Способ управления работой двигателя внутреннего сгорания и двигатель для его осуществления

Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено на двигателях для транспортных средств. Мощность двигателя регулируют, изменяя длительность импульса подачи топлива. При изменении режима работы двигателя регулируют скорость впрыска топливовоздушной смеси в форкамеру и камеру сгорания, меняя давление в компрессорном цилиндре, для чего изменяют давление клапана отсечки на седло. При увеличении длительности импульса подачи топлива давление в компрессорном цилиндре увеличивают, а при уменьшении длительности импульса уменьшают, обеспечивая в форкамере у электродов свечи зажигания соотношение воздуха и топлива 8:1...20:1. Впрыск смеси в форкамеру и в камеру сгорания производят при ходе поршня к верхней мертвой точке после перекрытия впускных и выпускных каналов, но не позднее 5° до искрового разряда на электродах свечи. Двигатель для осуществления способа снабжен датчиком режима работы, процессором и приводом давления на клапан отсечки. Датчик соединен с процессором, который соединен с приводом давления и с устройством для дозирования топлива. Изобретение обеспечивает повышение мощности двигателя, уменьшение расхода топлива и снижение токсичности выхлопных газов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено при проектировании, изготовлении и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, устанавливаемых, например, на транспортных средствах.

Известен двигатель внутреннего сгорания (патент РФ №2182981 от 17.08.2000 г., МКИ 7 F 02 В 19/10), который содержит цилиндр с помещенным в нем поршнем, присоединенным к коленчатому валу, головку цилиндра, в которой изготовлена камера сгорания и сообщенная с ней форкамера со свечой зажигания, соединенная через вспомогательный канал и впускной канал с магистралью питания. Последняя оснащена элементами для дозирования воздуха и топлива. Двигатель содержит также впускной коллектор, соединенный через впускной патрубок и впускной клапан с камерой сгорания и оснащенный топливодозирующим органом и дроссельной заслонкой, сблокированной с элементом для дозирования воздуха. В магистрали питания перед элементом дозирования воздуха помещен приводной нагнетатель. Однако управление работой этого двигателя традиционно сводится к регулировке количества топлива в составе топливовоздушной смеси, поступающей в рабочий цилиндр, что позволяет изменять число оборотов коленчатого вала двигателя и его мощность в зависимости от нагрузки. Такой способ управления работой двигателя не позволяет использовать бедную топливовоздушную смесь и не обеспечивает устойчивой его работы на малых оборотах коленчатого вала, что приводит к повышению расхода и к неполному сгоранию топлива.

Известен также двигатель внутреннего сгорания (патент РФ №2182981, F 02 В 19/10, 2002). Этот двигатель и способ управления им принят за прототип. Он содержит рабочий цилиндр с поршнем, кинематически связанный с коленчатым валом, и головку цилиндра, в которой расположены камера сгорания и форкамера со свечой зажигания. Форкамера соединена каналом с магистралью питания через систему впрыска топливовоздушной смеси, включающую в себя клапан отсечки, нагнетатель топливовоздушной смеси, в качестве которого применен компрессорный цилиндр, и устройство для дозирования топлива и воздуха, в качестве которого применена форсунка. Форкамера выполнена в головке цилиндра как продолжение камеры сгорания.

Такая совокупность признаков предлагаемой конструкции двигателя позволяет повысить мощность двигателя и снизить токсичность отработанных газов за счет применения бедной топливовоздушной смеси. Однако способ управления работой двигателя по прототипу также заключается в том, что изменяют количество топлива в подаваемой в камеру сгорания топливовоздушной смеси. Степень сжатия этой смеси жестко задана параметрами клапана отсечки и не может изменяться в процессе работы двигателя в зависимости от его режима работы. Это ограничивает возможности применения бедной смеси и не обеспечивает дальнейшее повышение степени сгорания топлива, что уменьшает возможность повышения мощности двигателя и снижения токсичности выхлопных газов.

Технический результат изобретения - повышение мощности двигателя, уменьшение расхода топлива и снижение токсичности выхлопных газов.

