СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD FOR CONTROL OF OPERATION MODES OF PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к поршневым машинам и преимущественно может быть использовано в поршневых двигателях внутреннего сгорания.
Существует два способа регулирования режимов работы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Первый способ применяется в карбюраторных двигателях и в двигателях с непосредственным впрыском топлива и искровым зажиганием [1, стр.201…224]. Режим работы регулируется изменением количества смеси топлива с воздухом, подаваемой в цилиндры двигателя с помощью дроссельной заслонки и дозирующих систем топливоподачи.
Недостатком этого способа является то, что на малых нагрузках и на холостом ходу, в связи с большим коэффициентом остаточных газов, приходится работать на богатой смеси, что снижает экономичность двигателя и увеличивает выделение окиси углерода с выхлопными газами из-за неполного сгорания топлива. Кроме того большая часть тепла теряется через стенки цилиндра, т.к. величина поверхности теплоотдачи не изменяется.
При работе с полной нагрузкой включается экономайзер для достижения наибольшей мощности на обогащенной смеси (α=0,8÷0,9), что также ухудшает топливную экономичность и увеличивает выделение окиси углерода с выхлопными газами. Наилучшая же топливная экономичность достигается при коэффициенте избытка воздуха α=1,05÷1,15 за счет полного сгорания топлива [1, стр.116÷123].
Второй способ применяется в дизельных двигателях. Режим работы в них изменяется количеством подаваемого в цилиндры двигателя топлива. При этом на малых нагрузках и холостом ходу экономичность падает из-за относительно больших механических потерь в двигателе и понижения температуры сгорания вследствие увеличения коэффициента избытка воздуха α до 5…6, что также повышает износ двигателя.
При перегрузках дизеля включается корректор, который обогащает смесь и происходит неполное сгорание топлива, увеличение степени дымности выхлопных газов, повышенный износ дизеля [2, стр.64].
В приведенных выше способах регулирования режимов работы двигателей вследствие того, что ход поршня всегда полный, потери на трение в двигателе растут по линейной зависимости с увеличением средней скорости поршня и незначительно зависят от нагрузки. Наибольшие потери (50%) вызываются трением между поршнем с кольцами и зеркалом цилиндра [3, стр.160…163].
Целью настоящего изобретения является устранение отмеченных недостатков, т.е. снижение выбросов окиси углерода с выхлопными газами, снижение потерь мощности на трение и повышение топливной экономичности двигателя.
Сущность предлагаемого способа регулирования режимов работы двигателя состоит в том, что регулирование режимов работы двигателя производится изменением полного объема цилиндра путем изменения хода поршня так, что степень сжатия остается на всех режимах постоянной (либо оптимальной по результатам последующих исследований). Одновременно с изменением полного объема цилиндра изменяется соответственно объему подача в цилиндры топлива так, что на всех режимах работы от холостого хода до перегрузки двигатель работает на экономичной смеси: двигатели с искровым зажиганием с коэффициентом избытка воздуха α=1,1÷1,2 [3, стр.100], а дизельные двигатели с α=1,25÷1,4 [1, стр.135] и [2, стр.62…63, рис.17(6)]. Связанное с этим некоторое увеличение размеров цилиндра, габаритов и веса менее существенно, чем выигрыш в экономичности [2, стр.78].
В предлагаемом способе регулирования полный объем цилиндра изменяется в зависимости от потребной мощности, чем меньше потребная мощность, тем меньше полный объем цилиндра. При этом экономичность работы двигателя улучшается не только за счет экономичной горючей смеси, но и за счет уменьшения тепловых потерь через стенки цилиндра из-за их меньших размеров, а также за счет снижения механических потерь двигателя вследствие уменьшения хода поршня и средней скорости поршня при работе на частичных нагрузках и снижения насосных потерь из-за отсутствия необходимости в дроссельной заслонке.
Предлагаемый способ регулирования режимов работы двигателя показан на Фиг.1. С помощью сервомотора (гидравлического силового цилиндра) 8, включенного в систему смазки, перемещается звено 10 четырехзвенного механизма 9, 10, 11 в направлениях, указанных стрелками. В середине звена 10 имеется шарнир «О», который при небольших углах отклонения звеньев 9 и 11 практически мало отклоняется от движения по прямой линии, т.к. звенья 9 и 11 по длине равны друг другу и в среднем положении параллельны и направлены в разные стороны от концов среднего звена 10 до шарниров остова.
С шарниром «О» шарнирно соединена середина звена 13 четырехзвенного механизма 12, 13, 14, 4, устроенного аналогично четырехзвенному механизму, 9, 10, 11. Звенья 12 и 14 по длине равны между собой, в среднем положении параллельны друг другу и направлены в разные стороны от концов звена 13. Звено 13 может поворачиваться в шарнире «О» относительно звена 10. Звенья 12, 13, 14, 4 представляют собой в сборе коромысло «АБ», качающееся вокруг шарнира «О».
