ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к моторостроению, точнее к поршневым двигателям внутреннего сгорания.
В тексте и на иллюстрациях (Фиг.1 … Фиг.6) приняты следующие сокращения:
- ДВС - двигатель внутреннего сгорания,
max
- M - максимальный момент ДВС,
max
- P - максимальная мощность ДВС,
- ВМТ - верхняя мертвая точка поршня,
- НМТ - нижняя мертвая точка поршня,
- КС - камера сгорания,
ц
- V - объем цилиндра,
ц
- P - давление в цилиндре, атм.
кс
- V - объем камеры сгорания,
- ОГ - остаточные газы (отработавшие газы),
ог
- P - давление остаточных газов, атм.
- РП - ресивер продувки,
рп
- V - объем ресивера продувки, атм.
рп
- P - давление в ресивере продувки,
- КП - клапан продувки,
- ВпК - впускной клапан,
- ВыК - выпускной клапан.
На круговых диаграммах фаз газораспределения:
- угол открытия или закрытия клапанов отсчитывается по часовой стрелке, начиная от ВМТ начала такта впуска в градусах поворота коленчатого вала,
- толстые линии соответствуют закрытому состоянию клапанов,
- φ - углы между моментами открытия или закрытия клапанов,
- α - углы между ВМТ и НМТ и моментами открытия клапанов,
- β - углы между ВМТ и НМТ и моментами закрытия клапанов.
На иллюстрациях:
- Фиг.1 - классический поршневой четырехтактный ДВС,
- Фиг.2 - круговая диаграмма фаз газораспределения ДВС на Фиг.1,
- Фиг.3 - ДВС с принудительной продувкой,
- Фиг.4 - круговая диаграмма фаз газораспределения ДВС на Фиг.3,
- Фиг.5 - ДВС с управляемым клапаном продувки,
- Фиг.6 - круговая диаграмма фаз газораспределения ДВС на Фиг.5.
Особенности работы различных типов ДВС рассматриваются на примере одноцилиндрового бензинового ДВС и инжекторной системы питания.
Классический ДВС, несмотря на ряд недостатков, до сих пор широко применяется на транспорте и в промышленности.
Такой ДВС (см. Фиг.1) в общем случае содержит цилиндр 1 с поршнем 2, ВпК 3, ВыК 4. Клапаны приводятся кулачками 5 распредвала 6. Поршень 2 через шатун 7 вращает коленчатый вал 8. Дроссельная заслонка, топливная форсунка и свеча условно не показаны.
На Фиг.2 представлена диаграмма фаз газораспределения.
ДВС показан в состоянии конца такта выпуска, поршень чуть не доходит до ВМТ.
На малых оборотах и оборотах холостого хода выхлоп такого ДВС имеет высокую токсичность (высокий уровень СО, СН). Это связано с тем, что в конце такта выпуска инерция ОГ на движении поршня вверх невелика и они в значительной мере остаются в камере сгорания. В последующих тактах впуска ОГ смешиваются со свежим зарядом и затрудняют его горение.
34
Для снижения токсичности выхлопа по окончании такта выпуска стремятся как можно лучше продуть КС воздухом из впускного трубопровода по направлению от ВпК 3 к ВыК 4. Дело в том, что вблизи ВМТ во время перекрытия клапанов (угол φ) есть некоторое время, когда давление во впускном трубопроводе больше, чем в выпускном, в это время происходит наиболее интенсивная продувка.
3
4
3
4
34
Эффективность продувки различна на разных оборотах и при различных нагрузках ДВС. Хорошая продувка получается лишь в небольшом диапазоне оборотов (1500-3000 1/мин), поэтому на обычном ДВС устанавливаются эмпирически определенные усредненные величины углов фаз газораспределения - α, α, β, β, φ и т.д.
max
max
3
34
3
34
С ростом оборотов ДВС время, когда впускной клапан открыт полностью, падает, падает при этом и величина свежего заряда, попадающего в цилиндр, и, как следствие, M и P, ДВС «не принимает» на высоких оборотах. Для увеличения заряда на высоких оборотах ВпК нужно начинать открывать как можно раньше до ВМТ, увеличивая угол α и соответственно увеличивая при этом перекрытие клапанов φ. Однако при этом (см. Фиг.1) ОГ, находясь под повышенным давлением, начинают выходить («выстреливать») во впускной трубопровод. Затем они забираются назад в цилиндр на такте впуска и, начиная с некоторой величины α, φ, прирост свежего заряда прекращается.
