СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТОРМОЗНОЙ МОЩНОСТИ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ АВТОМОБИЛЯ, В ЧАСТНОСТИ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD AND DEVICE TO UP AUTOMOTIVE PISTION ICE BRAKING CAPACITY, IN PARTICULAR, THAT OF DIESEL ENGINE

Изобретение относится к способу и устройству для повышения тормозной мощности поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) автомобиля, в частности дизельного двигателя, содержащего, по меньшей мере, один цилиндр, по меньшей мере, с одним впускным и одним выпускным клапанами, турбину, компрессор, воздушный компрессор, по меньшей мере, один аккумулятор, трубопровод для наддувочного воздуха и управляющее устройство.
Тормозная мощность двигателя, называемая далее «тормозная мощность», таких дизельных двигателей с наддувом, содержащих турбину и компрессор турбонаддувочных устройств, уменьшается с возрастанием степени наддува за счет вызванного этим уменьшения рабочего объема/размера двигателя. Однако в дизельных двигателях с наддувом в любом случае в распоряжении должна быть адекватно возрастающая с мощностью двигателя тормозная мощность. Поэтому данная проблема возникает, в частности, при даунсайзинге двигателей, когда тяжелые двигатели большого рабочего объема заменяются более легкими двигателями малого рабочего объема с заметно увеличенной удельной мощностью.
Поэтому, прежде всего, создание высокой тормозной мощности, которая должна соответствовать тормозной мощности большого двигателя, является центральной проблемой, которая должна быть решена при даунсайзинге, чтобы, например, при езде под гору не перегружать традиционную тормозную систему или не ухудшать привычный комфорт движения.
Однако в то же время также в нормальном режиме движения падение тормозной мощности при часто возникающих снижениях нагрузки и оборотов, которые большие двигатели должны частично перекрывать своим маховым моментом, в меньших двигателях должны улавливаться за счет быстро вырабатываемых в цилиндре тормозных сил.
В уровне техники для отображения высоких тормозных моментов двигателя известны так называемые дроссельные заслонки перепуска отработавших газов, которые при высоких оборотах двигателя за счет более или менее полного перекрытия выпускного трубопровода обеспечивают повышенный обратный напор отработавших газов и тем самым повышенную тормозную мощность двигателя. Недостаток этой простой техники состоит в том, что тормозная мощность достигается преимущественно только за счет потерь отработавших газов при дросселировании, перемещаемых возвратно-поступательно в более или менее закрытом пространстве между днищем поршня и заслонкой их перепуска, что помимо скромного выхода - максимально достигаемая тормозная мощность соответствует примерно 50% мощности двигателя - приводит, прежде всего, также к нежелательному нагреву и без того термически высоконагруженных выпускных клапанов и форсунок. Поэтому существенно более высокой тормозной мощности выше 100% мощности двигателя позволяют достичь системы, использующие работу сжатия двигателя таким образом, что в конце хода сжатия за счет короткого открывания газообменных клапанов или за счет собственного управляемого «тормозного клапана» в головке цилиндров сжатый воздух сгорания выпускается и тем самым больше не может служить в качестве рабочего накопителя, который накопленную во всасанном воздухе сгорания работу сжатия при ходе вниз поршня (рабочий ход двигателя) снова отдает ему.
Уже из этого видно, что введенное в цилиндр в режиме торможения количество воздуха является мерой работы сжатия и тем самым в этих эффективных тормозных системах - также мерой тормозной мощности.
Этот эффект усиливается за счет того, что в режиме торможения, называемом также режимом принудительного холостого хода, двигатели и, в частности, также двигатели с наддувом, в которых в этом рабочем состоянии отсутствует давление наддува, работают с относительно низкими степенями наполнения цилиндров, которые возникают из аэродинамических сопротивлений в системе впуска и которые прогрессивно усиливаются за счет повышенных оборотов двигателя в режиме торможения. Кроме того, именно у двигателей с наддувом с учетом ограничения максимальных давлений цикла степень сжатия должна быть заметно понижена по сравнению с двигателями без наддува (с е=21 до е=16), что также приводит к заметному уменьшению работы сжатия и тем самым тормозной мощности.
