способ регулирования мощности двигателя внутреннего сгорания методом изменения хода поршня и числа работающих цилиндров и двигатель внутреннего сгорания (варианты)

Формула изобретения

1. Способ регулирования мощности двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в формировании воздействия на орган управления двигателем, увеличении цикловой подачи топлива в цилиндры через топливодозирующее устройство при повышении нагрузки на двигатель и формировании воздействия на сочлененные шатуны двигателя через рычаги, одним концом воздействующие на шарниры сочлененных шатунов, а другим - взаимодействующие с приводами, перемещающими оси качания рычагов для изменения степени сжатия, положений мертвых точек и хода поршней, возвратно-поступательно движущихся в цилиндрах двигателя, причем шарниры сочлененных шатунов смещают в сторону от осей цилиндров и возвращают к осям цилиндров, отличающийся тем, что при запуске двигателя орган управления во время формирования на него воздействия передает сигнал на блок управления, вырабатывающий сигналы, задающие цикловую подачу топлива в цилиндры и положения осей качания рычагов, обеспечивающие заданные степень сжатия, величину хода поршня, положения мертвых точек и рабочий объем цилиндров, после запуска двигателя на режиме холостого хода блок управления под воздействием органа управления вырабатывает сигналы, задающие цикловую подачу топлива и положение оси качания рычага, обеспечивающие заданные степень сжатия, величину хода поршня, положения мертвых точек и рабочий объем для одного цилиндра двигателя, и вырабатывает сигналы, по которым прекращают подачу топлива и останавливают поршни в мертвых точках в остальных цилиндрах двигателя, по мере роста нагрузки по сигналу органа управления блок управления вырабатывает сигналы для поочередного включения в работу остальных цилиндров, предварительно вырабатывая сигналы, задающие цикловую подачу топлива в цилиндры и положения осей касания рычагов, обеспечивающие заданные степень сжатия, величину хода поршня, положения мертвых точек и рабочий объем цилиндров, а по мере снижения нагрузки по сигналу органа управления блок управления вырабатывает сигналы для поочередного выключения из работы цилиндров, прекращая подачу в них топлива и останавливая их поршни в мертвых точках.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что блок управления вырабатывает сигналы, по которым поршни останавливают в нижних мертвых точках.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что блок управления вырабатывает сигналы, по которым рабочий объем цилиндров увеличивают по мере роста нагрузки и уменьшают по мере снижения нагрузки.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что блок управления по сигналу о наличии в отработавших газах кислорода вырабатывает сигналы, по которым прекращают увеличение цикловой подачи топлива и увеличивают рабочий объем цилиндров.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что блок управления по сигналу о наличии в отработавших газах допустимой дозы оксидов азота вырабатывает сигнал, по которому уменьшают величину хода поршня во время такта выпуска, обеспечивая перемешивание части оставшихся в цилиндрах отработавших газов со свежим зарядом и снижение температуры горения рабочей смеси.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что блок управления вырабатывает сигналы приводам для перемещения осей качания рычагов по соответствующим прямым линиям, причем изменение положений мертвых точек каждого поршня для изменения рабочего объема и изменения его хода осуществляют при движении поршня от мертвой точки с фиксированным положением оси качания рычага путем ее перемещения по прямой линии и последующей фиксации.

7. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для остановки поршней в мертвых точках на расчетное время блок управления вырабатывает сигналы приводам осей качания рычагов для смещения шарниров сочлененных шатунов от осей цилиндров при повороте кривошипа коленчатого вала на участке от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке и возврата шарниров сочлененных шатунов к осям цилиндров при повороте кривошипа коленчатого вала на участке от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке.

8. Способ по любому из пп.1, 3 или 6, отличающийся тем, что для изменения степени сжатия блок управления вырабатывает сигналы, по которым такты впуска и сжатия осуществляют с различными величинами хода поршня.

9. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, цилиндры с крышками, поршни, размещенные в цилиндрах, коленчатый вал, сочлененные шатуны, выполненные из двух соединенных между собой шарниром частей, первые из которых связаны с поршнями, а вторые - с кривошипами коленчатого вала, рычаги, связанные одними концами с шарнирами сочлененных шатунов, а другими - с приводами, выполненными с возможностью перемещения осей качания рычагов, смещение шарниров сочлененных шатунов от осей цилиндров и возврата шарниров сочлененных шатунов к осям цилиндров, орган управления и устройство для дозирования топлива, причем ось вращения коленчатого вала перпендикулярна осям цилиндров, отличающийся тем, что он снабжен блоком управления, входы которого связаны с органом управления через контроллер, и с датчиками температуры, числа оборотов вала двигателя, детонации, верхних и нижних мертвых точек поршней, положений осей качания рычагов, кислорода и оксидов азота, причем выходы блока управления связаны с устройством для дозирования топлива и с приводами, перемещающими оси качания рычагов по прямым линиям, пересекающим оси цилиндров, датчики кислорода и оксидов азота расположены в выпускной системе двигателя, а устройство для дозирования топлива снабжено средствами для уменьшения и прекращения подачи топлива в цилиндры.

