СИСТЕМА ДВИГАТЕЛЯ С ПОВОРОТНЫМ НАПРАВИТЕЛЕМ ПОТОКА
ENGINE SYSTEM WITH ROTATABLE FLOW GUIDE

Известный уровень техники и краткое изложение сущности изобретения
В цилиндрах двигателей внутреннего сгорания структуры всасываемых воздушных потоков могут отрицательно воздействовать на такие характеристики сгорания, как кпд полноты сгорания, воспламенение и детонация. Всасываемый воздушный поток оказывает свое воздействие как на системы с впрыском топлива во впускные каналы, так и на системы с непосредственным впрыском. Для характеристики различных аспектов турбулентности в цилиндре используют понятия переворотных и вихревых структур потока. Говоря конкретнее, для количественного выражения масштабов этих структур потока можно использовать коэффициенты переворота и завихрения. Коэффициент переворота определяют как силу горизонтальной рециркуляции всасываемого газа в цилиндре, а коэффициент завихрения - как силу вертикальной рециркуляции в цилиндре. Переворотная и вихревая структуры оказывают разное влияние на такие конкретные аспекты сгорания, как воспламенение, детонация, кпд полноты сгорания, выхлопы, мощность и пр. Впускные отверстия известных двигателей рассчитывают таким образом, чтобы добиться фиксированных переворотных и вихревых структур, которые способствовали бы более эффективному сгоранию только в конкретном рабочем режиме. Таким образом, когда двигатель функционирует в широком диапазоне рабочих режимов, заданные структуры потока сгорания могут оказывать негативное воздействие на сгорание, если работа двигателя происходит в области за пределами конкретного рабочего режима.
Для решения по меньшей мере некоторых из перечисленных выше проблем предложена система двигателя. Эта система включает в себя поворотный направитель потока, имеющий поверхность изменения потока, расположенную выше по потоку от впускного клапана, имеющую первую сторону с изогнутым контуром, причем поверхность изменения потока выполнена с возможностью создания переворотной и вихревой структур всасываемого воздушного потока, поступающего в цилиндр через впускной клапан, в нескольких рабочих положениях. Система двигателя дополнительно содержит привод направителя потока, выполненный с возможностью вращать поверхность изменения потока с целью изменения переворотной и вихревой структур всасываемого воздушного потока. В результате этого поверхность изменения потока изменяет турбулентность воздуха, поступающего в цилиндр, с увеличением при этом кпд полноты сгорания, уменьшением детонации, увеличением мощности и/или снижением выбросов в широком диапазоне рабочих режимов. Так, в частности, можно предусмотреть вращение поверхности изменения потока с целью получения в цилиндре такой турбулентности, которая при необходимости наилучшим образом отвечала бы данным конкретным рабочим режимам.
Перечисленные выше и другие преимущества и признаки настоящего изобретения с очевидностью явствуют из нижеследующего детального описания, рассматриваемого либо изолированно, либо в сочетании с приложенными чертежами.
Следует понимать, что краткое изложение сущности изобретения было приведено выше с целью ознакомления в упрощенной форме с некоторыми выборочными понятиями, которые описываются ниже более детально. Не следует рассматривать его как указание на ключевые или существенные признаки заявленного предмета изобретения, объем которого определяется исключительно формулой изобретения, следующей за детальным описанием. Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничивается вариантами, которые направлены на устранение любых недостатков, упомянутых как выше, так и в любой из частей настоящего описания.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой иллюстрацию двигателя;
фиг. 2 представляет собой типовую иллюстрацию части двигателя по фиг. 1, включающей в себя систему двигателя, снабженную поворотным направителем потока с поверхностью, расположенной выше по потоку от цилиндра;
фиг. 3, 4 и 5 представляют собой типовые детальные иллюстрации разных сторон поворотного направителя потока, входящего в состав системы двигателя по фиг. 2;
фиг. 6 и 7 иллюстрируют типовые вихревую и переворотную структуры потока в цилиндре по фиг. 2;
фиг. 8 иллюстрирует поверхность системы двигателя по фиг. 2 в другом положении, с генерацией увеличенного переворотного потока в цилиндре;
фиг. 9 и 10 иллюстрируют поверхность изменения потока в системе двигателя по фиг. 2 в двух положениях с генерацией увеличенного вихревого потока в цилиндре;
фиг. 11 иллюстрирует способ управления работой системы двигателя.
Детальное описание
В данной заявке раскрывается система двигателя, выполненная с возможностью динамического регулирования характеристик потока во впускном отверстии и в цилиндре, и в частности, коэффициентов переворота и завихрения для всасываемого потока. Эта система двигателя включает в себя регулируемый направитель потока, имеющий поверхность изменения потока, расположенную во впускном отверстии двигателя. Поверхность изменения потока может иметь первую сторону с вогнутым контуром и вторую сторону с выпуклым контуром, напоминающим по форме ложку. Поверхность изменения потока вращают для регулирования турбулентности поступающего в цилиндр всасываемого воздушного потока, исходя из рабочих режимов двигателя. Говоря точнее, угол, под которым расположены первая и вторая стороны, воздействует как на переворотный, так и на вихревой потоки, генерируемые в цилиндре. Это достигается благодаря изогнутым контурам поверхности изменения потока, направляющей большее количество воздушного потока на выбранные участки головки впускного клапана для генерации переворотного и/или вихревого потока. Эти структуры потока обусловлены небалансом интенсивностей воздушных потоков в зоне впускного клапана. В результате турбулентность поступающего в цилиндр воздуха можно регулировать, исходя из меняющихся режимов двигателя, с целью повышения кпд полноты сгорания, уменьшения детонации, увеличения мощности и/или снижения выбросов. Таким образом, поворотный направитель потока дает возможность такого изменения турбулентности в цилиндре, чтобы добиться наибольшего соответствия данным конкретным рабочим режимам двигателя с целью достижения более эффективного сгорания.
