автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Регулирование транспортных дизелей изменением их рабочих объёмов

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

УДК 621.436.038.001

На правах рукописи

005534006

МЕЛЬНИК ИВАН СЕРГЕЕВИЧ

РЕГУЛИРОВАНИЕ ТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ИЗМЕНЕНИЕМ ИХ РАБОЧИХ ОБЪЁМОВ

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.04.02 - тепловые двигатели

3 ОКТ ¿1)13

Москва, 2013

005534006

Работа выполнена на кафедре теплотехники и тепловых двигателей Российского университета дружбы народов.

Научный руководитель: Заслуженный работник высшей школы РФ,

доктор технических наук, профессор Патрахальцев Николай Николаевич

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Защита диссертации состоится (ЬЛс\лл 2013 г. в 1500 часов

на заседании диссертационного совета Д 212.203.33 ВАК РФ при Российском университете дружбы народов по адресу: 117302, г. Москва, ул. Подольское шоссе, 8/5. ауд. 431.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу: 117198, Москва, ул. Миклухо - Маклая, д. 6.

Автореферат разослан « ¿^ ьЬ> е^х ууч. 2013 г.

Отзывы на автореферат просим представлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, в адрес диссертационного совета.

Телефоны для справок: 952-67-87, 952-62-47. E-mail: nikpatrah@mail.ru

Учёный секретарь диссертационного совета

Марков Владимир Анатольевич,

Московский государственный технический университет (МГТУ) им. Н.Э. Баумана

Заслуженный деятель науки РФ доктор технических наук, профессор Ерохов Виктор Иванович Московский государственный машиностроительный университет - МАМИ

Ведущая организация:

ГНЦ РФ ФГУП - НАМИ

Д 212.203.33 профессор

JI. В. Виноградов

Список принятых сокращений и обозначений

ВСХ - внешняя скоростная характеристика дизеля.

ДТ - дизельное топливо.

ЛВ Д - линия высокого давления.

ЛНД - линия низкого давления.

МН - малые нагрузки.

НУР - неустановившийся режим работы.

РНД - регулирование начального давления.

СОЦЦ - система отключения цилиндров или циклов.

ур _ установившийся режим работы.

XX - холостой ход.

ЧСХ - частичная скоростная характеристика, п.п. - переходный процесс.

Ьполн, Ьуд - полная и удельная работа двигателя, [Дж].

Ме> М„ Мм, Мс - эффективный, индикаторный крутящие моменты на валу дизеля, момент механических потерь и момент сопротивления. [Нм]. N5, ЭД, К„ - мощности эффективная, индикаторная и механических потерь, [кВт].

Уъ - рабочий объём цилиндра двигателя, [дм"].

Ее, И;-удельный эффективный, индикаторный расходы топлива, [г/(кВт-ч)]. п — частота вращения, [1/мин].

Ре, Р., рм - средние давления эффективное, индикаторное, механических потерь, [МПа].

р ост, Рнач - остаточное и начальное давления топлива в линии высокого давления топлива, [МПа].

г - число работающих (активных) цилиндров.

г]Ь Г|е, Т|м- индикаторный, эффективный и механический КПД.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальными проблемами современного дизелестроения являются дальнейшее повышение мощностных, экономических и экологических качеств. Это относится как к автотракторным двигателям, так и двигателям других транспортных средств, например, тепловозным, судовым. Повышение экономичности - это, как правило, и снижение выбросов парникового газа (С02).

Доля транспортных средств с дизелями непрерывно растёт, что объясняется их высокой экономичностью и низкой токсичностью выбросов. Однако, в условиях эксплуатации реальные загрузки современных автомобильных и других транспортных двигателей чрезвычайно низки. Доля режимов малых нагрузок (МН) и холостых ходов (XX) достигает 50 %, а на железнодорожном транспорте 70 % и более. Для этих режимов типичны высокие удельные расходы топлива и пониженные экологические качества. Поэтому актуальными проблемами являются дальнейшее совершенствование эксплуатационных, в том числе экономических, показателей режимов малых нагрузок. Один из путей частичного решения проблем - применение двигателей с регулируемым рабочим объёмом,. Метод повышения экономичности режимов МН отключением части ци-

линдров уже давно считался многообещающим решением для повышения экономичности двигателей и снижения эмиссии токсичных компонентов ОГ. Метод отключения цилиндров иначе стали называть методом изменения рабочего объёма двигателя.

Изменение рабочего объёма двигателя во время его работы может достигаться либо изменением хода поршней, либо, чаще всего, отключением части цилиндров. Это выполняется либо отключением подач топлива в часть цилиндров, либо в сочетании с изменением фаз газообмена, с остановкой части поршней, с остановкой части коленчатого вала с поршнями отключаемых цилиндров. Наиболее реально, в том числе для модернизации существующих дизелей, применим метод отключения части цилиндров прекращением подач топлива в них. Метод широко применяется на бензиновых двигателях, но пока не нашёл широкого применения на дизелях, особенно оснащённых традиционной топливной аппаратурой разделённого типа.

Постановка цели и задач исследования.

Целью исследования является уточнение возможностей повышения эффективности использования метода регулирования дизеля изменением его рабочего объёма.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи.

1. Выбор системы отключения цилиндров или циклов.

2. Уточнение методики определения возможностей повышения экономичности дизеля методом отключения - включения циклов или цилиндров.

3. Оценка целесообразности применения метода для разных условий эксплуатации двигателей.

4. Оценка применимости метода для двухтактных двигателей

Научная новизна работы заключается в следующем.

Выбрана модернизация топливной аппаратуры для реализации метода регулирования дизеля изменением рабочего объёма.

Исследованы возможности экономии топлива дизелями 6 Ч 11/12,5 (Д-260) и 8 ЧН 13/14 (ЯМЭ-238) при реализации 13 - ступенчатого и типичного тракторного испытательного циклов применением методов отключения числа цилиндров, регулируемого в зависимости от величины малой нагрузки.

Показано, что эксплуатационная эффективность метода отключения цилиндров или циклов существенно зависит как от характера протекания скоростных характеристик удельного расхода топлива, так и от доли режимов малых нагрузок в условиях эксплуатации.

Подтверждена эффективность метода регулирования дизеля изменением рабочего объёма при поддержании исходного режима малой нагрузки разгонами - выбегами при полных подачах топлива в активные цилиндры.

С использованием усовершенствованной методики исследована и показана возможность регулирования двухтактного дизеля 12 ДН 23/30 (Д-40) методом изменения рабочего объёма.

Практическая значимость результатов исследования заключается в подтверждении применимости модернизированной топливной аппаратуры раз-

делённого типа для регулирования дизеля в функции от величины малой нагрузки изменением числа работающих цилиндров или циклов. Математические модели позволяют ускорить анализ возможностей получения положительных эффектов от применения метода. Применение предложенного метода и реализующей его системы могут позволить снизить расходы топлива при работе дизелей типа 8 ЧН 13/14, 6 Ч 11/12,5 и 12 ДН 23/30 на режимах малых нагрузок в широком диапазоне скоростных режимов.

