СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F02D17/02 

Предлагаемое изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано преимущественно в автомобильных двигателях внутреннего сгорания /ДВС/, поршни которых имеют механическую связь с валом отбора мощности.

Известны способы регулирования мощности поршневых ДВС, в цилиндрах которых выполняются рабочие циклы с частотой, задаваемой валом отбора мощности. Основным недостатком их является снижение экономичности двигателей на режимах частичных нагрузок вследствие ухудшения условий смесеобразования и сгорания топлива.

Известен способ регулирования мощности поршневого ДВС, в цилиндре которого осуществляются рабочие циклы с частотой, задаваемой валом отбора мощности, путем изменения массы сжигаемого топлива для поддержания постоянной частоты вращения вала двигателя в зависимости от нагрузки /см. Орлин А.С. и др. , "Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей", Москва, Машиностроение, 1980, стр. 41-43/. Используемые в способе качественное или количественное регулирование обеспечивают ограниченные пределы изменения мощности и недостаточно экономичны. Последнее в значительной мере вызвано непостоянством частоты вращения вала двигателя, т.к. упомянутое "поддержание постоянной частоты вращения" осуществляется для любой частоты рабочего диапазона. А этот диапазон у современного ДВС весьма широк. Так, например, число оборотов вала двигателя ВАЗ 2106 изменяется при эксплуатации от 1000 до 5500 в минуту. При этом минимальный удельный расход топлива достигается при работе двигателя примерно в середине указанного диапазона, в сравнительно узкой зоне от 3000 до 4500 об/мин. Между тем двигатель автомобиля обычно работает именно за пределами указанной "экономичной" зоны преимущественно на более низких оборотах. Кроме того, используемое в способе регулирование изменением подачи горючей смеси или топлива препятствует созданию и сохранению оптимальных условий для сгорания топлива, а следовательно, не позволяет достичь должной экономичности. Поэтому для достижения минимального расхода топлива двигатель должен работать преимущественно на постоянной частоте в "экономичной" зоне характеристики при минимальных колебаниях подачи топлива.

Для решения этой задачи в известном способе регулирования мощности поршневого ДВС, в цилиндре которого осуществляются рабочие циклы с частотой, задаваемой валом отбора мощности, путем изменения массы сжигаемого топлива для поддержания постоянной частоты вращения вала независимо от нагрузки, в соответствии с изменением нагрузки изменяют частоту выполненных рабочих циклов, а частоту вращения вала выбирают из полосы частот, при которых двигатель имеет минимальный удельный расход топлива. Мощность двигателя пропорциональна частоте вращения его вала и, следовательно, частоте рабочих циклов. При постоянной частоте вращения вала выполняется постоянное число рабочих циклов и двигатель развивает определенную мощность, равную мощности внешней нагрузки. Если последняя уменьшится, например, в 2 раза, то, для сохранения частоты вращения вала, необходимо также в 2 раза уменьшить частоту выполненных рабочих циклов, т.е. не выполнять /"пропускать"/ каждый второй цикл. С этой целью во время каждого второго цикла необходимо предотвращать поступление топлива в цилиндр. Этим мощность двигателя будет приведена в соответствие с нагрузкой и сохранятся прежние обороты при неизменной величине заряда цилиндра в каждом выполненном рабочем цикле. "Пропуская" подобным образом определенное число рабочих циклов /2, 3, 4...10.../, необходимое для сохранения частоты вращения, тем самым изменяют частоту выполненных двигателем рабочих циклов в соответствии с изменением нагрузки. Так изменяют мощность от минимальной /при холостом ходе, когда число пропусков наибольшее/ до максимальной /пропусков нет/ при выбранной постоянной частоте.

В предложенном способе частоту вращения вала выбирают наибольшей из полосы частот при которых двигатель имеет минимальный удельный расход топлива. Это позволяет расширить диапазон регулирования и значительно увеличить скорость изменения мощности /не мешает инерция движущихся деталей двигателя и питающего его воздуха, т.к. частота вращения вала не изменяется/.

