Система отключения цилиндров
В течение многих лет специалисты, занимающиеся разработкой и эксплуатацией автомобильных двигателей, дискутируют о том, имеют ли практическое применение силовые агрегаты, оснащенные системами отключения цилиндров. В результате жарких споров они пришли к выводу, что такие механизмы целесообразно использовать только в двух случаях:
- при возникновении аварийных ситуаций;
- во время проведения диагностических работ, связанных с поиском неисправностей двигателей и/или тестированием их работоспособности.
Что касается отключения цилиндров автомобильных моторов с целью экономии горючего в процессе эксплуатации, то здесь мнения инженеров разделились.
Противники этой идеи, доказывая свою правоту, говоря что нецелесообразно, изготавливая сбалансированный силовой агрегат, затем оснащать его системой, которая способна снизить мощность. Они считают, что потребители, которых беспокоит проблема расхода топлива, могут выбрать себе автомобиль с двигателем, способным удовлетворить их требования.
Сторонники оснащения автомобильных моторов подобными системами доказывают, что в процессе эксплуатации транспортные средства функционируют с максимальной отдачей не больше 30% рабочего времени. Все остальное время моторы работают с неполной нагрузкой, что характеризуется повышенными потерями.
Несмотря на имеющиеся разногласия, практически все ведущие производители автомобильных моторов занимаются разработкой силовых агрегатов с системами отключения цилиндров.
Теоретически процесс отключения цилиндров очень прост — необходимо прекратить подачу топлива в них и закрыть впускные и выпускные клапаны газораспределительного механизма. Однако если перекрыть форсунки топливной системы мотора не составляет большого труда, то осуществить отключение клапанов достаточно сложно. И здесь все компании идут своим путем.
Немного истории
Впервые двигатели с системой, позволяющей отключать цилиндры в процессе эксплуатации, появился в 1981 году. Установлены они были на автомобилях Cadillac. Впускные и выпускные клапана на этих моторах закрывались электромагнитными катушками по команде, полученной от блока управления. Срабатывание катушек обеспечивало неподвижность клапанов.
В 1999 году аналогичная система появилась и на автомобилях Mercedes. Инженеры компании разработали оригинальные составные коромысла, части которых при срабатывании электромагнитного клапана разъединялись. При этом удерживались клапаны в закрытом состоянии специальными пружинами, а блок электронного управления прекращал подачу топлива в отключаемые цилиндры.
Концерн GM в 2004 году также оснастил ряд двигателей аналогичной системой, получившей название Displacement-on-Demand (рабочий объем по требованию). В них разъединение распределительного вала и соответствующих клапанов газораспределительного механизма происходит при помощи специальных толкателей.
Наиболее интересная конструкция была разработана конструкторами компании Honda в 2005 году. Система отключения цилиндров двигателя VCM (Variable Cylinder Management) самостоятельно отключает необходимое количество цилиндров при работе двигателя в различных режимах. Кроме того, она работает совместно с системой регулирования фаз и оснащена вспомогательными системами, которые:
- снижают вибрации силового агрегата;
- подавляют шум мотора в салоне.
Все разработанные в этот период (1981-2005) конструкции работали только с моторами, имеющими 6 или 8 цилиндров, объем которых составлял не менее трёх литров.
Современные системы
В настоящее время производители автомобильных моторов не прекратили работы по созданию эффективных систем отключения цилиндров и на 4-цилиндровых двигателях.
Интерес представляют разработки компаний:
- Volkswagen, выпустившей на рынок двигатель 1,4 TSI (модификация CPTA), оборудованный системой отключения двух цилиндров АСТ (мощность 140 л. с.);
- AUDI, специалисты которой разработали систему отключения цилиндров COD (Cylinder On Demand), используемую в различных типах силовых агрегатов — 1,4 TFSI COD, 4,0 TFSI COD и W12 COD;
- Mitsubishi, разработавшей собственную систему MD (Modular Displacement) для 4- и 6-цилиндровых силовых агрегатов.