Методы исследования. В работе применены экспериментальные и рас-чётно - экспериментальные методы исследования, в том числе математическое моделирование ряда эксплуатационных режимов работы дизеля.

Достоверность результатов экспериментальных исследований и результатов математического моделирования определяется достаточной точностью применявшегося оборудования и стендов, сходимостью с результатами опубликованных экспериментальных исследований.

Реализация результатов работы. Материалы исследования применяются при выполнении госбюджетной научно - исследовательской работы кафедры, в учебном процессе и при подготовке магистерских и кандидатских диссертаций.

Апробация работы. Результаты работы доложены на научно -технических конференциях инженерного факультета РУДН в 2010 и 2011 г.г., на Всероссийском семинаре в МГТУ им. Н.Э. Баумана (2010 г.), на юбилейной конференции в МАДИ - ГТУ в 2011 г. и конференции инженерного факультета РУДН в 2012 г.

Публикации. По результатам исследований, вошедших в диссертацию, опубликованы 11 работ, из которых 8 - в изданиях по списку ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация содержит 122 страницы, в том числе 57 рисунков и 5 таблиц и состоит из введения, четырёх глав, выводов и списка использованной литературы в количестве 103 наименований. Основное содержание диссертации изложено на 104 страницах машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы разработки методов и средств, обеспечивающих повышение качества работы дизеля на режимах малых нагрузок и холостых ходов.

В первой главе проведён обзор работ, направленных на решение проблемы. Вопросам разработки и исследования методов и средств организации рабочих процессов дизелей, работающих на режимах малых нагрузок и холостых ходов, а также их регулирования методами отключения - включения цилиндров или циклов посвящены работы ряда отечественных и зарубежных учёных: Балабин В.Н., Болховитинов Г.В., Голубков Л.Н., Девянин С.Н., Драгунов Г.Д., Злотин Г.Н., Марков В.А., Ерохов В.И., Гусаков C.B., Кутенёв В.Ф., Оле-сов И.Ю., Островский Г.Л., Патрахальцев H.H., Славуцкий В.М., Тер-Мкртичьян Г.Г., Толщин В.И., Филиппов А.З., Шатров Е.В., Ekkert К., Gauger R. и др.

Проведённый анализ позволил сделать следующие выводы.

Метод регулирования дизеля изменением его рабочего объёма получил определённое развитие применительно прежде всего к автотракторным и тепловозным дизелям. В большинстве случаев метод реализуется путём выключения подач топлива в отключаемые цилиндры. Отключение одного и того же количества и одних и тех же цилиндров известно более широко, чем отключение отдельных циклов. Кроме достижения широко известного и доказанного эффекта от применения метода - эффекта повышения экономичности, метод изменения рабочего объёма применим для решения задач испытаний и диагностирования двигателя, защиты его от аварийных ситуаций, для повышения эффективности экстремальных пусков - разгонов, для повышения динамических качеств двигателя и т.д. Эффективность метода как правило оценивалась сравнением с аналогичными условиями работы полноразмерного дизеля, нередко без учёта возможных условий его эксплуатации. Как оценки, так и реальные эксперименты проводились в условиях, когда повышение мощности активных цилиндров достигалось простым смещением рейки ТНВД в произвольное положение, позволяющее компенсировать потерю, связанную с отключением части цилиндров. Это положение не всегда является оптимальным с точки зрения удельной экономичности. По результатам анализа сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе Выбрана система топливоподачи, содержащая элементы отключения цилиндров или циклов, а также регулирования начального давления. Система (рис. 1) выполнена на базе клапанов регулирования начального давления (РИД) (7) [2] и электромагнитных катушек (8) и магнитных пластин

(9) для удержания клапана РНД 7 в открытом положении.

Рис. 1. Система топливоподачи с узлом отключения цилиндра: А - штатная система топливоподачи, Б - дополнительный узел отключателя цилиндра, 1 - топливный бак, 2 - топливоподкачивающий насос, 3 - топливный фильтр, 4 - плунжер ТНВД, 5 - нагнетательный клапан ТНВД, 6 - линия высокого давления (ЛВД), 7 - клапан регулирования начального давления (РНД), 8 - электромагнитная катушка, 9 - магнитная пластина, 10 - форсунка, 11 - дизель

Открытие клапана РНД 7 происходит за счёт перепада давления на нём, которое возникает, когда после отсечки подачи сформированная в ЛВД 6 волна пониженного давления или разрежения подходит к клапану. Т.е. клапан РНД управляется гидродинамическими явлениями в ЛВД. Клапан удерживается в открытом положении электромагнитным приводом (8, 9). Тогда нагнетаемое ТНВД топливо сливается (слив) в ЛНД. Цилиндр отключён.

С использованием математической модели движения системы двигатель - потребитель обоснована необходимость регулирования начального давления. При выключении - включении цилиндров или циклов в ЛВД происходят п.п. изменения Рнач (ост), а следовательно и развиваемого дизелем момента. Для уст-

ранения этого явления применена система регулирования начального давления (РНД).

Возможность уменьшения расхода топлива дизелем на режимах малых нагрузок (МН) путём отключения части цилиндров зависит от вида (протекания) регулировочной характеристики дизеля по составу горючей смеси (г|, = Р[а)). Работа на XX и МН со всеми работающими цилиндрами происходит при индикаторном КПД существенно ниже, чем при нагрузочных режимах, в том числе на номинальном режиме. Отключение одного или нескольких цилиндров приводит к увеличению подач топлива в работающие цилиндры для поддержания того же режима МН дизеля. Т. е. для сохранения выполняемой двигателем работы. Коэффициент избытка воздуха в работающем цилиндре снижается, приближаясь к аиом., а индикаторный КПД растёт до определённого уровня. В таких режимах работа топливной аппаратуры происходит с максимальной эффективностью по максимальному и среднему давлениям впрыскивания, по характеристикам распыливания топлива, по показателям равномерности и стабильности подач по циклам. В работающем цилиндре рабочий процесс протекает при оптимальных условиях теплообмена, теплового состояния, что и приводит к повышению индикаторного и эффективного КПД, повышенной экономичности.

В работе применена методика оценки возможностей повышения экономичности дизеля методом регулирования дизеля изменением его рабочего объёма. При реализации методики воспользуемся универсальной характеристикой дизеля, построенной в координатах Ьуд, - п, где Ц.д - удельная работа двигателя с разным числом работающих (активных) цилиндров. Пусть поддерживаемый режим МН дизеля составляет Ме = 35 Нм, п = 1000 мин"1. При всех работающих цилиндрах {ъ = 0 удельная работа определяется соотношением

Ьуд = 2 • к • Ме /(1 • УЬ ) = 2 • к ■ 3 5 /(6 ■ 1,187) = 30,85Дж/(дм3 ). (7)

Полная работа, выполняемая на этом режиме полноразмерным двигателем, составляет

Ьполн=Ьуд-5-У11=219,7Дж. (8)

При работе с частью отключённых цилиндров, т. е. при работе с г работающими цилиндрами, удельная работа будет определяться соотношением

/(г-Уь), (9)

где - рабочие объёмы дизеля с г работающими цилиндрами. Выигрыш в удельном эффективном расходе топлива определяется соотношением:

где ge_¡ -удельный эффективный расход при всех работающих цилиндрах, 8е.г -удельный эффективный расход при г работающих цилиндров.

