Способ управления двигателем внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания (варианты)
METHOD OF CONTROL OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE (OPTIONS)

Настоящее изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия (ДВС) и, в частности, к ДВС с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) и предназначено для эффективного преобразования энергии при сгорании газов в механическую за счет торможения поршней (ТП) на рабочем ходу (РХ), при впрысках и отсечках топлива.
Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания (патент №2066773 С1, автор Митрофанов С.В., опубл. 20.09.1996) заключающийся в том, что осуществляют операции впуска свежего заряда в надпоршневую полость цилиндра, сжатие свежего заряда с одновременным перепуском в отдельную камеру сгорания в отдельном цилиндре, отсоединения камеры сгорания от надпоршневой полости, воспламенения топливовоздушной смеси в ней, подсоединение отделенной камеры сгорания (ОКС) к надпоршневой полости, перепуска газов из камеры сгорания в надпоршневую полость, причем подсоединение камеры сгорания к надпоршневой полости осуществляется не ранее чем через 80 градусов поворота коленчатого вала после отсоединения камеры сгорания (КС).
Этот способ содержит избыточные операции, которые снижают его эффективность.
Способ не позволяет реализовать операции по одновременному и эффективному сжиганию топлива и по немедленному преобразованию тепловой энергии в механическую работу. Эти операции выполняются в способе раздельно.
Операции по созданию тепловой энергии в отделенной камере сгорания (ОКС) отделены от операций преобразования тепловой энергии в механическую в независимом от ОКС цилиндре.
Операции транспортировки тепловой энергии из ОКС в надпоршневую полость рабочего цилиндра связаны с существенными газодинамическим потерями.
Операции по раздельному сжиганию топлива и преобразованию тепловой энергии ведут к существенным тепловым потерям от поверхностей камеры сгорания и от поверхностей в цилиндрах.
Велики потери в трубопроводах для подвода горячих газов в надпоршневую полость цилиндра. Все эти части требуют охлаждения или теплоизоляции.
Известен способ управления ДВС при преобразовании вращательного движения кривошипа коленчатого вала в возвратно-поступательное движение поршня за счет подачи топлива с возможностью остановки поршня верхней мертвой точке (ВМТ) в мертвой зоне на некоторое время для более полного сгорания топливной смеси (патент RU 2101525 C1, публ. 10.01.1998, авторы: Подрезов В.П., Цивьян Р.П.).
При этом в цилиндре поршневого ДВС более эффективно реализуются процессы выпуска, сжатия, РХ и впуска газов продуктов сгорания.
Способ не содержит операций по разделению основного впрыска (ОВ) на ряд впрысков с отсечками в виде последовательных минициклов и выполнению их за большее время.
Способ ограничивает возможности сжигания топлива только постоянным объемом камеры сгорания (КС).
Способ не позволяет осуществлять торможение поршней (ТП) и их замедление при движении, осуществляя их задержку на протяжении всего РХ.
Этот способ не позволяет использовать подпоршневое пространство цилиндров (ППЦ) для повышения эффективности ДВС за счет управления реактивными силами (PC), направленными к ВМТ с использованием ТП на всем РХ для их замедления.
Известен способ (прототип) управления ДВС при преобразовании вращательного движения кривошипа коленчатого вала в возвратно-поступательное движение поршня за счет подачи топлива в виде, предвпрыска, ряда впрысков и отсечек системой электронной подачи топлива с топливным насосом высокого давления, гидравлическим аккумулятором высокого давления, с клапаном регулирования давления, соединенного с аккумулятором, электронным блоком управления.
При этом в цилиндре поршневого ДВС более эффективно реализуются процессы выпуска, сжатия, РХ и впуска газов продуктов сгорания (А.С. Орлин. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Машинострение: М., 1990, с. 14-18, с. 138).
В способе не разделяется операция по реализации ОВ на ряд последовательных минициклов в виде нескольких последовательных впрысков с отсечками.
Этот способ не требует увеличения времени сжигания топлива за счет реализации ОВ несколькими впрысками и отсечками.
Способ не позволяет создавать характеристики впрыскивания топлива в виде оптимальных ступенчатых.
Этот способ не позволяет использовать ППЦ для повышения эффективности ДВС путем управления реактивными силами (PC), направленными к ВМТ.
Способ не позволяет управлять ТП и их замедлением на протяжении всего РХ.
Известно устройство двухтактного четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания (патент №2066773 С1, автор Митрофанов С.В., опубл. 20.09.1996), которое содержит цилиндры с поршнями, соединенными с помощью КШМ с выходным валом с впускными и выпускными клапанами по два на цилиндр, которые связаны последовательно камерами сгорания, которые в свою очередь соединены с надпорпшевыми полостями соответствующих цилиндров каналами, перекрываемых клапанами для камер сгорания по два на каждую камеру.
Устройство усложняет конструкцию ДВС с отделенными камерами сгорания (ОКС), число которых равно числу цилиндров.
Известное устройство не позволяет одновременно эффективно сжигать топливо и преобразовывать тепловую энергию в механическую.
Существенный недостаток устройств в том, что для преобразования тепловой энергии в механическую требуется перемещение высокотемпературных газов из одной емкости в другую.
Это невозможно сделать без больших газодинамических потерь или громоздкой теплоизоляции.
Увеличение числа клапанов вдвое также влечет увеличение газодинамических потерь.
Наличие дополнительных емкостей с горячими поверхностями повлечет дополнительные потери на охлаждение и может свести на нет эффект от отделенного процесса сжигания в отделенной камере сгорания.
Известно устройство управления ДВС при преобразовании вращательного движения приводного механизма, содержащего кулачок, толкатель, тягу и вал в возвратно-поступательное движение поршня за счет подачи топлива с возможностью остановки поршня в ВМТ в мертвой зоне на некоторое время для сгорания топливной смеси (патент RU 2101525 C1, опубл. 10.01.1998, авторы Подрезов В.П.. Цивьян Р.П.). При этом в цилиндре поршневого ДВС более эффективно реализуются процессы выпуска газов-продуктов сгорания, сжатия, рабочего хода (РХ) и впуска воздуха от компрессора.
Это устройство не позволяет осуществлять торможение поршней (ТП) на рабочем ходу и замедление движения поршней.
Известное устройство осуществляет только кратковременную остановку поршней у ВМТ.
Это устройство не позволяет использовать ППЦ для повышения эффективности ДВС.
Кинематика устройства сложнее известного КШМ и имеет ограниченные возможности.
Устройство не позволяет реализовать ОВ в виде нескольких впрысков и отсечек или нескольких последовательных минициклов.
Известно устройство (прототип) для управления ДВС при преобразовании вращательного движения КШМ в возвратно-поступательное движение поршней. В цилиндре поршневого ДВС с циклом с воспламенением от сжатия реализуются процессы впуска воздуха, сжатия, рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания. (А.С. Орлин. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1990, с. 14-18).
Это устройство не позволяет использовать ППЦ для повышения эффективности ДВС через ТП.
Устройство не обеспечивает управление ТП и замедлением движения поршней на всем РХ.
Устройство не разделяет ОВ на ряд минициклов с впрысками и отсечками для увеличения времени сжигания топлива и улучшения сжигания топлива.
Технической задачей настоящего изобретения является разработка нового способа управления ДВС для улучшения сжигания топлива путем управляемого ТП и подачи основного впрыска по частям в виде впрысков и отсечек за большее время.
Поставленная цель достигается тем, что в способе управления двигателем внутреннего сгорания, заключающемся в том, что осуществляют четырехтактный цикл в двигателе с кривошипно-шатунным механизмом с воспламенением от сжатия, осуществляют предвпрыск, подают топливо в цилиндры в виде впрысков и отсечек. Согласно изобретению, подают во время впрысков дизельное топливо или бензин, объем топлива основного впрыска заданного режима разделяют на ряд постоянных или переменных от впрыска к впрыску объемов меньшей величины, выполняют вместо одного основного впрыска ряд последовательных впрысков и отсечек постоянной или переменной длительности, с общей длительностью впрысков и отсечек для разделенных объемов, большей длительности основного впрыска, выполняют каждый впрыск для каждого разделенного объема в виде одной ступени или двух ступеней, через одну или две форсунки, одновременно вытесняют рабочую жидкость из-под поршневых полостей цилиндров на тактах рабочего хода и впуска через аккумулятор-распределитель рабочей жидкости и параллельно соединенный с ним, как минимум, один гидравлический компенсатор, в подпоршневые полости цилиндров с тактами выпуска и сжатия, через, как минимум, один управляющий трубопровод с управляемым отверстием между подпоршневыми полостями и аккумулятором-распределителем рабочей жидкости с, как минимум, одним управляющим элементом внутри управляющего трубопровода, перемещают, как минимум, один управляющий элемент от продольной оси управляющего трубопровода к периферии при впрысках с помощью рабочей жидкости и увеличивают непрерывно отверстие управляющего трубопровода, перемещают, как минимум, один управляющий элемент от периферии к центру и к продольной оси управляющего трубопровода при отсечках и уменьшают непрерывно отверстие управляющего трубопровода, подают периодически рабочую жидкость под давлением в аккумулятор-распределитель рабочей жидкости для компенсации утечек и обеспечения работы управляющих подвижных элементов в управляющих трубопроводах.
Поставленная цель достигается тем, что в способе управления двигателем внутреннего сгорания, заключающемся в том, что осуществляют четырехтактный цикл в двигателе с кривошипно-шатунным механизмом с воспламенением от сжатия, осуществляют предвпрыск, подают топливо в цилиндры в виде впрысков и отсечек. Согласно изобретению подают во время впрысков дизельное топливо или бензин, объем топлива основного впрыска для заданного режима разделяют на ряд постоянных или переменных от впрыска к впрыску объемов меньшей величины, выполняют вместо одного основного впрыска ряд последовательных впрысков и отсечек постоянной или переменной длительности, с общей длительностью впрысков и отсечек для разделенных объемов, большей длительности основного впрыска, выполняют каждый впрыск для каждого разделенного объема в виде одной ступени или двух ступеней, через одну или две форсунки, одновременно вытесняют рабочую жидкость из-под поршневых полостей цилиндров на тактах рабочего хода и впуска через аккумулятор-распределитель рабочей жидкости, соединенный параллельно с, как минимум, одним гидравлическим компенсатором, в подпоршневые полости цилиндров с тактами выпуска и сжатия, а также через, как минимум, два поочередно подключаемых при различных режимах работы двигателя управляющих трубопровода с разным по величине постоянным отверстием каждый, между, как минимум, одной подпоршневой полостью и аккумулятором-распределителем рабочей жидкости при впрысках и отсечках, подают периодически рабочую жидкость под давлением в аккумулятор-распределитель рабочей жидкости для компенсации утечек и обеспечения работы управляющих клапанов при переключении управляющих трубопроводов.
Поставленная цель в двигателе внутреннего сгорания достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндры с поршнями и шатунами, кривошипно-шатунный механизм, форсунку, газораспределительный механизм для впуска воздуха и выпуска газов в верхней крышке каждого цилиндра, камеру сгорания в каждом цилиндре, электронный блок управления, датчики, топливный гидравлический аккумулятор высокого давления, топливный насос высокого давления. Согласно изобретению двигатель внутреннего сгорания снабжен, насосом высокого давления для рабочей жидкости, как минимум, одной форсункой, штоками для поршней, цилиндрами по длине штоков, нижними крышками в цилиндрах с уплотнениями для штоков и окнами для отвода или подвода рабочей жидкости, аккумулятором-распределителем рабочей жидкости между цилиндрами, трубопроводами между нижними крышками цилиндров и аккумулятором-распределителем рабочей жидкости, управляющими трубопроводами между нижними крышками цилиндров и аккумулятором-распределителем рабочей жидкости, вставками в управляющих трубопроводах для управляющих подвижных элементов и пружин в виде полых внутри цилиндров или прямоугольных полых параллелепипедов, управляющими подвижными элементами для регулирования сечения управляющих трубопроводов, пружинами для управляющих подвижных элементов, гидравлическими компенсаторами с пружинами, окна в нижних крышках всех цилиндров соединены трубопроводами с аккумулятором-распределителем рабочей жидкости, как минимум, один управляющий трубопровод между цилиндрами и аккумулятором-распределителем рабочей жидкости включает в себя вставку, расположенную под углом к потоку рабочего тела, в которую встроен, как минимум, один управляющий подвижный элемент, входящий во вставку с возможностью осевого перемещения вдоль нее и перекрывающий управляющий трубопровод, управляющий подвижный элемент ограничен наклонными поверхностями по отношению к оси управляющего трубопровода с обеих сторон управляющего подвижного элемента, и плоскостью в средней части управляющего подвижного элемента, которыми он взаимодействует с рабочей жидкостью для создания осевых усилий для перемещения во вставке, управляющий подвижный элемент взаимодействует с пружинами, расположенными во вставке с противоположной стороны, уравновешивающими осевые силы со стороны рабочей жидкости, штоки соединены жестко с поршнями внутри цилиндров, взаимодействуют через уплотнения с нижними крышками цилиндров, штоки шарнирно соединены вне цилиндров с шатунами, которые шарнирно соединены с кривошипами, насос высокого давления для рабочей жидкости соединен через электрический клапан с аккумулятором-распределителем и со сливом через обратный клапан, гидравлические компенсаторы соединены трубопроводами с аккумулятором-распределителем рабочей жидкости, камера сгорания выполнена с теплоизоляцией ее поверхностей в виде пористого анодированного алюминия, армированного кремнием и не содержит цилиндрических составляющих.
Поставленная цель в двигателе внутреннего сгорания достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндры с поршнями и кривошипно-шатунным механизмом, форсунку, газораспределительный механизм для впуска воздуха и выпуска газов в верхней крышке каждого цилиндра, электронный блок управления, датчики, топливный гидравлический аккумулятор высокого давления, топливный насос высокого давления. Согласно изобретению, двигатель внутреннего сгорания снабжен насосом высокого давления для подачи рабочей жидкости, как минимум, одной форсункой для подачи топлива, штоками для поршней, цилиндрами по длине штоков, нижними крышками с уплотнениями для штоков и окнами для отвода или подвода рабочей жидкости, аккумулятором-распределителем рабочей жидкости, ручными устройствами или электрогидравлическими клапанами для переключения управляющих трубопроводов, трубопроводами с отверстиями разных диаметров для подвода и отвода рабочей жидкости, гидравлическими компенсаторами с пружинами, окна в нижних крышках цилиндров соединены трубопроводами с аккумулятором-распределителем рабочей жидкости, который соединен гидравлически с, как минимум, одним гидравлическим компенсатором, как минимум, один общий трубопровод, соединяющий окна нижней крышки для вытеснения рабочей жидкости из под поршневой полости цилиндра с аккумулятором-распределителем рабочей жидкости, выполнен в виде, как минимум, двух параллельных управляющих трубопроводов с отверстиями разных диаметров, каждый управляющий трубопровод снабжен своим электрогидравлическим клапаном или ручным устройством для переключения управляющих трубопроводов и соединен с подпоршневой полостью через общий трубопровод, штоки в верхней части соединены жестко с поршнями внутри цилиндров, взаимодействуют через уплотнения с нижними крышками цилиндров, штоки в нижней части шарнирно соединены вне цилиндров с шатунами, которые шарнирно соединены с кривошипами, насос высокого давления для подачи рабочей жидкости соединен со сливом через обратный клапан и через электрический клапан с аккумулятором-распределителем рабочей жидкости, электрогидравлические клапаны управляющих трубопроводов соединены с электронным блоком управления, камера сгорания выполнена с теплоизоляцией ее поверхностей в виде пористого анодированного алюминия, армированного кремнием, и не содержит цилиндрических составляющих.