Кроме того, известно, что в автомобилях с дизельным двигателем с пневматической тормозной системой сжатый воздух отбирается из пневмоаккумулятора, отделенного по причинам безопасности от собственно тормозной системы, причем подача этого дополнительного количества нагнетаемого воздуха осуществляется за счет увеличенного по сравнению со стандартной пневматической тормозной системой воздушного компрессора или за счет наддува избыточным наддувочным воздухом двигателя. Этот «дополнительный воздух» подается в двигатель для лучшего ускорения в систему впуска, т.е. до или после турбонагнетателя. Также известно, что это позволяет достичь возрастания крутящего момента в диапазоне низкой нагрузки. Недостатком же является высокая потребность в воздухе, которая возникает за счет того, что дополнительный воздух подается к отдельным цилиндрам нецеленаправленно и не тактами. Эти недостатки устраняются посредством известных заявителю новейших нагнетательных систем, которые с помощью электронно-управляемых и электронно-регулируемых пневматических компонентов, которые могут быть интегрированы в микроэлектронику, например электронно-регулируемую систему впрыска, обеспечивают тактовое нагнетание необходимого дополнительного воздуха.
В основе изобретения лежит задача повышения тормозной мощности поршневого ДВС такого автомобиля.
Эта задача решена посредством способа, охарактеризованного признаками п.1, и устройства, охарактеризованного признаками п.10 формулы.
Согласно изобретению создан способ, при котором к каждому цилиндру двигателя по отдельности или, в целом, в тракт впуска на фазе торможения тактами подается дополнительный воздух.
Системы, разработанные для повышения мощности и крутящего момента двигателей, усовершенствованы таким образом, что в комбинации с такими же или аналогичными механическими, пневматическими и электронными компонентами для повышения крутящего момента также простым образом заметно повышается тормозная мощность двигателя по сравнению с уровнем техники посредством тактового нагнетания воздуха для наполнения цилиндров в режиме торможения и тем самым работа сжатия, а в сочетании с известными устройствами сброса - также тормозная мощность. Это позволяет устранить или, по меньшей мере, значительно уменьшить недостатки, возникающие в двигателях с наддувом с уменьшенным за счет этого рабочим объемом.
Предложенный способ повышения тормозной мощности поршневого ДВС автомобиля, в частности дизельного двигателя, содержащего, по меньшей мере, один цилиндр, по меньшей мере, с одним впускным и одним выпускным клапанами, турбину, компрессор, воздушный компрессор, по меньшей мере, один аккумулятор, трубопровод для наддувочного воздуха и управляющее устройство, характеризуется тем, что он содержит следующие этапы:
- сжатие воздуха из трубопровода для наддувочного воздуха или из второго воздуховпускного патрубка посредством воздушного компрессора;
- аккумулирование сжатого воздушным компрессором воздуха, по меньшей мере, в одном аккумуляторе;
- тактовое нагнетание нагнетаемого воздуха, аккумулированного в виде сжатого воздуха, по меньшей мере, в одном аккумуляторе и/или подаваемого из воздушного компрессора, в цилиндр для повышения работы сжатия с целью повышения тормозной мощности двигателя в процессе торможения.
С помощью описанных мер предпочтительно достигается то, что количество дополнительного нагнетаемого воздуха расходуется только такого порядка, который соответствует данной тормозной мощности двигателя. Также достигается экономия аккумулирующего объема для этого нагнетаемого воздуха и соответствующая мощность компрессора. Данный способ подходит для автомобилей с пневматической тормозной системой и без нее.
В автомобилях с пневматической тормозной системой особенно предпочтительным является то, что на этапе аккумулирования сжатый воздух сначала подается в первый аккумулятор и аккумулируется в нем, причем аккумулированный в первом аккумуляторе воздух подается посредством питающего клапана во второй аккумулятор для аккумулирования в нем, если в первом аккумуляторе имеется определенное количество воздуха под определенным давлением.