Поскольку удельный эффективный расход топлива зависит не только от индикаторного КПД, но и от механического, то в работе проведён анализ изменения механических потерь при применении метода регулирования дизеля изменением его рабочего объёма. При выключении подачи топлива в часть цилиндров развиваемая двигателем индикаторная мощность производится актив-

ными цилиндрами, а мощность механических потерь двигателя сохраняется для всего двигателя с определёнными изменениями, связанными с изменением числа работающих цилиндров. В первом приближении эта мощность (Nz.„) остаётся примерно равной мощности механических потерь полноразмерного двигателя (NM). Т. е. в первом приближении Nz м = NM.

Для оценки механических потерь используют такие показатели: работа LM, удельная работа или среднее давление рм, мощность NM механических потерь и механический КПД двигателя.

Так как индикаторная работа имеет две статьи распределения - это эффективная работа и работа механических потерь, то

LM = Li-Le,pM=p;- ре и т}м = 1 -рм/р, (11)

Суммарные механические потери и их составляющие наиболее достоверно определяются экспериментальным путем. Большое распространение получили два метода: индицирование цилиндра и прокрутка двигателя посторонним источником энергии (электромотором). А также методы разгонов - выбегов и методы отключения цилиндров. Чаще всего при расчете суммарных механических потерь рм используются формулы, полученные обработкой экспериментальных данных при допущениях линейной зависимости давления рм от средней скорости поршня сп и независимости рм от нагрузки

рм = А + В-сп. (12)

Анализ приведённой информации показал, что при отключении части цилиндров можно допустить сохранение абсолютных значений механических потерь дизеля.

Предложена методика повышения экономичности путём реализации разгонов - выбегов с частью выключенных цилиндров. Существо методики регулирования заключается в том, что дизель как со всеми активными цилиндрами, так и при отключении цилиндров или циклов, работает с полными подачами топлива. Т. е. на всех режимах положение рейки ТНВД сохраняется равным 100 %. Топливная аппаратура по существу является однорежимной (по нагрузке). А регулирование мощности дизеля происходит отключением - включением цилиндров или циклов.

Для моделирования длительных режимов разгонов - выбегов воспользуемся методом представления скоростных характеристик двигателя и потребителя в виде аппроксимирующих (обычно полиномиальных) зависимостей. Эти зависимости подставляются в уравнение движения системы двигатель - потребитель. Такой подход применим при условии допустимости квазистатического представления НУР. Аппроксимируем ВСХ Ме = f(n) дизеля (при hp = 100 %) и скоростную характеристику нагрузочного устройства Мс = f(n) (при положении регулирующего органа N = const) полиномами, например, следующих видов:

Me=An3+B-n2+C-n + D; (13)

Mc=E-n2+F-n + H. (14)

Тогда, задавая шаг расчёта At, изменение частоты вращения вала при разгоне без нагрузки и с нагрузкой определим по соотношениям:

Щ = + — • —{[А • (П;_, )3 + В • (ПМ)2 + С • + В]} (15) I к

П1 =пм +7~{[А'(пи)3+В.(пн)2+С-пн+В]-

1 к и0^

[Е-(пн)2+Р.(пМ) + Н]}.

Итак, при отключении части цилиндров или циклов регулятор частоты вращения выводит рейку в некоторое новое положение повышенной подачи топлива в активные цилиндры, чтобы сохранить исходный скоростной и нагрузочный режим малой нагрузки или холостого хода. Очевидно, что новое положение рейки не всегда соответствует положению, обеспечивающему максимальный индикаторный КПД активных цилиндров. Следовательно в таком случае не достигается максимум выигрыша в расходе топлива. Для устранения этого недостатка предлагается осуществлять поддержание режима дизелем с разными рабочими объёмами путём реализации режимов разгонов - выбегов вблизи исходного режима. Причём, положение рейки ТНВД устанавливается и _ сохраняется на уровне, обеспечивающем получение максимального индикаторного КПД активных цилиндров.

Все математические модели движения системы двигатель - потребитель основаны на решении уравнения динамического равновесия системы, которое имеет следующий вид

1усг-^ = Ме0)-Мс(0. (17)

Поддержание режима холостого хода при минимальной частоте вращения возможно включением - выключением одного цилиндра, причём, номера работающих цилиндров всё время чередуются. Режим поддерживается чередованием разгонов (на одном цилиндре) и выбегов (при всех отключённых цилиндрах). В этом случае продолжительность времени, в течение которого цилиндр остаётся во включённом или выключенном состоянии, становится сравнительно малым. Очевидно, что на возможность реализации регулирования дизеля включением - выключением цилиндров влияет момент инерции установки.

В третьей главе приведено описание стендов для испытаний топливной аппаратуры с системой регулирования начального давления (РИД) и системой отключения цилиндров и циклов (СОЦЦ), а также для испытаний дизеля в штатном исполнении и с установленными на нём системами топливоподачи с РИД и СОЦЦ. Изложена методика исследования, проведена оценка погрешностей измерений и регистрации параметров и показателей работы двигателя. Выполнено построение внешних и частичных скоростных характеристик дизеля при его регулировании традиционным «реечным» методом, (т.е. методом смещения рейки ТНВД) и методом изменения рабочего объёма дизеля (иначе говоря, методом отключения цилиндров). Проанализированы ошибки прямых и косвенных измерений и показана возможность решения поставленных задач с использованием рассмотренного стенда и его измерительной и регистрирующей аппаратуры. Для реализации математического моделирования режимов дизеля 8ЧН13/14 проведена аппроксимация характеристик дизеля (построение

трендов) при его регулировании традиционным методом и методом изменения рабочего объёма (отключением подач топлива в отключаемые цилиндры). Например.

