СПОСОБ ТОРМОЖЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD FOR BRAKING INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к способу торможения двигателя внутреннего сгорания и к транспортному средству с регулируемым клапанным приводом, позволяющим реализовать такой способ.
В DE 3922884 А1 описывается подобный способ, предполагающий получение в режиме торможения двигателем усиливающей эффект торможения двигателем декомпрессии наряду с закрытием подпорного клапана в выхлопном тракте за счет того, что выпускные клапаны (впускные клапаны без изменений) частично открываются за счет вмешательства в работу клапанного механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания в каждом случае на такте сжатия и, тем самым, втянутый в цилиндр на такте впуска воздух стравливается в выхлопной тракт с уменьшенной степенью сжатия. Дополнительно выпускные клапаны полностью открываются в обычном режиме на такте выпуска, в данном случае почти без эффекта декомпрессии.
Примеры других способов торможения двигателя внутреннего сгорания описаны в DE 102015016 526 A1, DE 102005033 163 A1, DE 19649174 А1 и US 4,592,319 А.
Данное раскрытие существа изобретения является, в частности, дополнительным вариантом осуществления описанного в DE 102013019183 А1 способа управления эффектом торможения двигателем. В частности, в DE 102013019183 А1 раскрывается способ управления эффектом торможения двигателем внутреннего сгорания с управляемым клапанным механизмом, в частности, четырехтактным двигателем внутреннего сгорания для транспортных средств, в котором кроме подпора отработанных газов в выпускном трубопроводе путем закрытия подпорного клапана создается декомпрессия за счет частичного, в частности, нерегулярного открытия по меньшей мере одного выпускного клапана на цилиндр двигателя внутреннего сгорания. По меньшей мере один выпускной клапан открывается, при необходимости с перекрытием, на такте сжатия и выпуска. Для усиления эффекта торможения двигателем происходит открытие по меньшей мере одного выпускного клапана или по меньшей мере одного из выпускных клапанов на предварительно заданное значение хода и/или на меньшее по сравнению с обычным ходом клапана значение в каждом случае в области ВМТ (верхняя мертвая точка) поршней между тактами сжатия и рабочего хода, а также между тактами выпуска и впуска.
Недостатком известного из DE 102013019183 А1 способа может быть тот факт, что на низких оборотах двигателя из-за сжатия газа на такте выпуска может произойти нежелательная активация работы двигателя, когда, например, не все цилиндры работают в режиме торможения двигателем. Эта активация работы двигателя может привести к нежелательным вибрациям в трансмиссии.
Таким образом, в основе данного изобретения лежит задача предусмотреть улучшенный способ торможения двигателя внутреннего сгорания.
Поставленная задача достигается за счет способа и транспортного средства по независимым пунктам формулы изобретения. Предпочтительные дополнительные варианты осуществления изобретения перечислены в зависимых пунктах формулы изобретения и в описании.
Способ торможения двигателя внутреннего сгорания, в частности, подходит для четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Способ включает частичное открытие по меньшей мере одного выпускного клапана по меньшей мере одного цилиндра двигателя внутреннего сгорания на такте сжатия двигателя внутреннего сгорания. Способ предполагает удержание по меньшей мере одного выпускного клапана в частично открытом состоянии на следующем за тактом сжатия такте рабочего хода двигателя внутреннего сгорания и на следующем за тактом рабочего хода такте выпуска двигателя внутреннего сгорания. Способ предполагает закрытие по меньшей мере одного частично открытого выпускного клапана в конце (в области ВМТ) такта выпуска или на следующем за тактом выпуска такте впуска двигателя внутреннего сгорания.
Способ наиболее предпочтительным образом использует динамику газа, выходящего из камер сгорания двигателя внутреннего сгорания через выпускные клапаны. Частичное открытие выпускного клапана на тактах рабочего хода и выпуска приводит к сильно отличающимся изменениям давления в цилиндрах на тактах рабочего хода и выпуска вне зависимости от оборотов двигателя. Это обеспечивает возможность настройки разных желательных изменений давления в цилиндрах для разных оборотов двигателя и, тем самым, эффекты торможения двигателем. В частности, на низких оборотах может происходить только сжатие и декомпрессия в области такта сжатия. На более высоких оборотах, напротив, первое сжатие и первая декомпрессия могут происходить на такте сжатия, а второе сжатие и вторая декомпрессия - на такте выпуска. Тем самым, появляется возможность предотвращения, в частности, упомянутого вначале недостатка нежелательной активации работы двигателя на низких оборотах из-за сжатия с последующей декомпрессией на такте выпуска. Этот эффект достигается за счет постоянного обеспечения путем частичного открытия выпускного клапана одинакового сечения потока, однако на низких оборотах у газа больше времени для выхода, чем на высоких оборотах.
