СПОСОБ РАБОТЫ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02D13/02 F02D15/04 F02B37/12 F01L13/00 

Изобретение относится к энергомашиностроению и машиностроению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС) преимущественно с наддувом и воспламенением заряда от постороннего источника. Особенно рационально использование изобретения при охлаждении наддувочного воздуха. Предлагаемый способ целесообразно применять и на массовых бензиновых ДВС, в том числе ДВС легковых автомобилей.

Известны способы изменения фазы окончания впуска в бензиновом двигателе с воспламенением от постороннего источника и многочисленные механизмы для изменения фазы окончания впуска вплоть до электронного управления фазами газораспределения ДВС (Электронное управление фазами газораспределения ДВС Экспресс-информации Поршневые и газотурбинные двигатели. N 25, М. ВИНИТИ, 1992.

Известен способ регулирования дизельного двигателя с турбонаддувном. Это выбранный прототипом способ включает форсирование двигателя до значительного и высокого наддува, раннее закрытие органов впуска при увеличении давления наддува и обычное позднее закрытие органов впуска при снижении давления после компрессора (патент США N 2670595, кл. 60-13, 1954).

Исследования показали, что раннее закрытие органов впуска (впускного клапана) или, другими словами, уменьшение угла окончания впуска при повышении наддува (при повышении наддува (при повышении π_к степени повышения давления в агрегате наддува) можно также использовать в двигателях с воспламенением от постороннего источника. В ДВС с воспламенение от постороннего источника раннее окончание впуска позволяет избежать детонации при повышении наддува и таким образом достичь высоких для данных ДВС степеней наддува π_к= 1,5-3 и более. Величина угла окончания впуска выбирается, исходя из отсутствия детонации при данном наддуве и остальных параметрах ДВС. Особенно эффективно указанное раннее закрытие в ДВС с охлаждением наддувочного воздуха. В этом случае за счет раннего закрытия впускного клапана можно достичь высоких π_к- 3 и более, резко повысить мощность, улучшить расход топлива.

Однако при выборе угла окончания впуска из условия отсутствия детонации с повышением π_к токсичность выпускных газов ДВС не снижается. При указанном выборе угла окончания впуска растет не только мощность (N_e), но и максимальное давление сгорания (p_max). Последнее возрастает так же резко, как и мощность.

Технический результат изобретения состоит в устранении указанных недостатков, а именно в снижении образования оксидов азота и склонности к детонации, а также в возможности перехода на низкооктановое топливо, в предотвращении большого роста максимального давления сгорания, в снижении максимальной температуры цикла.

Способ работы и регулирования поршневого двигателя внутреннего сгорания с наддувом и преимущественно с охлаждением наддувочного воздуха и воспламенением от постороннего источника включает формирование двигателя до значительного и высокого наддува путем предотвращения детонации за счет сочетания наддува, охлаждения наддувочного воздуха и раннего закрытия органов впуска. В этом сочетании угол окончания впуска выбирают из условия отсутствия детонации, т.е. угол выбирают столь ранним, что обеспечивается отсутствие детонации, а при более поздних углах окончания впуска происходит детонация вследствие увеличения наполнения двигателя свежим зарядом.

Отличительные признаки изобретения состоят в том, что (в сочетании наддува, охлаждения наддувочного воздуха и раннего окончания впуска) детонация предотвращается за счет раннего закрытия органов впуска, причем органы впуска закрывают раньше, чем это необходимо из условия отсутствия детонации. Т. е. в изобретении предлагается угол окончания впуска устанавливать столь ранним, чтобы не только предотвратить детонацию, но и, несмотря на рост наддува, снизить максимальную температуру цикла, а следовательно, образование оксидов азота. Снижение максимальной температуры цикла уменьшает требования к октановому числу бензина. Поэтому можно перейти на низкооктановое топливо, в частности на неэтилированный бензин. Для массовых автомобильных ДВС суть изобретения кратко формулируется так: закрывая впускной клапан раньше, чем нужно для предотвращения детонации, достигают экологического эффекта.

Указанное раннее окончание впуска также предотвращает большое повышение максимального давления сгорания.

В варианте способа угол окончания впуска уменьшают настолько, чтобы при увеличении π_к увеличение максимального давления не превышало 20% по сравнению с режимом работы без наддува.

Чтобы полностью сохранить конструкцию безнаддувного двигателя, установкой еще более раннего окончания впуска предотвращают повышение p_max при повышении наддува ( (π_к) ).

Предлагаемый способ преимущественно ориентирован на четырехкратный бензиновый ДВС с органами впуска, включающими впускные клапаны, (ранее) закрытие которых хотя бы на части режимов осуществляют до НМТ.

