Изменение качественных параметров двигателя путем применения растянутого порядка работы

Грабовский А. ИЗМЕНЕНИЕ КАЧЕСТВЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ РАСТЯНУТОГО ПОРЯДКА РАБОТЫ

Анализ многочисленных исследований по режимам работы транспортных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в эксплуатации показывает, что для них характерны частая смена режимов и значительная доля времени работы на режимах холостого хода и малых нагрузках.

Так, для двигателей грузовых автомобилей средней грузоподъемности, при эксплуатации в городе, холостой ход составляет около 20 % времени, а при нагрузке, соответствующей 80 % от максимальной на данном скоростном режиме, около 4 0 % времени. Режим активного холостого хода для двигателей автобусов в городских условиях составляет 30 % от общего времени работы. Загрузка двигателей

тракторов типа Т-150К по мощности колеблется в широких пределах: при нагрузке до 50 % двигатель

работает примерно 40 % времени, столько же при нагрузке 50 - 65 % и только 20 % времени при

нагрузке 7 0 % и выше.

Все эти данные говорят о значимости работ, направленных на повышение топливной эффективности двигателей при работе на малом газе (холостом ходу), переходных режимах и режимах частичных нагрузок. Они в основном определяют эксплутационный расход топлива и являются наиболее весомыми с точки зрения расхода топлива.

Увеличение удельного расхода топлива при работе ДВС на режимах холостого хода, малых нагрузок и переходных процессах в основном определяется ухудшением смесеобразования, увеличением относительных потерь теплоты в охлаждающую жидкость и масло, температура которых на частичных режимах, как правило, понижается.

Также при работе двигателей на малых нагрузках увеличивается относительная доля затрат полезной мощности на преодоление механических сопротивлений, а при работе на холостом ходу вся развиваемая двигателем работа (15...25 % от расхода по номинальной мощности) расходуется на преодоление

трения, газообмен и на привод вспомогательных механизмов.

Все отмеченные факторы приводят к тому, что удельный расход топлива при работе двигателя на малых нагрузках и холостом ходу в 1,5.5 раз выше, чем при работе на номинальной мощности.

Анализ различных способов снижения расхода топлива на этих режимах показал, что наиболее эффективным оказывается способ отключения части цилиндров. Для четырехтактных двигателей он позволяет снизить расход топлива на 20.30 % на указанных режимах, что выразится в снижении среднеэксплуатационного потребления топлива на 1.5 %.

Известны двигатели внутреннего сгорания, у которых с целью повышения их экономичности и экономии ресурса часть цилиндров при работе на незначительных нагрузках и малом газе отключается. В качестве примера можно привести попытки проведения в отечественной практике исследовательских работ по регулированию рабочего объема, которые были предприняты в 1984 - 1985 годах на автополигоне НАМИ. Были созданы два опытных образца: транспортное средство на базе автомобиля ГАЗ-24

"Волга" с модульной силовой установкой (МСУ), состоящей из двух двигателей ВАЗ-2101, последовательно соединенных между собой сцеплением и транспортное средство на базе автомобиля ЗИЛ-130 с двигателями рабочим объемом 6 и 3 литра. Или, к примеру, двигатель автомобиля «Мерседес - Бенц -Б500» (Евро IV) с регулируемым впускным трубопроводом, тремя клапанами на цилиндр, одним распределительным валом в головке, роликовыми толкателями и системой отключения четырёх из восьми цилиндров при работе с неполной нагрузкой.

Такой способ изменения мощности позволяет отключать часть цилиндров, как правило, половину, при эксплуатации на незначительных нагрузках.

Электронная система управления двигателя отключает цилиндры (2-й и 3-й из правого ряда и 5-й и 8-й из левого) сразу же, как только двигатель переходит на режим частичной нагрузки, что достигается отключением соответствующих впускных и выпускных клапанов и прекращением подачи топлива к указанным цилиндрам.

Основным недостатком данного способа изменения мощности всех многоцилиндровых двигателей с отключающимися цилиндрами, как и МСУ, является то, что в этом случае одна половина (часть) цилиндров ДВС должна быть основной, а вторая половина (часть) - вспомогательной. Естественно основная

группа цилиндров подвержена более интенсивному износу, в сравнении со вспомогательной.

Если отключение цилиндров осуществляется за счет прекращения подачи топлива в соответствующие цилиндры, то в этом случае в обязательном порядке, даже при использовании общей рубашки охлаждения и запирания отработавших газов в полости отключенных цилиндров, будет наблюдаться изменение температурного режима отключенных цилиндров, а их выход на требуемый режим функционирования, в случае подключения, потребует дополнительных затрат топлива и времени.

