Estimation of fuel efficiency of automobile and tractor diesel engines, operating with the shutdown of part of the cylinders

Full Text

Введение В условиях эксплуатации автомобильные и тракторные двигатели значительную часть времени работают на частичных режимах с пониженной эффективностью. Одним из методов улучшения топливной экономичности двигателей на частичных режимах считается уменьшение рабочего объема двигателя за счет выключения из работы части цилиндров. Возможными способами отключения цилиндра является прекращение подачи в него топлива с одновременным закрытием органов газораспределения или без закрытия этих органов. Первый способ успешно реализован на ряде современных двигателях с принудительным зажиганием. В частности, 4-цилиндровый двигатель TSI объемом 1,4 л и эффективной мощностью 103 кВт, входящий в серию двигателей ЕА211 фирмы Volkswagen, оснащен оригинальной системой ACT (activecy linder technology) отключения половины цилиндров, позволяющей уменьшить расход топлива двигателем в циклах NEFZ на 0,4 л на 100 км пробега [1]. Указанная система осуществляет не только прекращение топливоподачи во 2-й и 3-й цилиндры в диапазоне частот вращения коленчатого вала 1250-4000 мин-1 при ограничении крутящего момента двигателя до 85 Н∙м, но и исключает искрообразование между электродами свечи зажиганияв этих цилиндрах, а впускные и выпускные клапаны оставляет при этом закрытыми. На автомобильных и тракторных дизелях способу меньшение рабочего объема двигателя путем отключения цилиндров еще не нашел широкого практического применения. Однако результаты выполненных исследований [2, 3, 4] указывают на целесообразность его использования. Как было отмечено выше, указанные два способа отключения цилиндров различаются своеобразием механизма своей реализации [5, 6, 7, 8], что может отразиться и на различие в эффективных показателях двигателя. Кроме того, для оценки этих показателей использовались расчетные методики, достоверность которых в большинстве случаев не находила экспериментального подтверждения. Цель исследований Провести сравнительную оценку топливной экономичности дизеля с отключенной частью цилиндров для двух указанных способов реализации механизма отключения; по результатам анализа с учетом выявленного наиболее приемлемого механизма отключения разработать уточненную методику расчета топливно-экономической эффективности двигателя, учитывающую характер изменения показателей его рабочего цикла. Метод и средства проведения исследования Опираясь на достигнутый уровень исследований проблемы, связанной с выключением из работы части цилиндров автотракторных дизелей, проведен сравнительный анализ существующих методик по оценке их топливной экономичности. С учетом результатов анализа осуществлено самостоятельное исследование по изучению характера изменения показателей рабочего цикла двигателя при уменьшении его рабочего объема с последующей разработкой уточненной методики расчета и проверкой ее достоверности опытной апробацией. Результаты и обсуждение Аналитический обзор известных методик по оценке топливной экономичности дизелей, работающих с отключением части цилиндров, выявил следующее: - основой для реализации этих методик являются универсальные (комбинированные) характеристики и эмпирические зависимости, справедливые только для конкретных дизелей и режимов их работы [8-11]; - методическая оценка топливной экономичности в основном выполняется расчетным путем без учета изменения показателей рабочего цикла двигателя [12-17]; как следствие, результаты подобного расчета имеют качественное отличие от результатов экспериментальных исследований, проведенных другими исследователями. В указанных выше публикациях используется методика расчета удельного эффективного расхода топлива при отключении части цилиндров без конкретизации способа отключения с использованием универсальной (комбинированной) характеристики полноразмерного двигателя. Эту методику предлагается использовать не только для автомобильных и тракторных дизелей [7-10], но и для двигателей с искровым зажиганием [14], а также для судовых двухтактных дизелей [4, 5, 6]. Однако результаты расчетных исследований с использованием подобной методики противоречат данным