Величину фазы закрытия впускного клапана устанавливают (с точностью ±10% ), по графикам, приведенным на фиг. 1 и 2.

Данная на графике фаза относится к моменту истинного (а не условного) закрытия впускного клапана. Причем фаза соответствует работающему двигателю, у которого в результате теплового расширения уменьшались или "выбраны" зазоры в механизмах и имеются динамические деформации механизма газораспределения.

Существует простой вариант реализации способа синхронным изменением окончания и начала впуска, например, управляя фазами впуска отдельным кулачковым валом и изменения угол поворота этого вала относительно коленчатого вала.

Когда впускной тракт перекрывают золотниковым устройством, скорость закрывания которого выше, чем у клапана, фазу закрытия этих устройств устанавливают более ранней по сравнению с указанной на графиках.

Для улучшения характеристики крутящего момента, особенно при падении π_к со снижением частоты вращения коленчатого вала, фазу перекрытия впускного тракта увеличивают (делают более поздней). Для двигателя с регулируемым клапанным газораспределением соответственно устанавливают более поздний, чем на номинале, угол впускного клапана.

Выше определена наибольшая величина угла перекрытия впускного тракта. Минимальный (самый ранний) угол перекрытия тракта определяется, исходя из формулы

где
V₃ объем цилиндра в момент перекрытия впускного тракта;
V_a объем цилиндра в мертвой точке (НМТ).

Т. е. фазы перекрытия впускного тракта (углы закрытия впускного клапана) выбираются соответствующим объему V₃.

Компьютерные расчеты показали, что для ДВС, как минимум бензинового с воспламенением от постороннего источника, оптимальное форсирование наддувом лежит в интервале 1,6-2,2. Кроме того, работа с ранним закрытием впускного клапана позволяет сделать следующее: еще несколько уменьшить угол закрытия и увеличить степень сжатия. При этом детонация отсутствует, а КПД возрастает. Поэтому в варианте способа осуществляют повышение ε на 0,8-1,5 с одновременным соответствующим уменьшением угла окончания впуска и p_к= 1,6-2,2.
На фиг. 1 и 2 приведены соответственно абсолютные и относительные величины угла закрытия впускного клапана двигателя с воспламенением от постороннего источника. Эти величины приведены в функции π_к степени повышения давления в компрессоре турбокомпрессора. Предлагаемый способ работы двигателя с воспламенением от постороннего источника применим для любых топлив как при внешнем, так и при внутреннем смесеобразовании. Рассмотрим осуществление способа на примере четырехтактного бензинового двигателя с искровым воспламенением топливовоздушной смеси и обычным клапанным газораспределением.

Наиболее простым и эффективным путем повышения показателей поршневого ДВС является наддув: турбонаддув, наддув от волнового обменника давления или приводного компрессора. Однако, на традиционных бензиновых ДВС степень наддува невелика, т.к. повышение π_к ограничено детонацией. В этих ДВС избежать детонации при наддуве можно, используя схему Миллера или, в ином названии, внутреннее охлаждение (или отсечку впуска). Схема состоит в том, что при повышении π_к угол окончания впуска уменьшают, делают более ранним. Величину угла окончания впуска можно выбрать, исходя из отсутствия детонации при данном наддуве и остальных параметрах ДВС. Таким путем, особенно при охлаждении наддувочного воздуха, можно форсировать бензиновый ДВС до высоких степеней наддува до π_к= 3, π_к= 4. В варианте турбонаддува, наддува от волнового обменника давления или иного приводимого энергией впускных газов агрегата, повышение наддува является и повышением степени регенерации энергии, т.е. приводит к росту КПД. Поэтому работа по схеме Миллера повышает КПД. Без охлаждения наддувочного воздуха оптимальным по КПД наддувом является π_к= 1,6-2,2. При охлаждении наддувочного воздуха рост КПД продолжается и после указанного диапазона π_к, но темп роста замедляется.

Наиболее эффективно раннее закрытие впускного клапана (в сочетании с ростом π_к ) при охлаждении наддувочного воздуха. В этом случае при π_к= 2-2,5 и выше мощность повышается на 20-40% и выше. Однако почти на столько же процентов повышается максимальное давление сгорание (p_max). При таком форсировании с выбором угла окончания впуска по условию отсутствия детонации токсичность выпускных газов не снижается.

Суть предлагаемого способа состоит в том, чтобы с ростом π_к закрывать впускной клапан не по условию отсутствия детонации, а раньше, так, чтобы не возрастало или мало возрастало максимальное давление сгорание, но мощность сохранялась не ниже уровня соответствующего безнаддувного ДВС.