Если же отключение части цилиндров осуществляется за счет разрыва кинематической связи в половинах коленчатого вала, то такое техническое решение предполагает наличие сложного кинематического звена, обеспечивающего не только кинематическую связь модулей ДВС, но и их синхронизацию. В дополнении к этому также будет присутствовать проблема повышенного износа основного модуля цилиндров и нарушение температурного режима дополнительного (вспомогательного).

Использование фрикционного сцепления для соединения модулей МСУ несколько упрощает реализацию, однако при прочих равных условиях и недостатках, указанных выше, увеличивается время выхода дополнительного модуля на режим за счет потерь на пробуксовку сцепления, а также возникает сложность замены ведомых элементов при их износе.

Наиболее вероятным способом устранения указанных недостатков, обеспечения стабилизации параметров функционирования, а именно температурного режима, экономичности, уменьшения вредных выбросов, а также обеспечения равномерности износа деталей цилиндро-поршневой группы в известных многоцилиндровых двигателях внутреннего сгорания, работающих как по двухтактному, так и по четырехтактному циклу, дизельных ДВС или ДВС легкого топлива с распределенным или непосредственным впрыском, а также карбюраторных или с моновпрыском, является способ дискретного изменения мощности на средних нагрузках при эксплуатации на незначительных нагрузках. Например, в городском цикле движения, при движении по просёлочным дорогам и при движении с постоянной скоростью по среднескоростной автомагистрали за счет изменения порядка работы ДВС.

Реализация поставленной задачи достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания (см. патент № 2146010 от 27 февраля 2000 г.), например с непарным числом цилиндров, работающем по двухтактному циклу, применен так называемый «растянутый» порядок работы, обеспечивающий поочередный пропуск срабатывания цилиндров в зависимости от требуемой мощности на каждом обороте коленчатого вала. Так для трехцилиндрового двухтактного ДВС с порядком работы 1 - 2 - 3 при переходе на 50 %

- е значение мощности порядок работы станет 1- 0 - 3 - 0 - 2 - 0, а на малом газе (режим холостого хода) или работе ДВС в буферном режиме с интегрированным мотор - генератором (ИМГ) в гибридных или комбинированных силовых установках при переходе на 10 - 25 % - е значение мощности порядок

работы станет 1- 0 - 0 - 0 - 2 - 0- 0 - 0 - 3, а для двухрядной звезды с шестью цилиндрами порядок работы соответственно 1, 1' - 0, 0 - 3, 3' - 0, 0 - 2, 2' - 0, 0 и 1, 1'- 0, 0 - 0, 0 - 0, 0 -

2, 2 - 0, 0 - 0, 0 - 0, 0 - 3, 3, где 0 - шаг пропуска между рабочими ходами, соответствующий

120° угла поворота коленчатого вала.

Аналогичные схемы могут быть применены для 5-, 7-, 10- и 14- цилиндровых двигателей работающих по двухтактному циклу, а также к ДВС с парным или непарным количеством цилиндров, работающих по четырехтактному циклу.

Так, например, применительно к рядному четырехтактному ДВС с порядком работы 1- 3 - 4 - 2 (см. табл. 1 - 3), при переходе на 4 0 % - е значение мощности порядок работы станет 1- 0 - 0 - 3 - 0 -

0 - 4 - 0 - 0 - 2, а на малом газе (режим холостого хода) соответственно 1- 0 - 0 - 0 - 0 - 3 - 0

- 0 - 0 - 0 - 4 - 0 - 0 - 0 - 0 - 2, при этом исходным порядком при переходе на 40 % - ю мощность должен стать порядок 1 - 2 - 4 - 3.

Как вариант исполнения, применительно к рядному четырехтактному ДВС с порядком работы 1- 2 - 4

- 3, при переходе на 40 % - е значение мощности порядок работы станет 1- 0 - 0 - 2 - 0 - 0 - 4 -

0 - 0 - 3, а на малом газе (режим холостого хода) соответственно 1- 0 - 0 - 0 - 0 - 2 - 0 - 0 - 0

- 0 - 4 - 0 - 0 - 0 - 0 - 3, при этом исходным порядком при переходе на 40 % мощность должен

стать порядок 1 - 3 - 4 - 2, где 0 - шаг пропуска между рабочими ходами, соответствующий 90° угла

поворота коленчатого вала.