Ме-8 = 1,846 • ((п / 200) - 2,5)3 - 47,165 • ((п / 200) - 2,5)2 + 340,7 • ((п /200) - 2,5) + 507,86

М!>8 = 1,851 • ((п /200) - 2,5)3 - 47,28 • ((п / 200) - 2,5)2 + 354,54 -((п/ 200) -2,5) + 661 Ст.8 = -2,2651 • ((п/200) - 2,5)2 + 8,8878 ■ ((п/200) - 2,5) + 5,9909 Г|М)8 = 0,0003 • ((п \ 200) - 2,5)3 - 0,0068 • ((п \ 200) - 2,5)2 + 0,037 • ((п \ 200) - 2,5) + 0,7982

Лм,2 = 0,0012 • ((п \ 200) - 2,5)3 - 0,0271 • ((п \ 200) - 2,5)2 + 0,1379 • ((п \ 200) - 2,5) + 0,1929 Я2 =0,9947

§е,2 — 1,0513 ■ ((п/200) — 2,5)3 + 33,8 • ((п/200) — 2,5)3 —

(18)

(19)

(20) (21)

(22)

(23)

219,94 • ((п/200) - 2,5)3 + 840,25 Здесь индексами е, 1, т, м обозначены эффективные, индикаторные показатели, расход топлива, момент. 8, 7...2 -число активных цилиндров. Аппроксимация проведена с достаточно высокой достоверностью (II2, превышающей 0,99)

Рис. 2. Относительное изменение механических КПД, при разных количествах активных цилиндров г , выраженное в процентах от их значений при работе полноразмерного дизеля

м,б

700

1100 1500

1900 210и п, 1/мин

м,7 (5т1м.2 = (1

= л —Лм.г

"Пм.8

)100%)

В четвёртой главе исследованы возможности экономии топлива дизелями Д-260 и ЯМЗ-238 при реализации 13 - ступенчатого и типичного тракторного испытательных циклов применением методов отключения постоянного числа цилиндров или регулируемого в зависимости от величины малой нагрузки.

Показано, что эксплуатационная эффективность метода отключения цилиндров или циклов существенно зависит как от характера протекания характеристик удельного расхода топлива, так и от доли режимов малых нагрузок в испытательном цикле. Показано, что при реализации 13 - ти ступенчатого цикла дизелем ЯМЭ-238 (рис. 3) отключением постоянного или регулируемого

числа цилиндров достигается повышение экономичности работы дизеля на 2,9 и 4,7 % соответственно. При реализации тракторного испытательного цикла отключение постоянного числа цилиндров даёт повышение экономичности на 9 %, а регулирование числа отключаемых циклов или цилиндров в зависимости от нагрузки - 14 % (рис. 4). Для дизеля типа Д-260 при реализации 13-ти ступенчатого цикла отключение трёх цилиндров даёт повышение экономичности на 3,5 %, а при регулировании числа активных цилиндров - на 5,9 %. При реализации тракторного цикла эти показатели составляют соответственно 15 и 22 % (рис. 5).

8е~258 г/ТкВгч)

Рис. 3. Универсальная характеристика дизеля (8 ЧН

13/14): знаками +1, +2, +3 и т.д. обозначены режимы работы полноразмерного О = 8) двигателя на ступенях 1, 2, 3...13 ис-

!-уД> Ре>

Дж^Ша

дмЗ

500

400

300

200

100

01-0

600 700 800

1000 1200 1400 1600 1800 гЮОп.мин1

пытательного цикла

Подтверждена эффективность метода регулирования дизеля изменением рабочего объёма при поддержании исходного режима малой нагрузки разгонами - выбегами. Так, разгонами - выбегами при числе активных цилиндров 3 и 2 соответственно и нагрузке порядка 20 % экономия топлива составляет 15—25 %.

Рис. 4. Суммарные расходы топлива (в) и выигрыши в расходах (Дел. в %) при реализации тракторного цикла в течение 1 часа и разных методах регулирования дизеля 8 Ч 13/14: штата. - штатное регулирование с помощью рейки ТНВД, г=4 (8) - отключение постоянного числа цилиндров, г=уат - отключение переменного числа цилинд-

19,0 18,5 18,0 17,5 17,0 16,5 16,0 15,5 15,0 14,5

18,4 С ^Юкг. з- Дел.Оо

-СИ ч

16 7б/ г

9

/ 15.8

/

18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

О

с; (=[

Штатн 2=4 (8) г=\'аг Вид регулирования

о

ров в соответствии с нагрузкой на данной ступени цикла.

Рис. 5. Суммарные расходы топлива (в) и выигрыши в расходах (Дел. О %) при реализации тракторного цикла в течение 1 часа и разных методах регулирования дизеля 6 Ч 11/12,5: штатн. — штатное регулирование с помощью рейки ТНВД, г=3 (6) - отключение постоянного числа цилиндров, 7.=уаг — отключение переменного числа цилиндров в соответствии с нагрузкой на данной ступени цикла выбегами даёт экономический эф-

Штатн г=3 (6) тт=\аг Виды регулирования дизеля

Поддержание режима МН разгонами фект и при разных моментах инерции I установки (рис.6). 10

%

Д-2ц ц-2ц

/

/

_з

—— * /у

л / / - ГМс^ОУ 10

/ / —■—(ЗтДр.го —й— <3т,1=4 2ц-0ц —*— Сгг,1^б,2ц-0ц -^К— 0гг,1=8,2ц-0ц -1—-1

/ /

/ /

700 1000 1300 1600

Рис. 6. Часовые расходы топлива (От) при поддержании режимов с нагрузками Мс дизелем 6411/12,5 при традиционном («реечном») регулировании (Ьр20: Ьр =~ 20%) и регулировании отключением — включением цилиндров или циклов (при моментах инерции установок 1=4, 6, 8

1900 2200 п, об/мин

Нм-с2).

Режимы в диапазоне частот вращения от 700 до 1900 включительно поддерживаются разгонами - выбегами двигателя при работе на числе цилиндров 2ц или 0ц (2ц-0ц). Режим 2200 мин"1 поддерживается чередованием работы на трёх и на двух цилиндрах (3ц-2ц-3ц-2ц).

Аналогичные результаты получены и для дизеля ЯМЗ-238 (рис. 7). С использованием усовершенствованной методики исследована возможность регулирования двухтактного дизеля (рис. 8) методом изменения рабочего объёма. Так на режиме нагрузки порядка 15 % достигается экономический эффект около 21 % .

Рис. 7. Часовые расходы топлива (8 Ч 13/14) при «реечном» (вт, Ьр.20) и «безреечном» (вт, 2ц-0ц) регулировании дизеля и выигрыш в расходе (дел.(Д)Ст, 2ц-Оц) при применении «безреечного» регулирования по сравнению с «реечным»

ЕР b н" О

1 1 Г

—С —0— (* JT, пр.20 }т, 2ц-0ц Ют,2ц-0ц Л

4 -Ь-1 //

\ А

> У

V

700 1000 1300 1600 1900 2200

40 35 30

25 £

20 Ч

S

15 Ч 10 5 0

п, 1/мин

Дж/(дмЗ)

900+ 0,9

1840 кВт о I 1620 =234г/(кВтч)

Рис. 8. Универсальная (комбинированная) характеристика судового двухтактного дизеля 12 ДН 23/30 (40 ДМ): 1 -винтовая характеристика с полным (максимальным) шаговым отношением, равным шаговому отношению винта фиксированного шага ВФШ (НЯ)вфш); 2 - ограничительная характеристика; 3 - экономическая характеристика; 4, 5, 6, 7 - винтовые

