ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD OF CONTROL THEREOF

Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено, например, при производстве автомобильных двигателей.
Известен двигатель внутреннего сгорания, защищенный патентом РФ №2348819, содержащий рабочий цилиндр с рабочим поршнем, форкамеру со свечой зажигания и камеру сгорания. Двигатель снабжен нагнетателем топливовоздушной смеси, выполненным в виде компрессорного цилиндра с поршнем. Компрессорный цилиндр снабжен каналами подачи топлива и воздуха, а также каналами подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, и устройством для подачи топлива, которое может быть установлено в верхней или нижней части компрессорного цилиндра. По одному из вариантов компрессорный цилиндр может быть снабжен двумя устройствами для подачи топлива, одно из которых расположено в нижней части компрессорного цилиндра и соединено с каналом подачи воздуха, а другое - в верхней его части, выше верхней мертвой точки компрессорного поршня. Между каналом подачи топлива и компрессорным цилиндром установлен обратный клапан. Двигатель снабжен одной или несколькими парами каналов подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, причем оси этих каналов направлены навстречу друг другу. Между каналами подачи топлива и воздуха и компрессорным цилиндром установлены обратные клапаны. При расположении устройства для подачи топлива в нижней части компрессорного цилиндра в канале подачи воздуха установлена дроссельная заслонка. Между ней и устройством для подачи топлива установлен датчик массового расхода воздуха, соединенный с контроллером, который соединен с устройством для подачи топлива.
Конструкция известного двигателя обеспечивает более полное сгорание топлива, что повышает его мощность, повышает стабильность работы и снижает токсичность выхлопных газов.
Однако известный двигатель не обеспечивает стабильную работу на мощностном режиме и в режиме максимальной мощности, поскольку при увеличении количества топлива в компрессорном цилиндре образуется переобогащенная смесь, которая, попадая в камеру сгорания, в район электродов свечи зажигания, не может воспламениться. Это приводит к нарушениям стабильности работы двигателя на мощностном режиме и в режиме максимальной мощности и, как следствие, к снижению мощности двигателя, увеличенному расходу топлива и увеличению токсичности отработанных газов.
Известен также двигатель внутреннего сгорания и способ управления им по патенту РФ №2438021, который принят за прототип.
Двигатель по прототипу содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем и компрессорный цилиндр с компрессорным поршнем, кинематически соединенный с рабочим поршнем, и камеру сгорания со свечой зажигания. Камера сгорания соединена каналом подачи топливовоздушной смеси через обратные клапаны с компрессорным цилиндром. В головке рабочего цилиндра вокруг камеры сгорания выполнен канал, соединенный с каналом подачи топливовоздушной смеси из компрессорного цилиндра и радиальными каналами с полостью камеры сгорания. Двигатель снабжен также каналами для подачи воздуха и топлива и двумя устройствами для подачи топлива. Одно из них расположено в верхней части компрессорного цилиндра, а другое - во впускном канале подачи воздуха в камеру сгорания. Двигатель оснащен газораспределительным механизмом, впускным и выпускным клапанами, установленными на входах в камеру сгорания впускного и выпускного каналов, датчиком фаз и датчиком угла поворота коленчатого вала, соединенными с блоком управления двигателем, который соединен с акселератором, с устройствами для подачи топлива, с модулем управления дроссельной заслонкой, установленной в канале подачи воздуха в компрессорный цилиндр, и с датчиком массового расхода воздуха, установленным в этом канале. Топливовоздушную смесь подают в камеру сгорания из компрессорного цилиндра. При больших нагрузках и в режиме максимальной мощности дополнительно подают топливовоздушную смесь в камеру сгорания из ее впускного канала, подавая в этот канал топливо. Впрыск топливовоздушной смеси в камеру сгорания из компрессорного цилиндра осуществляют на такте сжатия не позднее 10° поворота коленчатого вала рабочего поршня до верхней мертвой точки. Впуск топлива во впускной канал камеры сгорания через устройство для подачи топлива, расположенное в этом канале, производят во время такта наполнения рабочего цилиндра после закрытия выпускного клапана.
Двигатель по прототипу и способ управления им обеспечивает стабильную работу на режимах холостого хода и частичных нагрузок в четырехтактном цикле.