10. Двигатель по п.9, отличающийся тем, что устройство для дозирования топлива выполнено в виде электромагнитных насос-форсунок, связанных с блоком управления.

11. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, цилиндры с крышками, поршни, размещенные в цилиндрах, коленчатый вал, сочлененные шатуны, выполненные из двух соединенных между собой шарниром частей, первые из которых связаны с поршнями, рычаги, связанные одними концами с шарнирами сочлененных шатунов, а другими - с приводами, выполненными с возможностью перемещения осей качания рычагов, смещения шарниров сочлененных шатунов от осей цилиндров и возврата шарниров сочлененных шатунов к осям цилиндров, орган управления и устройство для дозирования топлива, отличающийся тем, что он снабжен блоком управления, входы которого связаны с органом управления через контроллер, и с датчиками температуры, числа оборотов вала двигателя, детонации, верхних и нижних мертвых точек поршней, положений осей качания рычагов, кислорода и оксидов азота, выходы блока управления связаны с устройством для дозирования топлива и с приводами, перемещающими оси качания рычагов по прямым линиям, пересекающим оси цилиндров, причем коленчатый вал выполнен с косым кривошипом, на котором размещена качающаяся шайба, соединенная со вторыми частями сочлененных шатунов, ось вращения коленчатого вала параллельна осям цилиндров, датчики кислорода и оксидов азота расположены в выпускной системе двигателя, а устройство для дозирования топлива снабжено средствами для уменьшения и прекращения подачи топлива в цилиндры.

12. Двигатель по п.11, отличающийся тем, что устройство для дозирования топлива выполнено в виде электромагнитных насос-форсунок, связанных с блоком управления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к многоцилиндровым двигателям внутреннего сгорания и способам регулирования их мощности за счет изменения величины хода поршней и числа работающих цилиндров.

Известен способ регулирования мощности двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в формировании воздействия на орган управления двигателем, увеличении цикловой подачи топлива в цилиндры через топливодозирующее устройство при повышении нагрузки на двигатель и формировании воздействия на сочлененные шатуны двигателя через рычаги, одним концом воздействующие на шарниры сочлененных шатунов, а другим взаимодействующие с приводами, перемещающими оси качания рычагов для изменения степени сжатия, положений мертвых точек и хода поршней, возвратно-поступательно движущихся в цилиндрах двигателя, причем шарниры сочлененных шатунов смещают в сторону от осей цилиндров и возвращают к осям цилиндров (см. заявку ФРГ N 3107244, кл. F 02 D 15/02, 1982).

Из указанного источника известен и двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, цилиндры с крышками, поршни, размещенные в цилиндрах, коленчатый вал, сочлененные шатуны, выполненные из двух соединенных между собой шарниром частей, первые из которых связаны с поршнями, рычаги, связанные одними концами с шарнирами сочлененных шатунов, а другими - с приводами, выполненными с возможностью перемещения осей качания рычагов, смещения шарниров сочлененных шатунов от осей цилиндров и возврата шарниров сочлененных шатунов к осям цилиндров, орган управления и устройство для дозирования топлива.

Однако известные способ и двигатель характеризуются повышенным сопротивлением впускного тракта при дросселировании двигателя на режимах холостого хода и малых нагрузок, что обуславливает подачу в двигатель обогащенной смеси как на режимах холостого хода и малых нагрузок, так и на режимах номинальных нагрузок. Все это приводит к непроизводительному расходу топлива и повышенной токсичности отработавших газов.

Задачей изобретения является повышение экономичности работы двигателя и снижение токсичности отработавших газов.

