СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВПУСКОМ И ВЫПУСКОМ ДЛЯ ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2024 года по МПК F02B33/44 F02D9/02 F02D13/02 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области двигателей и, в частности, к способу управления впуском и выпуском для четырехтактного двигателя.

Уровень техники

Как показано на фиг. 1, указанная работа дизельного двигателя состоит из площади A и площади B, в котором площадь A учитывает большинство, и площадь B зависит от разности между впускным давлением и выпускным давлением в цилиндре, которое может быть отрицательным значением (когда выпускное давление больше впускного давления). Площадь A зависит от разности между давлением расширения и давлением сжатия (то есть разность между работой расширения и работой сжатия). Работа сжатия находится в прямой корреляции с давлением и массой воздуха в конце впуска, и большие масса и впускной объем могут приводить к увеличению работы сжатия. С увеличением мощности дизельного двигателя должен соответственно увеличиваться впускной объем, чтобы гарантировать полное сгорание топлива в цилиндре, и одновременно увеличивается работа сжатия дизельного двигателя. Чтобы площадь A оставалась неизменной, линия давления расширения растет в случае, когда растет линия давления сжатия, и максимальное давление вспышки дизельного двигателя увеличивается, что значительно влияет на надежность и экономичность дизельного двигателя.

Как понизить линию давления сжатия и уменьшать работу сжатия при условии обеспечения достаточного впуска воздуха в цилиндр? Для этого, в случае, когда площадь A остается неизменной, линия давления расширения также может двигаться вниз, если линия давления сжатия низка, и, таким образом, максимальное давление вспышки снижается, и расход топлива снижается, что значительно повышает надежность и экономичность дизельного двигателя.

Сущность изобретения

Для преодоления недостатков традиционной технологии, техническая проблема, решаемая настоящим изобретением, состоит в обеспечении способа управления впуском и выпуском для четырехтактного двигателя, который позволяет снижать максимальное давление вспышки и расход топлива при условии обеспечения достаточного впуска воздуха в цилиндр, и позволяет повышать надежность и экономичность дизельного двигателя.

Для решения вышеупомянутой технической проблемы предусмотрен способ управления впуском и выпуском для четырехтактного двигателя согласно варианту осуществления настоящего изобретения, который базируется на системе впуска и выпуска, причем система впуска и выпуска включает в себя блок цилиндров и головку блока цилиндров; блок цилиндров снабжен несколькими цилиндрами, и головка цилиндра, соответствующая каждому цилиндру, снабжена главным впускным каналом, конструкцией впускного клапана для открывания/закрывания главного впускного канала, выпускным каналом и конструкцией выпускного клапана для открывания/закрывания выпускного канала; в каждом цилиндре обеспечен поршень; головка цилиндра, соответствующая каждому цилиндру, снабжена вспомогательным впускным каналом и конструкцией управления впуском для открывания/закрывания вспомогательного впускного канала; и вспомогательный впускной канал связан с блоком сжатого воздуха высокого давления;

при этом согласно способу управления:

в ходе такта впуска поршня конструкция впускного клапана открывает главный впускной канал, конструкция выпускного клапана закрывает выпускной канал, и давление воздуха, втекающего в цилиндр, снижается до заранее установленного значения давления;

в ходе такта сжатия поршня конструкция впускного клапана закрывает главный впускной канал, и конструкция выпускного клапана закрывает выпускной канал; при угле поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки такта сжатия β° CA конструкция управления впуском открывает вспомогательный впускной канал, и воздух высокого давления, обеспеченный блоком сжатого воздуха высокого давления, втекает в цилиндр; при угле поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки такта сжатия (β-α)° CA, конструкция управления впуском закрывает вспомогательный впускной канал; где β и α являются заранее установленными значениями, и β-α больше 0.

Дополнительно, β составляет от 50 до 70; α составляет от 20 до 30.

Дополнительно, давление воздуха высокого давления составляет от 4 МПа до 5 МПа.

Дополнительно, заранее установленное значение давления равно исходному значению давления, умноженному на C%; где C составляет от 60 до 80.