экспериментальных исследований, как это следует, например, из работы [4]. С учетом этого противоречия необходимо более подробно рассмотреть целесообразность подобного методологического подхода к оценке топливно-экономической эффективности дизеля при его работе с уменьшенным рабочим объемом на основе применения универсальной характеристики полноразмерного двигателя, научную обоснованность допущений, принятых в известных методиках [7-17], а также их достоверность в целом. Учитывая, что универсальная характеристика формируется на основе серии нагрузочных характеристик, рассмотрим алгоритм расчета топливной экономичности дизеля по его нагрузочной характеристике, предложенный в работах [7-17]. На рис. 1 представлена нагрузочная характеристика шестицилиндрового дизеля ЯМЗ-236 (6Ч 13/14) [18] при частоте вращения коленчатого вала n = 1600 мин-1. Дополнительно на характеристике показано изменение эффективной мощности Ne,i-z двигателя при отключении двух цилиндров (z = 2). Согласно предлагаемой методике [7-17], изменение (уменьшение) удельного эффективного расхода топлива при отключении части цилиндров определяется из условия сохранения равенства эффективных мощностей полноразмерного двигателя и двигателя с двумя отключенными цилиндрами (на линии равных мощностей точки 1, 2 (рис. 1)). При этом в методике делается допущение о том, что при переходе дизеля на работу с отключенными цилиндрами затраты его мощности на преодоление механических потерь остаются такими же, как для полноразмерного двигателя (т.н. допущение о равенстве мощностей механических потерь и, следовательно, механических КПД). Далее на кривой изменения удельного эффективного расхода топлива ge предлагается находить точки 3 и 4 для соответствующих мощностей полноразмерного дизеля и дизеля с отключенными цилиндрами (рис. 1), по разнице ординат которых определяют предполагаемое улучшение топливной экономичности Δge. Однако при этом, как нетрудно увидеть на рис. 1, равенство механических КПД (точки 5 и 6 на кривой ηт) для полноразмерного двигателя и двигателя с отключенными цилиндрамине выполняется. В то же время общеизвестно, что изменение топливной экономичности двигателя определяется соответствующими изменениями не только индикаторного, но и механического КПД. Это указывает на то, что принятое допущение о равенстве мощностей механических потерь, а следовательно, и саму оценку топливной экономичности по данной методике [7-17] следует признать методически не состоятельными. В ряде работ [2, 3] при оценке топливной экономичности дизеля с отключенными цилиндрами используется зависимость индикаторного КПД в функции среднего индикаторного давления, полученная из нагрузочной характеристики полноразмерного двигателя. Подобная зависимость является формальной, справедливой для конкретного двигателя и заданного режима его работы, поскольку среднее индикаторное давление определяется, прежде всего, отношением индикаторного КПД к коэффициенту избытка воздуха (ηi/α). А при переходе дизеля на работу с отключенными цилиндрами этот коэффициент существенно изменяется (уменьшается). Рис. 1. Нагрузочная характеристика дизеля 6Ч 13/14 (ЯМЗ-236) при n = 1600 мин-1 Отмеченные выше замечания указывают на то, что существующие на сегодняшний деньметодики, используемыедля оценки топливной экономичности автомобильных и тракторных дизелей с частично отключенными цилиндрами, не обладают достаточной корректностью, что обуславливает необходимость в разработке новой, уточненной методики, учитывающей реальный характер изменения показателей рабочего цикла двигателя при уменьшении его рабочего объема. Из условия равенства эффективных мощностей полноразмерного двигателя (с рабочим объемом iVh) и двигателя с отключенными цилиндрами (с рабочим объемом (i-z)Vh) имеем: , (1) где pe,i, pe,i-z - средние эффективные давления полноразмерного двигателя и двигателя с отключенными цилиндрами, соответственно; z - количество отключенных цилиндров; i - число цилиндров полноразмерного двигателя; Vh - рабочий объем цилиндра; n - частота вращения коленчатого вала. При этом, как следует из зависимости (1), среднее эффективное давление для двигателя при частичном отключении его цилиндров возрастет и составит: . (2) Как было установлено ранее (рис. 1), при переходе дизеля на работу с отключенными цилиндрами равенство мощностей механических потерь не сохраняется. Особенно это различие проявляется в различии принятых механизмов отключения цилиндров. В частности, при использовании способа отключения цилиндров с закрытием впускных и выпускных клапанов механические потери, приходящиеся на каждый выключенный из работы цилиндр, уменьшаются из-за отсутствия затраты индикаторной мощности на газообмен (т.