В условиях эксплуатации транспортные двигатели, а также дизели сельскохозяйственных машин при выполнении транспортных операций длительное время работают на режимах холостого хода. Установлено [1–3], что при эксплуатации на режимах холостого хода работают (в процентах от общего рабочего времени): транспортные дизели автомобилей – 15–30 %; дизели сельскохозяйственных машин – 4–29 %; зерноуборочные комбайны – 5–16 %. Тем не менее расход топлива дизеля при работе на режиме холостого хода составляет соответственно от 7 до 17 % от суммарного расхода топлива. На режимах холостого хода работа расходуется на преодоление механических потерь в дизеле. Для этого требуются малые цикловые подачи топлива, впрыскивание которых в цилиндр осуществляется при пониженных давлениях, обуславливающих ухудшение процессов смесеобразования и сгорания и, как следствие, снижение индикаторного КПД при высоких значениях коэффициента избытка воздуха [4–6]. Для повышения цикловой подачи топлива и улучшения процесса смесеобразования при работе двигателей на режимах частичных нагрузок или холостого хода рекомендуется в [7–9] организовать работу дизеля таким образом, чтобы можно было отключать подачу топлива при уменьшении нагрузки и увеличивать подачу топлива при ускорении [10–12]. В тепловозных дизелях при работе на режиме холостого хода отключают часть секций топливного насоса. Получил развитие способ отключения части цилиндров, который впервые был реализован в 1981 г. на двигателях с принудительным воспламенением автомобилей Cadillac [13]. Возможными способами отключения цилиндра является прекращение подачи в него топлива с одновременным закрытием органов газораспределения или без него.
Способ отключения части цилиндров успешно реализован на многих современных двигателях с принудительным воспламенением, поскольку он позволяет уменьшить не только потери, связанные с дросселированием свежего заряда, и тепловые потери в стенку цилиндра, но и насосные потери, а также обеспечивает условия функционирования лямбда-зонда электронного блока управления. Так, 4-цилиндровый двигатель TSI объемом 1,4 л и эффективной мощностью 103 кВт, входящий в серию двигателей ЕА211 фирмы Volkswagen, оснащен оригинальной системой ACT (active cylinder technology) отключения половины цилиндров, обеспечивающей снижение расхода топлива двигателем в цикле NEFZ на 0,4 л на 100 км пробега [14].
Указанная система осуществляет не только прекращение топливоподачи во 2-й и 3-й цилиндры и закрытие в них впускных и выпускных клапанов в диапазоне частот вращения коленчатого вала 1250–4000 мин-1 при ограничении крутящего момента двигателя до 85 Н•м, но и исключает искрообразование между электродами свечи зажигания в этих цилиндрах.
На транспортных дизелях и дизелях сельскохозяйственной техники метод отключения цилиндров еще не нашел практического применения из-за сложности его конструктивного оформления в системе топливоподачи и механизме газораспределения. Однако результаты выполненных исследований [2–4] указывают на целесообразность его использования.
Так как указанные способы различаются сложностью реализации, целесообразно для обоснованного выбора одного из них выполнить сравнительную оценку топливной экономичности дизеля на режимах холостого хода полноразмерного, а также когда прекращается подача топлива в часть цилиндров с одновременным закрытием впускных и выпускных клапанов или ограничиться только прекращением подачи топлива.