Принцип действия
Принцип работы систем отключения цилиндров теоретически одинаков для всех и заключается в том, что в определенные цилиндры перестает подаваться топливо и воздух. Кроме того, для них прекращается и искрообразование. Достигается это следующим образом:
- впускные клапаны останавливаются в закрытом положении;
- выключается подача топлива через форсунки;
- отключаются цепи искрообразования;
- выпускные клапаны останавливаются в закрытом положении в тот момент, когда в цилиндрах находится отработанный газ.
Подключение отключенных цилиндров двигателя осуществляется на такте впуска. Это делается для того, чтобы деактивированные цилиндры начинали работать, освобождаясь от отработанных газов.
С работой механизма отключения цилиндров двигателя можно подробно ознакомиться, посмотрев видеоролик
Двигатели с отключаемыми цилиндрами какие машины
Из многочисленных способов отключения цилиндров следует выделить несколько основных:
— отключение топливоподачи, с одновременным сообщением неработающих цилиндров с атмосферой или с выпускным трубопроводом (при соединении с выпускным коллектором поддерживается температурный режим отключенных цилиндров)
— отключение топливоподачи с сохранением переменной степени дросселирования неработающих цилиндров.
— отключение впрыскивания топлива по заданной в электронном блоке программе (через один или несколько циклов) с целью поддержания температурного режима отключенных цилиндров. Эффект от применения данной системы меньше, чем от приведенных выше способов, т.к. после отключения каждого цикла приходится подавать несколько обогащенную смесь.
— отключение путем удержания впускных и выпускных клапанов в закрытом состоянии и прекращения газообмена в неработающих цилиндрах с периодическим приоткрытием для предотвращения их от залипания. Это более эффективный способ экономии топлива, но его использование связано с существенным изменением конструкции двигателя.
— Оригинальная система отключения цилиндров была создана для автомобиля Mercedes-Benz 500SE. В механизме привод клапана осуществляется через тарелку с нажимными штангами и сегментный элемент. При его повороте втулка с сегментным элементом выходит за пределы нажимных штанг и клапан остается в закрытом положении.
— На кафедре «Автомобили и двигатели» КГТУ был предложен способ отключения цилиндров (ОЦ), который применим к современным ДВС с искровым зажиганием. Сущность способа заключается в следующем : в разрыв цепей между ЭБУ и топливными форсунками устанавливается специальное логическое устройство, которое блокирует или пропускает сигнал без изменения от ЭБУ к форсункам в зависимости от заданной программы. Такой подход позволяет реализовать различные программы ОЦ, это и постоянное отключение того или иного цилиндра(ов) и кратковременное.
Под программой отключения цилиндров ДВС понимается порядок чередования процессов сгорания в цилиндрах двигателя. Например, для 4-цилиндрового двигателя с порядком работы цилиндров 1-3-4-2 возможны две программы отключения цилиндров, причем первая — «1 через 1», где постоянно отключены два цилиндра, вторая — «1 через 2», где отключаемые цилиндры чередуются.
— Систему Active Cylinder Control ( АСС ) применяется компанией Мерседес-Бенц с 1999 года. Закрываются клапаны коромыслом особой формы, оно состоит из двух рычагов которые соединены фиксатором. В рабочем режиме рычаги соединяются фиксатором в единое целое, при деактивации (отключении) цилиндров соединение освобождается и каждый рычаг может движется самостоятельно. При этом пружины держат клапаны в закрытом состоянии. Перемещается фиксатор при помощи подачи масла под давлением. Топливо в отключенные цилиндры не подаётся. Чтобы сохранить звук многоцилиндрового двигателя могут применяться специальные клапаны которые могут изменять проходное сечение выпускного тракта.
— Multi-Displacement System ( MDS ) используется на автомобилях Chrysler, Dodge, Jeep начиная с 2004 года. Система деактивирует цилиндры на скоростях больше 30 км/ ч и при оборотах двигателя до 3000 об/ мин. В системе используют толкатель специальной конструкции, который когда необходимо разъединяет распредвал и клапан. В определённый момент в толкатель подаётся масло и выдавливается блокирующий штифт, это и дезактивирует толкатель. Давление масла регулируется электромагнитным клапаном.
— Система Displacement on Demand (DoD) похожа на предыдущую систему. Использует её концерн GM с 2004 года.
