ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Изобретение относится к моторостроению.
В тексте и на иллюстрациях (Фиг 1 ...Фиг 12) приняты следующие сокращения:
- ДВС - двигатель внутреннего сгорания,
- щах - максимальный момент ДВС,
- Ртах - максимальная мощность ДВС,
- КС - камера сгорания,
- Ркс - давление в КС,
- VKC - объем КС,
- ОГ - остаточные газы,
- Рог - давлене остаточных газов,
- ВпК - впускной клапан,
- ВыК - выпускной клапан,
- ОК - обратный клапан,
- КП - клапан продувки,
- РП - ресивер продувки,
- Vpn - объем РП,
- РрП - давление в РП,
- п - частота вращения коленчатого вала ДВС, 1/мин
- VB - расход питающего воздуха ДВС,
- ВМТ - верхняя мертвая точка поршня,
- НМТ - нижняя мертвая точка поршня,
- ЭМЗ - электромагнитная заслонка,
- КСУД - комплексная система управления ДВС,
- СИФГ - система изменения фаз газораспределения,
- Vu - объем цилиндра,
- Рц - давление в цилиндре, атм.
На круговых диаграммах фаз газораспределения:
- угол открытия или закрытия клапанов отсчитывается по часовой
стрелке, начиная от ВМТ начала такта впуска в град, поворота коленчатого вала,
- толстые линии соответствуют закрытому состоянию клапанов, тонкие - открытому состоянию,
- φ - углы между моментами открытия и закрытия клапанов,
- а - углы между ВМТ или НМТ и моментом открытия клапанов,
- β - углы между ВМТ или НМТ и моментом закрытия клапанов, Особенности работы различных типов ДВС рассматриваются на примере одноцилиндрового четырехтактного бензинового ДВС с инжекторной системой питания.
На иллюстрациях:
- Фиг.1 - ДВС - прототип,
- Фиг.2 - круговая диаграмма фаз газораспределения ДВС Фиг. 1 ,
- Фиг.З - ДВС с тарельчатым клапаном во впускной трубе,
- Фиг.4 - диаграмма фаз газораспределения ДВС Фиг.З,
- Фиг.5 - ДВС с ЭМЗ во впускной трубе,
- Фиг.6 - диаграмма фаз газораспределения ДВС Фиг.5, при частичных нагрузках,
- Фиг.7 - ЭМЗ,
- Фиг.8 - наклонная заслонка ЭМЗ,
- Фиг.9 - заслонка ЭМЗ криволинейного профиля,
- Фиг.10 - диаграмма фаз газораспределения ДВС Фиг.5 в режиме
полной нагрузки,.
- Фиг.1 1 - диаграмма фаз газораспределения ДВС Фиг.5 в режиме
вакуумного торможения,
- Фиг.12 - схема применения одной ЭМЗ на два цилиндра ДВС.
Классический поршневой ДВС, несмотря на ряд недостатков, до сих пор широко применяется на транспорте.
На малых оборотах выхлоп такого ДВС имеет высокую токсичность (высокий уровень СО, СН). Это связано с тем, что в конце такта выпуска инерция отработавших газов на движении поршня вверх не велика, и они в значительной мере остаются в камере сгорания в виде ОГ (остаточные газы). В последующих тактах впуска ОГ смешиваются со свежим зарядом и затрудняют его горение.
Для снижения токсичности выхлопа в конце такта выпуска стараются как можно лучше продуть КС воздухом из впускной трубы по направлению от ВпК к ВыК. Считается, что чем больше перекрытие клапанов тем лучше продувка.
Эффективность продувки оптимальна в диапазоне п= 1500.. .3000.
С ростом оборотов ДВС абсолютное время, когда ВпК открыт полностью, падает, падает при этом и величина свежего заряда, попадающего в цилиндр, и начина^ с некоторых оборотов прекращается рост момента, а затем и мощности ДВС. Мотор «не принимает» на высоких оборотах. Для увеличения заряда на высоких оборотах ВпК нужно начинать открывать как можно раньше до ВМТ такта выпуска. Однако, при этом отработавшие газы, находясь под высоким давлением, начинают выходить не только в выхлопную систему, но и во впускную трубу. Затем, на такте впуска они забираются назад в цилиндр, и реально приращения свежего заряда не происходит, ДВС не добирает Мтах, Ртах.
