СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ МНОГОТОПЛИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ МЕТОДОМ ИЗМЕНЕНИЯ ФАЗ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ И РАБОЧЕГО ОБЪЕМА ЦИЛИНДРОВ И МНОГОТОПЛИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02D15/02 F02D13/02 F02B75/04 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к многотопливным двигателям внутреннего сгорания и способам регулирования их мощности за счет изменения фаз газораспределения и рабочего объема цилиндров.

Известен способ регулирования мощности многотопливного двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в формировании воздействия на орган управления двигателем и передачи сигнала на блок управления, формирования управляющих сигналов блоком управления для изменения фаз газораспределения впускных и выпускных клапанов, обеспечивающих изменение количества рабочего заряда в цилиндрах двигателя, и формировании управляющих сигналов для изменения рабочего объема цилиндров, обеспечивающего изменение степени сжатия, и изменения подачи топлива (см. заявку РСТ N 83/00901, кл. F 02 D 15/04, 1983).

Из вышеуказанного источника информации известен и многотопливный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус по меньшей мере один цилиндр с впускным и выпускным клапанами, поршень, установленный в цилиндре и связанный шатуном с коленчатым валом, распределительные валы для впускных и выпускных клапанов, впускную и выпускную системы и соединенные с блоком управления орган управления двигателем, устройство для изменения фаз газораспределения, устройство для изменения рабочего объема цилиндра, устройство для дозирования топлива, датчики температуры и числа оборотов вала двигателя.

Недостаток известных способа и двигателя заключается в недостаточной эффективности регулирования вследствие ограничения регулируемого объема рабочих цилиндров размерами подвижного элемента, размещенного в головке цилиндра между клапанами. Ограниченность размеров подвижного элемента в известном техническом решении не позволяет производить изменение рабочего объема цилиндров в широком диапазоне. Кроме того, в известном решении не предусмотрена возможность подмешивания к свежему заряду в цилиндрах части отработавших газов, что повышает их токсичность за счет наличия в них окислов азота.

Задачей изобретения является повышение эффективности регулирования мощности многотопливного двигателя и снижение токсичности отработавших газов за счет уменьшения в них окислов азота.

Поставленная задача в части способа решается тем, что в способе регулирования мощности многотопливного двигателя внутреннего сгорания, заключающемся в формировании воздействия на орган управления двигателем и передачи сигнала на блок управления, формировании управляющих сигналов блоком управления для изменения фаз газораспределения впускных и выпускных клапанов, обеспечивающих изменение количества рабочего заряда в цилиндрах двигателя, и формировании управляющих сигналов для измерения рабочего объема цилиндров, обеспечивающего изменение степени сжатия, и изменения подачи топлива, согласно изобретению на режимах холостого хода и малых нагрузок осуществляют более позднее закрытие впускных клапанов по сравнению со стандартным на такте сжатия, перепуская часть заряда во впускную систему, и более раннее закрытие выпускных клапанов по сравнению со стандартным на такте выхлопа, оставляя часть отработавших газов в цилиндре для перемешивания последних со свежим зарядом и при необходимости увеличивая подачу топлива, на режимах средних нагрузок увеличивают рабочий объем цилиндров и осуществляют более позднее закрытие впускных клапанов и более раннее закрытие выпускных клапанов по сравнению с режимами холостого хода и малых нагрузок, а на режимах, близких к номинальному и номинальном, увеличивают подачу топлива и рабочий объем цилиндров по сравнению с режимами средних нагрузок, фазы газораспределения выпускных клапанов возвращают к стандартному значению, а фазы газораспределения впускных клапанов возвращают в стандартному значению для двигателей с искровым зажиганием или изменяют для осуществления неполного впуска свежего заряда для двигателей с воспламенением от сжатия.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что изменение степени сжатия производят в зависимости от вида топлива.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что изменение фаз газораспределения впускных и выпускных клапанов осуществляют путем разворота их распределительных валов на соответствующие углы.

Поставленная задача в части двигателя решается тем, что многотопливный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, по меньшей мере один цилиндр с впускным и выпускным клапанами, поршень, установленный в цилиндре и связанный шатуном с коленчатым валом, распределительные валы для впускных и выпускных клапанов, впускную и выпускную системы и соединенные с блоком управления орган управления двигателем, устройство для измерения фаз газораспределения, устройство для изменения рабочего объема цилиндра, устройство для дозирования топлива, датчики температуры и числа оборотов вала двигателя, согласно изобретению снабжен датчиками верхней (ВМТ) и нижней (НМТ) мертвых точек, датчиками угла поворота распределительных валов, датчиком детонации и датчиком кислорода, соединенными с блоком управления, устройство для изменения фаз газораспределения выполнено с возможностью поворота распределительных валов на заданный угол, причем шатун выполнен в виде двух частей, соединенных шарниром, с последним связан рычаг, ось качания которого соединена с реверсивным элементом, выполненным с возможностью возвратно-поступательного перемещения под действием привода устройства для изменения рабочего объема цилиндра, а датчик кислорода размещен в выпускной системе.