3
3
Как отмечено в /1/ - «в большинстве случаев высокооборотные двигатели имеют более широкие фазы газораспределения, чем двигатели малооборотные». У отечественных ДВС, например, для ДВС ВАЗ 2121 α=12.5°, а для ВАЗ 2108 α=33°, у последнего выше максимальные обороты и удельная мощность.
Таким образом на низких, средних и высоких оборотах ДВС должен эксплуатироваться со своими конкретными углами фаз газораспределения для получения минимальной токсичности и максимальной мощности и момента.
В последнее время в автомобилестроении все шире применяются ДВС с «изменяемыми фазами газораспределения». Практически всеми известными фирмами - BMW, Honda… разработаны свои варианты механических, электромеханических и т.д. систем (СИФГ).
Изменения фаз газораспределения в широком диапазоне оборотов добиваются, как отмечено, например, в /2/ либо поворотом распредвала, либо с помощью кулачков специального профиля, которые управляют уже несколькими впускными и несколькими выпускными клапанами одного цилиндра. Эффективность СИФГ на сегодняшний день такова, что, например, при токсичности по норме «Евро 3» такие ДВС имеют удельную мощность 125 л.с. на 1 литр объема без наддува.
Следует отметить, что чем эффективнее механическая СИФГ, тем она, естественно, сложнее, дороже и более громоздка. В отдельных типах ДВС используют до пяти клапанов на цилиндр.
Известен способ принудительной продувки КС воздухом высокого давления.
Например, в /3/ представлен ДВС, в котором КС продувается воздухом повышенного давления от внешнего компрессора в конце такта выпуска - начале такта впуска. Сжатый воздух подается в цилиндр.
В ДВС /4/ - прототип, КС также продувается воздухом повышенного давления, но продувка, в отличие от /3/, происходит в наиболее оптимальном направлении - от впускного к выпускному клапану.
Этот ДВС 9 см. Фиг.3) содержит все компоненты ДВС Фиг.1, но дополнительно во впускном трубопроводе установлен неуправляемый обратный клапан продувки 9 (далее ОК 9). Между ОК 9 и ВпК 3 образуется объем - согласно /4/ - ресивер продувки (далее РП). ДВС показан в конце такта выпуска, поршень чуть не доходит до ВМТ, свеча, дроссель и топливная форсунка условно не показаны.
ДВС работает следующим образом (см. доп.диаграмму Фиг.4).
ц
рп
В конце такта впуска после НМТ - начале такта сжатия, когда в цилиндр набран полный заряд воздуха, под действием нарастающего давления в суммарном объеме V+V ОК 9 закрывается, по мере движения поршня вверх, при достижении, например, давления P=2, ВпК 3 закрывается и в РП хранится воздух высокого давления P=2.
34
В цилиндре 1 продолжается сжатие, далее следуют такты рабочего хода и выпуска. В конце такта выпуска открывается ВпК 3 и происходит продувка КС воздухом высокого давления из РП на протяжении угла перекрытия клапанов φ. Затем, после закрытия ВыК 4, на движении поршня вниз начинается такт впуска, ОК 9 при этом открывается под действием разряжения в цилиндре.
Как отмечено в /4/, в зависимости от конкретного режима работы ДВС выбирается:
рп
кс
V=(0,5÷4)V.
рп
34
Давление Р тем выше, чем больше φ.
рп
рп
кс
Таким образом, например, при степени сжатия 10, P=2 и V=4 V на создание повышенного давления воздуха продувки будет работать около 30% объема цилиндра, что на такую же величину снизит литровую мощность ДВС.
3
рп
Затем, продувка начинается в момент приоткрытая ВпК 3 и на протяжении угла α до ВМТ P оказывает противодавление на поршень 2, снижая момент ДВС.
Раннее открытие ВпК 3 приведет к тому, что воздух продувки продует не ОГ, а выхлоп, который и так выходит самостоятельно, а ОГ все равно останутся над поршнем после ВМТ.
3
В этих условиях желательно конструктивно снижать величину α, начиная открывать ВпК 3 как можно позже. При этом КС можно хорошо очистить от ОГ, но ВпК 3 к моменту начала впуска не будет полностью открыт, и цилиндр на высоких оборотах не будет набирать полный заряд воздуха, это еще больше снизит удельную мощность ДВС.
Обратный клапан в данном применении представляет собой обычно один или несколько подпружиненных лепестков. Чтобы их открыть полностью, необходимо затратить некоторую энергию ДВС. Из-за возвратного усилия на лепесток обратный клапан вносит ощутимое сопротивление воздушному потоку, открывается с некоторым запаздыванием, а закрывается с опережением. В целом это снижает максимальный заряд цилиндра.