Улучшить показатели ДВС помогает СИФГ, она раньше или позднее
открывает ВпК в зависимости от оборотов и нагрузки ДВС.
Известны также способы принудительной продувки КС воздухом высокого давления. В /1/ представлен ДВС, в котором КС продувается воздухом от внешнего компрессора в конце такта выпуска. Сжатый воздух подается в цилиндр.
В ДВС 121 (прототип) КС также продувается воздухом повышенного давления, но продувка в отличие от III, происходит в наиболее оптимальном направлении - от ВпК к ВыК.
Этот ДВС (Фиг. 1) содержит цилиндр 1 с поршнем 2, ВпК 3, ВыК 4. Клапаны приводятся кулачками 5 распредвала 6. Поршень 2 через шатун 7 вращает коленчатый вал 8. Во впускной трубе установлен неуправляемый обратный
клапан продувки 9 (OK 9). Между OK 9 и ВпК 3 образуется объем - Vpn, который согласно /3/ называется ресивером продувки (РП).
ДВС показан в конце такта выпуска, поршень чуть не доходит до ВМТ, КСУД, свеча зажигания, дроссель и топливная форсунка условно не показаны.
ДВС работает следующим образом (см. Фиг. 1 , Фиг. 2).
В конце такта впуска, чуть позже НМТ (угол β9) в цилиндр 1 набран полный заряд воздуха, ОК 9 автоматически закрывается под действием собстенного возвратного усилия, но ВпК 3 цилиндра еще открыт. Далее, на движении поршня 2 вверх и в продолжение угла φ39 протекает процесс сжатия воздуха в объеме Vu+ Vpn. После получения давления, например, Р=2 атм., ВпК 3
закрывается и в РП хранится воздух высокого давления. В цилиндре 1
продолжается сжатие, затем следует такт рабочего хода и выпуска, в конце последнего открывается ВпК 3 (угол а3), и происходит продувка КС воздухом высокого давления из РП на протяжении угла перекрытия клапанов - φ34. После закрытия ВыК 4, на движении поршня 2 вниз, начинается впуск воздуха заряда. ОК 9 при этом открывается под действием разряжения в цилиндре 1.
Прототип имеет ряд недостатков.
Как отмечено в /3/, в зависимости от конкретного режима работы ДВС
выбирается Vpn=(0,5...4) VKC. При Ррп = 2, степени сжатия 10 и Vpn=4VKC на создание повышенного давления воздуха продувки будет работать 22% объема цилиндра, это снизит литровую мощность ДВС на такую же величину.
Продувка начинается до ВМТ в момент приоткрытая ВпК 3 и на протяжении угла 3 до ВМТ Ррп оказывает противодавление на поршень 2, снижая момент ДВС. Слишком раннее открытие ВпК 3 приведет к тому, что воздух продувки продует не ОГ, а выхлоп, который и так выходит самостоятельно, а ОГ все равно останутся над поршнем после ВМТ. В этих условиях желательно
конструктивно снижать величину а3, при этом КС можно хорошо очистить от ОГ, но ВпК 3 к моменту начала впуска еще только начнет открываться, - цилиндр на высоких оборотах не будет набирать полный заряд воздуха, - это еще больше снизит удельную мощность ДВС.
Отметим, что ОК 9 принципиально и на всех режимах открывается полсе ВМТ такта впуска, однако на большинстве режимов ДВС лучше открывать его до ВМТ.
Цель изобретения - оптимизировать систему питания и управления ДВС для снижения токсичности и повышения удельной мощности.
Указанная цель достигается тем, что вместо обратного клапана во впускной трубе используется управляемый клапан:
- По варианту А - это тарельчатый клапан с возвратной пружиной,
- По вариатну В - это клапан-заслонка, которая поднимается и
опускается электромагнитом.
Вариант А.
ДВС (Фиг.З, Фиг.4) содержит цилиндр 1 с поршнем 2, ВпКЗ, ВыК4. Клапаны приводятся кулачками 5 распредвала 6. Поршень 2 через шатун 7 вращает коленчатый вал 8. Во впускной трубе на небольшом расстоянии от ВпКЗ размещен клапан продувки 10 (КП 10), конструктивно он аналогичен ВпКЗ, управляется своим кулачком от распредвала 6. Проходное сечение КП 1 0 принципиально больше чем у ВпКЗ. Объем между ВпКЗ и КП 1 0 - РП.
