Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПУТЕМ ОТКЛЮЧЕНИЯ ЧАСТИ ЦИЛИНДРОВ

Бердников А.А. 1 Мингазов С.Р. 1 Жуков А.А. 1
1 ФГКВОУ ВО «Пермский военный институт войск национальной гвардии Российской Федерации»
Для улучшения экономических и экологических показателей двигателей внутреннего сгорания желательно при работе на холостом ходу и малых нагрузках отключать часть цилиндров. Анализ показывает, что отключение части цилиндров приводит к понижению теплонапряженности цилиндров двигателя, уменьшению расхода топлива. Суть метода состоит в том, что на режимах холостого хода и малых нагрузок подача топлива в часть цилиндров прекращается. Однако длительная работа двигателя с отключением одних и тех же цилиндров приводит к набрасыванию и накоплению в них смазочного материала, что может увеличить механические потери и снижать эффективный коэффициент полезного действия двигателя. Устранить эти недостатки можно, применив метод чередования включенных и выключенных цилиндров. В статье предлагается методика формирования порядка отключения части цилиндров двигателя с целью получения необходимой мощности двигателя для эффективной и экономичной работы двигателя.
экономичность двигателей
рабочий цикл
отключение цилиндров
система питания
1. Белов П.М., Бурячко В.Р., Акатов В.И. Двигатели армейских машин. Часть первая. Теория [Текст] / П.М. Белов, В.Р. Бурячко, В.И. Акатов. – М.: Воениздат, 1971. – 512 с.
2. Грабовский А.А. ДВС с дискретным изменением мощности [Текст] / А.А. Грабовский // Науч. попул. журн. Автомобильная промышленность. – ООО «Издательство Машиностроение», 2014. – № 1. – С. 8–12.
3. Дизели: Справочник. Изд. 3-е, перераб. и доп. [Текст] / Под общ. ред. В.А. Ваншейдта, Н.Н. Иванченко, Л.К. Коллерова. – Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1977. – 480 с.
4. Мингазов С.Р., Бердников А.А. Форсунка с устройством отключения подачи топлива [Текст] / С.Р. Мингазов, А.А. Бердников // Сборник научных материалов. Выпуск 2. Актуальные вопросы совершенствования военной и специальной техники. Под общ. ред. А.А. Бердникова. – Пермь: ПВИ ВВ МВД России, 2016. – С. 24–27.
5. Пат. 165209 Российская Федерация, МПК F 02 М 21/02. Устройство для отключения подачи топлива к форсунке [Текст] / Мингазов С.Р., Бердников А.А., Дмитриев А.И.; заявители Мингазов С.Р., Бердников А.А., Дмитриев А.И.; патентообладатель Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский военный институт внутренних войск Министерства внутренних дел Российской Федерации» – № 2016109343/06; заявл. 15.03.2016; опубл. 10.10.2016, Бюл. № 28. – 1 с.
6. Пат. 2380562 Российская Федерация, МПК F02D 17/02. Способ дискретного изменения мощности ДВС (Варианты) [Текст] / Грабовский А.А.; заявитель и патентообладатель Грабовский А.А. №2008104241/06; заявл. 04.02.2008; опубл. 27.01.10, Бюл. № 3. – 80 с.

Для улучшения экономических и экологических показателей двигателей внутреннего сгорания (ДВС) желательно при работе на холостом ходу и малых нагрузках обеспечить работу не всех цилиндров, а нескольких, то есть отключать часть цилиндров. Это позволит поддерживать требуемый температурный режим при минимальном расходе топлива и улучшить его экологические показатели.

Эффективная мощность двигателя, то есть полезно используемая мощность при работе двигателя на внешний потребитель, является функцией ряда параметров [1]:

berd01.wmf, (1)

где Nе – эффективная мощность, кВт;

Vл – литраж двигателя, л;

ре – среднее эффективное давление, Па;

п – частота вращения коленчатого вала, мин-1;

z – коэффициент тактности, для двухтактных двигателей – 1, для четырехтактных – 2.