— Система Variable Cylinder Management (VCM) разработана Хондой и используется с 2005 года. При равномерном движении система отключает блок цилиндров V- образного двигателя, т.е. 3 из 6. Когда происходит переход от максимальной к неполной нагрузке, то система обеспечивает работу 4 цилиндров. Система VCM базируется на системе изменения фаз газораспределения VTEC. Система основана на коромыслах, которые взаимодействуют с кулачками различной конфигурации. Когда необходимо коромысла включаются или выключаются из работы специальным блокирующим механизмом.
Помогают системе VCM такие системы как система подавления шумоподавления и система гашения вибраций.
— Систему Zylinderabschaltung (ZAS) использует концерн Фольксваген с 2012 года. Используется система на 1,4 литровых двигателях TSI, система отключает цилиндры в диапазоне оборотов двигателя от 1400 до 4000 об/ мин. Базируется система на системе фаз газораспределения от Ауди. Она использует кулачки различной конфигурации и скользящую муфту, которая позволяет переключаться между кулачками.
— Двигатель 1,4 л TSI 103 кВт с системой отключения циндров (ACT) — это представитель новой серии бензиновых двигателей EA211. Он также является первым массово выпускаемым четырёхцилиндровым двигателем, в котором половина цилиндров может быть отключена для уменьшения расхода топлива.
Конечно же, нельзя не сказать, что наличие данной системы значительно усложняет конструкцию двигателя, что ведет к повышению его стоимости.
Ремонт такого силового агрегата в случае поломки также обойдется дороже, да и не в каждом автосервисе за него возьмутся.
Двигатели с отключаемыми цилиндрами какие машины
Считаете, что впечатляющая мощность современного многоцилиндрового силового агрегата и топливная эффективность — это две не совместимые вещи? Утверждение верное лишь от части, но благодаря технологии «Fuel Saver», которая дословно и означает экономию топлива, при определенных условиях, вполне достижимо.
Что же собой представляет эта технология? А представляет она следующее — отключает в двигателе части (для восьмицилиндрового или четырехцилиндрового двигателя, обычно половину, а для шестицилиндрового — половину или одну треть) цилиндров в режиме холостого хода и в других ситуациях, в которых не требуется использование всей его мощности.
Из курса физики мы помним, что чем больше бензина (или другого топлива) сожгли в единицу времени, тем больше мощности получили. Верна и обратная зависимость. Но нужна ли абсолютная производительность, скажем 6,4 литрового V-8 двигателя Hemi на холостом ходу? Вряд ли. А отключая, скажем 4 «горшка», на светофорах в условиях города или в дорожном заторе, можно несколько сократить растрачивание горючего своего «железного коня» впустую.
Сказать по правде, технология эта далеко не новая. Теорию топливной экономичности предложил в своих монографиях русский советский учёный Евгений Алексеевич Чудаков еще в 1947-48 годах, который обобщил все предыдущие практические наработки в этой области, а главное, отметил перспективы к дальнейшему совершенствованию.
Например, дизельные двигатели тракторов, как в СССР, так и у иностранных производителей, уже довольно продолжительное время используют отключение цилиндров на холостом ходу, как в четырехцилиндровых, так и в восьмицилиндровых моторах, уменьшая как расход топлива, задымленность, а так же выбросы оксида углерода в отработавших газах. Бензиновые же двигатели с технологией отключения цилиндров, в отсутствии нагрузки появились лишь в начале восьмидесятых. Первой маркой легковых автомобилей стал продукт автоконцерна General Motors — Cadillac, который начиная с 1981 года, использовал двигатель L62 со схемой работы V-8-6-4.
Принцип работы отключения цилиндров.
Для деактивации «лишних» цилиндров необходимо выполнить всего два условия — закрыть впускные / выпускные клапана и блокировать подачу топлива в цилиндр. За координирование подачи топлива отвечают электромагнитные форсунки с системой управления. Тут все просто, форсунка включилась / выключилась лишь от сигнала с Блока управления (ЭБУ), выполнив по сути безусловную функцию (сразу вспомнился Turbo Pascal). Сложнее другое, а именно регулировать положения клапанов. На сегодняшний день широко распространены три технологии деактивации цилиндров — это Multi-Displacement System (MDS), Variable Cylinder Management (VCM) и Active Cylinder Technology (ACT).
Технологии, направленные на изменения объема.
