Механізми відключення циліндрів

Відключення циліндрів є одним з найефективніших засобів економії палива. Його застосовують у багатоциліндрових ДВЗ, відключаючи частину циліндрів при неповних навантаженнях.

Рис.48. Схема відключення циліндрів Cadillac V8-6-4: 1 — електромагнітний привод; 2 — пластина блокування; 3 — виступ корпуса; 4 — корпус; 5 — пружина; 6 — точка повороту коромисла при відключенні клапана

Дослідження в цьому напрямку проводяться вже близько 50 років. Теорія регулювання потужності автомобільного двигуна шляхом відключення циліндрів уперше була розроблена в СРСР академіком Е.О.Чудаковим. У теорії такий спосіб допомагає знизити витрату палива бензиновим поршневим двигуном до 25%, двосекційним роторним — до 20% і дизелем — до 15%.

Запас потужності двигунів V6, V8 або V12 такий, що при русі з постійною швидкістю в середньому вони працюють тільки на 25% своїй потужності. При цьому наявність опору у вигляді дросельної заслінки приводить до часткового наповнення циліндрів свіжим зарядом та малого ККД.

На початку 1980-х відключення частини циліндрів (2-х або 4-х) застосовував на своїх V8 Cadillac, однак широкого поширення цей двигун тоді не одержав (відключення та підключення циліндрів супроводжувалися ривками та шумом). Відключення циліндрів здійснювалося поворотом коромисел доверху так, що коромисло переставало діяти на клапан (рис. 48). Одночасно виключалася подача палива у ці циліндри. На рубежі століть концерн General Motors розробив V8 із системою відключення циліндрівDisplacement-on-Demand («робочий об’єм за вимогою»). Під час пуску ДВЗ працюють усі циліндри. Після прогріву електронний блок керування «оцінює» реальне навантаження. Якщо мотор не навантажений, електроніка припиняє подачу палива в чотири циліндри з восьми. Одночасно включаються соленоїди (рис. 8.50,б), які дозволяють маслу з системи змащення поступати до штовхачів. Штовхачі (рис. 50,а) з гідрокомпенсаторами відрізняються тим, що плунжер з’єднується з корпусом через поршень-фіксатор, що під дією пружини поперечно розташований у штовхачі. Коли соленоїди відкривають подачу масла, масло давить на поршень-фіксатор, стискуючи пружину. Поршень переміщається та роз’єднує плунжер і корпус. Клапан відключається (рис. 49,а-б). На рис. 49,в показано систему змащення, де у верхній частині видно соленоїди та масляні канали системи виключення клапанів (2, 3, 5 та 8-го циліндрів для забезпечення ритмічної роботи відповідно до режиму роботи ДВЗ).

Аналогічну систему під назвою Multi-Displacement System (MDS) розробила фірма Chrysler для двигуна HEMI V-8 (2005 р.). Принцип її роботи аналогічний (рис. 51-53). На рис. 53 добре видно поршень-фіксатор штовхача, а на рис. 51 — масляні канали.

У обох системах забезпечується непомітним процес переключення за рахунок електронного керування дросельною заслінкою та подачею палива.

а	б	в
Рис. 49. Схема відключення циліндрів (а — клапан працює, б — клапан відключено) та схема масляної системи (в) двигуна GM Vortec 5300 (2005 р.).

а	б
Рис. 50. Штовхач клапана (а) та соленоїди відключення клапанів (б) двигуна GM Vortec 5300 (2005 р.).

Рис. 51. Система відключення клапанів двигуна Chrysler Hemi

Рис. 52. Розподільний вал та штовхачі двигуна Chrysler Hemi.	Рис. 53. Конструкція штовхача з відключенням двигуна Chrysler Hemi.

Рис.54. Механізм відключення клапанів Mercedes-Benz 500 SE 1 — привод електричного виконавчого механізму; 2 — тарілка з нажимними штангами; 3 — поворотна втулка з сегментним елементом

У Європі в 1990-х роках технологію відключення окремих циліндрів використовує Mercedes-Benz на V12 об’ємом 6,0 л та V8 об’ємом 5,0 л. На часткових навантаженнях у V8 відключаються чотири циліндри, а при необхідності збільшення потужності вони підключаються знову. Електронна система керування двигуном відключає циліндри — 2-й, 5-й та 8-й. Відбувається це відразу після переходу двигуна на режим часткового навантаження за рахунок відключення відповідних впускних і випускних клапанів і припинення подачі палива до зазначених циліндрів. Витрата палива в середньому зменшилася приблизно на 7%.

Перехід від 4-циліндрового режиму роботи двигуна до 8-циліндрового й назад здійснюється непомітно. Електроніка миттєво змінює положення дросельної заслінки й кут випередження запалювання таким чином, щоб запобігти раптовій зміні крутного моменту. Автоматичне відключення циліндрів здійснюється в діапазоні частот обертання колінчастого вала від 1000 до 3500 хв^-1 на 3-й, 4-й й 5-й передачах при використанні автоматичної коробки, що відповідає діапазону швидкостей від 40 до 160 км/год. Щоб запобігти переохолодженню відключених циліндрів, випускний клапан після робочого ходу не відкривається, і гарячі відпрацьовані гази після згоряння залишаються у циліндрі, зберігаючи тепловий режим.