В работах [10–12] предлагается расчетно-экспериментальная методика по оценке топливной экономичности при отключении части цилиндров на основе экспериментальной универсальной (комбинированной, многопараметровой) характеристики полноразмерного двигателя для конкретного режима его работы. Эта методика получила широкое применение для расчета изменения удельного эффективного расхода топлива при отключении части цилиндров прекращением подачи топлива не только в автомобильных и тракторных дизелях [8–10], но и в четырехтактных бензиновых и газовых двигателях с принудительным воспламенением [11–13] на частичных режимах их работы. Следует отметить, что результаты расчетных исследований [10] для дизеля 2Ч10.5/12 по этой методике противоречат результатам экспериментальных исследований [7]. Применительно к режимам холостого хода универсальную характеристику, представляемую изолиниями эффективной мощности и удельного эффективного расхода топлива [7, 8], использовать для оценки топливной экономичности часовой расход топлива при отключении части цилиндров дизеля не представляется возможным
В работах [4–6] предложена методика определения расхода топлива дизеля на режимах холостого хода при отключении части цилиндров, основанная на допущении о неизменности механических потерь с отключением его цилиндров простым прекращением в них подачи топлива при неизменном значении частоты вращения коленчатого вала. В этом случае среднее индикаторное давление в работающих цилиндрах увеличивается прямо пропорционально отношению числа цилиндров дизеля к числу цилиндров с подачей топлива. Для расчетной оценки топливной экономичности рекомендуется [5, 6] использовать параболическую зависимость относительной величины индикаторного КПД в функции относительного среднего индикаторного давления. Коэффициентами в такой зависимости являются опытные значения максимального и минимального (на режиме холостого хода) индикаторного КПД. В выводах авторы [5–7] отмечают, что при отсутствии максимума относительного индикаторного КПД в указанной зависимости невозможно улучшить топливную экономичность дизеля в результате отключения некоторых цилиндров путем прекращения в них подачи топлива. В этой связи следует отметить работы [3, 4], в которых установлено, что снижение часового расхода топлива двигателем при отключении части цилиндров путем прекращения подачи топлива с одновременным закрытием органов газораспределения на режимах холостого хода происходит не только из-за роста индикаторного КПД, но и из-за снижения механических потерь.
Предлагаемая в [3, 4] методика, как и в работах [5–7], базируется на эмпирической зависимости индикаторного КПД в функции среднего индикаторного давления, получаемой аппроксимацией опытных данных по результатам испытаний полноразмерного двигателя. Однако подобные зависимости являются формальными, справедливыми для конкретных двигателей и режимов их работы, поскольку известно, что индикаторный КПД определяется прежде всего коэффициентом избытка воздуха, а среднее индикаторное давление – отношением индикаторного КПД к коэффициенту избытка воздуха.
Цель исследования: оценить топливную экономичность дизеля на режимах холостого хода с отключением части цилиндров различными способами.
Материалы и методы исследования
На основе анализа исследований по изменению показателей топливной экономичности при отключении части цилиндров разными способами на режимах холостого хода выполнить аналитический расчет и сравнить расчетные данные с экспериментальными результатами.
Обзор проведенных исследований по топливной экономичности дизелей при отключении части цилиндров показал:
- расчетные и экспериментальные исследования выполнялись для известных дизелей при существенных ограничениях по режимам их работы; некоторые результаты расчетных исследований не подтверждены результатами моторных испытаний;
- основой для использования разработанных методик являются экспериментальные характеристики, эмпирические зависимости и другие опытные данные, справедливые для конкретных дизелей и режимов их работы.
В целях уменьшения трудоемкости и повышения достоверности результатов расчетных исследований по оценке топливной экономичности дизелей с отключением части цилиндров разными способами необходимо разработать методику, основанную на использовании минимального объема результатов испытаний полноразмерного двигателя, при следующих допущениях:
- механические потери определяются только частотой вращения коленчатого вала;
- неравномерность индикаторной удельной работы цикла по цилиндрам с топливоподачей отсутствует;
- распределение свежего заряда по цилиндрам независимо от наличия в них топливоподачи при закрытии органов газораспределения или без него является равномерным;
- степень наполнения цилиндра свежим зарядом (цикловой подачи) не зависит от нагрузки при постоянной частоте вращения коленчатого вала (коэффициент наполнения ηv = const).
