ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕМ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
ENGINE OF INTERNAL COMBUSTION WITH SELF-FLAMMING AND METHOD OF ITS WORK

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с самовоспламенением, содержащему по меньшей мере два цилиндра, из которых по меньшей мере два цилиндра сконфигурированы так, чтобы формировать по меньшей мере две группы, в каждом случае с по меньшей мере одним цилиндром, при этом по меньшей мере один цилиндр по меньшей мере одной группы сформирован как цилиндр, который может быть переключен зависимым от нагрузки образом.
Изобретение также относится к способу работы двигателя внутреннего сгорания упомянутого типа, оптимизированного относительно расхода топлива образом.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
При разработке двигателей внутреннего сгорания основная задача состоит в минимизации расхода топлива и улучшении общей эффективности, находящейся в фокусе прилагаемых усилий.
Хотя дизельные двигатели, то есть двигатели внутреннего сгорания с самовоспламенением, благодаря качественному регулированию, которое они используют, имеют более высокую эффективность, то есть более низкий расход топлива, чем двигатели с циклом Отто, в которых нагрузка устанавливается посредством количественного регулирования посредством наполнения цилиндров свежей смесью, то есть количеством смеси, также есть потенциальная возможность для улучшения и потребность в улучшении в отношении расхода топлива и эффективности в случае дизельных двигателей.
Одной из концепций для снижения расхода топлива является вывод из работы цилиндров, то есть вывод из работы отдельных цилиндров в определенных диапазонах нагрузок. Эффективность дизельного двигателя при работе с частичной нагрузкой может быть улучшена, то есть повышена, посредством частичного вывода из работы, так как в случае постоянной мощности двигателя вывод из работы по меньшей мере одного цилиндра многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания повышает нагрузку на другие цилиндры, все еще находящиеся в работе, чтобы упомянутые цилиндры работали в областях более высоких нагрузок, в которых удельный расход топлива ниже. Общая нагрузка при работе с частичной нагрузкой дизельного двигателя смещается по направлению к более высоким нагрузкам.
Цилиндры, которые продолжают работать во время частичного вывода из работы, более того, допускают более высокие скорости рециркуляции выхлопных газов благодаря большей массе подаваемого топлива, то есть благодаря более богатой смеси.
Дополнительные преимущества касательно эффективности получаются в результате того, что выведенный из работы цилиндр благодаря отсутствию сгорания не производит никаких пристеночных тепловых потерь благодаря переносу тепла из газов сгорания на стенки камеры сгорания.
Многоцилиндровые двигатели внутреннего сгорания с частичным выводом из работы, описанные в предшествующем уровне техники, и связанные способы работы упомянутых двигателей внутреннего сгорания, тем не менее, имеют значительный потенциал для усовершенствования.
Задача настоящего изобретения состоит в обеспечении двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением, оптимизированного в отношении частичного вывода из работы.
Дополнительная задача настоящего изобретения состоит в детальном изложении способа работы двигателя внутреннего сгорания упомянутого типа оптимизированным образом в отношении расхода топлива.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для решения первой задачи предложен двигатель внутреннего сгорания с самовоспламенением, содержащий по меньшей мере два цилиндра, из которых по меньшей мере два цилиндра выполнены так, чтобы формировать по меньшей мере две группы, в каждом случае с по меньшей мере одним цилиндром, причем по меньшей мере один цилиндр по меньшей мере одной группы сформирован как цилиндр, который может быть переключен зависимым от нагрузки образом, при этом
i
по меньшей мере две группы характеризуются разными степенями ε сжатия,
1
по меньшей мере один цилиндр первой группы имеет степень εсжатия и
2
2
1
по меньшей мере один цилиндр второй группы имеет степень ε сжатия, где ε<ε.
