чем у чугунного блока. Алюминиевый блок способен
выдерживать высокие температуры и нагрузки, возникающие в процессе работы
дизельного двигателя. Проектирование блока выполнялось при помощи САПР/АСУТП*, а
также с участием инженеров MHI, которые смогли значительно улучшить качество литья.
! Помимо этого, инженеры MMC использовали пластиковую крышку головки цилиндров, как
и на двигателях 4B1. Разработанный компанией Mahle по заказу MMC, этот компонент
имеет уменьшенную вдвое массу по сравнению с алюминиевым вариантом (1 кг вместо 2
кг). Это обеспечивает дополнительное повышение топливной экономичности и более
стабильную работу двигателя.
* Системы автоматизированного проектирования систем автоматизированного управления
технологическими процессами
Такое сходство с конструкцией бензиновых двигателей MMC позволило сократить время
разработки — с момента инженерного анализа до начала производства первых двигателей 4N13 в
апреле 2010 г. прошло всего 3 года.
Кроме того, «квадратная» компоновка с практически одинаковыми значениями диаметра
цилиндров и рабочего хода поршней позволяет использовать более легкие и короткие поршни и
шатуны, что, в свою очередь, уменьшает общую массу двигателя.
Снижение массы не только способствует уменьшению расхода топлива и уровня выбросов, но и
положительно сказывается на динамике автомобиля благодаря уменьшенным нагрузкам на
переднюю ось.
Электронная система изменения фаз газораспределения MIVEC
Уменьшение массы конструкции позволяет снизить степень сжатия, однако, как сохранить
показатели, достаточные для воспламенения топлива? И здесь не обойтись без системы MIVEC.
Создание двигателя 4N1 стало возможным во многом благодаря использованию еще одной
запатентованной технологии Mitsubishi Motors, которая носит название MIVEC (Mitsubishi Innovative
Valve timing Electronic Control, электронная система изменения фаз газораспределения Mitsubishi).
На момент разработки первого двигателя 4N1 система MIVEC стала лучшим решением для
получения низкой степени сжатия, которая требовалась инженерам MMC и MHI и вокруг которой
строилась компоновка и динамические характеристики двигателя.
На данном дизельном двигателе система MIVEC устанавливается на механизме впускных
клапанов и управляет фазами газораспределения, высотой подъема и продолжительностью
открывания клапанов при помощи кулачков с двумя разными профилями. Основная идея
заключается в оптимальном управлении впуском воздуха для получения более высокого КПД и
мощности в широком диапазоне оборотов двигателя и, соответственно, уменьшения расхода
топлива и токсичности выхлопа при имеющейся низкой степени сжатия.
Такое решение особенно эффективно для дизельных двигателей, диапазон оборотов у которых
более ограничен, чем у бензиновых вариантов. Кроме того, для дизельных двигателей с низкой
степенью сжатия эта система не только компенсирует недостаток компрессии, но и улучшает
характеристики, связанные:
! с холодным запуском,
! стабильностью сгорания и уровнем сопутствующего шума и вибраций.
Так, например, система MIVEC выполняет следующее:
! опережающее закрытие впускных клапанов для повышения эффективности степени
сжатия;
! уменьшение высоты подъема одного впускного клапана для обеспечения более сильного
завихрения и, как следствие, улучшенного смешивания и сгорания смеси, оптимизации
движения газов в цилиндре, а также снижения температуры внутри цилиндра в конце такта
сжатия для уменьшения образования оксидов азота (NOx).
Дополнительные решения
На сегодняшний день система MIVEC по-прежнему является основным, но не единственным
средством повышения характеристик двигателей 4N1.
Torque (Nm) — Крутящий момент, Н·м
Engine speed (× 100 rpm) — Частота вращения двигателя (× 100 об/мин)
Output (kW) — Мощность, кВт
Помимо управления впуском воздуха большое значение имеет обеспечение правильных
характеристик сгорания топлива, и для этой цели были разработаны следующие решения:
! Усовершенствованная геометрия камеры сгорания обеспечивает более полное сгорание
топливной смеси, а также позволяет избежать чрезмерно высоких температур, при которых
образуются оксиды азота. В двигателях 4N1 инженеры Mitsubishi предусмотрели
уменьшенную высоту камеры сгорания в днище поршня и узкую входную полость. Это
способствует снижению расхода топлива и более стабильному процессу сгорания.
