ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ЗАЖИГАНИЕМ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH FORCED IGNITION AND METHOD OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH FORCED IGNITION CONTROL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, содержащему по меньшей мере одну головку блока цилиндров и по меньшей мере четыре цилиндра, расположенных в ряд, а следовательно, содержащий два внешних цилиндра и по меньшей мере два внутренних цилиндра, причем
- по меньшей мере четыре цилиндра выполнены с возможностью образования по меньшей мере двух групп, каждая содержащая по меньшей мере два цилиндра, при этом два внешних цилиндра образуют первую группу, а по меньшей мере два внутренних цилиндра образуют вторую группу, цилиндры которых выполнены с возможностью включения в зависимости от нагрузки и отключения при недоборе заданной нагрузки,
- каждый цилиндр содержит по меньшей мере одно выпускное отверстие для выпускания выхлопных газов из цилиндра, при этом каждое выпускное отверстие снабжен выпускным клапаном, который может управляться посредством клапанного исполнительного устройства и открывает или закрывает выпускное отверстие,
- каждое выпускное отверстие примыкает к выпускной магистрали, и
- выпускные магистрали по меньшей мере четырех цилиндров сходятся вместе для образования общей выпускной магистрали, образуя тем самым выпускной коллектор.
Более того, изобретение относится к способу управления двигателем внутреннего сгорания этого типа.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Двигатель внутреннего сгорания типа, упомянутого вначале, используют в качестве привода для моторных транспортных средств. В контексте настоящего изобретения, термин «двигатель внутреннего сгорания» включает в себя двигатели с искровым зажиганием, оснащенные системой принудительного зажигания.
Фундаментальная задача разработки двигателей внутреннего сгорания состоит в том, чтобы минимизировать расход топлива, причем, улучшенная общая эффективность находится на переднем крае производимых усилий.
Расход топлива, а следовательно, эффективность, является проблематичным, особенно в случае двигателей внутреннего сгорания с принудительным зажиганием. Причина заключается в фундаментальном способе управления двигателя с искровым зажиганием. Управление нагрузкой обычно выполняют посредством дроссельного клапана, обеспеченного во впускной части. Посредством регулирования дроссельного клапана, давление всасываемого воздуха за дроссельным клапаном может снижаться в большей или меньшей степени. Чем дальше закрыта дроссельная заслонка, то есть, чем больше она перекрывает впускной участок, тем большими являются потери давления во всасываемом воздухе на дроссельном клапане, и тем ниже находится давление всасываемого воздуха ниже по потоку от дроссельного клапана и перед впуском в по меньшей мере четыре цилиндра, то есть, камеры сгорания. При заданном постоянном объеме камеры сгорания, масса, то есть, количество воздуха может регулироваться посредством давления всасываемого воздуха. Это также поясняет, почему управление количеством оказывается определенно неблагоприятным при работе на частичных нагрузках, поскольку низкие нагрузки требуют высокой степени дросселирования и снижения давления во впускной части, тем самым, вызывая повышение потерь выпуска и повторного наполнения при снижении нагрузки и увеличении дросселирования.
Различные стратегии для снижения дросселирования двигателя внутреннего сгорания с принудительным зажиганием были разработаны для снижения описанных потерь.
Один из способов снижения дросселирования двигателя с принудительным зажиганием состоит в том, что используют по меньшей мере частично изменяемый клапанный механизм. В противоположность традиционным клапанным механизмам, в которых являются неизменяемыми как ход клапанов, так и установки фаз распределения, эти параметры, которые оказывают влияние на процесс выпуска и повторного наполнения, а следовательно, расход топлива, могут изменяться в большей или меньшей степени посредством изменяемого клапанного механизма. Идеальным решением была бы система полностью изменяемой установки фаз клапанного распределения, которая дает возможность специально выбранных значений для хода и установок фаз распределения для любой рабочей точки двигателя с искровым зажиганием. Однако заметные сбережения топлива также могут достигаться с клапанными механизмами, которые являются изменяемыми всего лишь частично. Управление нагрузкой без дросселя, а следовательно, без потерь, является возможным только благодаря возможности изменения времени закрывания впускного клапана и хода впускного клапана. Масса смеси, втекающей в камеру сгорания во время процесса впуска, в таком случае, управляется не посредством дроссельного клапана, но посредством хода впускного клапана и длительности открывания впускного клапана.
Один из способов изменения установок фаз клапанного распределения состоит в том, что используют устройство регулирования распределительного вала, посредством которого распределительный вал может поворачиваться на определенный угол относительно коленчатого вала, осуществляя опережение или запаздывание установок фаз распределения без изменения или способности менять длительности открывания клапанов. Поворачивание распределительного вала и кулачков, расположенных на нем, смещает время открывания и время закрывания на одинаковую величину угла поворота коленчатого вала в одном и том же направлении.