Из первого допущения следует, что работа механических потерь двигателя с отключенными цилиндрами, равная сумме работ механических потерь цилиндров с топливоподачей и отключенных цилиндров, формализуется уравнением
(1)
где pm,i и pm,i–z – средние давления механических потерь полноразмерного двигателя с числом цилиндров i и двигателя с частично отключенными цилиндрами в количестве z; Vh – рабочий объем цилиндра; km – коэффициент снижения механических потерь в отключенном цилиндре.
В общем случае механические потери, приходящиеся на один цилиндр, уменьшаются при его отключении из-за снижения мощности на привод топливного насоса и органов газораспределения и отсутствия насосных ходов в связи с закрытием впускных и выпускных клапанов. Принимая, что суммарная доля указанных потерь составляет δm [14] в мощности механических потерь, коэффициент km будет равен
(2)
Тогда среднее давление механических потерь двигателя с отключенными цилиндрами в количестве z с учетом (1) и (2) равно
(3)
Из второго допущения, а также равенства работ индикаторных и механических потерь при постоянной частоте вращения коленчатого вала, справедливого для режимов холостого хода двигателя, с учетом (3) получим следующую зависимость относительного изменения средних индикаторных давлений двигателя для полноразмерного и с отключенными z цилиндрами:
(4)
где pi,i и pi,i–z – средние индикаторные давления двигателей: полноразмерного и с отключенными z цилиндрами.
Для частного случая, соответствующего отключению части цилиндров только прекращением подачи топлива, из (4) при δm = 0 следует
. (5)
С целью установления взаимосвязи между изменениями среднего индикаторного давления и индикаторным КПД двигателя при отключении некоторых цилиндров рассмотрим известную формулу для среднего индикаторного давления pi
(6)
где Hu – низшая теплота сгорания топлива; ηi – индикаторный КПД; ηv – коэффициент наполнения; ρ0 – плотность воздуха на впуске; l0 – теоретически необходимое количество воздуха, достаточное для полного сгорания 1 кг топлива и рассчитанное по стехиометрическим отношениям; α – коэффициент избытка воздуха.
С учетом формулы (6), третьего и четвертого допущений и условия ρ0 = соnst получим, что относительное изменение среднего индикаторного давления с уменьшением количества цилиндров с топливоподачей определяется относительным изменением отношения индикаторного КПД ηi к коэффициенту избытка воздуха α:
(7)
где αi и αi-z – коэффициенты избытка воздуха полноразмерного двигателя (с количеством цилиндров i) и двигателя с отключенными цилиндрами (с количеством цилиндров i – z) соответственно.
Согласно опытной зависимости ηi/α от коэффициента избытка воздуха, установленной по результатам испытаний дизеля 4Ч10,5/12, относительное изменение отношения ηi/α при изменении нагрузки и частоты вращения коленчатого вала, а следовательно, и относительное изменение среднего индикаторного давления при отключении части цилиндров, аппроксимируется функцией
(8)
Используя (7) и (8) при известных значениях αi и αi-z , определяется как
(9)
Относительное изменение часового расхода топлива рассчитывается по формуле
. (10)
Для частного случая, соответствующему отключению части цилиндров только прекращением подачи топлива при δm = 0 из (9) следует
(11)
Совместное решение уравнений (4) или (5), (8), (9), (10) или (11) позволяет выполнить оценку топливной экономичности дизеля по величине относительного изменения часового расхода при отключении части цилиндров разными способами на режимах холостого хода для известных величин ηi, αi, δm .
Экспериментальные исследования топливной экономичности дизеля при прекращении подачи топлива в часть цилиндров проводились в лаборатории двигателей кафедры « Тепловые двигатели и энергетические установки» ВлГУ.
При стендовых испытаниях дизеля 4Ч10,5/12 воздушного охлаждения были сняты нагрузочные характеристики для частот вращения коленчатого вала n = 1100, 1300, 1500 мин-1 в диапазоне эффективной мощности 0–12 кВт для полноразмерного дизеля, а также при отключении одного и двух цилиндров. При стендовых испытаниях также определялись механические потери методом прокручивания коленчатого вала.
