СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD FOR OPERATION OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателем внутреннего сгорания.
Прототипом является двигатель внутреннего сгорания с изменяющимся числом работающих цилиндров, содержащий блок управления и подключенные к нему датчики и механизм перемещения заслонки [Патент РФ 2032824 МПК F02D 17/00, 1995].
Недостатком прототипа является то, что при отключении нескольких цилиндров двигателя, например на холостом ходу, работающие цилиндры продолжают продуцировать выброс вредных газов, т.е. осуществляют загрязнение окружающей среды, свойственное двигателю при работе на холостом ходу.
Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик двигателя.
Задача решается тем, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания, включающем изменение числа работающих цилиндров пропорционально величине нагрузки на двигатель, в работающие цилиндры осуществляют прибавку топлива, посредством которой компенсируют в данном режиме работы двигателя энергию утраченного рабочего хода неработающих цилиндров и энергию, затрачиваемую на их функционирование.
Периодически поочередно неработающий цилиндр включают в работу, а работающий - отключают. В неработающем цилиндре осуществляют искрообразование. Искрообразование осуществляют на такте выпуска окислителя из неработающего цилиндра. Искрообразование осуществляют на протяжении всего такта выпуска окислителя из неработающего цилиндра. При изменении режима работы двигателя с холостого хода на разгон в работу включают все неработающие цилиндры путем подачи в них топлива. Из неработающего цилиндра окислитель выпускают и во впускной коллектор двигателя. При выпуске окислителя из неработающего цилиндра и во впускной коллектор, последний разобщают с атмосферой.
Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.
Добавление в работающие цилиндры прибавки топлива, посредством которой компенсируют в данном режиме работы двигателя энергию утраченного рабочего хода неработающих цилиндров и энергию, затрачиваемую на их функционирование, позволяет улучшить эксплуатационные характеристики двигателя. Обычно в режиме холостого хода на малых оборотах двигателя ухудшается освобождение полости цилиндра от отработавших газов, что впоследствии приводит к ухудшению смесеобразования в камере сгорания и качества свежего топливного заряда. В результате этого увеличиваются удельный расход топлива и вредные выбросы в атмосферу. В данном случае, когда увеличивается топливоподача в работающий цилиндр (или цилиндры), который должен компенсировать энергию утраченного рабочего хода неработающих цилиндров и энергию, затрачиваемую на их функционирование (в первую очередь: на всасывание, сжатие и выпуск окислителя), то в работающем цилиндре за счет сжигания большей порции топлива увеличивается давление отработавших газов, улучшающее удаление их из полости цилиндра. Это приводит к улучшению качества свежего заряда смеси и повышению КПД двигателя. В свою очередь, обогащение топливной смеси в работающем цилиндре за счет указанной прибавки увеличивает скорость и полноту сгорания, что снижает выброс вредных веществ в атмосферу у этого цилиндра. Это повышает КПД двигателя и улучшает его экологические показатели. Кроме того, указанная прибавка топлива улучшает тепловой режим работающего цилиндра особенно при длительной работе двигателя на холостом ходу, что также повышает эксплуатационные показатели.
Периодическое поочередное включение неработающего цилиндра в работу и отключение работающего (т.е. неработающего вместо работающего) позволяет поддерживать тепловой режим поочередно во всех цилиндрах двигателя. Кроме того, при этом более равномерным во всех цилиндрах становится Износ электродов свечей зажигания, что повышает эксплуатационные показатели двигателя.
2
Осуществление в неработающем цилиндре искрообразования; (высоковольтного разряда) способствует образованию в воздухе (окислителе) этого цилиндра молекул озона и атомарного кислорода (при разложении водяных паров, содержащихся в этом воздухе. Выход такого воздуха в выпускной тракт способствует окислению поступающей из работающих цилиндров окиси углерода до СО, что улучшает экологические показатели двигателя.
Осуществление в неработающем цилиндре искрообразования на такте выпуска окислителя из неработающего цилиндра способствует наличию в нем большего количества молекул озона и атомарного кислорода, которые еще не успели осуществить рекомбинацию, что также улучшает экологические показатели двигателя.
Осуществление искрообразования на протяжении всего такта выпуска окислителя из неработающего цилиндра позволяет увеличить количество количества молекул озона и атомарного кислорода, что улучшает экологические показатели двигателя.
Включение при изменении режима работы двигателя с холостого хода на разгон в работу всех неработающих цилиндров путем подачи в них топлива позволяет улучшить динамику разгона за счет того, что неработающие цилиндры к моменту подачи в них топлива оказываются хорошо продутыми воздухом, а поэтому в них увеличиваются скорость и полнота сгорания, что улучшает динамику разгона и эксплуатационные характеристики двигателя по сравнению с обычным способом, когда в цилиндры, работающие на холостом ходу, на режиме разгона добавляют топливо.