Сущность изобретения заключается в том, что для осуществления предлагаемого способа используют двигатель, снабженный рабочим цилиндром с рабочим поршнем и с системой впрыска топливовоздушной смеси в форкамеру и в камеру сгорания рабочего цилиндра. Система впрыска этого двигателя содержит компрессорный цилиндр с поршнем и клапан отсечки, который взаимодействует с седлом. Мощность двигателя регулируют путем изменения количества топлива, впрыскиваемого в форкамеру и в камеру сгорания. Для этого изменяют длительность импульса подачи топлива через устройство для его дозирования.

В отличие от прототипа при изменении режима работы двигателя регулируют скорость впрыска топливовоздушной смеси в форкамеру и в камеру сгорания рабочего цилиндра. Для этого регулируют давление в компрессорном цилиндре, изменяя давление клапана отсечки на седло. При увеличении длительности импульса подачи топлива давление в компрессорном цилиндре увеличивают. При уменьшении длительности импульса подачи топлива давление в компрессорном цилиндре уменьшают. Эти изменения давления в компрессорном цилиндре осуществляют так, чтобы в форкамере, в зоне расположения электродов свечи зажигания, обеспечивалось соотношение воздуха и топлива в топливовоздушной смеси 8:1...20:1.

Впрыск топливовоздушной смеси в форкамеру и в камеру сгорания рабочего цилиндра осуществляют при ходе поршня к верхней мертвой точке после перекрытия впускных и выпускных каналов рабочего цилиндра, но не позднее 5° до искрового разряда на электродах свечи зажигания.

Двигатель для осуществления предлагаемого способа в отличие от прототипа снабжен датчиком режима работы, приводом давления на клапан отсечки и процессором. Датчик режима работы соединен с процессором. Процессор соединен с устройством для дозирования топлива и с приводом давления на клапан отсечки.

Такая совокупность признаков предлагаемого способа и двигателя для его осуществления обеспечивает изменение степени сжатия топливовоздушной смеси при изменении режима работы двигателя. Это позволяет сохранять постоянство соотношения топлива и воздуха в составе топливовоздушной смеси в зоне электродов свечи зажигания в заданных пределах. В результате при увеличения количества топлива в составе топливовоздушной смеси будет обеспечено наиболее полное его сгорание, что повысит мощность двигателя, уменьшит расход топлива и снизит токсичность выхлопных газов. При уменьшении количества топлива в топливовоздушной смеси будет повышена стабильность работы двигателя за счет обеспечения ядра богатой смеси в зоне электродов свечи зажигания. Это также повысит мощность двигателя, обеспечит экономию топлива и снизит токсичность выхлопных газов.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где показана схема осуществления предлагаемого способа и конструкция двигателя, предлагаемого для его осуществления.

При осуществлении предлагаемого способа управления работой двигателя внутреннего сгорания используют двигатель, снабженный рабочим цилиндром 1 с рабочим поршнем 2, системой 3 впрыска топливовоздушной смеси в форкамеру 4 и в камеру сгорания 5 рабочего цилиндра 1. Система впрыска 3 содержит компрессорный цилиндр 6 с поршнем 7 и клапан отсечки 8, который взаимодействует с седлом 9, мощность двигателя регулируют путем изменения количества топлива, впрыскиваемого в форкамеру 4 и в камеру сгорания 5. Для этого изменяют длительность импульса подачи топлива через устройство 10 для дозирования топлива. При изменении режима работы двигателя регулируют скорость впрыска топливовоздушной смеси в форкамеру 4 и в камеру сгорания 5 рабочего цилиндра 1. Для этого регулируют давление в компрессорном цилиндре 6, изменяя давление клапана отсечки 8 на седло 9. При увеличении длительности импульса подачи топлива давление в компрессорном цилиндре 6 увеличивают, а при уменьшении длительности импульса подачи топлива давление в компрессорном цилиндре 6 уменьшают. Изменение давления в компрессорном цилиндре 6 осуществляют так, чтобы в форкамере, в зоне расположения электродов свечи зажигания 11, обеспечивалось соотношение воздуха и топлива в топливовоздушной смеси 8:1...20:1.

