СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2004 года по МПК F02B33/22 F02B69/06 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания с системой впрыска горючей смеси в рабочий цилиндр.

Известен двигатель (Патент Российской Федерации №2039877, от 01.03.1993 г., МКИ F 02 B 33/22), который содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем, кинематически связанным с коленчатым валом, и компрессорный цилиндр с компрессорным поршнем. Последний также кинематически связан с коленчатым валом. Компрессорный цилиндр выполнен в едином блоке с рабочим цилиндром и сообщен с ним соединительным каналом через автоматический клапан отсечки с пружиной и седлом. Впускным каналом компрессорный цилиндр соединен с карбюратором. Между стенками компрессорных цилиндра и поршня установлена гильза с впускными окнами, сообщенными с впускным каналом. Клапан отсечки выполнен в виде стакана, расположенного соосно с компрессорным поршнем и обращенного дном к нему. Этот двигатель позволяет устранить потери мощности из-за работы клапана отсечки. Однако управление работой этого двигателя традиционно сводится к регулировке количества топлива в составе топливовоздушной смеси, поступающей в рабочий цилиндр, что позволяет изменять число оборотов коленчатого вала двигателя и его мощность в зависимости от нагрузки. Такой способ управления работой двигателя не обеспечивает устойчивой его работы на малых оборотах коленчатого вала, что приводит к повышению расхода и к неполному расходу топлива.

Известен также двигатель внутреннего сгорания, защищенный патентом РФ №2179250, от 12.07.2000 г., МКИ F 02 B 33/22, способ управления которым принят за прототип. Этот двигатель снабжен компрессорным цилиндром, сообщающимся с рабочим цилиндром с помощью впускного канала через клапан отсечки. В компрессорном цилиндре размещена гильза с впускными окнами, сообщенными с впускным каналом. Компрессорный цилиндр сообщен с рабочим цилиндром соединительным каналом через клапан отсечки, размещенным над гильзой соосно компрессорному цилиндру и выполненный в виде стакана с пружиной и седлом, которое образовано верхним торцом гильзы. Внутри гильзы установлен компрессорный поршень, кинематически связанный с рабочим поршнем. Клапан отсечки обращен дном к компрессорному поршню. Кинематическая связь рабочего и компрессорного поршней осуществлена с помощью механизмов, на штоках которых закреплены рабочий и компрессорный поршни. Компрессорный поршень установлен относительно рабочего поршня с возможностью опережения по фазе на 40...80° поворота вала двигателя. Объем полости гильзы внутри компрессорного цилиндра составляет 5...30% рабочего объема рабочего цилиндра. Внутри компрессорного цилиндра, в его средней части выполнена кольцевая выточка, соединенная с впускным каналом. Окна в гильзе расположены по ее окружности против выточки в компрессорном цилиндре. На впускном канале установлено сообщающееся с ним устройство для подачи жидкого или газообразного топлива. В качестве механизмов, с помощью которых осуществлена кинематическая связь рабочего поршня с валом двигателя и с компрессорным поршнем, применены кривошипно-ползунные или бесшатунные механизмы. Свеча установлена соосно рабочему цилиндру. Соединительный канал расположен в верхней части компрессорного цилиндра. Проекция оси соединительного канала на плоскость продольного сечения рабочего и компрессорного цилиндров расположена под углом 20...60° по отношению к продольной оси рабочего цилиндра. Вершина этого угла направлена в сторону головки рабочего цилиндра. Проекция оси соединительного канала на плоскость поперечного сечения цилиндров расположена под углом 15...40° к оси поперечного сечения рабочего цилиндра, пресекающейся с продольной осью компрессорного цилиндра.

Под рабочим поршнем в рабочем цилиндре установлена диафрагма, снабженная в центральной части уплотнением, через которое пропущен шток механизма, с помощью которого осуществлена кинематическая связь рабочего поршня с валом двигателя. Наружный контур поверхности диафрагмы выполнен соответствующим внутреннему контуру поверхности рабочего поршня, а выпускной канал расположен выше диафрагмы. Надпоршневое пространство соединено продувочными каналами с подпоршневым пространством. Устройство для подачи жидкого или газообразного топлива выполнено в виде форсунки.

Такая конструкция двигателя уменьшает его вес и габаритные размеры, а также снижает потери мощности и расход топлива.