характеристики при шаговых отношениях соответственно H/D4 > H/D5 > H/D6 > H/D7

На режиме, обозначенном точкой В, т.е. при п = 600 об/мин и ре = 0,13 МПа, полноразмерный дизель выполняет полную работу Lno;,„ = 1000-ре- i'Vh = 1000-0,13-12-12,458 = 19434 Дж. При этом его удельная работа равна ЬуЛ = 1000-ре = 1000-0,13 = 130 Дж/(дм3). Для того, чтобы выйти на режим максимальной экономичности, выполняя ту же нагрузку и при той же частоте вращения, дизель должен выполнять удельную эффективную работу, равную Ь'уд = 520 Дж/(дм3) (см. рис. 8). Следовательно, число работающих цилиндров должно составлять z = Lya-i/L'yÄ = 130-12/520 = ~3 цилиндра. Полноразмерный дизель на

Ne=185 кВт

400

500

600

700 и, об/'мин

исходном режиме имел ge = 320 г/(кВт-ч), а после изменения рабочего объёма --253 г/(кВт-ч). Следовательно повышение экономичности (выигрыш в расходе топлива) может составить

Age=[(ge.i-ga.z)/ga.i]-100=21 % (24)

Очевидно, что удельный расход топлива определяется не только индикаторным КПД, но и механическим, который при снижении нагрузки существенно снижается. Поэтому возникает вопрос, а может ли данный дизель работать на трёх цилиндрах, как соотнесутся его механические потери с учётом выключенных цилиндров, с развиваемым индикаторным моментом, мощностью. Отметим, что все приведённые рассуждения выполнены при допущении, что абсолютные значения механических потерь сохраняют свои значения как для полноразмерного, так и для дизеля с выключением части цилиндров (но без изменения фаз газообмена, а только при выключении подач топлива в деактиви-руемые цилиндры), и зависят только от частоты вращения,. Такое допущение представляется приемлемым, в связи с тем, что методами определения момента механических потерь, являются метод прокрутки вала от постороннего источника при выключенных подачах топлива, метод отключения отдельных цилиндров и измерения изменений развиваемого момента, а также метод выбега после отключения всех цилиндров.

Очевидно, что механический КПД (т|м) конечно изменяется с изменением нагрузки (рис. 9).

Показано, что отключение цилиндров приводит к снижению механического КПД дизеля, который может снижаться до 0,2 - 0,4 при отключении части цилиндров и работе с минимальной нагрузкой по винтовой характеристике. 0,9

Imtj/г) Рис. 9. Изменение

механического КПД (Пмех) дизеля при работе с разными нагрузками, определяемыми шаговыми отношениями винта регулируемого шага (ВРШ) в соответствии с рис. 8: H/Dmax - максимальное шаговое

отношение винта 400 450 500 550 600 650 700 750

п, об/мин Так, на рас-

смотренном исходном

режиме малой нагрузки он составлял t]M = -0,45 (рис. 9). При этом индикаторные показатели активных цилиндров соответственно должны быть повышенными. С учётом принятых допущений на том же нагрузочном режиме и той же частоте вращения, но с числом работающих цилиндров z = 3 механический КПД сохраняется. Поскольку очевидно, что Ьуд1=Ьуд/г|м (Lyai- удельная индика-

торная работа) и следовательно для активного цилиндра дизеля получаем р; = 520/(0,45-1000) = -1,16 МПа. Однако в соответствии с ограничительной характеристикой 2 (рис. 8) (ре = 0,83, точка Д на рис. 8) и при т|„ = 0,79 (рис. 9) среднее индикаторное давление активного цилиндра р; не может составить более 0,83/0,79 = 1,05 МПа. Следовательно на данном режиме отключать можно не более восьми цилиндров (г > 4). Тогда удельная работа Цд будет равна 390 Дж/(дм3), составит 262 г/(кВт-ч) (точка Е на рис. 8), а выигрыш в удельном расходе топлива будет составлять около 18 %.

Следует отметить, что данный анализ проводится при допущении, что отключение (а затем включение) цилиндров происходят мгновенно. Реально, как отмечено ранее, существуют ограничения на проведение таких операций, например, ограничение по неравномерности вращения вала, крутильным колебаниям и т.д. Для автомобильного дизеля (где важным показателем является комфортность поездки) считается, что с учётом ограничений на реализацию метода регулирования дизеля изменением его рабочего объёма полученный анализом результат может быть на 25 - 50 % ниже расчётного. Кроме того, важна доля режимов малых нагрузок во всём времени работы двигателя. Очевидно, что чем эта доля ниже, т.е. чем выше коэффициент загрузки двигателя, тем меньше будет и выигрыш в расходе топлива.

Общие выводы

Подтверждена возможность регулирования как четырёхтактного, так и двухтактного транспортного дизеля изменением рабочего объёма путём отключения цилиндров или циклов с целью повышения экономичности режимов малых нагрузок.

Усовершенствована методика оценки достижимой экономичности дизеля при его регулировании на малых нагрузках отключением цилиндров или циклов. Методика основана на анализе универсальных характеристик дизеля, перестроенных в координаты удельной эффективной работы и частоты вращения.

Исследован метод регулирования дизеля путём отключения постоянного числа цилиндров или циклов. Предложены и исследованы методы регулирования отключением - включением переменного числа цилиндров или циклов, зависящего от текущей нагрузки, а также поддержания режима малой нагрузки реализащ& разгонов - выбегов дизеля на части активных цилиндров, работающих с постоянным положением рейки ТНВД. Положение рейки может быть выбрано либо полным, либо вблизи полного, но соответствующего режимам максимальной экономичности двигателя.

Для моделирования режимов разгонов - выбегов при реализации метода поддержания режима малой нагрузки выбрана математическая модель, учитывающая стабилизацию начального давления топлива в линях высокого давления.

Подтверждена работоспособность топливной аппаратуры с элементами отключения цилиндров и регулирования начального давления топлива. Получены новые характеристики дизеля, позволившие уточнить результаты математического моделирования режимов разгонов — выбегов.

Показано, что эффективность метода существенно зависит от доли режимов малых нагрузок. Так для исследованных автотракторных дизелей показано, что при испытаниях по 13-ти ступенчатому или тракторному циклам повышение экономичности может составлять порядка 5-6 и 14 - 22 % соответственно.

Сравнением с результатами опубликованных экспериментальных результатов оценочные показатели, полученные с использованием предложенной методики, могут быть понижены на 20 - 50 %, что определяется ограничениями на вибрации, плавность включения - включении цилиндров или циклов и т.д. в реальных условиях.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах.

1. Патрахальцев H. Н„ Страшнов С. В., Корнев Б. А., Мельник И. С. Экономия нефтяного дизельного топлива частичным замещением его этанолом (тезисы доклада) //Юбилейные 5-е Луканинские чтения «Проблемы и перспективы развития автотракторного комплекса». М. - МАДИ, 10 февраля 2011. - 113 - 115.