В частности, вверх по потоку относительно выхлопного тракта двигателя внутреннего сгорания может быть предусмотрен по меньшей мере один выпускной клапан.
В наиболее предпочтительном дополнительном варианте осуществления изобретения по меньшей мере один выпускной клапан частично открывается так, что на некоторых оборотах двигателя внутреннего сгорания ниже предельного значения оборотов двигателя внутреннего сгорания сжатие в соответствующем цилиндре на такте выпуска, в основном, не происходит. В частности, сечение потока, задаваемое частичным открытием по меньшей мере одного выпускного клапана, может быть установлено таким образом, чтобы на оборотах ниже предельного значения, в основном, не происходило сжатия и, тем самым, отсутствовал эффект торможения двигателем за счет сжатия в соответствующем цилиндре на такте выпуска. Иными словами, сечения потока достаточно, чтобы при сравнительно небольшой скорости поршня на малых оборотах двигателя выталкивать газ через частично открытый выпускной клапан, в основном, без сжатия в цилиндре.
В предпочтительном дополнительном варианте осуществления изобретения по меньшей мере один выпускной клапан частично открывается настолько, что на некоторых оборотах двигателя внутреннего сгорания выше предельного значения оборотов двигателя внутреннего сгорания происходит сжатие в соответствующем цилиндре на такте выпуска. В частности, сечение потока, задаваемое частичным открытием по меньшей мере одного выпускного клапана, может быть установлено таким образом, чтобы на оборотах выше предельного значения происходило сжатие и, тем самым, присутствовал эффект торможения двигателем в соответствующем цилиндре на такте выпуска. Это позволяет достигнуть необходимый эффект торможения двигателем на высоких оборотах более предельного значения. Иными словами, сечение потока обладает такими параметрами, что при сравнительно большой скорости поршня на высоких оборотах двигателя выталкивать газ через частично открытый выпускной клапан невозможно без увеличения давления в цилиндре.
В одном из вариантов осуществления изобретения степень сжатия в соответствующем цилиндре на такте выпуска увеличивается с ростом оборотов двигателя внутреннего сгорания более предельного значения.
В одном из вариантов осуществления изобретения предельное значение оборотов находится в диапазоне от 1000 до 1700 об/мин, в частности, в диапазоне от 1200 до 1500 об/мин.
В частности, предельное значение оборотов может быть выбрано так, что диапазон оборотов ниже предельного значения является диапазоном, в котором могла бы происходить вышеупомянутая негативная активация работы двигателя в результате сжатия на такте выпуска.
В одном из вариантов осуществления изобретения при частичном открытии по меньшей мере одного выпускного клапана по меньшей мере один выпускной клапан открывается на высоту от 5 до 30% от максимального значения хода клапана. В качестве альтернативы или дополнительно при частичном открытии по меньшей мере один выпускной клапан открывается на величину в диапазоне от 0,5 до 3 мм.
В другом варианте осуществления изобретения максимальное значение хода клапана находится в диапазоне от 10 до 16 мм.
В одном из вариантов осуществления изобретения частичное открытие по меньшей мере одного выпускного клапана на такте сжатия начинается в диапазоне от 60 до 100° угла поворота коленчатого вала до достижения ВМТ (верхняя мертвая точка хода поршня соответствующего цилиндра). Тем самым, находящийся в камере сгорания газ сначала сжимается и только в конце такта сжатия выталкивается в выхлопной тракт через по меньшей мере один частично открытый выпускной клапан с получением эффекта декомпрессии.
В другом варианте осуществления изобретения закрытие по меньшей мере одного выпускного клапана начинается в конце такта выпуска или на такте впуска в области между ВМТ (верхняя мертвая точка хода поршня соответствующего цилиндра) и 30° угла поворота коленчатого вала после ВМТ. Тем самым, газ, попадающий на такте рабочего хода из выхлопного тракта обратно в камеру сгорания в зависимости от оборотов двигателя на такте выпуска, либо выталкивается непосредственно в выхлопной тракт через по меньшей мере один частично открытый выпускной клапан, либо на более высоких оборотах сначала по меньшей мере частично сжимается и только после этого выталкивается через по меньшей мере один частично открытый выпускной клапан. Тем самым, на более высоких оборотах на такте выпуска может происходить дальнейшее сжатие газа в камере сгорания с последующей декомпрессией сжатого газа в выхлопной тракт, что усиливает эффект торможения двигателем в соответствии с описываемым способом.