Цилиндры по меньшей мере одной группы сформированы как цилиндры, которые могут быть переключены. Это дает многообразие вариантов способов эксплуатации соответственно различных вариантов осуществления двигателя внутреннего сгорания, как будет подробнее описано совместно с зависимыми пунктами формулы изобретения. Основной отличительный признак состоит в том, что только одна из по меньшей мере двух групп цилиндров или более чем одна группа цилиндров сформирована с возможностью быть переключенной. Последний вариант дает возможность не только ввода в работу, но скорее также, в частности, переключения и, если уместен, более позднего - в таком случае нового  ввода в работу.
По существу справедливо - это является присущим всем вариантам - что при работе с частичной нагрузкой двигателя внутреннего сгорания, то есть на низких и, если уместно, средних нагрузках по меньшей мере один цилиндр из одной группы выводится из работы наряду с тем, что по меньшей мере один цилиндр по меньшей мере одной другой группы продолжает работать. Если заданная нагрузка недобрана, то происходит частичный вывод из работы, в результате которого потребление нагрузки на по меньшей мере одном цилиндре, который остается в работе, возрастает, приводя к преимуществам, уже описанным во введении. Потребление мощности на цилиндрах, которые еще находятся в работе во время частичного вывода из работы, увеличивается, чтобы упомянутые цилиндры работали на более высоких нагрузках с более низким удельным расходом топлива. Более того, выведенные из работы цилиндры не производят никаких пристеночных тепловых потерь и, таким образом, не вносят вклад в потери эффективности в результате теплопередачи в конструкцию двигателя.
i
Согласно изобретению частичный вывод из работы при эксплуатации на частичных нагрузках дизельного двигателя дополнительно оптимизирован посредством конструктивного признака, в особенности по той причине, что группы цилиндров двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению имеют разные степени ε сжатия.
i
i
i
Следует принимать во внимание, что эффективность η находится в определенном соотношении со степенью ε сжатия, то есть эффективность η является по существу более высокой в случае относительно высокой степени ε сжатия и является по существу более низкой в случае относительно низкой степени ε сжатия. Эта базовая зависимость, однако, может нарушаться по направлению к очень высоким степеням сжатия, так как тогда, среди прочего, сильно увеличивается прорыв газов, что оказывает отрицательное воздействие на эффективность.
i
i
i
Разные степени εсжатия являются результатом конфигурации групп цилиндров для разных рабочих состояний и диапазонов нагрузки. Дизельный двигатель требует определенной степени сжатия, то есть минимальной степени сжатия, чтобы инициировать самовоспламенение, в частности, при запуске, то есть при первой инициации сгорания, когда двигатель внутреннего сгорания возможно все еще не прогрет. Степени сжатия ε≈18, например, могут требоваться, чтобы гарантировать надежное самовоспламенение во время холодного запуска, если не реализованы другие меры, которые делали бы приемлемой более низкую степень сжатия. Однако, по чисто термодинамическому аспекту, степень ε≈16 сжатия предпочтительна, чтобы оптимизировать эффективность двигателя внутреннего сгорания.
1
2
Из того, что было изложено выше, следует, что по меньшей мере один цилиндр, который находится в работе в диапазоне более низких частичных нагрузок, преимущественно должен быть обеспечен высокой или более высокой степенью ε сжатия. Двигатель внутреннего сгорания в таком случае мог бы надежно запускаться на упомянутом по меньшей мере одном цилиндре. По меньшей мере один цилиндр второй группы в таком случае должен быть сконфигурирован для более высоких нагрузок, то есть должен быть снабжен более низкой степенью ε сжатия. Последнее также предусматривает более высокие уровни температур и давлений при относительно высоких нагрузках. Низкая степень сжатия возможно снижает эффективность связанной второй группы цилиндров, но также уменьшает механическую нагрузку на конструкцию двигателя при относительно высоких нагрузках, а также прорыв газов в упомянутом диапазоне нагрузок, что, в свою очередь, дает преимущества в показателях эффективности.
Из того, что было изложено выше, также вытекает, что двигатель внутреннего сгорания согласно изобретению имеет более высокую эффективность η не только при работе с частичной нагрузкой, но скорее также в диапазоне относительно высоких нагрузок.