Однако конструкция двигателя по прототипу и способ управления им так же не обеспечивает стабильную работу на мощностном режиме. При увеличении количества топлива в компрессорном цилиндре образуется переобогащенная смесь, которая, попадая в камеру сгорания, в район электродов свечи зажигания, не может воспламениться. Это приводит к нарушениям стабильности работы двигателя на мощностном режиме и в режиме максимальной мощности и, как следствие, к снижению мощности двигателя, увеличенному расходу топлива и увеличению токсичности отработавших газов.
Техническим результатом предлагаемой конструкции двигателя и способа управления им является повышение мощности, уменьшение расхода топлива и снижение токсичности отработавших газов.
Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый двигатель содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем и компрессорный цилиндр с компрессорным поршнем, который кинематически связан с рабочим поршнем. Двигатель имеет камеру сгорания с форкамерой и со свечой зажигания. Вокруг камеры сгорания расположен кольцевой канал, соединенный радиальными каналами с камерой сгорания и с каналом подачи топливовоздушной смеси из компрессорного цилиндра. Компрессорный и рабочий цилиндры снабжены устройствами для подачи топлива. В головке рабочего цилиндра расположены выпускные каналы и установленные в них управляемые клапаны.
В отличие от прототипа в нижней части рабочего цилиндра, на уровне нижней плоскости рабочего поршня, находящегося в нижней мертвой точке, на штоке рабочего поршня с возможностью движения этого штока, установлена полая диафрагма. В рабочем цилиндре, равномерно по его окружности, прорезаны два ряда впускных окон. Нижний ряд впускных окон выходит в полость диафрагмы, а верхний ряд расположен в средней части рабочего цилиндра так, что нижние кромки его окон совпадают с плоскостью верхнего торца рабочего поршня, находящегося в нижней мертвой точке. Окна верхнего ряда попарно соединены патрубками с находящимися под ними окнами нижнего ряда впускных окон. В нижней части рабочего цилиндра на уровне диафрагмы установлен впускной коллектор, соединенный с полостью диафрагмы через отверстие в стенке рабочего цилиндра. Во впускном коллекторе установлены датчик массового расхода воздуха, устройство для подачи топлива в рабочий цилиндр, а на входе впускного коллектора в рабочий цилиндр установлен обратный клапан. Управляемые клапаны установлены в выпускных каналах на уровне верхней мертвой точки рабочего поршня и соединены с автономными устройствами их перемещения.
Способ управления предлагаемым двигателем в отличие от способа управления двигателем по прототипу заключается в том, что на мощностном режиме работы двигателя управляемые клапаны открывают, когда верхняя кромка рабочего поршня подходит к верхним кромкам впускных окон рабочего цилиндра. При этом положение поршня определяют по сигналу датчика его положения. Управляемые клапаны выдерживают открытыми в течение времени, когда верхняя кромка рабочего поршня проходит верхние впускные окна. После закрытия управляемых клапанов дополнительно подают топливо в рабочий цилиндр через впускной коллектор и встроенное в него устройство для подачи топлива в период, когда рабочий поршень идет от верхней мертвой точки до верхней кромки впускных окон. При этом топливо подают в количестве, обеспечивающем образование в объеме рабочего цилиндра бедной топливовоздушной смеси. При работе на холостом ходу устройство для подачи топлива во впускной коллектор рабочего цилиндра отключают.
Конструкция предлагаемого двигателя обеспечивает возможность осуществления предлагаемого способа управления двигателем, что позволяет по сравнению с прототипом повысить мощность двигателя при уменьшении расхода топлива и снижении токсичности отработавших газов. Это достигается за счет изменения состава топливовоздушной смеси: в районе электрода свечи зажигания формируется относительно богатая смесь, поступающая из компрессорного цилиндра, которая хорошо зажигается, а в объеме рабочего цилиндра формируется бедная смесь, которая поджигается пламенем горящей богатой смеси из камеры сгорания.
Конструкция предлагаемого двигателя и способ управления им иллюстрируются чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез предлагаемого двигателя с компрессорным цилиндром, на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1, на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1, а на фиг 4 - сечение В-В на фиг. 2.