2. Патрахальцев H. Н., Соловьёв Д. Е., Мельник И. С., Корнев Б. А. Возможности экономии нефтяного дизельного топлива частичным замещением его альтернативным (статья) // АвтоГазоЗаправочный комплекс + альтернативное топливо.-2011.-№ 2(56).-С. 21 -24.

3. Санчес Л. В. А., Патрахальцев H. Н., Корнев Б. А., Мельник И. С. Экспериментальное определение цетановых чисел смесевых и эмульгированных дизельных топлив (статья) // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 2 (20).-С. 30-33.

4. Патрахальцев H. Н., Страшнов C.B., Мельник И.С., Корнев Б.А. Изменение числа работающих цилиндров дизеля - вариант повышения экономичности его режимов малых нагрузок (статья) // Автомобильная промышленность. - 2012. -№ 2. - С. 11-13.

5. Патрахальцев H. Н., Страшнов С. В., Мельник И. С., Корнев Б. А. Регулирование дизеля изменением его рабочего объёма (статья) // Тракторы и сельхозмашины.-2012. - № 1. -С. 19-22.

6. Патрахальцев H. Н., Страшнов С. В., Корнев Б. А., Мельник И. С. Регулирование дизеля методом отключения - включения цилиндров или циклов (статья) //Двигателестроение.-2011. - № 3 (245) июль - сентябрь 2011. - С. 7- 12.

7. Патрахальцев H. Н., Соловьёв Д. Е., Корнев Б. А., Мельник И. С. Применение метода отключения цилиндров для регулирования работы дизеля, работающего на спиртовых топливах (тезисы доклада) // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». - 2011. - № 4 (85). - С. 116. (Тезисы доклада на 86-м Всероссийском научно - техническом семинаре (ВНТС) по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок им. проф. В. И. Крутова. МГТУ им. Н. Э. Баумана, январь 2011).

8. Патрахальцев H. Н., Соловьёв Д. Е., Мельник И. С., Корнев Б. А. Экономия нефтяного дизельного топлива частичным замещением его альтернативным топливом (тезисы доклада) // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». - 2011. - № 4 (85). - С. 116 - 117. (Тезисы доклада на 86-м Всероссийском научно - техническом семинаре (ВНТС) по автоматическому управле-

нию и регулированию теплоэнергетических установок им. проф. В.И. Крутова. МГТУ им. Н.Э. Баумана, январь 2011).

9. Патрахальцев Н.Н., Соловьёв Д.Е., Мельник И.С., Корнев Б.А. Анализ возможностей повышения эксплуатационной экономичности дизеля 6411/12,5 методом изменения рабочего объёма двигателя (статья) // Материалы V междунар. науч.-практ. конф. «Наука- Технология- Ресурсосбережение», посвящённой 60-летию инженерного факультета. Киров, 6 февраля 2012 г.

10. Регулирование дизеля изменением физико - химических и моторных свойств топлива (статья) / Н.Н. Патрахальцев, С.В. Страшнов, Б.А. Корнев, И.С. Мельник // Вестник РУДН. - сер. Инженерные исследования. - 2012. - №.4 -С. 52-57.

11. Патрахальцев H.H., Мельник И.С., Петруня И.А. Повышение экономичности режимов малых нагрузок судового дизеля, работающего на винт регулируемого шага// Двигателестроение.- 2013. - № 1.-С. 38-41.

Мельник Иван Сергеевич РЕГУЛИРОВАНИЕ ТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ИЗМЕНЕНИЕМ ИХ РАБОЧИХ ОБЪЁМОВ В работе исследованы возможности повышения экономичности режимов малых нагрузок дизелей типа 8 ЧН 13/14, 6 Ч 11/12,5 и 12 ДН 23/30 регулированием их рабочих объёмов, путём изменения числа работающих цилиндров или циклов. Изменение числа отключаемых цилиндров регулируется в соответствии с уровнем малой нагрузки. Показаны возможности повышения экономичности малых нагрузок судового двухтактного дизеля, работающего на винт регулируемого шага. Подтверждена эффективность повышения экономичности реализацией режимов разгонов - выбегов при постоянной полной подаче топлива. Усовершенствована методика оценки возможности повышения экономичности на основе универсальных характеристик дизеля.

Melnik Ivan Sergeevich REGULATION OF TRANSPORT'S DIESELS BY CHANGING OF WORKING VOLUME There carried out an investigation of opportunity to rise of economical qualities of transport's diesels 8 ЧН 13/14, 6 4 11/12,5 и 12 ДН 23/30 by regulation of working volume of engine by means of variation of activated cylinders number. This regulation takes place in according to level of small load. There presented opportunities to rise of economy of 2-cycled engine of ship, working with propeller with variable pitch. There used a method of calculation of effectiveness of such regulation with use of universal characteristics of diesel. Investigated some opportunities to regulate of active cylinders on full load and stabilize the regime of low load by acceleration -deceleration of motor.

Подписано в печать 08.09.13. Формат 60x84/16. Тираж 100 экз. Усл. печ. л. 1,25. Заказ 1221

Типография Издательства РУДН 115419, ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д.З

РОССИИСКИИ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

УДК 621.436.038.001

На правах рукописи

МЕЛЬНИК ИВАН СЕРГЕЕВИЧ

РЕГУЛИРОВАНИЕ ТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ИЗМЕНЕНИЕМ ИХ РАБОЧИХ ОБЪЁМОВ

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.04.02 - тепловые двигатели

Научный руководитель Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Н. Н. Патрахальцев

Москва, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Список принятых сокращений и обозначений...............................4

Основные понятия и определения...............................................5

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................8

ГЛАВА 1......................................................................................................13

Анализ опубликованных работ...............................................13

1.1. Работа дизеля в условиях эксплуатации..................................13

1.2. Основные принципы реализации метода регулирования дизеля изменением его рабочего объёма.......'.......................................14

1.3. Конструкции, схемы систем отключения цилиндров

или циклов...................................................................................17

1.4. Регулирование дизеля изменением числа работающих цилиндров или циклов....................................................................18

1.5. Повышение экономичности режимов малых нагрузок (МН)

и холостых ходов (XX)...................................................................21

1.6. Снижение токсичности и дымности дизелей, длительное время работающих на режимах МН и XX.....................................................23

1.7. Повышение эффективности и надёжности пусков....................24

1.8. Проведение диагностирования технического состояния и испытаний дизеля в условиях эксплуатации........................................25

1.9. Повышение эффективности использования альтернативных топлив.......................................................................................26

1.10. Повышение динамических качеств дизеля............................27

1.11. Поддержание теплового состояния на холостом ходу и повышение температуры ОГ на входе в каталитический нейтрализатор..........'....................................................................29

1.12. Аварийная защита дизеля..................................................29

1.13. Методики оценки и определения возможности повышения экономичности дизеля при применении технологии отключения цилиндров и циклов........................................................................................30

ВЫВОДЫ по главе 1...............................................................31