Посредством изменяемой установки фаз клапанного распределения также можно менять перекрытие клапанов, то есть, диапазон углов поворота коленчатого вала, в котором по меньшей мере одно выпускное отверстие еще не закрыто, в то время как открыт впуск.
При перекрытии клапанов, могут быть потери продувки на высоких нагрузках, с некоторой частью всасываемого наддувочного воздуха, протекающей через цилиндр, не принимая участия в последующем процессе сгорания. Изменяемая установка фаз клапанного распределения может предоставлять возможность, среди прочего, изменения перекрытия клапанов в зависимости от скорости вращения двигателя.
В случае двигателей внутреннего сгорания с наддувом посредством турбонаддува с приводом от выхлопной системы, большое перекрытие клапанов является пригодным средством значительного подъема максимального крутящего момента и улучшения режимов работы неустановившегося состояния на низких скоростях вращения двигателя. Перепад давления между стороной впуска и стороной выпуска на низких скоростях вращения двигателя способствует эффективному процессу продувки цилиндра посредством наддувочного воздуха и гарантирует большее наполнение цилиндра, а следовательно, более высокую мощность.
Большое перекрытие клапанов или позднее закрывание по меньшей мере двух выпускных клапанов также является подходящим способом снижения насосной работы, а следовательно потерь выпуска и повторного наполнения при работе на частичных нагрузках.
Еще одно опробованное решение для снижения дросселирования двигателя с искровым зажиганием предложено посредством отключения цилиндров, то есть, отключения отдельных цилиндров в определенных диапазонах нагрузок. Эффективность двигателя с искровым зажиганием при работе на частичных нагрузках может улучшаться, то есть, увеличиваться, посредством частичного выключения, поскольку отключение цилиндра многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания увеличивает нагрузку других цилиндров, которые все еще находятся в действии, при условии постоянной выходной мощности двигателя, а потому, дроссельный клапан может или должен дополнительно открываться, чтобы вводить большую массу воздуха в упомянутые цилиндры, итогом является снижение дросселирования двигателя внутреннего сгорания. Во время частичного выключения, то есть, при работе на частичных нагрузках двигателя внутреннего сгорания, цилиндры, которые непрерывно находятся в действии, к тому же, часто работают в диапазоне более высоких нагрузок, при которых удельный расход топлива более низок. Совокупность нагрузки смещается по направлению к более высоким нагрузкам.
Цилиндры, которые продолжают находиться в действии во время частичного выключения, к тому же, имеют улучшенное образование смеси и допускают более высокие уровни рециркуляции выхлопных газов в силу большей подаваемой массы воздуха.
Дополнительные преимущества в показателях эффективности получаются в силу того обстоятельства, что цилиндр, который был отключен, не порождает никаких пристеночных тепловых потерь вследствие переноса тепла из газообразных продуктов сгорания в стенки камеры сгорания, благодаря отсутствию сгорания.
Настоящее изобретение также относится к многоцилиндровому двигателю внутреннего сгорания, имеющему отличительный признак частичного выключения.
Двигатели внутреннего сгорания содержат по меньшей мере одну головку блока цилиндров и один блок цилиндров, которые соединены вместе на их сборочных торцах для образования отдельных цилиндров, то есть, камер сгорания.
Головка блока цилиндров часто используется для расположения клапанного механизма. Для того чтобы управлять выпуском и повторным наполнением, двигатель внутреннего сгорания требует элементов управления и исполнительных устройств для приведения в действие элементов управления. В ходе выпуска и повторного наполнения, газообразные продукты сгорания выбрасываются через выпускные отверстия, и камера сгорания наполняется свежей смесью или наддувочным воздухом через впускные отверстия. В случае четырехтактных двигателей, клапаны, используемые в качестве элементов управления для управления выпуском и повторным наполнением, почти исключительно являются тарельчатыми клапанами, которые выполняют колебательное движение хода во время работы двигателя внутреннего сгорания и, таким образом, открывают и закрывают впускные и выпускные отверстия. Исполнительное устройство, требуемое для движения клапанов, включая сами клапаны, указывается ссылкой как клапанный механизм. Клапанный механизм, как правило, содержит по меньшей мере один распределительный вал, на котором расположено многообразие кулачков.
Цилиндры двигателя внутреннего сгорания, который является предметом настоящего изобретения, каждый содержит по меньшей мере одно выпускное отверстие для выпускания выхлопных газов, и выпускные магистрали, соединяющие выпускные отверстия по меньшей мере четырех цилиндров, сходятся вместе для образования общей выпускной магистрали, образуя тем самым выпускной коллектор. Ниже по потоку от коллектора, выхлопные газы затем могут подводиться к турбине турбонагнетателя с приводом от выхлопной системы и/или к одной или более систем последующей очистки выхлопных газов.