Другое отличие состоит в том, что в диапазоне регулирования от мощности холостого хода до мощности, при которой частота выполненных рабочих циклов наибольшая, массу подаваемого в цилиндр топлива не изменяют. Этим создаются и поддерживаются оптимальные условия для хорошего сгорания топлива и минимальной токсичности выхлопа.

Отличается способ и тем, что необходимое для получения требуемой мощности число выполненных рабочих циклов распределяют между цилиндрами двигателя таким образом, чтобы обеспечить минимальную разницу их температур. Это способствует стабилизации условий сгорания топлива и, кроме того, позволяет двигателю быть в постоянной готовности к работе на номинальной мощности.

Следует отметить, что предложенный способ, кроме повышения экономичности, существенно улучшает динамику двигателя, т.к., особенно при высокой рабочей частоте, дает возможность практически мгновенно изменять мощность в диапазоне регулирования /т.е. пока частота вращения вала постоянна/.

В предложенном способе двигатель работает на более высоких оборотах, чем обычно /для упомянутого двигателя ВАЗ-2106 постоянное число оборотов может быть выбрано 4500 в минуту - более чем в 4 раза выше обычных оборотов холостого хода/, а это позволит выполнить двигатель более легким, компактным и динамичным.

Постоянная величина заряда в диапазоне регулирования дает возможность упростить систему дозирования топлива.

Реализующий способ двигатель с внешним смесеобразованием не нуждается в дроссельной заслонке и поэтому, за счет лучшего наполнения цилиндров, имеет более высокую мощность.

Отказ от использования количественного и качественного регулирования позволит заменить громоздкий механический привод управления более легким, компактным и бесшумным электрическим, дающим, кроме того, новые возможности для автоматизации управления.

Способ поясняется чертежом, на котором изображена структурная схема одного из возможных вариантов устройства для регулирования мощности, например, 4-цилиндрового дизельного двигателя.

На чертеже показан цилиндр 1 двигателя с поршнем 2, впускным клапаном 3, выпускным клапаном 4 и форсункой 5, имеющей в нагнетательной полости перепускной клапан с электромагнитным приводом. Клапаны цилиндра взаимодействуют, как и обычно, с кулачками распределительного вала /не показан/, несущего два электрически не связанных контакта 6 и 7. Контакт 6 соединен с полюсом источника тока /не показан/ и, при вращении, поочередно соприкасается с неподвижными контактами, расположенными по окружности в порядке срабатывания цилиндров, например I-III-IV-II. Каждый из контактов, например, III /соответствующий ему цилиндр показан в конце выпуска/, через нормально закрытый контакт 8 электромагнитного реле 9 и выключатель 10, отключающий схему во время пуска двигателя, соединен со входом электронного блока 11. Второй вход этого блока соединен с датчиком 12 углового положения педали 13 управления мощностью. Выход блока 11 через усилитель 14 и подвижный контакт 7 распределителя импульсов поочередно подключается к цепям управления электромагнитов перепускных клапанов форсунок 5.

Каждый цилиндр имеет датчик 15 температуры, соединенный с одним из входов электронного блока 16, выявляющего наиболее холодный цилиндр. Каждый выход блока 16 через усилитель 17 соединен с цепью управления реле 9, контакт 8 которого замыкает цепь импульсов соответствующего цилиндра.