Поставленная задача в части двигателя решается также тем, что он дополнительно снабжен нагнетателем, сообщенным с впускной системой, датчиком оборотов ротора нагнетателя и датчиком температуры воздуха, связанными с блоком управления.

Поставленная задача в части двигателя решается также тем, что устройство для изменения фаз газораспределения содержит масляную систему, имеющую управляющий клапан, связанный с блоком управления, и соединяющую масляный насос с приспособлениями для разворота распределительных валов, установленными в шестернях последних.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого двигателя; на фиг. 2 - устройство для изменения фаз газораспределения; на фиг. 3 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма на такте впуска на режимах холостого хода и малых нагрузок; на фиг. 4 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при перепуске заряда на режимах холостого хода и малых нагрузок; на фиг. 5 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма на такте сжатия на режимах холостого хода и малых нагрузок; на фиг. 6 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма на такте рабочего хода на режимах холостого хода и малых нагрузок; на фиг. 7 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма на такте выпуска на режимах холостого хода и малых нагрузок; на фиг. 8 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма на такте впуска на режиме средних нагрузок; на фиг. 9 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при перепуске заряда на режиме средних нагрузок; на фиг. 10 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма на такте сжатия на режиме средних нагрузок; на фиг. 11 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма на такте рабочего хода на режиме средних нагрузок; на фиг. 12 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма на такте выпуска на режиме средних нагрузок; на фиг. 13 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма двигателя с искровым зажиганием на такте впуска на режиме номинальных нагрузок; на фиг. 14 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма двигателя с искровым зажиганием на такте сжатия на режиме номинальных нагрузок; на фиг. 15 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма двигателя с искровым зажиганием на такте рабочего хода на режиме номинальных нагрузок; на фиг. 16 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма двигателя с искровым зажиганием на такте выпуска на режиме номинальных нагрузок; на фиг. 17 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при изменении степени сжатия; на фиг. 18 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма двигателя с воспламенением от сжатия в начале такте впуска на режиме номинальных нагрузок; на фиг. 19 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма двигателя с воспламенением от сжатия в конце такте впуска на режиме номинальных нагрузок; на фиг. 20 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма двигателя с воспламенением от сжатия на такте сжатия на режиме номинальных нагрузок; на фиг. 21 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма двигателя с воспламенением от сжатия на такте рабочего хода на режиме номинальных нагрузок; на фиг. 22 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма двигателя с воспламенением от сжатия на такте выпуска на режиме номинальных нагрузок.

Описываемый многотопливный двигатель (фиг.1) содержит корпус 1 по меньшей мере один цилиндр 2 с впускным и выпускным клапанами 3 и 4, поршень 5, установленный в цилиндре 2 и связанный сочлененным шатуном 6 с коленчатым валом 7, и впускную и выпускную системы. Двигатель имеет распределительные валы 8 и 9 для управления впускными и выпускными клапанами 3 и 4 и орган 10 управления двигателем, соединенный с блоком 11 управления. С последним соединены также устройство для изменения фаз газораспределения, а именно его управляющий клапан 12 (фиг. 2), устройство для изменения рабочего объема цилиндров, а именно привод 13, датчик 14 температуры, датчик 15 числа оборотов вала двигателя, датчики 16 и 17 нижней и верхней мертвых точек поршня 5, датчики 18 угла поворота распределительных валов 8 и 9, датчик 19 детонации и датчик 20 кислорода (лямбда-зонд). Блок 11 управления также связан с устройством 21 для дозирования топлива, например насос-форсункой или карбюратором. Соединение органа 10 управления двигателем с блоком 11 управления выполнено через контроллер 22. Сочлененный шатун 6 выполнен в виде двух частей, соединенных шарниром, с которым связан рычаг 23, ось качания которого соединена с реверсивным элементом 24, выполненным с возможностью возвратно-поступательного перемещения под действием привода 13 устройства для изменения рабочего объема цилиндров по оси, расположенной под углом к оси цилиндров 2. Датчик 20 кислорода размещен в выпускной системе. Кроме того, двигатель может быть снабжен нагнетателем 25, сообщенным с впускной системой, а также датчиком 26 оборотов ротора нагнетателя 25 и датчиком 27 температуры воздуха, связанными с блоком 11 управления. При этом устройство для изменения фаз газораспределения может включать масляную систему 28 с управляющим клапаном 12, связанным с блоком 11 управления. Масляная система 28 соединяет масляный насос 29 с приспособлением 30 для разворота распределительного вала 8 впускных клапанов 3 и приспособлением 31 для разворота распределительного вала 9 выпускных клапанов 4. Шестерни распределительных валов 8 и 9 связаны с масляным насосом 29 зубчато-ременной передачей 32.