С точки зрения конструктивного исполнения двигателя в формуле (1) интересен литраж. Литраж двигателя обуславливает практически пропорциональное изменение величины заряда, поступающего в цилиндры, что соответственно сказывается на мощности двигателя. Литраж двигателя может быть изменен как за счет размерности цилиндров, так и путем изменения их числа, то есть отключением части цилиндров, в результате можно варьировать мощностью двигателя. В то же время уменьшение числа работающих цилиндров приводит к уменьшению относительной утечки через поршневые кольца.

Уменьшение числа работающих цилиндров, то есть отключение части цилиндров, приведет к снижению теплонапряженности цилиндров двигателя. Теплонапряженность зависит от количества тепла, отводимого в систему охлаждения, которое выражается через теплоту сгоревшего топлива, а также от площади внутренней поверхности цилиндра [1]:

berd02.wmf, (2)

где qцил – теплонапряженность цилиндров двигателя, Дж/м2·ч;

Qохл – количество теплоты, отводимое в систему охлаждения, Дж;

F – общая площадь внутренней поверхности цилиндра, м2;

а – доля теплоты, отводимая в систему охлаждения двигателя, а = 0,13 – 0,35;

GT – частой расход топлива, кг/ч;

Qн – теплота сгорания топлива, Дж/кг.

Учитывая зависимость часового расхода топлива от удельного эффективного расхода топлива и эффективной мощности двигателя,

berd03.wmf, (3)

где gе – эффективного расхода топлива, г/кВт·ч, получим зависимость теплонапряженности цилиндров двигателя от расхода топлива и мощности двигателя:

berd04.wmf. (4)

Таким образом, анализ выражений (1) и (4) показывает, что отключение части цилиндров, изменяя литраж, приводит к понижению теплонапряженности цилиндров двигателя. А из уравнения (3) следует, что в таком случае еще и понижается расход топлива. Понижение расхода топлива в этом случае наблюдается за счет снижения мощности, однако на режимах холостого хода и малых нагрузок снижение эффективной мощности просто необходимо, так как цилиндры двигателя на указанных режимах становятся «недогруженными», в результате удельный расход топлива оказывается в 1,5–5 раза выше, чем на режиме номинальной мощности [4]. Поэтому при эксплуатации двигателя необходимо стремиться к тому, чтобы кривая эффективной мощности всегда располагалась на кривой минимального удельного расхода топлива (рис. 1) [3]. А на режимах холостого хода и малых нагрузок этого можно добиться путем отключения части цилиндров, таким образом «догружая» рабочие цилиндры.

Суть метода повышения эксплуатационной топливной экономичности двигателя на режимах малых нагрузок, холостых и принудительных холостых ходах состоит в том, что на этих режимах подача топлива в часть цилиндров прекращается [5], а оставшиеся включенными автоматически переводятся на работу на более богатых смесях, соответствующих максимумам зависимостей эффективного коэффициента полезного действия от состава смеси. Однако, как уже отмечалось, длительная работа двигателя с отключением одних и тех же цилиндров приводит к снижению теплового состояния отключенных цилиндров, а также к набрасыванию и накоплению в них смазочного материала. Все это может увеличить механические потери и снижать эффективный коэффициент полезного действия двигателя. Кроме того, после приема нагрузки в этих случаях возникает опасность разноса турбонагнетателя, закоксовывания и залегания поршневых колец и т.д. Устранить эти недостатки можно, применив метод чередования через какое-то незначительное время (порядка долей секунды) включенных и выключенных цилиндров.

berd1.tif

Рис. 1. Области удельных расходов топлива на внешней характеристике двигателя: – – – – наибольшая мощность двигателя при минимальных удельных расходах топлива; gе – кривые постоянных удельных эффективных расходов топлива; Ne – эффективная мощность; n – частота вращения коленчатого вала

Чередование включенных и выключенных цилиндров может выполняться по методике, изложенной в трудах [2, 6]. Однако, с целью обеспечения возможности отключения цилиндров с учетом уравновешенности двигателя, необходимо эту методику уточнять.

