Fuel efficiency increase of ЯМЗ-238 diesel engine under light load modes by adjusting its engine capacity

Abstract

Possibility of decrease in fuel consumption when ЯМЗ-238 diesel engine operates in light load modes, by means of changing of its engine capacity by partial cylinder cutout is shown.

Full Text

УДК 621.436.038.001 ТСМ № 10-2014 Повышение топливной экономичности дизеля типа ЯМЗ-238 на режимах малых нагрузок регулированием его рабочего объема Д-р техн. наук Н.Н. Патрахальцев, инж-ры Д.С. Скрипник, Р.О. Камышников (РУДН, nikpatrah@mail.ru) Аннотация. Показана возможность снижения расхода топлива при работе дизеля типа ЯМЗ-238 на режимах малых нагрузок путем изменения его рабочего объема отключением части цилиндров. Ключевые слова: дизель, экономичность, малые нагрузки, отключение цилиндров, регулирование рабочего объема. В современных условиях эксплуатации двигатели автомобильного транспорта и других мобильных машин, включая ряд сельхозмашин, работают с пониженными коэффициентами загрузки, т.е. с высокими долями времени работы на режимах малых нагрузок и холостого хода. На таких режимах двигатели внутреннего сгорания (ДВС), в т.ч. дизели, работают с повышенным расходом топлива - как часовым, так и путевым. Поскольку повышенный расход топлива означает и повышенные выбросы парникового газа СО2, то актуальной проблемой современного двигателестроения можно считать повышение эксплуатационной топливной экономичности путем снижения удельного эффективного (а следовательно часового и путевого) расхода топлива на режимах малых нагрузок и холостого хода. Условия эксплуатации дизелей различного назначения статистически достоверно отражены в стандартных испытательных циклах [1], созданных на базе статистической обработки многократных исследований их эксплуатационных режимов. Анализ этих циклов (например 13-ступенчатый) показывает, что автомобильный дизель работает на режимах малых нагрузок (ниже 40% от полной) в течение 45% всего времени эксплуатации. У дизелей сельхозмашин эта доля достигает 70%, внедорожной техники - 35%. Снижение экономичности режимов малых нагрузок объясняется пониженным качеством процессов топливоподачи при малых цикловых подачах, повышенными значениями коэффициентов избытка воздуха, пониженным тепловым состоянием двигателя и в итоге - снижением индикаторного и механического КПД дизеля. Поэтому один из методов повышения экономичности режимов малых нагрузок состоит в отключении части цилиндров, иначе говоря - в изменении рабочего объема двигателя. В результате цикловые подачи оставшихся в работе цилиндров повышаются, улучшается качество смесеобразования, возрастает индикаторный КПД дизеля, в т.ч. благодаря его повышению в функции от снижающегося коэффициента избытка воздуха. Метод отключения части цилиндров может быть реализован с помощью различных систем топливоподачи. Они подразделяются на два основных типа: системы с отключением постоянного количества одних и тех же цилиндров и с отключением разного количества разных цилиндров в зависимости от величины малой нагрузки. Ко второму типу относится разработка, выполненная в РУДН и МГТУ им. Н.Э. Баумана (рис. 1). Она основана на применении клапана регулирования начального давления (РНД) [2] с электромагнитным удержанием его в открытом состоянии при необходимости отключения подачи топлива в конкретный цилиндр. Система работает следующим образом. Когда в линии высокого давления (ЛВД) в результате отсечки подачи формируется волна пониженного давления (или разрежения), клапан РНД открывается, смещаясь до ограничителя его хода, а включенная заранее электромагнитная катушка притягивает магнитный элемент, который своим штоком нажимает на клапан РНД и удерживает его в открытом состоянии. При новом цикле топливоподачи насосом высокого давления подаваемое плунжером топливо не поступает к форсунке, а стравливается по каналам клапана РНД внутри полого штока к каналу слива топлива через невозвратный клапан в линию низкого давления. В режимах, когда цилиндр активен, напряжение на электромагнит не подается. В этом случае при отсечке подачи, когда нагнетательный клапан топливного насоса высокого давления (ТНВД) садится в седло и формирует в ЛВД волну пониженного давления, клапан РНД