Постановка цели и задач исследования.......................................33

ГЛАВА 2. Основные теоретические положения.........................34

2.1. Система отключения цилиндров или циклов (СОЦЦ)................34

2.2. Математическая модель режимов работы дизеля, регулируемого отключением - включением цилиндров

или циклов..........................................................................37

2.3. Методика оценки возможностей повышения экономичности дизеля отключением цилиндров или циклов..........................................40

2.4. Анализ механических потерь дизелей,

регулируемых изменением рабочего объёма................................45

2.5. Поддержание условно установившихся режимов работы дизеля реализацией разгонов - выбегов вблизи установленной

частоты вращения в пределах допустимой неравномерности............52

Выводы по главе 2..................................................................54

ГЛАВА 3. Основные методические положения.........................56

3.1. Стенды для исследования топливной аппаратуры и дизеля.........56

3.2. Погрешности измерений.....................................................60

3.3. Прогнозирование экономической эффективности метода регулирования дизеля изменением рабочего объёма.......................61

3.4. Получение исходной информации для дальнейшего

исследования........................................................................68

Выводы по главе 3..................................................................79

ГЛАВА 4. Результаты расчётно-экспериментальных исследований.......................................................................80

4.1. Возможности экономии топлива дизелем типа 8 ЧН 13/14 при реализации 13-ти ступенчатого испытательного цикла...........................80

4.2. Возможности экономии топлива дизелем типа 8 ЧН 13/14 при реализации типового испытательного тракторного цикла............................85

4.3. Реализация тракторного испытательного цикла дизелем

6 4 11/12,5....................................................................................93

4.4. Регулирование дизеля с помощью отключения - включения цилиндров при однорежимном топливном насосе.........................................99

4.5. Повышение экономичности режимов малых нагрузок судового дизеля, работающего на винт регулируемого шага..................................102

ВЫВОДЫ по главе 4......*.......................................................107

Общие выводы....................................................................109

Список литературы...............................................................111

Список принятых сокращений и обозначений

АТ - альтернативное топливо. .

ВСХ - внешняя скоростная характеристика дизеля.

ДсИЗ - двигатель с искровым зажиганием.

ДТ - дизельное топливо.

КПД - коэффициент полезного действия.

ЛВД - линия высокого давления.

ЛНД - линия низкого давления.

МН - малые нагрузки.

НУР - неустановившийся режим работы.

РНД - регулирование начального давления.

СОЦЦ - система отключения цилиндров или циклов.

ТНВД - топливный насос высокого давления.

УР - установившийся режим работы.

ФХР - «физико - химическое» регулирование дизеля, т. е. регулирование дизеля изменением физико - химических и моторных свойств топлива. XX - холостой ход.

ЧСХ - частичная скоростная характеристика, п.п. - переходные процессы.

Ьполн, Ьуд - полная и удельная работа двигателя, [Дж].

Ме, Мм - эффективный, индикаторный крутящие моменты на валу дизеля и момент механических потерь, [Нм].

N1, - мощности эффективная, индикаторная и механических потерь, [кВт].

Уь - рабочий объём цилиндра двигателя, [дм3].

ё!- удельный эффективный, индикаторный расходы топлива, [г/(кВт-ч)]. Ьр - положение рейки топливного насоса высокого давления, п - частота вращения, [1/мин].

ре, р^ рм - средние давления эффективное, индикаторное, механических потерь, [МПа].

Р ост, Рнач ~ остаточное и начальное давления топлива в линии высокого давления топлива, [МПа].

ъ - число работающих (активных) цилиндров. а - коэффициент избытка воздуха.

л„ Ле> Лм~ индикаторный, эффективный и механический КПД. со - угловая скорость вращения вала, [1/с].

Основные понятия и определения

Переменный рабочий объём - это технология автомобильного двигате-лестроения, обеспечивающая изменение рабочего объёма двигателя обычно путём деактивации (выключения) части цилиндров с целью улучшения показателей топливной экономичности и экологичности. Технология реализуется прежде всего на больших многоцилиндровых автомобильных двигателях. Многие производители автомобилей используют эти технологии с 2005 года, хотя сама концепция существует со значительно более ранних времён.

Деактивация (отключение) части цилиндров применяется для снижения расхода топлива и снижения выбросов ДВС, работающих на режимах малых нагрузок. На таких режимах используется обычно не более 30 % полной мощности двигателя. В этих условиях дроссельная заслонка двигателей с искровым зажиганием находится в прикрытом состоянии, что приводит к существенным насосным потерям (потерям на всасывании), т.е. к повышению абсолютных значений механических потерь и снижению механического КПД.. В режимах дросселирования давление в ВМТ крупных двигателей снижается в два и более раз, что и приводит к потере экономичности из-за снижения степени повышения давления X = р2/рс. Использование отключения цилиндров на малых нагрузках приводит к уменьшению числа цилиндров, в которые происходит всасывание заряда из впускного трубопровода, что позволяет увеличивать давление в работающих цилиндрах. Кроме снижения насосных потерь, что увеличивает давление в работающих цилиндрах, происходит уве-

личение цикловых подач в работающих цилиндрах, что позволяет повысить экономичность на 8 - 25 % в условиях работы на скоростных магистралях.

Проведённые в 1979 г. оценки ЕРА эффективности Automotive Cylinder Deactivation System (ACDS) показали, что при повышении экономичности на 10 - 20 % происходит снижение динамических качеств автомобиля, повышение выбросов СО и NO*, а также опасное ухудшение управляемости автомобиля с помощью тормозов из - за пониженных насосных потерь. Кроме того, подтверждена неэффективность управления включением - выключением цилиндров из салона автомобиля вручную с помощью гидравлического привода. Применительно к дизелям метод известен и применяется в меньшей степени.

Известен также метод изменения рабочего объёма двигателя путём уменьшения или увеличения рабочего хода поршня. Однако двигателей с такими системами в эксплуатации пока практически нет.

После 2008 года, когда произошёл подъём стоимости топлив, потребители востребовали более экономичные двигатели без потери полной (пиковой) мощности.

Потребовались новые технологии для достижения ещё более высоких показателей по экономичности и экологичности двигателя [92].

ВВЕДЕНИЕ

Актуальными проблемами современного двигателестроения, в том числе - дизелестроения, являются дальнейшее повышение мощностных, экономических и экологических качеств. Повышение экономичности - это, как правило, снижение выбросов парникового газа (С02). Очевидны необходимости одновременного решения экологических и энергетических проблем, связанных с поршневыми двигателями. На примерах автомобильного транспорта, оснащенного в настоящее время в основном поршневыми двигателями на углеводородном топливе, а также на примере современных мегаполисов во многих работах показывается возможность и целесообразность как повышения топливной экономичности, так и частичного замещения нефтяного топлива различными альтернативными [62, 95, 96].

Во всём мире проблеме повышения экономичности и снижения ток-

4

сичности эксплуатационных режимов, в том числе режимов малых нагрузок (МН) и холостых ходов (XX) уделяется существенное внимание [91].