Рассмотрим некоторые алгоритмы отключения цилиндров ДВС на примере шести- и восьмицилиндровых V-образных двигателей, работа которых особенно неэффективна на режимах холостого хода и малых нагрузок.

Для понимания происходящих процессов под рабочим циклом будем понимать четыре периодически повторяющихся процесса: впуск, сжатие, рабочий ход (в случае отключения цилиндра – пропуск рабочего хода), выпуск. При этом рабочий цикл протекает 7200 по углу поворота коленчатого вала (ПКВ).

Под полным рабочим циклом будем понимать совокупность рабочих циклов, за которую в каждом цилиндре произойдет минимальное количество рабочих ходов (включение цилиндра), и в случае отключения, пропусков рабочих ходов и этот цикл окажется замкнутым, то есть будет иметь возможность повторяться бесконечное множество раз.

Алгоритм отключения цилиндров шестицилиндрового V-образного двигателя с порядком работы 1-4-2-5-3-6 для получения 50 % мощности двигателя представлен на рис. 2. Здесь и далее залитые кружки показывают цилиндры, в которых совершается рабочий цикл с рабочим ходом, незалитые кружки показывают отключенные цилиндры, то есть пропуск рабочего хода.

berd2a.tif berd2b.tif

а) б)

Рис. 2. Алгоритм отключения цилиндров для получения 50 % мощности шестицилиндрового V-образного двигателя: а – отключение цилиндров одного блока; б – отключение цилиндров обоих блоков

Для получения 50 % мощности в шестицилиндровом двигателе необходимо отключить половину цилиндров, то есть три. Здесь алгоритм отключения может быть таким, что отключатся три цилиндра одного блока (рис. 2, а), однако с точки зрения уравновешенности двигателя отключение цилиндров целесообразнее проводить по схеме, представленной на рис. 2, б. В этом алгоритме полный рабочий цикл совершается за два рабочих цикла и составляет 2х720 = 14400 ПКВ. По горизонтальным линиям цилиндров видим, что за полный рабочий цикл каждый цилиндр отключится по одному разу, в этом случае порядок работы цилиндров составит: 1-0-0-5-3-0-0-4-2-0-0-6 («0» – означает отключение цилиндра), то есть в этом порядке работы чередуются попарно включенные и отключенные цилиндры, и цикл получается замкнутым.

С целью изменения мощности двигателя и достижения максимальной экономичности работы двигателя на режимах холостого хода и частичных нагрузок, необходимо изменить алгоритм отключения цилиндров. Такие алгоритмы для шестицилиндрового V-образного двигателя представлены в табл. 1.

Таблица 1

Алгоритмы отключения цилиндров шестицилиндрового V-образного двигателя

Расположение цилиндров

6 V-образный

berd1T1.tif

Порядок работы цилиндров

1-4-2-5-3-6

berd1T2.tif

1-4-2-5-3-6

berd1T3.tif

1-4-2-5-3-6

berd1T4.tif

Реализуемая мощность от номинальной

20 % мощности

28,6 % мощности

60 % мощности

Полный рабочий цикл:

36000

1 рабочий цикл 7200

1-0-0-0-0-6-

berd1T5.tif

1-0-0-5-0-0-

berd1T6.tif

1-0-2-0-3-6-

berd1T7.tif

2 рабочий цикл 7200

0-0-0-0-3-0-

berd1T8.tif

0-4-0-0-3-0-

berd1T9.tif

0-4-0-5-3-0-

berd1T10.tif

3 рабочий цикл 7200

0-0-0-5-0-0-

berd1T11.tif

0-0-2-0-0-6-

berd1T12.tif

1-0-2-5-0-6-

berd1T13.tif

4 рабочий цикл 7200

0-0-2-0-0-0-

berd1T14.tif

0-0-0-5-0-0-

berd1T15.tif

0-4-2-0-3-0-

berd1T16.tif

5 рабочий цикл 7200

0-4-0-0-0-0

berd1T17.tif

1-0-0-0-3-0-

berd1T18.tif

1-4-0-5-0-6

berd1T19.tif

50400

6 рабочий цикл 7200

   

0-4-0-0-0-6-

berd1T20.tif

   