Механізм відключення клапанів двох типів. У першому (рис. 54) привод здійснюється через тарілку з нажимними штангами та сегментний елемент. При його повороті втулка з сегментним елементом виходить за межі нажимних штанг, і клапан залишається у закритому положенні.

У другому варіанті використовуються коромисла, що складаються з двох частин (рис. 55), що з’єднані між собою маленьким поршнем-фіксатором. Коли система спрацьовує, на поршень під тиском подається масло. Фіксатор, переборюючи опір зворотної пружини, зміщується убік, чим розривається твердий зв’язок між частинами коромисла. Частина коромисла, що контактує з кулачком, продовжує рухатися, але друга частина зупиняється й не передає зусилля на клапан. Підключення клапана до роботи відбувається, коли знімається тиск масла на поршень-фіксатор. Під дією пружини він повертається на місце, знову з’єднуючи коромисла в єдине ціле. Робота клапанів відновлюється, а комп’ютер дає команду на подачу палива до циліндрів.

Рис.55. Механізм відключення клапанів Mercedes-Benz S500 зі складеними коромислами

Фірмою Honda розроблено ДВЗ V6 із системою Variable Cylinder Management. Працює вона у такий спосіб: при низькому навантаженні процесор керування відключає три з шести циліндрів (один ряд); їхні клапани залишаються закритими, циліндри не працюють. ДВЗ оснащений двома розподільними валами — по одному у кожній головці блоку (при 4 клапанах на циліндр). Клапани приводяться в рух коромислами, у які вбудовано (у головці одного ряду циліндрів) механізми гідроблокування. Залежно від положення поршеньків коромисла або жорстко блоковані (клапани працюють), або «ламаються» (клапани відключені). Тобто, система аналогічна попередній.

Для поглинання підвищених вібрацій конструктори Honda передбачили «активну» гідроопору силового агрегату, що управляється центральним процесором і міняє твердість у такт спалахам у циліндрах.

Крім того, у гібридному двигуні Honda IMA (Integrated Motor Assist) застосовано систему відключення трьох з чотирьох циліндрів при русі автомобіля накатом. Принцип роботи механізму – аналогічний (рис. 57).

Технологія відключення циліндрів поки не одержала широкого поширення. Причини — ступінчастість регулювання, наявність дроселювання між режимами роботи, порушення температурного режиму й рівномірності зношування циліндрів.

Рис. 57. ГРМ двигуна Honda IMA

Роботи над механізмами відключення циліндрів ведуться й в Україні. Але вітчизняні вчені пішли іншим шляхом. Ще у 1967 році в Київському автомобільно-дорожньому інституті (нині — Національний транспортний університет) професор П.І.Андрусенко запропонував принципово новий спосіб регулювання потужності двигуна – відключенням не певних циліндрів, а окремих робочих циклів. У 1996 році метод регулювання потужності двигуна відключенням окремих робочих циклів (ДРЦ) був представлений разом з «АвтоВАЗом» на виставці «Автомобілебудування» у Детройті й викликав колосальний інтерес великих закордонних автомобільних компаній. На даний момент на цю систему отримано близько 30 патентів.

Сутність даного методу полягає у тому, що в міру зменшення (або збільшення) навантаження за рахунок припинення подачі палива в різні циліндри відключається частина робочих циклів, що забезпечують одержання потужності, що необхідна у даному режимі. Реалізується це за допомогою електромагнітних форсунок. Дросельна заслінка у всьому діапазоні зміни навантажень двигуна залишається повністю відкритою, що веде до збільшення індикаторного й механічного ККД двигуна.

Економія палива при використанні даного методу на режимах часткових навантажень становить 20–23% з одночасним істотним зменшенням в 2,5–4 рази токсичності відпрацьованих газів. На холостому ходу витрата палива зменшується майже вдвічі.

На даний момент у Національному аграрному університеті розроблені й досліджені системи регулювання потужності відключенням окремих робочих циклів для бензинових двигунів і частково для дизелів.

Переваги відключення циклів:

· кількість циклів, що відключені, може бути будь-яким, що дозволяє забезпечити роботу двигуна на оптимальному складі суміші у широкому діапазоні навантажень, аж до холостого ходу. Величина зменшення потужності обмежується числом циліндрів.

· при регулюванні потужності відключенням циліндрів змінюється їхній температурний режим, тому що вони залишаються незадіяними протягом тривалого часу. При методі ДРЦ пропущені цикли доводяться на різні циліндри, тому вони практично не встигають охолоджуватися.

· не потрібно особливих змін конструкції (на відміну від інших подібних методів).