RU2312998C2 - Двигатель с переменной степенью сжатия и частотной модуляцией - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания с камерой сгорания, имеющей переменный объем и управляемые впускные клапаны. Технический результат заключается в возможности повышения кпд двигателя и снижения воздействия на окружающую среду. Согласно изобретению управление поршневым двигателем внутреннего сгорания обеспечивается путем выбора объема камеры сгорания в комбинации с выбором времени открытия и времени закрытия впускных клапанов и в комбинации с выбором частоты, с которой выполняются рабочие ходы. 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к способу управления для модуляции крутящего момента поршневого двигателя внутреннего сгорания с камерой сгорания, имеющей переменный объем и управляемые впускные клапаны.

Изобретение применимо к двигателям, работающим с переменной нагрузкой, например к карбюраторным двигателям и дизельным двигателям, предназначенным для приведения в движение транспортных средств, самолетов, лодок, судов и т.д., а также для приведения в действие компрессоров, гидравлических насосов, электрических генераторов и т.д.

Изобретение требует использования системы управления. Работа системы управления определяется ее программным обеспечением. Программное обеспечение, посредством которого может быть реализовано настоящее изобретение, может, например, быть частью большей системы управления, используемой также для управления другими характеристиками и параметрами рассматриваемого двигателя.

Уровень техники

В течение последних десятилетий развитие двигателей внутреннего сгорания было направлено на повышение экономичности их работы и снижение воздействия на окружающую среду путем введения систем цифрового управления, например для инжекции топлива и зажигания.

Однако, несмотря на указанные усовершенствования, остается нерешенной проблема, которая состоит в том, что изменение режима работы приводит к низкому усредненному коэффициенту полезного действия и значительному воздействию на окружающую среду. Состав выхлопных газов также изменяется, что мешает их очистке.

Известно, что переменная степень сжатия повышает коэффициент полезного действия двигателя. Кроме того, известно, что введение свободно управляемых клапанов, так называемых управляемых приводов клапанов, приводит к возможности замены дроссельного регулирования на более раннее закрытие впускных клапанов в течение такта впуска, так называемый цикл Миллера, и к возможности полного закрытия цилиндра в течение такого небольшого времени, как один оборот двигателя, что называют также частотной модуляцией крутящего момента или циклом пропуска, в результате чего значительно повышается эффективность работы двигателя. Кроме того, установлено, что при использовании управляемых приводов клапанов можно переключаться из работы с двухтактным циклом к работе с четырехтактным циклом.

Цель изобретения

Целью настоящего изобретения является создание способа управления для модуляции крутящего момента поршневого двигателя внутреннего сгорания, в котором имеется камера сгорания переменного объема и управляемые клапаны, причем предлагаемый способ обеспечивает устранение вышеупомянутых недостатков и приводит к повышению кпд двигателя и снижению воздействия на окружающую среду.

Сущность изобретения

Цели настоящего изобретения достигаются в вышеупомянутом способе, отличающемся тем, что крутящий момент, который необходим для заданных условий работы, достигается путем выбора объема камеры сгорания в комбинации с выбором времени открытия и времени закрытия впускных клапанов в комбинации с выбором частоты, с которой выполняются рабочие ходы поршня.

Насколько известно изобретателю, ранее никто не предлагал объединить в одном и том же двигателе использование переменной степени сжатия и управляемых приводов клапанов. Предпочтительно при максимальной нагрузке используется максимальный объем камеры сгорания. При понижении нагрузки объем уменьшают, причем одновременно используют более раннее закрытие впускных клапанов, до такой степени, когда достигается оптимальная эффективность, которая является максимальной для требуемого рабочего режима. При продолжении снижения нагрузки используют частотно-модулированный крутящий момент, когда требуемая нагрузка достигается путем выбора системой управления частоты рабочих ходов, при поддержании характеристики или параметров, соответствующих уровню нагрузки, при котором была достигнута оптимальная мощность двигателя. Если при малой скорости вращения двигателя необходим большой крутящий момент, предпочтительно используют работу с двухтактным циклом. Поскольку согласно изобретению использование переменной степени сжатия скомбинировано с использованием управляемых приводов клапанов, достигаются синергетические эффекты, например большее снижение расхода топлива, чем сумма снижений расхода топлива, которые могут быть достигнуты при использовании по отдельности переменной степени сжатия или управляемых приводов клапанов.