Существенным признаком является то, что ОВ осуществляют по частям в виде объемов постоянной или переменной величины, впрысками и отсечками постоянной или переменной длительности от одного мини цикла к другому.
Существенным признаком является использование ППЦ с рабочей жидкостью (РЖ) для торможения поршней.
Существенным признаком является перемещение РЖ из ППЦ с тактами РХ и впуска в ППЦ с тактами выпуска и сжатия через аккумулятор-распределитель рабочей жидкости (АРРЖ) и гидравлические компенсаторы (ГК).
Существенным признаком является ручное или автоматическое, дискретное или непрерывное изменение сечений управляющих трубопроводов (УТ) при изменении режимов работы двигателей.
Новая неизвестная ранее совокупность существенных признаков сообщают ДВС новые положительные свойства и значительное повышение эффективности.
Изобретение не следует явным образом из уровня техники.
Неизвестно использование совокупности существенных признаков, которые отличают заявляемое техническое решение от прототипа.
На фиг. 1, а) показан один цилиндр четырехцилиндрового двигателя с поршнем в ВМТ со штоком внутри цилиндра и с КШМ вне цилиндра;
б) показан один цилиндр четырехцилиндрового двигателя с поршнем в НМТ, соединенным жестко со штоком внутри цилиндра и с КШМ вне цилиндра;
На фиг. 2 показаны: четыре цилиндра ДВС, аккумулятор-распределитель рабочей жидкости (АРРЖ), трубопроводы между АРРЖ и цилиндрами, насосом высокого давления (НВД) для подачи РЖ, гидравлический компенсатор (ГК); клапаны для управления;
На фиг. 3 показана вставка в управляющий трубопровод (УТ) с подпружиненными управляющими подвижными элементами (УПЭЛ), встроенными во вставку;
На фиг. 4 показаны: цилиндр ДВС с двумя частями газораспределительного механизма (ГРМ) для отвода газов и впуска воздуха от турбокомпрессора; форсунка для подачи топлива (вторая форсунка не показана), поршень и штоком с уплотнениями; камера сгорания (КС) с термоизоляцией на поршне и верхней крышке цилиндра; нижняя крышка с окнами для отвода и подвода РЖ;
На фиг. 5 показаны: цилиндр четырехцилиндрового ДВС с двумя частями ГРМ на каждом цилиндре с механическим управлением в виде кулачков; форсунка для подачи топлива (вторая форсунка для мощных ДВС не показана); поршень со штоком и термоизоляцией КС на поршне и верхней крышке цилиндра; топливный гидравлический аккумулятор высокого давления (ТГАВД) для подачи топлива (солярки или бензина);
На фиг. 6, а) показан цилиндр четырехцилиндрового двигателя с поршнем в ВМТ со штоком внутри цилиндра и с КШМ вне цилиндра;
б) показан цилиндр четырехцилиндрового двигателя с поршнем в НМТ, соединенным жестко со штоком внутри цилиндра и с КШМ вне цилиндра;
На фиг. 7 показаны: четыре цилиндра ДВС, аккумулятор-распределитель рабочей жидкости (АРРЖ), трубопроводы между АРРЖ и цилиндрами; насос высокого давления (НВД) для подачи РЖ, гидравлический компенсатор (ГК); автоматические или ручные устройства для переключения двух, как минимум, управляющих трубопроводов (УТ);
На фиг. 8 показана две вставки в УТ в виде обратимых конфузоров-диффузоров с отверстиями меньшего и большего диаметра между ними;
На фиг. 9 показаны: цилиндр ДВС с двумя частями газораспределительного механизма (ГРМ) для отвода газов и впуска воздуха от компрессора; форсунка для подачи топлива (вторая форсунка не показана); поршень и шток с уплотнениями и камеры сгорания (КС) с термоизоляцией на поршне и верхней крышке цилиндра; нижняя крышка с окнами для отвода и подвода РЖ;
На фиг. 10 показаны: цилиндр четырехцилиндрового ДВС с двумя частями ГРМ на каждом цилиндре с механическим управлением в виде кулачков; форсунка для подачи топлива (вторая форсунка не показана); поршень со штоком и термоизоляцией КС на поршне и верхней крышке цилиндра; топливный гидравлический аккумулятор высокого давления (ТГАВД) для подачи топлива (солярки или бензина).
Двигатель по фиг. 1а) и б) содержит по механической схеме для одного цилиндра: цилиндр 1 с поршнем 2, соединенным жестко со штоком 3 внутри цилиндра; КС 4 с ППЦ 5 для РЖ; шарнир 6, соединяющий поршень 2 через шток 3 и шатун 7 вне цилиндра так, что при положении поршня в ВМТ шарнир 6 находится с шатуном 7 вне цилиндра 1; шарнир 8 вне цилиндра 1, соединяющий кривошип 9 на валу КШМ 10 с шатуном 7; первую часть ГРМ 11 для выпуска газов, вторую часть ГРМ 12 для впуска воздуха; как минимум, одну электрогидравлическую форсунку 13 - ЭГФ 13 (вторая не показана) с электронным управлением от ЭБУ (электронный блок управления - ЭБУ не показан) для впрыска топлива в цилиндр ДВС;
по фиг. 2 содержит: четыре цилиндра 1, 14, 15, 16 четырехтактного двигателя, соединенные своими ППЦ управляющим трубопроводом 17 (УТ 17) и тремя другими (три трубопровода для цилиндров 14, 15, 16 не показаны отдельными позициями) с АРРЖ; вставку 18 в УТ 17 для регулирования сечения УТ; АРРЖ 19, который соединен трубопроводом 20 с гидравлическим компенсатором 21 (ГК 21) с поршнем 22 и пружиной 23; насос высокого давления 24 (НВД 24), который соединен с АРРЖ 19 через ЭК 25 и со сливом через обратный клапан 26 (ОК 26);
по фиг. 3 содержит: вставку 18 для регулирования сечения УТ 17 при впрысках и отсечках, жестко соединенную с УТ 17 под прямым углом; перпендикулярные УТ 17 неподвижные направляющие части 27, 28 для УПЭЛ по обе стороны УТ 17 в виде цилиндров или в виде открытых изнутри параллелепипедов; пружины 29, 30 большей жесткости, пружины 31, 32 меньшей жесткости для перемещения УПЭЛ внутри неподвижных направляющих частей 27, 28 цилиндров или параллелепипедов; УПЭЛ 33, 34, которые выполнены с поверхностями 35 для взаимодействия с РЖ и в виде полых тонкостенных цилиндров или параллелепипедов в неподвижных направляющих частях 27, 28 цилиндрах или параллелепипедах; УПЭЛ 33, 34, которые взаимодействуют механически с внешних сторон поверхностями с пружинами; УПЭЛ 33, 34, которые выполнены в виде обратимых конфузоров-диффузоров, с, как минимум, двумя наклонными с двух сторон для каждого УПЭЛ поверхностями по направлению к оси УТ 17 для формирования осевых сил, направленных вдоль неподвижных направляющих частей 27, 28 и возникающих при взаимодействии с РЖ; управляемое отверстие 36 для УТ 17, которое регулируется с помощью УПЭЛ 33, 34 при отсечках и впрысках;
фиг. 4 содержит: цилиндр 1 с поршнем 2 и штоком 3, КС 4, ППЦ 5; первую часть ГРМ 11 для выпуска газов, вторую часть ГРМ 12 для впуска воздуха от турбокомпрессора (система турбо наддува не показана); ЭГФ 13 (не показаны вторая; верхнюю крышку 37 и нижнюю крышку 38 цилиндра 1; окна 39 по периметру крышки 38 для отвода и подвода РЖ к ППЦ 5; уплотнение 40 на штоке 3, уплотнение 41 на поршне 2; термоизоляцию 42 для КС 4 из пористого анодированного алюминия, армированного кремнием (ПАААК), термоизоляцию 43 в верхней крышке 37 из ПАААК;
по фиг. 5 содержит: цилиндр 1 с поршнем 2 и штоком 3; КС 4, ППЦ 5; первую часть ГРМ 11 для выпуска газов с механическим приводом, вторую часть ГРМ 12 для впуска воздуха турбокомпрессора с механическим приводом; ЭГФ 13 (не показана вторая форсунка для подачи топлива); верхнюю крышку 37 цилиндра; уплотнение 41 на поршне 2 для герметизации ППЦ 5 с жидкостью от камеры сгорания 4 с газами; термоизоляцию 42 КС 4 в цилиндре 1 из ПАААК, термоизоляцию 43 КС в верхней крышке 37 из ПАААК; механические кулачки 44, 45 первой и второй частей ГРМ 11, 12 (фиг. 4) для привода клапанов в верхней крышке 37; подвижные платформы 46, 47 (ПП 46, 47), подпружиненные пружинами 48,49; штоки 50,51, соединенные с ПП 46, 47 сверху и механическими клапанами 52, 53 (МК 52, 53) в верхней крышке 37 цилиндра 1; трубопроводы 54, 55 для отвода газов из цилиндров 1 и подвода воздуха от турбокомпрессора (система наддува не показана); топливный гидравлический аккумулятор высокого давления 56 (ТГАВД 56), соединенный гидравлически на входе с топливным насосом высокого давления 57 (ТНВД 57) для подачи топлива в ТГАВД 56, который соединен гидравлически с топливным подкачивающим насосом 58 (ТПН 58); клапан регулирования высокого давления 59 (КРВД 59), соединенный с ТГАВД 56 на входе и со сливом на выходе; трубопровод 60, соединенный гидравлически с ТГАВД 56 и с форсункой 13 (вторая форсунка не показана) цилиндра 1;
Двигатель по фиг. 6а) и б) содержит по механической схеме для одного цилиндра: цилиндр 61 с поршнем 62, соединенным жестко со штоком 63 внутри цилиндра; КС 64 с ППЦ 65 для РЖ; шарнир 66, соединяющий поршень 63 и шатун 67 вне цилиндра так, что при положении поршня 62 в ВМТ шарнир 66 находится с шатуном 67 вне цилиндра 61; шарнир 68 вне цилиндра 61, соединяющий кривошип 69 на валу КШМ 70 с шатуном 67; первую часть ГРМ 71 для выпуска газов, вторую часть ГРМ 72 для впуска воздуха; ЭГФ 73 с электронным управлением от ЭБУ (электронный блок управления - ЭБУ не показан) для впрыска топлива в цилиндр ДВС (не показаны вторая форсунка);
по фиг. 7 содержит по гидравлической схеме для четырех цилиндров: четыре цилиндра 61, 74, 75, 76 четырехтактного ДВС, соединенные своими ППЦ с трубопроводами 77 и тремя другими (три трубопровода для цилиндров 74, 75, 76 не показаны отдельными позициями) с АРРЖ; общий неуправляемый трубопровод 77, который соединен, как минимум, с двумя управляющими трубопроводами 78 и 79 (УТ 78 и УТ 79) со вставками 80 в УТ 78 и 81 в УТ 79 в виде постоянных отверстий разного диаметра (число УТ может быть больше двух); УТ 78 и УТ 79, которые перекрываются автоматическими электрогидравлическими клапанами или ручными механическими управляющими устройствами 82 (ЭГК 82) и 83 (ЭГК 83) соответственно (ручные механические управляющие устройства не показаны); АРРЖ 84, который соединен с гидравлическим компенсатором 85 (ГК 85) с поршнем 86 и пружиной 87; насос высокого давления 88 (НВД 88), который соединен с АРРЖ 84 через ЭК 89 и со сливом через обратный клапан 90 (ОК 90);
по фиг. 8 содержит: а) общий неуправляемый трубопровод 77, УТ 78 с ЭГК 82 на входе, соединенный с АРРЖ 84 на выходе; вставку 80 в трубопровод 78 в виде обратимого конфузора 91, участка с отверстием 92 меньшего диаметра для режима холостого хода (XX) и постоянного ГС, обратимого диффузора 93, причем, обратимая пара конфузор-диффузор является элементом двустороннего действия;
б) общий неуправляемый трубопровод 77, УТ 79 с ЭГК 83 на входе, соединенный с АРРЖ 84 на выходе; вставку 81 в трубопровод 79 в виде конфузора 94, участка с отверстием 95 большего диаметра для номинального режима (HP) и постоянного ГС (не равного диаметру отверстия 92, а отличного от него); диффузора 96, причем, обратимая пара конфузор-диффузор является элементом двустороннего действия;
по фиг. 9 содержит: цилиндр 61 с поршнем 62 и штоком 63, КС 64, ППЦ 65; первую часть ГРМ 71 для выпуска газов, вторую часть ГРМ 72 для впуска воздуха от турбокомпрессора (система наддува не показана); ЭГФ 73 (не показана вторая форсунка); верхнюю крышку 97 и нижнюю крышку 98 цилиндра 61; окна 99 по периметру крышки 98 для отвода РЖ из ППЦ 65; уплотнение 100 на штоке 63, уплотнение 101 на поршне 62; термоизоляцию 102 КС 64 в цилиндре 61 из пористого анодированного алюминия, армированного кремнием (ПАААК); термоизоляцию 103 в верхней крышке 97 из ПАААК;
по фиг. 10 содержит: цилиндр 61 с поршнем 62 и штоком 63; КС 64, ППЦ 65; первую часть ГРМ 71 для выпуска газов с механическим приводом в виде кулачков, вторую часть ГРМ 72 для впуска воздуха турбокомпрессора с механическим приводом, в виде кулачков; ЭГФ 73 (не показаны вторая форсунка); верхнюю крышку 97 цилиндра 61; уплотнение 101 на поршне 62 для герметизации ППЦ 65 с РЖ от КС 64 с газами; термоизоляцию 102 КС 64 в поршне 62 из ПАААК, термоизоляцию 103 КС 64 в верхней крышке 97 из ПАААК; механические кулачки 104, 105 первой и второй частей ГРМ 71, 72 (фиг. 4) для привода клапанов в верхней крышке 97; подвижные площадки 106, 107 (ПП 106, 107), взаимодействующие с кулачками сверху, подпружиненные пружинами 108, 109; штоки 110, 111, соединенные с ПП 106, 107 сверху и механическими клапанами 112, 113 (МК 112, 113) в верхней крышке 97 цилиндра 61 (фиг. 6, фиг. 9); трубопроводы 114, 115 для отвода газов из цилиндров 61 и подвода воздуха от компрессора (система наддува не показана); топливный гидроаккумулятор высокого давления 116 (ТГАВД 116), соединенный гидравлически на входе с топливным насосом высокого давления 117 (ТНВД 117) для подачи топлива в ТГАВД 116, который соединен с топливным подкачивающим насосом 118 (ТПН 118); клапан регулирования высокого давления 119 (КРВД 119), соединенный на входе с ТГАВД 116, а на выходе со сливом; трубопровод 120, соединенный гидравлически с форсункой 73 цилиндра 61 и с ТГАВД 116 на входе.
