Подробный обзор конструкции нового дизеля Land Cruiser 300
Характеристики
Двигатель
Рабочий объем, см3
Диаметр цилиндра x Ход поршня, мм
Степень сжатия
Мощность, л.с.
Крутящий момент, Нм
-
F33A-FTV
3346
86.0 x 96.0
15.4
308 / 4000
700 / 1600-2600
CSC
299 / 3600-4200
700 / 1600-2600
CSC RUS
306 / 4000
700 / 1600-2600
non-CSC
Масса двигателей ~266 кг.
Соответствие экологическим нормативам: Euro 2-3-4-5, BS 6
Механическая часть
Двигатель получил чугунный блок цилиндров с закрытой рубашкой охлаждения. Крышки коренных подшипников объединены в единую постель коленвала. В задней части полублоки соединены аркой-перемычкой для повышения жесткости.
1 - блок цилиндров. a - постель коленвала, b - арка, c - цилиндр, d - сетка хона
Угол развала цилиндров составляет 90° - впервые на тойотовских V6. Плюсы такой компоновки - унификация с V8, меньше высота мотора, но едва ли не главное в данном случае - большой запас свободного места между полублоками. Недостаток - плохая уравновешенность, даже по сравнению с более традиционными V6. Поэтому, также впервые на тойотовских шестерках, от коленвала приводится составной балансирный вал, позволяющий уравновесить момент сил инерции 1-го порядка.
Причем тут V8? - во всяком случае, диаметр цилиндра и ход поршня F33 по какой-то причине соответствуют двигателю 1VD-FTV.
Отсчет новейшей истории стальных поршней идет с внедрения продукции Mahle для двигателей "большой-тройки" (Cummins - Detroit Diesel - Caterpillar) в самом начале нынешнего века; примечательно, что первые версии "грузовых" поршней были составными - со стальным днищем и алюминиевой юбкой. С середины 2010-х стальные поршни используются на мощных дизелях Mercedes-Benz (OM642, OM654, OM656) и даже на наиболее форсированных версиях малолитражных Renault dCi K9K и R9M.
Наиболее популярным для таких поршней материалом служит 42CrMo4, также применяются 34CrNiMo6 и 38MnVS6. Преимуществ достаточно - прочность и легкость, уменьшение трения, низкий коэффициент теплового расширения, лучшая термодинамическая эффективность благодаря снижению теплопроводности... Существенно уменьшается компрессионная высота поршня, благодаря чему можно или уменьшать высоту двигателя, или удлинять шатун.
Но разумеется, сложность изготовления стального поршня гораздо выше, чем алюминиевого.
Коленвал - из углеродистой стали, с раздельными шатунными шейками, индукционной закалкой галтелей. Задний противовес выполнен отдельной деталью.
1 - коленвал, 2 - подшипники 1/2, 3 - подшипники 3/4, 4 - верхняя упорная шайба, 5 - задний противовес. a - галтель, c - полимерный слой
Шатуны - из высокопрочной стали, с диагональным ломаным разъемом крышки.
1 - шатун, 2 - подшипник. a - ломаный разъем, b - металлический слой
Масляный поддон состоит из массивной верхней алюминиевой части и собственно штамованного стального поддона.
1 - верхняя часть, 2 - поддон, 3 - сливная пробка. a - ребро, b - выпуклая форма
Головка блока цилиндров с двухуровневой рубашкой охлаждения, со встроенным выпускным коллектором.
1 - головка блока цилиндров
1 - выпускной коллектор
1 - верхний уровень, 2 - нижний уровень
Схема газораспределительного механизма - DOHC 24V: по два распределительных вала в головках блока и четыре клапана на цилиндр. Распредвалы - литые, полые. В приводе клапанов используются гидрокомпенсаторы клапанных зазоров и роликовые толкатели/рокеры.
Силовой агрегат подвешен на трех опорах, передние - гидравлические полуактивные.
1 - передняя опора, 2 - задняя опора
На холостом ходу амплитуда колебаний невелика, подвижная пластина не блокирует канал между основной и дополнительной камерами: жидкость циркулирует между камерами, обеспечивая "мягкость" опоры и подавление вибраций. При движении амплитуда нарастает, подвижная пластина перекрывает канал: жидкость не циркулирует, обеспечивая "жесткость" опоры и улучшая ездовые характеристики.