Впрыск топливовоздушной смеси в форкамеру 4 и камеру сгорания 5 рабочего цилиндра 1 осуществляют при ходе рабочего поршня 2 к верхней мертвой точке после перекрытия впускных каналов 12 и выпускных каналов 13 рабочего цилиндра 1, но не позднее 5° до искрового разряда на электродах свечи зажигания 11.

Двигатель для осуществления предлагаемого способа снабжен датчиком 14 режима работы, приводом 15 давления на клапан отсечки 8 и процессором 16. Датчик 14 режима работы соединен с процессором 16, который соединен с устройством 10 дозирования топлива и с приводом 15 давления на клапан отсечки 8.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Воздух и топливо, которое может быть как жидким, так и газообразным, подают соответственно через канал 17 и устройство 10 для дозирования топлива, в качестве которого может быть применена, например, форсунка. Через кольцевую выточку 18 в компрессорном цилиндре 6 и окна 19 в гильзе 20 топливовоздушная смесь попадает в полость гильзы 20 компрессорного цилиндра 6.

При движении вверх компрессорного поршня 7, кинематически связанного с рабочим поршнем 2, образовавшаяся в полости гильзы 20 топливовоздушная смесь будет сжиматься. При достижении давлением топливовоздушной смеси значения, превышающего давление на клапан отсечки 8, которое установлено с помощью привода 15, клапан отсечки 8 поднимется от седла 9 и топливовоздушная смесь поступит через вертикальный канал 21 и соединительные каналы 22 и 23 соответственно в форкамеру 4 в зону электродов свечи зажигания 11 и в камеру сгорания 5.

Привод 15 давления на клапан отсечки 8 может иметь любую известную конструкцию. Он может быть, например, пневматическим, нагнетающим воздух из компрессора или из ресивера в полость над клапаном отсечки 8, либо механическим, состоящим из электромеханического привода 15 со штоком 24, воздействующим на пружину 25, как это показано на чертеже.

По предлагаемому способу двигатель работает при полностью открытой дроссельной заслонке или вообще без нее. Это обуславливает одинаковый объем воздуха в рабочем цилиндре 1 на всех режимах работы двигателя. В этом случае для стабильной работы двигателя на всех режимах работы необходимо обеспечивать в зоне электродов свечи зажигания 11 и в камере сгорания 5 топливовоздушную смесь с соотношением воздуха и топлива 8:1...20:1. Этот диапазон выбран из условия максимально допустимых отклонений от стехиометрического соотношения воздуха и топлива в составе топливовоздушной смеси, которое составляет 14,7:1. При соотношении воздуха и топлива топливовоздушной смеси больше 20:1 ядро смеси в зоне электродов свечи 11 будет обедненным, ее воспламенение затруднится, что понизит стабильность работы двигателя. При соотношении воздуха и топлива меньше, чем 8:1, смесь в зоне электродов свечи 11 будет чрезмерно обогащенной, что приведет к непроизводительному расходу топлива.

Кроме того, станет возможным осаждение топлива на электродах свечи 9, что может понизить стабильность работы двигателя.

При работе двигателя в режиме холостого хода и при небольших нагрузках требуется небольшое количество топлива. Поэтому длительность импульса подачи топлива через устройство 10 для его дозирования уменьшают. Но при этом топливовоздушную смесь, впрыскиваемую из компрессорного цилиндра 6, надо смешивать лишь с частью воздуха, находящегося в рабочем цилиндре 1. Для этого уменьшают давление впрыска топливовоздушной смеси из компрессорного цилиндра 6, уменьшая давление на клапан отсечки 8, в этом случае клапан отсечки 8 поднимется при давлении в полости гильзы 20 компрессорного цилиндра 6, лишь незначительно превышающем давление воздуха в рабочем цилиндре 1. Топливовоздушная смесь войдет через каналы 21, 22 и 23 в форкамеру 4 и в камеру сгорания 5 с небольшой скоростью, завихряясь и перемешиваясь только с небольшой частью воздуха, содержащегося в рабочем цилиндре 1. Это обеспечит образование в форкамере 4 и в камере сгорания 5 заряда топливовоздушной смеси с соотношением воздуха и топлива 8:1...20:1.