Однако управление этим двигателем осуществляется регулированием количества топлива, подаваемого в компрессорный цилиндр. Это обуславливает неустойчивую работу двигателя на низких оборотах, что вызывает повышенный расход топлива для получения требуемой мощности, отдаваемой двигателем. Неполное сгорание завышенного количества топлива увеличивает токсичность выхлопных газов.

Техническая задача, решаемая предлагаемым способом управления двигателем, - повышение устойчивости работы двигателя на малых и средних оборотах, уменьшение расхода топлива и снижение токсичности выхлопных газов.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что используют двигатель с впрыском топлива или топливовоздушной смеси в рабочий цилиндр двигателя. Мощность, развиваемую двигателем, регулируют путем изменения количества топлива в составе топливовоздушной смеси. В отличие от прототипа осуществляют четырехтактный цикл работы двигателя по схеме: рабочий ход, выхлоп и продувка - сжатие - вторая продувка - впрыск топливовоздушной смеси и ее сжатие. Для осуществления такого цикла после рабочего хода канал подачи топлива перекрывают, а свечу отключают от системы зажигания. После окончания второй продувки канал подачи топлива открывают, а свечу подключают к системе зажигания.

Соотношение воздуха и топлива в топливовоздушной смеси устанавливают в пределах 15:1...45:1.

При достижении заданной высокой частоты вращения коленчатого вала двигателя или при достижении заданной скорости движения транспортного средства, на котором установлен двигатель, осуществляют двухтактный цикл работы двигателя по схеме: рабочий ход, выхлоп и продувка - сжатие и подача топливовоздушной смеси. При этом соотношение воздуха и топлива в топливовоздушной смеси устанавливают в пределах 10:1...14:1.

Такая совокупность признаков позволяет повысить устойчивость работы двигателя на малых и средних оборотах коленчатого вала, уменьшить расход топлива и понизить токсичность выхлопных газов. Этого удается достигнуть за счет того, что во время второй продувки при четырехтактном режиме работы двигателя по предложенной схеме рабочий объем цилиндра полностью заполняется чистым воздухом. При этом цилиндр и поршень интенсивно охлаждаются, что позволяет увеличить степень сжатия топливовоздушной смеси и применить бедную топливовоздушную смесь.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана конструктивная схема управляемого по этому способу двигателя, на фиг.2 - схема расположения цилиндров управляемого двигателя, а на фиг.3 - циклограмма четырехтактного цикла работы двигателя по предлагаемому способу при расположении цилиндров, показанному на фиг.2.

Предлагаемый способ заключается в том, что используют двигатель с впрыском топлива или топливовоздушной смеси в рабочий цилиндр 1 (фиг.1). Мощность, развиваемую двигателем, регулируют путем изменения количества топлива в составе топливовоздушной смеси. Осуществляют четырехтактный цикл работы двигателя по схеме (фиг.3): рабочий ход, выхлоп и продувка (1-й такт) - сжатие (2-й такт) - вторая продувка (3-й такт) - впрыск топливовоздушной смеси и ее сжатие (4-й такт). Для этого после рабочего хода поршня 3 (фиг.1) канал 2 подачи топлива к форсунке 4 перекрывают, и свечу 5 отключают от системы зажигания. После окончания второй продувки канал 2 подачи топлива открывают, и свечу 5 вновь подключают к системе зажигания. Соотношение воздуха и топлива в топливовоздушной смеси устанавливают в пределах 15:1...45:1.

При достижении заданной частоты вращения коленчатого вала или заданной скорости движения транспортного средства, на котором установлен двигатель, осуществляют двухтактный режим работы по схеме: рабочий ход, выхлоп и продувка (1-й такт) - сжатие и подача топливовоздушной смеси (2-й такт). При двухтактном цикле работы двигателя соотношение воздуха и топлива в топливовоздушной смеси устанавливают в пределах 10:1...14:1.

Четырехтактный цикл работы двигателя по предложенной схеме: рабочий ход, выхлоп и продувка - сжатие - вторая подувка - впрыск топливовоздушной смеси и ее сжатие обеспечивает возможность совершения большей работы за один рабочий ход поршня 3. Это обусловлено тем, что в рабочем объеме цилиндра 1 после его второй продувки чистым воздухом практически не остается отработанных газов, тогда как при управлении двигателем по прототипу перед подачей в цилиндр 1 топливовоздушной смеси 10...25% его рабочего объема могут составлять продукты сгорания топлива. По предлагаемому способу рабочий объем цилиндра 1 полностью заполняется воздухом, поступающим во время продувки. При этом воздух активно охлаждает цилиндр 1 и поршень 3, что позволяет увеличить степень сжатия топливовоздушной смеси больше 12,5 атм без опасности возникновения детонации или калильного зажигания. Повышение степени сжатия топливовоздушной смеси позволяет повысить отдачу двигателя и применить бедную топливовоздушную смесь с соотношением воздуха и топлива 15:1...45:1. Эти пределы выбраны в связи с тем, что при соотношении менее 15:1 увеличится непроизводительный расход топлива, а более 45:1 затруднится зажигание смеси, что ухудшит устойчивость работы двигателя.

