ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области поршневых двигателей внутреннего сгорания. В тексте и на иллюстрациях (Фиг.1…Фиг.13) приняты следующие сокращения:
- ДВС - двигатель внутреннего сгорания,
max
- M - максимальный момент ДВС,
max
- Р - максимальная мощность ДВС,
- КС - камера сгорания,
кс
- V - объем камеры сгорания,
- ОГ - отработавшие (остаточные) газы,
- ВпК - впускной клапан,
- ВыК - выпускной клапан,
- РП - ресивер продувки,
рп
- V - объем РП,
рп
- Р - давление в РП, атм,
- ВМТ - верхняя мертвая точка поршня,
- НМТ - нижняя мертвая точка поршня,
- ЭМЗ - электромагнитная заслонка,
- КСУД - комплексная система управления ДВС,
- СИФГ - система изменения фаз газораспределения,
ц
- V - объем цилиндра,
ц
- P - давление в цилиндре, атм.
На круговых диаграммах фаз газораспределения:
- угол открытия или закрытия клапанов отсчитывается по часовой стрелке, начиная от ВМТ начала такта впуска, в град. поворота коленчатого вала,
- толстые линии соответствуют закрытому состоянию клапанов, тонкие - открытому,
- φ - углы между моментами открытия или закрытия клапанов,
- α - углы между ВМТ или НМТ и моментом открытия клапанов,
- β - углы между ВМТ или НМТ и моментом закрытия клапанов.
Особенности работы различных типов ДВС рассматриваются на примере одноцилиндрового, четырехтактного бензинового ДВС с инжекторной системой питания.
На иллюстрациях:
- Фиг.1 - классический ДВС,
- Фиг.2 - круговая диаграмма фаз газораспределения ДВС Фиг.1,
- Фиг.3 - ДВС с электромагнитным приводом клапанов,
- Фиг.4 - диаграмма фаз газораспределения ДВС Фиг.3 на режимах частичной нагрузки.
- Фиг.5 - ДВС с ЭМЗ во впускном трубопроводе,
- Фиг.6 - диаграмма фаз газораспределения ДВС Фиг.5 в режиме частичных нагрузок,
- Фиг.7 - ЭМЗ,
- Фиг.8 - ЭМЗ с неортогональными перегородками,
- Фиг.9 - ЭМЗ с цилиндрическими перегородками,
- Фиг.10 - диаграмма фаз газораспределения ДВС с ЭМЗ в режиме полной нагрузки,
- Фиг.11 - диаграмма фаз газораспределения ДВС с ЭМЗ в режиме принудительной продувки,
- Фиг.12 - ДВС с одной ЭМЗ на два цилиндра,
- Фиг.13 - диаграмма фаз газораспределения ДВС с ЭМЗ в режиме вакуумного торможения.
Классический ДВС, несмотря на ряд недостатков, до сих пор широко применяется в промышленности и на транспорте. 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. Топливная форсунка и свеча зажигания 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 CO, CH). Это связано с тем, что в конце такта выпуска инерция выхлопа на движении поршня вверх не велика, и он в значительной мере остается в КС в виде ОГ. В последующих тактах впуска ОГ смешивается со свежим зарядом и затрудняет его горение.
34
о
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. Обозначим это время Т.
0
По диаграмме, Фиг.2, обозначим момент начала этого времени (исчисляемый в град.) как α.
3
0
Из диаграммы ясно, что если ВпК 3 открывается рано - α>α, то большой объем ОГ успевает выйти во впускную трубу через приоткрытый ВпК 3, при последующей продувке ОГ заходит назад в КС.
3
0
0
0
3
4
3
4
34
Если α<α, то истечет время Т, и продувка не происходит вообще. Для каждого конкретного режима работы ДВС есть свой α, поэтому эффективность продувки различна на разных оборотах и при разных нагрузках классического ДВС. Хорошая продувка получается лишь в небольшом диапазоне частот вращения коленчатого вала (средние обороты - 2000-3000 1/мин) поскольку именно для этого режима устанавливаются эмпирически определенные усредненные величины углов фаз газораспределения α, α, β, β, φ и т.д.
max
max
С ростом оборотов ДВС время, когда ВпК 3 открыт полностью, падает, падает при этом величина свежего заряда, попадающего в цилиндр, и, как следствие - М и P, ДВС «не принимает» на высоких оборотах.
3
34
3
34
Для увеличения заряда на высоких оборотах ВпК 3 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 «выстреливать» во впускной трубопровод, затем они в увеличенном объеме забираются назад в цилиндр на такте впуска, и, начиная с некоторой величины α, φ, прирост свежего заряда прекращается. Как отмечено в /1/, «в большинстве случаев высокооборотные двигатели имеют более широкие фазы газораспределения, чем двигатели малооборотные».