На фиг. 1 изображена диаграмма закрытия впускного клапана бензинового двигателя ВАЗ с наддувом и охлаждением наддувочного воздуха на номинальном режиме. При закрытии впускного клапана по этой диаграмме с ростом π_к мощность сохраняется равной мощности базового безнаддувного ДВС. Максимальное давление сгорания также сохраняется на уровне базового двигателя. Расход топлива снижается, особенно, в диапазоне π_к= 1,6-2,2 где снижение составляет 5-8% Снижаются также максимальная температура цикла и склонность к детонации. Склонность к детонации определяется по условию детонации последней несгоревшей порции топливовоздушной смеси в момент ее максимального сжатия расширяющимися продуктами сгорания остального топлива. Снижение максимальной температуры цикла снижает количество оксидов азота, а снижение склонности к детонации позволяет перейти на низкооктановый, например, неэтилированный бензин. Последнее вместе со снижением оксидов азота образует экологический эффект.

Таким образом, предлагаемая установка угла окончания впуска более раннего по сравнению с углом, обеспечивающим отсутствие детонации, позволяет без снижения мощности и без повышения P_max достигать экологического эффекта. Для варианта постоянной (неснижающейся) мощности, конкретного двигателя и режима фаза окончания впуска приведена на фиг. 1. С точностью ±10% от величины угла эту фазу можно рекомендовать и для других бензиновых ДВС. При переходе на другой режим или двигатель вместо конкретной величины ϕ = 615 нужно использовать оптимальный по эффективному КПД угол окончания впуска для условий отсутствия наддува и соответствующей режиму частоте вращения. Такой более универсальный график приведен на фиг. 2. Углы поворота коленчатого вала отсчитываются от ВМТ сгорания. Точность 10% от величины угла как и сам угол определяются в градусах поворота коленчатого вала.

Величина ϕ является истинным углом закрытия впускного клапана, т.е. определяется по закрытию впускного клапана на работающем двигателе, когда выбраны (уменьшены) зазоры из-за теплового расширения и на угол повлияла динамика механизма газораспределения.

Нижняя граница v определяется условием сохранения мощности не ниже мощности базового безнаддувного ДВС. Кроме регулирования v по этому условию, можно и аналитически найти границу (величину v ниже которой опускаться нельзя, т.к. произойдет уменьшение мощности. Аналитический вывод основан на уравнении состояния. В момент закрытия впускного клапана параметры газа в цилиндре связаны уравнением
pV₃ mRT_x, (1)
где
V₃ объем цилиндра в момент закрытия клапана;
p давление;
m масса свежего заряда;
R газовая постоянная
T_x температура,
Индекс x напоминает, что эта температура в рассматриваемый момент близка к температуре воздуха после охладителя наддувочного воздуха.

Давление p можно представить как
p ≈ p₁π_к, (2)
где
p_I давление перед компрессором агрегата наддува (турбокомпрессора).

Итак, для момента раннего закрытия впускного клапана
p₁π_кV_з= mRT_x. (3)
Для базового безнаддувного двигателя
p₁V_a mRT_a, (4)
где
V_a объем цилиндра в НМТ;
T_a температура свежего заряда (данного ДВС) в НМТ.

Массы свежего заряда (m) в базовом двигателе (4) и при раннем закрытии впускного клапана уравнение (3) равны, т.к. именно по условию равенства масс устанавливается раннее закрытие впускного клапана. (Поэтому, что равенство мощностей с достаточной степенью точности соответствует равенству масс)
Объединяя (3) и (4), получаем
(5)
При глубоком охлаждении наддувочного воздуха температура T_x примерно на ЗОК или на ≈ 10% выше, чем T_a. В рамках принятых при выводе допущений можно принять
(6)
Формула (6) и определяет минимальное значение объема, меньше которого не обеспечивается условие сохранения мощности: N_e=const. Угол закрытия впускного клапана, соответствующий объему V₃, и есть ограничение снизу на фазу закрытия впускного клапана.

В рамках способа можно осуществить и промежуточные режимы управления углом окончания впуска и показателями двигателя. В частности, этим углом можно при повышении π_к ограничивать увеличение p_max величиной 20% по сравнению с режимом работы без наддува. Для этого согласно способу угол окончания впуска выбирают более ранним, чем нужно из условия отсутствия детонации, но более поздним, чем нужно по условию N_e=const, эквивалентному условию p_max= const.

Конструктивно осуществить изменение угла закрытия впускного клапана можно многими путями: с помощью гидравлически управляемых толкателей, сервопривода и т. п. Но наиболее гибкое управление достигается электромагнитным управлением клапанами, например так, как это сделано в работе, приведенной в качестве аналога.

Одним из вариантов управления фазой впуска является синхронное изменение начала и конца впуска при сохранении его продолжительности. Этого можно достичь, управляя фазами впуска отдельным кулачковым валом и изменяя угол поворота этого вида относительно коленчатого вала.