Две группы цилиндров также могут отличаться друг от друга в отношении других рабочих параметров или признаков конструкции, например, компоновки охлаждения, процесса сгорания, коэффициента λ воздуха, впускных каналов, выпускных каналов и/или форсунок для впрыска.
С двигателем внутреннего сгорания согласно изобретению предложен двигатель внутреннего сгорания с самовоспламенением, который оптимизирован в отношении частичного вывода из работы. Таким образом, решается первая задача, на которой основано изобретение.
i
Двигатель внутреннего сгорания согласно изобретению содержит по меньшей мере два цилиндра или по меньшей мере две группы, в каждом случае с по меньшей мере одним цилиндром. В этом отношении двигатели внутреннего сгорания с тремя цилиндрами, которые сконфигурированы в трех группах, в каждом случае с одним цилиндром, или двигатели внутреннего сгорания с шестью цилиндрами, которые сконфигурированы в трех группах, в каждом случае с двумя цилиндрами, также являются двигателями внутреннего сгорания согласно изобретению. Три группы цилиндров могут иметь разные степени ε сжатия и вводиться в работу и выводиться из работы по отдельности и независимо друг от друга, в качестве частичного вывода из работы, в силу чего также может осуществлять двойное переключение. Частичный вывод из работы, тем самым, дополнительно оптимизируется. Группы цилиндров также могут содержать разное количество цилиндров.
1
low
max,n
В одном из вариантов осуществления предложен двигатель, в котором в случае частичного вывода из работы в диапазоне более низких частичных нагрузок по меньшей мере один цилиндр первой группы является по меньшей мере одним цилиндром двигателя внутреннего сгорания, находящимся в работе. В случае частичного вывода из работы по меньшей мере один цилиндр из первой группы является по меньшей мере одним цилиндром, который находится в работе, когда двигатель внутреннего сгорания работает с частичной нагрузкой, чтобы при более высокой степени ε сжатия эффективность двигателя внутреннего сгорания на низких нагрузках оптимизировалась, при этом низкая нагрузка T, то есть нагрузка в диапазоне более низких частичных нагрузок, является нагрузкой, которая доходит до менее чем 50%, предпочтительно менее чем 30% максимальной нагрузки T при данной скорости n вращения.
Дополнительные полезные варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением будут обсуждены в связи с зависимыми пунктами формулы изобретения.
down
up
В одном из вариантов осуществления предложен двигатель, в котором по меньшей мере один цилиндр второй группы сформирован как вводимый в работу цилиндр, который выводится из работы, если недобрана заданная нагрузка T, и который вводится в работу, если превышена заданная нагрузка T.
1
up
Двигатель внутреннего сгорания запускается и работает на низких нагрузках на по меньшей мере одном цилиндре из первой группы. Высокая степень ε сжатия первой группы обеспечивает улучшенную эффективность двигателя внутреннего сгорания на низких нагрузках. По меньшей мере один цилиндр второй группы сконфигурирован для относительно высоких нагрузок и вводится в работу, если превышена заданная нагрузка T, при этом по меньшей мере один цилиндр первой группы является цилиндром, который постоянно находится в работе.
При работе с частичной нагрузкой по меньшей мере один цилиндр второй группы вновь выводится из работы, если недобрана заданная нагрузка, в силу чего потребление нагрузки на по меньшей мере одном оставшемся цилиндре первой группы возрастает. Преимуществами являются те, которые уже были изложены выше.
Также в одном из вариантов осуществления предложен двигатель, в котором как по меньшей один цилиндр первой группы, а также и по меньшей мере один цилиндр второй группы сформированы как переключаемые цилиндры.
В противоположность варианту осуществления, описанному выше, в представленном случае обе группы цилиндров сформированы как переключаемые группы. Это дает возможность не только ввода в работу, но скорее также переключения между по меньшей мере двумя группами цилиндров, а также комбинации переключения и ввода в работу. Разные подходы будут пояснены вместе с описанием способа согласно изобретению и вариантов способа.
В одном из вариантов осуществления предложен двигатель, в котором по меньшей мере два цилиндра формируют две группы, в каждом случае с по меньшей мере одним цилиндром.