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.
3
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, например, отмечено в /2/, либо поворотом распредвала, либо с помощью дополнительных кулачков специального профиля, которые управляют уже несколькими впускными и несколькими выпускными клапанами одного цилиндра. На разных оборотах и нагрузках ДВС углы открытия (α) впускных клапанов (как правило, разного диаметра) различны, различна и высота их подъема. Этим обеспечивается высокая эффективность продувки КС, достаточная степень турбулизации заряда воздуха на впуске, а к моменту начала движения поршня вниз на впуске - достаточное общее проходное сечение всех впускных клапанов для набора полного заряда цилиндра на высоких оборотах. Эффективность СИФГ на сегодняшний день такова, что, например, при токсичности по норме «Евро-3» такие ДВС имеют удельную мощность 125 л.с. на один литр объема без наддува /2/.
Следует отметить, что чем эффективнее механическая СИФГ, тем она, естественно, сложнее (приходится управлять несколькими клапанами), дороже и более громоздка. В отдельных типах ДВС используют до пяти клапанов на цилиндр.
Дальнейшим шагом в части совершенствования, согласно также /2/, является применение электромагнитных приводов клапанов под управлением комплексной системы управления двигателем (КСУД).
Такой ДВС (см. Фиг.3) содержит все компоненты классического ДВС по Фиг.1, но привод клапанов ВпК 3 и ВыК 4 осуществляется электромагнитами 9, 10 соответственно, под управлением КСУД 11.
Исходными данными для КСУД являются широко известные параметры:
- Обороты - n,
В
- Расход воздуха - V,
2
- Уровень CO или O,
Н
- Импульс «начало» - Т,
ОХЛ
- Температура охлаждающей жидкости - Т, и т.д.
По этим данным КСУД определяет моменты открытия и закрытия ВпК 3, ВыК 4, открывает и закрывает топливную форсунку и т.д. При этом высота подъема клапанов, согласно /2/, максимально возможная и не регулируется, заряд цилиндра 1 на впуске определяется длительностью открытого состояния ВпК 3, питающая смесь на всех режимах одинакова и близка к стехиометрической. ДВС не имеет дроссельной заслонки. На Фиг.3 топливная форсунка и свеча условно не показаны.
На режиме полной мощности ДВС работает как классический по диаграмме Фиг.2.
На режимах частичной нагрузки - по диаграмме Фиг.4, следующим образом.
3
ц
ВпК 3 на такте впуска закрывается значительно раньше НМТ, например, в точке I. При дальнейшем движении поршня вниз до НМТ (угол β) давление - Р падает ниже атмосферного, возникает вакуумное торможение поршня, и ДВС тратит энергию на преодоление противомомента, но после НМТ на движении поршня вверх, на такте сжатия, до точки II (приблизительно симметричной точке I относительно НМТ), затраченная энергия возвращается назад (поршень втягивается). Таким образом, у ДВС нет насосных потерь на режимах частичной нагрузки. Насосные потери характерны для ДВС с дроссельной заслонкой.
Во всем диапазоне оборотов ДВС и во всем диапазоне нагрузок КСУД способна обеспечить оптимальные углы фаз газораспределения.
Желание приводить клапаны электромагнитами возникло у конструкторов давно (по этому поводу есть и другие публикации), но реализовать его на практике в серийном ДВС стоит больших усилий. Дело в том, что везде применяемый кулачковый распредвал прост, дешев и надежен, кулачок не просто нажимает и отпускает шток клапана, он его «ведет», плавно нажимая (открывая) и плавно отпуская (закрывая), последнее очень важно - клапан закрывается без удара тарелки о седло.
При использовании привода клапана электромагнитом (далее - ЭМК - электромагнитный клапан), клапан можно быстро открыть (в отличие от кулачка), пустив в обмотку электромагнита большой ток, но его не просто быстро закрыть без удара (это отмечается в /2/), ток электромагнита уменьшается по специальной подпрограмме КСУД.
Далее, отсутствие насосных потерь определено тем, что ЭМК имеет только два состояния - полностью открыт - полностью закрыт. Однако на ряде режимов частичной нагрузки ДВС желательно иметь возможность не полностью открывать ЭМК на впуске. Это вносит турбулентность, улучшает перемешивание воздуха и топлива, облегчает формирование послойного заряда при пуске холодного ДВС и работе на холостом ходу. Усилие открытия тарельчатого клапана определяется в основном усилием возвратных пружин и довольно велико (достигает 20 кг у ВпК 3, у ВыК 4 - еще больше), при использовании обычных материалов объем электромагнита привода одного клапана около 0.5 литра - он громоздок. Трудно также получить высокую частоту работы привода (50 Гц и выше). В целом электромагнитный привод клапанов на сегодняшний день очень дорог, сложен и не допускает частично открытых состояний.