Что касается выпуска и повторного наполнения, оказалось проблемой, что выпускные магистрали цилиндров в современных двигателях внутреннего сгорания выполняют все короче и короче, то есть, они имеют неизменно более короткую длину, от соответствующего выпускного отверстия до точки сбора в выпускном коллекторе, в которой выпускные магистрали сходятся вместе, чтобы образовать общую выпускную магистраль, и собираются выхлопные газы из цилиндров. Есть различные причины для этого развития. Все чаще и чаще, выпускной коллектор является встроенным в головку блока цилиндров, для того чтобы извлекать выгоду из системы охлаждения в головке блока цилиндров и чтобы избежать необходимости изготовления коллектора из материалов, которые могут выдерживать высокие тепловые напряжения, которые являются дорогостоящими.
Короткие выпускные магистрали могут приводить к цилиндрам двигателя внутреннего сгорания, имеющим неблагоприятное влияние друг на друга во время выпуска и повторного наполнения, в частности, по меньшей мере частично делая недействительным эффект, достигаемый процессом продувки остаточных газов, который происходит.
Таким образом, в случае четырехцилиндрового рядного двигателя, цилиндры которого приводятся в действие с последовательностью зажигания 1-3-4-2, например, четвертый цилиндр может иметь неблагоприятное влияние на предыдущий, третий цилиндр в последовательности зажигания, то есть, зажигаемый ранее цилиндр, во время выпуска и повторного наполнения, и выхлопные газы, возникающие из четвертого цилиндра, могут проникать в третий цилиндр, то есть, осуществлять перетекание, до того, как будет закрыт по меньшей мере один его выпускной клапан. Здесь, откачка выхлопных газов из четвертого цилиндра основана по существу на двух разных механизмах. Если выпускной клапан открыт в начале выпуска и повторного наполнения, газообразные продукты сгорания текут на высокой скорости через выпускное отверстие в выпускную магистраль, благодаря высокому уровню давления, преобладающему в цилиндре к окончанию сгорания, и связанному высокому перепаду давления между камерой сгорания и системой выпуска. Этот процесс приводимого в движение давлением потока является тем более интенсивным, чем более высок выходной крутящий момент, и сопровождается высоким пиком давления, также указываемым ссылкой как выброс перед выпуском, который распространяется по выпускной магистрали. По мере того, как развивается выпуск и повторное наполнение, давления в цилиндре и в выпускной магистрали выравниваются в большей степени, а потому, газообразные продукты сгорания затем выбрасываются вследствие перемещения поршня.
Выхлопные газы, возникающие из четвертого цилиндра и введенные в третий цилиндр, должны рассматриваться в качестве неблагоприятных.
Для того чтобы противостоять этой проблеме, являющейся результатом коротких выпускных магистралей, длительность открывания выпускных клапанов или выпускных отверстий укорачивается согласно предшествующему уровню техники, то есть, впуск открывают позже и/или закрывают раньше. Для того чтобы быть способным продолжать пользоваться преимуществами большого перекрытия клапанов, выпуск предпочтительно открывают позже, а время закрывания поддерживается на низких скоростях вращения двигателя. Эта мера, таким образом, дает возможность сохранять улучшение характеристик крутящего момента на низких скоростях вращения двигателя. Однако укороченная длительность открывания выпускных клапанов вызывает недостатки в отношении мощности на высоких скоростях вращения двигателя и в отношении снижения насосной работы при работе на частичных нагрузках для снижения расхода топлива.
В условиях изложенных выше предпосылок, задачей настоящего изобретения является предоставление двигателя внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, содержащим отличительный признак частичного выключения, в соответствии с преамбулой пункта 1 формулы изобретения, посредством которого преодолевают недостатки, известные из предшествующего уровня техники, и, в частности, посредством которого могут лучше использоваться преимущества большого перекрытия клапанов, и в котором выпуск и повторное наполнение одновременно оптимизируются в отношении риска перетекания выхлопных газов.