7 рабочий цикл 7200

   

0-0-2-0-0-0

berd1T21.tif

   

По табл. 1 видим, что для получения 20 % мощности полный рабочий цикл можно реализовать в пяти рабочих циклах, то есть за 36000 ПКВ. При этом в 1 рабочем цикле отключаются четыре цилиндра, а в остальных – по пять. В вертикальных столбцах порядка работы цилиндров двигателя видим, что за полный рабочий цикл каждый цилиндр в работу включится по одному разу и по четыре раза отключится, то есть по порядку работы цилиндров после каждого сработавшего цилиндра идет четыре отключенных цилиндра. Порядок работы цилиндров при этом составит 1-0-0-0-0-6-0-0-0-0-3-0-0-0-0-5-0-0-0-0-2-0-0-0-0-4-0-0-0-0 и будет замкнутым, а ДВС будет выдавать 20 % мощности.

Получить от двигателя 60 % мощности можно по алгоритму 1-0-2-0-3-6-0-4-0-5-3-0-1-0-2-5-0-6-0-4-2-0-3-0-1-4-0-5-0-6 в пяти рабочих циклах за 36000 ПКВ. Логика отключения в этом случае выбрана следующая: 0-«+»-0-«+»-«+»-, где «+» – включение цилиндра. Такая логика отключения цилиндров позволяет замкнуть полный рабочий цикл, а в каждом цилиндре произойдет два отключения и три включится в работу.

Если задать логику отключения «+»-0-0-«+»-0-0-0-, то такой полный рабочий цикл замкнется за семь рабочих циклов, то есть за 50400, и каждый цилиндр только дважды включится в работу. Порядок работы цилиндров: 1-0-0-5-0-0-0-4-0-0-3-0-0-0-2-0-0-6-0-0-0-5-0-0-1-0-0-0-3-0-0-4-0-0-0-6-0-0-2-0-0-0, а двигатель начнет выдавать, примерно, 28,6 % мощности.

Таким образом, по предложенной методике можно задать двигателю определенный порядок работы цилиндров для реализации необходимой мощности. Однако необходимо учитывать порядок работы двигателя при отключенных цилиндрах с точки зрения уравновешенности двигателя.

Так, например, рассматривая алгоритмы отключения восьмицилиндрового V-образного двигателя с различным порядком работы цилиндров (табл. 2), можно заметить, что при отключении цилиндров по одной и той же методике двигатель с порядком работы цилиндров 1-5-4-2-6-3-7-8 будет менее уравновешен. Это видно по схемам работы цилиндров. Например, при реализации 80 % мощности во 2 и 4 рабочих циклах отключаются цилиндры одного блока, при реализации 60 % мощности в 1 и 3 рабочих циклах отключаются по три цилиндра одного блока, а при реализации 33,3 % мощности во 2 и 3 рабочих ходах в работу включаются цилиндры только одного блока, тогда как для двигателей с порядками работы 1-6-3-5-4-7-2-8 и 1-8-3-6-4-5-2-7 таких недостатков нет.

Таблица 2

Алгоритмы отключения цилиндров восьмицилиндрового V-образного двигателя

Расположение цилиндров

8 V-образный

berd2T1.tif

8 V-образный

berd2T2.tif

8 V-образный

berd2T3.tif

Порядок работы цилиндров

1-5-4-2-6-3-7-8

berd2T4.tif

1-6-3-5-4-7-2-8

berd2T5.tif

1-8-3-6-4-5-2-7

berd2T6.tif

Полный рабочий цикл:

36000;