Цель изобретения - за счет незначительного изменения конструкции сделать возможным применение маломощных ЭМК.
Для этого в части базовой используется классическая конструкция ДВС с кулачковым распредвалом, а во впускном трубопроводе на небольшом расстоянии перед впускным клапаном располагается дополнительный клапан-заслонка, приводимая электромагнитом (далее ЭМЗ). Заслонка легко открывается и закрывается (поднимаясь и опускаясь) без удара и обеспечивает изменение заряда цилиндра воздухом в широких пределах. Отметим, что из /3/ известно применение неуправляемого обратного клапана во впускном трубопроводе.
ДВС (см. Фиг.5) содержит цилиндр 1 с поршнем 2, ВпК 3, ВыК 4. Последние приводятся кулачками 5 распредвала 6. Поршень 2 через шатун 7 вращает коленчатый вал 8. ЭМЗ 12 размещена перед ВпК 3 на небольшом расстоянии (например, 1…5 см), она являет собой сдвоенный лепестковый управляемый обратный клапан, который открывается и закрывается электромагнитом (ЭМ) под управлением КСУД 11, эта же система управляет топливной форсункой 13 и свечой 14.
ДВС показан в состоянии конца такта выпуска, поршень 2 чуть не доходит до ВМТ. Круговая диаграмма фаз газораспределения в режиме частичной нагрузки представлена на Фиг.6.
Рассмотрим подробнее конструкцию и работу ЭМЗ 12 (см. Фиг.7).
1
Корпус клапана 13 монтируется во впускной трубопровод и содержит две поперечные перегородки 14, отстоящие друг от друга на небольшом расстоянии (l=0.5…3 мм). Перегородки имеют одинаковую соосную перфорацию с максимальной высотой элемента - h по вертикали. Между перегородками размещена легкая пластина - заслонка 15 толщиной S, с такой же перфорацией, как и у перегородок. Заслонка 15 с помощью тяги 16 может перемещаться вверх-вниз до полного перекрытия или совпадения своих перфораций с перфорациями перегородок. Тяга связана с двухполюсным цилиндрическим якорем 17 электромагнитов 18-19 и 20-21, где 18, 20 - магнитопроводы, а 19, 21 - катушки соответственно. Катушки электромагнитов включаются и обесточиваются через ключи 22, 23. Если включен электромагнит 18-19 и выключен - 20-21, якорь 17 и заслонка 15 занимают нижнее положение - клапан закрыт (отверстия перегородок 14 перекрыты заслонкой 15).
Если включен электромагнит 20-21 и выключен - 18-19, якорь 17 и заслонка 15 перемещаются вверх - клапан открыт.
В закрытом состоянии заслонка 15 ведет себя как обратный клапан как для потока воздуха слева-направо, так и для потока воздуха и ОГ справа-налево. При этом заслонка давлением газов прижимается либо к правой перегородке, либо к левой. Согласно Фиг.7 ЭМЗ 12 имеет два устойчивых положения (открыт-закрыт), легко сделать и промежуточные положения (см. Фиг.7, пунктир), увеличив количество электромагнитов и расположив их в других плоскостях вокруг якоря. Соответственно следует изменить величину смещения электромагнитов по высоте - h до величины h/2 при трех электромагнитах, h/3 - при четырех и т.д.
Перфорация заслонки 15 и перегородок 14 может быть не регулярной и иметь отверстия и их группы неравной площади, это вызывает завихрение (турбулизацию) потока воздуха на впуске и улучшает карбюрацию рабочей смеси.
1
Важное значение имеет проходное сечение (расход) ЭМЗ 12. В связи с этим перегородки могут располагаться под углом к оси O-O впускной трубы (см. Фиг.8), состоять из нескольких частей, а также иметь криволинейную поверхность, например цилиндрическую (см. Фиг.9).
В такте выпуска (см. Фиг.6) открыт ВыК 4, а ВпК 3 и ЭМЗ 12 - закрыты, выхлоп выходит в выпускной коллектор. Не доходя до ВМТ начинает открываться ВпК 3, ЭМЗ 12 - закрыта. ОГ под избыточным давлением входят в объем между ВпК 3 и ЭМЗ 12 (далее этот объем - РП - ресивер продувки согласно /3/) и сжимают находящийся там воздух (показано пунктиром и точками).