ДВС с воспламенением от сжатия работает (вариант №1) по схеме чередования цилиндров в четырехцилиндровом двигателе по схеме 1-3-4-2 как при использовании дизельного топлива, так и при использовании бензина.
В обоих случаях конструкции, реализующие способы управления при использовании дизельного топлива и бензина, одинаковы и содержит тот же перечень элементов (с некоторыми конструктивными различиями в ТНВД), систему подачи топлива типа Common Rail.
ТНВД для подачи дизельного топлива и для подачи бензина выполнены на высокое давление и конструктивно отличаются, но для раскрытия работы устройства реализующего способ, это не имеет значения. Параметры впрысков дизельного топлива и бензина также различны.
ДВС содержит электронный блок управления (ЭБУ) и датчики, которые не показаны на фиг. 1-фиг. 5.
В системах топливоподачи используются датчик фиксации ВМТ, датчик частоты вращения коленвала, датчик массы расхода воздуха, датчик температуры воздуха и охлаждаемой жидкости, положение педали газа, датчик начала впрыска.
В форсунках Denso имеются датчики давления, встроенные в каждую форсунку, которые отслеживают процесс впрыска и реализуют высокоточный впрыск топлива.
В предлагаемом устройстве для реализации способа предусмотрены датчики давления (они не показаны) в КС или ППЦ для реализации ТП.
Они используются для коррекции топливоподачи, обеспечивающей требуемое ТП.
По этой схеме такт РХ происходит последовательно в 1-3-4-2 цилиндрах. В предлагаемом изобретении показано, что цилиндры работают в последовательности 1-15-16-14 (фиг. 2). РХ рассмотрен в первом цилиндре (фиг. 1)
Способ реализуется в четырехцилиндровом ДВС с воспламенением от сжатия (фиг. 1-фиг. 5) при работе с дизельным топливом или бензином.
Способ реализуется также в шестицилиндровых и восьмицилиндровых рядных ДВС или V-образных ДВС.
На такте сжатия в его конце в цилиндре 1 реализуется управляемый предвпрыск при работе ДВС с дизельным топливом или бензином.
После достижения поршнем ВМТ начинается ОВ, который производится по частям при ТП и замедлении их движения.
Параметры управляемого предвпрыска и ОВ для дизельного топлива и бензина будут отличаться. Известно, что ДВС с воспламенением от сжатия на бензине реализуем.
Более эффективно и надежно этот ДВС на бензине реализуется при разделении ОВ на ряд последовательных впрысков и отсечек (последовательных минициклов с операциями впрыска и отсечки каждый) при задержке поршней.
Причина в том, что топливо-бензин впрыскивается мелкими порциями во время ОВ.
ОВ предшествует управляемый предвпрыск.
Если ОВ разбит на минициклы, то предвпрыск предшествует первому впрыску первого миницикла.
Момент начала впрыска и момент начала горения образуют период задержки воспламенения. Этот период должен быть минимальным.
Управляемый предвпрыск оказывает существенное влияние на последующий процесс.
На период распространения пламени, период прямого горения и период дожигания в первом миницикле предлагаемого способа.
Управляемый предвпрыск должен быть своевременным, с достаточным давлением впрыска и мелкими каплями распыливаемого топлива.
Мелкие капли быстро перемешиваются с воздухом и быстро испаряются.
2
Кроме того, давление воздуха в КС при подходе поршня к ВМТ должно быть достаточным (около 25-30 кг/см) для самовоспламенения смеси для дизеля. Для бензинового двигателя с самовоспламенением от сжатия это давление ниже.
Температура воздуха растет до 500 градусов у ВМТ. Температура воспламенения топлива в виде мелких капель-«тумана» падает с ростом давления.
Для воспламенения лучше, когда имеет место большая разность между температурой воздуха перед ВМТ и возможной температурой воспламенения перед ВМТ при созданном давлении в КС.
Топливо успевает испариться за минимальное время. Топливо воспламеняется, хотя бы в части КС. После этого начинается второй период.
Это период распространения пламени по всей КС. Он продолжается до ВМТ и частично за ВМТ. В ВМТ начинается ОВ.
В этот период растет температура и давление в КС. Давление достигает максимума после ВМТ.
Этот максимум достигается примерно через 10 градусов ПКВ для ДВС без задержки поршней для классического ДВС без задержки и ТП.
Далее при реализации ОВ давление падает в КС 4 из-за того, что нет ТП.
Ухудшаются резко условия сжигания топлива, часть топлива не сгорает, несмотря на дожигание после ОВ. Это касается классического сжигания топлива, которое часто называют двухфазным «предвпрыск-основной впрыск».
В предлагаемом способе отличия в организации подачи топлива путем реализации множества минициклов «впрыск-отсечка» при эффективном ТП.
Классический способ - сжигание одного большого объема посредством отдельного ОВ.
Отличия предлагаемого способа улучшают значительно сжигание топлива.
Предлагается новая прорывная концепция подачи топлива, которая реализуется только совместно с ТП и уменьшением их скорости движения при реализации ОВ по частям.
Поэтому новая концепция требует предварительного разъяснения.
Среднее индикаторное давление при ТП и их замедлении будет выше, в каждом из минициклов, чем в классическом варианте подачи топлива.
Среднее за миницикл тепловыделение будет выше. В каждом из минициклов будет более полно сгорать топливо.
Каждый впрыск в миницикле предпочтительней делать двухступенчатым.
Предотвращается в результате этого резкое нарастание давления и температуры. Образуется меньше окислов азота в КС.
Первый миницикл с учетом предвпрыска можно рассматривать с позиций известных теорий сжигания.
Применяется, в частности, закон Вибе на основе теории цепных реакций. Закон Вибе распространяется на двухфазный цикл.
Предвпрыск - это кинетическое горение с цепной реакцией. Первый впрыск первого миницикла уже диффузионное горение. Топливо при этом поступает в зону горения извне, испаряется и сгорает.
Во втором миницикле и последующих уже нет предвпрыска. Впрыск производится в горящую среду (после отсечки в первом мини цикле горение продолжается) с немедленным испарением и сгоранием топлива.
Начиная со второго миницикла, возможно управление сгоранием за счет управления топливоподачей и, что самое главное, за счет ТП и их задержки.
С учетом того, что кислорода в последующих минициклах будет меньше, необходимо увеличивать время впрыска в последующих минициклах и/или уменьшать объем впрыска.
Локальные максимумы по давлению и температуре с учетом ТП будут уменьшаться к концу ОВ.
По новому способу предлагается новая организация сжигания топлива с торможением поршней (НОСТ и ТП).
НОСТ и ТП предполагает новую техническую реализацию сжигания топлива (НТРСТ) с гораздо большими возможностями для оптимизации подачи топлива и улучшения эффективности процессов сжигания топлива (ЭПСТ)
Согласно НОСТ и ТП и предлагаемого способа, каждый ОВ с заданным объемом впрыска для любого заданного режима, разделяются на ряд пар «впрыск-отсечка» или минициклов, которые реализуются и дают эффект только при ТП и их замедлении при движении.
В каждом миницикле реализуются только две, повторяющиеся от одного миницикла к другому минициклу, операции: операция впрыска меньшего объема как части ОВ; операция отсечки перед реализацией следующего впрыска, проходящие при ТП.
Операции в каждом миницикле должны быть оптимальны.
Сложность оптимального цикла сжигания топлива проявляется в том, что все его части зависят друг от друга.
Поэтому оптимизация начинается с управляемого предвпрыска.
В свою очередь сам впрыск для каждого миницикла, как и для классического ОВ может быть одноступенчатым и многоступенчатым (двухступенчатым), прямоугольной, треугольной формы.
Согласно НОСТ и ТП, это требование позволяет сжигать топливо оптимальным образом, но мелкими порциями, когда многоступенчатый впрыск дает больший эффект.
Согласно НОСТ и ТП, сжигаются по частям с отсечками меньшие объемы топлива, суммарно равные объемам ОВ. Причем от миницикла к минициклу подаваемые объемы могут быть разными по величине: меньшими в первом и последних минициклах и большими в промежуточных между ними минициклах.
Каждый точный разделенный малый объем подается в КС при реализации миницикла после вторичного разделения на два неравных друг другу объема в виде двух ступеней двумя форсунками: одна реализует ступеньки меньшего объема, другая вслед за ней - ступеньки большего объема из двух.
Либо каждый разделенный малый объем реализуется одной форсункой
Одна форсунка закодирована на подачу меньших объемов в первой ступени их двух вторично разделенных, а другая больших объемов во второй ступени из двух вторично разделенных.
Согласно НОСТ и ТП, при медленном изменении объема КС за счет ТП, в каждом мини цикле реализуется по сути дела рабочий цикл с отделенным процессом сгорания, когда топливо сжигается в отделенной от цилиндров и отдельной камере сгорания (ОКС).
Если пренебречь небольшим увеличением объема КС для миницикла в предлагаемом способе, то сравнение вполне реально и имеет основания.
Есть несомненные отличия в пользу предлагаемого способа: при задержке поршней начинается рост создаваемого момента немедленно за счет увеличения давления в КС.
Начинается рост давления сгорания в миницикле за счет длительности подачи топлива и рост давления за счет ТП.
Отсечка для дожигания топлива в каждом миницикле, которая, как операция наступает после сжигания порции топлива, по сути дела совпадает с аналогичной операцией с аналогичной целью в способе с ОКС. Есть существенное отличие.
В предлагаемом способе наступает эта операция при ТП, а в известном способе с ОКС при ускорении поршней при расширении газов, которые поданы у ВМТ в цилиндр из ОКС.
В предлагаемом способе, согласно НОСТ и ТП, механическое преобразование тепловой энергии газов и получение газов происходит одновременно и в одном месте.
Это рождает преимущество в том, что нет газодинамических потерь при преобразовании.
В известном способе с ОКС преобразование тепловой энергии в механическую происходит в разное время со своеобразным «разделением движений или процессов» и в разных местах.
Процесс получения тепловой энергии происходит в отделенной от цилиндра с поршнем камере сгорания (ОКС).
Согласно НОСТ и ТП и предлагаемого способа при сгорании топлива происходит торможение поршней и потери от неполноты сгорания снижаются по следующим причинам:
в каждом из минициклов происходит прямое сжигание топлива в результате самостоятельной и независимой операции при ТП;
в каждом из минициклов происходит затем дожигание при отсечке в результате самостоятельной и независимой операции при ТП;
в каждом из минициклов создается свой независимый максимум по давлению в КС, совокупность которых и определяет максимальную эффективность ДВС и реализуется только при ТП;
не сгоревшее топливо предыдущих минициклов дожигается на всех последующих минициклах при ТП, вплоть до последнего;
полное сжигание реализуется также за счет изменения длительности впрысков и отсечек и увеличения их длительности от предыдущих минициклов к последующим;
ступенчатый впрыск в каждом мини цикле также снижает неполноту сгорания, так как происходит растяжение во времени процесса сжигания и сжигание топлива мелкими порциями;
топливо можно сжигать с малым избытком воздуха и добиться минимального выделения оксидов азота.
Согласно НОСТ и ТП для реализации предлагаемого способа и новой концепции и электронно-управляемый ТНВД и ЭБУ должны быть закодированы на новый способ, чтобы воздействовать соответствующим образом на дозирующую муфту в ТНВД, которая будет изменять характеристики мини циклов подачи, число которых определяется возможностями форсунки
Согласно НОСТ и ТП и предлагаемого способа, минимизируются потери с газами с высокой тепловой энергией:
ТП сразу вызывает увеличение давления в КС и момента на КШМ;
это возможно только в случае немедленного преобразования тепловой энергии газов в КС при ТП в механическую;
это возможно в случае дополнительного пополнения тепловой энергии газов за счет дополнительного сжигания топлива в КС в каждом миницикле;
это возможно при увеличении давления и температуры КС при ТП и замедлении поршней;
ТП способствует полному сгоранию топлива.
ТП является своеобразным «зеркальным отражением», что принципиально важно, продолженного расширения, когда объем при расширении газов больше объема при сжатии.
Эффект тот же при ТП, что и при продолженном расширении: газы теряют больше тепловой энергии за счет ее преобразования в механическую.
Условия для проявления эффекта разные. При продолженном расширении преобразование тепловой энергии происходит при значительно более низкой температуре газов, чем при ТП.
При НОСТ и ТП происходит еще и прирост тепловой энергии за счет дожигания топлива во время минициклов при ТП и их замедлении.
Согласно НОСТ и ТП и предлагаемого способа, имеет место внутренняя рециркуляция газов в КС.
Только в предлагаемом способе, согласно НОСТ и ТП, имеет место разбиение ОВ на ряд отдельных впрысков.
При внутренней рециркуляции, которая реализуется в предлагаемом способе, газы подаются из «условных» КС предыдущих минициклов в «условные» КС последующих минициклов, а не извне.
На деле имеется одна КС, которая увеличивает свой объем от мини цикла к мини циклу.
Газы поступают из предыдущей КС меньшего объема в последующую КС большего объема. Поэтому речь и идет о внутренней рециркуляции газов.
Это газы, которые образовались во всех КС в предыдущих минициклах и поступают в КС последующих минициклов.
Повышенное содержание окислов азота в выбросах ДВС вызывается высокой температурой в КС. Причем чем больше кислорода, тем выше температура.