Выпуск из неработающего цилиндра окислителя (воздуха) и во впускной коллектор двигателя может быть полезен, например в холодное время года. Поскольку выпускаемый воздух несколько нагревается при сжатии и попадании в: камеру сгорания, то выпуск его во впускной коллектор увеличит температуру всасываемого воздуха в рабочем цилиндре и теплоту сгорания свежего топливного заряда, энергия топлива которого при этом будет меньше расходоваться на нагрев окислителя. Это повышает эксплуатационные характеристики.
Разобщение с атмосферой впускного коллектора при выпуске из неработающего цилиндра и в него окислителя позволяет повысить в этом коллекторе давление воздуха (в случае, когда число неработающих цилиндров больше, чем работающих), в результате чего, во-первых, появляется возможность продувки рабочего цилиндра, из которого выпускаются отработавшие газы, в течение перекрывания фаз работы выпускного и впускного клапанов, т.е. в момент, когда выпускной клапан еще не закрылся, а впускной уже открылся. Это улучшает наполнение камеры сгорания свежей смесью. Во-вторых, повышенное давление уменьшает работу, затрачиваемую на всасывание воздуха в рабочий цилиндр.
На фиг. 1 изображена схема первого и третьего работающих цилиндров двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием. На фиг. 2 изображена схема неработающего цилиндра в режиме выпуска воздуха во впускной коллектор.
Двигатель содержит первый 1, второй, третий и четвертый 2 цилиндры, в каждом из которых размещены поршень 3, камера 4 сгорания с источником 5 технического зажигания (свечой), которая соответственно через впускной 6 и выпускной 7 клапаны посредством воздушных каналов 8 и 9 соединена с впускным 10 и выпускным 11 коллекторами. Коллектор 10 может быть снабжен установленной на оси 12 заслонкой 13, разделяющей (по ходу движения воздуха) его на полость 14, которая через воздуховод 15 посредством установленной на оси 16 заслонки 17 может соединена с воздушным каналом 8, и полость 18, которая через воздуховод 19 и посредством установленной на оси 20 заслонки 21 может соединена с воздушным каналом 9, при этом заслонка 17 установлена в положение, в котором она перекрывает движение воздуха из коллектора 10 в канал 8, а заслонка 21 - в положение, в котором она перекрывает движение воздуха из канала 9 в коллектор 11.
Способ реализуют следующим образом.
Предположим, что в четырехцилиндровом двигателе внутреннего сгорания (с порядком работы цилиндров 1-3-4-2), функционирующем на холостом ходу, работают только два цилиндра - первый 1 и четвертый 2 (фиг. 1). Поршни 3 этих цилиндров движутся вверх и подходят к верхней мертвой точке (ΒΜΤ), при этом в цилиндре 1 заканчивается сжатие топливной смеси, а из цилиндра 2 через канал 9 удаляются отработавшие газы в коллектор 11. В неработающих втором и третьих цилиндрах (не показаны) соответственно расширяется воздух (который был сжат на предыдущем такте) и всасывается воздух из коллектора 10 через воздушный канал 8. После достижения поршнями 3 угла опережения зажигания на источник 5 технического зажигания подают высокое напряжение, формирующее искру между электродами, при этом топливная смесь воспламеняется и сгорает, увеличивая давление в камере сгорания цилиндра 1, в результате чего его поршень начинает рабочий ход, а в цилиндр 2 начинает всасываться топливная смесь - через канал 8 из коллектора 10 поступает воздух, в который, например форсункой (не показана), впрыскивается топливо. При этом во втором цилиндре воздух удаляется через канал 8 в коллектор 11, а в третьем - сжимается.
Далее, из цилиндра 1 происходит удаление отработавших газов через клапан 7 и канал 8 в коллектор 11, в цилиндре 2 сжимается топливная смесь, а во втором и третьих цилиндрах соответственно происходит всасывание и расширение воздуха.
Затем совершается всасывание топливной смеси в цилиндр 1, в цилиндре 2 расширяются газы (рабочий ход), а во втором и третьих цилиндрах соответственно осуществляется сжатие и удаление воздуха. После этого цилиндропоршневые группы приходят в исходное положение.