Дополнительная частная задача настоящего изобретения состоит в предоставлении способа управления двигателем внутреннего сгорания этого типа.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Первая частная задача достигается двигателем внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, содержащим по меньшей мере одну головку блока цилиндров и по меньшей мере четыре цилиндра, расположенных в ряд, а следовательно, содержащим два внешних цилиндра и по меньшей мере два внутренних цилиндра, причем
- по меньшей мере четыре цилиндра выполнены с возможностью образования по меньшей мере двух групп, каждая содержащая по меньшей мере два цилиндра, при этом два внешних цилиндра образуют первую группу, а по меньшей мере два внутренних цилиндра образуют вторую группу, цилиндры которых выполнены с возможностью включения в зависимости от нагрузки и отключения при недоборе заданной нагрузки,
- каждый цилиндр содержит по меньшей мере одно выпускное отверстие для выпускания выхлопных газов из цилиндра, при этом каждое выпускное отверстие снабжен выпускным клапаном, который может управляться посредством клапанного исполнительного устройства и открывает или закрывает выпускное отверстие,
- каждое выпускное отверстие примыкает к выпускной магистрали, и
- выпускные магистрали по меньшей мере четырех цилиндров сходятся вместе для образования общей выпускной магистрали, образуя тем самым выпускной коллектор,
отличающийся тем, что
long
short
- выпускные отверстия внешних цилиндров и выпускные отверстия внутренних цилиндров имеют продолжительности открывания разной длительности, при этом выпускные отверстия внешних цилиндров имеют более продолжительную длительность Δ открывания, а выпускные отверстия внутренних цилиндров имеют более короткую длительность Δ открывания.
В случае двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению, выпускные отверстия всех цилиндров не обеспечены, то есть не приводятся в действие, укороченной длительностью открывания, для того чтобы подавлять взаимное влияние цилиндров во время выпуска и повторного наполнения, как описано вначале. Решение в отношении того, обеспечены ли выпускное отверстие укороченной длительностью открывания или нет, принимается в зависимости от того, является ли связанный цилиндр цилиндром, который непрерывно находится в действии, или цилиндром, который может включаться, то есть, цилиндром, который отключается во время частичного выключения.
В случае многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания рассматриваемого типа, имеющего отличительный признак частичного выключения, внутренние цилиндры как правило и, к тому же, согласно изобретению, выполнены в качестве цилиндров, которые могут включаться, тогда как внешние цилиндры являются цилиндрами, которые непрерывно находятся в действии при работе двигателя внутреннего сгорания.
long
Например, в случае четырехцилиндрового двигателя, цилиндры которого подвергаются зажиганию с последовательностью зажигания 1-3-4-2 при нормальной работе, нормальная схема зажигания 1-4 также может формироваться в случае частичного выключения, при какой схеме внешние цилиндры двигателя внутреннего сгорания, которые непрерывно находятся в действии, то есть, первый и четвертый цилиндры, имеют нормальное разнесение зажигания в 360° угла поворота коленчатого вала. Это имеет преимущество, с одной стороны, в отношении баланса масс, а с другой стороны, в отношении перетекания выхлопных газов из одного цилиндра в другой цилиндр. Благодаря тому обстоятельству, что первый и четвертый цилиндры, которые продолжают приводиться в действие в случае частичного выключения, расположены на большом расстоянии друг от друга в головке блока цилиндров, и их процессы управления имеют смещение 360° угла поворота коленчатого вала, нет риска, что один из упомянутых цилиндров будет оказывать влияние на другой цилиндр во время выпуска и повторного наполнения, или будет сам находиться под влиянием другого цилиндра во время выпуска и повторного наполнения. Таким образом, выходные отверстия внешних цилиндров могут быть обеспечены более продолжительной длительностью Δ открывания. Внутренние цилиндры, расположение которых делает их особенно восприимчивыми к перетеканию выхлопных газов, отключены.
long
long
Более продолжительная длительность Δ открывания внешних цилиндров дает возможность пользоваться преимуществами большого перекрытия клапанов для улучшения характеристики крутящего момента на низких скоростях вращения двигателя в случае частичного выключения, не вынуждая мириться с недостатками в отношении мощности на высоких скоростях вращения двигателя или в отношении снижения насосной работы на низких нагрузках. Последнее приводит к дополнительному снижению расхода топлива в случае частичного выключения, а следовательно, к снижению расхода топлива двигателя внутреннего сгорания в целом. Таким образом, есть совместное действие, поскольку назначение согласно изобретению более продолжительной длительности Δ открывания внешним цилиндрам, которые непрерывно находятся в действии, улучшает работу двигателя внутреннего сгорания многими способами, особенно в отношении коэффициента полезного действия.
long
short
Когда все цилиндры двигателя внутреннего сгорания находятся в действии, преимущества, которые возникают от более продолжительной длительности Δ открывания внешних цилиндров, фундаментально сохраняются, причем, перетекание выхлопных газов, когда вовлечены внутренние цилиндры, нейтрализуется тем обстоятельством, что выпускные отверстия внутренних цилиндров обеспечены более короткой длительностью Δ открывания. Это, например, предохраняет выхлопные газы от выхода из внешних цилиндров во внутренние цилиндры, то есть, препятствует прохождению выхлопных газов из четвертого цилиндра в ранее подвергаемый зажиганию третий цилиндр или прохождению выхлопных газов из первого цилиндра в ранее подвергаемый зажиганию второй цилиндр.
