Система газообмена отключаемых цилиндров двигателя внутреннего сгорания
GAS EXCHANGE SYSTEM OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE CUT-OFF CYLINDERS

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к регулированию газообмена отключаемых цилиндров двигателя внутреннего сгорания для повышения экономичности и экологичности двигателей.
Двигатель внутреннего сгорания используют в качестве привода для автомобильных транспортных средств. В рамках настоящего описания термин «двигатель внутреннего сгорания» объединяет в себе бензиновые двигатели.
При проектировании двигателя внутреннего сгорания принципиальная цель заключается в сокращении расхода топлива, при этом главной задачей является повышение общего коэффициента полезного действия.
Проблема обеспечения низкого расхода топлива и, таким образом, высокого КПД особенно остро ощущается при использовании бензиновых двигателей с циклом Отто, т.е. двигателей с искровым зажиганием. Данная проблема обусловлена принципом работы такого двигателя. Управление нагрузкой осуществляется, как правило, с помощью расположенной во впускной системе дроссельной заслонки. Поворачивая дроссельную заслонку, можно регулировать величину давления всасываемого воздуха ниже по потоку от дроссельной заслонки. Чем меньше степень открытия дроссельной заслонки, т.е. чем больше он блокирует поток во впускной системе, тем больше потеря давления всасываемого воздуха при прохождении через дроссельную заслонку, и тем ниже давление всасываемого воздуха ниже по потоку от дроссельной заслонки и выше по потоку от впуска в, по крайней мере, два цилиндра, т.е. две камеры сгорания. Таким образом, при постоянном объеме камеры сгорания с помощью давления всасываемого воздуха можно регулировать массовый расход воздуха, т.е. количество смеси. Это также объясняет, почему количественное регулирование оказывается невыгодным именно при частичной нагрузке: малые нагрузки требуют сильного дросселирования и снижения давления во впускной системе, вследствие чего при уменьшении нагрузки и увеличении дросселирования возрастают потери при подаче рабочей смеси в цилиндр.
Для снижения таких потерь были разработаны различные стратегии снижения степени дросселирования бензинового двигателя с циклом Отто.
Один из способов снижения степени дросселирования бензинового двигателя может заключаться, например, в использовании бензинового двигателя с непосредственным впрыском. Прямой впрыск топлива является подходящим средством для реализации ступенчатой загрузки камеры сгорания. Непосредственный впрыск топлива в камеры сгорания позволяет в определенных границах осуществлять качественное регулирование смеси в бензиновом двигателе. Образование смеси осуществляется путем прямого впрыска топлива в воздух, находящийся в цилиндрах, а не путем внешнего смесеобразования, при котором топливо в системе впуска подается во всасываемый воздух.
Другая возможность оптимизации процесса горения в бензиновом двигателе заключается в использовании, по крайней мере, частично регулируемого клапанного механизма. В отличие от традиционных клапанных механизмов, в которых ход клапанов и фазы газораспределения являются постоянными, данные параметры, влияющие на процесс горения и расход топлива, могут в той или иной степени изменяться с помощью клапанных механизмов. В тех случаях, когда время закрытия впускного клапана и ход впускного клапана могут варьироваться, только за счет этого возможно управление без дросселирования и, таким образом, без потерь нагрузки. Попадающая во время впуска в камеру сгорания смесь или наддувочный воздух управляется не с помощью дроссельного клапана, а с помощью хода впускного клапана и его времени открывания. Однако регулируемые клапанные приводы требуют очень больших затрат и поэтому редко используются в серийном производстве.