1
Две группы цилиндров обладают преимуществом над вариантами осуществления с несколькими группами цилиндров по той причине, что управление или регулирование частичного вывода из работы является менее сложным. Более того, следует принимать во внимание, что осуществление компенсации массы и момента, которая предпочтительно может подобным образом вводиться в работу по частям, делается более трудной при разных степенях ε сжатия, и расходы на это значительно возрастают с ростом количества групп цилиндров.
1
2
2
1
В одном из вариантов осуществления предложен двигатель, в котором по меньшей мере один цилиндр из первой группы имеет степень ε сжатия, а по меньшей мере один цилиндр второй группы имеет степень ε сжатия, где ε+1<ε.
1
2
2
1
Также в одном из вариантов осуществления предложен двигатель, в котором по меньшей мере один цилиндр из первой группы имеет степень ε сжатия, а по меньшей мере один цилиндр второй группы имеет степень ε сжатия, где ε+2<ε.
1
2
2
1
Также в одном из вариантов осуществления предложен двигатель, в котором по меньшей мере один цилиндр из первой группы имеет степень ε сжатия, а по меньшей мере один цилиндр второй группы имеет степень ε сжатия, где ε+3<ε.
i
Тогда как три варианта осуществления, приведенных выше, связаны с относительной разницей между двумя группами цилиндров в показателях степени ε сжатия, следующие варианты осуществления относятся к абсолютной степени сжатия двух групп.
2
2
2
В одном из вариантов осуществления предложен двигатель, в котором по меньшей мере один цилиндр из второй группы имеет степень ε сжатия, где 13<ε<17, предпочтительно 14<ε<16,5.
По меньшей мере один цилиндр второй группы имеет термодинамически благоприятную или более благоприятную степень сжатия, при которой может улучшаться эффективность второй группы цилиндров, а соответственно, также эффективность η двигателя внутреннего сгорания.
1
1
1
Также в одном из вариантов осуществления предложен двигатель, в котором по меньшей мере один цилиндр из первой группы имеет степень ε сжатия, где 17<ε<20, предпочтительно 17,5<ε<19.
По меньшей мере один цилиндр первой группы имеет степень сжатия, которая достаточно высока, чтобы обеспечивать надежную инициацию самовоспламенения, чтобы упомянутая группа цилиндров была предпочтительной группой по меньшей мере для запуска или холодного запуска двигателя внутреннего сгорания.
В одном из вариантов осуществления предложен двигатель, в котором:
i
- по меньшей мере две группы характеризуются разными объемами V цилиндров,
1
2
2
1
- по меньшей мер один цилиндр первой группы имеет объем Vцилиндра и по меньшей мере один цилиндр второй группы имеет объем V цилиндра, где V>V.
i
i
i
Предоставление двух групп цилиндров с разными объемами V цилиндров, в свою очередь, служит для оптимизации частичного вывода из работы. Для этой задачи структурный признак двигателя внутреннего сгорания или цилиндров, то есть объем V цилиндра, принимается во внимание, в особенности в дополнение к обязательным разным степеням ε сжатия.
1
2
Цилиндры первой группы имеют меньший, предпочтительно значительно меньший объем V цилиндра, чтобы - при условии равных количеств цилиндров на каждую группу - большая доля общего объема двигателя внутреннего сгорания обеспечивалась цилиндрами второй группы и, таким образом, цилиндрами, имеющими термодинамически более благоприятную степень ε сжатия.
1
2
1
2
1
В одном из вариантов осуществления предложен двигатель, в котором по меньшей мере один цилиндр из первой группы имеет объем V цилиндра, а по меньшей мере один цилиндр из второй группы имеет объем V цилиндра, где 1×V<V<2×V.
1
2
1
2
1
В одном из вариантов осуществления предложен двигатель, в котором по меньшей мере один цилиндр из первой группы имеет объем V цилиндра, а по меньшей мере один цилиндр из второй группы имеет объем V цилиндра, где 1,3×V<V<2×V.