Переменной степенью сжатия называется изменение объема между поршнем и потолком цилиндра в верхней мертвой точке поршня.

Управляемыми клапанами, или управляемыми приводами клапанов, называются клапаны, временем открытия и закрытия, а также высотой подъема и площадью которых управляют посредством исполнительных элементов, которые приводятся в действие сигналами, поступающими из системы управления клапанами. Управляемые клапаны имеют исполнительные элементы, которые приводятся в действие с помощью пневматических, гидравлических, электромагнитных или любых других аналогичных средств.

Рабочим ходом называется ход поршня, в течение которого энергия массы газа, расширяющегося в процессе сгорания, превращается в механическую работу. Рабочие ходы могут входить в циклы, которые являются оптимальными или обычными, как в современных двигателях.

Холостым ходом называется ход поршня без какого-либо газообмена, подачи воздуха или сгорания; в процессе холостого хода никакой работы не производится. В течение такого хода имеют место небольшие потери из-за трения и тепловые потери. В течение холостого хода через двигатель не прокачивается никакой воздух или воздушно-топливная смесь. Холостой ход предполагает, что по меньшей мере впускные клапаны являются управляемыми и удерживаются закрытыми в течение холостого хода, препятствуя поступлению воздуха, до того момента, когда они открываются вновь. Однако согласно изобретению предпочтительно, чтобы выпускные клапаны также являлись управляемыми.

Частота рабочих ходов может изменяться между 0 и 100% от частоты оборотов двигателя. Эта частота может быть выбрана путем выполнения рабочего хода во время каждого n-го оборота двигателя, при этом оставшиеся ходы являются холостыми ходами. Альтернативно выполняется последовательность рабочих ходов, а холостой ход выполнялся во время каждого n-го оборота двигателя. Требуемый крутящий момент измеряется датчиком и передается в систему управления, которая выбирает частоту выполнения рабочих ходов.

Оптимальным рабочим ходом называется ход поршня, в течение которого выполняемая работа является максимально возможной с учетом существующих экономических и экологических условий и потребления топлива. При обеспечении требуемого крутящего момента путем выбора частоты оптимальных рабочих ходов достигается наилучшая экономичность работы.

При работе с четырехтактным циклом оптимальный рабочий ход включает опережающее закрытие впускных клапанов, цикл Миллера, в отличие от обычных современных двигателей, и задержанное открытие выпускных клапанов, цикл Аткинсона, в отличие от традиционной практики. Объем камеры сгорания выбирают из соображений получения по возможности наилучшего результата при заданных условиях, и в результате объем камеры сгорания составляет приблизительно 20-80% от максимального объема камеры сгорания, а предпочтительно - 30-50% от указанного максимального объема.

Посредством экспериментов с двигателем можно определить значения соответствующих параметров для каждой скорости вращения двигателя. Альтернативно система управления может быть адаптивной, то есть самообучающейся.

Оптимальный рабочий ход при двухтактном цикле отличается от оптимального рабочего хода при четырехтактном цикле, поскольку давление в цилиндре, которое имеется при открытии выпускных клапанов, должно использоваться для осуществления газообмена. Быстрое открытие выпускных клапанов приводит к созданию импульса выходящих отработанных газов, который, в свою очередь, создает в цилиндре низкое давление, т.е. давление ниже 1 атмосферы. Выпускные клапаны закрывают, а затем открывают впускные клапаны, причем в такой момент, чтобы наилучшим образом использовать закрытие выпускных клапанов и низкое давление для впуска должного количества воздуха перед следующим тактом сжатия и следующим рабочим ходом. Оптимальные рабочие ходы могут также выполняться при помощи выходных каналов, которые открываются или остаются открытыми при достижении поршнем нижней мертвой точки.