В одном варианте выполнения настоящего изобретения питающим клапаном управляет управляющее устройство, причем предпочтительно гарантировано, что пневматическая тормозная система не испытывает потери сжатого воздуха. В то же время возможна проверка давления.
В предпочтительном варианте выполнения этап тактового нагнетания содержит следующие подэтапы:
- определение посредством управляющего устройства рабочего состояния двигателя и автомобиля с помощью данных управляющего компьютера двигателя и/или подходящих измерительных датчиков;
- определение давления, по меньшей мере, в одном аккумуляторе посредством измерительного датчика и/или посредством регулятора давления и давления наддува в трубопроводе для наддувочного воздуха, а также оборотов двигателя, соответствующих режиму торможения, и передача этой информации управляющему устройству;
- нагнетание нагнетаемого воздуха за счет открывания управляющего клапана к впускному клапану цилиндра посредством управляющего устройства для нагнетания нагнетаемого воздуха в цилиндр, когда впускной клапан открывается и двигатель имеет рабочее состояние процесса торможения;
- окончание нагнетания нагнетаемого воздуха в цилиндр, когда режим торможения закончен.
В этом варианте выполнения особое преимущество заключается в тактовом нагнетании дополнительного нагнетаемого воздуха в зависимости от фактически необходимой тормозной мощности. Нагнетание дополнительного воздуха происходит предпочтительно только тогда, когда он требуется. Этим достигается большая экономия.
В другом варианте выполнения на подэтапе нагнетания отрезок времени для открывания управляющего клапана управляющим устройством устанавливается за счет задаваемого или хранящегося в памяти значения данных. Этим достигается то, что нагнетаемый воздух накладывается на имеющийся во впускном канале поток наддувочного воздуха, в результате чего может происходить также температурный обмен этих газов, а это предпочтительно препятствует перегреву близких к камере сгорания деталей. Кроме того, за счет этого задаваемого отрезка времени предпочтительно достигается то, что при определенной продолжительности нагнетания оно заканчивается достаточно рано, чтобы не происходило обратного течения нагнетаемого воздуха из цилиндра в систему впуска или в трубопровод для наддувочного воздуха, что может вызвать там сбои.
В особенно предпочтительном варианте выполнения управляющее устройство устанавливает количество нагнетаемого воздуха в зависимости от данного рабочего состояния двигателя и автомобиля посредством регулятора давления. Этим достигается особенно эффективное повышение тормозной мощности двигателя, поскольку количество нагнетаемого воздуха зависит от нескольких рабочих параметров. В этом отношении дополнительное преимущество заключается в том, что количество нагнетаемого в двигатель воздуха устанавливается управляющим устройством в зависимости от необходимой тормозной мощности двигателя с согласованием между собой за счет задаваемых, хранящихся в памяти табличных значений.
В предпочтительном варианте выполнения впускной патрубок воздушного компрессора через переключающий клапан соединяется со вторым воздуховпускным патрубком или трубопроводом для наддувочного воздуха в зависимости от господствующего в этом трубопроводе давления. Это предпочтительно повышает подачу воздушного компрессора и предотвращает использование большого и более дорогого воздушного компрессора.
Поставленная задача решена также посредством устройства для повышения тормозной мощности поршневого ДВС автомобиля, в частности дизельного двигателя, содержащего, по меньшей мере, один цилиндр, по меньшей мере, с одним впускным и одним выпускным клапанами, турбину, компрессор, воздушный компрессор, аккумулятор, трубопровод для наддувочного воздуха и управляющее устройство, в котором выпускной патрубок аккумулятора через управляющий клапан соединен с впускным каналом или с трактом впуска двигателя. За счет управляющего клапана, предпочтительно, простым образом можно управлять нагнетаемым воздухом за счет открывания этого клапана управляющим устройством только тогда, когда рабочие условия требуют нагнетания нагнетаемого воздуха.