На фиг. 1 дано схематическое изображение двигателя 10, используемого в качестве источника движущей энергии, например, для транспортного средства. В рассматриваемом здесь примере двигатель 10 включает в себя головку 12 цилиндра, связанную с блоком цилиндров 14, с формированием при этом цилиндра 16. Двигатель 10 обеспечивает выполнение операции сгорания в цилиндре 16. В двигателе 10 предусмотрен впускной клапан 18, обеспечивающий поступление всасываемого воздуха в цилиндр через заданные интервалы времени. Соответственно, в двигателе 10 имеется также выпускной клапан 20, обеспечивающий циркуляцию отработавших газов за пределы цилиндра, в расположенную далее выхлопную систему, через заданные интервалы времени.
Стрелкой 22 обозначен поток всасываемого воздуха из расположенных во впускной части компонентов впускной системы - всасывающего трубопровода, впускного коллектора, дросселя, компрессор а и пр. - во впускной клапан 18. Стрелкой же 24 обозначен поток отработавших газов в расположенные далее компоненты -выпускные трубопроводы, выпускной коллектор, устройство(а) снижения токсичности выхлопа, турбину и пр. - из выпускного клапана 20.
Кроме того, в двигателе 10 предусмотрена система 26 подачи топлива. Эта система 26 подачи топлива рассчитана таким образом, чтобы обеспечивалась подача подлежащего сгоранию топлива в цилиндр 16 через заданные интервалы времени. Система 26 подачи топлива включает в себя инжектор 28 непосредственного впрыска (в рассматриваемом примере) и входные компоненты 30. Эти входные компоненты 30, такие как топливные насосы, клапаны, трубопроводы и пр., рассчитаны на подачу топлива в топливный инжектор 28. Однако в порядке дополнения или альтернативного решения можно включить в состав системы 26 подачи топлива инжектор распределенного впрыска, обеспечивающий подачу топлива в трубопровод, находящийся выше по потоку от цилиндра. Двигатель 10 рассчитан таким образом, чтобы в нем имел место четырехтактный цикл сгорания. Такты сгорания включают в себя такт впуска, такт сжатия, такт расширения и такт выпуска.
Двигатель 10 дополнительно содержит систему 50 двигателя, рассчитанную таким образом, чтобы обеспечивалось регулирование турбулентности всасываемого воздуха, поступающего в цилиндр 16. Если говорить конкретнее, система 50 двигателя выполнена с возможностью регулирования переворотной и вихревой структур всасываемого воздушного потока в цилиндре 16, исходя из рабочих режимов двигателя. Такое регулирование турбулентности в двигателе позволяет повышать эффективность сгорания в широком диапазоне рабочих режимов двигателя. В частности, возможно повышение эффективности сгорания с одновременным уменьшением выбросов и детонации, когда переворотная и вихревая структуры в цилиндре регулируются с учетом конкретных рабочих режимов двигателя. Более детальное описание системы 50 двигателя будет дано ниже при рассмотрении фиг. 2-10.
В качестве показанного на фиг. 1 контроллера 100 используется микрокомпьютер, включающий в себя микропроцессорный блок 102, порты 104 ввода/вывода, электронный носитель данных для исполнимых программ и калибровочных значений, показанный в данном конкретном примере в виде микросхемы 106 ПЗУ, оперативное запоминающее устройство 108, энергонезависимую память (ЭНП) 110 и шину данных. На контроллер 12 могут поступать различные сигналы от датчиков, связанных с двигателем 10. Так, например, на контроллер 100 могут поступать: результаты измерения массового расхода всасываемого воздуха (МРВ) от датчика 120 массового расхода воздуха, сигнал температуры хладагента двигателя (ТХД) от датчика 112 температуры; выходной сигнал профиля зажигания (ПЗ) отдатчика на эффекте Холла или иного типа, связанного с коленчатым валом; сигнал положения дросселя (ПД) от датчика 134 положения дросселя, соединенного с педалью 130, приводимой в действие водителем 134; и сигнал абсолютного давления воздуха в коллекторе (ДВК) от датчика 122. Контроллер 100 может генерировать из сигнала ПЗ сигнал частоты вращения двигателя (ЧВД). Сигнал давления в коллекторе (ДВК) от датчика давления в коллекторе можно использовать для предоставления показаний вакуума или давления во впускном коллекторе. Следует отметить, что могут использоваться различные сочетания вышеуказанных датчиков, например, датчик МРВ без датчика ДВК или наоборот. В процессе стехиометрической работы датчик ДВК может выдавать показания крутящего момента двигателя. Кроме того, этот датчик, наряду с выявленной частотой вращения двигателя, может предоставлять оценку вводимой в цилиндр загрузки (включая воздух). В соответствии с одним из примеров, датчик частоты вращения двигателя может с каждым поворотом коленчатого вала генерировать предварительно заданное количество равноотстоящих импульсов.
Контроллер 100 может быть включен в состав системы управления, рассчитываемой таким образом, чтобы она обеспечивала прием сигналов от установленных в двигателе датчиков и выдачу команд на различные имеющиеся в двигателе исполнительные органы. Кроме того, контроллер 100 можно рассчитать таким образом, чтобы он обеспечивал реализацию описываемых здесь способов и других приемов управления. Говоря конкретнее, контроллер 100 может быть рассчитан так, чтобы он осуществлял управление поворотным направителем потока с обеспечением при этом вращения поверхности изменения потока в направителе в различных конфигурациях, которые будут описаны ниже более детально.
