Регулирование двигателя с искровым зажиганием изменением его рабочего объема Савастенко Эдуард Андреевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 Анализ результатов опубликованных работ .13

1.1. Работа ДВС в условиях эксплуатации 13

1.2. Возможности улучшения экономичности и других показателей работы двигателя на режимах малых нагрузок .14

1.3. Примеры реализации метода регулирования ДВС изменением его рабочего объёма 16

1.4. Эффективность метода регулирования двигателя с искровым зажиганием изменением его рабочего объёма . 19

1.5. Расширение областей применения метода отключения цилиндров или циклов .24

1.6. Методы и средства реализации регулирования работы двигателя с искровым зажиганием путем отключения цилиндров 26

1.6.1. Остановка кривошипно-шатунного механизма .26

1.6.2. Отключение системы питания двигателя .28

Выводы по первой главе .33

Постановка цели и задач исследования .34

ГЛАВА 2. Теоретические основы улучшения экономических и экологических показателей двигателя с искровым зажиганием, регулируемого изменением рабочего объёма .35

2.1. Повышение эксплуатационной топливной экономичности 35

2.2. Методика расчётно-экспериментального исследования показателей экономичности двигателя при его регулировании изменением рабочего объёма с использованием универсальных характеристик .42

2.3. Методика расчётно-экспериментального исследования показателей токсичности двигателя при его регулировании изменением рабочего объёма с использованием универсальных характеристик 46 Выводы по второй главе 49

ГЛАВА 3. Основные методические положения 51

3.1. Объект исследования - двигатель Audi V6 автомобиля Audi 100 51

3.2. Методика построения топливной характеристики установившего-ся движения автомобиля при работе двигателя с разным числом актив ных цилиндров при той же развиваемой двигателем мощности .53

3.3. Объект исследования - двигатель ВАЗ-2118 автомобиля «Калина» .58

3.4. Объект исследования - двигатель UPS 292 PS 59

3.5. Проверка сходимости результатов расчёта метода оценки экономич-ности с опубликованными экспериментальными результатами. 62

3.6. Погрешности измерений .70 Выводы по третьей главе .73

Глава 4. Результаты численных экспериментов (реализация расчётно-экспериментальных методик) 74

4.1. Двигатель Audi V6 автомобиля Audi 100 74

4.2. Анализ возможностей повышения экономичности режимов малых нагрузок двигатель ВАЗ-2118 автомобиля «Калина» .84

4.3. Анализ топливной экономичности многоцилиндрового двигателя BMW при его регулировании изменением рабочего объёма .91

4.4. Оценка экономического эффекта от применения метода регулирования двигателя UPS 229 SC изменением рабочего объёма 97

4.5. Оценка экологического эффекта от применения метода регулирования двигателя UPS 229 SC изменением рабочего объёма 102

4.6. Возможные направления дальнейшего развития работы 109

Выводы по четвёртой главе .113

Общие выводы по работе и заключение .116

Список литературы

• Эффективность метода регулирования двигателя с искровым зажиганием изменением его рабочего объёма
• Методика расчётно-экспериментального исследования показателей экономичности двигателя при его регулировании изменением рабочего объёма с использованием универсальных характеристик
• Объект исследования - двигатель ВАЗ-2118 автомобиля «Калина»
• Анализ топливной экономичности многоцилиндрового двигателя BMW при его регулировании изменением рабочего объёма

Введение к работе

Актуальность темы.