В автомобиле с пневматической тормозной системой впускной патрубок второго аккумулятора соединен через питающий клапан с первым аккумулятором. Таким образом, пневматическая тормозная система с ее аккумулятором и вырабатыванием сжатого воздуха может использоваться также для вырабатывания нагнетаемого воздуха, причем второй аккумулятор обеспечивает особую надежность для пневматической тормозной системы, поскольку он образует отдельный контур для нагнетания аккумулированного в нем сжатого воздуха.
В предпочтительном варианте выполнения управляющий клапан и выпускной патрубок второго аккумулятора соединены регулятором давления, причем последний дает возможность простым образом за счет установления давления нагнетаемого воздуха, протекающего через него при нагнетании, установить его количество.
Предпочтительно, что воздухонагнетательный трубопровод через нагнетательный канал или нагнетательный трубопровод соединен с впускным каналом, причем нагнетательный канал или нагнетательный трубопровод выполнен в головке цилиндра двигателя или расположен во впускном канале, поскольку этим достигается целенаправленное нагнетание, например независимо от соотношений давлений в канале для наддувочного воздуха.
В другом варианте выполнения в соединительном трубопроводе от выпускного патрубка второго аккумулятора к нагнетательному каналу или к нагнетательному трубопроводу присоединен теплообменник. С его помощью нагнетаемый воздух в режиме торможения может предпочтительно охлаждаться и тем самым способствовать термической разгрузке двигателя в режиме торможения.
Изобретение поясняется на примере его осуществления со ссылкой на прилагаемый чертеж. При этом на единственной фигуре схематично показаны детали двигателя с соответствующими компонентами в предпочтительном варианте выполнения устройства для осуществления способа.
Двигатель 1 содержит один или несколько цилиндров, однако частично в разрезе показан только один цилиндр 20 с установленным в его верхней части с возможностью перемещения в нем поршнем 18. На своей верхней стороне цилиндр 20 закрыт головкой 28, которая также содержит один или несколько впускных клапанов 21 с одним или несколькими впускными каналами 22 и один или несколько выпускных клапанов 27 с одним или несколькими выпускными каналами и присоединенным к ним выпускным трубопроводом 2. Цилиндр 20 изображен обрезанным над коленчатым валом (не показан).
В данном варианте выполнения клапаны 21, 27 открываются в соответствии с рабочим тактом двигателя 1 вниз в камеру сгорания 19, расположенную между верхней стороной поршня 18 и нижней стороной головки 28 цилиндра. Изображен так называемый такт сжатия, при котором впускной 21 и выпускной 27 клапаны закрыты, причем поршень 18 движется по стрелке вверх от коленчатого вала для уменьшения тем самым объема камеры сгорания 19. Принцип работы такого двигателя 1, в частности дизельного, известен и подробно не рассматривается.
К выпускному трубопроводу 2 через идущий от турбины 3 выпускной трубопровод 24 она присоединена вместе со связанным с ней компрессором 4. В выпускном трубопроводе 25 после турбины 3 установлена выпускная заслонка 26 обычного моторного тормоза. Компрессор 4 имеет первый воздуховпускной патрубок 17. Выпускной патрубок компрессора 4 в этом варианте выполнения через охладитель 5 наддувочного воздуха посредством подводящего трубопровода 34 для наддувочного воздуха соединен с трубопроводом 6 для наддувочного воздуха головки 28 цилиндра. Функции турбины 3, компрессора 4 и охладителя 5 наддувочного воздуха известны и подробно не рассматриваются.
В головке 28 цилиндра схематично показан дополнительный управляемый «тормозной клапан» 29, который по достижении верхней мертвой точки поршня 18 выпускает сжатый в камере сгорания воздух, предпочтительно в выпускной трубопровод 25 после турбины, и тем самым ликвидирует работу сжатия, выполненную в цилиндре на фазе сжатия.
Трубопровод 6 для наддувочного воздуха, схематично представленный здесь в упрощенном виде, соединен с первым присоединением переключающего клапана 12, который вторым присоединением соединен со вторым воздуховпускным патрубком 31. Третье присоединение переключающего клапана 12 находится в соединении с впускным патрубком воздушного компрессора 11, выпускной патрубок которого через сушильное устройство 13 соединен с первым аккумулятором 10.