Дополнительно, конструкция управления впуском включает в себя направляющую втулку клапана, закрепленную на головке цилиндра, клапан, установленный с возможностью скольжения на направляющей втулке клапана, сухарь клапана, пружину клапана и приводной элемент;

сухарь клапана жестко соединен со штоком клапана, пружина клапана располагается между сухарем клапана и поверхностью ограничения позиции направляющей втулки клапана, головка клапана проходит в воздуховыпускной конец вспомогательного впускного канала; головка клапана проходит от воздуховыпускного конца в направлении к цилиндру и открывает вспомогательный впускной канал под действием приводного элемента; сила упругости обеспечивается пружиной клапана, и головка клапана входит в воздуховыпускной конец и закрывает вспомогательный впускной канал в направлении от цилиндра под действием силы упругости.

Дополнительно, приводным элементом является электромагнитный клапаном или клапан гидравлического управления, и электромагнитный клапан или клапан гидравлического управления электрически связаны с электронным блоком управления (ЭБУ) двигателя.

Дополнительно, площадь поперечного сечения вспомогательного впускного канала меньше площади поперечного сечения главного впускного канала.

Дополнительно, система впуска и выпуска дополнительно включает в себя распределительный вал впускных клапанов, который управляет действием конструкции впускного клапана, и распределительный вал выпускных клапанов, который управляет действием конструкции выпускного клапана.

Дополнительно, головка цилиндра, соответствующая каждому цилиндру, снабжена топливной форсункой.

Дополнительно, согласно способу управления дополнительно:

в ходе рабочего такта поршня конструкция впускного клапана закрывает главный впускной канал, и конструкция выпускного клапана закрывает выпускной канал; и

в ходе такта выпуска поршня конструкция впускного клапана закрывает главный впускной канал, и конструкция выпускного клапана открывает выпускной канал.

С использованием вышеупомянутого технического решения, настоящее изобретение имеет следующие полезные результаты:

способ управления впуском и выпуском для четырехтактного двигателя в настоящем изобретении базируется на системе впуска и выпуска, причем система впуска и выпуска включает в себя блок цилиндров и головка блока цилиндров; блок цилиндров снабжен несколькими цилиндрами, и головка цилиндра, соответствующая каждому цилиндру, снабжена главным впускным каналом, конструкцией впускного клапана для открывания/закрывания главного впускного канала, выпускным каналом и конструкцией выпускного клапана для открывания/закрывания выпускного канала; в каждом цилиндре обеспечен поршень; головка цилиндра, соответствующая каждому цилиндру, снабжена вспомогательным впускным каналом и конструкция управления впуском для открывания/закрывания вспомогательного впускного канала; и вспомогательный впускной канал связан с блоком сжатого воздуха высокого давления; способ включает в себя: в ходе такта впуска поршня, конструкция впускного клапана открывает главный впускной канал, конструкция выпускного клапана закрывает выпускной канал, и давление воздуха, поступающего в цилиндр, снижается до заранее установленного значения давления (давление воздуха, поступающего в цилиндр, регулируется путем выбора нагнетателя низкого давления); в ходе такта сжатия поршня, конструкция впускного клапана закрывает главный впускной канал, и конструкция выпускного клапана закрывает выпускной канал; при угле поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки такта сжатия β° CA конструкция управления впуском открывает вспомогательный впускной канал, и воздух высокого давления, обеспеченный блоком сжатого воздуха высокого давления, втекает в цилиндр; при угле поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки такта сжатия (β-α)° CA, конструкция управления впуском закрывает вспомогательный впускной канал; где β и α являются заранее установленными значениями, и β-α больше 0. Таким образом, прежде чем поршень достигнет верхней мертвой точки такта сжатия, вспомогательный впускной канал открывается в течение периода времени и затем закрывается.