С ростом требований к автомобилям, рабочий цикл их двигателей стал смещаться в сторону больших запасов мощности для обеспечения лучших динамических характеристик автомобиля, в то время как потребные мощности для равномерных участков движения остались теми же или даже снизились. В результате в современных условиях эксплуатации автомобилей, особенно в мегаполисах, существенную долю режимов составляют малые нагрузки (МН) и холостые хода (ХХ). Работа на таких режимах сопровождается повышенными расходами топлива и смазочного масла, повышенными выбросами токсичных компонентов отработавших газов и основного парникового газа (СО₂), снижением наджности и долговечности двигателя и т. д. Существует ряд методов и средств повышения экономичности режимов ХХ и МН. На сегодняшний день одним из перспективных методов решения этих проблем является метод отключения части цилиндров или, иначе, метод регулирования двигателя изменением его рабочего объма (активного рабочего объма) - суммы рабочих объмов тех его цилиндров, в которых происходят процессы выработки механической энергии – активных цилиндров). Для реализации метода применяются различные системы отключения цилиндров или циклов (СОЦЦ).

В качестве положительных эффектов метода регулирования двигателя изменением рабочего объма (отключением части цилиндров на режимах ХХ и МН) отмечается не только повышение топливной экономичности, а также экологичности, но и уменьшение износов цилиндро - поршневой группы, снижение смолообразования, коксования поршневых колец и клапанов, уменьшение разжижения смазки несгоревшим топливом, повышение теплового состояния двигателя на малых нагрузках и ХХ, ускорение прогрева двигателя после пуска и т. д.

В реальной эксплуатации метод отключения цилиндров двигателей с искровым зажиганием (ДсИЗ) применяется уже сравнительно давно, прежде всего на многоцилиндровых двигателях большой мощности, двигателях легковых автомобилей. Однако до настоящего времени отсутствуют примеры применения метода для широкого класса двигателей, для регулирования двигателя, как изменением количества, так и номеров отключаемых цилиндров. Редко предлагаются рекомендации по регулированию двигателей изменением числа активных цилиндров при реализации конкретных режимов движения автотранспортного средства. Конструктивная сложность реализации метода на двигателях с механическими системами управления дроссельными заслонками и регулирования фаз газообмена ограничивает получение соответствующих результатов экспериментальных исследовании. Поэтому целесообразна разработка методов расчтно-экспериментальных исследований.

Вс отмеченное определяет актуальность рассматриваемой в работе проблемы.

Целью работы является повышение эксплуатационной топливной экономичности и снижение токсичности выбросов двигателя с искровым зажиганием изменением рабочего объма.

Указанная цель достигается решением следующих задач.

1. Разработать и усовершенствовать расчтно – экспериментальные
методики оценки показателей экономичности и экологичности двигателя с
искровым зажиганием по экспериментальным универсальным характери
стикам при работе двигателя на режимах малых нагрузок.

1. Провести сравнительный анализ универсальных характеристик двигателей с искровым зажиганием по показателям удельных расходов топлива и выбросам токсичных компонентов отработавших газов.

2. Провести численные эксперименты для количественных оценок возможностей повышения экономичности и улучшения экологичности двигателя, работающего на заданных режимах малых или пониженных нагрузок.

4. Разработать рекомендации по выбору числа отключаемых цилин
дров или циклов при реализации конкретных режимов движения автомо
биля.

Научная новизна. В диссертации проведено преобразование рас-чтно – экспериментальной методики оценки возможностей повышения экономичности двигателя при отключении цилиндров к условиям бензинового двигателя. Получены новые количественные показатели возможности повышения топливной экономичности двигателя с искровым зажиганием путм изменения активного рабочего объма двигателя. Предложены алгоритмы управления отключением цилиндров двигателя, работающего на заданных режимах. Доказана целесообразность регулирования двигателя изменением числа и номеров отключаемых цилиндров в зависимости от текущей нагрузки.

Практическая значимость результатов исследования заключается в подтверждении эффективности метода изменения рабочего объма для повышения экономичности, в том числе, ряда конкретных эксплуатационных режимов работы двигателя автомобиля. Математические модели (расчтно – экспериментальные методики) могут применяться для ускорения разработок и усовершенствований методов и средств регулирования двигателя. Применение предложенных методов позволяет снизить расходы топлива и выбросы токсичных составляющих ОГ при работе двигателя на режимах малых нагрузок и холостых ходов.