1
2
1
2
1
В одном из вариантов осуществления предложен двигатель, в котором по меньшей мере один цилиндр из первой группы имеет объем V цилиндра, а по меньшей мере один цилиндр из второй группы имеет объем V цилиндра, где 1,3×V<V<1,75×V.
В одном из вариантов осуществления предложен двигатель, в котором каждый цилиндр снабжен средством прямого впрыска для ввода топлива.
Здесь полезны варианты осуществления, в которых каждый цилиндр снабжен форсункой впрыска в целях прямого впрыска.
Тем не менее, в одном из вариантов осуществления может быть предложен двигатель, в котором средство впрыска во впускную трубу предусмотрено для целей подачи топлива.
Вторая задача, на которой основано изобретение, в частности, задача описания способа работы двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением вышеописанного типа оптимальным образом в отношении расхода топлива, решается посредством способа, включающего в себя этап, на котором по меньшей мере один переключаемый цилиндр из по меньшей мере одной группы переключают в зависимости от нагрузки T двигателя внутреннего сгорания.
То, что уже было изложено в отношении двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению, также применяется к способу согласно изобретению, по какой причине ссылка, как правило, делается на этот стык с формулировками, приведенными выше в отношении двигателя внутреннего сгорания. Разные двигатели внутреннего сгорания требуют частично разных вариантов способа.
down
up
В одном из вариантов предложен способ, в котором по меньшей мере один цилиндр второй группы сформирован как вводимый в работу цилиндр, при этом по меньшей мере один цилиндр второй группы выводят из работы, если недобрана заданная нагрузка T, и вводят в работу, если превышена заданная нагрузка T.
down
up
Предельные нагрузки T и T, заданные для недобора и превышения соответственно, могут иметь равную амплитуду, хотя также могут отличаться по амплитуде. Когда двигатель внутреннего сгорания находится в работе, цилиндры первой группы цилиндров в настоящем случае являются цилиндрами, которые находятся в работе постоянно. Происходит переключение только второй группы цилиндров, то есть ввод в работу и вывод из работы упомянутой второй группы.
down
down,
1
В одном из вариантов осуществления предложен способ, в котором по меньшей мере один цилиндр из второй группы выводят из работы, когда недобрана заданная нагрузка T, и существующая нагрузка остается ниже, чем упомянутая заданная нагрузка T в течение заданного периода Δt времени.
down
down
Ввод дополнительного условия для вывода из работы цилиндров второй группы, то есть частичного вывода из работы, предназначен для предотвращения чересчур частого ввода в работу и вывода из работы, в частности частичного вывода из работы, если нагрузка падает ниже заданной нагрузки T всего лишь ненадолго, а затем вновь поднимается или колеблется около заданного значения для нагрузки T без недобора, оправдывая и делая необходимым частичный вывод из работы.
up
up,
2
По этим причинам в одном из вариантов осуществления предложен способ, в котором по меньшей мере один цилиндр из второй группы вводят в работу, когда превышена заданная нагрузка T и существующая нагрузка остается выше, чем упомянутая заданная нагрузка T в течение заданного периода Δt времени.
В одном из вариантов осуществления предложен способ, в котором по меньшей мере один цилиндр первой группы, а также по меньшей мере один цилиндр второй группы сформированы как переключаемые цилиндры, при этом, исходя из работы по меньшей мере одного цилиндра первой группы на низких нагрузках,
up,1
производят переключение на по меньшей мере один цилиндр второй группы, если превышена первая заданная нагрузка T.
up,1
В вышеприведенном варианте осуществления способа согласно изобретению, исходя из низких нагрузок, сначала подвергают зажиганию, то есть приводят в работу, по меньшей мере один цилиндр первой группы, для того чтобы выдавать требуемую мощность, наряду с тем, что по меньшей мере один цилиндр второй группы выводят из работы. С ростом нагрузки затем осуществляют переключение между по меньшей мере двумя группами цилиндров, при этом по меньшей мере один цилиндр первой группы выводят из работы, а по меньшей мере один цилиндр второй группы вводят в работу, когда превышена нагрузка T.