Перекрытие впускного тракта можно осуществлять также устройствами золотникового типа или типа дроссельных заслонок. Эти устройства перекрывают впускной патрубок (в головке цилиндра) до закрытия впускного клапана. Управление этими устройствами значительно легче, чем клапанами. Скорость перекрытия впускного тракта этими устройствами выше, чем клапанами. Поэтому фазу закрытия указанных устройств устанавливают более ранней по сравнению с указанной на графике. Но, как и в других случаях, наименьшее значение фазы не меньше, чем определяемой формулой (6).

Когда нагрузка на двигатель возрастает и частота вращения уменьшается, у многих ДВС наблюдается снижение π_к В этих случаях для улучшения характеристики крутящего момента фазу перекрытия впускного тракта увеличивают позднее закрывают золотник или заслонку по сравнению с закрытием до падения частоты вращения. Для двигателей с регулируемым клапанным газораспределением соответственно устанавливают более поздний, чем на номинале, угол закрытия впускного клапана.

Поскольку раннее перекрытие впускного тракта (раннее закрытие клапана) предотвращает детонацию, можно повысить ε на 0,8-1,5. При этом КПД повышается, а нежелательных эффектов: детонация, повышение p_max не наблюдается, или они предотвращаются небольшим уменьшением фазы перекрытия впускного тракта (впускного клапана).

Использование: поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) преимущественно с наддувом, охлаждением наддувочного воздуха и воспламенением заряда от постороннего источника. Сущность изобретения: согласно способу в четырехтактных бензиновых двигателях удается достичь среднего и выходного наддува: π_K = 1,5 - 3 и даже выше без детонации за счет раннего закрытия впускного клапана (внутреннее охлаждение, схема Миллера). Суть способа состоит в том, что впускной клапан закрывается раньше, чем нужно для предотвращения детонации, т. е. раньше такого угла окончания впуска, что при более поздних проиходит детонация вследствие увеличения наполнения двигателя свежим зарядом. 10 з.п.ф-лы,2 ил.

1. Способ работы и регулирования поршневого двигателя внутреннего сгорания с наддувом и преимущественно с охлаждением наддувочного воздуха и воспламенением от постороннего источника, включающий форсирование двигателя до значительного и высокого наддува, отличающийся тем, что предотвращают детонацию путем раннего закрытия органов впуска, причем органы впуска закрывают раньше, чем это необходимо из условия отсутствия детонации, т.е. раньше такого угла окончания впуска, что при более поздних углах происходит детонация вследствие увеличения наполнения двигателя свежим зарядом. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол закрытия органов впуска при повышении наддува уменьшают настолько, чтобы увеличение максимального давления не превышало 20% по сравнению с режимом работы без наддува. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что при повышении наддува угол закрытия органов впуска устанавливают более ранним из условия сохранения величины максимального давления сгорания такой, как на соответствующем двигателе без наддува. 4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что его реализуют на четырехтактном бензиновом двигателе с органами впуска, включающими впускные клапаны, раннее закрытие которых хотя бы на части режимов осуществляют до НМТ. 5. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что угол закрытия впускного клапана на прогретом работающем двигателе устанавливают с отклонениями не выше ± 10% от фаз, заданных графиком зависимости угла окончания впуска от степени повышения давления в компрессоре. 6. Способ по пп.1 5, отличающийся тем, что при перекрывании впускного тракта золотниковыми устройствами, перекрывающими тракт раньше, чем закрывается впускной клапан, угол закрытия этих устройств устанавливают более ранним по сравнению с указанным на графике зависимости угла окончания впуска от степени повышения давления в компрессоре. 7. Способ по пп.1 6, отличающийся тем, что при понижении степени наддува, связанном со снижением частоты вращения, угол закрытия впускного клапана устанавливают более поздним, чем на нормальном режиме. 8. Способ по пп.1 7, отличающийся тем, что при понижении наддува, связанном со снижением частоты вращения, фазу перекрытия впускного тракта увеличивают. 9. Способ по пп. 1 8, отличающийся тем, что угол перекрытия впускного тракта устанавливают больше величины угла, при котором объем цилиндра равен

где V_а объем цилиндра в НМТ,
π_к степень повышения давления в компрессоре агрегата наддува. 10. Способ по пп.1 9, отличающийся тем, что в компрессоре осуществляют степень повышения давления величиной 1,6 2,2, а в цилиндре степень сжатия на 0,8 1,5 выше, чем в соответствующем безнаддувном двигателе. 11. Способ по пп.1 10, отличающийся тем, что начало и конец впуска изменяют синхронно, например, изменением угла поворота кулачкового вала, управляющего фазами впуска (открывающего впускные клапаны).