н. насосные потери). Работа, затрачиваемая на преодоление механических потерь, для двигателя с частично отключенными цилиндрами, представляемая как сумма работ на преодоление механических потерь работающих цилиндров и отключенных цилиндров, формализуется равенством: , (3) где - средние давления механических потерь полноразмерного двигателя и двигателя с частично отключенными цилиндрами, соответственно; km - коэффициент снижения механических потерь в отключенном цилиндре. Принимая, что доля насосных потерь составляет δm в общем уровне механических потерь, коэффициент km будет равен: . (4) Тогда в соответствии с зависимостями (2)-(5) после деления левой и правой частей соотношения (3) на величину () (здесь - механический КПД полноразмерного двигателя) среднее давление механических потерь двигателя с отключенными цилиндрами равно: . (5) С использованием известных формул для механического КПД и индикаторной мощности двигателя, а также мощности механических потерь можно получить следующую зависимость для относительного изменения среднего индикаторного давления двигателя с частично отключенными цилиндрами: , (6) где и - средние индикаторные давления полноразмерного двигателя и того же двигателя с отключенными цилиндрами, соответственно. Из зависимостей (5) и (6) следует, что относительное повышение механического КПД двигателя с частично отключенными цилиндрами путем прекращения топливоподачи и закрытия органов газораспределения составит: . (7) Для случая, когда отключение части цилиндров осуществляется только за счет прекращения подачи топлива, и при этом допускается предположение о равенстве механических потерь, как это сделано в работах [7-17], то есть без учета снижения потерь на газообмен в отключенных цилиндрах (δm = 0), зависимости (6) и (7) будут иметь вид: ; (8) . (9) Выражение (9) формально отражает допущение о сохранении механического КПД дизеля при переходе его на работу с измененным (уменьшенным) рабочим объемом, что было опровергнуто ранее (рис. 1). Таким образом, результаты проведенного нами исследования убедительно свидетельствуют о том, что принятое в работах [7-17] методическое допущение о равенстве мощностей механических потерь следует признать научно не обоснованным: неучет затраты индикаторной мощности на газообмен (насосных потерь) снижает достоверность результатов в оценке эффективности двигателя при переходе его на работу с отключенной частью цилиндров. Важным моментом в разработке предлагаемой уточненной методики является фактор изменения качественного состава рабочей смеси, который определяется коэффициентом избытка воздуха. Известно, что при переходе дизеля на работу с отключенными цилиндрами этот коэффициент существенно изменяется (уменьшается), что отражается на показателях эффективности (в частности, на индикаторном КПД) рабочего цикла дизеля. Заметим, что в большинстве известных методик этот фактор не учитывался. Для поиска решения поставленной задачи используем известную формулу, которая устанавливает взаимосвязь между средним индикаторным давлением pi и индикаторным КПД двигателя ηi: , (10) где Hu - низшая теплота сгорания топлива; ηv - коэффициент наполнения цилиндров; ρ0 - плотность воздуха на впуске; l0 - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива; α - коэффициент избытка воздуха. Зависимость (10) показывает, что, при прочих равных (неизменных) показателях (Hu, ηv, ρ0, l0,), относительное изменение среднего индикаторного давления с уменьшением количества работающих цилиндров двигателя однозначно определяется отношением индикаторного КПД ηi к коэффициенту избытка воздуха α: , (11) где αi и αi-z - коэффициенты избытка воздуха полноразмерного двигателя (с количеством цилиндров i) и двигателя с отключенными цилиндрами (с