открывается, и дизельное топливо из линии низкого давления входит в полость штока и далее - в ЛВД, повышая там давление перед очередным циклом топливоподачи. Таким образом создается повышенное стабильное начальное давление. Работа клапана РНД устраняет переходные процессы в системе топливоподачи, стабилизирует и интенсифицирует процессы топливоподачи. Кроме того, повышенная производительность топливоподач в активные цилиндры улучшает протекание скоростных характеристик двигателя, повышая коэффициенты приспособляемости и устойчивость режимов дизеля [3]. Достоверные результаты, свидетельствующие об эффективности методов регулирования дизеля отключением цилиндров, можно получить в ходе экспериментальных исследований. Из-за их высокой стоимости и продолжительности целесообразно провести предварительные исследования на базе расчетных или расчетно-экспериментальных методов. Для расчетно-экспериментального метода анализа используется экспериментальная универсальная (многопараметровая) характеристика дизеля типа ЯМЗ-238 (8ЧН 13/14), на которой нанесены параметрические кривые постоянных удельных эффективных расходов топлива ge (рис. 2). Поскольку регулирование дизеля на малой нагрузке происходит изменением числа активных цилиндров, то на характеристике ордината Ме заменяется удельной эффективной работой двигателя Lуд.е. Выполняемая дизелем на данном режиме полная эффективная работа, Дж: . (1) При всех i активных цилиндрах и полном рабочем объеме двигателя Vh , дм3, удельная работа полноразмерного дизеля, Дж/дм3: , (2) или . (3) Если число активных цилиндров z<i, то удельная работа такого дизеля при выполнении той же полной работы: . (4) На рис. 2 показано, что если полноразмерный дизель имеет режим малой нагрузки в точке 3, то его удельный расход топлива составляет 258 г/(кВт·ч), а выполняемая при этом удельная работа - 150 Дж/дм3. После отключения на этом нагрузочном режиме четырех цилиндров для выполнения той же полной работы дизель должен выполнять удельную работу 300 Дж/дм3, тогда его удельный эффективный расход топлива составит 218 г/(кВт·ч). Таким образом, произойдет повышение экономичности исходного режима на 15%. На рис. 3 показано, что при работе на отдельном режиме малой нагрузки (например 10% от полной) отключением цилиндров можно добиться повышения экономичности режима до 40%. В то же время в составе испытательного цикла выигрыш в расходе топлива понижается тем сильнее, чем меньше доля режимов малых нагрузок. При этом очевидна более высокая эффективность метода отключения переменного числа цилиндров (z = var). При равновероятности режимов 13-ступенчатого цикла (рис. 4) возможно получение экономического эффекта 5,5%. Анализ 8-ступенчатого цикла показывает, что применение отключения цилиндров целесообразно лишь на ступенях 4 и 8, доля которых в цикле мала. Коэффициент загрузки двигателя при реализации такого цикла составляет 0,6, а значит, и ожидаемый эффект применения метода отключения цилиндров будет пониженным, порядка 3,1%. Свойственный дизелям сельхозмашин 5-ступенчатый цикл имеет повышенную долю режимов малых нагрузок. Для него характерен низкий коэффициент загрузки, а значит, повышенный эффект от применения метода отключения цилиндров (рис. 5). Обобщение полученных результатов (рис. 6) подтверждает, что эффективность метода регулирования дизеля изменением числа работающих цилиндров тем выше, чем ниже коэффициент загрузки двигателя. При этом более эффективен метод регулирования отключением переменного числа цилиндров, а не постоянного. Выводы 1. Расчетно-экспериментальными методами подтверждена возможность повышения топливной эксплуатационной экономичности дизеля типа ЯМЗ-238 путем регулирования его рабочего объема. 2. Показано, что типичные условия эксплуатации существенно влияют на эффективность метода. Так, уменьшение коэффициента загрузки Кз при реализации типичного эксплуатационного цикла меняет выигрыш в расходе топлива от 3% (при Кз = 0,6) до 7,2% (при Кз = 0,36). 3. Загрузка двигателя, доля малых нагрузок и холостого хода в типичном испытательном цикле существенно влияют на экономический эффект применения метода. Применение метода на отдельном режиме малой нагрузки порядка 10% от полной может повысить экономичность режима до 25-50%.