При подмешивании к воздуху выхлопных газов содержание кислорода в нем уменьшается. В результате температура сгорания смеси и, соответственно, токсичность выхлопных газов понижаются. За счет избытка воздуха в дизеле образуется большее количество оксидов азота. Подмешивание к воздуху выхлопных газов снижает образование оксидов азота.
Это проявляется в первом миницикле. Поэтому первый миницикл проводится с двухступенчатым впрыском и с малым объемом впрыска.
При рециркуляции газов выброс NOx снижается до 50%, снижается температура в КС. Это при классическом сжигании топлива во время реализации ОВ.
Работа при пониженной температуре в бензиновых двигателях снижает риск возникновения детонации. Работа дизельных моторов становится более мягкой.
Выброс сажи у дизелей с системой рециркуляции уменьшается на 10%. Это при классическом сжигании всего объема ОВ.
В предлагаемом способе эти показатели значительно выше, так как ОВ разделен на ряд впрысков.
Поэтому первый впрыск в первом миницикле, возможно и второй во втором мини цикле, выполняются с небольшим объемом топлива, чтобы не выйти на высокую температуру в КС при избытке кислорода.
Кроме того, оба впрыска или, как минимум, один делается в две ступени: первая ступень с небольшой дозой топлива, а вторая ступень с оставшейся.
Температура не повышается скачком. Процесс во всех случаях инерционный. Максимум ее будет достигаться не в момент впрысков, а в начале моментов отсечек. Процессы в минициклах будут близки к изотермическим при ТП.
Мало того, изменение длительности первых двух отсечек в сторону увеличения длительности позволит снизить температуру газов в КС.
Эти два впрыска с отсечками позволят уже иметь в КС достаточное количество газов, которые будут давать эффект рециркуляции.
Третий и последующие впрыски также протекают при пониженной температуре.
Согласно НОСТ и ТП, а также законов геометрии ДВС выполняется с меньшим количеством цилиндров, но с большим диаметром цилиндров и меньшим расстоянием между ВМТ и НМТ в них.
При такой геометрии уменьшатся относительные тепловые потери, возрастает КПД двигателей.
Уменьшатся габариты ДВС, которые возрастают за счет использования ППЦ более чем на ход поршня.
При «квадратных» (диаметр цилиндра, ход поршня) основных размерах мощность ДВС возрастет на 30-40% в зависимости от исходной мощности ДВС и их размеров.
Еще больший рост мощности будет для супермощных судовых дизелей, работающих на нефти.
При ТП и реализации задержки поршней нет смысла в длинном ходе поршней. Поэтому ход поршней нужно делать максимально коротким.
Поэтому снижение тепловых потерь ведет к росту КПД двигателей.
Согласно НОСТ и ТП и предлагаемого способа, потери в систему охлаждения можно значительно снизить за счет теплоизоляции КС, а при необходимости, каждого цилиндра, с помощью пористого анодированного алюминия, армированного кремнием (ПАААК), предлагаемого фирмой «Тойота». Или другого материала с подобными свойствами. Теплоизоляция необходима для достижения высоких КПД ДВС. При ТП и их замедлении также не обойтись без теплоизоляции КС и цилиндров изнутри.
Согласно НОСТ и ТП и предлагаемого способа, процесс сжигания топлива более продолжителен и протекает, с перерывами на отсечки в течение периода времени в несколько раз большего, чем при классическом сжигании топлива, до 80 градусов ПКВ.
Время подачи топлива определяет программа впрысков и отсечек для каждого типа ДВС. Программа ТП и их замедления следует за ней.
ПКВ на угол около 80 градусов достаточно продолжителен во времени для сгорания топлива в замкнутом объеме. Продолжительность сжигания, давление подачи дисперсность, давление и температура в КС, коэффициент избытка воздуха, определяют полноту сжигания топлива
Способ, согласно НОСТ и ТП, может быть осуществлен в различных топливах (нефть, дизельное топливо, бензин, газ) при большой длительности сжигания топлива.
Процесс сгорания в предлагаемом способе протекает при высоких давлениях и температуре.
За счет продолжительности сгорания в ДВС можно полностью сжечь все топливо при малых коэффициентах избытка воздуха
Возможность сжигания при малых коэффициентах избытка воздуха можно получить низкую токсичность по окислам азота.
Сжигание производится по-разному. При впрыске мини объема происходит прямое сжигание топлива. При отсечке производится его дожигание.
Уже второй впрыск при НОСТ и ТП во втором миницикле обладает особенностями. Образуются продукты сгорания в виде газов при дожигании в первом миницикле, горение в котором не прекращается.
Движение воздуха многократно усиливается движущимися от точек воспламенения в разных направлениях расширяющимися газами.
В турбулентном движении находятся массы воздуха, газовые потоки от сжигания, остатки топлива, которое не сгорело.
На все это накладывается ТП, которое повышает давление газов и интенсивность их преобразования в механическую энергию. Повышается при ТП и замедлении поршней интенсивность взаимодействий воздуха с топливом и с горячими газами продуктами сгорания, повышает интенсивность испарения остатков топлива и, как следствие интенсивность дожигания топлива.
Нужно учитывать, что вся масса испаряющегося топлива при втором и последующем впрысках, масса продуктов сгорания, воздуха, пронизывается под большим давлением струями мелкодисперсного топлива, поступаемого при впрыске.
Давление в КС спадает медленно после достижения им своего локального максимума, что имеет место в каждом мини цикле.
Температура в каждом миницикле достигает максимума во время отсечки.
Давление начинает падать во время отсечки, так как прекращается подача топлива. И то, и другое создают благоприятные условия для сжигания топлива во втором впрыске.
При использовании двух форсунок для многоступенчатого впрыска с разным углом наклона топливных струй впрыскиваемое топливо мгновенно сгорает без образования оксида азота и без образования зон перегрева, ведущих к образованию оксидов азота.
НТРСТ возможна одной форсункой на цилиндр с двумя или тремя электроприводами или пьезоприводами и регулированием давлением впрыска или двумя отдельными форсунками для отдельного цилиндра с регулированием давления впрыска с разным наклоном струй впрыскиваемого топлива.
Сжигание с ОКС в отдельном цилиндре с целью подготовки продуктов сгорания к использованию в «силовые» цилиндрах за большее время и подача продуктов сгорания в «силовые» цилиндры с поршнями менее эффективно.
Топливо в любом случае сжигается большим объемом и полностью не сгорает.
Газы теряют свою энергию по пути в цилиндры. Газодинамические потери могут быть большими и влиять существенно на КПД.
Предлагаемая НТРСТ позволяет одновременно: сжигать топливо отдельными небольшими объемами; получать газы, тепловая энергия которых немедленно и по месту сжигания превращается в механическую работу;
осуществлять ТП в течение РХ и поддержку высокого давления, необходимого для бимолекулярного сжигания топлива.
Согласно НОСТ и ТП, меньшие объемы топлива (части большого объема) для ОВ сжигаются в два этапа в каждом миницикле. Первый - это этап впрыска и прямого горения с достижением возможного максимума по давлению в КС в каждом миницикле.
ЭПСТ такова, что меньшие объемы топлива при высоких давлениях, быстрее перемешиваются с воздухом, быстрее испаряются и эффективней сжигаются при ТП.
Достигается на этапе реализации первой операции впрыска в каждом миницикле свой максимум по давлению в КС.
Это принципиально важное достижение способа. Максимум по давлению при реализации минивпрыска с задержкой поршня отличается от классического максимума по давлению, который достигается примерно через 10 градусов ПКВ при движении поршня без задержек к НМТ
Максимум по давлению в КС в каждом мини цикле достигается искусственно за счет ТП и задержки поршней. Число таких максимумов равно числу минициклов.
Отсечка при этом в каждом миницикле играет решающую роль.
Она обеспечивает достаточные условия достижения максимума давления в каждом миницикле. Если максимум не наступил при впрыске, то он гарантированно наступит при отсечке.
Если максимум по давлению в миницикле не зафиксирован во время впрыска в его конце, то он зафиксируется в момент отсечки и ее начале, когда топливо уже не поступает в КС.
Этот этап физически необходим для фиксации максимума по давлению во время впрыска в каждом миницикле.
Каждый последующий максимум по давлению имеет место при большем угле ПКВ.
Совокупность локальных максимумов, согласно НОСТ и ТП по давлению формируют индикаторную диаграмму с максимальным эффективным КПД. При измерении давлений в КС и заданном в компьютере законах давления можно управлять индикаторным КПД.
Получается при реализации нового способа новая индикаторная диаграмма, в которой имеет место смешение условно изохорного, частично изобарического и частично изотермического процессов. Процесс после последней отсечки, который осуществляется без подвода энергии извне только за счет внутренней энергии газов, будет адиабатным при теплоизоляции не только КС, но и внутренних поверхностей цилиндров.
Многократный впрыск (одноступенчатый, многоступенчатый) и реализация ОВ за счет разделения его на минициклы, реализуемые при ТП, позволяет добиться меньших давлений и температур в каждом мини цикле при полном сжигании топлива.
Это реальное снижение вредных выбросов и реализация зеленой технологии в двигателестроении.
Общеизвестный факт: суммарная мощность всех ДВС во много раз выше суммарной мощности всех электростанций, всех видов. Поэтому так важно в ДВС добиться полного сжигания топлива и минимального выброса всех вредных веществ.
Второй этап реализуется во время отсечки в мини цикле и продолжения сжигания топлива предшествующего впрыска.
ЭПСТ при отсечке повышается за счет повышения среднего давления при задержке поршней в каждом мини цикле и при отсечках в них.
Согласно НОСТ и ТП, в каждом миницикле или каждой паре «впрыск-отсечка», впрыск осуществляется в виде двух и более ступенек различной формы.
НТРСТ осуществляется одной или двумя форсунками на каждый цилиндр.
ЭПСТ такова, что обеспечивается плавное изменение давления и объема подаваемого топлива и в результате образование минимума вредных веществ в виде окиси азота, ТЧ.
Согласно НОСТ и ТП, обеспечивается поддержка давления и температуры (высоких средних величин) в КС во всех мини циклах путем введения в ППЦ новой рабочей жидкости (РЖ).
РЖ нужна для силового перемещения УПЭЛ в УТ от центра к периферии во время впрыска и от периферии к центру при отсечках.
Торможение поршней и их регулируемая задержка лежат в основе нового способа.
РЖ играет главную роль при реализации увеличения момента.
Согласно НОСТ и ТП, длительность впрыска в каждом мини цикле и длительность перемещения УПЭЛ от центра к периферии должны быть одинаковы или близки по величине.
Согласно НОСТ и ТП, при впрысках заданной длительности и периоде прямого горения топлива в каждом миницикле с плавным или ступенчатым изменением давления впрыскивания обеспечивается:
а) перемещение УПЭЛ от центра к периферии;
б) необходимая задержка поршней для поддержания давления в КС (для достижения максимума давления в каждом миницикле) при перемещении поршней к НМТ.
При этом осевые силы РЖ преодолевают силы сопротивления пружин, противодействующих перемещению УПЭЛ от центра к периферии.
УПЭЛ могут быть расположены вкруговую в УТ 17 (в направляющих вида 27, 28) и тогда управляемое отверстие 36 будет изменяться пропорционально диаметру управляемого отверстия 36, который увеличивается при впрыске и уменьшается при отсечке.
Согласно НОСТ и ТП, при отсечках и периоде дожигания топлива в каждом мини цикле с плавным или ступенчатым изменением давления впрыскивания топлива обеспечивается:
а) перемещение УПЭЛ от периферии к центру;
б) перемещение УПЭЛ от периферии к центру за время отсечки топлива в каждом мини цикле;
в) обеспечивается при этом необходимая для поддержания давления в КС задержка перемещения поршней к НМТ.
Силы пружин 29, 30 и 31, 32 при этом преодолевают осевые силы РЖ, действующие на УПЭЛ 33, 34 (эти плоскости отдельными позициями не обозначены) и его плоскости, расположенные под углом к потоку РЖ.
Согласно НОСТ и ТП, длительность перемещения УПЭЛ в УТ от периферии к центру во время отсечек подачи топлива равна или близка длительности отсечек.
Согласно НОСТ и ТП, длительность впрысков и отсечек и объем сжигаемого топлива в мини цикле выбираются с выполнением следующих условий:
чтобы в каждом мини цикле полностью сгорало впрыскиваемое топливо;
количество вредных выбросов в виде оксида азота или угарного газа было минимальным.
Согласно НОСТ и ТП, «управление огнем» заключается в том, что горение не прекращается при переходе от впрыска к отсечке в каждом отдельном миницикле и при переходе от предыдущего миницикла к последующему, начиная со второго.
Управление огнем будет наблюдаться там, где будут происходить преимущественно диффузионные процессы сжигания.
Значит и надо создать условия для их протекания. Условия создаются, прежде всего, разбиением на минициклы числом более двух.
Согласно НОСТ и ТП, полному сгоранию топлива способствует большее время сжигания. Это важнейшая часть способа нового способа.
ОВ в виде нескольких пар «впрыск-отсечка» осуществляется за гораздо большее время, чем ОВ с разовым впрыском большого объема.
Каждая часть полного объема ОВ впрыскивается за свое время. Время впрыска каждой части постоянное или переменное от первого впрыска до последнего, а общее время ОВ, реализуемого по частям увеличивается в разы.
После каждого впрыска, в каждом миницикле следует отсечка заданной постоянной или переменной длительности. В итоге длительность дробного впрыска ОВ значительно возрастает.
Согласно НОСТ и ТП, вторая важнейшая часть способа связана с операциями, которые обеспечивают задержку поршней и более медленное увеличение КС при подаче топлива. Это обеспечивает поддержание оптимальных давления и температуры в КС, которые обеспечивают полное сжигание топлива в каждом миницикле и всего топлива при ОВ.
Согласно НОСТ и ТП, развиваемая при этом мощность ДВС и момент значительно выше за счет полного сгорания топлива при ТП и увеличении времени на сжигание топлива и своевременного преобразования тепловой энергии в механическую.
Во время каждого миницикла, как части ОВ, впрыска и отсечки в нем, происходит соответственно увеличение и уменьшение управляемого отверстия 36 (фиг. 3), как минимум, одного УТ 17.
Имеет место перемещение УПЭЛ 33, 34 от центра к периферии под действием потока РЖ в УТ 17 и в АРРЖ 34 (фиг. 2-фиг. 3) или от периферии к центру под действием пружин 29, 30 и 30, 31.
Причем ТП возможно за счет управления отверстием 36 в УТ 17 при сжигании объема топлива и реализации ОВ только по частям.
Причем с отсечками после сжигания каждой части. В этом сущность способа.
Иначе он не реализуется слитно в части впрыскивания топлива и его сжигания и в части ТП.