Отметим также, что ОК 9 открывается после ВМТ такта впуска.
Цель изобретения - повышение удельной мощности при сохранении низкой токсичности ДВС.
Цель достигается тем, что во впускном трубопроводе вместо обратного клапана используется клапан, управляемый своим кулачком от общего распредвала при участии СИФГ или без.
ДВС (см. Фиг.5) содержит цилиндр 1 с поршнем 2, Впк 3, Вык 4. Клапаны приводятся кулачками 5 распредвала 6. Поршень 2 через шатун 7 вращает коленчатый вал 8. Во впускном трубопроводе на небольшом расстоянии от ВпК 3 размещен клапан продувки 10 (КП 10). Конструктивно он аналогичен ВпК 3, управляется своим кулачком от распредвала 6. Проходное сечение КП 10 принципиально больше, чем у ВпК 3. Объем между ВпК 3 и КП 10 - согласно /4/ - ресивер продувки (РП)
ДВС показан в состоянии конца такта выпуска, поршень не доходит снизу до ВМТ. Свеча зажигания и топливная форсунка условно не показаны.
ДВС работает следующим образом (см. доп.диаграмму, Фиг.6).
рп
ог
ог
рп
ог
В конце такта выпуска (например, при положении днища поршня - I) ВпК 3 и КП 10 закрыты, давление в РП приблизительно равно атмосферному P=1, выхлоп через открытый ВыК 4 на движении поршня вверх выходит в выпускной коллектор. Давление над поршнем еще выше атмосферного P>1. Далее, не доходя до ВМТ 30°-40° и более начинает открываться ВпК 3, КП 10 остается закрытым. Поскольку P>P, ОГ проникают в РП и сжимают находящийся там воздух как пружину (область сжатого воздуха показана точками). По мере истечения ОГ P падает, объем сжатого воздуха в РП увеличивается к первоначальному и вытесняет ОГ из РП назад в КС. Далее они также выходят из КС через ВыК 4.
Далее, например, за 10° до ВМТ (момент II) открывают КП 10 и КС продувается воздухом из РП и впускной трубы. Затем при открытых ВпК 3, КП 10 и закрытом ВыК 4 происходит заряд цилиндра на движении поршня вниз до момента - III чуть позже НМТ. В этот момент (он соответствует максимальному заряду цилиндра на высоких оборотах) закрывается ВпК 3, а одновременно с ним или несколько позже (момент IV) закрывается КП 10. При этом в РП принципиально не создается повышенного давления, ДВС не тратит на это энергию.
Таким образом, ВпК 3 можно начинать открывать очень рано до ВМТ, так чтобы при подходе к моменту закрытия ВыК 4 он был бы уже полностью открыт, при этом КП 10 открыт еще не полностью, но расход через него такой же, как и через ВпК 3 из-за изначально большего конструктивного проходного сечения. Для этого тарелка КП 10 выбирается большого диаметра, он имеет большой ход и при открытии (движении вниз) дополнительно проталкивает воздух через РП в КС.
Усилие возвратных пружин КП 10 может быть выбрано в разы (вплоть до порядка) меньшим по сравнению с ВпК 3, поскольку КП 10 находится вне цилиндра и для него не ставится задача обеспечения компресии в условиях высоких температур и давления.
3
3
10
Представленный ДВС, у которого, например, α=50°, для ВпК 3 имеет такую же токсичность (низкую), как и классический ДВС α=10° для ВпК 3. Это обеспечивает КП 10 с α=10°. Такая конструкция позволяет повысить максимальные обороты, а следовательно, и максимальную мощность даже в отсутствие СИФГ.
СИФГ (если используется) работает в легких условиях. Она управляет только одним клапаном (КП 10), уменьшая на низких оборотах и увеличивая его на высоких.
рп
кс
Согласно диаграмме, Фиг.6, один КП 10 может быть использован для двух рядом расположенных цилиндру, работающих через такт с общим впускным трубопроводом при соблюдении условия: V≈V.
Литература
1. В.А.Стуканов. Основы теории автомобильных двигателей и автомобиля: учебное пособие. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2004, с.55.
2. А.Фомин и А.Воробъев-Обухов. Распредвал - на пенсию. - «За рулем», 1998 г., №11.
3. Авт.св. СССР №705133, кл. G02B 25/20.
4. Авт.св. СССР №889878 (прототип), кл. G02B 29/00.