Первый аккумулятор 10 служит в качестве пневмоаккумулятора для пневматической тормозной системы автомобиля (не показан) и заполняется сжатым воздухом из воздушного компрессора 11. Соответствующая тормозная система не показана.
Первый аккумулятор 10 через питающий клапан 15 соединен со вторым аккумулятором 14, который также используется в качестве пневмоаккумулятора. Его выходной патрубок через воздушный трубопровод 32 соединен с впускным патрубком регулятора давления 9, который, в свою очередь, своим выпускным патрубком через соединительный трубопровод 33 присоединен к впускному патрубку управляющего клапана 8. Последний своим выпускным патрубком находится в соединении с трубопроводом 7 для нагнетаемого воздуха.
Управление клапанами 8, 12, 15 и регулятором давления 9 осуществляется посредством управляющего устройства 16, которое показано в виде блока. Оно соединено с клапанами 8, 12, 15 и регулятором давления 9, например, электрическими соединительными проводами, причем клапаны 8, 12, 15 выполнены в виде электромагнитных клапанов.
К управляющему устройству 16 на каждый цилиндр присоединено по одному исполнительному органу, расположенному на двигателе 1. В данном примере речь идет об устройстве впрыска топлива. В управляющем устройстве 16 могут содержаться также измерительные датчики температуры, давления и т.д. Управляющее устройство 16 содержит так называемый управляющий компьютер или соединено с ним. От него управляющее устройство 16 получает необходимую информацию о рабочем состоянии двигателя 1 и автомобиля, например об оборотах и нагрузке двигателя 1, скорости движения автомобиля, температурах двигателя 1, нагнетаемом воздухе, отработавших газах и т.п.
Ниже более подробно описана функция отдельных компонентов для пояснения способа.
Воздушный компрессор 11 сжимает воздух, который подается к его впускному патрубку через переключающий клапан 12 либо из второго воздуховпускного патрубка 31, либо из трубопровода 6 для наддувочного воздуха. При запуске двигателя 1 при его низких оборотах или в определенных рабочих состояниях двигателя 1 и/или автомобиля переключающий клапан 12 соединяет воздушный компрессор 11 со вторым воздуховпускным патрубком 31. Питающий клапан 15 выполняет для пневматической тормозной системы функцию предохранительного клапана, предотвращая потерю сжатого воздуха в ней. При этом управляющее устройство сравнивает полученное датчиком давления значение с заданным значением и соответственно включает или выключает питающий клапан 15. Последний может быть выполнен также автономным.
Регулятор давления 9 на выпускном патрубке второго аккумулятора 14 открывается и закрывается автоматически в зависимости от давления внутри второго аккумулятора 14. Также при этом посредством измерительного датчика и регулятора давления в электрическом выполнении может осуществляться управление управляющим устройством 16, что обозначено соединительной линией.
В режиме торможения двигателя 1 через управляемый управляющим устройством 16 управляющий клапан 8 сжатый воздух в качестве нагнетаемого воздуха 36 из второго аккумулятора 34 через воздухонагнетательный канал 7 подается в тракт впуска двигателя 1 через впускные клапаны 21.
Тактовое время начала и окончания нагнетания дополнительного нагнетаемого воздуха 36 из второго аккумулятора 14 выбрано и задается управляющему устройству так, что нагнетаемый воздух 36 накладывается на имеющийся во впускном канале 22 впускной поток 23.
Окончание нагнетания установлено или задается управляющему устройству так, что по достижении достаточной пиковой тормозной мощности количество нагнетаемого воздуха уменьшается и, как только тормозной мощности двигателя будет достаточно для торможения автомобиля, полностью прекращается.
За счет тактового нагнетания нагнетаемого воздуха 36 в двигатель 1 так называемое наполнение камеры сгорания 19 цилиндра 20 можно значительно повысить в зависимости от нагнетаемого объема нагнетаемого воздуха 36. Решающим для нагнетаемого объема нагнетаемого воздуха 36 помимо тактового времени, которое задается за счет регулирования времени управления впускным клапаном 21, например, посредством известного распределительного вала (не показан) двигателя 1, являются также сечение нагнетательного трубопровода 7 и давление во втором аккумуляторе 14.