Рядный шестицилиндровый четырехтактный ДВС с порядком работы 1 - 3 - 5 - 6 - 4 - 2, при переходе на 50 % - е значение мощности требует изменения порядка работы, т. е. порядок работы станет

1 - 0 - 5 - 0 - 3 - 0 - 6 - 0 - 2 - 0 - 4, при этом, если при 100 % - й мощности угол перекрытия

тактов рабочего хода составлял 60°, то при переходе на 50 % - е значение мощности необходимо сме-

щение на 60° между тактами рабочего хода.

Переход на низшую 10 - 25 % - ю мощность возможен по двум вариантам: это вариант с порядком

работы 1 - 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 3 - 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 5 - 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 6 - 0 - 0 - 0 - 0

- 0 - 4 - 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 2 и со смещением на 300° между тактами рабочего хода и второй вариант с тем же порядком, но со смещением на 660°, где 0 - шаг пропуска между рабочими ходами, соответствующий 60° угла поворота коленчатого вала.

Как вариант исполнения, применительно к шестицилиндровому рядному четырехтактному ДВС с порядком работы 1 - 5 - 3 - 6 - 2 - 4, при переходе на 50 % - е значение мощности требуется изменения

порядка работы, и порядок работы станет 1 - 0 - 3 - 0 - 5 - 0 - 6 - 0 - 4 - 0 - 2, при этом, если

при 100 % - й мощности угол перекрытия тактов рабочего хода составлял 60°, то при переходе на 50%

- е значение мощности необходимо смещение на 60° между тактами рабочего хода.

Переход на низшую 10 - 25 % - ю мощность возможен в этом случае также по двум вариантам: это

вариант с порядком работы 1 - 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 5 - 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 3 - 0 - 0 - 0 - 0 - 0 -

6 - 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 2 - 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 4 и со смещением на 300° между тактами рабочего

хода и второй вариант с тем же порядком, но со смещением на 660°.

Аналогичный способ дискретного изменения мощности можно применить для V-образных 4-, 6-, 8- и

12- цилиндровых ДВС, а также для И-образных двигателей работающих как отдельно, так и в составе модульных силовых установок (МСУ). Таким образом, способ дискретного изменения мощности может быть реализован для любого N - цилиндрового двигателя.

Реализация предлагаемого способа достигается путем прекращения подачи топлива в отключаемые цилиндры двигателя посредством управления соответствующими форсунками, секциями топливного насоса высокого давления (ТНВД) или распределительной втулкой, а также впускными клапанами газораспределительного механизма (ГРМ) при реализации внешнего смесеобразования посредством карбюратора. При этом в случае управления соответствующими форсунками, секциями ТНВД или распределительной втулкой, клапаны ГРМ могут находиться в одном из перечисленных положений:

- при открытых положениях впускных клапанов отключаемых цилиндров для реализации наддува в рабочие цилиндры с одновременным снижением затрат на насосные потери в отключаемых цилиндрах;

- при открытых положениях выпускных клапанов отключаемых цилиндров для снижения затрат на насосные потери в отключаемых цилиндрах;

- при закрытых положениях как впускных, так и выпускных клапанов отключаемых цилиндров с обеспечением снижения затрат на насосные потери в отключаемых цилиндрах за счет использования энергии разрежения;

- при открытых положениях как впускных, так и выпускных клапанов (перекрытия клапанов) отключаемых цилиндров с обеспечением снижения затрат на насосные потери в отключаемых цилиндрах и их дополнительной очистки от отработавших газов.

При этом в любом из перечисленных вариантов исключается соударение клапанов с поршнями при их нахождении в верхних "мертвых" точках.

Описанный способ, как вариант может быть реализован несколько иначе: отличие состоит в том,

что в газораспределительном механизме могут быть использованы иные распределительные устройства, такие как лепестковые клапаны, золотниковые распределители и др.

Для реализации предлагаемого решения изменения мощности в состав ДВС, работающего по четырехтактному циклу, вводится газораспределительный механизм (рисунок 1) с управляемым порядком срабатывания впускных и выпускных клапанов и включающий в свой состав:

- закрывающий механизм (ЗМ), состоящий из клапанов 1 и 2, седел 3, направляющих втулок 4, возвратных пружин 5, тарелок 5 с сухарями и обеспечивающий запирание рабочего тела в полости цилиндра и камере сгорания на такте сжатия и рабочего хода;

- открывающий механизм (ОМ), состоящий из исполнительного органа гидравлического, пневматического или электрического типа, представляющего собой или гидроцилиндр 7 одностороннего или двухстороннего действия, пневмокамеру или соленоид (электродвигатель), обеспечивающих воздействие на закрывающий механизм через толкатель 8 или через коромысло (рычаг) с целью открытия впускного (впускных) или выпускного (выпускных) клапанов соответственно на такте впуска или выпуска, или в момент их перекрытия, при этом не исключается возможность комбинации приводов;

- источник энергии рабочего тела, в качестве которого может выступать гидронасос 14, компрессор или источник тока;

- распределительное устройство (РУ) 10, обеспечивающее распределение потоков мощности и управление рабочим телом;

- схема управления элементами ГРМ и системы питания (СП) в составе микропроцессорной системы управления силовым агрегатом, обеспечивающая выработку управляющих сигналов управления распределительным устройством и дозирующими элементами СП, исходя из режимов и условий эксплуатации.