Другим способом снижения степени дросселирования бензинового двигателя является отключение цилиндра, т.е. отключение отдельных цилиндров в определенных диапазонах нагрузки. КПД бензинового двигателя в режиме частичных нагрузок может улучшаться (т.е. повышаться) с помощью такого частичного отключения, поскольку отключение одного цилиндра многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания при постоянной мощности двигателя повышает нагрузку на остальные работающие цилиндры. Поэтому дроссельная заслонка может или должна открываться для подачи нужного количества воздуха в эти цилиндры, в результате чего достигается снижение степени дросселирования двигателя. Находящиеся в постоянной эксплуатации цилиндры работают при частичном отключении в режиме повышенных нагрузок, в котором удельный расход топлива ниже. Диапазон нагрузок смещается в сторону более высоких значений.
При этом из-за больших объемов подаваемого воздуха или воздушной смеси цилиндры, работающие в режиме с частичным отключением, обладают улучшенным смесеобразованием.
Другие преимущества с точки зрения КПД заключаются в том, что отключенный цилиндр из-за отсутствия горения не создает потерь тепла путем теплопередачи от газообразных продуктов сгорания стенкам камеры сгорания.
Системы отключения цилиндров, которые способны отключать несколько цилиндров в некоторых режимах работы ДВС для экономии топлива и сокращения вредных выбросов в атмосферу, являются одними из самых быстро развивающихся технологий.
При обычной езде по городу автомобиль, как правило, использует лишь 30 процентов от максимальной мощности двигателя. При этом дроссельная заслонка почти закрыта, и двигатель вынужден совершать работу для впуска свежей порции воздуха. Это приводит к увеличению так называемых насосных потерь. В больших двигателях в таких условиях также происходит значительное снижение давления в цилиндре, т.е. топливо используется неэффективно. Отключение некоторых цилиндров позволяет уменьшить количество потребляемого топлива, снизить насосные потери и увеличить давление в рабочих цилиндрах. В итоге экономия топлива может составлять от 8 до 25 процентов. Нужно отметить, что применение таких систем особенно эффективно в двигателях, имеющих много цилиндров и большой объем.
Деактивация цилиндров осуществляется за счет закрытия впускных и выпускных клапанов для конкретного цилиндра. При закрытии обеих клапанов создается эффект «воздушной пружины» за счет оставшихся в цилиндре отработавших газов. Компрессия и декомпрессия этих газов имеют уравнительный эффект - в целом, практически нет дополнительной нагрузки на двигатель. В современных поколениях систем отключения цилиндров отключается и подача топлива в деактивированный цилиндр, переход между обычной работой двигателя и режимом дезактивации сглаживается с помощью изменения моментов зажигания, фаз газораспределения, положения дроссельной заслонки. Таким образом, отключение части цилиндров при частичной нагрузке можно сравнить с временной установкой меньшего двигателя. При этом сохраняется возможность в любой момент получить всю мощность большого двигателя в отличие от других систем, созданных для повышения экономичности и экологичности двигателя.
Деактивация цилиндров происходит в тех режимах работы двигателя, когда требуется лишь небольшая часть мощности двигателя, например при поддержании крейсерской скорости автомобиля.
При выключении части цилиндров дроссельная заслонка открывается более широко, что способствует сокращению насосных потерь. Также это уменьшает энергию, затрачиваемую на поворот распределительного вала, снижаются потери системы охлаждения. Механические компоненты, необходимые для отключения цилиндров, просты. Системы всех трех рассматриваемых производителей используют управляемые компьютером соленоиды для перемещения штоков в толкателях клапанов (системы DaimlerChrysler и GM) или в половине коромысел клапанов (Honda). Система Variable Cylinder Management (VCM) компании Honda является разновидностью ее фирменной системы изменения фаз газораспределения (VTEC); конструктивно система VCM базируется на системе изменения фаз газораспределения VTEC. Основу системы составляют коромысла, взаимодействующие с кулачками различной формы. При необходимости коромысла включаются или выключаются из работы блокирующим механизмом (фиксатором).
При деактивации цилиндров электронный блок управления двигателем подробно изучает показатели температуры охлаждающей жидкости, скорости автомобиля, загруженности двигателя и т.д. Когда цилиндр отключается, прерывается работа не только впускных и выпускных клапанов, но и зажигания и подачи топлива.