Конструкция управления впуском и вспомогательный впускной канал вторичного впуска может использоваться для обеспечения достаточного воздуха в цилиндре и полного сгорания топлива; по сравнению с традиционной системой впуска, давление воздуха в цилиндре в ходе такта впуска можно снижать путем выбора нагнетателя низкого давления, благодаря чему давление и масса воздуха в цилиндре в конце впуска снижаются по сравнению с традиционной системой впуска, линия давления сжатия перемещается вниз, и работа сжатия снижается; соответственно, работа расширения также снижается, и максимальное давление вспышки и расход топлива также снижаются, что значительно повышает надежность и экономичность дизельного двигателя.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - диаграмма цикла P-V традиционного четырехтактного дизельного двигателя;

фиг. 2 - частично структурный вид системы впуска и выпуска согласно настоящему изобретению;

фиг. 3 - вид в разрезе по линии A-A с фиг. 2;

фиг. 4 - логическая диаграмма способа управления впуском и выпуском для четырехтактного двигателя согласно настоящему изобретению;

фиг. 5 - диаграмма цикла P-V четырехтактного дизельного двигателя до и после усовершенствования; и

фиг. 6 - диаграмма, демонстрирующая изменения массы газа в цилиндре до и после усовершенствования.

Перечень ссылочных позиций:

На чертежах ссылочной позицией 1 обозначена головка цилиндра; 2 - цилиндр; 3 - главный впускной канал; 4 - конструкция впускного клапана; 5 - выпускной канал; 6 - конструкция выпускного клапана; 7 - поршень; 8 - вспомогательный впускной канал; 9 - конструкция управления впуском; 91 - направляющая втулка клапана; 92 - клапан; 93 - сухарь клапана; 94 - пружина клапана; 95 - приводной элемент; 10 - распределительный вал впускных клапанов; 11 - распределительный вал выпускных клапанов; и 12 - топливная форсунка.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

Для более наглядной иллюстрации задач, технических решений и преимуществ настоящего изобретения, настоящее изобретение будет более подробно описано ниже совместно с чертежами и вариантами осуществления. Следует понимать, что конкретные варианты осуществления описаны здесь только в целях объяснения настоящее изобретение, но не ограничения настоящего изобретения.

Как показано на фиг. 2-4, согласно этому варианту осуществления предусмотрена система впуска и выпуска для четырехтактного двигателя, которая включает в себя блок цилиндров и головку 1 блока цилиндров; блок цилиндров снабжен несколькими цилиндрами 2, и головка 1 цилиндра, соответствующая каждому цилиндру 2, снабжена главным впускным каналом 3, конструкцией 4 впускного клапана для открывания/закрывания главного впускного канала 3, выпускным каналом 5 и конструкцией 6 выпускного клапана для открывания/закрывания выпускного канала 5; поршень 7 обеспечен в каждом цилиндре 2; система впуска и выпуска дополнительно включает в себя распределительный вал 10 впускных клапанов, который управляет действием конструкции 4 впускного клапана, и распределительный вал 11 выпускных клапанов, который управляет действием конструкции 6 выпускного клапана; головку 1 цилиндра, соответствующую каждому цилиндру 2, дополнительно снабженную топливной форсункой 12. Вышеупомянутая конструкция в основном такая же, как существующая технология и подробно здесь не описана. Нижеследующее описание сделано только для усовершенствований. В этом варианте осуществления, головка 1 цилиндра, соответствующая каждому цилиндру 2, снабжена вспомогательным впускным каналом 8 и конструкцией 9 управления впуском для открывания/закрывания вспомогательного впускного канала 8, где вспомогательный впускной канал 8 связан с блоком сжатого воздуха высокого давления.

Согласно этому варианту осуществления предусмотрен способ управления впуском и выпуском для вышеупомянутого четырехтактного двигателя, который, в частности, включает в себя:

в ходе такта впуска поршня 7, конструкция 4 впускного клапана открывает главный впускной канал 3, конструкция 6 выпускного клапана закрывает выпускной канал 5, и давление воздуха, втекающего в цилиндр 2 снижается до заранее установленного значения давления (давление воздуха в цилиндре 2 в ходе такта впуска снижается путем выбора нагнетателя низкого давления).