1 - резиновый корпус, 2 - подвижная пластина. a - основная камера, b - дополнительная камера, c - холостой ход, d - движение
Вентилятор имеет ременный привод, но вместо простой вискомуфты установлена так называемая управляемая электро-вязкостная муфта, которая позволяет "интеллектуально" уменьшать обороты вентилятора при запуске, прогреве, на холостом ходу и при низкой нагрузке. Подробности о работе подобных муфт легко найти по ключевым словам "Borg Warner Visctronic".
Фактически вторая система охлаждения с собственным электрическим насосом и двумя радиаторами завязана на интеркулер (также обслуживает турбокомпрессоры, модуль подачи AdBlue и форсунку подачи топлива на выпуск).
Электронасос - компактный бесщеточный, скорость регулируется ЭБУ двигателя.
1 - ротор, 2 - вал. a - впуск, b - выпуск
Впуск и выпуск
Пара турбокомпрессоров с изменяемой геометрией направляющего аппарата (VGT или VNT) на низких скоростях работают в режиме single-turbo, на высоких - как twin-turbo
1 - клапан перепуска воздуха, 2 - привод, 3 - турбокомпрессор 2, 4 - привод VGT 2, 5 - клапан управления выпуском, 6 - клапан управления впуском воздуха, 7 - привода VGT, 8 - турбокомпрессор 1. a - воздух (режим single/twin turbo), b - воздух (twin), c - газы (single/twin), d - газы (twin), e - от воздушного фильтра, f - к интеркулеру, g - от левой ГБЦ, h - от ГБЦ, i - на выпуск
Изменяемая геометрия направляющего аппарата позволяет поддерживать оптимальное давление наддува в широком диапазоне оборотов, снижать противодавление при высокой частоте вращения, повышать мощность при низкой частоте вращения.
1 - турбокомпрессор 2, 2 - клапан перепуска воздуха, 3 - привод, 4 - электромотор VGT турбокомпрессора 2, 5 - турбокомпрессор 1, 6 - электромотор VGT турбокомпрессора 1.
a - тяги, b - рубашка охлаждения, c - компрессорное колесо, d - управляющее кольцо, e - лопатки, f - ведущий рычаг, g - турбинное колесо, h - ведомый рычаг
- При небольшой нагрузке или низкой частоте вращения привод перемещает управляющее кольцо, при этом поворачиваются шарнирно соединенные с ним лопатки, которые частично закрываются. В результате увеличивается скорость газов, поступающих на турбину, растет давление наддува и повышается крутящий момент двигателя.
- При высокой нагрузке или средней/высокой частоте вращения лопатки перемещаются в открытое положение, благодаря чему поддерживается требуемое давление наддува и снижается сопротивление на выпуске.
Система переключения режимов работы турбокомпрессоров (2 Way Twin Turbo)
1 - электромотор постоянного тока, 2 - клапан перепуска воздуха (ABV), 3 - клапан управления выпуском (ECV), 4 - датчик давления наддува, 5 - термовыключатель (выпуск интеркулера), 6 - клапан управления впуском (IACV), 7 - датчик давления наддува (выпуск компрессора), 8 - датчик расхода воздуха (MAF), 9 - форсунка, 10 - датчик положения коленвала, 11 - ECM
- Режим single-turbo - подача отработавших газов к турбокомпрессору 2 отключена, воздушные каналы от компрессора 2 перекрыты.
1 - турбокомпрессор 2, 2 - клапан управления выпуском (ECV), 3 - турбокомпрессор 1, 4 - интеркулер, 5 - клапан управления впуском (IACV), 6 - клапан перепуска воздуха (ABV). a - клапан закрыт, b - клапан открыт
- Плавное переключение режимов происходит при открывании клапана ECV и опережающем срабатывании турбокомпрессора 2. Быстрое переключение режимов происходит при открытии клапана ABV, в результате воздух поступает на вход турбокомпрессора и быстро увеличивает обороты турбинного колеса.