Методы исследования. В работе применены расчтно – экспериментальные методы исследования, в том числе математическое моделирование ряда эксплуатационных режимов работы двигателей.

Достоверность результатов исследования определяется достаточной точностью применявшегося оборудования и стендов, на которых были получены опубликованные результаты экспериментальных исследований; сходимостью результатов выполненных численных экспериментов с ранее опубликованной информацией.

Реализация результатов работы. Материалы исследований применяются при выполнении госбюджетной научно-исследовательской работы кафедры, при проведении учебного процесса кафедры, в том числе при подготовке магистерских и кандидатских диссертаций.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях.

1. Международная молоджная научная конференции по естественным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» в МарГТУ (Йошкар-Ола, 2011 г.);

2. Международная конференция «Инженерные системы – 2013», посвя-щнная 100-летнему юбилею первого ректора РУДН профессора С.В. Румянцева (Москва, 2013 г.);

3. Международная научно - практическая конференция молодых учных, аспирантов и соискателей «Знания молодых: наука, практика и инновации» (Киров, 2013 г.);

4. VII международная научно - практическая конференции «Наука – Технология - Ресурсосбережение» (Киров, 2014 г.);

5. Всероссийский научно-технический семинар (ВНТС) им. проф. В.И. Крутова по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок при кафедре теплофизики МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2015 г.);

6. VIII международной научно-практической конференции «Инженерные системы» (Москва, 2015 г.).

Публикации. Основные результаты работы отражены в 16 публикациях, в том числе 10 публикаций в изданиях по списку ВАК РФ. Структура и объм работы. Диссертация состоит из введения, четы-рх глав, выводов по главам и общих выводов, списка литературы из 85 наименований. Работа содержит 126 страниц, в том числе 72 иллюстрации, 4 таблицы, 86 страниц машинописного текста основного содержания.

Эффективность метода регулирования двигателя с искровым зажиганием изменением его рабочего объёма

Таким образом, ускорения и замедления коленчатого вала, вызванные импульсами крутящего момента и момента инерции, приводят к повышенным колебаниям в системе передачи момента на колёса, к колебаниям в шестерёнчатых передачах (в пределах выборки зазоров в зацеплениях), продольным колебаниям автомобиля. Продольные колебания (ускорения – замедления) автомобиля вызывают колебания блока двигателя, корпуса трансмиссии. Всё это снижает качество комфортности эксплуатации. Удары в зубчатых зацеплениях снижают их надёжность и долговечность. Кроме того, они передаются на подшипники трансмиссии, что является существенным источником шумового излучения, т.е. «загрязнения» окружающей среды. Работа с отключёнными цилиндрами увеличивает интервалы между вспышками и существенно изменяет показатели этих шумов (считается, что этот недостаток является одной из причин пониженной востребованности таких двигателей на рынках сбыта). Особенно неприятным является случай, когда частота этих колебаний совпадает с частотой собственных колебаний того или иного узла автомобиля.

Определение расчётом допустимой частоты является практически не реальным. В любом случае очевидна необходимость демпфирования колебаний [70], изменение собственных частот колебаний узлов и т.д. Применяемые в этих случаях средства либо меняют собственные частоты колебаний узлов или элементов, либо снижают амплитуды колебаний вибраций. Благодаря применению встроенного в маховик демпфера, например, стартер – генератора, в конечном итоге снижаются неравномерность вращения вала двигателя, вибрации двигателя, «треск» в зубчатых зацеплениях и «дёргание» автомобиля. А поскольку на данном автомобиле с данным двигателем система отлажена на допустимые уровни колебаний, шума и т.д., то, применяя отключение цилиндров, приходится повышать частоту вращения вала двигателя на ХХ и МН до уровня, свойственного полноразмерному двигателю.