ДВС показан в состоянии конца такта выпуска, поршень чуть не доходит до ВМТ, КСУД, свеча зажигания и топливная форсунка условно не показаны.
ДВС работает следующим образом.
В конце такта выпуска (например, при положении днища поршня - 1) ВпКЗ и КШ О закрыты, давление в РП приблизительно равно атмосферному,
отработавшие газы через открытый ВыК4 выходят в выпускную трубу.
Давление в цилиндре еще выше атмосферного. Далее, не доходя до ВМТ на большой угол (40° и более), начинает открываться ВпКЗ (угол а3), КШ О остается закрытым. Поскольку Рц > Ррп отработавшие газы заходят в объем РП и сжимают находящийся там воздух (область сжатия показана точками). По мере истечения отработавших газов Рц падает, объем сжатого воздуха в РП
увеличивается к пкрвоначальному, и он вытесняет ОТ из РП назад в КС. Далее ОГ из КС выходят в выпускную трубу через ВыК4. Затем, в среднем за 10° до ВМТ (положение днища поршня - II) открывают КП 10 и прод вается воздухом из РП и впускной трубы. По окончании продувки, при открытых ВпКЗ, КП10 и закрытом ВыК4 происходит заряд цилиндра воздухом на движении поршня вниз до положения днища поршня - III, чуть позже НМТ. Это положение соответствует максимальному заряду цилиндра на высоких
оборотах, здесь закрывается ВпКЗ (угол β3), одновременно с ним или чуть позже (положение - IV) закрывается КП10. При этом в РП принципиально не
создается повышенное давление, ДВС не тратит на это энергию.
Таким образом отработавшие газы не могут попасть в выпускную трубу, их останавливает КП10 и ВпКЗ можно начинать открывать очень рано до ВМТ, так, чтобы при подходе к моменту закрытия ВыК4, он был бы уже полностью открыт, при этом КП10 открыт еще не полностью, но расход через него такой же как и через ВпКЗ из-за изначально большего конструктивного проходного сечения. Для этого тарелка КШ О выбирается большего диаметра, клапан имеет больший ход и при открытии (движении вниз) дополнительно проталкивает воздух через РП в КС.
Приводить КП10 относительно легко, поскольку усилие возвратных пружин может быть на порядок меньшим по сравнению с ВпКЗ, ведь КШ О находится вне цилиндра и для него не ставится задача обеспечения компрессии в условиях высоких температур и давления.
СИФГ, если использется, работает в легких условиях и управляет только одним клапаном КШ О.
По варианту В.
ДВС (Фиг.5) содержит цилиндр 1 с поршнем 2, ВпКЗ, ВыК4. Последние приводятся кулачками 5 распредвала 6. Поршень 1 через шатун 7 вращает коленчатый вал 8. ЭМЗ 1 1 (электромагнитная заслонка) размещена перед ВпКЗ на небольшом расстоянии (например 1 ...5 см), она являет собой сдвоенный лепестковый управляемый обратный клапан, который открывается и
закрывается электромагнитом (ЭМ) под управлением КСУД 12, эта же система управляет топливной форсункой 13 и свечой 14. Исходные параметры для КСУД: п, VB...
ДВС показан в состоянии конца такта выпуска, поршень 2 чуть не доходит до ВМТ.
Рассмотрим подробнее конструкцию и работу ЭМ31 1 (Фиг.7).
Корпус 15 монтируется во впускной трубопровод и содержит дв)е поперечные перегородки 16, отстоящие друг от друга на небольшом расстоянии
^=0,5...3 мм. Перегородки имеют одинаковую соосную перфорацию с
максимальной высотой элемента - hi . Между перегородками размещена легкая пластина-заслонка 17 толщиной - s, с такой же перфорацией как у перегородок. Заслонка 17 с помощью тяги 18 может перемещаться вверх-вниз до полного перекрытия или совпадения своих перфораций с перфорациями перегородок. Тяга 18 связана с двухполюсным цилиндрическим якорем 19 электромагнитов 20-21 и 22-23, где 20, 22 - магнитопроводы, а 21 , 23 - катушки соответственно. Катушки электромагнитов включаются и обесточиваются через ключи 24,25. Если включен электромагнит 20-21 и выключен - 22-23, якорь 19 и заслонка 17 занимают нижнее положение - клапан закрыт (отверстия перегородок 16 перекрыты заслонкой 17). Если включен электромагнит 22-23 и выключен - 20- 21 , якорь 19 и заслонка 17 перемещаются вверх - клапан открыт.