При увеличении нагрузки двигателя длительность импульса подачи топлива увеличивают. Это увеличивает количество топлива в составе топливовоздушной смеси. Чтобы получить в форкамере 4 топливовоздушную смесь с выбранным соотношением воздуха и топлива, увеличивают давление топливовоздушной смеси в компрессорном цилиндре 6, повышая давление на клапан отсечки 8. В результате клапан отсечки 8 откроется при большем давлении в полости гильзы 20 компрессорного цилиндра 6. Это увеличит скорость впрыска топливовоздушной смеси через каналы 21, 22, и 23 в камеру 4 и камеру сгорания 5. В результате увеличится глубина проникновения топливовоздушной смеси в пространство рабочего цилиндра 1, богатая смесь, поступающая из компрессорного цилиндра 6, обеднится, в форкамере 4 и в камере сгорания 5 образуется слой топливовоздушной смеси с соотношением воздуха и топлива 8:1...20:1, что обеспечит стабильную работу двигателя.

Впрыск топливовоздушной смеси в форкамеру 4 и в камеру сгорания 5 осуществляют при ходе рабочего поршня 2 к верхней мертвой точке после перекрытия впускных 12 и выпускных 13 каналов рабочего цилиндра 1, но не позднее 5° до искрового разряда на электродах свечи зажигания 11. Это обеспечивает возможность получения в зоне электродов свечи зажигания 11 топливовоздушной смеси со стабильным соотношением воздуха и топлива в пределах 8:1...20:1. Впрыск топливовоздушной смеси до перекрытия рабочим поршнем 2 впускных 12 и выпускных 13 окон рабочего цилиндра 1 приведет к потере мощности двигателя и к увеличенному расходу топлива, поскольку часть топливовоздушной смеси может быть выброшена через выпускные окна 13. Это также увеличит токсичность выхлопных газов. Поступающий через открытые впускные окна 12 воздух обеднит топливовоздушную смесь, что может понизить стабильность работы двигателя. При впрыске топливовоздушной смеси позже 5° до искрового разряда на электродах свечи 11 топливовоздушная смесь не успеет рассредоточиться в объеме форкамеры 4 и камеры сгорания 5 рабочего цилиндра 1, в зоне электродов свечи зажигания 11 образуется ядро переобогащенной смеси, что затруднит ее загорание и может вызвать осаждение топлива на электродах свечи зажигания 11. Это ухудшит стабильность работы двигателя.

Двигатель для осуществления предлагаемого способа снабжен датчиком 14 режима работы, приводом 15 давления на клапан отсечки 8 и процессором 16. Датчик 14 режима работы соединен с процессором 16, который соединен с устройством 10 для дозирования топлива и с приводом 15 давления на клапан отсечки 8. При изменении режима работы датчик 14 подает сигнал на процессор 16, который формирует и подает команду на привод давления 15 и на устройство 10 для дозирования топлива. Если датчик 15 подает на процессор 16 сигнал об увеличении количества топлива, то процессор 16 сформирует и подаст команду на устройство 10 для дозирования топлива об увеличении длительности импульса подачи топлива. Одновременно процессор 16 сформирует и подаст на привод 15 команду об увеличении давления на клапан отсечки 8, пропорционального увеличению длительности импульса подачи топлива. Привод 15, выполняя эту команду, может, например, увеличить предварительное сжатие пружины 25 через шток 24, как это показано на чертеже, или увеличить давление воздуха в полости над клапаном отсечки 8, соединив эту полость с компрессором либо ресивером. При необходимости снижения мощности двигателя датчик 14 подаст на процессор 16 сигнал об уменьшении количества топлива, подаваемого в компрессорный цилиндр 6. Процессор 16 в этом случае сформирует и подаст на устройство 10 для дозирования топлива команду об уменьшении длительности импульса подачи топлива и одновременно сформирует и подаст на привод 15 команду об уменьшении давления на клапан отсечки 8, например об уменьшении степени сжатия пружины 25. Привод 15 в этом случае поднимет шток 24, ослабляя предварительное сжатие пружины 25, либо откроет клапан, стравливая воздух из полости над клапаном отсечки 8 при пневматическом варианте конструкции привода 15. Это уменьшит давление на клапан отсечки 8.