В ходе такта сжатия поршня 7 конструкция 4 впускного клапана закрывает главный впускной канал 3, и конструкция 6 выпускного клапана закрывает выпускной канал 5; при угле поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки такта сжатия β° CA конструкция 9 управления впуском открывает вспомогательный впускной канал 8, и, таким образом, воздух высокого давления, обеспеченный блоком сжатого воздуха высокого давления, втекает в цилиндр 2; при угле поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки такта сжатия (β-α)° CA, конструкция 9 управления впуском закрывает вспомогательный впускной канал 8; где β и α являются заранее установленными значениями, и β-α больше 0. Другими словами, прежде чем поршень 7 достигнет верхней мертвой точки такта сжатия, вспомогательный впускной канал 8 открывается в течение периода времени и затем закрывается, чтобы гарантировать наличие достаточного воздуха в цилиндре 2 для обеспечения полного сгорания топлива.

В ходе рабочего такта поршня 7, конструкция 4 впускного клапана закрывает главный впускной канал 3, и конструкция 6 выпускного клапана закрывает выпускной канал 5.

В ходе такта выпуска поршня 7, конструкция 4 впускного клапана закрывает главный впускной канал 3, и конструкция 6 выпускного клапана открывает выпускной канал 5.

Для облегчения понимания этого варианта осуществления, нижеследующее описание сделано для объяснения выражения «при угле поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки такта сжатия β° CA». Угол поворота коленчатого вала (фаза) обычно используется специалистами в данной области техники для интерпретации движения поршня 7. Если угол поворота коленчатого вала равен 360° CA, когда поршень 7 перемещается в верхнюю мертвую точку такта сжатия, «при угле поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки сжатия на β° CA» означает, что угол поворота коленчатого вала равен (360-β)° CA.

В этом варианте осуществления β составляет от 50 до 70; α предпочтительно составляет от 20 до 30; угол от открывания до закрывания вспомогательного впускного канала 8 должен быть как можно меньше, предпочтительно, упомянутый угол конфигурируется быть как можно ближе к верхней мертвой точке такта сжатия, не вызывая обратный поток воздух в цилиндре 2, чтобы уменьшать работу сжатия. Дополнительно, давление воздуха высокого давления составляет от 4 МПа до 5 МПа. Заранее установленное значение давления равно исходному значению давления (впускное значение давления, обеспеченное нагнетателем традиционного четырехтактного дизельного двигателя), умноженному на C%; где C составляет от 60 до 80. Дополнительно, площадь поперечного сечения вспомогательного впускного канала 8 меньше площади поперечного сечения главного впускного канала 3.

Конструкция 9 управления впуском и вспомогательный впускной канал 8 для вторичного впуска воздуха могут обеспечивать достаточное количество воздуха в цилиндре 2 и полное сгорание топлива. Соответственно, по сравнению с традиционной системой впуска, давление воздуха в цилиндре в ходе такта впуска можно снижать путем выбора нагнетателя низкого давления, благодаря чему давление и масса воздуха в цилиндре 2 в конце впуска могут снижаться по сравнению с традиционной системой впуска, линия давления сжатия перемещается вниз, и работа сжатия снижается. Соответственно, работа расширения также снижается, и максимальное давление вспышки и расход топлива также снижаются, что значительно повышает надежность и экономичность дизельного двигателя.

В этом варианте осуществления, конструкция 9 управления впуском включает в себя направляющую втулку 91 клапана, закрепленную на головке 1 цилиндра, клапан 92, установленный с возможностью скольжения на направляющей втулке 91 клапана, сухарь 93 клапана, пружину 94 клапана и приводной элемент 95; сухарь 93 клапана жестко соединен со штоком клапана 92, пружина 94 клапана располагается между сухарем 93 клапана и поверхностью ограничения позиции направляющей втулки 91 клапана, головка клапана 92 проходит в воздуховыпускной конец вспомогательного впускного канала 8; под действием приводного элемента 95 головка клапана 92 проходит от воздуховыпускного конца в направлении цилиндра 2 и открывает вспомогательный впускной канал 8; сила упругости обеспечивается пружиной 94 клапана, и головка клапана 92 входит в воздуховыпускной конец и закрывает вспомогательный впускной канал 8 в направлении от цилиндра 2 под действием силы упругости. Приводной элемент являются электромагнитным клапаном (при подаче питания клапан 92 управляется для перемещения в направлении к цилиндру 2, и при отключении питания, клапан 92 возвращается в направлении от цилиндра 2 под действием силы упругости) или клапан гидравлического управления (который управляет действием клапана 92 путем управления направления подачи/возврата масло), и электромагнитный клапан или клапан гидравлического управления электрически связаны с ЭБУ (ECU) двигателя.