! Другим решением является измененный процесс впрыска. Для нового дизельного
двигателя инженеры выбрали следующее:
- аккумуляторная топливная система, рабочее давление в которой было увеличено до
2 000 бар по сравнению с 1 800 бар в стандартных двигателях. Повышенное давление
обеспечивает более сильное распыление дизельного топлива при впрыске;
- оптимизированный трехступенчатый процесс впрыска:
-> подготовительный впрыск,
-> предварительный впрыск,
-> основной впрыск.
! Система MIVEC обеспечивает определенные преимущества в отношении управления
подачей воздуха. При полной нагрузке двигатель развивает очень высокие мощность и
крутящий момент благодаря следующим особенностям: 1) высокий подъем впускных
клапанов; 2) использование увеличенного угла седла клапана для режима высоких
скоростей.
! Впускное отверстие имеет те же параметры, что и на бензиновом двигателе.
! Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VG) имеет широкий диапазон рабочего угла
лопаток компрессорного колеса и обеспечивает более эффективный наддув при движении
с высокой скоростью.
Технология VG обеспечивает оптимальное сечение на входе турбины при низких и высоких
оборотах, что гарантирует улучшение эксплуатационных характеристик, особенно в плане
токсичности отработавших газов и повышения приемистости (отсутствие «турбоямы»
и т. д.).
В случае двигателей MMC 4N1 использование алюминиевого компрессорного колеса с
8 лопатками
(вместо
12
стандартных)
позволило
расширить
рабочий
диапазон
компрессора и, соответственно, повысить эффективность наддува.
Кроме того, компактный турбокомпрессор Mitsubishi Heavy Industries TF035, используемый
на двигателях 4N1, имеет сниженный на 10 % момент инерции компрессора и турбины.
Переменная геометрия турбины обеспечивает высокую приемистость двигателя и
оптимальное давление наддува при любых оборотах двигателя, что гарантирует
превосходные динамические характеристики и низкую токсичность отработавших газов.
Стабильная работа и низкий уровень шума
Двигатель 4N15 отличается небольшой массой и высоким КПД при низкой степени сжатия (15,5:1).
Но как добиться низкого уровня шума и вибрации и избавиться от рокочущего звука, характерного
для дизельных силовых агрегатов?
Для решения этой задачи был проведен анализ в четырех разных областях:
! Степень сжатия, равная 15,5:1, сама по себе обеспечивает невысокие значения нагрузок и,
соответственно, низкий уровень шума и вибраций.
! Сгорание: за счет комбинации системы MIVEC, неглубоких камер сгорания, многоэтапного
впрыска, аккумуляторной топливной системы с рабочим давлением 2 000 бар и сложной
электронной системы управления удалось значительно снизить рокочущий звук дизельного
двигателя,
который
связан,
главным
образом,
с
процессом
сгорания.
Примером
технического решения является подготовительный впрыск дизельного топлива в камеру
сгорания, который обеспечивает начало процесса сгорания и обеспечивает более плавное
горение топливной смеси и связанные с этим вибрации.
! Коленчатый вал со смещением: чтобы снизить боковые усилия, создаваемые движением
поршней, коленчатый вал имеет смещение на 15 мм. Это позволяет уменьшить выбросы
CO2,, повысить выходную мощность и стабильность работы, а также снизить уровень шума
и вибраций при любых оборотах двигателя. Использование автоматизированного
моделирования перемещений позволило оптимизировать смещение цилиндров, снизить на
20 % потери мощности на трение поршней и повысить топливную экономичность.
! Тихий цепной механизм газораспределения: обеспечивает снижение шума от клапанного
механизма.
! Балансирный вал: Взяв за основу технологию «Silent Shaft», которая впервые была
представлена на двигателях Astron в 1975 г. и предназначалась для снижения вибраций
двигателей с большим рабочим объемом (особенно 4-цилиндровых), компания MMC
провела дополнительные разработки в этой области и представляет балансирный вал для
дизельного двигателя 4N15 с объемом 2,4 литра, устанавливаемого на автомобили L200.