В частности, закрытие по меньшей мере одного выпускного клапана может пересекаться с открытием по меньшей мере одного впускного клапана.
В одном из примеров осуществления изобретения при удержании выпускного клапана в открытом состоянии на такте рабочего хода и такте выпуска сохраняется неизменная высота хода по меньшей мере одного выпускного клапана. С точки зрения управления это можно реализовать особенно просто, например, за счет неизменной высоты кулачка распределительного вала.
В предпочтительном примере осуществления изобретения в каждом цилиндре предусмотрены два выпускных клапана и только один из двух выпускных клапанов частично открывается на такте рабочего хода и удерживается в частично открытом состоянии на такте выпуска, а в конце такта выпуска или на такте впуска происходит его закрытие. Дополнительно второй выпускной клапан может быть закрыт на такте сжатия, такте рабочего хода, такте выпуска и такте впуска. Это позволит уменьшить нагрузки на регулируемый клапанный привод, связанный с выпускными клапанами, так как, в частности, только один из выпускных клапанов каждого цилиндра вынужден открываться с противодействием давлению в камере сгорания на такте сжатия.
В другом варианте осуществления изобретения способ дополнительно включает открытие по меньшей мере одного впускного клапана по меньшей мере одного цилиндра на такте впуска и удержание по меньшей мере одного впускного клапана в закрытом состоянии на такте сжатия, такте рабочего хода и такте выпуска. Тем самым, в режиме торможения двигателем внутреннего сгорания впускные клапаны могут приводиться в действие как при обычной работе. Благодаря этому не приходится менять привод впускных клапанов для режима торможения двигателем. Как и в обычном режиме, в режиме торможения двигателем впускные клапаны используются для направления воздуха из системы подачи воздуха двигателя внутреннего сгорания в камеры сгорания на такте впуска.
В частности, способ дополнительно может включать закрытие подпорного клапана, расположенного вниз по потоку относительно по меньшей мере одного выпускного клапана, на такте сжатия и/или такте выпуска. Подпорный клапан может быть расположен предпочтительно в выхлопном тракте.
Данное изобретение также относится к регулируемому клапанному приводу для двигателя внутреннего сгорания. Регулируемый клапанный привод может быть выполнен, в частности, в виде системы кулачков с регулируемым положением. Регулируемый клапанный привод предназначен для реализации способа в соответствии с предоставленным здесь описанием.
Дополнительно раскрытие данного изобретения относится к транспортному средству, в частности, к транспортному средству хозяйственного назначения (например, автобусу или грузовому автомобилю), с двигателем внутреннего сгорания, оснащенным регулируемым клапанным приводом согласно приведенному здесь описанию.
Также существует возможность применения описанного здесь способа для легковых автомобилей, двигателей большой мощности, транспортных средств повышенной проходимости, стационарных двигателей, судовых двигателей и т.д.
Описанные выше предпочтительные варианты осуществления и признаки изобретения можно комбинировать друг с другом в любом сочетании. Другие детали и преимущества данного изобретения описываются ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи. На них показаны:
Фиг. 1 Схематическое изображение цилиндра двигателя внутреннего сгорания; и
Фиг. 2 Диаграмма газораспределения для клапанного механизма четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.
На фиг. 1 представлен цилиндр 12 двигателя 10 внутреннего сгорания. Двигателем 10 внутреннего сгорания является четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, в частности, четырехтактный дизельный двигатель внутреннего сгорания или четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Предпочтительно, чтобы двигатель 10 внутреннего сгорания являлся частью транспортного средства хозяйственного назначения, например, грузового автомобиля или автобуса, и использовался для привода транспортного средства хозяйственного назначения.
Цилиндр 12 включает в себя по меньшей мере один впускной клапан 14, по меньшей мере один выпускной клапан 16, одну камеру 18 сгорания и один поршень 20.
По меньшей мере один впускной клапан 14 соединяет камеру 18 сгорания с системой подачи воздуха двигателя 10 внутреннего сгорания для доставки воздуха для горения в камеру 18 сгорания. По меньшей мере один выпускной клапан 16 соединяет камеру 18 сгорания с выхлопным трактом двигателя 10 внутреннего сгорания для отвода отработанных газов. Например, в каждом из нескольких цилиндров 12 могут быть предусмотрены два впускных клапана 14 и два выпускных клапана 16.