Шарнир «O», в свою очередь, может перемещаться силовым цилиндром 8 в направлениях, указанных стрелками. Шарнир «O», при небольших отклонениях звена 13, практически всегда находится на прямой «АБ».
Штанга 5 удерживает коромысло (звено 4) от перемещений по горизонтали. Перемещение шарнира «О» силовым цилиндром 8 изменяет положение оси качания «О» коромысла относительно шарниров «А» и «Б» (концов звена 4) и, следовательно, коромысла, чем изменяется величина хода поршня 2 двигателя.
Регулирование режимов работы двигателя происходит следующим образом.
При движении поршня 2 в цилиндре 1 шатун 3 поршня перемещает через шарнир «А» звено 4 коромысла, которое качается вокруг шарнира «О». Второй конец «Б» звена 4 коромысла через шарнир «Б» и шатун 6 передает движение коленчатому валу 7.
С помощью силового цилиндра 8 перемещение звена 10 с его шарниром «О» вызывает перемещение звена 13 вместе с шарниром «О», что изменяет величину плеч коромысла «АО» и «ОБ» и величину хода поршня 2.
Так как перемещение шарнира «О» происходит по наклонной линии, указанной стрелками, одновременно происходит изменение объема камеры сгорания цилиндра 1, чем обеспечивается постоянная (или необходимая) степень сжатия на всех режимах работы двигателя.
При перемещении оси качания «О» коромысла в левую сторону двигатель работает с меньшей частотой вращения или глушится. При перемещении шарнира «О» вправо двигатель работает последовательно на средних нагрузках, полной нагрузке (когда рабочий объем цилиндра равен номинальному, расчетному) и далее на перегрузке, когда рабочий объем цилиндра превышает номинальный и двигатель развивает максимальную мощность и крутящий момент.
Одновременно с изменением объема цилиндра пропорционально ему перемещается тяга 17, регулирующая количество подаваемого топлива в цилиндр двигателя. Так обеспечивается экономический состав горючей смеси на всех режимах работы двигателя.
Для обеспечения работы системы регулирования режимов работы перед пуском двигателя предусмотрен гидроаккумулятор 15, имеющий запас масла под давлением в период остановки двигателя.
Наилучший индикатор КПД двигателя в предлагаемом способе достигается работой двигателя на экономической смеси на всех режимах.
М
Наибольший механический КПД на всех режимах обеспечивается наименьшими механическими потерями. На основании испытаний четырехтактных двигателей установлено, что среднее давление потерь на трение (Р) зависит от скорости движения поршня и практически не зависит от нагрузки [3, стр.160…163]:
где а и в - постоянные коэффициенты зависящие от типа двигателя;
П
С - средняя скорость движения поршня в м/с.
Средняя скорость поршня
где S - ход поршня в м;
n - частота вращения коленчатого вала, об/мин.
Из формул (1) и (2) следует, что величина S (ход поршня) и n (частота вращения) в одинаковой степени влияют на механические потери в двигателе. Поэтому для достижения максимальной экономичности необходимо, чтобы малой частоте вращения двигателя соответствовал и малый ход поршня. И чем больше нагрузка, тем больше ход поршня и частота вращения.
Указанная цель изобретения достигается следующим образом.
Оператор рычагом (педалью) 18 устанавливает частоту вращения коленчатого вала, перемещая золотник, который направляет масло в сервомотор 8. Рычажная обратная связь обеспечивает каждому положению рычага (педали) 18 определенное положение поршня сервомотора 8 и, следовательно, положение и оси качания «О», и величины хода поршня, и частота вращения коленчатого вала. Пропорционально величине хода поршня перемещается тяга 17, регулирующая соответствующую подачу топлива в цилиндры двигателя, обеспечивая экономический состав смеси.
В многоцилиндровом двигателе число колен вала, шатунов, коромысел должно соответствовать числу цилиндров двигателя, а сервомотор один с приводом на все шарниры «O» через систему рычагов и тяг.
Графическое определение линии перемещения шарнира «О» коромысла для сохранения постоянной степени сжатия на всех режимах работы двигателя показано на фиг.2.
1. Из центра шарнира «С» радиусом СБ (фиг.1) проводят часть окружности L (фиг, 2), которая соответствует части траектории шарнира «Б».
2. Из точки «e» (оси вращения коленчатого вала) радиусом, равным длине шатуна 6 за минусом величины радиуса кривошипа 7 коленчатого вала, делаем на окружности L засечку, которую обозначим буквой f. Эта точка будет соответствовать положению шарнира «Б» при положении поршня 2 в нижней мертвой точке.