Испытания показали, что есть меньше причин для беспокойства о перетекании выхлопных газов из внутреннего цилиндра во внешний цилиндр. То есть, перетекание выхлопных газов из второго цилиндра в ранее подвергнутый зажиганию четвертый цилиндр или перетекание выхлопных газов из третьего цилиндра в ранее подвергнутый зажиганию первый цилиндр является менее критичным. Причины приводятся далее.
С одной стороны, длина тракта, который должны пройти выхлопные газы в коллекторе, является хотя бы слегка большей. С другой стороны, выпускные магистрали имеют разные длины от выпускного отверстия соответствующего цилиндра до точки сбора в коллекторе, в которой сходятся вместе выпускные магистрали цилиндров. Разности длин выпускных магистралей обладают тем эффектом, что свежий воздух, всасываемый в систему выпуска во время операции продувки, например, формирует более длинный столб свежего воздуха в выпускной магистрали первого цилиндра, чем в выпускной магистрали второго цилиндра.
Если второй внутренний цилиндр осуществляет зажигание раньше первого внешнего цилиндра, волна давления, происходящая из первого цилиндра, должна преодолевать всего лишь сравнительно короткий столб свежего воздуха или выталкивать последний обратно во второй цилиндр перед тем, как упомянутая волна давления вводит выхлопные газы, уже выпущенные из второго цилиндра, или выхлопные газы, возникающие из первого цилиндра, во второй цилиндр.
С другой стороны, если четвертый внешний цилиндр осуществляет зажигание раньше второго внутреннего цилиндра, волна давления, происходящая из второго цилиндра, должна преодолевать более длинный столб свежего воздуха или выталкивать последний обратно в четвертый цилиндр до того, как упомянутая волна давления вводит выхлопные газы, уже выпущенные из четвертого цилиндра, или выхлопные газы, возникающие из второго цилиндра, в четвертый цилиндр.
Длина тракта, которую должны проходить выхлопные газы, чтобы перетекать в другой цилиндр по выпускной магистрали упомянутого цилиндра и против исходного направления потока, являются разными в обоих случаях.
Тогда как, согласно предшествующему уровню техники, длительность открывания всех выпускных клапанов или выпускных отверстий укорочена, согласно изобретению, длительность открывания выпускных отверстий модифицирована только до степени, требуемой многоцилиндровым двигателем внутреннего сгорания, имеющим отличительный признак частичного выключения.
Посредством двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению, решена первая задача, лежащая в основе изобретения, а именно, задача предоставления двигателя внутреннего сгорания, посредством которого могут лучше использоваться преимущества большого перекрытия клапанов, и в котором выпуск и повторное наполнение одновременно оптимизированы в отношении риска перетекания выхлопных газов.
Дополнительные полезные варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению описаны ниже в соответствии с зависимыми пунктами формулы изобретения.
Полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, в котором выпускные отверстия внешних цилиндров и выпускные отверстия внутренних цилиндров имеют одинаковое время открывания.
Внутренние цилиндры имеют более раннее время закрывания, чем внешние цилиндры. Это учитывает то обстоятельство, что внутренние цилиндры особенно восприимчивы к перетеканию выхлопных газов, в частности, более восприимчивы, чем внешние цилиндры. Раннее закрывание внутренних цилиндров предохраняет выхлопные газы от перехода из внешнего цилиндра во внутренний цилиндр. В случае четырехцилиндрового рядного двигателя, это, например, гарантирует, что выхлопные газы не переходят из четвертого цилиндра в соседний третий цилиндр, и что выхлопные газы не могут перетекать из первого цилиндра в соседний второй цилиндр.
Поэтому, полезно обеспечивать, то есть, приводить в действие, выпускные отверстия цилиндров одинаковым временем открывания.
По упомянутым причинам, полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, в котором выпускные отверстия внешних цилиндров и выпускные отверстия внутренних цилиндров имеют смещение Δ в отношении времени закрывания.
В этом случае, полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых 2° угла поворота коленчатого вала<Δ≤10° угла поворота коленчатого вала.
В этом случае, полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых 10° угла поворота коленчатого вала<Δ≤15° угла поворота коленчатого вала, или 15° угла поворота коленчатого вала<Δ≤25° угла поворота коленчатого вала.
short
long
Выбранный размер смещения Δ или разность между более короткой длительностью Δ открывания и более продолжительной длительностью Δ открывания в каждом отдельном случае зависит от большого количества факторов, в частности, от количества цилиндров, выпускные магистрали которых сходятся вместе для образования коллектора, последовательности зажигания упомянутых цилиндров и длины отдельных выпускных магистралей, которые примыкают к выпускным отверстиям.
Полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых выпускные магистрали по меньшей мере четырех цилиндров сходятся вместе в пределах по меньшей мере одной головки блока цилиндров, чтобы образовать общую выпускную магистраль, образуя тем самым встроенный выпускной коллектор. В качестве альтернативы, также можно, чтобы выпускные магистрали сходились вместе вне головки блока цилиндров, чтобы образовать общую выпускную магистраль, как описано ниже.
Варианты осуществления, в которых выпускные магистрали сходятся вместе в группах в пределах и/или внутри по меньшей мере одной головки блока цилиндров, чтобы образовывать множество общих выпускных магистралей, образуя тем самым по меньшей мере два выпускных коллектора, подобным образом могут быть двигателями внутреннего сгорания согласно изобретению.
Также полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых выпускные магистрали по меньшей мере четырех цилиндров сходятся вместе, чтобы образовать общую выпускную магистраль, образуя тем самым выпускной коллектор, который по меньшей мере частично встроен в по меньшей мере одну головку блока цилиндров.
Как уже упомянуто, встраивание выпускного коллектора в головку блока цилиндров дает возможность избегать использования материалов, которые могут выдерживать высокие тепловые напряжения для создания коллектора двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, тем самым, давая возможность уменьшать затраты на производство.
Однако встраивание выпускного коллектора в головку блока цилиндров также обладает преимуществом в отношении турбины турбонагнетателя с приводом от выхлопной системы, расположенной в системе выпуска, и/или в отношении используемых систем последующей очистки выхлопных газов. Основная задача состоит в том, чтобы расположить турбину турбонагнетателя с приводом от выхлопной системы как можно ближе к выпуску двигателя внутреннего сгорания, для того чтобы, таким образом, сделать лучше всего возможным использование энтальпии выхлопных газов у горячих выхлопных газов, которая окончательно определяется давлением выхлопных газов и температурой выхлопных газов, и чтобы гарантировать быструю реакцию от турбонагнетателя. С другой стороны, тракт горячих выхлопных газов в различные системы последующей очистки выхлопных газов должен быть как можно более коротким, для того чтобы гарантировать, что выхлопные газы остывают всего лишь незначительно, и что системы последующей очистки выхлопных газов достигают своей рабочей температуры или температуры розжига как можно быстрее, особенно после того, как двигатель внутреннего сгорания был запущен холодным.
В этом контексте, основная задача, поэтому, состоит в минимизации тепловой инерции подсекции выпускной магистрали между выпускным отверстием в цилиндре и системой последующей очистки выхлопных газов и/или между выпускным отверстием в цилиндре и турбиной турбонагнетателя с приводом от выхлопной системы, возможно добиваться этого посредством уменьшения массы и длины этой подсекции, но также посредством уменьшения поверхности переноса тепла коллектора. В этом контексте, встраивание коллектора является целесообразным.
Встраивание укорачивает общую длину тракта всех выпускных магистралей и предоставляет возможность компактной и менее громоздкой конструкции двигателя внутреннего сгорания, снижения веса и эффективной компоновки полного узла привода в моторном отсеке.
Головка блока цилиндров, выполненная таким образом, подвергается более высоким тепловым напряжениям, чем традиционная головка блока цилиндров, оснащенная внешним коллектором, а потому, предъявляет повышенные требования к системе охлаждения, по какой причине, система жидкостного охлаждения предпочтительно предусмотрена в головке блока цилиндров.
Полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере одна головка блока цилиндров содержит четыре цилиндра, расположенных в ряд, моменты зажигания каждого из которых разнесены на 180° угла поворота коленчатого вала. Варианты осуществления согласно изобретению особенно полезны в случае четырехцилиндрового рядного двигателя, поскольку длительность открывания выпускного клапана может легко превышать 200° угла поворота коленчатого вала, например, доходя до 230° угла поворота коленчатого вала, но четыре цилиндра подвергаются зажиганию с интервалами 180° угла поворота коленчатого вала во время нормальной работы двигателя внутреннего сгорания. Таким образом, есть необходимость приводить в действие цилиндры - как можно чаще - таким образом, чтобы цилиндры оказывали неблагоприятное влияние друг на друга как можно меньше и как можно реже во время выпуска и повторного наполнения. Разные длительности открывания выпускных клапанов для внутренних и внешних цилиндров в комбинации с отключением внутренних цилиндров в случае частичного выключения здесь являются целесообразными.
Полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых обеспечено по меньшей мере одно устройство наддува. Например, турбонагнетатель и/или компрессор с приводом от выхлопной системы, то есть, механический нагнетатель, может применяться в качестве устройства наддува.