Продувка и охлаждение цилиндра 1 чистым воздухом, повышение степени сжатия и применение бедной топливовоздушной смеси повышают мощность двигателя при том же расходе топлива и обеспечивают устойчивую работу двигателя при малых оборотах коленчатого вала.

Концентрация окислов азота NO_x и углерода СО при четырехтактном режиме работы по предложенной схеме уменьшится примерно в два раза, поскольку после выброса отработанных газов в выпускную систему туда поступает такой же объем чистого воздуха в результате продувки цилиндра 1. Это понижает токсичность выхлопных газов.

При достижении заданной высокой частоты вращения коленчатого вала двигателя или при достижении заданной скорости движения транспортного средства, на котором установлен двигатель, осуществляют двухтактный режим работы двигателя по схеме: рабочий ход, выхлоп и продувка (1-й такт) - сжатие и подача топливовоздушной смеси (2-й такт). При этом в цилиндр 1 подают богатую топливовоздушную смесь с соотношением воздуха и топлива 10:1...14:1.

При таком режиме работы двигатель будет развивать максимальную мощность, однако при этом увеличатся расход топлива и токсичность отработанных газов. Применение двухтактного режима работы двигателя в обычных условиях эксплуатации, например, транспортного средства бывает необходимо лишь в течение 10...15% времени работы двигателя: в режиме разгона автомобиля, при обгонных маневрах или при иной необходимости резкого увеличения скорости движения и т.п. В этих случаях частота вращения коленчатого вала двигателя достигает 2500...3500 оборотов в минуту и более. При такой частоте вращения коленчатого вала рабочий объем цилиндра 1 продувается интенсивно, что на богатой топливовоздушной смеси обеспечивает устойчивую работу двигателя при двухтактном цикле.

При переходе на режим работы с соотношением воздуха и топлива меньше 10:1 при двухтактном цикле снизится стабильность поджигания топливовоздушной смеси и, как следствие, двигатель будет работать неустойчиво, а свыше 14:1 - уменьшится мощность двигателя в условиях, когда требуется его максимальная мощность.

Предлагаемый способ управления работой двигателя внутреннего сгорания осуществляется следующим образом.

Во впускной канал 6 подают воздух, а из канала 2 через форсунку 4 подают топливо. В полости канала 6 образуется топливовоздушная смесь. При ходе компрессорного поршня 7 вниз происходит всасывание топливовоздушной смеси, которая через впускные окна 8 гильзы 9 и через выточку 10 поступает в компрессорный цилиндр 11. Топливо через форсунку 4 подают в таком количестве, чтобы в полном объеме рабочего цилиндра получилось соотношение воздуха и топлива в топливовоздушной смеси в пределах 15:1...45:1. В это время клапан отсечки 12 перекрывает боковой поверхностью соединительный канал 13 и герметизирует пространство над компрессорным поршнем 7. Во время движения компрессорного поршня 7 вверх происходит сжатие горючей смеси в пространстве над ним. При дальнейшем движении компрессорного поршня 7 вверх наступает момент, когда сила давления сжатой горючей смеси преодолевает усилие пружины 14, тарированной на заданную величину этого давления. Клапан отсечки 12 перемещается вверх и открывает соединительный канал 13. Горючая смесь нагнетается в рабочий цилиндр 1, давление над компрессорным поршнем 7 падает до нуля, пружина 14 возвращает клапан отсечки 12 вниз на торец гильзы 9 и перекрывает соединительный канал 13. Затем при перемещении рабочего поршня 3 вверх в положении, близком к верхней мертвой точке (ВМТ), от запальной свечи 5 воспламеняется горючая смесь в рабочем цилиндре 1. Бедная топливовоздушная смесь при этом легко воспламенится, поскольку расположение соединительного канала 13 под углом А к оси цилиндра 1 позволяет направить сжатый поток богатой топливовоздушной смеси непосредственно к электроду свечи 5. Это обеспечит зажигание ядра богатой топливовоздушной смеси в зоне электрода свечи 5 и далее всего объема бедной топливовоздушной смеси.