Рассматривая дизельный двигатель как объект исследования, термодинамика двигателя в целом и модельный расчет сгорания в цилиндре осуществляются с помощью средства расчетов моделирования. Из результатов моделирования, при одном и том же условии калибровки дизельного двигателя и с использованием вышеупомянутых системы впуска и выпуска и способа управления впуском и выпуском, работа сжатия и работа расширения снижаются, и расход топлива и максимальное давление вспышки значительно снижаются; на основании исходного двигателя, максимальное давление вспышки в цилиндре снижается на 7,1%, эффективный расход топлива снижается на 7,38%, тепловой кпд двигателя в целом увеличивается на 3,37%, и значение выбросов NO_x снижается на 31%, как показано на фиг. 5 и фиг. 6.

В итоге, настоящее изобретение позволяет снижать работу сжатия, работу расширения, эффективный расход топлива и максимальное давление вспышки и позволяет значительно повышать экономичность и надежность дизельного двигателя. Кроме того, выбросы также снижаются, что полезно для усовершенствования защиты окружающей среды.

Выше описан лишь предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения, и не призван ограничивать настоящее изобретение. Любые модификации, эквивалентные замены, усовершенствования в отношении сущности и принципов настоящего изобретения подлежат включению в объем защиты настоящего изобретения.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Способ управления впуском и выпуском предназначен для четырехтактного двигателя. Способ осуществляется системой впуска и выпуска, содержащей блок цилиндров и головку (1) блока цилиндров. Блок цилиндров снабжен множеством цилиндров (2). Головка (1) цилиндра, соответствующая каждому цилиндру (2), снабжена главным впускным каналом (3), конструкцией впускного клапана (4) для открывания и закрывания главного впускного канала (3), выпускным каналом (5) и конструкцией выпускного клапана (6) для открывания и закрывания выпускного канала (5). В каждом цилиндре (2) расположен поршень (7). Головка (1) цилиндра, соответствующая каждому цилиндру (2), снабжена вспомогательным впускным каналом и конструкцией для управления впуском для открывания и закрывания вспомогательного впускного канала. Вспомогательный впускной канал сообщается с блоком сжатого воздуха высокого давления. Способ управления впуском и выпуском осуществляется следующим образом. В ходе такта впуска, впускной клапан (4) открывает главный впускной канал (3), выпускной клапан (6) закрывает выпускной канал (5), и давление воздуха, проходящего в цилиндр (2), снижается до заранее установленного значения давления. В ходе такта сжатия, впускной клапан (4) закрывает главный впускной канал (3), а выпускной клапан (6) закрывает выпускной канал (5). При угле поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки такта сжатия β° угла поворота коленчатого вала, конструкция управления впуском открывает вспомогательный впускной канал, и воздух высокого давления, обеспеченный блоком сжатого воздуха высокого давления, проходит в цилиндр (2). При угле поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки такта сжатия (β-α)° угла поворота коленчатого вала, конструкция управления впуском закрывает вспомогательный впускной канал. Углы β и α являются заранее установленными значениями, и β-α больше 0. Технический результат заключается в снижении максимального давления вспышки и в снижении расхода топлива. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ управления впуском и выпуском для четырехтактного двигателя, причем способ базируется на системе впуска и выпуска, содержащей блок цилиндров и головку блока цилиндров; при этом блок цилиндров снабжен множеством цилиндров, а головка цилиндра, соответствующая каждому цилиндру, снабжена главным впускным каналом, конструкцией впускного клапана для открывания/закрывания главного впускного канала, выпускным каналом и конструкцией выпускного клапана для открывания/закрывания выпускного канала; причем в каждом цилиндре обеспечен поршень; при этом головка цилиндра, соответствующая каждому цилиндру, снабжена вспомогательным впускным каналом и конструкцией управления впуском для открывания/закрывания вспомогательного впускного канала; причем вспомогательный впускной канал находится в сообщении с блоком сжатого воздуха высокого давления;