Для деактивации требуется около 40 миллисекунд. Она происходит сразу после рабочего хода поршня, цилиндр заполняется отработавшими газами и образуется «воздушная пружина».
На экономичность двигателя влияют не только дроссельные потери, но и потери на трение в подвижных сочленениях деталей двигателя, которые определяются давлением на впуске, чем это давление выше, тем выше давление внутри цилиндра во время тактов сжатия и расширения, соответственно выше потери трения. После выключения из работы впускных и выпускных клапанов давление газовых сил на поршень в отключаемых цилиндрах не зависит от изменения давления во впускном ресивере.
При повышении давления на впуске в цилиндр дроссельные потери снижаются, а потери на трение наоборот возрастают. Это снижает эффективность отключения цилиндров с помощью описанных клапанов.
Известны системы управления двигателем внутреннего сгорания, содержащие, по меньшей мере, две группы отключаемых и неотключаемых цилиндров, соединенных при помощи впускных и выпускных патрубков с впускными и выпускными коллекторами, механизм отключения подачи топлива в группу отключаемых цилиндров и клапаны управления подачей воздуха от этой группы в группу неотключаемых цилиндров (аналог - заявка JP №54 - 17889, кл. 51Е6, 1979 г.).
Недостатком изобретения является то, что наличие раздельных отключаемых и неотключаемых цилиндров позволяет получить наиболее экономичную работу двигателя только в одном узком диапазоне нагрузок, при которых экономичность неотключаемых цилиндров наибольшая.
Известна система управления двигателем внутреннего сгорания, содержащая, по меньшей мере, две группы отключаемых и неотключаемых цилиндров, соединенных при помощи впускных и выпускных патрубков с впускными и выпускными коллекторами, механизм отключения подачи топлива в группу отключаемых цилиндров и клапаны управления подачей воздуха от этой группы в группу неотключаемых цилиндров, отличающаяся тем, что с целью повышения экономичности двигателя в широком диапазоне режимов частичных нагрузок и холостого хода впускные и выпускные коллекторы всех групп цилиндров соответственно объединены, выпускные патрубки отключаемых цилиндров подключены к впускному коллектору при помощи трубопроводов и клапаны управления установлены на входе в последние (аналог - а.с. СССР №.1036947, МПК 5 F02D 17/02, 1983 г.)
Недостатком данного решения является недостаточная эффективность снижения потерь на трение в подвижных сочленениях деталей двигателя, позволяющих обеспечить экономию топлива.
В приведенных аналогах не упоминается дроссельная заслонка, что характерно для конструкции дизельных двигателей.
В известном уровне техники нет достаточно близких решений, а описанные выше технические решения не могут быть приняты в качестве прототипа.
Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в расширении арсенала существующих двигателей за счет изменения системы газообмена при достижении эффекта снижения дроссельных потерь двигателя, позволяющих обеспечить экономию топлива.
Технический результат от использования всех существенных признаков изобретения состоит в реализации двигателем, снабженным заявленной системой газообмена, своего назначения. При этом обеспечивается снижение дроссельных потерь без увеличения потерь на трение в подвижных сочленениях деталей названных цилиндров.
Поставленная техническая проблема решается за счет того, что разработана система газообмена отключаемых цилиндров двигателя внутреннего сгорания, содержащая газообменник, внутренняя полость которого имеет, по крайней мере, один двухпозиционный управляемый клапан и соединена в нижней части с подводящими выпускными патрубками отключаемых цилиндров постоянно, а с отводящим патрубком, соединенным с каталитическом коллектором, с возможностью перекрытия соединения; в верхней части полости выполнено, с возможностью перекрытия двухпозиционным клапаном, отверстие, сообщающееся с входом газообменного канала, выходное отверстие которого подключено к изолированному объему, образованному в корпусе ресивера за счет наличия дополнительных внутренних стенок, снабженных подвижной крышкой; выход указанного изолированного объема соединен с впускными патрубками отключаемых цилиндров с возможностью образования замкнутого газообменного контура отключенных цилиндров.