Способ регулирования мощности предлагаемого многотопливного двигателя осуществляется следующим образом.

На режимах холостого хода и малых нагрузок осуществляют воздействие на орган 10 управления, например педаль акселератора, и через контроллер 22 передают сигнал блоку 11 управления. Последний формирует управляющий сигнал приводу 13. Привод 13 перемещает реверсивный элемент 24 и ось качания рычага 23 в точку а (фиг.3-6), располагая сочлененный шатун 6 по оси цилиндра 2 при положении поршня 5 в НМТ и ВМТ. При этом поршень 5 перемещается между положениями НМТ₁ и ВМТ₂. В это время блок 11 управления в соответствии с заложенной в него программой формирует управляющий сигнал устройству для изменения фаз газораспределения, а именно управляющему клапану 12, который направляет масло от насоса 29 к приспособлению 30 для разворота распределительного вала 8 впускных клапанов 3 на величину приблизительно 14^o, тем самым обеспечивая более позднее закрытие впускного клапана 3 по сравнению со стандартным значением. В результате часть рабочего заряда перепускается из цилиндра 2 на такте сжатия во впускную систему. Далее впускной клапан 3 закрывается, поршень 5 перемещается вверх, сжимая оставшуюся часть рабочего заряда. Сгорание происходит с уменьшенным количеством рабочего заряда, что позволяет повысить эффективность процесса сгорания и уменьшить токсичность выхлопа. В это же время блок 11 управления формирует управляющий сигнал управляющему клапану 12 для подачи масла к приспособлению 31 для разворота распределительного вала 9 выпускных клапанов 4 на величину приблизительно 14^o, тем самым обеспечивая более раннее закрытие выпускного клапана 4 по сравнению со стандартным значением и вследствие этого неполный выпуск. Часть отработавших газов остается в цилиндре 2 для смешивания их со свежим зарядом. Это позволяет в последующем цикле снизить температуру в цилиндре 2 при сгорании и соответственно уменьшить содержание окислов азота в отработавших газах (фиг. 3-7). В свою очередь данные сигналов датчиков 15 и 14 и 26 оборотов вала двигателя, температуры двигателя и оборотов ротора нагнетателя 25 обеспечивают корректировку цикловой подачи топлива через устройство 21 для дозирования топлива. Датчик 20 кислорода в случае появления в отработавших газах кислорода направляет сигнал блоку 11 управления уменьшить цикловую подачу топлива, тем самым снижая его расход. По мере увеличения мощности на режиме средних нагрузок осуществляют воздействие на орган 10 управления и через контроллер 22 и блок 11 управления формирует управляющий сигнал приводу 13, который, перемещая реверсивный элемент 24 и ось качания рычага 23 в точку d, увеличивает рабочий объем цилиндра 2 на 50%. В это же время блок 11 управления через управляющий клапан 12 увеличивает разворот распределительных валов 8 и 9 на 30^o, тем самым обеспечивая более позднее закрытие впускного клапана 3 и более раннее закрытие выпускного клапана 4 по сравнению с режимами холостого хода и малых нагрузок. При этом цикловая подача топлива увеличивается (фиг. 8-12). На режимах, близких к номинальному и номинальном (75-100%), через орган 10 управления, контроллер 22 и блок 11 управления увеличивает подачу топлива и рабочий объем цилиндра 2 по сравнению с режимами средних нагрузок, перемещая реверсивный элемент 24 и ось качания рычага 23 в точку b. В случае двигателя с искровым зажиганием блок 11 управления формирует управляющий сигнал на управляющий клапан 12, вследствие чего валы 8 и 9 разворачивают в обратном направлении и фазы газораспределения впускных и выпускных клапанов 3 и 4 возвращают к стандартному значению (фиг. 13-16). В случае двигателя с воспламенением от сжатия вал 9 разворачивают в исходное положение, возвращая фазы газораспределения выпускных клапанов 4 к стандартному значению, а вал 8 разворачивают с таким расчетом, чтобы изменить фазы газораспределения впускных клапанов 3 для осуществления неполного впуска свежего заряда по сигналу датчика 19 детонации (фиг. 18-22). При переходе двигателя на работу на другом виде топлива по сигналу датчика 19 детонации блок 11 управления формирует управляющий сигнал приводу 13 для перемещения реверсивного элемента 24 и оси качания рычага 23 в точку с для корректировки степени сжатия. Датчики 16 и 17 контролируют точность работы привода 13, а датчики 18 угла поворота валов 8 и 9 контролируют точность их разворота в соответствии с заданной программой.