1 - турбокомпрессор 2, 2 - клапан управления выпуском (ECV), 3 - турбокомпрессор 1, 4 - интеркулер, 5 - клапан управления впуском (IACV), 6 - клапан перепуска воздуха (ABV). a - клапан закрыт, b - клапан открыт
- Режим twin-turbo - клапаны ECV и IACV открыты для подачи воздуха от турбокомпрессора 2 к двигателю.
1 - турбокомпрессор 2, 2 - клапан управления выпуском (ECV), 3 - турбокомпрессор 1, 4 - интеркулер, 5 - клапан управления впуском (IACV), 6 - клапан перепуска воздуха (ABV). a - клапан закрыт, b - клапан открыт
В корпусе компрессора выполнена рубашка охлаждения для снижения температуры стенок воздушного канала и уменьшения количества отложений.
Для охлаждения наддувочного воздуха на автомобиле установлен крупный интеркулер с автономным жидкостным охлаждением.
1 - интеркулер. a - от турбокомпрессора, b - к дроссельной заслонке, c - к электронасосу, d - от радиатора интеркулера, e - впуск, f - выпуск
Во впускном тракте находится дроссельная заслонка с электродвигателем постоянного тока и датчиком положения на эффекте Холла.
Топливная система типа Common Rail - топливо подается при помощи ТНВД в общий топливный коллектор (рампу) и впрыскивается в цилиндры через форсунки с электронным управлением. Давление впрыска составляет от 32 до 270 МПа. Система носит брендовое обозначение i-ART (intelligent-Accuracy Refinement Technology)
Топливная система (версия с DPF). 1 - ЭБУ двигателя, 2 - датчик положения коленвала, 3 - датчик положения распредвала, 4 - дозирующий клапан, 5 - ТНВД, 6 - фильтр, 7 - форсунка подачи топлива на выпуск, 8 - подкачивающий насос, 9 - фильтр, 10 - топливный бак, 11 - форсунка, 12 - клапан сброса давления, 13 - рампа (B1), 14 - рампа (B2). a - топливо (высокое давление), b - топливо (низкое давление), c - топливо (всысывание), d - топливо (возврат)
• Топливный насос высокого давления - типа HP5D, двухкамерный, с двумя управляющими клапанами. Управление давлением топлива осуществляется дозированием подачи топлива на входе в ТНВД и дозированием слива через клапан сброса давления.
1 - дозирующий клапан. a - к форсунке подачи топлива на выпуск / фильтру, b - выпуск (в бак), c - впуск (от подкачивающего насоса), d - в рампу, e - от фильтра
При вращении кулачок через толкатель перемещает плунжер вверх. Если при этом дозирующий клапан закрыт, то давление нарастает и топливо из насоса поступает в рампу. ECM управляет моментом закрытия дозирующего клапана и таким образом обеспечивает заданный уровень давления в топливном коллекторе. Если плунжер не подпирается кулачком, то он возвращается вниз под действием пружины.
- При позднем закрытии дозирующего клапана увеличивается обратный сброс топлива и уменьшается подача.
- При раннем закрытии величина подачи увеличивается.
• В топливном коллекторе установлен датчик давления топлива и клапан сброса давления. Управляемый клапан открывается и закрывается по сигналу от блока управления, кроме того, он может выполнять функцию аварийного сброса давления в коллекторе.
1 - топливная рампа (B1), 2 - топливная рампа (B2), 3 - клапан сброса давления.
a - к форсунке, b - от ТНВД, c - к баку (чрезмерное давление)
• Форсунки - электромагнитного типа. В них используются индивидуальные датчики давления и температуры топлива, которые позволяют точно регулировать объем подачи каждой форсунки, а также определять их неисправность (засорение или негерметичность). Форсунки снабжены встроенной памятью и функцией самообучения.
- В закрытом состоянии клапан удерживается пружиной. Давление в управляющей камере высокое. Давление топлива, воздействующее на иглу снизу, недостаточно для ее открытия.
- При подаче тока на обмотку клапан открывает канал, по которому топливо сбрасывается из управляющей камеры. Возникает перепад давления, благодаря которому открывается запорная игла форсунки и происходит впрыск топлива.