В течение двухтактного цикла можно использовать продувочный насос, отвечающий за газообмен полностью или частично, в комбинации с низким давлением в цилиндре.

В определенных рабочих режимах может возникнуть необходимость отступления от оптимальных рабочих ходов, например когда требуется максимальная отдача или в других предельных условиях.

Двигатель и его система управления могут быть разработаны с возможностью задания более чем одного набора параметров оптимального рабочего хода для заданной скорости вращения двигателя при использовании двух или более типов топлива, которым вследствие различия их свойств соответствуют разные оптимальные рабочие ходы. Примерами таких комбинаций являются бензин и этиловый спирт. Для каждой скорости вращения имеется один набор оптимальных параметров рабочего хода для бензина и другой - для этилового спирта.

Согласно настоящему изобретению системы подачи воздуха и топлива заранее настроены так, что в каждом рабочем ходе при определенной скорости вращения двигателя для сгорания используются одинаковые массы воздуха и топлива и такая же смесь воздуха и топлива, как и при других рабочих ходах при той же скорости вращения. Кроме того, для рабочих ходов возможные количества рециркулируемого отработанного газа одинаковы. Поскольку условия сгорания повторяются и не изменяются, это приводит к тому, что за каждый рабочий ход, происходящий при постоянной скорости вращения двигателя, выполняется одинаковая работа, а химический состав отработанных газов остается постоянным, что облегчает очистку отработанного газа.

В обычных поршневых двигателях внутреннего сгорания, работающих с четырехтактным циклом, сгорание с рабочим ходом происходит при каждом втором обороте двигателя, а в двигателе, работающем с двухтактным циклом, оно происходит при каждом обороте двигателя. Газообменные системы таких двигателей приводят к тому, что другие интервалы ходов являются невозможными, поскольку воздух, остатки топлива, например несгоревшие углеводороды, прокачиваются через двигатель, в результате чего его эффективность снижается, а воздействие на окружающую среду возрастает. Для использования изобретения и даваемых им преимуществ клапаны и каналы, служащие для газообмена, должны иметь возможность закрываться в течение одного или нескольких последовательных холостых ходов, что часто используется при неполной нагрузке. Соответственно для осуществления изобретения требуются управляемые клапаны, по меньшей мере управляемые впускные клапаны.

При использовании управляемых клапанов, открытием и закрытием и, возможно, высотой подъема которых управляют посредством системы цифрового управления с датчиками, определяющими положение коленчатого вала и/или положение поршня и скорость вращения двигателя, и соответствующих электронных средств и программного обеспечения газообмен и рабочие ходы могут выполняться только при необходимости. В остальное время клапаны, по меньшей мере впускные клапаны, остаются закрытыми. Это подразумевает, что частота оптимальных рабочих ходов выбирается для достижения требуемого крутящего момента.

В способе управления используется система цифрового управления, которая определяет запрошенный крутящий момент в каждый момент времени. Если этот крутящий момент находится в пределах области, в которой он может быть достигнут с помощью оптимальных рабочих ходов, предпочтительно от работы на холостом ходу до 50% нагрузки, то система управления выбирает определенную частоту рабочих ходов, а именно ту, которая должна обеспечить достижение требуемого крутящего момента. При заданном значении скорости вращения рабочие ходы обеспечивают совершение одинаковой работы за каждый производимый рабочий ход. Поэтому такая частота является искомой частотой рабочих ходов для достижения требуемого значения крутящего момента.