1. Multi-Displacement System (в переводе с английского — Система видоизменения объема) — это прежде всего электронная функция, реализованная на восьмицилиндровых моторах в автомобилях американского производства — Chrysler, Dodge и Jeep, которая откалибрована для работы в течение определенного спектра скорости и оборотов двигателя. Когда технология задействована, цилиндры под номерами один, четыре, шесть и семь деактивируются. Т.е. на одной стороне блока в работе остаются два внешних цилиндра, а на противоположной — два внутренних. При этом на приборной панели автомобиля загорается соответствующая пиктограмма «Eco».
Для работы в системе видоизменения объема «MDS» используются уникальные толкатели, управляющиеся с помощью электромагнитных клапанов (соленоидов), которые и обеспечивают отключение клапанов от распределительного вала. В расчетное время в толкатели, под давлением поступает масло, вытесняя блокирующий штифт — так происходит отключение самих толкателей. За регулировку (подачу) масла отвечают те самые соленоиды. Электромагнитные клапаны, с помощью Powertrain Control Module (PCM) — модуля управления трансмиссией, определяют, когда двигатель будет работать как V-8, а когда как V-4. Поэтому только лишь автомобили, оборудованные автоматическими коробками передач, могут использовать эту функцию. В номинальном режиме работы двигателя (когда задействованы все восемь цилиндров), электромагнитный клапан находится в «открытом» состоянии, что позволяет форсункам впрыскивать бензин во все цилиндры блока.
При отсутствии сигнала с PCM, силовой агрегат переходит В экономичный V-4 режим, MDS переходит в «закрытое» состояние, клапана не используемых цилиндров блокируются, топливо подается лишь в половину цилиндров. Двигатель будет работать в этом состоянии, пока PCM не подаст сигнал на «разблокировку», и цикл начнется заново.
2. Вторая «школа» деактивации цилиндров — Variable Cylinder Management (в переводе с английского — цилиндры с переменным управлением), детище компании Honda. Силовые агрегаты тут обычно шестицилиндровые, не такие брутальные, как у американцев. Принцип работы тоже несколько отличается, задействованными остаются либо 4 цилиндра (V-образный режим) на небольшой нагрузке, либо, в отсутствии последней, всего три (одну сторону).
Конструктивно, система VCM базируется на изменении фаз газораспределения VTEC (Variable valve Timing and lift Electronic Control), которая по замыслу инженеров, должна обеспечивать устойчивость и максимальную отдачу от двигателя во всем диапазоне оборотов. Ведь, допустим, настроив силовой агрегат под максимальную мощность, мы теряем тяговитость на «низах», и наоборот, двигатель, настроенный на быстрое достижение максимального момента, будет чувствовать себя достаточно слабо на высоких оборотах. А благодаря VTEC, эта ситуация решаема, подстройка происходит что называется, в режиме «онлайн». Для отключения цилиндра перемещается штифт, отсоединяя коромысло, которые, в свою очередь, толкают клапана вниз.
3. ACT — дословно, можно перевести как «Технология активного цилиндра», разработанная немецкими учеными, устанавливается на последние малообъемные (1.0, 1.2 и 1.4 л.) высокотехнологичные двигатели с нагнетателем концерна Volkswagen. Суть ее следующая — отключение двух из четырех цилиндров в заданном диапазоне оборотов (от 1,400 до 4,000 об/мин.). Переключение происходит в течение 13-36 миллисекунд, что является для четырехцилиндрового двигателя, в силу своих размеров и мощности, очень неплохим показателем. Активация функции ACT информируется соответствующей иконкой на многофункциональном дисплее приборной панели. Основа Active Cylinder Technology — кулачки различной формы, расположенные на скользящей по распределительному валу муфте. Кулачки и муфта образуют блок кулачков. Всего в двигателе четыре блока — два на впускном распредвале и два на выпускном вале. Блоки кулачков перемещаются четырьмя исполнительными механизмами. Для перемещения блока в исполнительном механизме служит стержень, который скользит по специальной, закручивающей формы канавке, и перемещает его. Исполнительные механизмы срабатывают по команде с ЭБУ.
Плюсы и минусы данной технологии.
+ Экономия топлива (в городском цикле)
+ Экологическая составляющая (оксиды углерода, оксиды азота и др.)
