Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

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]:

, (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]:

, (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,

, (3)

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

. (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.

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.

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.

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.

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.