Способ позволяет обеспечить регулировку мощности многотопливного двигателя внутреннего сгорания путем изменения фаз газораспределения и рабочего объема цилиндров. На режимах холостого хода и малых нагрузок двигателя по сигналу блока управления осуществляют более позднее закрытие впускных клапанов и более раннее закрытие выпускных клапанов по сравнению со стандартными значениями. На режимах средних нагрузок увеличивают подачу топлива и рабочий объем цилиндров и осуществляют более позднее закрытие впускных клапанов и более раннее закрытие выпускных клапанов по сравнению с режимами холостого хода и малых нагрузок. На режимах, близких к номинальному и номинальном, увеличивают подачу топлива и рабочий объем цилиндров по сравнению с режимами средних нагрузок, фазы газораспределения выпускных клапанов возвращают к стандартному значению, а фазы газораспределения впускных клапанов возвращают к стандартному значению для двигателя с искровым зажиганием или изменяют для осуществления неполного впуска свежего заряда для двигателя с воспламенением от сжатия. Технический результат заключается в повышении эффективности регулирования мощности двигателя и в снижении токсичности отработавших газов за счет уменьшения в них окислов азота. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 22 ил.

1. Способ регулирования мощности многотопливного двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в формировании воздействия на орган управления двигателем и передачи сигнала на блок управления, формировании управляющих сигналов блоком управления для изменения фаз газораспределения впускных и выпускных клапанов, обеспечивающих изменение количества рабочего заряда в цилиндрах двигателя, и формировании управляющих сигналов для изменения рабочего объема цилиндров, обеспечивающего изменение степени сжатия, и изменения подачи топлива, отличающийся тем, что на режимах холостого хода и малых нагрузок осуществляют более позднее закрытие впускных клапанов по сравнению со стандартным на также сжатия, перепуская часть заряда во впускную систему, и более раннее закрытие выпускных клапанов по сравнению со стандартным на такте выхлопа, оставляя часть отработавших газов в цилиндре для перемешивания последних со свежим зарядом и при необходимости увеличивая подачу топлива, на режимах средних нагрузок увеличивают подачу топлива и рабочий объем цилиндров и осуществляют более позднее закрытие впускных клапанов и более раннее закрытие выпускных клапанов по сравнению с режимами холостого хода и малых нагрузок, а на режимах, близких к номинальному и номинальном, увеличивают подачу топлива и рабочий объем цилиндров по сравнению с режимами средних нагрузок, фазы газораспределения выпускных клапанов возвращают к стандартному значению, а фазы газораспределения впускных клапанов возвращают к стандартному значению для двигателя с искровым зажиганием или изменяют для осуществления неполного впуска свежего заряда для двигателя с воспламенением от сжатия. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение степени сжатия производят в зависимости от вида топлива. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что изменение фаз газораспределения впускных и выпускных клапанов осуществляют путем разворота из распределительных валов на соответствующие углы. 4. Многотопливный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, по меньшей мере один цилиндр с впускным и выпускным клапанами, поршень, установленный в цилиндре и связанный шатуном с коленчатым валом, распределительные валы для впускных и выпускных клапанов, впускную и выпускную системы и соединенные с блоком управления орган управления двигателем, устройство для изменения фаз газораспределения, устройство для изменения рабочего объема цилиндра, устройство для дозирования топлива, датчики температуры и числа оборотов вала двигателя, отличающийся тем, что он снабжен датчиками верхней и нижней мертвых точек, датчиками угла поворота распределительных валов, датчиком детонации и датчиком кислорода, соединенными с блоком управления, устройство для изменения фаз газораспределения выполнено с возможностью поворота распределительных валов на заданный угол, причем шатун выполнен в виде двух частей, соединенных шарниром, с последним связан рычаг, ось качания которого соединена с реверсивным элементом, выполненным с возможностью возвратно-поступательного перемещения под действием привода устройства для изменения рабочего объема цилиндра, а датчик кислорода размещен в выпускной системе. 5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен нагнетателем, сообщенным с впускной системой, датчиком оборотов ротора нагнетателя и датчиком температуры воздуха, связанными с блоком управления. 6. Двигатель по п.4 или 5, отличающийся тем, что устройство для изменения фаз газораспределения содержит масляную систему, имеющую управляющий клапан, связанный с блоком управления, и соединяющую масляный насос с приспособлениями для разворота распределительных валов, установленными в шестернях последних.