Управление клапаном выполнено в виде управляемого компьютером соленоида.
Совокупность указанных признаков позволяет эффективно снижать дроссельные потери двигателя и тем самым обеспечить экономию топлива.
Фиг. 1 - газообменник установленный в проточную часть двигателя.
Фиг. 2 - положение клапанов и подвижной крышки ресивера при отключении групп цилиндров.
Фиг. 3 - положение при всех работающих цилиндрах.
Фиг. 4 - внутренняя полость газообменника, подсоединенная к подводящим и отводящим патрубкам.
Фиг. 5 - взаимное расположение подводящих и отводящих патрубков.
Фиг. 6 - общий вид многоцилиндрового двигателя с газообменником.
Фиг. 7 - контур газообмена.
Фиг. 8 - привод двухпозиционного управляемого клапана с помощью соленоида.
Фиг. 9 - изображение общего вида двигателя, снабженного системой газообмена отключаемых цилиндров.
На фиг. 1, 2, 3, 4, 5 отключаемые цилиндры условно не показаны. На фиг. 2, 3 условно не показан корпус ресивера.
Описание устройства.
Устройство включает в себя следующие элементы, обозначенные на чертежах позициями:
1 - корпус ресивера
2 - внутренние стенки ресивера
3 - подвижная крышка
4 - впускные патрубки отключаемых цилиндров
5 - двухпозиционный управляемый клапан
6 - газообменный канал
7 - отводящий патрубок
8 - подводящий выпускной патрубок отключаемых цилиндров
9 - каталитический коллектор
10 - газообменник
11 - внутренняя полость газообменника
12 - отверстие в верхней части внутренней полости газообменника
13 - 1-й цилиндр
14 - 2-й цилиндр
15 - 3-й цилиндр
16 - 4-й цилиндр
17 - впускные клапаны цилиндров
18 - выпускные клапаны цилиндров
19 - привод двухпозиционного управляемого клапана с помощью кулачка
20 - соленоид привод двухпозиционного управляемого клапана
21 - замкнутый газообменный контур
Система газообмена отключаемых цилиндров 14, 15 (см. фиг. 6) двигателя внутреннего сгорания содержит газообменник 10. Внутренняя полость 11 газообменника 10 снабжена, по крайней мере, одним двухпозиционным управляемым клапаном 5 (см. фиг. 2 - в качестве примера изображено дав клапана). В нижней части внутренняя полость 11 постоянно соединена с подводящими выпускными патрубками 8 отключаемых цилиндров, а с отводящим патрубком 7, соединенным с каталитическим коллектором 9 с возможностью перекрытия соединения. В верхней части полости 11 выполнено, с возможностью перекрытия двухпозиционным клапаном 5, отверстие 12, сообщающееся с входом газообменного канала 6 (см. фиг. 2 - на указанной фигуре условно не показана верхняя часть полости 11). Выходное отверстие газообменного канала 6 подключено к изолированному объему, образованному в корпусе ресивера 1 за счет наличия дополнительных внутренних стенок 2, снабженных подвижной крышкой 3, установленной с возможностью перемещения относительно внутренних стенок 2. Выход указанного изолированного объема соединен с впускными патрубками 4 отключаемых цилиндров 14, 15. Таким образом, создана возможность образовать замкнутый газообменный контур 21 отключенных цилиндров (см. фиг. 7).
Привод двухпозиционного управляемого клапана 5 может быть выполнен либо в виде соленоида 20, управляемого компьютером (см. фиг. 8), либо в виде механических устройств, так же как и привод подвижной крышки 3, управление которыми также должно осуществляться элементами, связанными с компьютером управления двигателем (условно не показано)
Корпус ресивера 1 подключен посредством впускных патрубков 4 к цилиндрам двигателя 13, 14, 15, 16 (см. фиг. 6).