Таким образом, поскольку во второй и третий цилиндр топливо не поступает, то работу этих цилиндров возлагают на рабочие цилиндры 1, 2, осуществляя для этого прибавку топлива в них, посредством которой компенсируют в данном режиме работы двигателя анергию утраченного рабочего хода неработающих: цилиндров и энергию, затрачиваемую на их функционирование. В результате этого в работающих цилиндрах за счет сжигания увеличенной порции топлива возрастает давление продуктов сгорания и отработавших газов, благодаря чему последние лучше удаляются из полости цилиндра. Кроме того, обогащение топливной смеси в этих цилиндрах за счет указанной прибавки топлива увеличивает скорость и полноту сгорания, что снижает выброс вредных веществ в атмосферу и повышает КПД двигателя.
Если при окончании тактов сжатия воздуха во втором и третьих цилиндрах свечи в них не отключать (т.е. свечи продолжают работать в штатном режиме), то при достижении их поршнями угла опережения зажигания в этих цилиндрах будет формироваться искра, благодаря чему в этом воздухе будут образовываться молекулы озона и атомарного кислорода, которые затем попадая в выпускной тракт будут окислять окись углерода, что улучшит экологические показатели двигателя. Если несколько изменить режим работы свечей неработающих цилиндров и подавать на них высокое напряжение на такте выпуска воздуха в выпускной тракт, то количество окисляющих молекул в нем увеличится, причем, чем длительнее будет работать свеча, тем больше молекул попадут в указанный тракт.
При переходе двигателя с режима холостого хода на режим разгона топливную смесь подают также и в неработающие второй и третий цилиндры. Поскольку они хорошо были продуты воздухом, то образуется качественная топливная смесь, в результате чего улучшается динамика разгона. После разгона уже все цилиндры работают на повышенных по сравнению с холостым ходом оборотах, поэтому качество смесеобразования и полнота сгорания смеси остаются хорошими.
Для поддержания температурного режима в цилиндрах двигателя периодически поочередно неработающие второй и третий цилиндры включают в работу, а работающие первый и четвертый - отключают.
Всю описанную работу двигателя легко выполнить на существующих двигателях с электронным управлением режимом их работы. Если несколько доработать двигатель, снабдив каждый цилиндр двумя управляемыми заслонками и по существу вторым впускным коллектором, то можно эксплуатировать двигатель еще и следующим образом.
Рассмотрим работу цилиндра двигателя (фиг. 2).
В холодное время года заслонки 17 и 21 неработающего цилиндра переводят соответственно в наклонное и вертикальное положение, в результате чего воздух из неработающих цилиндров (или части из них) будет поступать не в выпускной тракт, а возвращаться во впускной коллектор и смешиваться с идущим в этот коллектор холодным атмосферным воздухом, нагревая его. В результате энергия топлива будет меньше расходоваться на нагрев окислителя, что повысит эксплуатационные характеристики двигателя. При возврате указанных заслонок в исходное положение воздух будет забираться из коллектора 10, а выпускаться - в коллектор 11.
Если заслонки 17 и 21 неработающего цилиндра оставить соответственно в наклонном и вертикальном положении, а заслонкой 13 перекрыть движение воздуха из полости 14 в полость 18 коллектора 10, то при движении поршня в цилиндре воздух будет забираться из полости 14 и возвращаться в полость 18. При числе неработающих цилиндров большим, чем работающих, в полости 18 и воздуховодах коллектора 10 будет создаваться повышенное давление, т.е. указанные полость и воздуховоды будут по существу выполнять роль ресивера, повышенное давление в котором будет способствовать продувке в течение перекрывания фаз работы выпускного и впускного клапанов рабочих цилиндров, что улучшит наполнение камеры сгорания свежей смесью.
Кроме того, наполнение цилиндра воздухом более высокого давления увеличивает и давление в камере сгорания, что эквивалентно изменению степени сжатия двигателя. Как известно, изменение степени сжатия двигателя позволяет увеличить мощность при том же объеме (литраже) цилиндров. В результате увеличения мощности, например описанный четырехцилиндровый двигатель, на холостом ходу сможет работать на одном цилиндре, при этом еще более обогащенная смесь будет лучше сгорать, способствуя, в конечном счете, еще большему уменьшению вредных выбросов в атмосферу.
Заметим, что посредством изменения положения заслонок 13 и 21можно уменьшать давление в полости 18 и воздуховодах коллектора 10 - при избытке давления отправлять часть накаченного неработающими цилиндрами воздуха в коллектор 11 путем изменения положения заслонки 21, т.е. проводить качественное регулирования состава топливной смеси - малое количество топлива смешивать с меньшим количеством воздуха. Это также уменьшит вредные выбросы в атмосферу.
Аналогичным образом может работать и дизель.
Внедрение изобретения позволит осуществлять работу двигателя внутреннего сгорания на режимах, способствующих улучшению его эксплуатационных характеристик, в том числе, уменьшающих вредные выбросы в атмосферу.