— Усложнение конструкции, как следствие, снижение надежности
— Увеличение себестоимости и цены за обслуживание
— Снижение акустического комфорта от работы двигателя (актуально для блоков небольшого объема)
Заключение.
Подводя итог, хочется подчеркнуть, что Технология сбережения топлива все чаще используется для мощных восьмицилиндровых автомобилей, таких, как Chrysler 300C или Dodge Challenger. А последнее время не боятся ее использовать даже американские тюнинг-ателье для своих маслкаров, спорткаров и спортивных внедорожников, не говоря уже про немецкие автоконцерны, которые оснащают ею свои, и без того экономичные четырехцилиндровые автомобили с турбонагнетателями. Смею предположить, что интерес в данном направлении у автопроизводителей будет только подкрепляться. Эта технология не только интересная для потребителя, она необходимая для экологии в целом, это следующий шаг в развитии бензиновых силовых агрегатов.
Двигатель с отключаемыми цилиндрами — отличная замена гибридам
В наше время, когда гибридные и электрические автомобили активно набирают популярность, двигатель с отключаемыми цилиндрами – фактически.
В наше время, когда гибридные и электрические автомобили активно набирают популярность, двигатель с отключаемыми цилиндрами – фактически последняя надежда для тех, кто неизменно верен автомобилям с бензиновым двигателем.
Вопреки всеобщему убеждению, владельцы Bentley или Audi с V8 всё-таки стараются экономить бензин! Конечно, если у вас Continental GT, вам остаётся просто смириться с расходом 23.5 литра на 100 километров и необъяснимо высоким транспортным налогом. И всё же есть выход для тех, кто по-прежнему предпочитает старые добрые автомобили на бензине: это двигатель с отключаемыми цилиндрами. Половина цилиндров отключается и переводится в «спящий режим», например, когда вы едва едете в пробке. Дело в том, что когда автомобиль движется с небольшой скоростью, давление в цилиндре ниже, если сравнивать с мчащимся автомобилем, это приводит к насосным потерям, так как двигатель просто тратит энергию на работу цилиндров, снижая, таким образом, эффективность. Здесь речь идёт именно о больших двигателях, ежедневном передвижении с низкой скоростью; у небольших городских автомобилей с 3-х или 4-х цилиндровыми двигателями давление внутри цилиндров будет значительно выше, а значит эффективнее.
При отключении цилиндров воздух через впускной коллектор будет поступать не ко всем цилиндрам. Чтобы это сделать, нужно одновременно перекрыть впускной и выпускной клапаны любого цилиндра, оставив его как бы изолированным. Выхлопные газы, оставшиеся в цилиндре, сначала сжимаются под давлением поршня, а затем давление уменьшается, при этом всё это время цилиндр был «неактивен» и энергии на него затрачено не было.
Можно запрограммировать блок управления двигателем, чтобы сократить объём поставляемого горючего к цилиндру на время его отключения и сделать более плавным и безопасным для силового агрегата переход к отключённым цилиндрам и обратно.
Первыми этот метод применили в компании Cadillac и Alfa Romeo, причём у первой двигатель V8 мог «превращаться» в V6 и далее в V4 благодаря отключению клапанов. Alfa Romeo же взяли обычный 4-х цилиндровый двигатель с возможностью отключения двух клапанов, но у них такая технология просуществовала только до 1983 года. Сейчас отличными примерами успешного использования этого метода являются двигатель M152 у CL63 AMG (V8-4) и Bentley Continental GT с двигателем W12, способным отключать половину цилиндров.
Компания Honda подошла к проблеме с другой стороны: там предлагают не отключать цилиндры, а изменять силу работы поршня, чтобы у разных цилиндров поршни работали на разную длину. Идея кажется интересной, но для начала им нужно воплотить её в жизнь хотя бы на двигателе мотоцикла.
В конечном итоге идея отключения цилиндров станет настоящим спасением для всех, кто не хочет пересаживаться на эко-автомобили или гибриды. Таким образом, все будут в плюсе, и автолюбители, и защитники окружающей среды: с отключением цилиндров уменьшается расход топлива автомобиля и, соответственно, количество вредных выбросов в атмосферу.