- При прекращении подачи тока клапан закрывается. Золотник опускается и управляющая камера заполняется топливом под давлением, которое воздействует сверху на иглу. Игла форсунки закрывается и впрыск прекращается. После выравнивания давления в управляющей камере золотник возвращается в верхнее положение под действием пружины.
1 - клапан, 2 - выпускной канал, 3 - золотник, 4 - впускной канал, 5 - управляющая камера. a - перед впрыском, b - впрыск, c - после впрыска
1 - ECM, 2 - форсунка, 3 - датчик давления топлива, 4 - управляющая камера, 5 - игла. a - сигнал работы, b - сигнал давления топлива, c - форсунки, d - связь (сигнал температуры и память), e - обратная связь, f - сигнал управления, g - нет впрыска, h - начало подачи тока, i - начало впрыска, j - максимальный объем впрыска достигнут, k - конец подачи тока, l - уменьшение объема впрыска, m - впрыск остановлен
• Топливный фильтр - достаточно сложной конструкции с возможностью замены фильтрующего элемента.
• В моделях с двумя топливными баками используется дополнительный погружной топливный насос.
• В системе управления применяются следующие датчики:
- давления наддува
- положения коленвала (MRE-типа)
- положения распредвала (MRE-типа)
- массового расхода воздуха (MAF) типа slot-in, совмещен с датчиком температуры воздуха на впуске
- положения дроссельной заслонки (на эффекте Холла)
- положения педали акселератора (на эффекте Холла)
- встроенные в форсунки датчики давления и температуры топлива
Экология / Системы снижения токсичности
В зависимости от того, каким экологическим нормативам соответствует конкретный автомобиль, система снижения выбросов может иметь разную степень сложности: EGR, EGR+DOC, EGR+DPF, EGR+SCR-DPF
• EGR (система рециркуляции отработавших газов) - за счет перепуска некоторого количества газов на впуск снижает максимальную температуру в цилиндре и способствует уменьшению выбросов оксидов азота.
Клапан EGR - с электродвигателем постоянного тока и с бесконтактным датчиком положения на эффекте Холла. Клапан расположен на пересечении впускного канала и каналов EGR для равнмерного перемешивания газов с воздухом.
1 - клапан EGR
Температура перепускаемых газов понижается с помощью двух жидкостных охладителей EGR.
1 - охладитель EGR cooler 1, 2 - охладитель EGR 2. a - от ГБЦ, b - к помпе, c - клапан EGR #2
Клапан EGR #2 (приводится электромотором постоянного тока) служит для оптимизации температуры газов EGR, контролируя их проход через охладители: в режиме перепуска весь поток направляется мимо охладителей, в режиме охлаждения - наоборот.
A - режим перепуска, B - смешанный режим, C - режим охлаждения. 1 - клапан EGR, 2 - датчик температуры EGR, 3 - клапан EGR #2, 4 - охладитель 1, 5 - охладитель 2. a - к впускному патрубку 1, b - от ГБЦ
Используются датчики:
- температуры EGR (за управляющим клапаном EGR)
• DOC (окислительный нейтрализатор) - первичная стадия очистки отработавших газов - окисляет углеводороды и оксид углерода до воды и диоксида углерода.
1 - корпус / коллектор, 2 - оксилительный катализатор
• DPF (сажевый фильтр) - служит для накопления и удаления/сжигания сажевых частиц, а также CO и CH.
1 - корпус / коллектор, 2 - DPF
В выпускной коллектор встроена дополнительная форсунка низкого давления, через которую топливо непосредственно от насоса подается на выпуск для повышения температуры DPF и сжигания накопленных сажевых частиц. Внутри коллектора струя топлива сталкивается с пластиной миксера, чтобы более равномерно смешиваться с отработавшими газами.
1 - форсунка подачи топлива на выпуск, 2 - миксер. a - топливо
Используются датчики:
- температуры отработавших газов (перед DOC, перед DPF и после DPF)
- широкодиапазонный датчик состава смеси (после DPF)
- дифференциального давления сажевого фильтра - позволяет определять степень его заполнения
Процесс пассивной регенерации сажевого фильтра (сгорания частиц) может осуществляться сам по себе при условии высокой температуры отработавших газов - например, при длительном движении с высокой скоростью. При этом нет необходимости в управлении и подаче дополнительного топлива.