Турбонагнетатель с приводом от выхлопной системы содержит компрессор и турбину, которые размещены на одном и том же валу. Поток горячих выхлопных газов подается в турбину и расширяется, выделяя энергию в турбине, тем самым, сообщая вращение валу. Энергия, выделяемая потоком выхлопных газов в турбину и, в конечном счете, на валу, используется для приведения в движение компрессора, который так же расположен на валу. Компрессор подает и сжимает наддувочный воздух, подведенный к нему, тем самым, добиваясь наддува по меньшей мере четырех цилиндров. Охлаждение наддувочного воздуха может быть предусмотрено, будучи используемым для охлаждения сжатого наддувочного воздуха перед впуском в цилиндры.
Наддув, главным образом, служит для подъема мощности двигателя внутреннего сгорания. В этом случае, воздух, требуемый для процесса сгорания, сжимается, тем самым, давая возможность подавать большую массу воздуха в каждый цилиндр за каждый рабочий цикл. В силу этого, можно увеличивать массу топлива, а следовательно, среднее давление. Наддув является подходящим средством для подъема мощности двигателя внутреннего сгорания наряду с оставлением рабочего объема неизменным, или уменьшения рабочего объема для той же самой выходной мощности. В каждом случае, наддув приводит к увеличению мощности на единицу объема и более благоприятному отношению мощности к массе. При условии идентичных граничных условий транспортного средства, совокупность нагрузки, таким образом, может смещаться по направлению к более высоким нагрузкам, при которых ниже удельный расход топлива.
Характеристика крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом может улучшаться посредством различных мер, например, посредством конструкции с небольшим поперечным сечением турбины и одновременной продувкой выхлопных газов, но особенно посредством использования множества турбонагнетателей с приводом от выхлопной системы, турбины которых расположены параллельно или последовательно.
Полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, в которых
- каждое выпускное отверстие снабжен выпускным клапаном, который может управляться посредством клапанного исполнительного устройства, и
long
short
- клапанное исполнительное устройство содержит распределительный вал выпускных клапанов, содержащий выпускные кулачки для приведения в действие выпускных клапанов, при этом, выпускные кулачки внешних цилиндров и выпускные кулачки внутренних цилиндров имеют разные выступы кулачка, чтобы добиваться продолжительностей Δ, Δ открывания разных длительностей.
В настоящем случае, продолжительности открывания разных длительностей достигаются посредством конструирования соответствующих кулачков с разным профилем кулачка.
Исполнительное устройство клапанного механизма, предусмотренное для перемещения клапанов, содержит распределительный вал, на котором многообразие кулачков расположено на определенном расстоянии друг от друга, при этом, выступы кулачка у кулачков занимают или приводят в действие работающий от кулачка элемент по мере того, как вращается распределительный вал. Работающий от кулачка элемент может быть качающимся рычагом, рычагом коромысла или толкателем, который, в свою очередь, находится в зацеплении с тарельчатым клапаном. Вращение кулачка имеет следствием колебательное возвратно-поступательное движение клапана.
Длительность открывания клапана, в таком случае, определяется профилем связанного выступа кулачка, то есть, контактной поверхностью между выступами кулачка и работающими от кулачка элементами, и углом поворота, на протяжении которого выступ кулачка и работающий от кулачка элемент находятся в зацеплении друг с другом.
Полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, в которых каждый цилиндр содержит по меньшей мере два выпускных отверстия для выпускания выхлопных газов из цилиндра.
В контексте выпуска и повторного наполнения, быстрое раскрытие поперечных сечений потока, которые являются как можно большими, является основной задачей. Для того чтобы подавлять потери дросселирования в потоках газа, втекающих и вытекающих, и чтобы обеспечивать оптимальное наполнение цилиндров свежей смесью и/или эффективное, то есть, полное удаление выхлопных газов, полезно обеспечивать по меньшей мере четыре цилиндра двумя или более впускными и/или выпускными отверстиями.
Полезны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых система непосредственного впрыска предусмотрена для ввода топлива в по меньшей мере четыре цилиндра.
Еще одним возможным решением для уменьшения дросселирования двигателя внутреннего сгорания с принудительным зажиганием является непосредственный впрыск. Непосредственный впрыск топлива является пригодным средством достижения послойного заряда топлива в камере сгорания. Непосредственный впрыск топлива в камеру сгорания, таким образом, предоставляет возможность качественного регулирования в двигателях с принудительным зажиганием в определенных пределах. Образование смеси происходит в камере сгорания благодаря непосредственному впрыску топлива в цилиндры или в наддувочный воздух в цилиндрах, а не благодаря внешнему образованию смеси, при котором топливо вводится во всасываемый воздух в секции впуска.
В силу привлеченного принципа, непосредственный впрыск связан с внутренним охлаждением камеры сгорания и смеси, тем самым, предоставляя возможность более высокого сжатия и/или наддува, а следовательно, лучшего использования топлива без риска преждевременного самовоспламенения топлива, известного как детонация.