Предлагаемый двигатель содержит рабочий цилиндр 1 с рабочим поршнем 2 (фиг. 1, 2 и 4), компрессорный цилиндр 13 (фиг. 2), установленный на основании 16, и компрессорный поршень 19, который кинематически связан через штоки 3 и 28 с рабочим поршнем 2. В головке 4 рабочего цилиндра 2 размещена камера сгорания 5 и форкамера 6 со свечой зажигания 7. Вокруг камеры сгорания 5 расположен кольцевой канал 22, соединенный несколькими парами радиальных каналов 10 с камерой сгорания 5 и, через обратный клапан 23, монтированный во вкладыше 24, с каналом 26 подачи топливовоздушной смеси из полости 8 компрессорного цилиндра 13. Топливо подается в компрессорный цилиндр 13 от устройства для подачи топлива 12, через канал 14, выполненный в головке 29 компрессорного цилиндра 13, и через лепестковый обратный клапан 27, предохраняющий от выхода топливовоздушной смеси через устройство 12 при повышении давления в компрессорном цилиндре 13. Для подачи воздуха в полость 8 компрессорного цилиндра 13 предусмотрен канал 11, имеющий выход в атмосферу (фиг. 3), и канал 15, который соединен через лепестковый клапан 30 с полостью 8 компрессорного цилиндра 13. У входа в канал 11 расположен датчик массового расхода воздуха 41. При достижении в полости 8 требуемой степени сжатия топливовоздушная смесь через канал 17 и клапан отсечки 18, пружина 20 которого, удерживаемая крышкой 21, при этом сожмется, поступит через канал 9 в канал 26, теплоизолированный оболочкой 25. Далее через лепестковый клапан 23, кольцевой канал 22 и радиальные каналы 10 топливовоздушная смесь поступит в камеру сгорания 5.
В нижней части рабочего цилиндра 1 установлена полая диафрагма 39. При этом предусмотрена возможность возвратно-поступательного движения штока 3 относительно диафрагмы 39. Для обеспечения герметичности в контакте штока 3 с диафрагмой 39 установлены уплотнения 38. В рабочем цилиндре, равномерно по его окружности, прорезаны два ряда впускных окон 31 и 45. Нижний ряд впускных окон 45 выходит в полость 44 диафрагмы 39, а верхний ряд впускных окон 31 расположен в средней части рабочего цилиндра 1 так, что нижние кромки его окон 31 совпадают с плоскостью верхнего торца рабочего поршня 2, находящегося в нижней мертвой точке. Впускные окна 31 верхнего ряда попарно соединены патрубками 43 (фиг. 4) с находящимися под ними впускными окнами 45 нижнего ряда. На уровне диафрагмы 39 на рабочем цилиндре 1 установлен впускной коллектор 34 (фиг. 2), соединенный с полостью 44 диафрагмы 39 через отверстие в стенке рабочего цилиндра 1. На входе впускного коллектора 34 установлен датчик массового расхода воздуха 37, за ним - устройство 36 для подачи топлива в рабочий цилиндр 1. На выходе впускного коллектора 34 в полость 44 диафрагмы 39 и в рабочий цилиндр 1 установлен обратный клапан 35.
Расположенные в головке 4 рабочего цилиндра 1 управляемые клапаны 32 установлены в выпускных каналах 40 на уровне верхней мертвой точки рабочего поршня 2 и соединены с автономными устройствами их перемещения.
Предлагаемый способ управления двигателем осуществляется следующим образом. После того как в компрессорном цилиндре 13 произойдет подготовка топливовоздушной смеси и она поступит в камеру сгорания 5, топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания 7 и начинается рабочий ход поршня 2 от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. Когда верхняя кромка рабочего поршня 2 подходит к верхним кромкам впускных окон 31 рабочего цилиндра 1, с помощью автономных устройств 33 открывают управляемые клапаны 32. Устройства 33 могут представлять собой любые известные электромагнитные или электромеханические приводы для возвратно-поступательного перемещения. Отработавшие газы через выпускные каналы 40 выходят в атмосферу - начинается прямоточная продувка рабочего цилиндра 1. Аэродинамическое сопротивление потоку газов по сравнению с прототипом при этом уменьшается, что способствует более полному удалению отработавших газов и уменьшает вероятность смешивания их остатков с топливовоздушной смесью. Положение рабочего поршня 2 для начала и конца прямоточной продувки определяют по сигналу датчика его положения, например датчика Холла, который может быть расположен на коленчатом валу двигателя любым известным способом. Управляемые клапаны выдерживают открытыми в течение времени, когда верхняя кромка рабочего поршня 2 проходит впускные окна 31.