При движении поршня 3 вверх под ним создастся разряжение, вследствие чего атмосферный воздух через канал 15 устремится в подпоршневое пространство 16. После поджигания топливовоздушной смеси поршень 3 совершает рабочий ход, канал 15 перекрывается и под поршнем 3 возникает избыточное давление. При последующем движении поршня 3 вниз его верхняя кромка откроет выпускное окно 18, отработанные газы под давлением устремятся в выпускную систему, освобождая объем рабочего цилиндра 1 от продуктов сгорания - происходит выхлоп. При дальнейшем движении рабочего поршня 3 вниз откроется продувочное окно 17, и сжатый воздух из подпоршневого пространства устремится в рабочий цилиндр 1, продолжая выталкивать продукты сгорания через выпускное окно 18 и заполняя объем рабочего цилиндра воздухом. Продувка рабочего цилиндра завершается после перехода поршнем 3 нижней мертвой точки (НМТ) при движении поршня 3 вверх и при перекрытии выпускного окна 18. Первый такт заканчивается. После завершения рабочего хода поршня 3 канал 2 подачи топлива к форсунке 4 перекрывают, а свечу 5 от системы зажигания отключают. При дальнейшем ходе поршня 3 вверх в такте “сжатие” топливо через форсунку 4 не подается. При движении компрессорного поршня 7 вниз произойдет всасывание через канал 6 чистого воздуха, который через впускные окна 8 гильзы 9 поступит в компрессорный цилиндр 11. При движении компрессорного поршня 7 вверх этот воздух сожмется и затем через соединительный канал 13 будет вброшен в рабочий цилиндр 1 так же, как в первом такте в цилиндр 1 впрыскивалась топливовоздушная смесь.

Чистый воздух, выходя из канала 13 под давлением, очищает камеру сгорания 19 от оставшихся продуктов сгорания и при этом интенсивно охлаждает крышку 20 цилиндра 1 и поршень 3. После завершения такта “сжатие” при последующем движении рабочего поршня 3 вниз происходит вторая продувка цилиндра 1 так же, как происходит выхлоп при описанном выше первом такте. Чистый воздух, оставаясь относительно холодным и обладая большой теплоемкостью, продолжает интенсивно охлаждать объем рабочего цилиндра 1 и поршень 3. При дальнейшем движении поршня 3 вниз открывается выпускное окно 18 и воздух с остатками продуктов сгорания с большой скоростью устремляется в выпускную систему двигателя. Далее открывается продувочный канал 17 и сжатый воздух из подпоршневого пространства 16 поступает в рабочий объем цилиндра 1, дополнительно охлаждая цилиндр 1 и поршень 3. По окончании такта “вторая продувка” после прохождения поршнем 3 НМТ при движении вверх свечу 5 подключают к системе зажигания, а канал 2 подачи топлива открывают. В это время выполняется первая часть “сжатие” четвертого такта. Рабочий поршень 3 и связанный с ним компрессорный поршень 7 продолжают свое движение. Аналогично описанному выше процессу в компрессорный цилиндр 11 поступит, будет сжата и впрыснута в рабочий цилиндр 1 топливовоздушная смесь - завершится четвертый такт цикла: произойдет впрыск топливовоздушной смеси (см. фиг.3). В конце четвертого такта при положении поршня 3, близком к ВМТ, от системы зажигания на свечу 5 подают напряжение, топливовоздушная смесь воспламенится - начнется рабочий ход следующего цикла.

При достижении заданной высокой частоты вращения коленчатого вала двигателя или при достижении заданной скорости движения транспортного средства, на котором установлен двигатель, устанавливают соотношение топлива и воздуха в составе топливовоздушной смеси 10:1...14:1 и осуществляют двухтактный цикл работы двигателя по схеме: рабочий ход, выхлоп и продувка (1-й такт) - сжатие и подача топливовоздушной смеси (2-й такт). Для осуществления такого режима работы канал 2 подачи топлива в течение всего цикла не перекрывают и свечу 5 от системы зажигания не отключают. При двухтактном цикле двигатель работает так же, как и по прототипу.

