СПОСОБ ДИСКРЕТНОГО ИЗМЕНЕНИЯ МОЩНОСТИ ДВС
METHOD OF ICE OUTPUT DISCRETE VARIATION

Изобретение относится к области машиностроения, может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания общего и специального назначения и направлено на усовершенствование технического решения по заявке №2008104241 от 04 февраля 2008 г., патент №2380562 от 27 января 2010 г.
Известен способ изменения мощности двигателей внутреннего сгорания (ДВС), предназначенных для установки на автомобильные шасси, тракторы или другие самоходные машины, а также использующиеся в качестве источников энергии на тепловозах и на судах, включающих в свой состав кривошипно-шатунный механизм (КШМ), газораспределительный механизм (ГРМ), систему смазывания (СС), систему охлаждения (СО), систему питания (СП), систему зажигания (СЗ) и систему запуска (СЗап). При этом в зависимости от вида используемого топлива они могут быть двигателями тяжелого топлива (солярка, растительные масла и т.д.), т.е. дизельными или двигателями легкого топлива (бензин, газ, спирт), т.е. карбюраторными, хотя в качестве элемента дозирования топлива могут выступать форсунки (инжекторы), обеспечивающие как распределенный, так и непосредственный впрыск топлива. В первом случае, при реализации работы ДВС по циклу Дизеля в его составе отсутствует система зажигания. Вместе с тем для любого типа ДВС может быть реализован как четырехтактный, так и двухтактный режим работы, при этом во втором случае в составе ДВС отсутствует ГРМ, но не исключается наличие продувочных клапанов. Реализация способа достигается за счет количественного или качественного изменения горючей смеси в цилиндрах двигателя.
[См. Кисуленко Б.В. Краткий автомобильный справочник, Т 1. Автобусы. 2002. 354 с.;
Кисуленко Б.В., Венгеров И.А., Дементьев Ю.В. и др. Краткий автомобильный справочник, Т 3. Легковые автомобили. Ч.2. Автополюс - плюс. 2005, 1041 с.;
М.М.Запрягаев и др. Армейские автомобили. Конструкция и расчет. Ч. II, М.: МО СССР. 1970. - 480 с.].
Известен также дискретный способ изменения мощности двигателей внутреннего сгорания, у которых с целью повышения их экономичности и экономии ресурса часть цилиндров при работе на незначительных нагрузках и малом газе (холостом ходу) отключаются. В качестве примера можно привести попытки проведения в отечественной практике исследовательских работ по регулированию рабочего объема, которые были предприняты в 1984-1985 годах на автополигоне НАМИ. Были созданы два опытных образца: транспортное средство на базе автомобиля "Волга" ГА3-24 с модульной силовой установкой (МСУ), состоящей из двух двигателей ВА3-2101, последовательно соединенных между собой сцеплением и транспортное средство на базе автомобиля ЗИЛ-130 с двигателями рабочим объемом 6 и 3 литра [см. http://engine.aviaport.ru/issues/42/page57.html].
Из известных дискретных способов изменения мощности двигателя наиболее близким по технической сущности является способ, реализованный в двигателе автомобиля «Мерседес-Бенц-S500» (Евро IV) с регулируемым впускным трубопроводом, тремя клапанами на цилиндр, одним распределительным валом в головке, роликовыми толкателями и системой отключения выбранных четырех из восьми цилиндров. Такой способ изменения мощности позволяет отключать часть цилиндров, как правило, половину, при эксплуатации на незначительных нагрузках, например в городском цикле, движении по проселочным дорогам и при движении с постоянной скоростью по среднескоростной автомагистрали. Электронная система управления двигателя отключает цилиндры (2-й и 3-й из правого ряда и 5-й и 8-й из левого) сразу же, как только двигатель переходит на режим частичной нагрузки, что достигается отключением соответствующих впускных и выпускных клапанов и прекращением подачи топлива к указанным цилиндрам [см. http://web.sinn.ru/~magistr/Page/Motors/Mercedes.html], а также способ дискретного изменения мощности двигателя при работе на режимах холостого хода, в зависимости от температуры двигателя и положения дроссельной заслонки [см. патент РФ 222738, МПК F02D 17/04. Способ управления двигателем внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами. А.А.Мартынов, В.А.Зеер, Ю.В.Краснобаев. Опубл. 27.04.2004. Бюл.12; патент SU 1451582 A1, 15.01.1989. Николаенко А.В. и др. Способ снижения эксплуатационного расхода топлива силовой установкой и устройство для его осуществления. Опубл. 2001, БИ №20].