ог
ог
3
По мере истечения ОГ их давление, Р, падает, сжатый в РП воздух расширяется. приобретает скорость и вытесняет ОГ из РП назад в КС и далее, под действием эффекта эжекции, - в выпускной коллектор, при этом Р падает ниже атмосферного. В этот момент (он может наступить как до ВМТ, так и после, в зависимости от оборотов и нагрузки ДВС) открывают ЭМЗ 12 (она открывается мгновенно и полностью), происходит продувка КС воздухом из впускного трубопровода в направлении от ВпК 3 к ВыК 4. Далее, при закрытом ВыК 4 и полностью открытых ЭМЗ 12 и ВпК 3 происходит заряд цилиндра. Фазы ВпК 3 и ВыК 4 неизменны. Угол α - начала открытия ВпК 3 выбран наиболее большим, так, чтобы к моменту ВМТ он был бы полностью открыт, этим обеспечивается максимальный заряд цилиндра на высоких оборотах.
На режимах частичной нагрузки ДВС (см. Фиг.6) ЭМЗ 12 закрывается задолго до НМТ такта впуска (например, в положении III), этим обеспечивается частичный заряд, несмотря на то что ВпК 3 еще открыт. Далее, при продолжении движения поршня 2 вниз над ним создается некоторое разряжение, ДВС затрачивает энергию на преодоление противомомента. На движении поршня 2 вверх до положения IV потраченная энергия на преодоление противомомента возвращается (поршень втягивается в цилиндр).
3
Незадолго после НМТ такта впуска (начала такта сжатия) как у всех классических ДВС ВпК 3 закрывается (см. угол β). Далее следуют такты: сжатие, рабочий ход, выпуск.
3
у
у
3
у1
у2
Следует отметить, что в продолжении угла φ в РП давление ниже атмосферного, в это время желательно кратковременно открыть ЭМЗ 12 и уравнять давление слева и справа от заслонки (см. Фиг.6 заштрихованный сектор φ). Сектор φ может располагаться в любом месте в пределах угла φ (см., например, секторы φ, φ).
Таким образом, тарельчатые ВпК 3 и ВыК 4, находящиеся в цилиндре, работают как компрессионные (обеспечивают удержание рабочего тела при высоких давлениях и температурах), а управляемый - ЭМЗ 12, обеспечивает заряд цилиндра от минимального до полного, и, поскольку находится вне цилиндра, к нему не предъявляются высокие требования по сохранению компрессии при воздействии высоких давления и температуры. Перепад давления слева и справа от ЭМЗ около 0.5 атм. ЭМЗ 12 выполняется в виде легкой, тонкой заслонки, работает принципиально без ударов при открытии и закрытии, обеспечивает высокую частоту работы, поскольку масса заслонки мала, допускает промежуточные положения и управляется мощностью, на порядок меньшей, чем у прототипа. Ход заслонки вверх-вниз - единицы миллиметров.
Следует отметить, что на режимах частичной нагрузки ДВС энергия, потраченная на преодоление противомомента на впуске, возвращается не полностью, величина «невозврата» без учета других потерь оценивается как отношение:
рп
рп
Ц
Q=V/(V+V)
и при минимальных нагрузках ДВС достигает 10%.
3
В режиме полной нагрузки ДВС работает как классический, максимальный заряд (см. Фиг.10) предполагает одновременное закрытие ВпК 3 и ЭМЗ 12 (или ВпК 3 закрывается раньше ЭМЗ 12). Момент β устанавливается положением кулачка и неизменен.
12
12,3
В режиме полной нагрузки ДВС может работать с принудительной продувкой повышенного давления, как, например, ДВС /3/. Для этого изначально (см. Фиг.11) устанавливается, что ВпК 3 закрывается несколько позже момента набора полного заряда, а ЭМЗ 12 закрывается в момент набора полного заряда (β), т.е. раньше ВпК 3. Между этими моментами образуется угол φ. ДВС в этом режиме работает следующим образом.