Управляемые клапаны обеспечивают подачу воздуха и топлива и удаление отработанных газов, а также газообмен непосредственно до и после рабочих ходов. При выборе частоты, при которой рабочий ход выполняется при каждом обороте, газообмен также должен происходить при каждом обороте, как в двухтактном двигателе. Газообмен может также выполняться как в современных четырехтактных двигателях, то есть с применением такта впуска, в результате чего рабочий ход выполняется при каждом втором обороте двигателя. Согласно настоящему изобретению обеспечение заданного крутящего момента происходит путем выбора частоты двухтактных циклов или четырехтактных циклов или такой частоты, при которой один или несколько двухтактных циклов сочетаются с одним или несколькими четырехтактными циклами. Согласно настоящему изобретению можно выбрать разные частоты рабочих ходов для различных цилиндров двигателя. Если впускные клапаны являются управляемыми, а выпускные клапаны нет, то можно выполнять только четырехтактные циклы.

Система управления в ответ на запрос на увеличение или уменьшение крутящего момента со стороны водителя, например, использующего для этого педаль акселератора обычным или аналогичным способом, управляет долей рабочих ходов по отношению к количеству холостых ходов двигателя. Таким образом, рабочие ходы оптимизируются в соответствии с вышеупомянутым определением, поскольку система управления способна также управлять объемом камеры сгорания в пределах управляемого диапазона, а также количеством подаваемого воздуха путем выбора времени открытия и закрытия впускных клапанов и, возможно, величины подъема клапана.

Двигателем управляют путем изменения количества рабочих ходов по отношению к количеству холостых ходов для каждого цилиндра и путем разного изменения этого отношения от цилиндра к цилиндру. Система управления управляет двигателем путем управления открытием и закрытием впускных и выпускных клапанов соответственно в камере сгорания каждого цилиндра или открытия и закрытия только впускных клапанов, если выпускные клапаны не являются управляемыми. Таким образом, открытие и закрытие впускных клапанов и, возможно, также выпускных клапанов основано на крутящем моменте, который запрошен со стороны водителя. Управление выполняют посредством управляющих сигналов из блока управления, относящегося к системе управления. Если выпускные клапаны не являются управляемыми, рабочие ходы должны выполняться в рамках четырехтактного цикла. Если и впускные, и выпускные клапаны являются управляемыми клапанами, система управления может быть выполнена с возможностью переключения между четырехтактными циклами и двухтактными циклами в цилиндрах двигателя. Например, один цилиндр мог бы работать с двухтактным циклом, а другой - с четырехтактным циклом. Система управления должна быть способна вычислить, при каких условиях двухтактные циклы или четырехтактные циклы являются наиболее эффективными, и на этой основе выбрать один из этих видов циклов и использовать определенную частоту рабочих ходов. Соответственно способ управления включает выбор между двухтактным циклом и четырехтактным циклом на основе этих заданных условий. Система управления включает блок управления, который содержит соответствующую компьютерную программу, записанную на носителе информации. Блок управления функционально связан с некоторой схемой, например, для пневматической, гидравлической, электромагнитной или любой другой активации исполнительных элементов, которые управляют работой по меньшей мере впускных клапанов, но, возможно, также и выпускных клапанов. Блок управления может быть выполнен, например, так, что он управляет соленоидами, установленными в схеме приведения в действие исполнительных элементов, которые действуют на впускные или выпускные клапаны двигателя. Блок управления функционально связан с элементом, выдающим запрос на крутящий момент, например с педалью акселератора, посредством которой водитель дает запрос на увеличение или уменьшение крутящего момента двигателя. Система управления для частотно-модулированного крутящего момента может быть частью некоторой системы, например частью, соответствующей режиму экономичной работы, в большей системе управления, которая управляет также другими характеристиками или параметрами рассматриваемого двигателя.

Чем ниже нагрузка, тем значительнее относительное сокращение расхода топлива и уменьшение воздействия на окружающую среду, достигаемое с использованием настоящего изобретения. Двигатель и его система управления могут быть разработаны так, чтобы охватывать как весь диапазон работы двигателя с различными частотами оптимальных рабочих ходов, так и управление только одним параметром.