up,2
В этой связи в одном из вариантов осуществления предложен способ, в котором исходя из работы по меньшей мере одного цилиндра второй группы при постепенно возрастающей нагрузке, вводят в работу по меньшей мере один цилиндр первой группы повторно, если превышена вторая заданная нагрузка T. Выходная мощность двигателя внутреннего сгорания может дополнительно увеличиваться таким образом.
down
up
up,1
up,2
В одном из вариантов осуществления предложен способ, в котором заданная нагрузка T, T, T и/или T зависит от скорости n вращения двигателя внутреннего сгорания. В таком случае есть не только одна удельная нагрузка, по недобору или превышению которой происходит переключение независимо от скорости n вращения. Взамен преследуется зависимый от скорости вращения подход, и на трехмерной регулировочной характеристике определена область, в которой происходит частичный вывод из работы.
По существу возможно, чтобы дополнительные параметры двигателя внутреннего сгорания, например, температура двигателя или температура хладагента после холодного запуска двигателя внутреннего сгорания принимались во внимание в качестве критерия для частичного вывода из работы.
В одном из вариантов осуществления предложен способ, в котором прекращают подачу топлива выведенного из работы цилиндра. Достигаются преимущества в отношении расхода топлива и загрязняющих выбросов, которые содействуют решению задачи, преследуемой частичным выводом из работы, в особенности снижение расхода топлива и улучшение эффективности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет подробнее описано ниже на основе варианта осуществления двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением согласно фиг. 1, на которой:
схематично показаны цилиндры по варианту осуществления двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1 схематично показывает четыре цилиндра 1, 2, 3, 4 четырехцилиндрового рядного двигателя с самовоспламенением.
Четыре цилиндра 1, 2, 3, 4, которые находятся в рядной конфигурации, формируют две группы цилиндров, в каждом случае с двумя цилиндрами 1, 2, 3, 4, при этом первая группа содержит внешние цилиндры 1, 4, а вторая группа содержит внутренние цилиндры 2, 3. На показанном чертеже поршни 1a, 2a первого и второго цилиндров 1, 2 расположены в нижней мертвой точке, а поршни 3a, 4a третьего и четвертого цилиндров 3, 4 расположены в верхней мертвой точке.
1
2
2
1
Две группы цилиндров отличаются разными степенями сжатия, при этом цилиндры 1, 4 первой группы имеют степень ε сжатия, а цилиндры 2, 3 второй группы имеют степень ε сжатия, где ε<ε.
Здесь цилиндры 2, 3 второй группы сформированы как вводимые в работу цилиндры 2, 3, которые выводят из работы при работе с частичной нагрузкой, когда недобрана заданная нагрузка. Таким образом, потребление нагрузки на цилиндрах 1, 4 первой группы, которые остаются в работе, возрастает, и упомянутые цилиндры в таком случае работают под нагрузками с более низким удельным расходом топлива. В результате происходит улучшение эффективности.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОНЧЫХ ПОЗИЦИЙ
1 Первый цилиндр
1a Поршень первого цилиндра
2 Второй цилиндр
2a Поршень второго цилиндра
3 Третий цилиндр
3a Поршень третьего цилиндра
4 Четвертый цилиндр
4a Поршень четвертого цилиндра
i
ε Степень сжатия цилиндра или группы цилиндров
1
ε Степень сжатия первой группы цилиндров
2
ε Степень сжатия второй группы цилиндров
λ Коэффициент воздуха
η Эффективность
n Скорость вращения двигателя внутреннего сгорания
T Нагрузка
down
T Заданная нагрузка для недобора нагрузки
low
T Нагрузка в диапазоне более низких частичных нагрузок
max,n
T Максимальная нагрузка при существующей скорости n вращения
up
T Заданная нагрузка для превышения нагрузки
up,1
T Первая заданная нагрузка для превышения нагрузки
up,2
T Вторая заданная нагрузка для превышения нагрузки
i
V Объем цилиндра
1
V Объем цилиндра первой группы цилиндров
2
V Объем цилиндра второй группы цилиндров