Рисунок 1- Функциональная схема управляемого ГРМ

Для реализации указанного способа изменения мощности в состав ДВС, работающего по двухтактному циклу и использующего продувочные клапаны, их конструкция, привод и элементы управления соответствуют выше описанному принципу.

Традиционные типы механического привода клапанов газораспределения не обеспечивают возможность попеременного отключения цилиндров. Одним из эффективных методов совершенствования механизма газораспределения это применение гибкого привода клапанов, который позволит не только попеременно отключать цилиндры, но и обеспечить возможность оптимального регулирования фаз газораспределения и изменять закон движения впускных и выпускных клапанов для каждого режима эксплуатации.

Анализ существующих конструкций гибкого привода клапанов выявил три основные разновидности приводов: гидравлический, электромагнитный и электрогидравлический.

При электрогидравлическом приводе клапанов обобщаются достоинства гидравлического и электромагнитного способов, в частности, высокое быстродействие, необходимое для качественного протекания рабочего процесса двигателей (особенно быстроходных), малая масса возвратно-движущихся частей, возможность регулирования фаз газораспределения (ФГР) в широком диапазоне, увеличение размеров проходных сечений клапанов при неизменных фазах.

Электрогидравлический привод клапанов позволяет за небольшой промежуток времени переходить в режим дискретного отбора мощности как при частичных нагрузках, так и на малом газе.

При этом независимо от варианта технического решения привода ГРМ схема управления элементами ГРМ и системы питания (Рисунок 2) находящаяся в составе микропроцессорной системы управления силовым агрегатом, должна включать в свой состав микроконтроллер (МК) 1, входное согласующее устройство (ВхСУ) 2, которое обеспечит согласование входа микроконтроллера 1 с датчиком частоты вращения коленчатого вала (ДЧВ) 3, датчиком положения коленчатого вала (ДПКВ) 4, датчиком положения дроссельной заслонки (ДПДЗ) 5, датчиком массового расхода воздуха (ДМРВ) 6, датчиком температуры системы охлаждения двигателя (ДТСОД) 7 и датчиком положения клапанов (ДПК) 8, блок формирования управляющих опорных сигналов (БФУОС) 9, а также выходное согласующее устройство (ВыхСУ) 10, которое обеспечит согласование выхода микроконтроллера с входами исполнительных элементов распределительного устройства 10 (Рисунок 1.) и элементами системы питания (ЭСП).

РУ 1

[

Рисунок 2 - Схема управления элементами распределительного устройства и системы питания Кроме того, схема управления элементами ГРМ и СП должна использовать в качестве основного опорного сигнала информацию о положении коленчатого вала и вырабатывать управляющие команды распределительному устройству для привода в действие исполнительного органа открывающего механизма. В этом случае, момент формирования опорного сигнала должен соответствовать максимально возможному

углу упреждения открытия того или иного клапана (клапанов) на максимальных оборотах коленчатого вала, а устройство задержки системы управления формировать величину задержки сигнала при переходе на более низкие частоты вращения коленчатого вала и холостой ход при тех или иных сочетаниях управляющих факторов, при этом не исключается возможность ручной подстройки величины задержки. Кроме этого, в схему управления должно входить устройство формирования длительности управляющих команд с возможностью их коррекции как в автоматическом, так и в ручном режимах.

Вместе с тем, для автоматического перехода на режим ступенчатого частичного отбора мощности в составе системы управления должно находиться устройство сравнения, осуществляющее выработку команды на переход на основе сравнения трех параметров:

- частоты вращения коленчатого вала с опорной частотой;

- величины разрежения во впускном коллекторе с эталонной (оптимальной);

- величины и знака углового ускорения вращения коленчатого вала, и на основе результатов сравнения вырабатывать команду на переход на частичную или полную мощность. Этот переход может также осуществиться в ручном режиме по команде водителя. Электрические сигналы команд обеспечивают срабатывание форсунок и подачу топлива в соответствующие растянутому порядку работы цилиндры, синхронно с управляющими командами сигналов управления распределительным устройством.