По меньшей мере один выпускной клапан 16 может приводиться в действие регулируемым клапанным приводом 22. Регулируемый клапанный привод 22 может быть выполнен, например, в виде системы кулачков с регулируемым положением. Система кулачков с регулируемым положением может включать в себя по меньшей мере одно основание для кулачков с по меньшей мере двумя кулачками. Основание для кулачков может быть установлено на распределительном валу без возможности вращения и с возможностью смещения по оси. По меньшей мере один клапан механизма газораспределения приводится в действие в зависимости от осевого положения основания для кулачков относительно разных кулачков основания. Также возможно, чтобы при наличии в каждом цилиндре 12 нескольких выпускных клапанов 16 эти выпускные клапаны 16 соответствующего цилиндра могли приводиться в действие по-разному.
Поршень 20 устанавливается в цилиндре 12 известным способом с возможностью возвратно-поступательного движения и соединен с коленчатым валом 24.
На фиг. 2 изображен пример диаграммы газораспределения, показывающей приведение в действие впускных клапанов 14 и выпускных клапанов 16 из фиг. 1 в режиме торможения двигателя 10 внутреннего сгорания.
Обозначенная штрихпунктирной линией кривая А показывает ход впускных клапанов 14 в зависимости от угла поворота коленчатого вала 24. Обозначенная штриховой линией кривая В показывает ход выпускного клапана 16 в зависимости от угла поворота коленчатого вала 24. Обозначенная сплошной линией кривая С показывает давление в камере 18 сгорания в зависимости от угла поворота коленчатого вала 24 на низких оборотах двигателя. Обозначенная пунктирной линией кривая D показывает давление в камере 18 сгорания в зависимости от угла поворота коленчатого вала 24 на высоких оборотах двигателя.
Кривые A-D приводятся в течение характерного для работы четырехтактного двигателя периода вращения коленчатого вала (КВ) на 720°, при этом левая ось диаграммы отражает давление в цилиндре в барах, а правая ось - значения хода клапана в мм.
Согласно кривой А впускные клапаны 14 открываются в режиме торможения двигателем так, как и в обычном режиме на такте впуска. На следующем цикле управления впускные клапаны 14 закрыты.
В режиме торможения двигателем выпускные клапаны 16 работают не так, как в обычном (нормальном) режиме, то есть выпускные клапаны 16 открыты только на такте выпуска. Например, для каждого цилиндра 12 двигателя внутреннего сгорания могут быть предусмотрены два выпускных клапана 16, один из которых в режиме торможения двигателем удерживается в полностью закрытом положении, а второй - работает в соответствии с кривой В.
Согласно кривой В выпускной клапан 16 частично открывается приблизительно в диапазоне от 60 до 100° поворота KB до верхней мертвой точки, т.е. перед завершением такта сжатия. Затем на тактах рабочего хода и выпуска выпускной клапан 16 частично удерживается в открытом состоянии на период примерно 360° поворота КВ. Частично открытый выпускной клапан 16 на такте выпуска снова закрывается и остается в закрытом состоянии до следующего открытия на такте сжатия.
Согласно кривой В выпускной клапан 16 открывается только частично. Частичное открытие может соответствовать высоте хода клапана в диапазоне от 0,5 до 3 мм. В противоположность этому максимальный ход (обычный ход) выпускного клапана 16 может составлять примерно от 10 мм для малых двигателей 10 внутреннего сгорания примерно до 16 мм для очень больших двигателей 10 внутреннего сгорания, используемых в транспортных средствах хозяйственного назначения.
За счет лишь частичного открытия выпускного клапана 16 согласно кривой В можно получить разную динамику изменения давления в камере сгорания 18 на разных оборотах двигателя 10 внутреннего сгорания.
Согласно кривой С на низких оборотах двигателя 10 внутреннего сгорания, например, приблизительно до 1200 об/мин, сжатия в камере 18 сгорания на такте выпуска не происходит. Причиной этому является проходное сечение в результате частичного открытия выпускного клапана 16. При низких скоростях поршня 20 этого проходного сечения достаточно для выпуска из камеры 18 сгорания находящегося в камере 18 сгорания газа через частично открытый выпускной клапан 16 без повышения давления. Кривая С относится, например, к динамике изменения давления в цилиндре при частоте вращения вала двигателя внутреннего сгорания примерно 600 об/мин.