3. Из точки «e» радиусом, равным длине шатуна 6 плюс радиус кривошипа 7, делаем на окружности L засечку, которую обозначим буквой «g». Эта точка будет соответствовать положению шарнира «Б» при положении поршня 2 в верхней мертвой точке.
4. Из центра шарнира «h» (оси поршневого пальца), когда поршень находится в верхней мертвой точке (при работе с номинальным ходом поршня) радиусом, равным длине шатуна 3 поршня, проводим часть окружности «i», а радиусом, равным длине коромысла 4 («АБ»), из точки «g» делаем засечку на окружности «i». Точка пересечения «j» будет соответствовать положению шарнира «А» нижней головки шатуна поршня при положении поршня в верхней мертвой точке (при работе двигателя с номинальным ходом поршня).
5. Из центра шарнира «h'» (оси поршневого пальца), когда поршень находится в нижней мертвой точке (при номинальном ходе поршня) проводим часть окружности «К» радиусом, равным длине шатуна 3 поршня. А из точки f радиусом, равным длине коромысла 4 (АБ), делаем засечку на окружности «К», которую обозначим буквой «П». Эта точка соответствует положению шарнира «А» нижней головки шатуна 3 при положении поршня 2 в нижней мертвой точке (при номинальном, полном ходе поршня).
6. Соединим точки «П» и «f» прямой линией. Линия «Пf» будет соответствовать положению коромысла 4 (АБ) (фиг.1), когда поршень находится в нижней мертвой точке при полном ходе поршня.
7. Соединим точки «j» и «g» прямой линией. Линия «jg» будет соответствовать положению коромысла «АБ», когда поршень находится в верхней мертвой точке при полном ходе поршня.
8. Точка пересечения линий «Пf» и «jg» (точка «Н») будет соответствовать положению шарнира «О» (фиг.1) при работе двигателя с полным ходом поршня.
9. Аналогичным способом найдем другие положения шарнира «О», задаваясь положениями поршня в режиме холостого хода (XX), средней нагрузки (S) и при перегрузке (ПГ).
На холостом ходу, учитывая, что мощность трения на номинальном режиме может составлять 10% (для дизелей с наддувом) [1, стр.156], можно принять ход поршня на холостом ходу равным 0,1 от номинального.
На перегрузках следует увеличить ход поршня на 12% от номинального для получения желаемой характеристики, например, для тракторного двигателя [2, стр.78] не за счет обогащения смеси, а за счет увеличения рабочего хода поршня для сохранения экономичности и экологичности двигателя.
10. По полученным точкам «XX» (холостой ход), «S» (средняя нагрузка), «Н» (номинальная нагрузка) и «ПГ» (перегрузка) проводим линию перемещения оси «О» шарнира коромысла 4 (АБ) (фиг.1). Для обеспечения постоянной степени сжатия линия XX, S, Н, ПГ получилась в принятых условиях близкой к прямой линии.
При необходимости (в случае другого закона изменения оптимальной степени сжатия) можно применить другой механизм перемещения шарнира «О» взамен приведенного четырехзвенного 9, 10, 11 (рычаг, прорезь и др.)
В случае применения предлагаемого способа регулирования режимов работы поршневого двигателя внутреннего сгорания можно получить следующий технический результат.
1. Устранить загрязнение окисью углерода атмосферу крупных городов, т.к. транспортные двигатели будут работать на всех режимах от холостого хода до перегрузки на экономичной смеси с полным сгоранием топлива.
2. Повысить топливную экономичность двигателя на всех режимах вследствие работы двигателя только на экономичной смеси и с минимальными потерями мощности на трение ввиду снижения средней скорости поршня при работе с недогрузкой и на холостом ходу, а у двигателей с искровым зажиганием и за счет снижения насосных потерь благодаря отсутствию дросселирования воздуха на средних нагрузках и холостом ходу.
3. Уменьшить износ двигателя вследствие полного сгорания топлива, снижения средней скорости поршня при работе с недогрузкой и на холостом ходу, а также вследствие уменьшения бокового давления поршня на стенки цилиндра ввиду малого отклонения шатуна от среднего положения.
4. Возможность выпуска одной марки двигателя для потребителей определенного диапазона мощностей.
5. Возможность автоматизации управления режимами работы мобильных машин при наличии бесступенчатой трансмиссии.
6. Позволит уменьшить потребную мощность стартера для пуска двигателя, так как возможна прокрутка двигателя при малом ходе поршня.
7. Позволит начать новое направление технического совершенствования поршневых двигателей.
Список использованной литературы
1. Архангельский В.М. и др. Автомобильные двигатели. - М.: Машиностроение, 1967.
2. Болтинский В.Н. Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей. - М.: Сельхозиздат, 1962.
3. Ховах М.С., Маслов Г.С. Автомобильные двигатели. - М.: Машиностроение, 1971.