Следует отметить также применимость систем отключения цилиндров для реализации различных методов технического диагностирования ДсИЗ, преимущественно в условиях эксплуатации [41]. С помощью отключения – включения цилиндров, как всех, так и отдельных, проводятся методы диагностирования с реализацией режимов разгонов и выбегов, определение неравномерности загрузки цилиндров и т. д.

Путём регулирования двигателя отключением части цилиндров могут дополнительно достигаться следующие эффекты. 1. Ускорение прогрева двигателя после пуска или длительной работы на малых нагрузках. 2. Повышение эффективности, устойчивости пуска двигателя из холодного состояния. 3. Повышение динамических качеств двигателя при реализации ряда неустановившихся режимов. 4. Повышение эффективности работы нейтрализаторов отработавших газов и т. д. [2, 29, 37, 38, 47].

Следует отметить ряд факторов, ограничивающих применимость метода или, по меньшей мере, снижающих его эффективность прежде всего по возможности повышения экономии топлива на режимах малых нагрузок и холостых ходов [34]. Выключение или включение цилиндра или цилиндров приводит к резкому изменению развиваемого момента, что сопровождается толчками в приводе вала, к резкому изменению частоты вращения, «дёрганью» автомобиля. Следовательно, требуется создание определённой плавности включения – выключения цилиндров. Это регулирование назвали «созданием гистерезиса» [70].

Выключение цилиндра на длительное время приводит к его охлаждению, а затем, при включении его в работу – длительному прогреву, сопровождающемуся потерей экономичности и ухудшением токсичности. По данным фирмы Caterpillar минимальная температура стенок цилиндра, при которой ещё происходит сгорание кислот, особенно серной (содержащихся в продуктах сгорания), составляет 343 К ( 70 оС). Поэтому отключение части цилиндров на холостом ходу (а также увеличение противодавления выпуску) при прогреве двигателя ускоряют прогрев стенок цилиндра и снижают токсичность выбросов [34, 70].

При отключении части цилиндров (или циклов) увеличивается время между вспышками и неравномерность их чередования. Это приводит к рывкам автомобиля (осевые ускорения – замедления) особенно на пониженных передачах, первой и второй, что снижает комфортность движения, вредит долговечности машины и сопровождается понижением экономичности.

В работе [70] рекомендуется применять отключение цилиндров только при движении на третьей и выше передачах. «Дёрганье» автомобиля связано и с порядком работы цилиндров, который изменяется при применении метода. При этом увеличивается шумность работы двигателя, что ограничивается соответствующими нормативными требованиями (экологическими и техническими).

Основной идеей этого метода является прекращение рабочего процесса (цикла) в одном или нескольких цилиндрах при малых нагрузках и ХХ. При этом, поскольку нагрузка всего двигателя сохраняется неизменной, то нагрузка на работающие цилиндры увеличивается и эффективный КПД двигателя повышается в соответствии с протеканием характеристики i в функции от состава горючей смеси . Тепловое состояние поверхностей их камер сгорания меньше, поэтому количество теплоты, отведенное системой охлаждения, снижается, и расход топлива может уменьшиться на 25 % [14, 25]. Классификация методов регулирования двигателя путём отключения цилиндров выполнена в ряде работ, например, [8].

Методика расчётно-экспериментального исследования показателей экономичности двигателя при его регулировании изменением рабочего объёма с использованием универсальных характеристик

Достоверные результаты об эффективности метода регулирования двигателя изменением его рабочего объёма дают, конечно, экспериментальные исследования. Однако, ввиду их дороговизны, сложности и длительности реализации, целесообразно предварительно оценить целесообразность применения метода. Существо метода отключения части цилиндров на данном режиме малой нагрузки заключается в том, что оставшиеся в работе цилиндры (активные) принимают повышенную нагрузку, в результате чего улучшаются экономические показатели двигателя.

Использование скоростных характеристик двигателя как полноразмерного, так и с частью отключаемых цилиндров иллюстрируется далее на Рис. 2.7. [64]. Видно, что для иллюстрации скоростных характеристик двигателя с разным числом активных цилиндров приходится наносить на характеристики ординаты с разными значениями средних эффективных давлений ре для разных случаев регулирования двигателя.