Блок управления постоянно рассчитывает баланс количества накопленной и сгоревшей сажи, учитывая состояние двигателя, обороты, объем подачи топлива (основными и дополнительной форсунками). В зависимости от полученного значения, блок принимает решение о необходимости автоматической или ручной регенерации и информирует водителя.
Сообщения на дисплее: A - "DPF Regeneration in Progress", B - "DPF Full See Owner's Manual", C - "DPF Full Manual Regeneration Required See Owner's Manual", D - "DPF Full Visit Your Dealer"
При выполнении регенерации, блок задействует форсунку подачи топлива на выпуск и управляет режимом сгорания топлива в двигателе. Температура материала в сажевом фильтре повышается до 600-700°C и частицы сажи сгорают.
Если количество накопленной сажи превышает первый порог, блок выполняет автоматическую регенерацию до достижения нулевого значения накоплений.
Если количество накопленной сажи превышает второй порог, блок предупреждает водителя о необходимости выполнения ручной регенерации и показывает уровень отложений. Ручная регенерация запускается выключателем DPR (прожига сажевого фильтра) или с помощью сканера.
Если количество сажи превышает допустимый предел даже в режиме ручной регенерации, это может привести к повреждению DPF. Блок прекращает регенерацию, задействует аварийный режим и предупреждает водителя о неисправности и необходимости посещения сервиса.
• SCR (селективный нейтрализатор) - уменьшение содержания NOx в отработавших газах за счет впрыска раствора мочевины (AdBlue/DEF). Катализатор SCR-DPF также выполняет функцию очистки от сажевых частиц.
1 - SCR-DPF, 2 - катализатор SCR
После впрыска раствора происходит испарение воды, а затем термолиз мочевины, в результате чего она распадается на изоциановую кислоту и аммиак. При повышенной температуре изоциановая кислота в процессе гидролиза разлагается на двуокись углерода и аммиак. Аммиак накапливается в нейтрализаторе и вступает в реакцию с оксидами азота отработавших газов, в результате чего образуется чистый азот и вода.
Подача раствора мочевины выполняется многофункциональным модулем в нижней части бака AdBlue. Насос подает раствор под давлением около 500 кПа к форсунке мочевины (обратная связь осуществляется по датчику давления). Нагреватель поддерживает жидкое состояние раствора при отрицательных температурах (обратная связь осуществялется по датчику температуры в насосе). Наличие собственно мочевины в растворе контролируется датчиком концентрации. Предусмотрены фильтр и датчик уровня раствора.
Используются датчики:
- температуры отработавших газов (после SCR катализатора)
- NOx 1 (в выпускном коллекторе) - определяет концентрацию NOx и кислорода
- NOx 2 (в приемной трубе) - определяет концентрацию NOx
Расход AdBlue, пропорциональный содержанию NOx в отработавших газов, зависит в первую очередь от величины нагрузки на двигатель. Средний расход декларируется на уровне 1 л на 1000 км пробега, максимальный - около 2 (учитывая, что для грузовых автомобилей расход мочевины составляет порядка 5% от расхода топлива - здесь цифры выглядят весьма скромно). Объем бака для раствора мочевины составляет 17.4 л. При остатке жидкости на 2400 км пробега включается индикатор низкого уровня, при остатке на 1100 км появляется предупреждение про запуск двигателя. После полного исчерпания AdBlue двигатель работает, но уже не может быть повторно запущен, и требует дозаправки не менее 7 л жидкости.
1 - многофункциональный дисплей
Rem. Несостоятельность вброшенного когда-то на австралийских фан-форумах и подхваченного по миру предположения про "будущий дизель от Mazda" (подразумевалась анонсированная маздой новая рядная шестерка) можно было понять сразу, как только стало известно про V-образную компоновку F33. Однако спекуляции на эту тему почему-то продолжились и после официальной премьеры, и даже после публикации тойотой полной технической информации по новому дизелю.
