Современный экономичный автомобиль

Отключение цилиндров

«Porsche 928»Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle)
Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]
Внёс незначительные правки и дополнил изображениями и комментариями Владимир Егоров.
Количество просмотров 6329 Количество комментариев 1

Двигатель работает с минимальным расходом топлива лишь в определенной области своей характеристики, что хорошо показано на рис. ниже.

Области удельных расходов топлива на внешней характеристике двигателя
Рис. 1. Области удельных расходов топлива на внешней характеристике двигателя:
---- наибольшая мощность двигателя при минимальных удельных расходах топлива; g — кривые постоянных удельных расходов топлива.

При эксплуатации автомобиля мощность его двигателя должна всегда располагаться на кривой минимального удельного расхода топлива. В легковом автомобиле это условие выполнимо, если использовать четырех- и пятиступенчатую коробку передач (см. рис. 2), причем, чем меньше передач, тем труднее выполнить это условие. При движении по горизонтальному участку дороги двигатель не работает в оптимальном режиме даже при включении четвертой передачи. Поэтому для оптимальной загрузки двигателя автомобиль необходимо разгонять на высшей передаче вплоть до достижения максимально разрешенной законом скорости. Далее целесообразно перевести коробку передач в нейтральное положение, выключить двигатель и ехать по инерции до падения скорости, например до 60 км/ч, а затем следует снова включить двигатель и высшую передачу в коробке и при оптимальном нажатии на педаль управления двигателя вновь довести скорость до 90 км/ч.

Мощностной баланс легкового автомобиля
Рис. 2. Мощностной баланс легкового автомобиля:
Nf — сопротивление качению; Nf + Nv — сопротивление движению по горизонтальному участку шоссе; – – – – наибольшая мощность на колесах автомобиля на III, IV и V передачах при минимальных расходах топлива двигателем.

Такое вождение автомобиля способом «разгон – накат» было описано ранее. Этот способ вождения приемлем для соревнований на экономичность, поскольку двигатель или работает в экономичной области характеристики, или отключен. Однако для реальной эксплуатации автомобиля при интенсивном движении он не пригоден.

Этот пример показывает один из способов уменьшения расхода топлива. Другой способ минимизации удельного расхода топлива – ограничение мощности двигателя при сохранении его хорошего механического КПД. Отрицательное влияние частичной нагрузки на механический КПД показано на рис. 3 и в табл. 1.

Влияние нагрузки двигателя на его механический КПД при постоянной частоте вращения.
Рис. 3. Влияние нагрузки двигателя на его механический КПД при постоянной частоте вращения.
Табл. 1 Среднее давление различных видов механических потерь в бензиновом двигателе (n = 1600 мин-1) при различных нагрузках, МПа
Вид потерь Нагрузка двигателя
100 % 30 %
Насосные потери (потери на газообмен) 0,025 0,043
Привод механизма газораспределения и вспомогательного оборудования 0,0179 0,0179
Потери в кривошипно-шатунном механизме 0,0287 0,0251
Потери в цилиндропоршневой группе 0,0574 0,05
Механические потери, всего 0,129 0,136
Среднее эффективное давление 0,933 0,280
Механический КПД, % 87,8 67,3

В частности, из табл. 1 видно, что при снижении нагрузки двигателя с 100 % до 30 % доля механических потерь в индикаторной работе повышается с 12 % до 33 %, а механический КПД падает с 88 % до 67 %. Величина мощности, равная 30 % от максимальной, может быть достигнута при работе только двух цилиндров четырехцилиндрового двигателя.

Способы отключения цилиндров

Если при частичной нагрузке многоцилиндрового двигателя выключить несколько цилиндров, то остальные будут работать при большей нагрузке с лучшим КПД. Так, при работе восьмицилиндрового двигателя с частичной нагрузкой весь объем воздуха можно направить только четырем цилиндрам, их нагрузка увеличится вдвое и эффективный КПД двигателя повысится. Охлаждающая поверхность камер сгорания у четырех цилиндров меньше, чем у восьми, поэтому количество теплоты, отведенное системой охлаждения, снижается, и расход топлива может уменьшиться на 25 %.