Характеристики К-образного бензинового ДВС фирмы Daimler-Benz (iVh=5 л.) при его регулировании отключением цилиндров и работе на восьми, шести или четырёх цилиндрах (Отключение подач топлива и остановка клапанов в закрытом положении). (К иллюстрации необходимости замены ординаты Ме или ре на удельную работу Ьуд.). [64].

Следует отметить, что при отключении части цилиндров применение ординаты ре теряет физический смысл, т.к. нанесённые значения ре относятся либо к отдельному цилиндру, либо ко всему полноразмерному двигателю, при условии равной загруженности цилиндров. Поскольку при отключении части цилиндров ДВС должен сохранять развиваемые момент, мощность, а также выполняемую работу, то сравнение показателей (например, экономичности) следует проводить при использовании ординаты удельной работы двигателя (Іуд) [2, 11, 29, 39, 47, 56, 70]. Удельная работа представляет собой отношение полной работы Іполн., выполняемой двигателем на данном режиме, к его активному рабочему объёму. Активный рабочий объём двигателя при регулировании изменяется в соответствии с числом активных цилиндров от / до z. Т.е. Іуд = АполнД/ Vh\ Дж/дм3 (2.6) для полноразмерного двигателя и Іуд = LполнJ(z Vh\ Дж/дм3 (2.7) для двигателя с частью отключённых цилиндров, т.е. с числом активных цилиндров, равным z. При этом, Іполн. = 500реЧ Vh, Дж. (2.8) В соответствии с указанным, ордината ре на Рис. 2.8. заменена или дополнительно снабжена ординатой 1уд. Именно этот показатель в данном методе является регулируемым (регулируемый рабочий объём двигателя -сумма рабочих объёмов активных цилиндров). Универсальная характеристика двигателя может быть выполнена в координатах Ме - п. Тогда полная работа двигателя на данном режиме (Ме) определяется по формуле 1полн=2-М,, Дж. (2.9) А удельная работа - по формуле Lуд=2--Me/z- Vh , Дж/дм3, (2.10) где z - число активных (работающих) цилиндров; Vh - рабочий объём одного цилиндра, дм3. Методика изложена с использованием материалов работ [39, 45, 47]. Пусть дизель типа КамАЗ - 7406 (Vh = 1,36 дм3, i-Vh = 10,85 дм3) на всех восьми активных цилиндрах работает на режиме с малой нагрузкой (с эффективным крутящим моментом Ме8 = 80 Нм при п = 1200 мин1). Полная работа, выполняемая на данном режиме полноразмерным дизелем (т.е. с числом активных цилиндров /=8) равна Аполн. =2-7г-Ме =2-71-80 = 503 Дж (2.11) При всех / активных цилиндрах удельная работа двигателя на данном режиме составляет Lуд.=Lполн./(i-Vh)=46,3 Дж/дм3. (2.12)

При этом ge = 370 г/(кВт-ч) (см. Рис. 2.8.). Оценим, какими будут удельные расходы топлива тем же дизелем, если он будет работать на том же режиме (по частоте и внешней нагрузке) с числом активных цилиндров z = 6, 4, 2.

Такую же полную работу (503 Дж) дизель должен выполнять при числе активных цилиндров z i. Во всех этих случаях дизель развивает крутящий момент Ме, равный 80 Нм, т.е. порядка 10 % от полной нагрузки. Следовательно: при z = 6 Lуд.6 = 503/(1,366) = 503/8,16 = 61,6 Дж/дм3; (2.13) при z = 4 Lуд.4 = 503/(1,364) = 503/5,44 = 92,5 Дж/дм3; (2.14) при z = 2 Lуд.2 = 503/(1,362) = 503/2,72 = 185 Дж/дм3. (2.15) С использованием универсальной характеристики (Рис. 2.8.) получаем удельные эффективные расходы топлива двигателем при разном числе активных цилиндров (и следовательно при разной удельной работе двигателя), а также относительные снижения удельных расходов (ge), которые определяются по соотношению Age =[(ges -ge z)/gefi]-100% (2.16) Возможность дизеля работать на данном режиме на одном цилиндре проверяется пересчётом на индикаторные показатели через механический КПД.