Хотя здесь говорится о двигателе 10 всего лишь с одним цилиндром, можно предусмотреть, в соответствии с другими вариантами, чтобы этот двигатель содержал большее количество цилиндров, при этом каждый цилиндр будет снабжен собственной системой двигателя, включающей в себя поворотный направитель потока и привод направителя потока, подобные поворотному направителю потока и приводу направителя потока, описываемыми здесь более детально при рассмотрении фиг. 2-10. Контроллер 100 может быть рассчитан на независимое регулирование каждого из приводов направителя потока в некоторых рабочих режимах, тогда как в других режимах его можно будет выполнить с расчетом на одновременное регулирование всех приводов направителя потока.
На фиг. 2 иллюстрируется типовой пример выполнения участка двигателя 10, включающего в себя систему 50 двигателя, а также блок цилиндров 14, головку 12 блока цилиндров и цилиндр 16. В цилиндр 16 помещен поршень 200. Следует иметь в виду, что поршень 200 может быть связан при вращении с коленчатым валом.
В двигателе 10 выполнены впускной канал 202 и впускное отверстие 204, располагающееся за впускным каналом 202. Следует уточнить, что всасываемый воздух поступает во впускной канал 202 из таких расположенных выше по потоку компонентов, как канал для впуска воздуха, воздушный фильтр, дроссель, компрессор, коллектор и пр.
Впускной клапан 18 проходит через впускное отверстие 204. На фиг. 2 впускной клапан 18 показан в открытом положении, при этом всасываемый воздух поступает в цилиндр 16 из впускного отверстия 204. Таким образом, на фиг. 2 иллюстрируется такт впуска цикла сгорания. Однако, когда впускной клапан 18 находится в закрытом положении, этот клапан устанавливается и герметично фиксируется на участке впускного отверстия 204, предотвращая поступление воздушного потока в цилиндр 16. Говоря конкретнее, впускной клапан 18 имеет шток 206 и головку 208, выполненные таким образом, чтобы они устанавливались и герметично фиксировались на головке 12 цилиндра в закрытом положении.
На участке двигателя 10, показанном на фиг. 2, предусмотрены также выпускной канал 210 и выпускной клапан 20. Выпускной клапан 20 находится в закрытом положении, в котором этот выпускной клапан 20 устанавливается и герметично фиксируется на участке головки 12 цилиндра. Однако во время такта выпуска клапан 20 может быть открыт.
Впускной клапан 18 и выпускной клапан 20 могут приводиться в действие с помощью коленчатого вала или электронных исполнительных органов. На фиг. 2 дано изображение двигателя на такте впуска цикла сгорания. Следует иметь в виду, что двигатель 10 рассчитан также на осуществление сжатия, воспламенения и тактов выпуска после такта впуска.
Система 50 двигателя включает в себя поворотный направитель 212 потока, имеющий поверхность 24 изменения потока, которая отходит (например, отклоняется) от вала 216, связанного с приводом 218 направителя потока. Как можно видеть, вал 216 проходит через стенку 220 (например, нижнюю стенку) впускного отверстия 204 в головке 12 цилиндра. Привод 218 направителя потока выполнен с возможностью вращения вала 216 и, следовательно, поверхности 214 изменения потока вокруг оси вращения 221. В рассматриваемом здесь примере поверхность 214 изменения потока располагается под линией 223 центров впускного канала 202 в рабочей конфигурации, представленной на фиг. 2, а также в рабочих конфигурациях по фиг. 8-10. В качестве базы приводится вертикальная ось.
Если говорить конкретнее, привод 218 направителя потока обеспечивает вращение поверхности 214 изменения потока с целью регулирования соударения всасываемого воздушного потока с разными сторонами поверхности 214 изменения потока. Таким образом, вращательное движение поверхности изменения потока приводит к изменению взаимодействия первой и второй сторон с всасываемым воздушным потоком для генерации переворотной и вихревой структур, исходя из рабочих режимов двигателя, что позволяет добиться более эффективного сгорания. В соответствии с одним из примеров, рабочие режимы могут включать в себя один или более из следующих: мощность двигателя, нагрузку, воздушно-топливное отношение, температуру, частоту вращения двигателя и состав отработавших газов. Следует отметить, что контроллер 100, показанный на фиг. 1, может быть рассчитан таким образом, чтобы обеспечивать управление приводом 218 направителя потока с получением вращения поверхности 214 изменения потока, исходя из вышеперечисленных рабочих режимов. Кроме того, можно также включить в состав системы 50 двигателя подшипник 219 для обеспечения плавного вращения вала 216.