Впрыск топлива по частям в минициклах для реализации ОВ является необходимым условием реализации способа
То есть разделение ОВ на части и подача этих частей в КС (условия подачи) являются необходимыми условиями реализации способа.
ТП при этом является достаточным условием реализации способа.
Вместе они формируют необходимые и достаточные условия реализации нового способа.
При реализации каждого из ряда последовательных минивпрысков во время этих впрысков за счет давления РЖ (осевые силы, направление вдоль вставок 27, 28) управляемое отверстие 36 в УТ 17 увеличивается.
Для этого нужно задавать впрыск в миницикле определенной длительности с учетом динамики УПЭЛ 33, 34.
Поступление топлива из ЭГФ 13 (фиг. 1, фиг. 5) при впрыске в КС 4 и перемещение УПЭЛ 33, 34 от центра к периферии, вытеснение РЖ из одних ППЦ в другие осуществляется всегда одновременно.
При реализации каждой из ряда последовательных отсечек, за счет прекращения прямого горения и перехода к периоду дожигания топлива в каждом миницикле, давление РЖ падает и управляемое отверстие 36 уменьшается в УТ 17.
Для реализации динамики УПЭЛ 33, 34 назначается время отсечек в мини циклах.
Время отсечек во всех мини циклах, когда топливо дожигается, всегда равно по длительности времени перемещения УПЭЛ 33, 34 от периферии к центру УТ 17.
РЖ в ППЦ не перегревается, так как четырежды за цикл приходит в каждую ППЦ, «снимает» излишнее тепло и уносит его АРРЖ. От АРРЖ тепло отдается незамерзающей жидкости, которая циркулирует в стенках АРРЖ. На фиг. 2 не показана система охлаждения ДВС через АРРЖ.
Исключено и возгорание РЖ (например, масла) в ППЦ. Все ППЦ заполнены полностью в любой момент РЖ. Там нет кислорода или воздуха в свободном виде. Только в растворенном в РЖ.
Кроме того, РЖ охлаждается в АРРЖ и поступает в цилиндры охлажденной. Поэтому возможные прорывы газов из КС не приведут к возгоранию РЖ, которая охлаждена. Если стенки цилиндра изнутри выполнены с покрытием в виде ПАААК или подобного материала, то стенки цилиндра внутри сильно не нагреваются. Сохраненное тепло своевременно и при ТП преобразуется в механическую работу.
РЖ в ППЦ создает равномерное давление на стенки цилиндров и «как бы вывешивает поршень» в цилиндре.
Поршни сами по себе не создают давления на стенки цилиндра, если их внутри цилиндра поддерживает РЖ во время движения от ВМТ к НМТ. Они жестко механически соединены со штоком, который не создает боковых усилий.
Этим он отличается от шатуна, который вынесен за пределы ППЦ в картер. Мало того, конструкция поршня может быть упрощена.
Защита от прорывов газов из КС в ППЦ может быть значительно надежней.
Переходные процессы при подаче топлива и торможении поршней (ПППТиТП)
Они бывают двух видов при подаче топлива в предлагаемом способе.
Первый вид ПППТиТП связан непосредственно с доставкой топлива с помощью форсунок под высоким давлением в КС. Длительность этих процессов кодируется в ЭБУ.
После впрыска следует отсечка, которая тоже кодируется для каждого мини цикла в ЭБУ.
Второй вид ПППТиТП осуществляется с помощью газов в КС 4 и РЖ в ППЦ 5 и связан с обеспечением оптимальных давлений в КС 4 и температур в КС 4 во время всех минициклов за счет ТП.
ТП и замедление поршней улучшают процессы сжигания топлива. Эти процессы относятся к гидромеханическим процессам, соединенным с процессом подачи топлива.
Итак, ПППТиТП реализуется в КС 4 во время впрысков топлива в периоды прямого горения топлива в КС 4.
ПППТиТП реализуется в минициклах во время отсечек в периоды дожигания топлива в КС 4, поданного во время впрыска.
Одновременно реализуется третий ПППТиТП, тесно связанный со сгоранием топлива.
Это ПППТиТП по перемещению УПЭЛ 33, 34 от центра к периферии под действием сил, развиваемых РЖ в ППЦ 5.
Этот вид ПППТиТП саморегулируемый. Он влияет прямо на второй ПППТиТП. Все три процесса физически проходят вместе. Их разделение условное.
Когда УПЭЛ 33, 34 у центра, то ТП максимальное и реактивное сопротивление управляемого отверстия 36 в УТ 17 максимальное. При сгорании топлива растет давление и в КС 4, и в ППЦ 5.
РЖ - ее осевая составляющая по продольной оси направляющих элементов 27, 28 и продольной оси УПЭЛ 33, 34, но перпендикулярная продольной оси УТ 17, перемещает во время впрысков УПЭЛ 33, 34 от центра к периферии относительно оси УТ 17.
Пружины 29, 30 и 31, 32 сжимаются. Увеличивается управляемое отверстие 36 в УТ 17 (фиг. 2, фиг. 3).
Реактивные силы, противодействующие силам газов в КС 4, уменьшаются.
Увеличивается управляемое отверстие 36 для РЖ при впрысках за счет осевых, направленных вдоль осей УПЭЛ 33, 34, сил давления РЖ на УПЭЛ 33, 34.
Эти осевые силы от РЖ, направленные вдоль УПЭЛ 33, 34, преодолевают давление сил пружин 29, 30 и 31, 32. Нарушается баланс сил. УПЭЛ 33,34 всегда перемещаются вдоль продольной оси направляющих 27, 28 при нарушении баланса сил.
Это силы пружин 29, 30 и 31, 32, действующих на УПЭЛ 33, 34 с внешних сторон.
Это осевые силы РЖ, перпендикулярных направлению перемещения РЖ в УТ 17, но направленные вдоль продольных осей направляющих 27, 28 для УПЭЛ и действующих на УПЭЛ 33, 34 со стороны РЖ.
Причем, время (длительность) впрыска и время (длительность) перемещения УПЭЛ 33, 34 от центра к периферии в УТ 17 должны быть одинаковы.
Это два процесса, которые связаны воедино и влияют один на другой.
Период дожигания - это период сжигания остатков топлива во время отсечки, которое не сгорело при впрыске в мини цикле.
И в этом случае длительность процесса дожигания при отсечке должна быть равна длительности ПППТиТП при сдвигании УПЭЛ 33 и УПЭЛ 34 к центру от периферии пружинами 29, 30 и 31, 32.
При этом пружины преодолевают сопротивление осевых сил РЖ, действующих на УПЭЛ 33, 34.
Давление осевых сил РЖ в УТ 17 падает при прекращении подачи топлива. Это естественно. Топливо не подается в КС 4.
Поэтому управляемое отверстие 36 УТ 17 уменьшается за счет саморегулирования и нарушения баланса сил. Растет его ГС и растет PC, направленная к ВМТ.
Поршень 2 начинает тормозиться. Объем КС 4 начинает увеличиваться медленнее. Горение не прекращается. Образуются новые газы.
Давление в КС 4 при дожигании топлива снова растет после некоторого падения или не падает интенсивно после прекращения подачи топлива.
В итоге в любом мини цикле среднее давление в КС высокое, достаточное для дожигания топлива.
Это происходит сразу после прекращения подачи топлива в КС 4.
Таким образом, ТП при сжигании каждой части во время впрысков и отсечек обеспечивает полное сжигание топлива.
Это оказывается возможным за счет поддержания давления в КС 4, объем которой изменяется медленно за счет ТП и задержки поршней.
Для подачи топлива в КС 4 могут быть применены форсунки для впрыска топлива с технологией i-ART фирмы Denso с датчиками давления, встроенными в каждую форсунку. Они обеспечивают впрыск оптимального количества топлива и оптимальный момент впрыска. Предлагаемый способ по сути дела определяет место форсунок Denso для достижения максимальной эффективности ДВС при выполнении дополнительных операций. При использовании этих форсунок будет достигаться максимальная эффективность ДВС.
ОВ разбивается на ряд меньших объемов, которые должны быть поданы в КС с высокой точностью. Они в свою очередь разбиваются на две ступени впрыска, каждая со своим точным объемом. При этом разделение ОВ на число частей будет ограничиваться динамикой УПЭЛ 33, 34 и ПППТиТП.
Под динамикой УПЭЛ подразумеваются способности их перемещаться под действием потока РЖ (осевые силы потока РЖ, воздействующие на УПЭЛ) от центра к периферии при впрыске и от периферии к центру под действием пружин при отсечках за заданное время.
Для мощных ДВС с малой скоростью поршня и большим временем впрыска на РХ ограничений по динамике УПЭЛ 33, 34 не будет.
Для ДВС меньшей мощности с большой частотой вращения необходимо подбирать легкие и прочные материалы для УПЭЛ 33, 34 с целью снижения их инерционности и гидромеханической постоянной времени.
При этом нужно учитывать тот факт, что скорость звука в жидкости 1500 м/с, а в воздухе 331 м/с.
Это означает, что любое изменение давления в КС 4 будет мгновенно передаваться на УПЭЛ 33, 34.
Если УПЭЛ 33, 34 будут запаздывать, то в КС 4 возможно повышение давление газов выше допустимых норм. Но задача решается методом компромиссов.
Последняя отсечка в последней паре «впрыск-отсечка» является финальной для такта РХ.
Количество воздуха, поступаемого в КС 4 при впуске через ГРМ 12 от турбокомпрессора, рассчитывается на полное сгорание заданного объема топлива с небольшим запасом.
При ТП и задержках поршней на РХ эффективней происходит и заполнение КС свежим воздухом в тех цилиндрах, в которых осуществляется такт впуска.
Наличие пластмассовых вставок в ГРМ 11, 12 способствует тому, что поступаемый воздух не нагревается при проходе через верхнюю крышку.
Такие вставки не показаны на фиг. 1-фиг. 5. Они применяются.
Наличие термоизоляции КС и верхней крышки, а при необходимости и внутренних поверхностей цилиндров, также обеспечивает низкую температуру, поступаемого в КС воздуха.
Дело в том, что ПАААК обладает малой теплоемкостью. Быстро нагревается и быстро отдает тепло системе охлаждения. Стенки КС 4 быстро охлаждаются до температуры поступаемого в КС 4 воздуха.
Поскольку воздух сильно не нагревается, то и КС 4 заполняется более полно. Обеспечивается большая мощность одного цилиндра.
В цилиндре 1 (фиг. 2) происходит РХ после подачи в него и КС 4 (фиг. 1) по команде с ЭБУ топлива от ЭГФ 13 (фиг. 5), соединенной с ТГАВД 56 трубопроводом 60. Показана только одна форсунка ЭГФ 13 на фиг. 1 для одноступенчатого впрыска.
Для многоступенчатого впрыска, например, двухступенчатого, нужна, как минимум, одна форсунка.
То есть две и более предназначены для мощных ДВС. Они легко разместятся на мощных цилиндрах.
При ТП и замедлении движения поршней объем КС 4 увеличивается медленнее.
Давление в КС 4 достигает максимума и начинает спадать медленнее при впрыске или после отсечки в каждом миницикле чем в том случае, если бы не было ТП.
Более высокое среднее давление в миницикле способствует более полному сжиганию топлива.
В первом мини цикле максимум давления достигается при определенном угле ПКВ. В последующих минициклах этот угол ПКВ увеличивается.
Совокупность этих максимумов формирует максимальный индикаторный КПД.
Все ПКВ, при которых достигается максимум давления в каждом мини цикле, равно как и максимумы этих давлений, является секретом технологии подачи топлива или НОУ-ХАУ для каждого типа ДВС.
Так осуществляется «управление огнем» в КС, когда впрыскиваемое топливо горит от предыдущего миницикла к последующему минициклу вплоть до последней отсечки
Достигается свой максимум по давлению в каждом миницикле за счет ТП и задержки поршней и отсечки
При этом горение не прекращается во время отсечек.
Это не противоречит классической теории выгорания (сгорания) топлива И.И. Вибе и Р.З. Кавтарадзе.
Это касается, прежде всего, предвпрыска и первого миницикла. Для них она уже существует.
Но теория выгорания или полного сжигания топлива должна быть скорректирована и дополнена для ряда последовательных минициклов.
Топливо в этих минициклах сгорает при ТП и задержке поршней, а в каждом миницикле после впрыска следует отсечка.
Эти минициклы уже связаны напрямую с управлением с огнем.
Так будет создана теория полного сгорания топлива с учетом разбиений ОВ на n-минициклов и ТП. Задача создания новой теории - задача масштабная, но без этого никакие прорывы к высоким КПД ДВС невозможны.
Впрыск топлива осуществляется с помощью ряда устройств, образующих систему подачи топлива Common Rail. Это ТНВД 57, на входе соединенный с ТПН 58, а на выходе с ТГАВД 56.
В свою очередь ТГАВД 56 соединен с КРВД 59 на выходе, который устанавливает давление в ТГАВД 56.
ТНВД 57 управляется с помощью ЭБУ электронным путем.
При подаче топлива поочередно срабатывают по команде с ЭБУ форсунки 13 с электроприводом (фиг. 1-фиг. 5) или с пьезоприводом.
Вторые ЭГФ 13 для реализации многоступенчатого впрыска не показаны.
Многоступенчатый (двухступенчатый) впрыск включает ступеньки с низким уровнем подаваемого объема топлива с треугольной, прямоугольной формой впрыска и вторую ступень с высоким уровнем объема топлива с треугольной, прямоугольной формой впрыска.
Это делается во избежание скачка давления в КС 4 при избытке подачи топлива. ЭГФ 13 подают топливо в отдельные цилиндры 1, 14, 15, 16 на тактах РХ.
При этом топливо поступает от ТНВД 57 в ТГАВД 56, а затем по трубопроводу 60 в ЭГФ 13 по команде с ЭБУ для каждого цилиндра. Топливо сгорает как во время впрыска (период прямого горения) при задержке поршней, так и во время отсечки тоже при ТП и задержке поршней (период дожигания).
При выборе объемов топлива для сжигания в минициклах, длительность впрысков и отсечек в минициклах выбираются так, чтобы предыдущий шаг был оптимальным по отношению к последующему. Подкачка топлива в ТНВД 57 осуществляет с помощью ТПН 58.
Давление в ТГАВД 56 устанавливается с помощью КРВД 59.
Часть топлива, которое не впрыскивается в КС цилиндров 1, 14, 15, 16 и не используется, возвращается в топливный бачок.
Подается снова топливо в ТНВД 57 с помощью ТПН 58.
Таким образом, часть топлива, которая не сгорает, циркулирует по кругу. Для оптимального процесса важно, чтобы объем циркулируемого топлива был минимальным.