Для построения универсальных (многопараметровых) характеристик используются множества нагрузочных характеристик, которые в идеале строятся по результатам экспериментов или, возможно, путём расчётов. (Методики построения нагрузочных характеристик двигателя известны, например, работа [8]. Одна из них приведена в приложении). В данной работе использованы опубликованные в печати универсальные характеристики, полученные экспериментальным путём. Поэтому применяемая далее методика исследования, математического моделирования режимов работы и регулирования двигателя названа расчётно-экспериментальной.

Объект исследования - двигатель ВАЗ-2118 автомобиля «Калина»

На Рис. 3.4. показано, что полноразмерный двигатель при движении автомобиля на четвёртой передаче со скоростью va=10 м/с (или, иначе, va= 35 км/ч) выполняет удельную работу уд=76 Дж/(дм3). При этом удельный расход топлива ge двигателем составляет около 550 г/(кВтч). При отключении трёх цилиндров и работе двигателя на том же режиме на трёх активных цилиндрах (3ц) его удельная работа возрастает до уд=153 Дж/(дм3), а удельный эффективный расход составит 350 г/(кВтч). При этом путевой расход уменьшится с 6,1 л/(100 км) до 3,4 л/(100 км), т.е. на 44 %. Аналогичный анализ показывает, что при движении автомобиля с полноразмерным двигателем со скоростью va = 20 м/с его путевой расход составляет около 5,9 л/(100 км). Отключив три цилиндра, т.е. увеличив удельную работу двигателя со 136 Дж/дм3 до 276 Дж/дм3, мы получим путевой расход топлива, равный 4,5 л/(100 км), т.е. можем ожидать повышения экономичности движения на этом режиме на величину до 24%.

Проведя аналогичные операции для других режимов, а также для случаев отключения от одного до четырёх цилиндров, получим результаты, представленные на Рис. 3.5.

Выигрыши в путевом расходе топлива (повышение эксплуатационной топливной экономичности) при установившемся движении автомобиля и работе двигателя с числом активных цилиндров 2, 3, 4, 5: Qт,2ц; Qт,3ц; Qт,4ц; Qт,5ц – экономия в путевом расходе топлива в процентах при работе с числом активных цилиндров z = 2, 3, 4, 5 по сравнению с расходами полноразмерного двигателя на тех же режимах [11, 47].

Очевидно, что возможность отключения того или иного числа цилиндров определяется самой возможностью работы двигателя с его механическими потерями и заданной величиной малой нагрузки.

Следует иметь в виду, что получаемые в результате данного анализа количественные результаты относятся к случаям идеальным по условиям достижения максимальной экономичности, т.е. мгновенного выключения – включения нескольких цилиндров и т.д. Реально возможности реализации метода отключения цилиндров или циклов всегда имеют те или иные ограничительные условия их реализации. Вынужденные ограничения в реализации способа приводят к необходимости уменьшать полученные ожидавшиеся выигрыши в расходе, на величину до 50% [70]. К указанным ограничениям относится необходимость последовательного отключения – включения цилиндров в соответствии с установленным алгоритмом регулирования, влияние задержки изменения теплового состояния, отказ от работы на низких (усиливающих) передачах, ограничения по допустимому пределу вибрации и т.д.