При использовании конфигурации по фиг. 2 поверхность 214 изменения потока находится в нерабочем положении, в котором эта поверхность изменения потока примыкает к стенке 220 впускного отверстия 204. Говоря конкретнее, в рассматриваемом примере участок 225 (например, углубленный участок) стенки 220 выполняется с таким контуром, чтобы поверхность 214 изменения потока сопрягалась в нерабочем положении со стенкой 220. Благодаря этому всасываемый воздух может циркулировать мимо поверхности 214 изменения потока без сильного воздействия на него этой поверхности. Однако следует понимать, что поверхность 214 изменения потока можно вращать таким образом, чтобы она заходила во впускное отверстие 204 на величину, при которой в цилиндре 16 будет генерироваться требуемый объем переворотного и вихревого потоков. Степень вращения поверхности 214 изменения потока определяет и объем переворотного и вихревого потоков, генерируемых этой поверхностью. Так, например, при вращении поверхности 214 изменения потока на 180 градусов может произойти увеличение переворотного потока, генерируемого в цилиндре 16, тогда как вращение на 270 или 90 градусов может вызвать увеличение вихревого потока, генерируемого в цилиндре 16. Говоря точнее, углы вращения поверхности изменения потока в пределах 60-120 градусов и 240-300 градусов по часовой стрелке могут генерировать в большей степени вихревой поток, нежели переворотный. Кроме того, углы вращения поверхности изменения потока в пределах 150-210 градусов и 330-30 градусов по часовой стрелке могут генерировать в большей степени переворотный поток, нежели вихревой, а углы вращения поверхности изменения потока в пределах 30-60 градусов, 120-150 градусов, 210-240 градусов и 300-330 градусов могут генерировать практические одинаковые величины вихревого и переворотного потоков. Расположение поверхности изменения потока с углом 0 градусов может соответствовать нерабочему положению этой поверхности, представленному на фиг. 2. Очертания поверхности 214 изменения потока дают возможность генерации необходимых вихревой и переворотной структур воздушного потока. В случае с одним из конкретных вариантов очертания поверхности 214 изменения потока позволяют добиться независимой генерации в цилиндре вихревого и переворотного потоков. Более детальное описание геометрии поверхности 214 изменения потока дается ниже при рассмотрении фиг. 3-4.
Привод 218 направителя потока рассчитан таким образом, чтобы обеспечивался прием от контроллера 100 (фиг. 1) сигнала на этот привод 218 с командой на вращение поверхности 214 изменения потока. Можно использовать электродвигатель для наделения привода 218 направителя потока функцией вращения. Однако предусмотрена также возможность использования иных вращательных средств.
Как можно видеть, ось 221 вращения поворотного направителя 212 потока пересекается с центральной осью 222 впускного клапана 18 под непрямым углом 224. Говоря конкретнее, угол 224 может быть больше угла между штоком клапана и впускным отверстием и составлять от 45 до 60 градусов. Благодаря расположению направителя потока под таким углом обеспечивается возможность нужного регулирования вихревого и переворотного воздушных потоков в цилиндре. Однако, в соответствии с другими вариантами, могут быть применены и другие относительные положения поворотного направителя потока и впускного клапана.
Стрелкой 230 обозначено общее направление всасываемого воздушного потока, циркулирующего мимо поверхности 214 изменения потока. Следует отметить, что поверхность изменения потока находится в нерабочем положении. Поэтому указанная поверхность не оказывает сколько-нибудь значительного влияния на всасываемый воздушный поток. Стрелками 232 обозначено общее направление всасываемого воздушного потока, циркулирующего мимо впускного клапана 18 и в цилиндре 16. Следует иметь в виду, что различия между расходами воздушного потока вокруг разных участков головки 208 впускного клапана могут изменяться не очень сильно. Таким образом, когда расходы воздушного потока различаются не слишком сильно, возможна генерация лишь незначительных переворотных и вихревых потоков.
Поверхность 214 изменения потока отходит от вала 216 под углом 233. Этим углом измеряется расхождение между осью вращения 221, которая пересекается с линией 235, проходящей через продольную оконечность поверхности 214 изменения потока, и местом пересечения вала 216 с поверхностью 214 изменения потока. При использовании некоторых вариантов угол 233 может быть меньше 35, 30 или 15 градусов. В соответствии с дополнительными вариантами, угол 233 может быть больше 5, 10 или 15 градусов.
В рассматриваемом примере поверхность 214 изменения потока радиально смещена относительно оси вращения 221. Таким образом, при повороте поворотного направителя 212 потока поверхность 214 изменения потока 214, по существу, поворачивается вокруг оси вращения 221. Вследствие этого становится возможным, в нерабочем положении, сопряжение поверхности 214 изменения потока с участком 225, а в рабочем положении - ее вхождение во впускное отверстие 204 на нужное расстояние. В результате поверхность 214 изменения потока может отходить от участка (например, углубленного), когда требуется увеличение турбулентности в воздушном потоке, поступающем в цилиндр, и ее поворот в нерабочее (например, неактивное) положение, в котором поверхность 214 изменения потока сопрягается с участком 225 нижней стенки 220, не оказывая существенного воздействия на генерацию турбулентности во всасываемом воздушном потоке.
На фиг. 3 и 4 иллюстрируется поворотный направитель 212 потока, включающий в себя поверхность 214 изменения потока и вал 216, соединенный с приводом 218 направителя потока, показанным на фиг. 2. Говоря точнее, на фиг. 3 показана первая сторона 300 поверхности 214 изменения потока, а на фиг. 4 - вторая сторона 400 поверхности 214 изменения потока. Каждая из этих сторон, первая 300 и вторая 400, имеет изогнутый контур. В рассматриваемом здесь примере первая сторона 300 имеет вогнутый контур, а вихревая сторона 400 - выпуклый контур. Таким образом, контуры первой и второй сторон противоположны друг другу. В иллюстрируемых здесь примерах форма поверхности 214 изменения потока напоминает ложку, при этом ее конец выполнен в форме ложки с внутренней и наружной ложковидными поверхностями, причем у «ложки» имеется уступ в виде ручки ложки, которая вращается приводным элементом вокруг центральной оси этой ручки. Однако предусмотрена также возможность выполнения поверхности изменения потока с иными очертаниями. Кривизна первой и второй сторон поверхности изменения потока позволяет генерировать в поступающем в цилиндр всасываемом воздушном потоке нужное количество вихревой и переворотной компонент.