Основным недостатком данного способа изменения мощности всех многоцилиндровых двигателей с отключающимися цилиндрами, как и МСУ, является то, что в этом случае одна половина (часть) цилиндров ДВС должна быть основной, а вторая половина (часть) - вспомогательной. Естественно основная группа цилиндров подвержена более интенсивному износу, в сравнении со вспомогательной.
Если отключение цилиндров осуществляется за счет прекращения подачи топлива в соответствующие цилиндры, то в этом случае в обязательном порядке, даже при использовании общей рубашки охлаждения и запирания отработавших газов в полости отключенных цилиндров, будет наблюдаться изменение температурного режима отключенных цилиндров, а их выход на требуемый режим функционирования, в случае подключения, потребует дополнительных затрат топлива и времени.
Если же отключение части цилиндров осуществляется за счет разрыва кинематической связи в половинах коленчатого вала, то такое техническое решение предполагает наличие сложного кинематического звена, обеспечивающего не только кинематическую связь модулей ДВС, но и их синхронизацию. В дополнении к этому также будет присутствовать проблема повышенного износа основного модуля цилиндров и нарушение температурного режима дополнительного (вспомогательного). Использование фрикционного сцепления для соединения модулей МСУ несколько упрощает реализацию, однако при прочих равных условиях и недостатках, указанных выше, увеличивается время выхода дополнительного модуля на режим за счет потерь на пробуксовку сцепления, а также сложность замены при износе. Кроме того, ДВС в составе гибридных или комбинированных энергосиловых установок при движении в населенных пунктах на электрической тяге, при внезапном возникновении необходимости включения в работу требует определенного времени на прогрев, особенно при низких температурах окружающей среды, а прогрев под нагрузкой обусловливает значительные вредные выбросы и повышенный износ деталей КШМ и ГРМ.
Техническим результатом изобретения является устранение указанных недостатков, обеспечение стабилизации параметров функционирования, а именно температурного режима, экономичности, уменьшение вредных выбросов, а также обеспечение равномерности износа деталей цилиндро-поршневой группы в известных двигателях внутреннего сгорания, с числом цилиндров, кратным двум, трем или пяти, с одним или двумя коленчатыми валами, расположенными как горизонтально, так и вертикально, работающими как по двухтактному, так и по четырехтактному циклам, на тяжелых и легких сортах топлива с распределенным или непосредственным впрыском, в составе гибридных или комбинированных энергосиловых установок, в том числе в составе модульных силовых установок, содержащих кривошипно-шатунный механизм, управляемый по фазам газораспределительный механизм, систему смазывания, охлаждения, зажигания (для ДВС легкого топлива) и систему питания ДВС с распределенным или непосредственным впрыском топлива посредством форсунок с электромагнитным управлением, а также микропроцессорную систему управления двигателем, формирующую алгоритм функционирования механизмов и систем двигателя, посредством функциональных электрических связей, соединенной с исполнительными элементами.
Это достигается тем, что при эксплуатации транспортного средства на частичных и средних нагрузках, например в городском цикле, движении по проселочным дорогам и при движении с постоянной скоростью по среднескоростной автомагистрали или при работе двигателя на малом газе (холостом ходу), реализуют способ дискретного изменения мощности ДВС по патенту №2380562 от 27 января 2010 г., заключающийся в отключении части цилиндров при эксплуатации транспортного средства на частичных и средних нагрузках, например в городском цикле, движении по проселочным дорогам и при движении с постоянной скоростью по среднескоростной автомагистрали или при работе двигателя на малом газе (холостом ходу), путем прекращения подачи топлива в отключаемые цилиндры, посредством отключения форсунок, например с электромагнитным управлением, за счет пропуска микропроцессорной системой управления двигателем управляющих импульсов, с соблюдением значений фаз газообмена, поочередно, с формированием "растянутого" порядка работы цилиндров ДВС с шагом пропуска управляющих импульсов между рабочими ходами, выражающимся в соответствующем значении угла поворота коленчатого вала φ, равном (2πm-πi)/i, где m - число (количество) оборотов коленчатого вала двигателя, соответствующее полному циклу срабатывания всех цилиндров двигателя, i - число цилиндров, при этом из общего числа цилиндров двигателя формируют основную группу активных цилиндров и одну, две вспомогательные группы, с соблюдением последовательности срабатывания цилиндров в каждой из групп, со сдвигом первого условного цилиндра последующей группы относительно первого цилиндра основной группы на угол α, выраженный в градусах поворота коленчатого вала между началами одноименных тактов в обычном режиме функционирования двигателя или αk, где k - коэффициент кратности, и обеспечивают в каждой группе "растянутый" порядок работы цилиндров ДВС с шагом пропуска между началами рабочих ходов, выражающимся в соответствующем значении угла поворота коленчатого вала φ', равном (2πm-πi)/i+π, и равномерное чередование вспышек в активных цилиндрах.