В соответствии с программой, которая может быть заложена в процессор 16, при изменении режима работы двигателя давление на клапан отсечки 8 устанавливают таким, чтобы он открывался при давлении в полости гильзы 20 компрессорного цилиндра 6, обеспечивающем скорость впрыска топливовоздушной смеси, позволяющую в зоне электродов свечи зажигания 11 получать соотношение воздуха и топлива 8:1...20:1.

Предлагаемый способ может быть осуществлен на любом из известных двигателей внутреннего сгорания, снабженных форкамерой и системой впрыска топливовоздушной смеси. В качестве датчика 14 может быть использован, например, потенциометр или известный индукционный датчик, механически связанный с органом управления двигателем, в качестве которого может быть использована, например, педаль газа в автомобиле или ручка газа на мотоцикле. Двигатель для осуществления предлагаемого способа может быть снабжен любым известным процессором 16, из числа широко применяющихся в настоящее время на автомобилях. В качестве привода 15 давления на клапан отсечки 8 для сжатия пружины 25 может быть использован электромеханический привод, состоящий из электродвигателя с редуктором и выдвижного штока 24, либо электромагнитный привод, состоящий из соленоида с подвижным сердечником, на котором закреплен шток 22. Такие приводы широко известны в различных областях техники. При пневматическом варианте конструкции привода 15 может быть использовано известное пневматическое оборудование, например компрессор или ресивер со сжатым газом, а также известная пневматическая пускорегулирующая аппаратура.

Таким образом, предлагаемый способ управления работой двигателя внутреннего сгорания и двигатель для его осуществления обеспечивают положительный эффект, заключающийся в повышении мощности двигателя, уменьшении расхода топлива и снижении токсичности выхлопных газов. Предлагаемый способ и двигатель могут быть осуществлены с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый способ управления двигателем внутреннего сгорания и двигатель для его осуществления обладают промышленной применимостью.

1. Способ управления работой двигателя внутреннего сгорания, при котором используют двигатель, снабженный рабочим цилиндром с рабочим поршнем и системой впрыска топливовоздушной смеси в форкамеру и в камеру сгорания рабочего цилиндра, содержащую компрессорный цилиндр с поршнем и клапан отсечки, взаимодействующий с седлом, а мощность двигателя регулируют путем изменения количества топлива, впрыскиваемого в форкамеру и камеру сгорания, для чего изменяют длительность импульса подачи топлива через устройство для его дозирования, отличающийся тем, что при изменении режима работы двигателя регулируют скорость впрыска топливовоздушной смеси в форкамеру и в камеру сгорания рабочего цилиндра, регулируя давление в компрессорном цилиндре, для чего изменяют давление клапана отсечки на седло.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при увеличении длительности импульса подачи топлива давление в компрессорном цилиндре увеличивают, а при уменьшении длительности импульса подачи топлива давление в компрессорном цилиндре уменьшают так, чтобы в форкамере в зоне расположения электродов свечи зажигания обеспечивалось соотношение воздуха и топлива в топливовоздушной смеси 8:1...20:1.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что впрыск топливовоздушной смеси в форкамеру и в камеру сгорания рабочего цилиндра осуществляют при ходе поршня к верхней мертвой точке после перекрытия впускных и выпускных каналов рабочего цилиндра, но не позднее 5° до искрового разряда на электродах свечи зажигания.

4. Двигатель внутреннего сгорания для осуществления способа по любому из п.1-3, отличающийся тем, что двигатель снабжен датчиком режима работы, приводом давления на клапан отсечки и процессором, причем датчик режима работы соединен с процессором, который соединен с устройством для дозирования топлива и с приводом давления на клапан отсечки.