Без выхода за рамки настоящего изобретения можно сделать так, чтобы в течение одного или нескольких оборотов двигателя в цилиндр поступал и в нем накапливался только воздух или комбинация топлива и воздуха, например, для улучшения смешивания и/или превращения топлива в газ. Изобретение не ограничено выбором только абсолютных оптимальных рабочих ходов или выбором оптимальной частоты.

Таким образом, в соответствии с изобретением предложен способ управления для модуляции крутящего момента поршневого двигателя внутреннего сгорания, в котором имеется камера сгорания переменного объема и управляемые впускные клапаны, в котором крутящий момент, запрошенный для заранее заданного рабочего режима, достигается путем выбора объема камеры сгорания в комбинации с выбором времени открытия и времени закрытия впускных клапанов в комбинации с выбором частоты, с которой выполняются рабочие ходы.

При этом предпочтительно:

- при максимальной нагрузке используют максимальный объем камеры сгорания,

- при уменьшении нагрузки уменьшают объем камеры сгорания, а закрытие впускных клапанов выполняют раньше, и

- при дальнейшем уменьшении нагрузки производят выбор частоты выполнения рабочих ходов.

Выбор частоты рабочих ходов предпочтительно выполняют, начиная от работы на холостом ходу до 50% максимальной нагрузки.

Предпочтительно выпускные клапаны являются управляемыми, а объем камеры сгорания выбирают в комбинации с выбором времени открытия и времени закрытия как впускных клапанов, так и выпускных клапанов, а также в комбинации с выбором частоты выполнения рабочих ходов.

Предпочтительно в двигателе имеется множество цилиндров, и для разных цилиндров выбирают различные частоты рабочих ходов.

Рабочие ходы можно выполнять с опережающим закрытием впускных клапанов. Рабочие ходы также можно выполнять с задержанным открытием выпускных клапанов.

Например, объемом камеры сгорания управляют так, что он составляет 20-80% от ее максимального объема, когда выбирают частоту рабочих ходов. Предпочтительно объем камеры сгорания составляет 30-50% от ее максимального объема, когда выбирают частоту рабочих ходов.

При заранее заданной скорости вращения двигателя, которая не зависит от крутящего момента, при каждом рабочем ходе предпочтительно сжигают по существу такую же массу воздуха и топлива и по существу с таким же соотношением воздуха и топлива, как и при других рабочих ходах.

Кроме того, в зависимости от запрошенного крутящего момента в предложенном способе управления выбирают двухтактный или четырехтактный цикл, и рабочие ходы выполняют с двухтактным и с четырехтактным циклом.

Кроме того, в предложенном способе управления используют систему управления с компьютерной программой, которая посредством сигнального управления на основе значения крутящего момента, запрошенного водителем, выбирает частоту рабочих ходов, время срабатывания клапана, высоту подъема клапана, объем камеры сгорания и работу с двухтактным циклом или четырехтактным циклом.

Краткое описание чертежей

На чертеже схематично показан двигатель, в котором реализован способ согласно настоящему изобретению.