Для отключения цилиндров обычно применяют управление приводом клапанов. Если оба клапана закрыты, то смесь в цилиндр не поступает и постоянно находящийся в нем газ последовательно сжимается и расширяется. Работа, затрачиваемая при этом на сжатие газа, вновь высвобождается при расширении в условиях небольшого отвода теплоты стенками цилиндра. Механический и индикаторный КПД в этом случае улучшаются по сравнению с КПД восьмицилиндрового двигателя, работающего на всех цилиндрах при той же эффективной мощности.

Этот способ отключения цилиндров очень удобен, так как цилиндр отключается автоматически при переходе двигателя на частичные нагрузки и включается практически мгновенно при нажатии на педаль управления. Следовательно, водитель в любой момент может использовать полную мощность двигателя для совершения обгона или быстрого преодоления подъема. При движении в городе экономия топлива проявляется особенно отчетливо. У выключенных цилиндров отсутствуют насосные потери, и они не подают воздух в выпускной трубопровод. При движении под уклон выключенные цилиндры оказывают меньшее сопротивление, торможение двигателем уменьшается, и автомобиль по инерции проходит больший путь, как при наличии муфты свободного хода.

Выключение цилиндра верхнеклапанного двигателя с нижним распределительным валом удобно осуществить с помощью перемещаемого электромагнитом упора коромысла клапана. При выключении электромагнита клапан остается закрытым, так как коромысло поворачивается кулачком распределительного вала вокруг точки касания с торцом стержня клапана, а упор коромысла может при этом свободно перемещаться.

У восьмицилиндрового двигателя два или четыре цилиндра выключают таким образом, чтобы чередование работающих цилиндров было по возможности равномерным. В шестицилиндровом двигателе выключается от одного до трех цилиндров. Сейчас проводят также испытания выключения двух цилиндров четырехцилиндрового двигателя.

Подобное отключение клапанов у двигателя с верхним расположением распределительного вала затруднительно, поэтому применяют иные способы отключения цилиндров. Например, половину цилиндров шестицилиндрового двигателя «BMW» (ФРГ) выключают так, что у трех цилиндров отключаются зажигания и впрыск, а отработавшие газы из трех работающих цилиндров отводятся через три отключенных цилиндра и могут расширяться далее. Этот процесс осуществляется клапанами во впускном и выпускном трубопроводах. Преимущество этого способа заключается в том, что выключенные цилиндры постоянно нагреваются проходящими отработавшими газами.

В восьмицилиндровом V-образном двигателе «Порше 928» [2] с отключением цилиндров имеются две практически полностью отделенные друг от друга четырехцилиндровые V-образные секции. Каждая из них снабжена самостоятельным впускным трубопроводом, механизм газораспределения при этом не имеет отключения приводов клапанов. Один из двигателей отключается закрыванием дроссельной заслонки и прекращением впрыска бензина, причем испытания показали, что насосные потери будут наименьшими при небольшом открытии дроссельной заслонки. Дроссельные заслонки обеих секций оснащены независимыми приводами. Отключаемая секция постоянно подает небольшое количество воздуха в общий выпускной трубопровод, которое используется для дожигания отработавших газов в термическом реакторе. Это исключает применение специального насоса для подачи вторичного воздуха.

«Porsche 928»
Рис. 4. Автомобиль «Porsche 928»

При разделении восьмицилиндрового двигателя на две четырехцилиндровые секции одна из них отрегулирована на большой момент при низкой частоте вращения и постоянно находится в работе, а вторая – на максимальную мощность и включается только при необходимости иметь мощность, близкую к максимальной. Секции двигателя могут иметь различные фазы газораспределения и различной длины впускные трубопроводы.

Многопараметровые характеристики двигателя «Порше 928» при работе восьми (сплошные кривые) и четырех цилиндров (штриховые кривые) приведены на рис. 5. Области улучшения удельного расхода топлива за счет отключения четырех цилиндров двигателя заштрихованы. Например, при частоте вращения 2000 мин-1 и крутящем моменте 80 Н∙м удельный расход топлива при работе всех восьми цилиндров двигателя составляет 400 г/(кВт∙ч), тогда как у двигателя с четырьмя выключенными цилиндрами на том же режиме он немногим более 350 г/(кВт∙ч).

Многопараметровые характеристики V-образного 8-цилиидрового бензинового двигателя «Porsche 928» с отключением цилиндров
Рис. 5. Многопараметровые характеристики V-образного 8-цилиидрового бензинового двигателя «Porsche 928» с отключением цилиндров:
«——» включены 8 цилиндров; «---» включены 4 цилиндра.