В качестве второго объекта исследования выбран двигатель ВАЗ-2118 автомобиля «Калина». Двигатель оснащён системой распределённого впрыска с электронным регулированием. Номинальная мощность Л .ном. = 59,5 кВт при Ином= 5100 - 5300 мнн1, Ме.тах = 120 Нм при пм = 2800-3200 мин1. Максимальная скорость автомобиля vmax = 170 км/ч, путевой расход топлива Gт = 7,8 л/(100 км). Размерность двигателя vVh = 1,596 л, D/S = 8,2/7,56, степень сжатия = 9,6 - 10,0.

Далее универсальная характеристика перестраивается в координаты удельной работы – частоты вращения. На характеристику наносятся исследуемые режимы работы двигателя и затем, в соответствии с методикой построения характеристик топливной экономичности, в Главе 4 проводится анализ возможностей повышения экономичности двигателя путём отключения цилиндров.

Следующий объект исследования - двигатель UPS 292 PS, многотопливный, с расслоением заряда, имеет Ме.ном =71 кВт при 3200 мин1, Me.max=248 Нм при 1500 мин1, ре.ном = 0,8 МПа, S/D = 1,046/0,984 дм/дм, = 13. Рабочий объём двигателя vVh = 4,77 дмз.

В двигателе организован рабочий процесс TCCS (Texaco Controlled Combustion System). Особенности конструкции и организации рабочего процесса следующие. Топливо впрыскивается форсункой в закрученный поток воздуха и процесс смешения начинается в зоне впрыска.

Процесс горения в камере сгорания протекает в стационарном фронте пламени, что снимает строгое ограничение по ОЧ топлива и позволяет применять топливо ШФС, от бензина до дизельного, независимо от ОЧ или ЦЧ, а также спиртовое топливо.

Свеча зажигания обеспечивает искрообразование в течение всего периода впрыскивания. Угол опережения впрыска топлива 16 град. п.к.в. до ВМТ. Вихревое отношение в КС составляет = 9,4, что обеспечивает высокую интенсивность процесса сгорания. Благодаря этим особенностям топливная экономичность двигателя UPS 292 PS близка к экономичности дизелей такой же мощности.

Анализ топливной экономичности многоцилиндрового двигателя BMW при его регулировании изменением рабочего объёма

Показано, что разгоны автомобиля по первому варианту (до скорости 48 км/ч, при частоте вращения вала двигателя 1500 об/мин) обеспечивают более экономичное протекание режима, чем те же разгоны по второму варианту.

После завершения разгона в обоих случаях наступает равномерное движение с достигнутой постоянной скоростью (48 км/ч). Причём, при пониженной частоте двигатель, работая на 4-й передаче, имеет нагрузку Ме, равную 21 Нм и удельный эффективный расход ge, равный около 720 г/(кВтч). При повышенных оборотах (3500) и работе на второй передаче нагрузка составляет 9,2 Нм, а удельный расход - 790 г/(кВтч). Т.е. в обоих случаях двигатель работает с пониженной экономичностью, однако, в первом случае -более экономично, чем во втором.

Повышение экономичности работы двигателя на малых нагрузках при отключении части цилиндров объясняется прежде всего повышением индикаторного КПД в соответствии с регулировочной характеристикой двигателя по составу смеси (rji =f(a)). Влияние механического КПД (г/м), который может изменяться при отключении цилиндров, может быть достаточно ощутимым. Причём, если отключение цилиндров сопровождается изменением фаз газообмена или прекращением процессов газообмена, то абсолютные механические потери могут даже снижаться, а цм - изменяться, как возрастать, так и уменьшаться. В конечном итоге механические КПД полноразмерного двигателя и двигателя с отключённой частью цилиндров на одинаковой малой нагрузке могут отличаться.

Оценим возможности повышения экономичности двух указанных режимов при работе на конечных установившихся режимах при достигнутой скорости 48 км/ч путём изменения рабочего объёма двигателя.

Для решения поставленной задачи на характеристике (Рис. 4.19.) добавляется ордината, показывающая удельную работу двигателя (Lyd) при реализации того же нагрузочного режима с разным числом работающих (активных) цилиндров. Удельная работа определяется по формуле Lуд=2ir-Me/z-Vh (см. Главу 3).