Прекращение подачи топлива в отключаемые цилиндры обеспечивалось отсоединением нагнетательного трубопровода от форсунки и соединением его с мерной ёмкостью для определения расхода топлива весовым способом.
Результаты исследования и их обсуждение
По результатам экспериментальных исследований можно сделать вывод, что увеличение количества отключенных цилиндров путем прекращения подачи топлива в исследуемом диапазоне частот вращения и нагрузок обуславливает повышение удельного эффективного расхода топлива ge (формулы (9) и (10)). Это происходит из-за снижения коэффициента избытка воздуха и соответствующего уменьшения индикаторного КПД. При этом расход воздуха Gв дизелем не зависит от количества отключенных цилиндров для n = const (рис. 1, кривая 4).
Изменение индикаторного КПД на режимах холостого хода ηi,i–z/ηi,i в зависимости от количества отключенных цилиндров z прекращением подачи топлива приведено на рис. 2, из которого следует, что увеличение количества отключенных цилиндров z приводит к повышению индикаторного КПД из-за улучшения распыливания топлива в связи с ростом цикловой подачи топлива.
Формирование исходных данных для сравнительной расчетной оценки показателей топливной экономичности дизеля на режимах холостого хода при отключении части цилиндров разными способами осуществлялось по нагрузочным характеристикам полноразмерного двигателя. Определение среднего давления механических потерь для расчета индикаторных показателей выполнялось по зависимости, полученной аппроксимацией опытных данных pm,i = 0,111 = 0,0158 cp, где cp – средняя скорость поршня.
На рис. 3 представлено изменение отношения ηi/α от α которое с достаточной точностью в диапазонах α = 1,4…7 и n = 1100…1500 мин-1 описывается вышеприведенной зависимостью (9).
Выбор коэффициента снижения механических потерь 
в отключаемом цилиндре производился на основании распределения механических потерь по составляющим дизеля 4Ч 10,5/12 [14], приведенным в табл. 1. Там же указаны экспериментальные данные по механическим потерям, определенным методом прокручивания коленчатого вала.
Расчетное изменение относительного часового расхода топлива дизелем при отключении части цилиндров разными способами приведено на рис. 4. Полученные результаты свидетельствуют о значительном снижении расхода топлива при отключении двух цилиндров дизеля 4Ч 10,5/12 прекращением подачи в них топлива с одновременным закрытием органов газораспределения на режимах холостого хода.
Анализ данных в таблице показывает, что в дизеле 4Ч 10,5/12 затраты индикаторной мощности на газообмен (насосные потери) являются достаточно высокими и их относительная величина составляет 13–15 % от общих механических потерь.
По данным [3, 4] для дизеля Д-240 относительная величина насосных потерь составляет 14 %. Учитывая способ прекращения подачи топлива в отключаемые цилиндры, например, с помощью специальных устройств [4, 10], и относительно незначительные потери на привод топливного насоса, можно пренебречь их влиянием на механические потери при отключении части цилиндров.