Одновременно в цилиндре 16 (фиг. 2) происходит впуск воздуха от турбокомпрессора под избыточным давлением.
Турбокомпрессор (ТК) не показан. В паре цилиндров 1 и 16 идет движение поршней 2 к НМТ.
Движение поршней происходит за счет давления газов, которые расширяются в КС 4 цилиндра 1 на РХ (фиг. 1, а, б), равно, как и во время РХ в других цилиндрах.
РХ в одном цилиндре (движение поршня к НМТ) обеспечивает вытеснение РЖ из ППЦ двух цилиндров (рабочий ход, впуск) всегда в ППЦ тех двух цилиндров, в которых поршни перемещаются к ВМТ - выпуск и сжатие (рассматривается устройство с четырьмя цилиндрами для иллюстрации реализации способа).
В цилиндре 16 на такте впуска поршень идет к НМТ и происходит вытеснение РЖ из-под поршневой полости цилиндра 16.
Это происходит за счет КШМ 10 (фиг. 1), с которым механически связаны все поршни ДВС.
В предлагаемом устройстве для реализации способа вводится РЖ в ППЦ для ТП и задержки поршней 2 во время РХ и, следовательно, для задержки всех других поршней. Это главный момент в способе.
Эффект от управления РЖ, проявляется в изменении реактивных сил (PC), действующих на каждый поршень при впрысках и отсечках.
PC переменной величины тормозят поршни 2.
Время прямого сжигания, равно как и дожигания топлива при отсечках, задается с помощью ЭБУ и не зависит от ТП и задержки поршней 2.
Поршень 2 движется в НМТ медленнее. Топливо в КС 4 сжигается эффективнее. Это происходит на РХ поочередно во всех цилиндрах.
Из ППЦ пары цилиндров 1 и 16 (фиг. 2) всегда вытесняется РЖ через АРРЖ 19 в другую пару цилиндров 14, 15 и их ППЦ.
АРРЖ 19 распределяет потоки РЖ всегда по одному алгоритму с помощью КШМ: из двух ППЦ, в которых поршни идут к НМТ в ППЦ двух цилиндров, поршни в которых идут к ВМТ.
Поэтому РЖ вытесняется всегда из ППЦ с тактами РХ (цилиндр 1) и впуска (цилиндр 16) в другую пару цилиндров в их ППЦ для цилиндров с тактами выпуска 14 и сжатия 15.
ППЦ 1 и 16 «соединяются» в динамике на РХ цилиндра 1 последовательно через АРРЖ 19 с ППЦ 14, 15.
Это «соединение» чисто гидродинамическое.
АРРЖ 19 управляется КШМ 10, что и предопределяет переключения цилиндров 1, 14, 15, 16 и соответствующие движения поршней в них, а, следовательно, РЖ в соответствующие ППЦ.
Управляемое отверстие 36 для прохода РЖ в УТ 17 минимальное или равно нулю в начале процесса прямого сжигания топлива.
Возникают большие осевые силы, действующие на УПЭЛ 33, 34 через поверхности, расположенные под углом к потоку РЖ.
Эти поверхности не обозначены на фиг. 3 отдельными позициями.
Наклонные поверхности образуют часть конфузора в направлении, перпендикулярном продольной оси УТ 17 с управляемым сечением 36, при ее перемещении через входы УПЭЛ 33, 34 от ППЦ 5 или в обратном направлении, когда РХ осуществляется в другом цилиндре.
Такие же силы действуют на поверхности в направлении от центра к периферии на выходе УПЭЛ 33, 34.
Осуществляется при впрыске перемещение УПЭЛ 33, 34 от оси УТ 17 к периферии.
Перемещаются УПЭЛ 33, 34 от центра к периферии и сжимают пружины 29, 30 и 31, 32.
Сжимается сначала пара пружин 31,32 меньшей жесткости, затем пара пружин 29, 30 большей жесткости, в которых формируются силы возврата при отсечке УПЭЛ 33, 34 в положение до впрыска.
Перемещение УПЭЛ 33, 34 длится до равновесия сил пружин 29, 30 и 31, 32 при сжатии и осевых вертикальных составляющих сил от потока РЖ или РЖ под давлением, взаимодействующие с наклонными поверхностями УПЭЛ 33, 34.
Таким образом, показано, что замедление движения поршня имеет место при впрысках.
Топливо сгорает более полно, так как увеличивается время на его сжигание за счет соответствующего кодирования ЭГФ 13, а при ТП и задержках поршней поддерживается оптимальное давление в КС 4 и температура в каждом миницикле.
Если имеет место двухступенчатый впрыск, то происходят те же процессы, только более мягко. То же самое происходит и при треугольном впрыске во второй ступени или в первой и второй ступени.
Происходит интенсивное сжигание топлива и дожигание топлива в КС 4 и увеличение давления в КС 4 во время впрысков топлива.
Впрыск заканчивается, когда УПЭЛ 33, 34 перестают двигаться от центра или продольной оси УТ 17 или управляемого сечения 36 к периферии.
ТП и замедление поршня во время впрыска для каждого мини цикла осуществляется непрерывно во время переходного процесса подачи топлива и торможения поршней (ПППТиТП) и увеличения управляемого отверстия 36 в УТ 17.
Когда управляемое отверстие 36 увеличится до максимального отверстия 36 в УТ 17, то необходимо начинать отсечку. Так кодируются форсунки на этапе создания нового ДВС.
Во время отсечки ТП и замедление поршня 2 происходит интенсивно с самого начала.
Опять дело в ПППТиТП и перекрытии управляемого отверстия 36 в УТ 17. Прекращается подача топлива в КС 4. Падает давление в КС 4. Падает давление в управляемом отверстии 36. Оно может быть круглым или прямоугольным.
Силы давления пружин 29, 30 и 31, 32 с внешней стороны, или от периферии к центру, становятся больше сил осевого давления РЖ на УПЭЛ 33, 34 с внутренней стороны или от центра к периферии в управляемом отверстии 36 УТ 17.
УПЭЛ 33, 34 начинают движение от периферии к центру по направляющим 27, 28 под действием пружин 29, 30 и 31, 32.
Управляемое отверстие 36 УТ 17 начинает уменьшаться.
Сила сопротивления перемещению РЖ вдоль УТ 17, направленная к ВМТ, и, следовательно, поршня 2 растет. Поршень 2 тормозится. Давление в КС 4 начинает расти.
Точнее его падение при отсутствии подачи топлива происходит медленней, чем если бы не было ТП.
Начинается интенсивное торможение поршня 2 и рост давления в КС 4.
Сразу начинается режим интенсивного дожигания топлива с ростом давления в цилиндре 1 во время отсечки при реализации любого миницикла.
Одновременно растет преобразование тепловой энергии в механическую.
Отсечку необходимо прекращать, когда давление в КС 4 начинает интенсивно падать.
Длительности отсечек в минициклах кодируется для каждой форсунки и каждого типа ДВС является предметом «НОУ-ХАУ».
Управляемое отверстие (круглое или прямоугольное) 36 в УТ 17 уменьшается до определенной величины, когда силы пружин 29, 30 и 31, 32 уравновешиваются осевыми силами, действующими на УПЭЛ 33, 34 со стороны РЖ.
Управляемое отверстие 36 УТ 17 уменьшается от максимального к минимальному.
Опять происходит более полное сжигание топлива.
Отсечки важнее впрысков с точки зрения более полного сжигания топлива при наличии УПЭЛ 33, 34, перемещаемых автоматически к оси УТ 17 пружинами 29, 30 и 31, 32.
Максимум давления в КС 4 могут достигаться при впрыске в каждом мини цикле.
При этом отсечки играют основную роль в достижении этих локальных максимумов. При отсечках локальные максимумы во всех мини циклах гарантированы. Фактически при любой длительности впрыска
Давление начинает падать в КС 4 после достижения максимума во время впрыска в каждом мини цикле, если этот максимум достигается во время впрыска, и продолжает падать во время отсечек в минициклах.
Средние давления в КС 4 за миницикл остаются достаточно высокими, хотя и падают от миницикла к минициклу и обеспечивают полное сжигание топлива.
При этом величины максимумов давления в минициклах падают от предыдущего к последующему.
Подобные процессы повторяются от одного миницикла к другому.
Неразрывность потока обеспечивает РЖ, которая всегда, в любой момент времени полностью заполняет гидравлическую часть ДВС.
В ней нет свободных объемов.
Поток РЖ в гидросистеме ДВС неразрывен. В АРРЖ 19 поступают объемы РЖ из ППЦ 1, 16 на тактах РХ и впуска в цилиндрах 1, 16.
Одновременно объемы РЖ, равные объемам ППЦ 1, 16, перемещаются из АРРЖ 19 под давлением в ППЦ 14, 15 на тактах выпуска и сжатия.
АРРЖ 19 «распределяет» их именно в ППЦ 14, 15 с помощью КШМ 10.
Давление в гидросистеме на РХ определяется давлением газов в КС 4, которое является переменным на такте РХ.
Прямое сжигание и дожигание топлива при впрысках и отсечках в каждом из минициклов позволяет повысить среднее давление газов в цилиндрах, в их КС 4 и ППЦ 5 на РХ.
Одновременно это позволяет повысить момент, создаваемый ДВС.
Происходит внутреннее компаундирование при создании момента.
Часть момента создается действием газов в КС 4 и на КШМ через его механику.
Вторая «часть» момента создается тоже на КШМ, который «докручивает» гидравлический поток, поступающий в соответствующие ППЦ.
Разделение создаваемых моментов на части условно. Обе части представляют единое целое. Гидравлический поток перемещается также давлением газов, которое создается в КС 4.
При этом создаваемый момент дополнительно увеличивается. Причина увеличения момента в ТП и задержке поршней.
В случае ТП полнее сжигается топливо, образуется большее количество газов.
Большее количество газов совершают большую работу.
При замедлении поршней естественно увеличивается создаваемый ДВС момент.
ТП и задержка поршней - это своего рода зеркальное отражение процесса продолженного расширения, когда газы совершают максимально большую работу.
Внутреннее компаундирование позволяет управлять «огнем» и решить задачу «укрощения огня», которая не была решена в технически реализуемом виде до настоящего времени.
При этом управление огнем начинается со второго мини цикла. Первый миницикл совершается с предвпрыском.
При тепловыделении сочетаются кинетическая и диффузионная составляющие тепловыделения. Выгорание топлива происходит и в период задержки воспламенения, затем за счет догорания продуктов неполного сгорания, затем сгорания после окончания топливоподачи.
Во втором миницикле впрыск осуществляется в горящее топливо, которое продолжает гореть после отсечки в первом мини цикле.
Топливо сразу испаряется и начинает гореть. Преобладает диффузионный тип тепловыделения. И тут начинается управление огнем.
Для управления ТП и задержкой поршней в цилиндрах 1, 14, 15, 16 четырехтактного двигателя достаточно иметь, как минимум, один трубопровод в УТ 17 с УПЭЛ 33, 34 (фиг. 3) в виде обратимых конфузоров-диффузоров (конфузоры-диффузоры на фиг. 3 не показаны отдельными позициями в силу обратимости) или одним УПЭЛ 33, 34.
Гидравлические потери в УТ 17 с УПЭЛ 33, 34 будут больше при изменении его сечения при впрысках и отсечках из-за изменения скорости РЖ.
Используется минимум числа УТ для снижения гидравлических потерь в ДВС. Для четырех цилиндрового и четырехтактного двигателя достаточно одного УТ 17 с одним управляемым отверстием 36 и одним УПЭЛ или парой УПЭЛ 33, 34.
В ДВС (фиг. 2) это позволяет повысить эффективный к.п.д. Перемещение УПЭЛ 33, 34 реализуется в предлагаемом устройстве автоматическом режиме с саморегулированием.
Реализуется самый высший динамический уровень с точки зрения законов развития технических систем (ЗРТС).
Получается так, что поршни цилиндров 1, 14, 15, 16, которые приводятся в движение энергией газов и сами цилиндры 1, 14, 15, 16 работают как гидроцилиндры с высоким гидромеханическим КПД. Компенсация возможных утечек.
Возможные утечки РЖ через уплотнения и при управлении УПЭЛ 33, 34 компенсируются с помощью НВД 24 и через ЭК 25 и ОК 26.
Когда подается сигнал на пополнение АРРЖ 19, то ЭК 25 открывается и в АРРЖ 19 впрыскивается РЖ под высоким давлением. Если гидросистема системы подачи топлива заполнена, то РЖ сливается через ОК 26.
Давление в АРРЖ 19 определяется давлением газов в КС 4 (фиг. 1) при сгорании топлива.
УПЭЛ 33, 34 выполняют максимально легкими из нанокомпозитов, сплавов алюминия, углепластика и способными воспринимать большие усилия.
УТ 17 и другие трубопроводы (фиг. 2) соединены каждый с отверстиями-окнами 39, как минимум, двумя по периметру каждого цилиндра 1 в крышке 38 (фиг. 4), площадь сечения которых меньше сечения ППЦ 5, из которой вытесняется РЖ (фиг. 3).
Гидравлический компенсатор 21 (ГК 21) нужен для работы УПЭЛ 33, 34.
Работа ГК 21 (фиг. 2) осуществляется при перемещении УПЭЛ 33, 34 от продольной оси УТ 17 по ходу РЖ при впрысках и к оси при отсечках.
ГК 21 (фиг. 3) отдает при впрысках, запасенный при отсечках, объем РЖ в АРРЖ 19 и через него в цилиндры, в которых осуществляются такты выпуска 15 и сжатия 14 при схеме работы цилиндров 1-2-4-3.
При отсечках, когда УПЭЛ 33, 34 движутся к продольной оси УТ 17 (или возможных трех других трубопроводов, если они снабжены УПЭЛ) пополняются с помощью ГК 21, число которых, как минимум, равно одному.
Поршни 22 в ГК 21 перемещаются, пружины 23 сжимаются.
Запасается в ГК 21 объем РЖ, вытесненный из пространства между поверхностями 35 с помощью УПЭЛ 33, 34 при их сближении или при разжимании пар пружин 29, 30 и 31, 32.
В пружинах 29, 30 и 31, 32 при впрыске накапливается потенциальная энергия. Формируются в пружинах 29, 30 и 31, 32 силы, достаточные для возврата УПЭЛ 33, 34 в исходное состояние. Поэтому работают ГК 21.
Объем РЖ, запасенный в ГК 21 при отсечках, опять возвращается в УТ 17 в пространство между поверхностями 35, но уже при впрысках. При впрысках увеличивается переменное сечение 36 с помощью УТ 17.
Термоизоляция в виде термоизоляции крышки 43 и верхней части поршней 42 выполнена с помощью ПАААК. Возможна термоизоляция цилиндров изнутри с помощью ПАААК или аналогичного по свойствам материала.