При этом, чередование вспышек в активных цилиндрах может быть как равномерное, так и неравномерное.
На фиг.1-6 изображены схемы формирования "растянутого" порядка работы цилиндров и таблицы с порядком работы для четырехтактных ДВС.
Пояснить сущность предлагаемого способа дискретного изменения мощности ДВС [см. фиг.1-6 с табл.] можно на примере четырехтактного пятицилиндрового двигателя, реализация «растянутого» порядка работы которого [см. табл.2-4 и фиг.1] заключается в обеспечении поочередного пропуска срабатывания цилиндров путем прекращения подачи топлива в отключаемые цилиндры двигателя посредством управления соответствующими форсунками, в зависимости от требуемой мощности на каждом обороте коленчатого вала, т.е. для пятицилиндрового, четырехтактного ДВС с порядком работы 1-2-4-5-3 при переходе на 50%-ное значение мощности или работе ДВС в буферном режиме с интегрированным мотор-генератором (ИМГ) в гибридных или комбинированных силовых установках формируют три группы цилиндров:
1-я группа - 1-0-0-0-0-0-2-0-0-0-0-0-4-0-0-0-0-0-5-0-0-0-0-0-3-0-0-0-0-0;
2-я группа - 4-0-0-0-0-0-5-0-0-0-0-0-3-0-0-0-0-0-1-0-0-0-0-0-2-0-0-0-0-0;
3-я группа - 3-0-0-0-0-0-1-0-0-0-0-0-2-0-0-0-0-0-4-0-0-0-0-0-5-0-0-0-0-0, со смещением первого цилиндра второй группы относительно первого цилиндра первой группы по углу поворота коленчатого вала на угол αk, равный 288°, при значении α, равном 144°, и k, равном 2, и смещением первого цилиндра третьей группы на угол 576° при том же значении α и k, равном 4, и общий порядок работы станет 1-0-4-0-3-0-2-0-5-0 с периодом повторения 4 оборота коленчатого вала.
При переходе на 33%-ное значение мощности или работе ДВС в буферном режиме с интегрированным мотор-генератором (ИМГ) в гибридных или комбинированных силовых установках, формируют две группы цилиндров:
1-я группа 1-0-0-0-0-0-2-0-0-0-0-0-4-0-0-0-0-0-5-0-0-0-0-0-3-0-0-0-0-0;
2-я группа 5-0-0-0-0-0-3-0-0-0-0-0-1-0-0-0-0-0-2-0-0-0-0-0-4-0-0-0-0-0, со смещением первого цилиндра второй группы относительно первого цилиндра первой группы по углу поворота коленчатого вала на угол αk, равный 432°, при значении α, равном 144°, и k, равном 3, и общий порядок работы станет 1-0-0-5-0-0-2-0-0-3-0-0-4-0-0 с периодом повторения шесть оборотов коленчатого вала.
На малом газе (режим холостого хода) при переходе на 15%-ное значение мощности порядок работы станет - 1-0-0-0-0-0-2-0-0-0-0-0-4-0-0-0-0-0-5-0-0-0-0-0-3-0-0-0-0-0, где 0 - шаг пропуска рабочих ходов, а угол φ' между началами рабочих ходов в группе для любого из вариантов будет равен
(2πm-πi)/i+π.
Так, для нормального режима
(2×3,14×2-3,14×5)÷5+3,14=5,024π=144°=0,4 об. к.в.
Для ДИМ при 15%-ном значении мощности
(2×3,14×12-3,14×5)÷5+3,14=15,072π=864°=2,4 об. к.в.