Согласно Фиг. 7 ЭМЗ 1 1 имеет два устойчивых положения (открыто, закрыто), легко сделать и промежуточные положения (Вид А, пунктир), увеличив
количество электромагнитов и расположив их в других плоскостях вокруг якоря. Соответственно следует изменить величину смещения электромагнитов по высоте - h до величины h/2 при трех электромагнитах, h/З - при четырех и т.д.
Перфорация заслонки 17 и перегородок 16 может быть не регулярной и иметь отверстия и их группы неравной площади, это вызывает завихрения потока воздуха на впуске и улучшает карбюрацию рабочей смеси.
Важное значение имеет проходное сечение (расход) ЭМЗ 1 1 . В связи с этим перегородки могут располагаться под углом к оси О-О] впускной трубы (Фиг.8), состоять из нескольких частей, а также иметь криволинейную поверхность, например, цилиндрическую (Фиг.9).
ДВС работает следующим образом.
В такте выпуска открыт ВыК4, ВпКЗ и ЭМ31 1 закрыты, отработавшие газы выходят в выпускную трубу. Недоходя до ВМТ начинает открываться ВпКЗ, ЭМ31 1 закрыта. Отработавшие газы под избыточным давлением входят в объем между ВпКЗ и ЭМ31 1 (РП) и сжимают находящийся там воздух (показано точками). По мере истечения отработавших газов, их давление падает, сжатый в РП воздух расширяется, приобретает скорость и вытесняет ОГ из РП назад в КС и далее, под действием эффекта эжекции, - в выпускную трубу, при этом Ррп падает ниже атмосферного. В этот момент (он может наступить как до, так и после ВМТ, в зависимости от режима ДВС) открывают ЭМ31 1 (она открывается мгновенно и полностью), происходит продувка КС воздухом из впускной трубы в напревлении от ВпКЗ к ВыК4. Далее при закрытом ВыК4 и полностью
открытых ЭМ31 1 и ВпКЗ происходит заряд цилиндра. Фазы ВпКЗ и ВыК4 неизменны. Угол а3 начала открытия ВпКЗ выбран наиболее большим, так чтобы к моменту закрытия ВыК4 он был бы открыт полностью.
На режимах частичной нагрузки (Фиг.6) ЭМ31 1 закрывается задолго до НМТ такта впуска (например в положении - V), этим обеспечивается частичный заряд, несмотря на то, что ВпКЗ еще открыт. Далее, при продолжении движения поршня 2 вниз над ним создается некоторое разряжение, ДВС затрачивает энергию на преодоление противомомента. На движении поршня 2 вверх до
положения - VI потраченная энергия возвращается (поршень втягивается в цилиндр).
Незадолго после НМТ такта впуска (начала такта сжатия) как у всех
классических ДВС ВпКЗ закрывается (угол β3). Далее следуют такты: сжатие, рабочий ход, выпуск.
Следует отметить, что в продолжение угла φ3 в РП давление ниже
атмосферного, в это время желательно кратковременно открыть ЭМ31 1 и уравнять давление слева и справа от заслонки (заштрихованный сектор (ру).
Сектор фу может располагаться в любом месте в пределах угла φ3 (см. например, секторы (руЬ (ру2). Таким образом тарельчатые ВпКЗ и ВыК4, находящиеся в цилиндре, работают как компрессионные, а управляемый ЭМ31 1 обеспечивает заряд цилиндра от минимального до полного и работает в легких условиях по температуре и давлению. ЭМ31 1 выполняется в виде легкой тонкой пластины, работает принципиально без ударов при открытии и закрытии, обеспечивает высокую частоту работы, допускает промежуточное положение и управляется мощностью около 20 Вт. Ход заслонки вверх-вниз - единицы миллиметров.
Следует отметить что в режимах частичной нагрузки ДВС энергия,
потраченная на преодоление противомомента на впуске, возвращается не полностью, величина «не возврата» оценивается как отношение:
0= νρπ/( vpn+ vu),
и при минимальных нагрузках ДВС достигает 10%.