Краткое описание варианта осуществления изобретения

На чертеже схематично показан цилиндр 1 с поршнем 2. В течение такта впуска четырехтактного цикла поршень 2 перемещается, и воздух, возможно вместе с топливом, течет через открытый впускной клапан 3. Выпускной клапан 4 закрыт. Для изменения объема камеры 6 сгорания используется поршень 5 переменной степени сжатия, указанный объем представляет собой объем между поршнем 2 и потолком цилиндра 1 в верхней мертвой точке поршня 2. Для активации приводов с целью управления клапанами 3 и 4 и поршнем 5 переменной степени сжатия используется пневматическая схема 7. Блок 8 управления функционально связан со схемой 7 для управления этой схемой с помощью сигналов и управления клапанами 3 и 4, связанными со схемой 7, а также поршнем 5 переменной степени сжатия. Элемент 9, например педаль акселератора, функционально связан с блоком 8 управления с целью обеспечения запроса на создание крутящего момента. Датчик 10, расположенный около градуированного диска 12, который установлен на коленчатом валу 11, функционально связан с блоком 8 управления и выдает последнему информацию о скорости вращения и положении коленчатого вала и/или положении поршня 2 в цилиндре 1. Блок 8 управления решает, когда управляемые клапаны 3 и 4 должны открыться или закрыться и в каком положении должен быть поршень 5 переменной степени сжатия, когда поршень 2 находится в своей верхней мертвой точке. Управляемые клапаны 3 и 4 приводятся в действие с помощью, например, электромагнитных, гидравлических или пневматических средств. Поршень 5 переменной степени сжатия перемещается, например, с помощью электромагнитных, гидравлических или пневматических средств. Поршень 5 переменной степени сжатия может быть связан с коленчатым валом 11 (не показано) и может быть выполнен с возможностью осуществления изменяемого возвратно-поступательного перемещения в координации с перемещением поршня 2. Кроме того, в автоматической системе управления поршень 5 переменной степени сжатия может непрерывно производить поиск положения, в котором достигается оптимальное сжатие.

Claims (12)

1. Способ управления для модуляции крутящего момента поршневого двигателя внутреннего сгорания, в котором имеется камера (6) сгорания переменного объема и управляемые впускные клапаны (3), отличающийся тем, что крутящий момент, запрошенный для заранее заданного рабочего режима, достигается путем выбора объема камеры (6) сгорания в комбинации с выбором времени открытия и времени закрытия впускных клапанов (3) в комбинации с выбором частоты, с которой выполняются рабочие ходы.

2. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что при максимальной нагрузке используют максимальный объем камеры сгорания, при уменьшении нагрузки уменьшают объем камеры сгорания, а закрытие впускных клапанов (3) выполняют раньше и при дальнейшем уменьшении нагрузки производят выбор частоты выполнения рабочих ходов.

3. Способ управления по п.1 или 2, отличающийся тем, что выбор частоты рабочих ходов выполняют, начиная от работы на холостом ходу до 50% максимальной нагрузки.

4. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что выпускные клапаны являются управляемыми, а объем камеры (6) сгорания выбирают в комбинации с выбором времени открытия и времени закрытия как впускных клапанов (3), так и выпускных клапанов (4), а также в комбинации с выбором частоты выполнения рабочих ходов.

5. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что в двигателе имеется множество цилиндров (1), и для разных цилиндров (1) выбирают различные частоты рабочих ходов.

6. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что рабочие ходы выполняют с опережающим закрытием впускных клапанов (3).

7. Способ управления по п.4, отличающийся тем, что рабочие ходы выполняют с задержанным открытием выпускных клапанов (4).

8. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что объемом камеры (6) сгорания управляют так, что он составляет 20-80% от ее максимального объема, когда выбирают частоту рабочих ходов.

9. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что объем камеры (6) сгорания составляет 30-50% от ее максимального объема, когда выбирают частоту рабочих ходов.

10. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что при заранее заданной скорости вращения двигателя, которая не зависит от крутящего момента, при каждом рабочем ходе сжигают по существу такую же массу воздуха и топлива и по существу с таким же соотношением воздуха и топлива, как и при других рабочих ходах.

11. Способ управления по любому из пп.4-10, отличающийся тем, что в зависимости от запрошенного крутящего момента выбирают двухтактный или четырехтактный цикл и рабочие ходы выполняют с двухтактным и с четырехтактным циклом.

12. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что в нем используют систему (8) управления с компьютерной программой, которая посредством сигнального управления на основе значения крутящего момента, запрошенного водителем, выбирает частоту рабочих ходов, время срабатывания клапана, высоту подъема клапана, объем камеры (6) сгорания и работу с двухтактным циклом или четырехтактным циклом.