Влияние способа отключения части цилиндров на показатели поршневых двигателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Литература

1. Невзоров, В.Н. Техника и технология выращивания посадочного материала в лесных питомниках Восточной Сибири / В.Н. Невзоров. - Красноярск: Изд-во КГТА, 1996. - 192 с.

2. Пановко, Я.Г. Введение в теорию механических колебаний / Я.Г. Пановко. - М.: Наука, 1991. - 256 с.

----------♦'------------

УДК.621. 43 В.А. Зеер

ВЛИЯНИЕ СПОСОБА ОТКЛЮЧЕНИЯ ЧАСТИ ЦИЛИНДРОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Предложен способ отключения части цилиндров инжекторного двигателя. Представлены результаты стендовых испытаний по оценке топливной экономичности двигателя ЗМЗ406-2 с оригинальной системой управления топливоподачей и математического моделирования динамики КШМ при отключении цилиндров.

Проблема экономии топлива автомобильными двигателями и загрязнения ими окружающей среды становится все более актуальной. Это связано с быстрыми темпами роста потребителей, с одной стороны, и небезграничности и невосполняемости природных ресурсов (нефти) - с другой.

Известно, что автомобильные двигатели внутреннего сгорания (ДВС) в условиях эксплуатации работают в основном на режимах, не требующих максимальной мощности, при этом режимы холостого хода (ХХ) в городе составляет до 25% от общего времени. Режимы ХХ и малые нагрузки являются неэффективными, с позиции сгорания топлива при традиционном дросселировании, поэтому им присущи низкий КПД и большая концентрация продуктов неполного сгорания, в частности, СО. В этой связи метод регулирования мощности двигателя путем отключения части цилиндров (ОЧЦ) на режимах частичных нагрузок и холостого хода является одним из эффективных способов экономии топлива и снижения токсичности отработавших газов (ОГ). В зависимости от варианта реализации ОЧЦ, условий эксплуатации и категории автомобиля получена экономия топлива до 40%.

Существуют различные способы реализации отключения цилиндров двигателя. Они делятся на две большие группы:

- остановка кривошипно-шатунного механизма (КШМ);

- отключение системы питания.

Остановка КШМ (модульный ДВС) является самым эффективным способом отключения (экономия топлива до 40%). В настоящее время имеются сведения об испытаниях автомобиля Ма^отео 301.2, оборудованного модульным ДВС. При испытаниях по ездовому циклу Правил №15 ЕЭК ООН получено улучшение топливной экономичности на 24,5-38,2% в зависимости от массы груза.

Однако конструктивная разработка модульных двигателей является чрезвычайно сложной задачей. При этом снижается надежность, увеличивается стоимость технического обслуживания и повышаются требования к квалификации сервисного персонала.

Отключить цилиндры от системы питания можно двумя способами:

- прекращением подачи свежего заряда в цилиндры;

- прекращением подачи топлива в цилиндры.

Прекращение подачи заряда в цилиндры осуществляется путем остановки клапанного механизма. Основным узлом в системе отключения клапанов является блокировочный механизм с электромагнитным или гидравлическим приводом, который обеспечивает возможность разрыва кинематической связи между деталями газораспределительного механизма.

Однако применение этого способа связано со значительными усложнениями механизма газораспределения и системы управления, а также вызывает проникновение масла в рабочие полости цилиндров.

На кафедре «Автомобили и двигатели» КГТУ был предложен способ отключения цилиндров (ОЦ), который применим к современным ДВС с искровым зажиганием [1]. Сущность способа заключается в следующем (рис. 1): в разрыв цепей между ЭБУ и топливными форсунками устанавливается специальное логиче-

Техника

ское устройство, которое блокирует или пропускает сигнал без изменения от ЭБУ к форсункам в зависимости от заданной программы. Такой подход позволяет реализовать различные программы ОЦ, это и постоянное отключение того или иного цилиндра(ов) и кратковременное.

Под программой отключения цилиндров ДВС понимается порядок чередования процессов сгорания в цилиндрах двигателя. Например, для 4-цилиндрового двигателя с порядком работы цилиндров 1-3-4-2 на рис. 2 представлены две программы отключения цилиндров, причем первая - «1 через 1», где постоянно отключены два цилиндра, вторая - «1 через 2», где отключаемые цилиндры чередуются.

Датчики

-сг

Исполнительные

элементы

От датчика положения воздушной дроссельной заслонки

і>

ли

ИГ

От датчика температуры двигателя

і>

Форсунка 1

Форсунка 2

Форсунка 3

Форсунка 4

Рис. 1. Система управления топливоподачей ДВС с ОЦ:

ЛУ - логическое устройство; ЭБУ - электронный блок управления двигателем

Логическое устройство может выполняться как в виде отдельного блока, так и в виде дополнительной программы в ЭБУ, что абсолютно не требует изменения конструкции ДВС.