Одним из путей решения энергетических и экологических проблем является одновременное сокращение потребления топлива и количества токсичных выбросов путем снижения числа поездок, то есть путем сокращения числа двигателей, находящихся в эксплуатации, или путем снижения литража двигателя и применения маломощных двигателей (малогабаритных автомобилей) [34].

Однако, сокращение поездок, числа эксплуатируемых двигателей и применение малолитражных двигателей непосредственно затрагивает социальный аспект. Сокращение литража двигателя автомобиля приведет к пропорциональному снижению расхода топлива и выбросов вредных веществ. Однако сокращения поездок и литража двигателей можно добиться только запретными методами, что, безусловно, чревато большими социальными потрясениями, так как это однозначно будет квалифицировано, как покушение на личные права владельцев автомобилей.

Также абсолютно бесперспективное дело — ограничивать литраж автомобилей массового потребления и лишать людей возможности ездить на более мощных и комфортабельных моделях. В связи с этим прогнозируется [34, 97], что в ближайшие 50 лет, если не произойдут катаклизмы глобального масштаба, общей тенденцией останется массовое стремление к владению личным транспортом, особенно транспортом с более мощными и комфортабельными двигателями. Это означает, что общее число автомобилей, находящихся в эксплуатации, будет только увеличиваться. На рисунке 1 приведена динамика роста литровой мощности автомобильных двигателей [34], которая показывает четкую тенденцию повышения в обозримом будущем. Ne-л, кВт/л_:_:_

80 70 60 50 40

30 20

10 0

1940 1950 I960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

Годы

Рис. 1. Динамика роста литровой мощности (Ne^) автомобильных двигателей [34] по годам

Один из путей частичного решения проблем - применение двигателей с регулируемым рабочим объёмом. Разновидностью такого решения является гибридный двигатель. Однако гибридный двигатель не является альтернати-

вой поршневому двигателю и может быть рассмотрен как частный фактор улучшения энергетической и экологической обстановки [34].

Замена поршневого ДВС электрическим двигателем в настоящее время считается наиболее реальным из радикальных путей. Это хорошо видно на примере мегаполисов, в которых хорошо развиты трамвайные и троллейбусные сети, подземный и наземный электрический транспорт, а для междугороднего и международного сообщения — электрифицированная железная дорога. В перспективе к ним добавится достаточно большое количество внутригородских электромобилей для общественного транспорта (такая тенденция особенно заметна в США). Однако проблема личного транспорта останется нерешенной, так как электромобиль не соответствует естественному желанию человека «ехать, куда хочу и когда хочу» [34].

Если даже произойдет коренной прорыв в технологии производства аккумуляторов и на рынке появится массовый, недорогой и удобный в эксплуатации электромобиль с большим пробегом, то для зарядки его аккумуляторов не хватит производимой всеми электростанциями к настоящему времени' электроэнергии. Доказательством такого утверждения является тот факт, что общая мощность, вырабатываемая в целом поршневыми двигателями, в несколько раз превышает установленную мощность всех электростанций. В США в конце прошлого века из всего количества энергоресурсов производство электроэнергии потребляло 18%, а транспорт — 23%.

Определённые перспективы имеет применение для электромобилей топливных элементов, особенно если будет найден соответствующий заменитель дорогостоящих катализаторов [96, 97].

Таким образом, в целях улучшения экологической обстановки отдельно взятых мегаполисов электромобили в перспективе на ближайшие пару десятков лет могут заменить поршневые двигатели в качестве силового агрегата внутригородского автомобильного транспорта. В городском хозяйстве они могут занять свою нишу подобно электротранспорту, широко используемому в настоящее время для перевозок внутри помещения. Следует также под-

черкнуть, что электропривод сложно приспособить для сельскохозяйственной техники, а для водного транспорта, особенно для морских судов, это практически невозможно.

Метод отключения части цилиндров уже давно считался многообещающим решением для повышения экономичности двигателей и снижения эмиссии токсичных компонентов ОГ. Примерно с 1905 года, т.е. в начале революционного развития ДВС, было применено отключение цилиндров [90]. Первая попытка массового выпуска двигателей с отключением цилиндров выполнена в 1981 г. фирмой GM для автомобиля Cadillac Eldorado V-8-6-4. Он мог работать с числом активных цилиндров соответственно 8, 6 или 4. Дальнейшему применению технологии помешали проблемы с электронным управлением.

За рубежом уже достаточно широко используются методы отключения цилиндров или циклов для повышения экономичности режимов МН и XX [86]. В 1998 году, фирма Daimler Chraysler возобновила применение технологии отключения цилиндров (названной Active Cylinder Control) на двигателях, которые использовались на автомобилях Mercedes-Benz. Система способна отключать 4 цилиндра из 6. Фирма Honda использует свою систему, названную Variable Cylinder Management, с 2005 года на своих бензиновых двигателях ряда 3.5L V6, где могут отключаться 3 цилиндра одного ряда.

В работе [93] метод отключения цилиндров иначе стали называть методом изменения рабочего объёма двигателя.

Очевидной тенденцией является то, что большинство попыток применения отключения цилиндров выполнялось на двигателях с числом цилиндров 6 или более. Одно исключение составляет разработанный в 1992 году экспериментальный рядных 4х цилиндровый двигатель фирмы Mitsubishi (1.6L), который, однако, не был запущен в производство.

В настоящее время известны следующие технологии (технические решения) реализующие изменение рабочего объёма двигателя для повышения экономичности режимов малых нагрузок.

• General Motors V8-6-4 (Cadillac).

• General Motors Cadillac Sixteen (Cadillac).

• General Motors Active Fuel Management.

• DaimlerChrysler Multi-Displacement System (MDS) (for Chrysler).

• DaimlerChrysler Active Cylinder Control (ACC) (for Mercedes-Benz).

• Honda Variable Cylinder Management (VCM).

• SAAB Variable Compression engine.

• Mitsubishi Modulated Displacement (MD).

• Mitsubishi developed its own variable valve timing technology - MIVEC-MD.

• Метод регулирования отключением - включением цилиндров или циклов.

• Регулирование двигателей отключением части цилиндров.

• Регулирование дизеля пропуском рабочих ходов поршней.

• Регулирование дизеля пропуском подач топлива.

• Регулирование изменением степени сжатия и рабочего объёма двигателя. .

• «Безреечное регулирование» - регулирование дизеля изменением числа работающих цилиндров или циклов и порядка их работы.

• Дискретное изменение мощности (ДИМ).

• «Cylinder Deactivation Device» - устройство отключения цилиндра.

• «Cylinder cutout» - выключение цилиндра.

Таким образом, метод регулирования работы ДВС изменением его рабочего объёма является достаточно широко востребованным производителями современных ДВС, прежде всего автотранспортного назначения. Наи-~ большее развитие метод получил применительно к бензиновым двигателям,

т.е. двигателям с искровым зажиганием, и в меньшей степени - примени*

тельно к дизелям различного на