Описание работы устройства.
В обычном режиме работы двигателя отверстие 12 в верхней части внутренней полости 11 газообменника 10 закрыто двухпозиционным управляемым клапаном 5, а подвижная крышка 3 открыта (см. фиг.3). За счет этого полость изолированного объема сообщена с внутренним объемом ресивера и во все цилиндры через впускные клапаны 17 поступает топливовоздушная смесь, а через выпускные клапаны 18 удаляются отработавшие газы (ОГ) в каталитический коллектор 9. Порядок работы цилиндров 1 (поз. 13) - 3 (поз. 15) - 4 (поз. 16) - 2 (поз. 14).
При отключении цилиндров 2 (14), 3 (15) в них перестают подавать топливо, однако клапанный механизм не отключают от работы, как это делается традиционно при отключении цилиндров из работы. Одновременно в цилиндры 1, 4 подают увеличенное количество топлива таким образом, чтобы выдерживать соотношение α (кг воздуха/кг топлива) для нормальной работы каталитического коллектора 9, т.е. α≤1. Синхронно с отключением подачи топлива в цилиндры 2 (14), 3 (15) начинается открытие двухпозиционного управляемого клапана 5 и закрытие подвижной крышки 3. Закрытие подвижной крышки 3 над внутренними стенками 2 обеспечивает образование изолированного объема в корпусе ресивера 1. После полного открытия двухпозиционного управляемого клапана 5 и полного закрытия подвижной крышки 3 в ресивере цилиндры 2 (14), 3 (15) выключены из обычного режима работы, однако газообмен через впускные клапаны 17 и выпускные клапаны 18 в них происходит. При этом отработанные газы, вытолкнутые из цилиндров в последний такт перед отключением подачи топлива, а на следующем такте выпуска и свежий воздушный заряд без топлива, поступают через подводящий патрубок 8 отключенных цилиндров во внутреннюю полость 11 газообменника 10.
Поскольку двухпозиционные управляемые клапаны 5 перекрывают при отключении цилиндров выход ОГ в отводящий патрубок 7, соединенный с каталитическом коллектором 9, ОГ направляются в газообменный канал 6 через открытое отверстие 12 в верхней части внутренней полости 11 газообменника 10. По газообменному каналу 6 ОГ поступают в изолированный объем, образованный в корпусе ресивера 1 между дополнительными внутренними стенками 2 и закрытой подвижной крышкой 3. Далее из изолированного объема ОГ через впускные патрубки 4 и впускные клапаны 17 попадают в цилиндры 2 (14), 3 (15). Таким образом, газы, в основном состоящие из воздуха с примесью ОГ, циркулируют по замкнутому газообменному контуру 21 отключенных цилиндров.
Снижение дроссельных потерь в работающих цилиндрах 1 (поз. 13), 4 (поз. 16) происходит за счет более широкого открытия дроссельной заслонки при отключении второй пары цилиндров 2 (14), 3 (15) из рабочего цикла. Снижение дроссельных потерь в отключаемых цилиндрах 2 (14), 3 (15) происходит за счет того, что газы циркулируют по замкнутому газообменному контуру 21, при этом дроссельная заслонка не включена в указанный контур. В газообменном контуре 21 поддерживается разрежение, существовавшее в корпусе ресивера 1 в момент образования газообменного контура 21, что предотвращает рост действующих на поршень газовых сил в отключенных цилиндрах и увеличение связанных с этим потерь на трение.
Подвижная крышка 3 также может быть использована как управляемый клапан для выравнивания давления в газообменном контуре 21 отключаемых цилиндров 2 (14), 3 (15) относительно давления во впускном ресивере 1 по командам компьютера управления работой двигателя.
Заявленное техническое решение может быть использовано для бензиновых двигателей внутреннего сгорания.
Система газообмена отключаемых цилиндров может быть изготовлена с применением современных высокотехнологичных технологий на современном оборудовании.