№ цилиндра

2 + + + +

4 - - - -

3 + + + +

1 - - - -

0 720 1440 2160 2880 Угол п.к.в.

а

№ цилиндра______________________________________________

2 - + + -

4 + - + +

3 + + - +

1 - + + -

0 720 1440 2160 2880 Угол п.к.в.

б

Рис. 2. Программы отключения цилиндров: а - «1 через 1» (период 720е п.к.в.); б - «1 через 2» (период 2160е п.к.в.); «+» - цилиндр включен; «-» - цилиндр отключен

Результаты стендовых испытаний двигателя ЗМЗ 406-2 с использованием предложенной системы управления топливоподачей показали:

- при отключении двух цилиндров постоянно расход топлива снизился на 30%, содержание в ОГ СО уменьшилось в 5 раз, СН увеличилось на 6%;

- при циклическом отключении по программе «1 через 2» расход топлива снизился на 18%, СО -в 6 раз, СН - на 5%;

- при отключении одного цилиндра постоянно расход топлива снизился на 14%, СО - в 4 раза, СН -

на 3%;

- при циклическом отключении по программе «1 через 4» расход топлива снизился на 12%, СО - в 4,5 раза, СН - на 2%;

- при циклическом отключении по программе «1 через 5» расход топлива снизился на 5%, СО - в 4 раза, СН - на 1%.

Основным недостатком ОЧЦ (кроме модульных двигателей) является увеличение неравномерности крутящего момента и хода ДВС, в результате чего растут вибрации силового агрегата, которые увеличивают износ деталей автомобиля и ухудшают санитарно-гигиенические условия работы водителя.

Для оценки влияния ОЧЦ на динамические характеристики ДВС была разработана математическая модель и методика (за основу взята стандартная методика расчета ДВС [2-3]) определения сил и моментов, действующих в КШМ ДВС с отключаемыми цилиндрами, работающего на режимах холостого хода и частичных нагрузок. Методика реализована в виде программы на ЭВМ. Основные результаты моделирования представлены на рис. 3-5.

N. кН

угол п.к.в.

Рис. 3. Нормальная сила в цилиндрах - в работающем; О О - в отключенном

Техника

Мкр, Нм

Мкр, Нм

угол п.к.в.

угол п.к.в.

О 50 100 150 200 250

400 450 500 550 600 650 700

угол п.к.в.

угол п.к.в.

б

Рис. 4. Силы и моменты, действующие в КШМ на различных режимах работы двигателя ЗМЗ 406-2: а - суммарный крутящий момент ДВС на номинальном режиме и холостом ходу; б - тангенциальная сила на номинальном режиме и холостом ходу

а

Рис. 5. Суммарный крутящий момент ДВС с отключаемыми цилиндрами: а - для программы «1 через 1»; б - «1 через 2»

Мкр, Нм

б

Окончание рис. 5

угол п.к.в.

Из вышесказанного следует, что предложенный способ ОЦ исключает недостатки существующих вариантов, а также применение данного способа приводит к снижению расхода топлива ДВС, работающего на холостом ходу, до 30%. Предложенная система управления ДВС позволяет задавать различные программы и может использоваться при выборе наиболее оптимального варианта ОЦ у двигателей различных размерных групп.

Анализ результатов математического моделирования позволяет сделать следующие выводы:

1. Разработанная методика позволяет быстро и качественно определять силы и моменты, действующие в КШМ ДВС как с отключаемыми цилиндрами, так и без отключения, работающего на различных нагрузочных и скоростных режимах (варьировать исходными данными).

2. Амплитуда колебаний нормальной силы, определяющей износ цилиндро-поршневой группы в работающем цилиндре, выше, поэтому ОЧЦ дает предпосылки к увеличению ресурса ДВС.

3. Отключение цилиндров ДВС по различным программам приводит к увеличению коэффициента неравномерности суммарного крутящего момента, что негативно влияет на вибронагруженность силового агрегата.

Литература

1. Пат. 2227838 РФ. МПК7 F02D17/04. Способ управления двигателем внутреннего сгорания с отключае-

мыми цилиндрами / А.А. Мартынов, Ю.В. Краснобаев, В.А. Зеер; КГТУ. № 550485; заявл. 19.06.2002; опубл. 27.04.2004.

2. Луканин, В.Н. Двигатели внутреннего сгорания: учеб. Т.1. Теория рабочих процессов / В.Н. Луканин,

К.А. Морозов, А.С. Хачиян. - М.: Высш. шк., 1995. - 368 с.

3. Луканин, В.Н. Двигатели внутреннего сгорания: учеб. Т.2. Динамика и конструирование / В.Н. Луканин,

И.В. Алексеев, М.Г. Шатров. - М.: Высш. шк., 1995. - 319 с.

♦