количеством рабочих цилиндров i-z), соответственно. Согласно результатам ранее выполненных исследований [19], изменение индикаторного КПД ηi дизеля зависит в основном от изменения коэффициента избытка воздуха. Опытная зависимость относительного изменения индикаторного КПД от коэффициента избытка воздуха, установленная в работах [19, 20], аппроксимируется функцией, которая для случая отключения части цилиндров принимает вид: . (12) Тогда с учетом зависимостей (11) и (12) относительное изменение среднего индикаторного давления при отключении части цилиндров составит: . (13) Совместное решение уравнений (6), (7), (12) и (13) позволяет установить значение относительного изменения индикаторного КПД, которое однозначно определяет топливную экономичность дизеля при отключении части его цилиндров: . (14) Таким образом, установлено, что переход дизеля на работу с частично отключенными цилиндрами сопровождается изменением индикаторного КПД, вызванным, в свою очередь, изменением качественного состава рабочей смеси, то есть коэффициента избытка воздуха, что необходимо учитывать при оценке топливной экономичности двигателя при изменении его рабочего объема. Результаты опытной апробации методики Экспериментальные исследования по оценке топливной экономичности дизеля при прекращении подачи топлива в часть цилиндров проводились в лаборатории двигателей кафедры «Тепловые двигатели и энергетические установки» Владимирского государственного университета. Были проведены стендовые испытания четырехцилиндрового дизеля 4Ч10,5/12 воздушного охлаждения с объемно-пленочным смесеобразованием. Методика испытаний основывалась на рекомендациях ГОСТ 18509-85 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний». В программу испытаний входило снятие нагрузочных характеристик для частот вращения коленчатого вала n = 1100, 1300, 1500 мин-1 и диапазона мощности Ne = 2 - 12 кВт при работе дизеля на четырех, трех и двух цилиндрах, а также определение механических потерь методом прокручивания коленчатого вала. Прекращение подачи топлива в отключаемые цилиндры обеспечивалось отсоединением нагнетательного трубопровода от форсунки и соединением его с мерной емкостью для определения расхода топлива весовым способом. Показатель среднего давления механических потерь определялся по зависимости, полученной аппроксимацией опытных данных, определенных методом прокручивания коленчатого вала: , где cm - средняя скорость поршня. Результаты испытаний, представленные на рис. 2, показывают, что при заданной частоте вращения вала увеличение количества отключаемых цилиндров прекращением подачи топлива сопровождается повышением удельного эффективного расхода топлива ge, что указывает на снижение индикаторного КПД ηi. Ранее установленное положение ухудшения индикаторного процесса двигателя, вызванное изменением качественного состава рабочей смеси α, при его переходе на работу с частично отключёнными цилиндрами, было подтверждено серией опытных апробаций для частот вращения коленчатого вала 1100…1500 мин-1. В качестве примера на рис. 3 представлено изменение величины отношения ηi/α в функции α, которое с достаточной точностью в диапазоне α = 1,4…6,2 описывается вышеприведенной зависимостью (12). Выбор коэффициента снижения механических потерь в отключаемом цилиндре производился на основании распределения механических потерь по составляющим дизеля 4Ч10,5/12 [21], приведенным в табл. 1. Там же указаны экспериментальные данные по механическим потерям, определенным методом прокручивания коленчатого вала. Из табл. 1 видно, что в дизеле 4Ч10,5/12 затраты индикаторной мощности на газообмен (насосные потери) являются достаточно высокими и их относительная величина составляет порядка 14 % в общей мощности механических потерь. Высокое значение этого показателя подтверждается также и по данным других исследований, например [3]. В ходе проведения испытаний было установлено, что отключение цилиндров путем прекращения подачи топлива без воздействия на механизм газораспределения не приводит к снижению эффективного расхода топлива дизеля (кривые 3 и 4 на рис. 4). Это еще раз подтверждает методическую несостоятельность принятого в работах [7-11] допущения о равенстве мощностей механических потерь