В режиме полной нагрузки ДВС работает как классический, максимальный заряд (Фиг.10) предполагает одновременное закрытие ВпКЗ и ЭМ31 1 (или ВпКЗ закрывается раньше ЭМ31 1 ). Момент β3 устанавливается положением кулачка и неизменен.
Следует отметить, что Vpn должен быть минимальным для снижения величины невозврата - Q. Но при низком Vpn мало воздуха на продувку КС после такта выпуска, и на ЭМЗ 1 1 усиливается негативное воздействие относительно высоких температур ОГ.
Если сильно увеличить Vpn, например, до нескольких объемов КС (это
соответствует росту размера L), нельзя будет обеспечить малый заряд, так как после раннего закрытия ЭМ31 1 цилиндр все равно наберет полный заряд из РП через открытый ВпКЗ . Конечно, для каждого конкретного ДВС есть свой оптимальный Vpn , который определяется эмпирически, но в среднем он сравним с объемом КС: Vp^ VKC.
Запустить холодный ДВС на малом заряде, а также работать на холостом ходу, в особенности при отрицательных внешних температурах, проблематично, поскольку на малом заряде мало давление рабочей смеси в конце такта сжатия - мала ее температура - заряд плохо поджигается искрой. В таких условиях желательно давать полный заряд воздуха, формируя при этом послойную смесь с обогащением в районе свечи. Эта задача возлагается на КСУД12.
ЭМЗ предоставляет широкие возможности по управлению ДВС.
1. Она дает возможность значительно раньше открывать впускной клапан
цилиндра и тем самым получать от ДВС большие Мтах и Ртах .
2. В процессе продувки на протяжении угла перекрытия клапанов ЭМЗ из-за малой инерции может открываться и закрываться несколько раз. В
многоцилиндровом ДВС В области открытого впускного клапана
β
наблюдаются гармонические колебания давления, обусловленные выхлопом из других цилиндров. Эти колебания соответственно изменяют Р|(С. ЭМЗ открывается при Ркс меньше атмосферного и закрывается при Ркс больше атмосферного.
ДВС можно как и в /3/ эксплуатировать полностью закрыв ЭМЗ. Это соответствует отключению цилиндра. Дополнительно возможна
эксплуатация в режиме вакуумного торможения (Фиг.1 1 ). Здесь в такте впуска ЭМЗ 1 1 закрыта или приоткрыта, происходит вакуумное
торможение поршня (тем сильнее, чем меньше открыта заслонка). Перед НМТ такта впуска ЭМЗ 1 1 открывается полностью - цилиндр заполняется воздухом атмосферного давления. После НМТ и закрытия ВпКЗ в
цилиндре происходит сжатие воздуха, затем в такте рабочего хода - его расширение, в конце которого, при открытом ВыК4 воздух выходит в выпускную трубу и т.д. В этом режиме соответственно топливо не подается, тормозной эффект регулируется либо величиной открытия
ЭМ31 1 , либо длительностью полностью закрытого ее состояния за такт выпуска. Режим вакуумного торможения может быть получен также многократным открыванием и закрыванием ЭМ31 1 в течение такта впуска. В режиме частичной нагрузки ДВС может работать в режиме широтно- импульсной модуляции. При этом ЭМЗ полностью открывается на часть длительности такта впуска (насосных потерь нет).
Допускается режим работы с частично открытой ЭМЗ 1 1 на всем такте впуска, как при работе с дроссельной заслонкой (максимальные насосные потери).
Допускается смешанный режим (небольшие насосные потери).
Например, на такте впуска сначала ЭМ31 1 открыта полностью (насосные потери минимальны, топливо не подается), затем - открыта частично
(воздух поступает с повышенной турбулентностью, топливо подается, формируется стехиометрическая смесь), затем ЭМ31 1 полностью открыта (топливо не подается). Таким образом формируется послойная смесь при полном заряде цилиндра воздухом. Если на третьем этапе заслонка закрыта - формируется послойная смесь с неполным зарядом воздуха. ЭМЗ за такт впуска может открываться полностью или частично несколько раз.
ЭМЗ по сути заменяет дроссельную заслонку классического ДВС.
Совместно с КСУД выполняет функцию СИФГ, может применяться на два цилиндра, работающих через такт (Фиг.12).
Литература .С. СССР 705133 G02B 25/20
атент Германии (прототип) N2472992
.С. СССР J\°889878 G02B 29/00