Давление во втором аккумуляторе 14 и давление после регулятора 9 представляют собой переменную величину для изменения количества нагнетаемого воздуха 36. Это давление устанавливается управляющим устройством 16, например, за счет задаваемых установочных значений или за счет данных, хранящихся в виде таблицы в памяти управляющего устройства 16. Эти табличные данные соответствуют текущему рабочему состоянию двигателя 1 и/или автомобиля. Таким образом, для каждого рабочего состояния можно определить соответствующее количество дополнительного нагнетаемого воздуха 36 и подавать его в цилиндр 20.
Большее наполнение цилиндра предпочтительно повышает работу сжатия в нем и приводит к заметному повышению тормозной мощности двигателя 1.
За счет интеграции управляемого управляющим устройством клапана 8 и (опционального) регулятора давления 9 в управляющую электронную систему управляющего компьютера двигателя можно предпочтительно согласовать количество нагнетаемого воздуха 36, например, с достигнутыми/нужными оборотами двигателя 1, например, с помощью упомянутых выше, хранящихся в памяти табличных значений.
Благодаря этому уже через несколько оборотов коленчатого вала двигателя 1 с помощью дополнительного количества нагнетаемого воздуха 36 резко повышается тормозная мощность двигателя и эффективно уменьшается скорость автомобиля.
По достижении достаточно уменьшенной скорости автомобиля подача дополнительного нагнетаемого воздуха 36 через управляющий клапан 8 сразу же отключается управляющим устройством 16, и обычный установленный, заметно меньший по мощности моторный тормоз, например выпускная заслонка 26, осуществляет процесс торможения.
Если в динамическом режиме двигателя, например на быстро следующих друг за другом фазах ускорения и торможения, с одной стороны, давление наддува упадет ниже желаемого, также задаваемого управляющему устройству 16 значения, или, с другой стороны, «обычной» для кратковременных и быстрых процессов торможения тормозной мощности двигателя будет недостаточно, то на этих фазах управляющее устройство 16 может произвольно и попеременно активировать подачу дополнительного нагнетаемого воздуха 36 как для ускорения, так и для торможения.
Таким образом, при наличии характеристик двигателя, например в виде табличных значений в памяти управляющего устройства 16, можно для любого рабочего состояния двигателя 1 и автомобиля с помощью управляющего устройства 16 определить необходимое количество нагнетаемого воздуха 36 и подавать его в двигатель 1, благодаря чему это обеспечивает предпочтительное повышение его мощности как при ускорении, так и при торможении.
Изобретение не ограничено описанным выше примером его осуществления.
Так, возможно выполнение питающего клапана 15 в виде автономного клапана, который находит частое применение в пневмосистемах.
Исполнительный орган может быть связан также с исполнительным устройством для времени управления распределительным валом.
Кроме того, изобретение применимо в двигателях 1 с одним или несколькими цилиндрами 20 с одним или несколькими впускными 21 и выпускными 27 клапанами, причем тип двигателя 1 не ограничен дизелем.
Далее возможно, чтобы нагнетаемый воздух 36 перед нагнетанием в цилиндр 20 проходил через теплообменник, чтобы его температуру можно было оптимально согласовывать с текущим рабочим состоянием двигателя 1.
Кроме того, автомобиль без пневматической тормозной системы вместо двух аккумуляторов 10, 14 может содержать только второй аккумулятор 14, причем питающий клапан 15 может быть не нужен.
Воздушный компрессор 11 может быть соединен непосредственно с впускным патрубком управляющего клапана 8 дополнительно через управляемое управляющим устройством 16 соединение, например управляемый байпасный клапан.
В подающем трубопроводе 34 для наддувочного воздуха может быть расположена дополнительная заслонка 35, управляемая управляющим устройством 16, чтобы в определенных состояниях режима торможения перекрыть трубопровод 34.