для полноразмерного дизеля и дизеля, переведенного на работу с частичным отключением цилиндров. Сопоставление расчетных (кривые 3 и 4 на рис. 4) и экспериментальных данных показывает их удовлетворительную сходимость, что свидетельствует об адекватности уточненной методики. Это указывает на правомерность ее применения для проведения расчетной оценки топливной экономичности дизеля с отключением части цилиндров любым из известных методов, в том числе и путем прекращения подачи топлива с одновременным закрытием органов газораспределения. При проведении расчетного исследования, учитывая, что затраты индикаторной мощности на газообмен (насосные потери) по опытным данным (табл. 1) достигают 14 % от общей мощности механических потерь, было принято, что δm = 0,14. Установлено, что способ отключения двух цилиндров путем прекращения подачи топлива с одновременным закрытием в них органов газораспределения способствует улучшению эффективности работы двигателя в исследуемом диапазоне изменения мощности (кривые 1 и 2 на рис. 4). При этом с уменьшением частоты вращения коленчатого вала наблюдается большее повышение эффективного КПД. Выводы 1. Разработана методика, позволяющая по нагрузочной характеристике полноразмерного двигателя выполнять расчет индикаторных и эффективных показателей дизеля с частично отключенными цилиндрами. Методика позволяет более корректно (в сравнении с существующими методиками) осуществлять оценку топливной экономичности подобного двигателя. 2. Показано, что для любого способа отключения части цилиндров индикаторный КПД дизеля уменьшается вследствие снижения коэффициента избытка воздуха. Оценку изменения индикаторных показателей автотракторных дизелей на частичных нагрузочных режимах работы, в том числе и с отключением части цилиндров, целесообразно выполнять по опытной зависимости отношения индикаторного КПД к коэффициенту избытка воздуха в функции коэффициента избытка воздуха. 3. Результатами расчета, подтвержденными данными эксперимента, установлено, что отключение части цилиндров путем прекращения подачи топлива без закрытия органов газораспределения ухудшает топливную экономичность дизеля 4Ч10,5/12 на частичных нагрузочных режимах работы. 4. Показано что, для случая отключения части цилиндров с прекращением подачи топлива и закрытием органов газораспределения топливная экономичность дизеля улучшается в области частичных нагрузок вследствие повышения механического КПД, главным образом, по причине уменьшения насосных потерь на газообмен. Рис. 2. Нагрузочная характеристика дизеля 4Ч10,5/12 при частоте вращения коленчатого вала n = 1500 мин-1: 1 - полноразмерный дизель; 2 - отключен один цилиндр; 3 - отключено два цилиндра; 4 - расход воздуха Gв, кг/ч Рис. 3. Зависимость ηi/α от коэффициента избытка воздуха дизеля 4Ч10,5/12 в диапазоне частот вращения коленчатого вала 1100…1500 мин-1 Таблица Распределение механических потерь по составляющим тракторного дизеля ٤Ч١٠,٥/١٢ Составляющие механических потерь Абсолютное значение механических потерь в кВт при частоте вращения, мин-1 Относительное значение механических потерь в % при частоте вращения, мин-1 2000 1600 1100 2000 1600 1100 Цилиндропоршневая группа Кривошипно-шатунный механизм Насосные потери Механизм газораспределения Насосы масляный и топливный Вентилятор и генератор 6,5 4,1 2,4 1,8 1,5 0,5 4,0 2,0 1,5 1,0 1,2 0,38 3,5 1,0 1,0 0,60 1,15 0,15 39 24 14 11 9 3 40 20 15 10 12 3 47 13,5 13,5 8 16 2 Общие 16,8 10,03 7,4 100 100 100 Общие (по экспериментальным данным) 16,5 10 6,9 Рис. 4. Относительное изменение эффективного КПД дизеля ηeпри отключении двух цилиндров: 1 - расчет при δm = 0,14 и частоте вращения коленчатого вала n = 1100 мин-1; 2 - расчет при δm = 0,14 и n = 1500 мин-1; 3 - расчет при δm = 0 и n = 1100 мин-1; 4 - расчет при δm = 0 и n = 1500 мин-1; Δ, о - экспериментальные данные

About the authors

A. N Gots

VladimirStateUniversity name Alexander and Nikolay Stoletovs

DSc in Engineering Vladimir, Russia

V. F Guskov

VladimirStateUniversity name Alexander and Nikolay Stoletovs

PhD in Engineering Vladimir, Russia

V. M Fomin

Moscow polytechnic University

Email: mixalichDM@mail.ru
DSc in Engineering Moscow, Russia

References

Supplementary files