Критическая частота вращения коленчатого вала двигателя или скорость движения транспортного средства, при которых изменяют режим работы двигателя с четырехтактного цикла на двухтактный с одновременным переходом с бедной топливовоздушной смеси на богатую, могут быть любыми в зависимости от требований, предъявляемых к двигателю при его эксплуатации. Например, при эксплуатации двигателя на спортивном гоночном автомобиле, где практически нет ограничений по токсичности отработанных газов и по расходу топлива, критическую частоту вращения коленчатого вала можно устанавливать, равной частоте при холостом ходе двигателя (≈1000 оборотов в минуту), после достижения которой двигатель сразу же переводят на двухтактный цикл с подачей богатой смеси с соотношением воздуха и топлива 10:1...14:1. Такой режим работы обеспечит максимальную мощность двигателя и динамичность транспортного средства, что является главным для спортивных условий. При эксплуатации, например, пассажирского транспортного средства нужно обеспечить хорошую приемистость, минимальный расход топлива и низкую токсичность отработанных газов. В этом случае критическую частоту вращения коленчатого вала выбирают равной частоте вращения при выходе транспортного средства на номинальный скоростной режим. Как правило, эта частота вращения составляет 2500...3500 оборотов в минуту. В этом случае 80...90% времени двигатель работает в экономичном четырехтактном цикле.

Предлагаемый способ может быть осуществлен с помощью известных и применяемых в технике средств. Для осуществления четырехтактного режима работы двигателя перекрытие канала 2 может быть осуществлено, например, электромагнитным клапаном. Отключение свечи 5 от системы зажигания можно осуществить, например, с помощью бесконтактного тиристорного прерывателя. Оба эти устройства могут управляться электронным коммутатором, команду на который можно подавать, например, от индуктивного датчика положения поршня 3 в цилиндре 1. Соотношение воздуха и топлива в составе топливовоздушной смеси можно устанавливать с помощью дроссельной заслонки с электромагнитным приводом, сигнал о достижении заданного числа оборотов коленчатого вала можно получать, например, от тахогенератора, который может через известные усилители и коммутаторы подавать команды на указанные выше исполнительные устройства, устанавливающие состав топливовоздушной смеси, отключающие подачу топлива и отсоединяющие свечу 5 от системы зажигания.

Таким образом, предлагаемый способ управления работой двигателя внутреннего сгорания обеспечивает достижение технического эффекта, выражающегося в повышении устойчивости работы двигателя на малых оборотах, уменьшении расхода топлива и снижении токсичности выхлопных газов, и может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый способ обладает промышленной применимостью.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания с системой впрыска топлива или топливовоздушной смеси в рабочий цилиндр. Осуществляют четырехтактный цикл работы двигателя по схеме: рабочий ход, выхлоп и продувка - сжатие - вторая продувка - впрыск топливовоздушной смеси и ее сжатие. Для этого после рабочего хода канал подачи топлива перекрывают, а свечу отключают от системы зажигания. После второй продувки канал подачи топлива открывают, а свечу подключают к системе зажигания. При достижении заданной частоты вращения коленчатого вала или заданной скорости движения транспортного средства осуществляют двухтактный цикл работы по схеме: рабочий ход, выхлоп и продувка - сжатие и подача топливовоздушной смеси. Указаны соотношения воздуха и топлива при четырехтактном и двухтактном циклах. Изобретение обеспечивает повышение устойчивости работы двигателя на малых и средних оборотах, уменьшение расхода топлива и токсичности выхлопных газов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ управления работой двигателя внутреннего сгорания, при котором используют двигатель с впрыском топливовоздушной смеси в рабочий цилиндр, а мощность, развиваемую двигателем, регулируют путем изменения количества топлива в составе топливовоздушной смеси, отличающийся тем, что при малых и средних оборотах осуществляют четырехтактный цикл работы двигателя по схеме: рабочий ход, выхлоп и продувка, сжатие, вторая продувка, впрыск топливовоздушной смеси и ее сжатие, для чего после рабочего хода канал подачи топлива перекрывают, и свечу отключают от системы зажигания, после окончания второй продувки канал подачи топлива открывают, и свечу подключают к системе зажигания, а при достижении заданной частоты вращения коленчатого вала двигателя или заданной скорости движения транспортного средства, на котором установлен двигатель, осуществляют двухтактный цикл работы двигателя по схеме: рабочий ход, выхлоп и продувка - сжатие и подача топливовоздушной смеси.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение воздуха и топлива в топливовоздушной смеси при четырехтактном цикле устанавливают в пределах 15:1...45:1, а при двухтактном цикле 8:1...15:1.