Еще более заметную экономию топлива можно получить при низких скоростях движения автомобиля. Разница в расходе топлива при равномерном движении по горизонтальному участку шоссе дана на рис. 6. У двигателя с четырьмя выключенными цилиндрами (пунктирная кривая) при скорости 40 км/ч расход топлива падает на 25 % с 8 до 6 л/100 км.

Топливная экономичность автомобиля, оборудованного двигателем «Porsche 928» с отключением цилиндров
Рис. 6. Топливная экономичность автомобиля, оборудованного двигателем «Porsche 928» с отключением цилиндров:
1 – включены все 8 цилиндров; 2 – включены 4 цилиндра.

Но экономия топлива в двигателе может достигаться не только выключением цилиндров. В новых двигателях «Порше» модели TOP («термодинамически оптимизированный двигатель Порше») были реализованы все возможные способы повышения индикаторного КПД традиционного бензинового двигателя. Степень сжатия была повышена сначала с 8,5 до 10, а затем, изменением формы днища поршня, – до 12,5 при одновременном повышении интенсивности вращения заряда в цилиндре при такте сжатия. У модернизированных таким образом двигателей «Порше 924» и «Порше 928» удельный расход топлива снизился на 6—12 %. Примененная при этом электронная система зажигания, устанавливая оптимальный угол опережения зажигания в зависимости от частоты вращения и нагрузки двигателя, повышает КПД двигателя при его работе на частичных нагрузках в условиях смесей бедного состава, а также исключает детонацию на режимах максимальных нагрузок [3].

Выключение двигателя при остановках автомобиля на перекрестках также приносит экономию топлива. При работе двигателя на холостом ходу с частотой вращения ниже, чем 1000 мин-1, и температуре охлаждающей жидкости более 40 °C через 3,5 с зажигание выключается. Двигатель вновь пускается лишь после нажатия на педаль управления. Это снижает расход топлива на 26 – 35 %, и, следовательно, бензиновые двигатели «Порше» модели ТОР в части топливной экономичности могут конкурировать с дизелями.

Фирма «Мерседее-Бенц» также предприняла попытки снизить расход топлива в восьмицилиндровом двигателе методом отключения цилиндров. Отключение достигалось с помощью электромагнитного устройства, разрывающего жесткую связь между кулачком и клапаном. В условиях движения по городу расход топлива при этом снизился на 32 %.

Опубликовано 13.02.2014

Читайте также

Сноски

  1. Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль/Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. - М.: Машиностроение, 1987. - 320 с.: ил.//Стр. 22 - 23 (книга есть в библиотеке сайта). – Прим. icarbio.ru
  2. Это был опытный двигатель. – Прим. icarbio.ru
  3. Влияние различных технологий на экономичность традиционного ДВС подробнее освещена в статье «Увеличиваем пробег». – Прим. icarbio.ru

Комментарии

Ваше имя:
Ваш e-mail: необязательное поле
Кто Вы?
Человек
Человек
Робот
Робот

МОИ СООБРАЖЕНИЯ =) КПД СИЛЬНО МОЖНО ПОВЫСИТ ИСПОЛЬЗУЮ НЕСКОЛЬКО ТЕХНОЛОГИЙ ОДНОВРЕМЕННО: 1 ИСПОЛЬЗОВАТЬ НАДУВ ЧТОБ ПОВЫСИТ МОЩНОСТЬ НЕ УВЕЛИЧИВАЯ ПЛОЩАДЬ ТРЕНИЯ 2 ИСПОЛЬЗОВАТЬ ФАЗОВРАЩАТЕЛИ 3 ИСПОЛЬЗОВАТЬ ТЕХНОЛОГИЮ СТАРТ СТОП 4 ОТКЛЮЧЕНИЕ ЦИЛИНДРОВ ПРИ МАЛЫХ НАГРУЗКАХ (ЕСЛИ БЫ БЫЛА ТАКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЗВОЛЯЮЩАЯ ОТКЛЮЧАТЬ ШПГ =)))) 5 СИСТЕМА РЕКУПЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ

ВИКТОР 13.02.15 16:14:58

Все материалы, представленные на данном сайте, защищены законодательством в области авторского права. Смотрите публикация Ваших материалов, условия перепечатки материалов, соблюдение авторских прав.
Дизайн и поддержка – Владимир Егоров, icarbio.ru 2010-2014 ©.

Рейтинг@Mail.ru