Подпоршневое пространство рабочего цилиндра 2 отделено от механизмов двигателя диафрагмой 39. Кроме того, диафрагма 39 с помощью уплотнений 38 штока 3 исключает попадание масла в подпоршневое пространство. Все это позволяет использовать подпоршневое пространство 46 как компрессор. При рабочем ходе рабочего поршня 2 к нижней мертвой точке обратный клапан 35 во впускном коллекторе 34 под давлением газа закрывается, воздух в подпоршневом пространстве 36 сжимается. Управляемые клапаны 32 выдерживают открытыми в течение времени, когда верхняя кромка рабочего поршня 2 проходит впускные окна 31. В течение этого времени рабочий поршень 2, продолжая движение к нижней мертвой точке, открывает впускные окна 31. Свежий воздушный заряд за счет разницы давлений в надпоршневом пространстве 47 рабочего цилиндра 1 и в подпоршневом пространстве 46 перетекает в надпоршневое пространство 47, дополнительно очищая его от продуктов горения, и наполняет его чистым воздухом. Затем управляемые клапаны 32 закрывают. В это время рабочий поршень 2 начинает движение к верхней мертвой точке. При этом в подпоршневом пространстве 46 возникает разряжение, обратный клапан 35 открывается под давлением атмосферного воздуха, который всасывается в подпоршневое пространство 46. При мощностном режиме работы после закрытия управляемых клапанов 32 подают топливо через устройство 36 во впускной коллектор 34. Топливо в смеси с воздухом поступает в полость 44 диафрагмы 39, откуда через окна 45, полость 42 патрубка 43 и окна 31 всасывается в надпоршневое пространство 47 рабочего цилиндра 1. Топливо подают в количестве, обеспечивающем образование в объеме рабочего цилиндра бедной топливовоздушной смеси. Для этого используют сигнал от датчика массового объема воздуха 37, установленного на входе коллектора 34. В зависимости от величины этого сигнала регулируют подачу топлива через устройство 36 так, чтобы получать требуемую концентрацию топлива в топливовоздушной смеси, поступающей в надпоршневое пространство 47.
Состав топливовоздушной смеси, поступающий в камеру сгорания 5, подготавливают в компрессорном цилиндре 13 так же, как и по прототипу. Момент ограничения подачи топлива в компрессорный цилиндр 13 через устройство 12 для подачи топлива определяют по максимально допустимому обогащению топливовоздушной смеси в компрессорном цилиндре. Анализируя сигнал от датчика 41 массового расхода воздуха, определяют количество топлива, необходимого для получения максимально допустимого его количества. При этом готовится топливовоздушная смесь, достаточно богатая для того, чтобы бесперебойно зажигаться от искрового разряда свечи 7 зажигания, но не образующая капельной фазы в районе электрода свечи 7. Это обеспечивает стабильную работу двигателя. Таким образом при работе предлагаемого двигателя топливовоздушная смесь, подготовляющаяся в компрессорном цилиндре 13, будет иметь постоянный состав при всех режимах работы двигателя, что позволяет отказаться от дроссельной заслонки. Это упрощает конструкцию двигателя и облегчает управление им.
Предлагаемая конструкция двигателя и способ управления им позволяют увеличить эффективность продувки рабочего цилиндра 1 и обеспечить расслоение двух зарядов топливовоздушной смеси, создавая богатую смесь в районе электрода свечи зажигания и бедную смесь в объеме рабочего цилиндра. В процессе работы предлагаемого двигателя относительно богатая топливовоздушная смесь в районе электрода свечи 7 поджигается и своим пламенем легко поджигает бедную топливовоздушную смесь, сформированную в надпоршневом пространстве 47 рабочего цилиндра 1. При этом происходит практически полное сгорание смеси в объеме рабочего цилиндра 1, что обеспечивает повышение мощности двигателя, уменьшает расход топлива и снижает токсичность отработавших газов. Отсутствие детонации топлива при повышенной степени сжатия топливовоздушной смеси в рабочем цилиндре 1 обеспечивается за счет того, что при большей части хода рабочего поршня 2 к верхней мертвой точке сжимается только атмосферный воздух. При работе двигателя на холостом ходу устройство 36 для подачи топлива отключают.
Таким образом предлагаемый двигатель и способ управления им обеспечивают достижение технического эффекта, заключающегося в повышении мощности, уменьшении расхода топлива и снижении токсичности отработавших газов. Двигатель и способ управления им могут быть осуществлены с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый двигатель и способ управления им обладают промышленной применимостью.