Напротив, согласно кривой D на высоких оборотах двигателя 10 внутреннего сгорания, например, в диапазоне с 1200 до 1500 об/мин, в камере 18 сгорания на такте выпуска происходит сжатие. Из-за повышения оборотов двигателя также увеличивается скорость поршня 20 и также растет объемный поток через частично открытый выпускной клапан 16. Обеспечиваемого частичным открытием выпускного клапана 16 проходного сечения больше недостаточно, чтобы газ мог выходить без сжатия. Вместо этого происходит второе сжатие до достижения поршнем верхней мертвой точки в конце такта выпуска. При втором сжатии энергия рассеивается за счет по-прежнему находящегося в открытом состоянии выпускного клапана 16 и создается мощность торможения. В частности, выполненная при сжатии работа тормозит поршень 20, в результате чего происходит торможение двигателя 10 внутреннего сгорания в режиме торможения двигателем. Кривая D относится, например, к динамике изменения давления в цилиндре при частоте вращения вала двигателя внутреннего сгорания примерно 2600 об/мин.
Обе кривые С и D отражают первое сжатие в камере 18 сгорания на такте сжатия, так как выпускной клапан 16 открывается только в конце такта сжатия. В результате открытия выпускного клапана 16 происходит декомпрессия сжатого газа в выхлопной тракт, в котором предусмотрен, например, закрытый в этот момент подпорный клапан. Приложенная поршнем 20 работа по сжатию, в свою очередь, тормозит двигатель 10 внутреннего сгорания. Из-за более высокой скорости поршня 20 согласно кривой D на более высоких оборотах двигателя происходит большее сжатие в камере 18 сгорания и, тем самым, эффект торможения усиливается по сравнению с аналогичным процессом на низких оборотах согласно кривой С.
Во время рабочего хода давление в цилиндре по кривым С и D низкое, и из-за подпора отработанных газов в выхлопном тракте воздух может попадать обратно в камеру 18 сгорания через частично открытый выпускной клапан 16.
В итоге на низких оборотах двигателя ниже предельного значения, которое может находиться в диапазоне, например, от 1200 до 1500 об/мин, согласно кривой С происходит лишь сжатие газа в камере 18 сгорания и декомпрессия сжатого газа в выхлопной тракт. Однократный цикл сжатие-декомпрессия происходит на такте сжатия. На высоких оборотах двигателя выше предельного значения на той же кривой (кривая В) для того же выпускного клапана 16 согласно кривой D происходит двойное сжатие газа в камере 18 сгорания и декомпрессия сжатого газа в выхлопной тракт через частично открытый выпускной клапан 16. С одной стороны, на такте сжатия происходит первое сжатие с последующей декомпрессией. Дополнительно на такте выпуска происходит второе сжатие с последующей декомпрессией.
Переход между кривыми С и D осуществляется постоянно с ростом оборотов двигателя 10 внутреннего сгорания.
Тем самым, изобретение позволяет наиболее предпочтительным образом получить сильный эффект торможения (кривая D) при помощи одного и того же профиля газораспределения для выпускного клапана 16 на высоких оборотах двигателя 10 внутреннего сгорания за счет двукратного сжатия - декомпрессии. На низких оборотах также достигается (малый) эффект торможения за счет однократного сжатия -декомпрессии (кривая С), при этом активация работы двигателя предотвращается или по меньшей мере снижается из-за отказа от второго сжатия - декомпрессии. Таким образом, способ автоматически приспосабливается к условиям окружения (обороты двигателя), благодаря чему дополнительное внешнее вмешательство в управление не требуется.
Данное изобретение не ограничивается предпочтительными примерами осуществления, которые были описаны выше. Более того, возможно множество вариантов и модификаций, в которых также будет использована идея данного изобретения, и поэтому такие варианты будут входить в объем правовой охраны. В частности, данное изобретение претендует на защиту предмета и признаков зависимых пунктов формулы изобретения вне зависимости от отсылки к соответствующим пунктам формулы. В частности, признаки зависимых пунктов формулы изобретения раскрываются независимо от всех признаков независимого пункта 1 формулы изобретения и, к примеру, независимо от признаков, касающихся частичного открытия по меньшей мере одного выпускного клапана на такте сжатия, удержания по меньшей мере одного выпускного клапана в частично открытом состоянии на такте рабочего хода и/или такте выпуска и/или закрытия по меньшей мере одного частичного открытого выпускного клапана в конце такта выпуска или на такте впуска по независимому пункту 1 формулы изобретения.
Список номеров позиций
10 Двигатель внутреннего сгорания
12 Цилиндр
14 Впускной клапан
16 Выпускной клапан
18 Камера сгорания
20 Поршень
22 Регулируемый клапанный привод
24 Коленчатый вал
А Кривая управления впускным клапаном
В Кривая управления выпускным клапаном
С Динамика изменения давления в цилиндре на малых оборотах двигателя
D Динамика изменения давления в цилиндре на высоких оборотах двигателя