ц
рп
ц
12,3
рп
3,12
12
рп
у
12
При положении поршня 2 чуть позже НМТ такта впуска, когда заряд цилиндра набран полностью, закрывается ЭМЗ 12, и начинается сжатие в объеме V+V. При достижении повышенного давления, например, Р=2 (это происходит через угол φ), закрывается ВпК 3, продолжается сжатие в цилиндре, а в РП хранится воздух с давлением Р=2. Далее следуют такты рабочего хода и выпуска. В конце такта выпуска при закрытой ЭМЗ 12 открывается ВпК 3, и воздух из РП продувает КС на протяжении угла φ в направлении от ВпК 3 к ВыК 4. Повышенное давление продувки будет также наблюдаться в диапазоне углов 2β при частичной нагрузке после точки V. До этой точки Р<1 и, как отмечалось выше, после такта впуска нужно кратковременно открыть ЭМЗ 12, чтобы обеспечить φ (Фиг.6). Делать это или нет, решает КСУД 11 в зависимости от текущей величины угла φ.
pп
pп
Следует отметить (см. Фиг.5), что объем V, казалось бы, должен быть минимальным для снижения величины невозврата - Q. Но при низком V мало воздуха на продувку КС после такта выпуска, и на ЭМЗ 12 усиливается негативное воздействие относительно высоких температур ОГ.
рп
рп
Если сильно увеличить V (например, до нескольких объемов КС, это соответствует росту размера L), то изначальный принцип изобретения потеряет смысл - нельзя будет обеспечить малый заряд, так как после раннего закрытия ЭМЗ 12 на малом заряде цилиндр все равно наберет полный заряд из РП через открытый ВпК 3. Конечно, для каждого конкретного ДВС есть свой оптимальный V, который определяется эмпирически, но с среднем он сравним с объемом камеры сгорания:
Запустить холодный ДВС на малом заряде, в особенности при отрицательных внешних температурах, проблематично, поскольку на малом заряде мало давление рабочей смеси в конце такта сжатия - мала ее температура - заряд плохо поджигается искрой. Во время холодного пуска желательно на короткое время давать полный заряд воздуха, формируя при этом послойную смесь с обогащением в районе свечи, эта задача возлагается на КСУД 11.
ЭМЗ предоставляет широкие возможности по управлению ДВС.
1. Она дает возможность значительно раньше открывать впускной клапан цилиндра и тем самым получать большие обороты и момент от ДВС.
34
ог
ог
ог
2. В процессе продувки на протяжении угла перекрытия клапанов φ ЭМЗ из-за малой инерции может открываться и закрываться несколько раз. В многоцилиндровом ДВС в области открытого выпускного клапана наблюдаются гармонические колебания давления, обусловленные выхлопом из других цилиндров, а также из-за резонансных акустических явлений на отдельных участках выпускной системы. Эти колебания, соответственно, изменяют Р. ЭМЗ открывают при Р<1 и закрывают при Р>1.
3. ДВС можно как и в /3/ эксплуатировать, полностью закрыв ЭМЗ. Это соответствует отключению цилиндра. Дополнительно возможна эксплуатация в режиме вакуумного торможения (см. Фиг.13). Здесь в такте впуска ЭМЗ закрыта (или приоткрыта) - происходит вакуумное торможение поршня (тем сильнее, чем меньше открыта заслонка). Перед НМТ такта впуска ЭМЗ открывают полностью - цилиндр заполняется воздухом атмосферного давления. После НМТ и закрытия ВпК 3 в цилиндре происходит сжатие воздуха, затем в такте рабочего хода - его расширение, в конце которого при открытом ВыК 4 воздух выходит в выпускную трубу и т.д. В этом режиме, соответственно, топливо не подается, тормозной эффект регулируется либо величиной открытия ЭМЗ, либо длительностью полностью закрытого состояния ЭМЗ за такт впуска.
Режим вакуумного торможения может быть получен также многократным открыванием и закрыванием ЭМЗ в течение такта впуска.
4. В режиме частичной нагрузки ДВС, как и в прототипе /2/, может работать в режиме широтно-импульсной модуляции. При этом ЭМЗ полностью открывается на часть длительности такта впуска (насосных потерь нет).
Допускается режим работы с частично открытой ЭМЗ на всем такте впуска, как при работе с дроссельной заслонкой (максимальные насосные потери).
Допускается смешанный режим (небольшие насосные потери). Например, на такте впуска сначала ЭМЗ открыта полностью (насосные потери минимальны, топливо не подается), затем открыта частично (воздух поступает с повышенной турбулентностью, топливо подается, формируется стехиометрическая смесь), затем ЭМЗ полностью открыта (топливо не подается). Таким образом формируется послойная смесь при полном заряде цилиндра воздухом. Если на третьем этапе заслонка закрыта, сформируется послойная смесь с неполным зарядом воздуха. ЭМЗ за такт впуска может открываться полностью или частично несколько раз.
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.Воробьев-Обухов. Распредвал - на пенсию: Журнал "За рулем", №11, 1998.; прототип.
3. А.С. СССР №889878 кл. G02B 29/00.