Устройство работает следующим образом. После пуска и прогрева вал двигателя вращается с постоянной частотой, выбранной в "экономичной" зоне характеристики. Когда замыкают выключатель 10, на вход блока 11 поступают электрические импульсы, возникающие при периодическом замыкании вращающегося контакта 6 с неподвижными контактами, положение которых согласовано с положением поршней в соответствующих цилиндрах, подобно тому, как при работе известного прерывателя-распределителя зажигания. При этих условиях, если замкнуты все контакты 8, на вход блока 11 через равные промежутки времени поступают электрические импульсы. Блок 11 не пропускает некоторые из них, сохраняя взаимное положение "уцелевших" импульсов на своем выходе. Эти, а также распределением импульсов подвижным контактом 7, вращающимся синхронно с контактом 6, обеспечивается попадание каждого импульса через усилитель 14 на электромагнит перепускного канала форсунки 5 только "своего" цилиндра. В результате происходит однократное открытие перепускного клапана форсунки перед ее срабатыванием и очередная доза топлива поступает не в цилиндр, а в сливной трубопровод, - происходит "пропуск". Количество импульсов на выходе блока 11 равно необходимому числу таких "пропусков" и изменяется от нуля /пропусков нет, число выполненных рабочих циклов и мощность - наибольшие/ до максимума, когда двигатель работает на холостом ходу. Частота импульсов на выходе зависит от программы блока 11, которую тот выбирает в соответствии с информацией датчика 12 об угловом положении педали 13. При перемещении педали из исходного положения, соответствующего холостому ходу двигателя, частота импульсов на выходе блока постепенно снижается и, следовательно, увеличивается частота выполненных рабочих циклов и мощность растет. При дальнейшем перемещении педали в какой-то момент будет достигнуто полное отсутствие импульсов на выходе /частота равна нулю/ и двигатель разовьет наибольшую мощность, возможную при данной частоте вращения. Этот составит ориентировочно 60. ..75% от номинальной мощности в зависимости от выбранной рабочей частоты. При дальнейшем нажатии педали известными методами обогащают горячую смесь до мощного состава и двигатель, как обычно, увеличивает обороты до достижения номинальной мощности.

Рабочая частота вращения вала поддерживается постоянной во всем диапазоне регулирования изменением положения педали в соответствии с изменением нагрузки, подобно тому, как регулируется педалью "газа" обычный двигатель автомобиля /оптимальным является автоматическое регулирование мощности при использовании бесступенчатой трансмиссии/. Поддержание постоянной массы заряда при обедненной смеси осуществляется известными методами.

В процессе работы двигателя информация датчиков 15 температуры цилиндров сравнивается в электронном блоке 16. Блок выявляет самый холодный цилиндр и формирует на соответствующем выходе команду, которая через усилитель 17 подается на реле 9. Срабатывание реле вызывает размыкание контакта 8 и импульсы от холодного цилиндра перестают поступать на вход блока 11. Поэтому пропуски в данном цилиндре прекращаются и его температура растет.

Оставшееся количество рабочих циклов, необходимое для поддержания заданной мощности, распределяется между более горячими цилиндрами. Увеличившееся число пропусков в этих цилиндрах способствует их охлаждению. Так обеспечивается скорейшее выравнивание температур всех цилиндров.

Описанное устройство, при использовании соответствующей форсунки может также регулировать мощность двигателя с впрыском бензина в зону впускного клапана. Для карбюраторного, или двигателя с одноточечным впрыском, могут быть использованы, например, известные управляемые клапаны цилиндров.

Изобретение может быть использовано в автомобильных двигателях внутреннего сгорания. В соответствии с изменением нагрузки изменяют частоту выполненных рабочих циклов в цилиндрах двигателя. Частоту вращения вала двигателя выбирают из наибольшей полосы частот, при которых двигатель имеет минимальный расход топлива. В диапазоне регулирования от мощности холостого хода до мощности, при которой частота выполненных рабочих циклов наибольшая, массу подаваемого в цилиндр топлива не изменяют. Необходимое для получения требуемой мощности число выполненных рабочих циклов распределяют между цилиндрами двигателя для обеспечения минимальной разницы температур между цилиндрами. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ регулирования мощности поршневого двигателя внутреннего сгорания, в цилиндре которого осуществляются рабочие циклы с частотой, задаваемой валом отбора мощности, путем изменения массы сжигаемого топлива для поддержания постоянной частоты вращения вала независимо от нагрузки, отличающийся тем, что в соответствии с изменением нагрузки изменяют частоту выполненных рабочих циклов, а частоту вращения вала выбирают из полосы частот, при которых двигатель имеет минимальный удельный расход топлива. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту вращения вала выбирают наибольшей. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в диапазоне регулирования от мощности холостого хода до мощности, при которой частота выполненных рабочих циклов наибольшая, массу подаваемого в цилиндр топлива не изменяют. 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что необходимое для получения требуемой мощности число выполненных рабочих циклов распределяют между цилиндрами двигателя таким образом, чтобы обеспечить минимальную разницу их температур.