Аналогичные схемы могут быть применены для многоцилиндровых ДВС с парным или непарным количеством цилиндров, работающих по двухтактному и четырехтактному циклам, а именно для рядных и V-образных 4-х, 5-ти, 6-ти, 8-ми и 12-ти цилиндровых ДВС, а также для W-образных двигателей, работающих как отдельно, так и в составе модульных силовых установок (МСУ).
Основные значения параметров функционирования ДВС в различных режимах представлены в сводной таблице 7.
Экспериментальные исследования функционирования дизельного двигателя дизель-генератора 1-ПДГ4Д в режиме дискретного изменения мощности представлены в акте испытания, копия которого прилагается.
При этом клапаны ГРМ могут находиться в одном из перечисленных положений:
- при открытых положениях впускных клапанов отключаемых цилиндров для реализации наддува в рабочие цилиндры с одновременным снижением затрат на насосные потери в отключаемых цилиндрах;
- при открытых положениях выпускных клапанов отключаемых цилиндров для снижения затрат на насосные потери в отключаемых цилиндрах;
- при закрытых положениях как впускных, так и выпускных клапанов отключаемых цилиндров с обеспечением снижения затрат на насосные потери в отключаемых цилиндрах за счет использования энергии разрежения;
- при открытых положениях как впускных, так и выпускных клапанов (перекрытия клапанов) отключаемых цилиндров с обеспечением снижением затрат на насосные потери в отключаемых цилиндрах и их дополнительной очистки от отработавших газов.
При этом в любом из перечисленных вариантов исключается соударение клапанов с поршнями при их нахождении в верхних мертвых точках.
Для реализации дискретного способа изменения мощности ДВС необходимы: управляемый по порядку срабатывания и фазам газораспределительный механизм с гибким приводом, например, электрогидравлическим впускным и выпускным клапанами для четырехтактных двигателей или продувочных клапанов для двухтактных двигателей, система питания ДВС с внутренним или внешним смесеобразованием, с распределенным или непосредственным впрыском топлива посредством форсунок с электромагнитным управлением, а также микропроцессорная система управления двигателем, формирующая алгоритм функционирования механизмов и систем двигателя и посредством функциональных электрических связей соединенная с исполнительными элементами в составе двигателя внутреннего сгорания с числом цилиндров, кратным двум, трем, или пяти, с одним или двумя коленчатыми валами, расположенными как горизонтально, так и вертикально, работающим как по двухтактному, так и по четырехтактному циклам, на тяжелых и легких сортах топлива с распределенным или непосредственным впрыском, в составе гибридных или комбинированных энергосиловых установок, в том числе в составе модульных силовых установок, содержащими кроме этого кривошипно-шатунный механизм, систему смазывания, охлаждения, зажигания (для ДВС легкого топлива) и систему запуска.
Описанный способ может быть реализован другими устройствами, отличие которых состоит в том, что в газораспределительном механизме могут быть использованы иные распределительные устройства, такие как, например, лепестковые клапаны, золотниковые распределители и другие элементы.
Для реализации заявляемого способа изменения мощности в состав ДВС, работающего по двухтактному циклу и использующего продувочные клапаны, их конструкция, привод и элементы управления соответствует вышеописанному.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- заявленное изобретение при его осуществлении предназначено для использования в автомобильной промышленности, а именно в конструкции транспортных средств, использующих поршневые двигатели;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимых пунктах формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета устройств;
- заявленное изобретение при его осуществлении способно обеспечить достижение технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".
Источники информации
[Кисуленко Б.В. Краткий автомобильный справочник, Т 1. Автобусы. 2002. 354 с.;
Кисуленко Б.В., Венгеров И.А., Дементьев Ю.В. и др. Краткий автомобильный справочник, Т 3. Легковые автомобили. Ч.2. Автополюс - плюс. 2005, 1041 с.;
М.М.Запрягаев и др. Армейские автомобили. Конструкция и расчет. Ч. II. М.: МО СССР, 1970. - 480 с.]
[см. http://engine.aviaport.ru/issues/42/page57.html].
[см. http://web.sinn.ru/~magistr/Page/Motors/Mercedes.html].
[см. РФ патент 222738, МПК F02D 17/04. Способ управления двигателем внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами/ А.А.Мартынов, В.А.Зеер, Ю.В.Краснобаев. Опубл. 27.04.2004. Бюл.12].
[см. патент SU 1451582 А1, 15.01.1989. Николаенко А.В. и др. Способ снижения эксплуатационного расхода топлива силовой установкой и устройство для его осуществления. Опубл. 2001, БИ №20].