Кроме того, в рассматриваемом примере поверхность 214 изменения потока имеет периферийную кромку 302 с изогнутым контуром. Однако возможны и иные формы контура периферийной кромки. Благодаря наличию кромок с изогнутыми контурами становится возможной генерация следов за поверхностью изменения потока с целью создания турбулентности во всасываемом потоке, что позволяет повысить эффективность операции сгорания.
Отметим также, что первая сторона 300 и вторая сторона 400 поверхности 214 изменения потока имеют изгиб вдоль боковой оси 350 и продольной оси 352. Кроме того, в рассматриваемом примере поверхность 214 изменения потока выполнена симметричной относительно продольной оси 352. Благодаря выбранной кривизне вокруг этих двух осей удается обеспечить генерацию переворотной и вихревой структур нужной интенсивности, когда поверхность находится в рабочем положении. Однако согласно другим вариантам, можно использовать и другие контуры поверхности изменения потока - так, например, эта поверхность может изгибаться только вокруг одной из осей.
На фиг. 5 дается иллюстрация боковой стороны поворотного направителя 212 потока, включающего в себя вал 216 и поверхность 214 изменения потока. На этом чертеже показаны обе стороны поверхности 214 изменения потока - и первая 300, и вторая 400. Кроме того, на фиг. 5 показан угол 233. Как уже говорилось выше, углом 233 измеряется расхождение между осью вращения 221 и линией 235, проходящей через продольную оконечность 500 поверхности 214 изменения потока и место 501 пересечения вала 216 с поверхностью 214 изменения потока. Угол 233 может быть непрямым углом меньше 35, 30 или 15 градусов и/или больше 5, 10 или 15 градусов.
Углы, находящиеся в этих пределах, обеспечивают возможность перемещения поверхности 214 изменения потока по траектории, которая «вращается по орбите» вокруг оси вращения 221. Благодаря вращательной траектории поверхности 214 изменения потока эта поверхность может в рабочих положениях принимать поступающий всасываемый поток, а нерабочих положениях, когда она оказывает лишь ограниченное влияние на всасываемый поток, - располагаться в одну линию с периферией впускного отверстия 204. Кроме того, в рассматриваемом примере выпуклый участок 502 поверхности 214 изменения потока не пересекается с осью вращения 221. Однако предусмотрена возможность и другой геометрии поверхности. Так, например, поверхность изменения потока может иметь первый участок, параллельный оси вращения, и второй участок, отходящий под некоторым углом от оси вращения. Далее, поверхность 214 изменения потока имеет участок 504, радиально смещенный относительно вала 216.
На фиг. 6 и 7 показан цилиндр 16 с типовыми вихревой и переворотной структурами потока, где даны визуальные отображения этих структур. Однако следует понимать, что реальные структуры воздушного потока, генерируемые в цилиндре, могут оказаться более сложными, чем изображенные на фиг. 6 и 7. Так, например, воздушный поток в цилиндре может обладать как вихревыми, так и переворотными свойствами. Поэтому надо учитывать, что на фиг. 6 и 7 для целей иллюстрации показаны лишь смоделированные вихревая и переворотная структуры потока.
Говоря конкретнее, на фиг. 6 иллюстрируется один из примеров выполнения цилиндра 16 со структурой воздушного потока вихревого типа. Стрелкой 600 обозначено общее направление воздушного потока в цилиндре 16. Для количественного выражения подобных структур воздушного потока можно использовать коэффициент завихрения, определяемое как сила вертикальной рециркуляции. В качестве базы показана вертикальная ось 602, вокруг которой циркулирует воздух. Как видно на фиг. 6, вихревой поток циркулирует по часовой стрелке. Однако при использовании других вариантов он может циркулировать и против часовой стрелки. Может потребоваться генерация в цилиндре 16 вихревого потока в процессе холодного пуска двигателя или при работе на холостом ходу с целью уменьшения вероятности (или даже предотвращения) попадания брызг топлива на стенку цилиндра.
На фиг. 7 иллюстрируется цилиндр 16 с переворотной структурой воздушного потока. Стрелкой 700 обозначено общее направление воздушного потока в цилиндре 16. Для количественного выражения подобных структур воздушного потока можно использовать коэффициент переворота, определяемое как сила горизонтальной рециркуляции. В качестве базы показана горизонтальная ось 702, вокруг которой циркулирует воздух. Может потребоваться генерация в цилиндре 16 переворотного потока в процессе работы двигателя в форсированном режиме (например, с пиковой мощностью) или в режиме высокой нагрузки. Если двигатель работает в режиме малых-средних нагрузок, то для достижения более эффективного (например, оптимального) движения воздушно-топливной смеси в цилиндре желательно иметь как вихревой, так и переворотный потоки. На фиг. 8-10 показана поверхность 214 изменения потока в системе 50 двигателя в разных рабочих положениях, рассчитанных на генерацию более интенсивного вихревого и/или переворотного потока по сравнению с нерабочим положением поверхности изменения потока, показанным на фиг. 2. В положениях, представленных на фиг. 8-10, поверхность изменения потока повернута в сторону от нерабочего положения по фиг. 2. На фиг. 8-10 иллюстрируются также головка 12 цилиндра и блок цилиндров 14, образующие собой цилиндр 16.
Если взять конкретно фиг. 8, то здесь показана поверхность 214 изменения потока, являющаяся составной частью направителя 212 потока в системе 50 двигателя, которую вращают с целью получения конфигурации, способствующей генерации переворотной компоненты в воздушном потоке, циркулирующем в цилиндре. Говоря конкретнее, поверхность 214 изменения потока вращают на 180 градусов в сторону от положения этой поверхности, показанного на фиг. 2, с помощью привода 218 направителя потока. Как уже было сказано выше, работой привода 218 направителя потока может управлять показанный на фиг. 1 контроллер 100, обеспечивая перемещение поверхности 214 изменения потока в положение, иллюстрируемое на фиг. 8.