80 % мощности

1 рабочий цикл 7200

1-5-4-2-0-3-7-8-

berd2T7.tif

1-6-3-5-0-7-2-8-

berd2T8.tif

1-8-3-6-0-5-2-7-

berd2T9.tif

2 рабочий цикл 7200

1-0-4-2-6-3-0-8-

berd2T10.tif

1-0-3-5-4-7-0-8-

berd2T11.tif

1-0-3-6-4-5-0-7-

berd2T12.tif

3 рабочий цикл 7200

1-5-4-0-6-3-7-8-

berd2T13.tif

1-6-3-0-4-7-2-8-

berd2T14.tif

1-8-3-0-4-5-2-7-

berd2T15.tif

4 рабочий цикл 7200

0-5-4-2-6-0-7-8-

berd2T16.tif

0-6-3-5-4-0-2-8-

berd2T17.tif

0-8-3-6-4-0-2-7-

berd2T18.tif

5 рабочий цикл 7200

1-5-0-2-6-3-7-0

berd2T19.tif

1-6-0-5-4-7-2-0

berd2T20.tif

1-8-0-6-4-5-2-0

berd2T21.tif

Полный рабочий цикл:

21600;

66,7 % мощности

1 рабочий цикл 7200

1-5-0-2-6-0-7-8-

berd2T22.tif

1-6-0-5-4-0-2-8-

berd2T23.tif

1-8-0-6-4-0-2-7-

berd2T24.tif

2 рабочий цикл 7200

0-5-4-0-6-3-0-8-

berd2T25.tif

0-6-3-0-4-7-0-8-

berd2T26.tif

0-8-3-0-4-5-0-7-

berd2T27.tif

3 рабочий цикл 7200

1-0-4-2-0-3-7-0

berd2T28.tif

1-0-3-5-0-7-2-0

berd2T29.tif

1-0-3-6-0-5-2-0

berd2T30.tif

Полный рабочий цикл:

36000;

60 % мощности

1 рабочий цикл 7200

1-0-4-2-0-3-0-8-

berd2T31.tif

1-0-3-5-0-7-0-8-

berd2T32.tif

1-0-3-6-0-5-0-7-

berd2T33.tif

2 рабочий цикл 7200

1-0-4-0-6-3-0-8-

berd2T34.tif

1-0-3-0-4-7-0-8-

berd2T35.tif

1-0-3-0-4-5-0-7-

berd2T36.tif

3 рабочий цикл 7200

0-5-4-0-6-0-7-8-

berd2T37.tif

0-6-3-0-4-0-2-8-

berd2T38.tif

0-8-3-0-4-0-2-7-

berd2T39.tif

4 рабочий цикл 7200

0-5-0-2-6-0-7-0-

berd2T40.tif

0-6-0-5-4-0-2-0-

berd2T41.tif

0-8-0-6-4-0-2-0-

berd2T42.tif

5 рабочий цикл 7200

1-5-0-2-0-3-7-0

berd2T43.tif

1-6-0-5-0-7-2-0

berd2T44.tif

1-8-0-6-0-5-2-0

berd2T45.tif

Полный рабочий цикл:

21600;

33,3 % мощности

1 рабочий цикл 7200

1-0-0-2-0-0-7-0-

berd2T46.tif

1-0-0-5-0-0-2-0-

berd2T47.tif

1-0-0-6-0-0-2-0-

berd2T48.tif

2 рабочий цикл 7200

0-5-0-0-6-0-0-8-

berd2T49.tif

0-6-0-0-4-0-0-8-

berd2T50.tif

0-8-0-0-4-0-0-7-

berd2T51.tif

3 рабочий цикл 7200

0-0-4-0-0-3-0-0

berd2T52.tif

0-0-3-0-0-7-0-0

berd2T53.tif

0-0-3-0-0-5-0-0

berd2T54.tif

Таким образом, повышения экономических показателей ДВС можно добиться путем отключения части цилиндров на режимах частичных нагрузкок и холостом ходу. С целью предотвращения нежелательных последствий при отключении одних и тех же цилиндров желательно применять метод чередования включенных и выключенных цилиндров по предложенной методике. Получением требуемой мощности по тому или иному алгоритму (порядку работы) можно добиться оптимального расхода топлива – экономичности ДВС.


Библиографическая ссылка

Бердников А.А., Мингазов С.Р., Жуков А.А. ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПУТЕМ ОТКЛЮЧЕНИЯ ЧАСТИ ЦИЛИНДРОВ // Современные наукоемкие технологии. – 2017. – № 1. – С. 12-16;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=36548 (дата обращения: 23.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074