Расчетно-аналитические исследования показали, что при переходе на 50 % - е и 10 % - е... 25% -е значения мощности меняется не только мощность, но и значение среднего индикаторного момента двигателя (Рисунки 3-6).

Как показывают расчетные графики, суммарный крутящий момент для 100 % - й мощности составляет Мкр.ср. = 73,1 кНм, при 50 % - й от номинальной мощности средний крутящий момент уменьшается в 2 раза - Мкр.ср. = 36,8 кНм, при 25 % - й - Мкр.ср. = 16,5 кНм, при 10 % - й - Мкр.ср. = 9,8 кНм. При этом эти значения превышают максимальный суммарный момент сопротивления Мсопр.тах = 4,33 кНм, для режима холостого хода.

Таким образом, расчеты показывают, что при использовании дискретного изменения мощности снижается средний индикаторный момент двигателя пропорционально уменьшению номинальной мощности работы двигателя.

Для оценки степени равномерности индикаторного крутящего момента двигателя был определен коэффициент неравномерности крутящего момента ц на различных режимах работы двигателя, так при 10 0 % Цюо% = 2,79, соответственно ц50% = 3,15 и Цю% = 6,18; ц25% = 6,18.

60° 120° 180° 240° 300° 3600

Рисунок 3 - Кривая суммарного крутящего момента двигателя с порядком работы цилиндров 1-3-5-6-4-2

при 100% - й мощности

п

кНм

о

180я 240* 360° 540е 720°

Рисунок 4 - Кривая суммарного крутящего момента двигателя с порядком работы цилиндров 1-3-5-64-2 при 50% - й мощности

Рисунок 5 - Кривая суммарного крутящего момента двигателя с порядком работы цилиндров 1-5-3-62-4 при 25% - й мощности

Рисунок 6 - Кривая суммарного крутящего момента двигателя с порядком работы цилиндров 1-5-3-62-4 при 10% - й мощности

При попеременном отключении цилиндров в цилиндре, находящемся в режиме пропуска, отсутствуют такты сжатия и рабочего хода, в результате чего увеличивается максимальное значение крутящего момента, так при 100 % - й мощности Мкр. max = 203, 9 кНм, при 50% - й - Мкр. = 344 , 2 кНм, а при 10 и 25 % - й - Мкр. max = 335, 8 кНм.

Таким образом, одним из эффективных методов повышения экономичности работы транспортных дизелей на режимах преимущественной эксплуатации является совершенствование механизма газораспределения в направлении создания гибкого привода клапанов.

Основные конструктивные преимущества такого типа привода заключаются в упрощении компоновки крышки цилиндра (головки блока цилиндров), снижении динамических нагрузок, уровня шума и затрат металла, повышении уровня автоматизации за счет регулирования в требуемом диапазоне фаз газораспределения и закона движения клапанов.

Эффект от использования предлагаемого технического решения состоит в том, что увеличивается производительность двигателя за счет уменьшения времени выхода на режим при переходе на полную мощность, повышаются экономические и экологические показатели, а также в том, что повышается надежность двигателя за счет исключения дополнительных механизмов.

Уменьшение времени выхода на режим при переходе на полную мощность происходит за счет того, что тепловой режим процесса функционирования стабилизирован, это же обусловливает высокие экономические и экологические показатели.

Надежность функционирования повышается за счет того, что данное техническое решение обеспечивает гарантированное включение в работу двигателя в любом из режимов отбора мощности, а так же равномерный износ деталей цилиндропоршневой группы.

Кроме того, эффект от использования предлагаемого технического решения состоит в том, что оно требует для своей реализации более простого механизма управления двигателем, который необходим лишь для прекращения подачи топлива в соответствующие цилиндры или для задания полной подачи топлива, а также реализации сигнала управления приводами открытия и закрытия клапанов. Использование же в качестве приводов клапанов электрических, гидравлических, электрогидравлических или иных

исполнительных элементов позволяет исключить из состава двигателя механический ГРМ, а, следовательно, снизить потери на привод вспомогательных агрегатов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Двигатели внутреннего сгорания. Под. общ. ред. А.С. Орлина. Л.: Машиностроение, 1988. 420с.

2. Балабин, В.Н. Альтернативные немеханические системы газораспределения для дизелей // Мир транспорта. 2004. № 2. С. 52-57.

3. Патент № 2146010 Российская Федерация МПК F 02 B 61/06, B 60 K 5/06 от 27 февраля 2000 г.

Двигатель внутреннего сгорания/ Грабовский А. А., № 97119891/06 от 03. 12. 97 г. Бюл. № 6 от 27.

02. 2000.