На рис. 4.2.6 показано, что при п = 1500 мин-1 и установившемся движении автомобиля на 4-й передаче со скоростью 48 км/ч удельная работа, совершаемая двигателем, составляет 83 Дж/(дм3). Удельный эффективный расход топлива равняется около 720 г/(кВтч).

Рис. 4.19. Многопараметровая характеристика двигателя автомобиля ВАЗ-2118 «Калина», с дополнительной шкалой удельной работы (Lyd) двигателя при его регулировании изменением рабочего объёма отключением части цилиндров: 4 цил, 3 цил., 2 цил., 1 цил. - соответственно, работа двигателя на всех четырёх цилиндрах, на трёх, двух и одном цилиндре; причём, зависимость в координатах Ме, n относится только к полноразмерному двигателю.

Отключением, например, двух цилиндров, когда удельная работа, выполняемая двигателем, повышается до 165 Дж/(дм3), можно достичь удельного эффективного расхода около 590 г/(кВтч). Т.е. выигрыш в удельном эффективном расходе топлива (gе) составит около 20 %.

Качественно аналогичные результаты получим при анализе режима работы при n = 3500 мин-1. Количественно результаты отличаются. Т.е. при движении с постоянной скоростью 48 км/ч на 2-й передаче при n = 3500 мин-1 удельный эффективный расход топлива полноразмерного двигателя составляет около 790 г/(кВтч). При отключении двух цилиндров, а следовательно повышении удельной работы двигателя, удельный расход снижается до, примерно, 700 г/(кВтч), т. е. на 11 %.

Анализируя часовые расходы топлива, нужно отметить следующее. Расход топлива складывается из расхода на разгон с переключением передач и на движение с постоянной скоростью (в данном случае 48 км/ч). Разгон с частым переключением передач вплоть до 4-й, вблизи n =1500 мин-1 позволяет работать в области повышенной экономичности, но с потерей динамических качеств, т. е. с увеличением времени разгона до заданного уровня, а следовательно и с увеличением часового расхода топлива. Разгон на 1-й – 2-й передачах позволяет увеличить динамические качества установки, снизить время разгона, однако, с потерей в удельной экономичности.

Анализ показывает, что при работе на одном цилиндре можно достигнуть экономии топлива в 55 и 21 % соответственно при n = 1500 и 3500 мин-1. Однако следует проверить саму возможность работы двигателя на данном режиме на одном цилиндре. С учётом требований к равномерности вращения вала работа на одном цилиндре вряд ли целесообразна, даже если режим данной малой нагрузки может поддерживаться работой двигателя на одном цилиндре. Последнее проверяется сравнением, например, среднего индикаторного давления работающего цилиндра с pt внешней скоростной характеристики с использованием формулы pt=Lyy(500 -rjM).

Если бы двигатель работал на установившемся режиме при п = 1500 мин-1 на одном цилиндре, выполняя удельную работу, равную 330 Дж/(дм3), и поддерживая исходный крутящий момент Ме, равный 21 Нм, то с учётом низкого rjM, равного порядка 0,45, его среднее индикаторное давление должно было быть около 1,5 МПа. Что превышает достижимый уровень;?; на внешней характеристике, т.е. работа на этом режиме на одном цилиндре невозможна.

Для случая работы при п = 3500 мин-1 на второй передаче, когда развиваемый двигателем момент составляет 9,2 Нм, а Lyd = 145 Дж/(дм3), работа на одном активном цилиндре возможна, так как в этом случае потребная величина pt составляет около 0,64 МПа, что вполне реализуемо данным двигателем при работе по ВСХ.

Необходимое время работы с постоянной достигнутой скоростью зависит от расстояния, которое должен пройти автомобиль во время и после разгона. В любом случае повышение экономичности такого установившегося режима целесообразно (Рис. 4.20.).