Форма КС в виде части полусферы в крышке и части полусферы в поршне без цилиндрических частей поршня способствует повышению эффективности преобразования тепловой энергии.
Происходит за счет формы КС 4 многократное отражение молекул газа от верхних частей КС 4 и покрытия 43 и возврат молекул к поршню 2 с покрытием 42 и преобразованию тепловой энергии в механическую.
При теплоизоляции КС 4 и внутренних стенок цилиндров процесс будет адиабатным при последней отсечке, когда тепло не будет подводиться на РХ в силу реализации последнего миницикла.
Выпуск газов на такте выпуска осуществляют с помощью первой части ГРМ 11 (фиг. 4), впуск воздуха от турбокомпрессора при наддуве осуществляют с помощью второй части ГРМ 12 (фиг. 4. фиг. 5).
Привод механических клапанов 52 (МК 52) для выпуска газов осуществляют через шток 50, пружину 48, подвижную площадку 46 (ПП 46) с приводом от кулачка 44.
Кулачок 44 при вращении механически за счет эксцентриситета воздействует на ПП 46, сжимает пружину 48, перемещает шток 50 в них и вместе с ним МК 52 вниз. Газы, совершившие работу, при открытом МК 52 по трубопроводу 54 отводятся от цилиндра в турбокомпрессор (ТК).
При повороте кулачка 44 он переходит на меньший радиус и пружина 48 возвращает МК 52 в исходное закрытое положение.
Привод МК 53 для впуска воздуха осуществляют через шток 51, пружину 49, ПП 47 и через кулачок 45 (Фиг. 5). Привод МК 52 и МК 53 может быть осуществлен с помощью электрогидравлических клапанов (ЭГК). Такой привод не показан. Кулачок 45 при вращении механически за счет эксцентриситета воздействует на ПП 47, сжимает пружину 49, перемещает МК 53 вниз.
Воздух при открытом МК 53 по трубопроводу 55 подводится к цилиндру 1 от ТК. Турбокомпрессор не показан.
При повороте кулачка 45 он переходит на меньший радиус и пружина 49 возвращает МК 53 в исходное закрытое положение.
Устройство может работать как с датчиками давления в КС 4 или ППЦ 5 (датчики не показаны), так и без них.
При наличии датчиков давления положения поршня в КС4 или ППЦ5 необходимо перепрограммирование ЭБУ. В этом случае должны задаваться и отслеживаться законы давления газов температуры в КС4 во время всех минициклов.
Устройство реализует все операции способа (вариант №1). Возможно повышение эффективности ДВС до 60% и более при использовании задержки поршней вместе с тепловой изоляцией КС и увеличением числа впрысков и отсечек.
Повышение КПД возможно в рамках новой концепции.
Новая концепция может быть реализована наиболее эффективно и с наивысшим КПД совместно с новейшими достижениями фирмы Тойота по теплоизоляции КС. Это однозначно
Новая концепция может быть реализована наиболее эффективно с форсунками, выполненными по технологии i-ART фирмы DENSO. Эти форсунки имеют встроенные датчики давления и температуры, которые с высокой точностью фиксируют изменения давления и температуры топлива во всех форсунках и обеспечивают оптимальное управление количеством топлива и моментом его впрыска.
Новая концепция может быть более эффективно реализована применением электронно-управляемого ТНВД фирмы Denso с возможностями точного дозирования топлива за счет применения дозирующей муфты и системы датчиков. Компьютер по показаниям датчиков создает сигналы, которые получают в ТНВД механизмы цикловой подачи топлива и механизм контроля опережения. Это самый современный ТНВД.
В рампу и форсунки поступает только необходимое для данного режима количество топлива в данный момент.
Новая концепция может быть реализована при условии теплоизоляции RC любой системой Common Rail с форсунками, которые могут совершать 5-6 впрысков за цикл в сочетании с применяемыми ТНВД без электронного управления
ДВС (вариант №2) работает по схеме чередования цилиндров в четырех цилиндровом двигателе по схеме 1-3-4-2.
Способ реализуется для четырех-, шести-, восьмицилиндрового рядного ДВС или V-образного ДВС любой конфигурации.
На фиг. 6-фиг. 10 не показаны датчики и электронный блок управления (ЭБУ), которые участвуют в системах подачи топлива.
Устройство может работать с рабочей жидкостью (РЖ).
На такте сжатия в его конце в цилиндре 1 реализуется управляемый предвпрыск при работе с дизельным топливом или бензином.
После достижения поршнем ВМТ начинается основной впрыск (ОВ).
Суть способа в разделении объема топлива при ОВ на части с меньшими объемами и разделение цикла ОВ на ряд минициклов.
Меньшие объемы, сумма которых равна всему объему при ОВ, впрыскиваются по частям и реализуются в виде минициклов с ТП и задержкой поршней.
Первому минициклу предшествует управляемый предвпрыск.
Последующие минициклы отличаются от первого. В них впрыск осуществляется в горящее топливо при дожигании топлива предшествующего миницикла.
Каждый миницикл представляет собой две операции: это впрыск малого объема и отсечка.
Количество минициклов таково, чтобы объем впрыскиваемого топлива при реализации всех мини циклов равнялся объему ОВ для данного режима.
Суммарная длительность минициклов значительно больше длительности классического ОВ.
Способ позволяет лучше сжигать топливо и увеличивать значительно момент ДВС и преобразование тепловой энергии в механическую.
При постоянных сечениях УТ для управления режимами число мини циклов может быть увеличено до максимально возможных при подаче одной или двумя форсунками.
Причина простая. Нет переходных процессов по управлению отверстиями для УТ.
Они устанавливаются для конкретных режимов и не изменяются во время реализации этих режимов.
Управление режимами работы. В предлагаемом варианте реализации способа осуществляется управление режимами с целью задержки поршней во время их реализации
Наличие, как минимум, двух переключаемых трубопроводов о позволяет создавать изменяемую дискретно реактивную силу (PC) при впрысках и отсечках при постоянном гидросопротивлении (ГС) каждого отдельного трубопровода.
Эта PC всегда направлена к ВМТ против сил, развиваемых в КС 64.
Эти силы противодействующие друг другу, воздействуют на поршень 61 со штоком 63
Управление PC позволяет управлять задержкой поршней и режимами работы ДВС.
Существует номинальный режим (HP), режим холостого хода (XX) и частичные режимы (ЧР) нагрузки ДВС между этими двумя.
ГС, а следовательно, и режимы можно менять за счет присоединения вручную или с помощью электрогидравлического клапана (ЭГК) УТ с другим сечением и другим ГС, соответствующие задаваемому ЧР или режиму XX, или HP.
Момент дополнительно создается с помощью РЖ в ДВС, когда РЖ вытесняется из цилиндров с тактами РХ 61 и впуска 76 в цилиндры с тактами выпуска 75 и сжатия 74.
Имеет место увеличение, развиваемого ДВС момента и мощности, при ТП и задержке поршней.
Это происходит в силу более полного сгорания топлива при повышенном среднем давлении в КС 64 в каждом из реализуемых минициклов.
Среднее давление и температура в КС 64 при задержках поршней 62 значительно больше в каждом мини цикле «впрыск-отсечка», чем при классическом впрыске ОВ без разделения его на части без ТП и без задержки поршней.
Среднее давление в КС падает в каждом последующем миницикле.
Задержка поршней и ТП производятся для того, чтобы повысить среднее давление в КС 64 и температуру в КС 64 для эффективного сжигания топлива при медленном увеличении объема КС 64 в каждом из минициклов.
Управляемый трубопровод 79 (УТ 79, фиг. 8) с отверстием 95 большего диаметра открывается для работы в HP.
Устройство для открытия может быть ручное или автоматическое. При ручном управлении это устройство может быть аналогом коробки передач.
При наличии нескольких УТ работа осуществляется таким образом. Сначала, чтобы в системе не произошло гидравлического удара, открывается последующий УТ для нужного в настоящее время режима работ ДВС.
Затем закрывается предыдущий УТ для режима, который в новом режиме работы ДВС не нужен.
В случае с двумя УТ сначала открывается УТ 79 с отверстием 95 большего диаметра, а затем закрывается УТ 78 с отверстием 92 меньшего диаметра с помощью ЭГК 82.
ДВС переходит в HP в результате переключения с отверстия 92 меньшего диаметра (фиг. 8,а) на отверстие 95 большего диаметра (фиг. 8,б), с режима XX на HP с помощью ЭГК 83.
Отверстия 92, 95 для УТ 78, 79 выбираются средними для режимов XX и HP.
Большее отверстие 95 (фиг. 8.б) выбирается для HP.
Меньшее отверстие 92 выбирается для XX.
Число УТ может быть больше двух или несколько. В этом случае переход от XX к частичным режимам и HP осуществляется более точно.
ДВС с большим количеством УТ могут превосходить по эффективности ДВС по первому варианту или равны ему по эффективности.
Переходный процесс по плавному изменению сечения УТ 78, 79 отсутствует. Это изменение дискретное.
Имеется переходный процесс в КС 64 по изменению давления при подаче топлива в виде впрысков и отсечек.
Как только изменяется давление в КС 64, так тотчас устанавливается давление в ППЦ 65.
В отверстиях 92 или 95 или отверстиях других УТ при их количестве больше двух в зависимости от давления в ППЦ 65 формируется реактивная сила.
Эта сила направлена всегда к ВМТ и ослабляет силы давления газов в КС 64.
Вторая форсунка участвует в создании многоступенчатых впрысков. Или для увеличения числа минициклов при реализации различных режимов.
При дискретном регулировании управляющие отверстия изменяются скачком.
Поэтому и нет переходных процессов, необходимых для изменения диаметров этих отверстий.
Поэтому при использовании ДВС в городских условиях для легковых автомобилей нужно иметь для ДВС еще несколько УТ с промежуточными сечениями между максимальным 95 и минимальным 92 сечениями.
Режим холостого хода (XX).
В том случае, когда ДВС работает на XX (отверстие 92), подается минимальное количество топлива в КС 64 (фиг. 6) количество пар «впрыск-отсечка» сводится к минимуму.
Количество топлива, которое надо дожечь минимизируется. Сжигаемое топливо развивает минимальные усилия в КС 64.
Для торможения поршней 62 на XX нужно создать при малой скорости поршней большее гидравлическое сопротивление (ГС) в УТ.
Поэтому на Х.Х. при остановках на перекрестках необходимо переключать ДВС и его цилиндры на трубопровод 78 с отверстием 92 малого диаметра с помощью ЭГК 82 и ЭГК 83 (фиг. 7), которые работают одновременно.
Впрыск производится в каждом миницикле. За ним следует отсечка.
Первый мини цикл с учетом предвпрыска можно рассматривать с позиций теории сжигания, в частности, закона Вибе на основе теории цепных реакций. С распространением закона Вибе на двухфазный цикл.
Во втором миницикле и последующих уже нет предвпрыска и впрыск производится в горящую среду (после отсечки в первом мини цикле горение продолжается) с немедленным испарением топлива и сгоранием.
Локальные максимумы по давлению и температуре с учетом ТП будут уменьшаться к концу ОВ в мини циклах.
При впрыске отверстие 95 большего диаметра, которое подключается в HP (фиг. 8) остается постоянным. Подключение происходит за счет одновременного срабатывания ЭГК 82 и ЭГК 83, которые работают в противофазе.
Это вызывает рост PC в отверстии 95 большого диаметра.
Обеспечивается торможение поршней 62 (фиг. 6), своевременное сжигание и дожигание топлива в течение каждого впрыска и отсечки при постоянном ГС.
Объем КС 64 тем не менее растет.
Сила давления газов в КС 64 зависит от количества топлива, поступаемого в КС 64 и длительности впрыска.
Поэтому длительность впрыска увеличивается с каждым последующим впрыском по команде с ЭБУ, если это связано с увеличением объема КС 64 на предыдущем впрыске.
Длительность впрыска может быть и постоянной в каждом миницикле.
Во время впрыска при любой длительности или в начале отсечки каждого миницикла давление в КС 64 достигает своего локального максимума.
Давление в ППЦ 65 зависит от давления газов в КС 64, которое зависит, в свою очередь, от закона сжигания топлива и поступления его в КС 64 при впрыске.
Чем больше длительность впрыска в миницикле при заданном сечении УТ, тем больше поступает топлива в КС 64, тем больше давление газов при сжигании, тем сильнее ТП и задержка поршней.
Длительность впрыска (постоянная или переменная от мини цикла к мини циклу) в первой паре «впрыск-отсечка» и последующих пар «впрыск-отсечка» или всех минициклов выбирается из условия создания искусственных максимумов или управляемых максимумов по давлению в каждой паре «впрыск-отсечка».
Чем больше удастся реализовать таких максимумов за счет управляемых впрысков и отсечек при задержках поршней, тем больше будут площадь индикаторной диаграммы.
«Управление огнем» становится реальным при впрыске в уже горящее топливо и при управлении параметрами впрыска и обязательном ТП и их замедлении.
Индикаторная диаграмма становится управляемой. Она может быть максимизирована по площади.
Переходной процесс при подаче топлива в КС 64, при его сжигании во время впрысков и отсечек, который сопровождается изменением давления в КС 64 во времени, сопровождается немедленным изменением давления в ППЦ 65 и в УТ 78, 79 с не изменяемым сечением.
Управление «огнем» осуществляется путем дробления подачи топлива на максимально большое количество пар «впрыск-отсечка», начиная со второго миницикла.
Это возможно, ибо не надо регулировать отверстия в УТ 78 или УТ 79
Подача топлива осуществляется одной форсункой типа Денсо пятого поколения, позволяющей реализовать до 9 впрысков при частоте вращения 1500 об/мин, либо двумя форсунками аналогичного типа.
При HP работы ДВС подключается трубопровод 79 с отверстием 95 большого диаметра с помощью ЭГК 83.
При открытом устройстве 83 для УТ 79 с большим диаметром 95 (фиг. 7, фиг. 8) в работе находится вставка 81, которая встроена в УТ 79, соединенный с трубопроводом 77 и ППЦ 65. В этом случае (фиг. 7, б) к ППЦ 61 подключен обратимый конфузор-диффузор 94, 96 с отверстием большего диаметра 95 и меньшим ГС, чем при ЧР и режиме Х.Х..
Отсечка наступает после каждого впрыска в миницикле для любого режима. В режиме XX число минициклов сокращается
При отсечке прекращается подача топлива в КС 64. Падает давление газов КС 64 для любого режима
При открытом устройстве 82 для УТ 78 с меньшим диаметром 92 (фиг. 7, фиг. 8) в работе находится вставка 80, которая встроена в УТ 78, соединенный с трубопроводом 77 и ППЦ 65. Отверстие малого диаметра 92 обеспечивает определенное ТП при заданном давлении. Степень торможения зависит от давления в КС 64. Чем больше будет давление в КС 64, тем больше будет реактивная сила противодействия ему.