Вторая частная задача, лежащая в основе изобретения, решена способом управления двигателем внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, содержащим четыре цилиндра, расположенных в ряд, в котором сгорание в цилиндрах инициируется посредством принудительного зажигания в последовательности 1–3–4–2, при этом цилиндры подсчитаны и пронумерованы последовательно вдоль продольной оси по меньшей мере одной головки блока цилиндров, начиная с внешнего цилиндра.
То, что уже было изложено в отношении двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению, также аналогичным образом применяется к способу согласно изобретению. Внимание в особенности привлечено к описанию вариантов осуществления двигателя внутреннего сгорания.
Как уже пояснено выше, вариант осуществления согласно изобретению особенно пригоден для четырехцилиндрового рядного двигателя. Разные длительности открывания выпускных клапанов для внутренних и внешних цилиндров в комбинации с отключением внутренних цилиндров в случае частичного выключения приводят к улучшенному сгоранию и повторному наполнению выше предшествующего уровня техники.
Полезны варианты осуществления способа, в которых выпускные отверстия внешних цилиндров и выпускные отверстия внутренних цилиндров открывают на разные продолжительности в процессе выпуска и повторного наполнения, при этом выпускные отверстия внешних цилиндров открывают на более продолжительное, а выпускные отверстия внутренних цилиндров открывают на более короткое время. Причины являются теми, которые уже изложены.
Полезны варианты способа, в которых выпускные отверстия внешних цилиндров и выпускные отверстия внутренних цилиндров открывают с одной и той же установкой момента.
short
long
Полезны варианты способа, в которых выпускные отверстия, имеющие более короткую длительность Δ открывания, закрывают раньше, на заданную величину угла Δ поворота коленчатого вала, чем выпускные отверстия, имеющие более продолжительную длительность Δ открывания. Для смещения Δ, применяют следующее: 2° угла поворота коленчатого вала<Δ≤10° угла поворота коленчатого вала, 10° угла поворота коленчатого вала <Δ≤15° угла поворота коленчатого вала, или 15° угла поворота коленчатого вала<Δ≤25° угла поворота коленчатого вала.
Полезны варианты осуществления способа, в которых цилиндры второй группы
down
- отключают при недоборе заданной нагрузки T, и
up
- включают при превышении заданной нагрузки T.
down
up
Полезны варианты осуществления способа, в которых заданная нагрузка T и/или T зависит от скорости n вращения двигателя внутреннего сгорания.
Полезны варианты осуществления способа, в которых цилиндр второй группы отключают посредством вывода из работы подачи топлива и/или принудительного зажигания в цилиндр.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение подробнее описано ниже со ссылкой на иллюстративный вариант осуществления, показанный на фиг.1, на которой:
фиг.1 показывает установки момента для выпускного отверстия внешнего цилиндра и установки момента для выпускного отверстия внутреннего цилиндра по первому варианту осуществления двигателя внутреннего сгорания на диаграмме.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
cylinder,out
cylinder,out
cylinder,in
cylinder,in
Фиг.1 показывает установки AÖ, AS момента для выпускного отверстия внешнего цилиндра и установки AÖ, AS момента для выпускного отверстия внутреннего цилиндра по первому варианту осуществления двигателя внутреннего сгорания на диаграмме.
long
cylinder,out
cylinder,out
short
cylinder,in
cylinder,in
cylinder,out
cylinder,in
Выпускное отверстие внешнего цилиндра имеет продолжительную длительность Δ открывания. Упомянутое открывание открывается с установкой AÖ момента и закрывается с установкой AS момента. Выпускное отверстие внутреннего цилиндра, в противоположность, имеет более короткую длительность Δ открывания, которое открывается с установкой AÖ момента и закрывается с установкой AS момента. Выпускные отверстия двух цилиндров имеют одинаковые моменты времени открывания, но разные моменты времени закрывания. Моменты AS, AS времени закрывания имеют смещение Δ.
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ
cylinder,in
AÖ - установка момента для «открываний выпуска» внутреннего цилиндра
cylinder,in
AÖ - установка момента для «открываний выпуска» внешнего цилиндра
cylinder,in
AS - установка момента для «закрываний выпуска» внутреннего цилиндра
cylinder,out
AS - установка момента для «закрываний выпуска» внешнего цилиндра
°KW - угол поворота коленчатого вала в градусах
ВМТ - верхняя мертвая точка
НМТ - нижняя мертвая точка
Δ - смещение момента времени закрывания выпускного отверстия внешнего цилиндра относительно выпускного отверстия внутреннего цилиндра
long
Δ - более длительная продолжительность открывания выпускного отверстия внешнего цилиндра
long
Δ - более короткая продолжительность открывания выпускного отверстия внутреннего цилиндра.