В положении, показанном на фиг. 8, первая сторона 200 поверхности 214 изменения потока обращена к середине впускного отверстия 204. Что касается второй стороны 400 поверхность 214 изменения потока, то в положении этой поверхности, показанном на фиг. 8, она обращена к нижней стенке 220 указанного впускного отверстия.
Стрелкой 800 обозначен общий воздушный поток выше по потоку от поверхности 214 изменения потока. Стрелкой 802 обозначено увеличение воздушного потока в зоне участка впускного клапана 18, примыкающего к центральной оси 602 (например, вертикальной оси) цилиндра 16. По существу, такой небаланс расхода вокруг впускного клапана 18 способствует генерации переворотного потока в цилиндре 16. Стрелкой 804 обозначена переворотная структура воздушного потока в цилиндре. Как можно видеть, стрелка 804 вращается вокруг горизонтальной оси 806 цилиндра. Следует иметь в виду, что показанная на фиг. 8 поверхность изменения потока направляет большее количество воздушного потока к внутренней стороне головки 208 впускного клапана 18, что позволяет инициировать в цилиндре переворотный поток на такте впуска. На фиг. 8 показан также выпускной клапан 20.
На фиг. 9 представлена поверхность 214 изменения потока поворотного направителя 212 потока в системе 50 двигателя. На этом чертеже видно, что поверхность 214 изменения потока вращают с целью получения конфигурации, способствующей генерации в цилиндре 16 вихревого потока. Говоря конкретнее, поверхность 214 изменения потока вращают на 270 градусов в направлении против часовой стрелки в сторону от положения этой поверхности, показанного на фиг. 2. Как уже говорилось выше, работой привода 218 направителя потока может управлять показанный на фиг. 1 контроллер 100, обеспечивая вращение поверхности 214 изменения потока в положение, иллюстрируемое на фиг. 9.
Стрелкой 900 обозначено общее направление воздушного потока выше по потоку от поверхности 214 изменения потока. Стрелкой 902 обозначено общее направление воздушного потока за поверхностью 214 изменения потока вокруг впускного клапана 18 и в цилиндре 16. Следует отметить, что соударение воздушного потока с первой стороной 300 поверхности 214 изменения потока, имеющей вогнутый контур, приводит к увеличению количества воздушного потока, который направлен к участку впускного клапана 18, примыкающему к нижней стенке 220. Соответственно, небаланс потока вокруг головки 208 впускного клапана 18 способствует генерации структуры вихревого потока в направлении против часовой стрелки, когда воздушный поток циркулирует вокруг центральной (например, вертикальной) оси 602 цилиндра 16. На фиг. 9 показаны также выпускной клапан 20, головка 12 цилиндра и блок цилиндров 14.
На фиг. 10 иллюстрируется поверхность 214 изменения потока поворотного направителя 212 потока, которую поворачивают в другое положение целью генерации в цилиндре 16 вихревого потока. Говоря конкретнее, поверхность 214 изменения потока вращают на 180 градусов в направлении против часовой стрелки или по часовой стрелке по отношению к положению поверхности изменения потока, показанному на фиг. 9. Как уже говорилось выше, работой привода 218 направителя потока может управлять показанный на фиг. 1 контроллер 100, обеспечивая вращение поверхности 214 изменения потока в положение, иллюстрируемое на фиг. 10.
Стрелкой 1000 обозначен общий воздушный поток выше по потоку от поверхности 214 изменения потока, а стрелкой 1002 - общий воздушный поток за поверхностью 214 изменения потока. Следует отметить, что соударение воздушного потока со второй стороной 400 поверхности 214 изменения потока, имеющей выпуклый контур, приводит к увеличению количества воздушного потока, который направлен к участку впускного клапана 18, примыкающему к центральной оси 602 цилиндра 16. Вихревой поток, генерируемый в конструкции по фиг. 10, циркулирует в направлении по часовой стрелке. На фиг. 10 показаны также двигатель 10, система 50 двигателя, выпускной клапан 20, головка 12 цилиндра и блок цилиндров 14.
На фиг. 11 дана схема способа 110 управления работой системы двигателя. Эту систему, описанную выше при рассмотрении фиг. 1-10, можно использовать для реализации способа 1100 в соответствии с одним из вариантов. Однако в соответствии с другими вариантами, для реализации способа 1100 можно применить и другие системы двигателя, пригодные для этих целей.
На этапе 1102 способа, в первом рабочем режиме, направляют всасываемый воздух через впускное отверстие мимо поверхности изменения потока в поворотном направителе потока в нерабочем положении, в котором поверхность изменения потока непосредственно примыкает к стенке впускного отверстия выше по потоку от впускного клапана цилиндра. Таким образом, в нерабочем положении поверхность изменения потока не оказывает существенного влияния на структуру потока всасываемого воздуха. Говоря конкретнее, в нерабочем положении всасываемый воздух не соударяется с участком (например, одной стороной) поверхности изменения потока. Следует иметь в виду, что поверхность изменения потока может иметь первую сторону с вогнутым контуром и вторую сторону с выпуклым контуром. Таким образом, поверхность изменения потока может быть ложкообразной. В этих условиях выпуклая сторона поверхности изменения потока может быть обращена к середине впускного отверстия.
Далее, на этапе 1104 способа, определяют, требуется ли увеличение переворотного и/или вихревого воздушного потока в цилиндре. Если выясняется, что необходимости в увеличении переворотного и/или вихревого воздушного потока в цилиндре нет (НЕТ на этапе 1104), то в рамках способа возвращаются к выполнению этапа 1104. Однако, если выясняется, что увеличение переворотного и/или вихревого воздушного потока в цилиндре нужно (ДА на этапе 1104), то в рамках способа переходят к этапу 1106.