Рис. 1. Нагрузочная характеристика дизеля 4Ч10,5/12 при частоте вращения коленчатого вала n = 1500 мин-1: 1 – полноразмерный дизель; 2 – отключен один цилиндр (z = 1); 3 – z = 2; 4 – расход воздуха Gв, кг/ч
Рис. 2. Изменение индикаторного КПД дизеля при частоте вращения коленчатого вала n = 1500 мин-1 на режиме холостого хода: 1– полноразмерный дизель, эксперимент; 2 – отключен один цилиндр (z = 1), эксперимент, δm = 0; 3 – z = 1, расчет, δm = 0; 4 – z = 1, расчет δm = 0,14; 5 – z = 2, эксперимент, δm = 0; 6 – z = 2, расчет δmm = 0; 7 – z = 2, расчет δm = 0,14
Рис. 3. Зависимость ηi/α от коэффициента избытка воздуха дизеля 4Ч10,5/12 в диапазоне частот вращения коленчатого вала 1100…1500 мин-1: ?– n = 1100 мин-1; Δ -– n = 1100 мин-1 (z = 1 – отключен 1 цилиндр); º – n = 1100 мин-1 (z = 2); × – n = 1300 мин-1; — – n = 1300 мин-1 (z = 1); + – n = 1300 мин-1 (z = 2); Ж – n = 1500 мин-1; – – n = 1500 мин-1 (z = 1); ◊ – n = 1500 мин-1 (z = 2)
Рис. 4. Относительное изменение часового расхода топлива при частоте вращения коленчатого вала n = 1500 мин-1 на режиме холостого хода при отключении части цилиндров: 1 – отключен один цилиндр z = 1, эксперимент, δm = 0; 2 – z = 1, расчет, δm = 0; 3 – z = 1, расчет, δm = 0,14; 4 – z = 1, расчет, δm = 0; 5– z = 2, расчет, δm = 0; 6 – z = 2, расчет, δm = 0,14
Механические потери в тракторном дизеле 4Ч10,5/12 [14]
|
Потери |
Механические потери в кВт при частотах вращения, мин-1 |
Механические потери в % при частотах вращения, мин-1 |
||||
|
2000 |
1600 |
1100 |
2000 |
1600 |
1100 |
|
|
На трение в: цилиндро-поршневой группе; кривошипно-шатунном механизме Насосные На привод: механизма газораспределения; насосов масляного и топливного; вентилятора и генератора |
6,4 4,2 2,4 1,7 1,6 0,5 |
4,0 2,0 1,5 1,0 1,2 0,38 |
3,5 1,0 1,0 0,60 1,15 0,15 |
39 24 14 11 9 3 |
40 20 15 10 12 3 |
47 13,5 13,5 8 16 2 |
|
Общие |
16,8 |
10,03 |
7,4 |
100 |
100 |
100 |
|
Общие (по экспериментальным данным) |
16,5 |
10 |
6,9 |
|||
Последнее относится также и к снижению механических потерь на привод механизма газораспределения, обусловленных отсутствием привода органов газораспределения в отключенных цилиндрах. Поэтому в расчетах было принято δm = 0,14.
Сравнение результатов расчетных и экспериментальных исследований (рис. 2) показывает их удовлетворительную сходимость, а также отсутствие заметного влияния способа отключения цилиндров на изменение индикаторного КПД дизеля при его работе на режимах холостого хода.
Выводы
Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:
1. Предложенная методика оценки топливной экономичности дизеля с отключением некоторых цилиндров на режимах холостого хода основана на опытных данных, определяемых из штатной нагрузочной характеристики полноразмерного двигателя.
2. Оценку изменения индикаторных показателей транспортных дизелей на частичных режимах и холостых ходах, в том числе и с отключением части цилиндров, целесообразно осуществлять по опытной зависимости отношения ηi/α индикаторного КПД к коэффициенту избытка воздуха в функции коэффициента избытка воздуха α.
3. Установлено, что для дизеля 4Ч10,5/12 прекращение подачи топлива в часть цилиндров в количестве до z = 2 в диапазоне частот вращения коленчатого вала n = 1100…1500 мин-1 и нагрузок Ne = 2…12 кВт ухудшает, а на холостых ходах незначительно улучшает топливную экономичность.
4. Определено, что на режимах холостого хода способ отключения части цилиндров дизеля 4Ч 10,5/12 в диапазоне частот вращения коленчатого вала n = 1100…1500 мин-1 не оказывает заметного влияния на изменение индикаторного КПД. Наибольшее возможное снижение часового расхода топлива на указанных режимах обеспечивается при отключении части цилиндров прекращением подачи топлива с одновременным закрытием впускных и выпускных клапанов за счет уменьшения мощности механических потерь и составляет при отключении двух цилиндров около 13 %.