В этом случае (фиг. 7, а) к ППЦ 65 подключен обратимый конфузор-диффузор 91, 93 с отверстием 92 меньшего диаметра и большим ГС, чем при частичных режимах и HP.
Падает давление РЖ в ППЦ 65. Уменьшается скорость РЖ, проходящей через отверстие 95 большего диаметра при HP или отверстие 92 меньшего диаметра при XX.
PC уменьшается. Тем не менее, скорость поршня 62 замедляется, так как PC действует против давления газов в КС.
Горение при отсечках не прекращается при любом режиме.
Поэтому при некотором замедлении поршней 62 давление в КС 64 растет и способствует сжиганию топлива.
Отсечки не затягиваются при дискретном управлении трубопроводами и реализуется как можно больше пар «впрыск-отсечка» или минициклов, которые в совокупности реализуют ОВ.
Иначе давление в КС 64 будет падать при увеличении длительности отсечек и дожигание при отсечке будет происходить не так эффективно. Для проталкивания РЖ при отсечках через отверстия 92 с меньшим диаметрами или через отверстие 95 с большим диаметром потребуется большее давление. Для его создания в КС 64 сгорает более полно топливо при ТП и задержках поршня.
ТП и задержка поршней при любом режиме происходит потому, что давление газов перераспределяется между гидравлической составляющей, которая увеличится для проталкивания РЖ через отверстия 92 с меньшим диаметром или через отверстия 95 с большим диаметром (фиг. 8.а, б) и механической составляющей, которая уменьшится.
Увеличится PC жидкости, которая будет противодействовать силе давления газов.
Отсечки нужны для фиксации максимума давления при впрыске в каждом мини цикле.
Длительность отсечек при последующих впрысках уменьшается или остается постоянной.
При реализации любых режимов может быть использована, как минимум, только одна пара из двух (если УТ равно двум) переключаемых УТ 78, 79, которая подключается к ППЦ с помощью ЭГК 82, 83. Если таковых УТ четыре, то может быть использована только одна «четверка» УТ в виде блока управления. Все эти трубопроводы соединятся параллельно между одним цилиндром и АРРЖ. Не требуется второй, третьей или четвертой пары или четверки УТ. Формируется один блок управления для четырехцилиндрового двигателя.
Для шести-, восьмицилиндрового двигателя потребуется больше блоков управления в виде УТ из пар или четверок параллельных трубопроводов. Или из расчета один блок управления на четыре цилиндра.
На такте сжатия в его конце в цилиндре 61 реализуется предвпрыск. Затем начинается РХ в цилиндре 61.
Поочередно РХ реализуется во всех четырех цилиндрах ДВС по схеме 1-3-4-2.
В цилиндре 61 (фиг. 6) происходит РХ после подачи в него топлива от ЭГФ 73 (фиг. 9, фиг. 10) и ТГАВД 116 с трубопроводом 120, соединенного с ТНВД 117, ТПН 118 на входе и КРВД 119 на выходе.
Электронно-управляемый ТНВД 117 дозирует и сжимает топливо до высоких давлений и подает топливо в ТГАВД 116 в строго определенном количестве.
КРВД 119 поддерживает в ТГАВД 116 практически постоянное давление.
Впрыскивание ЭГФ 73 в цилиндр 61 топлива в простейшем случае осуществляется изменением длительности управляющего импульса электромагнита управляющего клапана ЭГФ.
Избыточное топливо из КРВД 119 попадает в магистраль отвода топлива и на слив в топливный бак.
Электронно-управляемый ТНВД 117 сводит слив топлива высокого давления через КРВД 119 к минимуму. Снижается мощность устанавливаемого ТНВД 117. Форсунки позволяют изменять давление впрыска.
Форсунки фирмы APCR имеют два независимо управляемых клапана. Могут изменять давление впрыска вдвое, начиная от нижней ступени, которой является ступень ТГАВД. Давление ТГАВД может быть снижено в свою очередь.
Один клапан управляет иглой. Другой управляет давлением впрыскивания.
Форсунка обладает широкими возможностями большой гибкостью. Позволяет снижать расход топлива и эмиссию вредных веществ за счет плавного изменения давления впрыска.
В предлагаемом способе одновременно в цилиндре 76 (фиг. 7 происходит впуск воздуха от турбокомпрессора под избыточным давлением.
В обоих цилиндрах 61 (рабочий ход) и 76 (впуск) движение поршней к НМТ осуществляется за счет давления газов, которые расширяются в КС 64 цилиндра 61 (фиг. 6, фиг. 7).
Поршень цилиндра 76 (впуск) движется к НМТ, как и поршень 62 цилиндра 61 за счет КШМ (фиг. 6). Это имеет место для любого цилиндра 61, 74, 75, 76, в котором осуществляется РХ.
Всегда, например, с цилиндром 61 (или 74, 75, 76), в котором реализуется РХ, в паре за счет КШМ работает другой цилиндр 76, в котором осуществляется впуск.
Существенным признаком является, прежде всего, использование ППЦ с рабочей жидкостью (РЖ) или РТ в цилиндрах 61 и 76 для задержек поршней с помощью РЖ.
Из ППЦ - двух цилиндров, например, пары 61 и 76 (фиг. 2) всегда вытесняется РЖ через АРРЖ 84 (фиг. 7) в другую пару цилиндров, например, в цилиндры 74, 75 (фиг. 6, фиг. 7), в которых совершается такт с выпуска и сжатия
КШМ 70 (фиг. 6) реализует передачу момента механическим путем на вал.
Другая часть момента передается на вал гидравлическим путем через условно «гидравлический» КШМ, но также с помощью механического КШМ.
На тактах РХ и впуска РЖ поступает в АРРЖ 84 по трубопроводам от цилиндров 61 и 76.
Причем от цилиндра 61 РЖ поступает по трубопроводам 78, 79 в зависимости от того какой ЭГК включен: ЭГК 82 или ЭГК 83.
Вставки 80, 81 обеспечивают задержку перемещения поршней при РХ в любом из цилиндров.
Вся гидравлическая система ДВС, состоящая из ППЦ 65 цилиндра 61, АРРЖ 84, ППЦ для цилиндров 74, 75, 76, трубопроводов между ними, заполнена в любой момент времени полностью.
РЖ поэтому одновременно поступает в ППЦ с тактами выпуска и сжатия.
Получается так, что поршни цилиндров 61, 74, 75, 76, которые приводятся в движение энергией газов и сами цилиндры 61, 74, 75, 76 работают как гидроцилиндры с высоким гидромеханическим КПД, которые вытесняют РЖ из ППЦ одних цилиндров в ППЦ других цилиндров.
Величина гидромеханического КПД при минимизации всех ГС может достигать величины 0, 93.
«Посредником» в этом случае является АРРЖ 84 с ГК 85, который вместе с КШМ 70 играет роль рампы-распределителя и автоматически перенаправляет потоки РЖ в нужные ППЦ.
В ГК 86 содержится дополнительное количество РЖ под давлением пружин 87, осуществляемое через поршень 85, которая компенсирует утечки РЖ через уплотнения 100 штоков 63 и которая нужна при работе ЭГК 82, 83
Итогом любой отсечки в любом миницикле для любого режима является замедление поршней 62 и значительно меньшее увеличение КС 64, чем в том случае, если бы замедления не было.
Задержка поршней, их постоянное торможение в течение цикла подачи топлива во время рабочего хода, позволяет поддерживать температуру и давление в КС на некотором высоком уровне.
Появляется возможность продления времени подачи топлива в виде впрысков и отсечек во время РХ
Отсечки нужны для фиксации максимума давления при впрыске в каждом мини цикле.
В КС 64 развиваются при отсечках меньшие силы. Так как топливо не подается. Поршень 62 сильно замедляется. Это способствует сохранению или малому падению давления в КС 64, продолжению активного перемешивания топлива, его испарению и дожиганию.
Осуществляется дискретное управление ГС, когда закрывается ЭГК 82, открывается ЭГК 83 (фиг. 2). И наоборот.
Известно, что в современных дизелях, как минимум, 25% топлива не сгорает вообще.
Несгоревшее топливо не накапливается в случае задержки поршней для дожигания в конце всего такта подачи топлива на РХ при множественном впрыске. Оно сгорает максимально полно в каждом миницикле.
Термоизоляция выполнена в виде термоизоляции крышки 103 и верхней части поршней 102 с помощью ПАААК, форма камеры сгорания выполнена в виде части полусферы в крышке и части полусферы в поршне без цилиндрических частей.
Это способствует многократному отражению молекул газа от верхних частей КС 64 и покрытия 103 и возврат молекул к поршню 62 с покрытием 102 и преобразованию тепловой энергии в механическую.
Покрытия 102, 103 из ПАААК обладают малой теплоемкостью и препятствуют рассеянию тепла.
Они быстро нагреваются, но забирают при этом мало тепла. Затем быстро его отдают при охлаждении.
Для повышения эффективности двигателя необходимо как можно больше отнять энергии у газов и снизить их выходную температуру.
При теплоизоляции КС 64 и внутренних стенок цилиндров процесс адиабатный во время последней отсечки, когда топливо не подается в КС 64. Для теплоизоляции цилиндров могут быть использованы и иные покрытия со свойствами, близкими по свойствам к ПАААК.
Газы, образовавшиеся при сгорании топлива, совершают внешнюю работу только из-за изменения внутренней энергии.
Адиабатное расширение будет происходить с совершением положительной внешней работы и понижением температуры газов.
Возможные утечки РЖ через уплотнения компенсируются с помощью НВД 88, подающего РЖ через ЭК 89 в АРРЖ 84.
Когда подается сигнал на пополнение АРРЖ 84, то ЭК 89 открывается и в АРРЖ 84 впрыскивается РЖ под высоким давлением для компенсации утечек. Из АРРЖ 84 РЖ поступает в ГК 86 и также заполняет его, сжимая пружину 87.
ГК 86 для компенсации утечек РЖ соединены с АРРЖ 84, что обеспечивает неразрывность потока масла в гидравлической системе.
Если гидравлическая система ДВС полностью заполнена, то РЖ под давлением от НВД 88 через ОК 90 поступает на слив, минуя АРРЖ 84.
Этим обеспечивается неразрывность потока РЖ в гидравлической системе ДВС.
Неразрывность потока РЖ нужна для передачи усилия от цилиндров с тактами РХ 61, впуска 76 в цилиндры с тактами сжатия 75 и выпуска 74.
Давление в АРРЖ 84 определяется давлением газов в КС 64 (фиг. 6) при сгорании топлива.
Трубопровод 77 и другие (фиг. 7) соединены каждый с (фиг. 9), как минимум, двумя по периметру каждого цилиндра 61 окнами 99 в крышке 98 (фиг. 9), площадь сечения которых немного меньше сечения ППЦ 65, из которой вытесняется РЖ (фиг. 8).
Длительность впрысков и отсечек во время подачи топлива и их число, диаметр отверстий 92 и 95 является «НОУ-ХАУ» для конкретного типа ДВС, как и объемы впрыска в каждом мини цикле.
Выпуск газов на такте выпуска осуществляют с помощью первой части ГРМ 71 (фиг. 9), впуск воздуха от турбокомпрессора при наддуве осуществляют с помощью второй части ГРМ 73 (фиг. 9).
Привод механических клапанов 112 (МК 112) для выпуска газов осуществляют через шток 110, пружину 108, ПП 106 с приводом от кулачка 104.
Привод клапанов 112, 113 может осуществляться с помощью электрогидравлических клапанов, которые не показаны на фиг 9, 10.
Кулачок 104 при вращении механически за счет эксцентриситета воздействует на ПП 106, сжимает пружину 108, перемещает шток 110 в них и вместе с ним МК 112 вниз.
Газы, совершившие работу, при открытом МК 112 по трубопроводу 114 отводятся от цилиндра в турбокомпрессор для вращения его турбины.
При повороте кулачка 104 он переходит на меньший радиус и пружина 108 возвращает МК 112 в исходное закрытое положение.
Привод МК 113 для впуска воздуха осуществляют через шток 111, пружину 109, ПП 107 и через кулачок 105.
Кулачок 105 при вращении механически за счет эксцентриситета воздействует на ПП 107.
При этом сжимается пружина 109, перемещается МК 113 вниз.
Воздух при открытом МК 113 по трубопроводу 115 подводится к цилиндру 61 от турбокомпрессора под давлением.
При повороте кулачка 105 он переходит на меньший радиус.
Пружина 109 возвращает МК 113 в исходное закрытое положение.
Потери тепла через систему охлаждения составляют 30-35%.
Термоизоляция, как показала фирма Тойота, КС необходима. Она способствует сохранению тепла. Большая доля тепла преобразуется в механическую энергию. Эффективность ДВС растет. В двигателях фирмы «Тойота» с термоизоляцией КС она возросла до 44%.
Охлаждение внутренних поверхностей цилиндров весьма эффективно с помощью РЖ.
РЖ циркулирует в ППЦ 61, 74, 75, 76. Практически охлаждается весь цилиндр изнутри. При возможной термоизоляции цилиндра потери тепла вообще минимизируются.
Тогда при преобразовании тепловой энергии в механическую получается максимальный КПД.
Эффективность охлаждения РЖ велика в новом ДВС. За цикл в каждый цилиндр 61, 74, 75, 76 за рабочий цикл четырежды приходит и уходит РЖ. Картер будет в новом ДВС функционировать без масла.
Охлаждение незамерзающей жидкостью будет играть меньшую роль и будет служить в основном для отвода тепла от крышек цилиндров.
Устройство реализует все операции способа по варианту №2.
В предлагаемой системе управления имеет место высокая степень динамичности. При изменении режима работы осуществляется переход от номинального режима к холостому ходу. Управление частичными режимами не показано. Оно осуществляется с использованием числа УТ больше двух.
При автоматическом управлении дискретно по команде с ЭБУ увеличивается сечение или уменьшается сечение УТ и назначается заданный режим с заданным диаметром трубопровода, который обеспечивается ТП и их задержкой.
Предлагаемый способ предлагает новые эффективные операции в сжигании топлива, которые заменяют известные операции.
Это, прежде всего, разбиение ОВ на ряд минициклов с впрысками и отсечками при реальном ТП.
Предлагаемое изобретение позволит увеличить к.п.д. до 60% и более у мощных ДВС, что означает, что четырехцилиндровый дизель по эффективности будет равен шестицилиндровому при меньшем расходе топлива.