На этапе 1106 способа, во втором рабочем режиме, поворачивают поверхность изменения потока в рабочее положение, в котором поверхность изменения потока генерирует заданные переворотную и вихревую структуры потока всасываемого воздуха, поступающего в цилиндр через впускной клапан. В соответствии с одним из вариантов, рабочее положение может соответствовать любому углу больше 3, 5 или 10 градусов в направлении вращения по часовой стрелке или против часовой стрелки в сторону от нерабочего положения. Так, например, поверхность изменения потока можно повернуть, для увеличения переворотного или вихревого потока, на 180 или 270 градусов в направлении по часовой стрелке или против часовой стрелки.
Далее, на этапе 1108 способа, определяют, требуется ли регулирование переворотного и/или вихревого воздушного потока в цилиндре. Если выясняется, что необходимости в регулировании переворотного и/или вихревого воздушного потока в цилиндре нет (НЕТ на этапе 1108), то в рамках способа возвращаются к выполнению этапа 1108. Однако, если выясняется, что увеличение переворотного и/или вихревого воздушного потока в цилиндре нужно (ДА на этапе 1108), то в рамках способа переходят к этапу 1110. На этапе 1110 способа, в третьем рабочем режиме, поворачивают поверхность изменения потока во второе рабочее положение, в котором поверхность изменения потока генерирует вторые заданные переворотную и вихревую структуры потока всасываемого воздуха, поступающего в цилиндр через впускной клапан. В соответствии с одним из вариантов, в третьем рабочем режиме коэффициент завихрения всасываемого воздушного потока может быть увеличен, а коэффициент переворота всасываемого воздушного потока может быть уменьшен. Однако, в других примерах коэффициент завихрения всасываемого воздушного потока может быть уменьшен, а коэффициент переворота всасываемого воздушного потока может быть увеличен. Таким образом, при использовании других вариантов можно регулировать различные параметры воздушного потока в цилиндре, исходя из рабочих режимов двигателя с целью повышения эффективности операции сгорания.
В соответствии с еще одним вариантом, первый рабочий режим имеет место, когда частота вращения двигателя ниже некоторого порогового значения, а второй рабочий режим имеет место, когда частота вращения двигателя выше порогового значения. В соответствии с другими дополнительными вариантами, коэффициент переворота воздушного потока в цилиндре может быть увеличен, когда двигатель работает в режиме (или приблизительно в режиме) полной нагрузки или пиковой мощности. Кроме того, в соответствии с некоторыми вариантами, коэффициент завихрения воздушного потока в цилиндре может быть увеличен, когда двигатель работает в режиме холодного пуска двигателя или на холостом ходу. В соответствии со следующим вариантом, коэффициент переворота может быть увеличен, а коэффициент завихрения воздушного потока в цилиндре может быть уменьшен, когда двигатель работает в режиме высокой нагрузки. И наоборот, коэффициент переворота может быть уменьшен, а коэффициент завихрения воздушного потока в цилиндре может быть увеличен, когда двигатель работает на холостом ходу. Таким образом, в соответствии с одним из вариантов, коэффициенты переворота и завихрения могут регулироваться, исходя из одной или более следующих характеристик: мощности двигателя, нагрузки, воздушно-топливного отношения, температуры, частоты вращения двигателя и состава отработавших газов.
Ниже приводится более детальное описание предмета настоящего изобретения. В соответствии с одним из его аспектов, предусмотрена система двигателя. Эта система двигателя включает в себя поворотный направитель потока, имеющий. поверхность изменения потока, расположенную выше по потоку от впускного клапана, имеющую первую сторону с изогнутым контуром, причем поверхность изменения потока выполнена с возможностью создания переворотной и вихревой структур всасываемого воздушного потока, поступающего в цилиндр через впускной клапан, в нескольких рабочих положениях, и привод направителя потока, выполненный с возможностью вращать поверхность изменения потока с целью изменения переворотной и вихревой структур всасываемого воздушного потока.
В соответствии с другим аспектом, предусмотрена система двигателя. Эта система двигателя включает в себя поворотный направитель потока, имеющий поверхность изменения потока, расположенную выше по потоку от впускного клапана, имеющую первую сторону с вогнутым контуром и вторую сторону с выпуклым контуром, причем поверхность изменения потока выполнена с возможностью создания переворотной и вихревой структур во всасываемом воздушном потоке, поступающем в цилиндр через впускной клапан, в нескольких рабочих положениях, и привод направителя потока, выполненный с возможностью вращать поверхность изменения потока с целью изменения переворотной и вихревой структур всасываемого воздушного потока.
В соответствии с еще одним аспектом, предложен способ управления работой системой двигателя. Этот способ включает в себя следующие этапы: в первом рабочем режиме направляют всасываемый воздух через впускное отверстие мимо поверхности изменения потока в поворотном направителе потока в нерабочем положении, в котором поверхность изменения потока непосредственно примыкает к стенке впускного отверстия выше по потоку от впускного клапана цилиндра, и во втором рабочем режиме поворачивают поверхность изменения потока в рабочее положение, в котором поверхность изменения потока генерирует заданные переворотную и вихревую структуры потока всасываемого воздуха, поступающего в цилиндр через впускной клапан.
В соответствии с любым из описываемых здесь аспектов или с комбинациями аспектов, система двигателя может дополнительно содержать контроллер, выполненный с возможностью управления приводом направителя потока с целью поворота поверхности изменения потока в нерабочее положение и в ряд рабочих положений, исходя из рабочих режимов двигателя.
