12.1. Выключение цилиндров

Если при частичной нагрузке многоцилиндрового двигателя выключить несколько цилиндров, то остальные будут работать при большей нагрузке с лучшим КГЩ. Так, при работе восьмицилиндрового двигателя с частичной нагрузкой весь объем воздуха можно направить только четырем цилиндрам, их нагрузка увеличится вдвое и эффективный КПД двигателя повысится. Охлаждающая поверхность камер сгорания у четырех цилиндров меньше, чем у восьми, поэтому количество теплоты, отведенное системой охлаждения, снижается, и расход топлива может уменьшиться на 25 %.

Для отключения цилиндров обычно применяют управление приводом клапанов. Если оба клапана закрыты, то смесь в цилиндр не поступает и постоянно находящийся в нем газ последовательно сжимается и расширяется. Работа, затрачиваемая при этом на сжатие газа, вновь высвобождается при расширении в условиях небольшого отвода теплоты стенками цилиндра. Механический и индикаторный КПД в этом случае улучшаются по сравнению с КПД восьмицилиндрового двигателя, работающего на всех цилиндрах при той же эффективной мощности.

Этот способ выключения цилиндров очень удобен, так как цилиндр отключается автоматически при переходе двигателя на частичные нагрузки и включается практически мгновенно при нажатии на педаль управления. Следовательно, водитель в любой момент может использовать полную мощность двигателя для совершения обгона или быстрого преодоления подъема. При движении в городе экономия топлива проявляется особенно отчетливо. У выключенных цилиндров отсутствуют насосные потери, и они не подают воздух в выпускной трубопровод. При движении под уклон выключенные цилиндры оказывают меньшее сопротивление, торможение двигателем уменьшается, и автомобиль по инерции проходит больший путь, как при наличии муфты свободного хода.

Выключение цилиндра верхнеклапанного двигателя с нижним распределительным валом удобно осуществить с помощью перемещаемого электромагнитом упора коромысла клапана. При выключении электромагнита клапан остается закрытым, так как коромысло поворачивается кулачком распределительного вала вокруг точки касания с торцом стержня клапана, а упор коромысла может при этом свободно перемещаться.

У восьмицилиндрового двигателя два или четыре цилиндра выключают таким образом, чтобы чередование работающих цилиндров было по возможности равномерным. В шестицилиндровом двигателе выключается от одного до трех цилиндров. Сейчас проводят также испытания выключения двух цилиндров четырехцилиндрового двигателя.

Подобное отключение клапанов у двигателя с верхним расположением распределительного вала затруднительно, поэтому применяют иные способы отключения цилиндров. Например, половину цилиндров шестицилиндрового двигателя БМВ (ФРГ) выключают так, что у трех цилиндров отключаются зажигания и впрыск, а отработавшие газы из трех работающих цилиндров отводятся через три отключенных цилиндра и могут расширяться далее. Этот процесс осуществляется клапанами во впускном и выпускном трубопроводах. Преимущество этого способа заключается в том, что выключенные цилиндры постоянно нагреваются проходящими отработавшими газами.

В восьмицилиндровом V-образном двигателе "Порше 928" с отключением цилиндров имеются две практически полностью отделенные друг от друга четырехцилиндровые V-образные секции. Каждая из них снабжена самостоятельным впускным трубопроводом, механизм газораспределения при этом не имеет отключения приводов клапанов. Один из двигателей отключается закрыванием дроссельной заслонки и прекращением впрыска бензина, причем испытания показали, что насосные потери будут наименьшими при небольшом открытии дроссельной заслонки. Дроссельные заслонки обеих секций оснащены независимыми приводами. Отключаемая секция постоянно подает небольшое количество воздуха в общий выпускной трубопровод, которое используется для дожигания отработавших газов в термическом реакторе. Это исключает применение специального насоса для подачи вторичного воздуха.

При разделении восьмицилиндрового двигателя на две четырехцилиндровые секции одна из них отрегулирована на большой момент при низкой частоте вращения и постоянно находится в работе, а вторая - на максимальную мощность и включается только при необходимости иметь мощность, близкую к максимальной. Секции двигателя могут иметь различные фазы газораспределения и различной длины впускные трубопроводы.

Многопараметровые характеристики двигателя "Порше 928" при работе восьми (сплошные кривые) и четырех цилиндров (штриховые кривые) приведены на рис. 91. Области улучшения удельного расхода топлива за счет отключения четырех цилиндров двигателя заштрихованы. Например, при частоте вращения 2000 мин^-1 и крутящем моменте 80 Н???м удельный расход топлива при работе всех восьми цилиндров двигателя составляет 400 г/(кВт⋅ч), тогда как у двигателя с четырьмя выключенными цилиндрами на том же режиме он немногим более 350 г/(кВт⋅ч).

Рис. 91. Многопараметровые характеристики V-образного 8-цилиндрового бензинового двигателя 'Порше 928' с отключением цилиндров: ______ включены 8 цилиндров; -------- включены 4 цилиндра

Еще более заметную экономию топлива можно получить при низких скоростях движения автомобиля. Разница в расходе топлива при равномерном движении по горизонтальному участку шоссе дана на рис. 92. У двигателя с четырьмя выключенными цилиндрами (пунктирная кривая) при скорости 40 км/ч расход топлива падает на 25 % : с 8 до 6 л/100 км.

Рис. 92. Топливная экономичность автомобиля, оборудованного двигателем 'Порше 928' с отключением цилиндров: 1 - включены все 8 цилиндров; 2 - включены 4 цилиндра

Но экономия топлива в двигателе может достигаться не только выключением цилиндров. В новых двигателях "Порше" модели ТОР ("термодинамически оптимизированный двигатель "Порше") были реализованы все возможные способы повышения индикаторного КПД традиционного бензинового двигателя. Степень сжатия была повышена сначала с 8,5 до 10, а затем, изменением формы днища поршня, - до 12,5 при одновременном повышении интенсивности вращения заряда в цилиндре при такте сжатия. У модернизированных таким образом двигателей "Порше 924" и "Порше 928" удельный расход топлива снизился на 6-12 %. Примененная при этом электронная система зажигания, устанавливая оптимальный угол опережения зажигания в зависимости от частоты вращения и нагрузки двигателя, повышает КПД двигателя при его работе на частичных нагрузках в условиях смесей бедного состава, а также исключает детонацию на режимах максимальных нагрузок.

Выключение двигателя при остановках автомобиля на перекрестках также приносит экономию топлива. При работе двигателя на холостом ходу с частотой вращения ниже, чем 1000 мин^-1, и температуре охлаждающей жидкости более 40 °С через 3,5 с зажигание выключается. Двигатель вновь пускается лишь после нажатия на педаль управления. Это снижает расход топлива на 25-35 %, и, следовательно, бензиновые двигатели "Порше" модели ТОР в части топливной экономичности могут конкурировать с дизелями.

Фирма "Мерседес-Бенц" также предприняла попытки снизить расход топлива в восьмицилиндровом двигателе методом отключения цилиндров. Отключение достигалось с помощью электромагнитного устройства, разрывающего жесткую связь между кулачком и клапаном. В условиях движения по городу расход топлива при этом снизился на 32 %.