при этом согласно способу управления:

в ходе такта впуска поршня конструкция впускного клапана открывает главный впускной канал, конструкция выпускного клапана закрывает выпускной канал, и давление воздуха, проходящего в цилиндр, снижается до заранее установленного значения давления;

в ходе такта сжатия поршня конструкция впускного клапана закрывает главный впускной канал, и конструкция выпускного клапана закрывает выпускной канал; причем при угле поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки такта сжатия β° угла поворота коленчатого вала конструкция управления впуском открывает вспомогательный впускной канал, и воздух высокого давления, обеспеченный блоком сжатого воздуха высокого давления, проходит в цилиндр; а при угле поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки такта сжатия (β-α)° угла поворота коленчатого вала, конструкция управления впуском закрывает вспомогательный впускной канал; при этом β и α являются заранее установленными значениями, и β-α больше 0.

2. Способ управления впуском и выпуском для четырехтактного двигателя по п. 1, при котором β составляет от 50 до 70°, а α составляет от 20 до 30°.

3. Способ управления впуском и выпуском для четырехтактного двигателя по п. 1, при котором давление воздуха высокого давления составляет от 4 до 5 МПа.

4. Способ управления впуском и выпуском для четырехтактного двигателя по п. 1, при котором заранее установленное значение давления равно исходному значению давления, умноженному на С%; при этом С% составляет от 60 до 80%.

5. Способ управления впуском и выпуском для четырехтактного двигателя по п. 1, при котором конструкция управления впуском содержит направляющую втулку клапана, закрепленную на головке цилиндра, клапан, установленный с возможностью скольжения на направляющей втулке клапана, сухарь клапана, пружину клапана и приводной элемент;

при этом сухарь клапана жестко соединяют со штоком клапана, пружину клапана располагают между сухарем клапана и поверхностью ограничения позиции направляющей втулки клапана, головка клапана проходит в воздуховыпускной конец вспомогательного впускного канала; головка клапана проходит от воздуховыпускного конца в направлении к цилиндру и открывает вспомогательный впускной канал под действием приводного элемента, причем сила упругости обеспечивается пружиной клапана, и головка клапана входит в воздуховыпускной конец в направлении от цилиндра и закрывает вспомогательный впускной канал под действием силы упругости.

6. Способ управления впуском и выпуском для четырехтактного двигателя по п. 5, при котором приводным элементом является электромагнитный клапан или клапан гидравлического управления, и электромагнитный клапан или клапан гидравлического управления электрически связаны с ЭБУ двигателя.

7. Способ управления впуском и выпуском для четырехтактного двигателя по п. 1, при котором площадь поперечного сечения вспомогательного впускного канала меньше площади поперечного сечения главного впускного канала.

8. Способ управления впуском и выпуском для четырехтактного двигателя по п. 1, при котором система впуска и выпуска дополнительно содержит распределительный вал впускных клапанов, который управляет действием конструкции впускного клапана, и распределительный вал выпускных клапанов, который управляет действием конструкции выпускного клапана.

9. Способ управления впуском и выпуском для четырехтактного двигателя по п. 1, при котором головку цилиндра, соответствующую каждому цилиндру, снабжают топливной форсункой.

10. Способ управления впуском и выпуском для четырехтактного двигателя по п. 1, при котором:

в ходе рабочего такта поршня конструкция впускного клапана закрывает главный впускной канал, и конструкция выпускного клапана закрывает выпускной канал; и

в ходе такта выпуска поршня конструкция впускного клапана закрывает главный впускной канал, и конструкция выпускного клапана открывает выпускной канал.