В соответствии с любым из описываемых здесь аспектов или с любой комбинацией аспектов, поверхность изменения потока может иметь вторую сторону с изогнутым контуром, причем поверхность изменения потока является ложкообразной с противоположной поверхностью, также являющейся ложкообразной, в результате чего в целом создается ложкообразная форма, при этом привод выполнен с возможностью вращать ложкообразную форму вокруг оси ручки ложки.
В соответствии с любым из описываемых здесь аспектов или с любой комбинацией аспектов, первая и вторая стороны поверхности изменения потока могут иметь противоположные контуры.
В соответствии с любым из описываемых здесь аспектов или с любой комбинацией аспектов, вращательное движение поверхности изменения потока может изменять взаимодействие первой и второй сторон со всасываемым воздушным потоком для генерации нужных переворотной и вихревой структур.
В соответствии с любым из описываемых здесь аспектов или с любой комбинацией аспектов, первая сторона может иметь вогнутый контур, а вторая сторона может иметь выпуклый контур.
В соответствии с любым из описываемых здесь аспектов или с любой комбинацией аспектов, система двигателя может дополнительно содержать контроллер, выполненный с возможностью управления приводом направителя потока с целью поворота поверхности изменения потока в нерабочее положение и в ряд рабочих положений, исходя из рабочих режимов двигателя. В соответствии с этим аспектом, рабочие режимы двигателя могут включать в себя один или более из следующих: мощность двигателя, нагрузку, воздушно-топливное отношение, температуру, частоту вращения двигателя и состав отработавших газов.
В соответствии с любым из описываемых здесь аспектов или с любой комбинацией аспектов, поворотный направитель потока может содержать вал, непосредственно прикрепленный к поверхности изменения потока и приводу направителя потока.
В соответствии с любым из описываемых здесь аспектов или с любой комбинацией аспектов, угол, образуемый между осью вращения вала и линией, проходящей через продольную оконечность поверхности изменения потока и место пересечения вала с поверхностью изменения потока, может быть больше 5 градусов.
В соответствии с любым из описываемых здесь аспектов или с любой комбинацией аспектов, участок поверхности изменения потока может быть радиально смещен относительно оси вращения вала.
В соответствии с любым из описываемых здесь аспектов или с любой комбинацией аспектов, вал может проходить через нижнюю стенку впускного отверстия в головке цилиндра.
В соответствии с любым из описываемых здесь аспектов или с любой комбинацией аспектов, ось вращения поверхности изменения потока может пересекаться с центральной осью впускного клапана под непрямым углом.
В соответствии с любым из описываемых здесь аспектов или с любой комбинацией аспектов, коэффициенты переворота и/или коэффициенты завихрения всасываемого воздушного потока, когда поверхность изменения потока находится в ряде рабочих положений, могут каждое являться большим, чем коэффициент переворота и/или коэффициент завихрения всасываемого воздушного потока, когда поверхность изменения потока находится в нерабочем положении.
В соответствии с любым из описываемых здесь аспектов или с любой комбинацией аспектов, ось вращения поверхности изменения потока может пересекаться с центральной осью впускного клапана под непрямым углом.
В соответствии с любым из описываемых здесь аспектов или с любой комбинацией аспектов, способ может дополнительно включать в себя следующий этап: в третьем рабочем режиме поворачивают поверхность изменения потока во второе рабочее положение, в котором поверхность изменения потока генерирует заданные переворотную и вихревую структуры потока всасываемого воздуха, поступающего в цилиндр через впускной клапан.
В соответствии с любым из описываемых здесь аспектов или с любой комбинацией аспектов, в третьем рабочем режиме коэффициент завихрения всасываемого воздушного потока увеличивается, а коэффициент переворота всасываемого воздушного потока уменьшается.
В соответствии с любым из описываемых здесь аспектов или с любой комбинацией аспектов, первый рабочий режим может иметь место, когда частота вращения двигателя ниже некоторого порогового значения, а второй рабочий режим может иметь место, когда частота вращения двигателя выше порогового значения.
Следует заметить, что рассмотренные здесь типовые стандартные программы управления можно использовать для разных конфигураций двигателя и/или транспортной системы. Изложенные выше специальные стандартные программы могут характеризовать одну или более из любого количества стратегий обработки типа управляемых событиями, управляемых прерываниями, многозадачных, многопоточных и т.п.По сути дела, различные проиллюстрированные здесь действия, операции и/или функции могут быть осуществлены в рассмотренной последовательности, параллельно, либо, в ряде случаев, опущены. Подобным же образом, порядок обработки не обязательно должен обеспечивать достижение признаков и преимуществ описанных здесь типовых вариантов осуществления и был изложен лишь для облегчения иллюстрации и описания. Одно или более из описанных здесь действий или функций могут выполняться неоднократно, в зависимости от конкретной используемой методики. Кроме того, описанные здесь действия могут графически отображать код, подлежащий программированию в машиночитаемом носителе данных в системе управления двигателем.
Следует иметь в виду, что описанные здесь конфигурации и стандартные программы являются по своей природе лишь иллюстративными примерами, так что эти конкретные варианты осуществления не следует рассматривать как единственно возможные, поскольку возможны самые разнообразные модификации. Так, например, описанную выше технологию можно применить для таких типов двигателей, как V-6, I-4, I-6, V-12, оппозитный четырехцилиндровый и др. Кроме того, одну или более различных конфигураций системы можно использовать в сочетании с одной или более описанных стандартных диагностических программ. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и субкомбинации различных систем и конфигураций, а также иные описанные выше признаки, функции и/или свойства.