Поставленная задача в части способа решается тем, что в способе регулирования мощности двигателя внутреннего сгорания, заключающемся в формировании воздействия на орган управления двигателем, увеличении цикловой подачи топлива в цилиндры через топливодозирующее устройство при повышении нагрузки на двигатель и формировании воздействия на сочлененные шатуны двигателя через рычаги, одним концом воздействующие на шарниры сочлененных шатунов, а другим взаимодействующие с приводами, перемещающими оси качания рычагов для изменения степени сжатия, положений мертвых точек и хода поршней, возвратно-поступательно движущихся в цилиндрах двигателя, причем шарниры сочлененных шатунов смещают в сторону от осей цилиндров и возвращают к осям цилиндров, согласно изобретению при запуске двигателя орган управления во время формирования на него воздействия передает сигнал на блок управления, вырабатывающий сигналы, задающие цикловую подачу топлива в цилиндры и положения осей качания рычагов, обеспечивающие заданные степень сжатия, величину хода поршня, положения мертвых точек и рабочий объем цилиндров, после запуска двигателя на режиме холостого хода блок управления под воздействием органа управления вырабатывает сигналы, задающие цикловую подачу топлива и положение оси качания рычага, обеспечивающие заданные степень сжатия, величину хода поршня, положения мертвых точек и рабочий объем для одного цилиндра двигателя, и вырабатывает сигналы, по которым прекращают подачу топлива и останавливают поршни в мертвых точках в остальных цилиндрах двигателя, по мере роста нагрузки по сигналу органа управления блок управления вырабатывает сигналы для поочередного включения в работу остальных цилиндров, предварительно вырабатывая сигналы, задающие цикловую подачу топлива в цилиндры и положения осей качания рычагов, обеспечивающие заданные степень сжатия, величину хода поршня, положения мертвых точек и рабочий объем цилиндров, а по мере снижения нагрузки по сигналу органа управления блок управления вырабатывает сигналы для поочередного выключения из работы цилиндров, прекращая подачу в них топлива и останавливая их поршни в мертвых точках.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что блок управления вырабатывает сигналы, по которым поршни останавливают в нижних мертвых точках.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что блок управления вырабатывает сигналы, по которым рабочий объем цилиндров увеличивают по мере роста нагрузки и уменьшают по мере снижения нагрузки.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что блок управления по сигналу о наличии в отработавших газах кислорода вырабатывает сигналы, по которым прекращают увеличение цикловой подачи топлива и увеличивают рабочий объем цилиндров.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что блок управления по сигналу о наличии в отработавших газах допустимой дозы оксидов азота вырабатывает сигнал, по которому уменьшают величину хода поршня во время такта выпуска, обеспечивая перемешивание части оставшихся в цилиндрах отработавших газов со свежим зарядом и снижение температуры горения рабочей смеси.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что блок управления вырабатывает сигналы приводам для перемещения осей качания рычагов по соответствующим прямым линиям, причем изменение положений мертвых точек каждого поршня для изменения рабочего объема и изменения его хода осуществляют при движении поршня от мертвой точки с фиксированным положением оси качания рычага путем ее перемещения по прямой линии и последующей фиксации.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что для остановки поршней в мертвых точках на расчетное время блок управления вырабатывает сигналы приводам осей качания рычагов для смещения шарниров сочлененных шатунов от осей цилиндров при повороте кривошипа коленчатого вала на участке от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке и возврата шарниров сочлененных шатунов к осям цилиндров при повороте кривошипа коленчатого вала на участке от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что для изменения степени сжатия блок управления вырабатывает сигналы, по которым такты впуска и сжатия осуществляют с различными величинами хода поршня.

Поставленная задача в части двигателя по первому варианту решается тем, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, цилиндры с крышками, поршни, размещенные в цилиндрах, коленчатый вал, сочлененные шатуны, выполненные из двух соединенных между собой шарниром частей, первые из которых связаны с поршнями, а вторые - с кривошипами коленчатого вала, рычаги, связанные одними концами с шарнирами сочлененных шатунов, а другими - с приводами, выполненными с возможностью перемещения осей качания рычагов, смещения шарниров сочлененных шатунов от осей цилиндров и возврата шарниров сочлененных шатунов к осям цилиндров, орган управления и устройство для дозирования топлива, причем ось вращения коленчатого вала перпендикулярна осям цилиндров, согласно изобретению снабжен блоком управления, входы которого связаны с органом управления через контроллер и с датчиками температуры, числа оборотов вала двигателя, детонации, верхних и нижних мертвых точек поршней, положения осей качания рычагов, кислорода и оксидов азота, причем выходы блока управления связаны с устройством для дозирования топлива и с приводами, перемещающими оси качания рычагов по прямым линиям, пересекающим оси цилиндров, датчики кислорода и оксидов азота расположены в выпускной системе двигателя, а устройство для дозирования топлива снабжено средствами для уменьшения и прекращения подачи топлива в цилиндры.

Поставленная задача в части двигателя по второму варианту решается тем, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, цилиндры с крышками, поршни, размещенные в цилиндрах, коленчатый вал, сочлененные шатуны, выполненные из двух соединенных между собой шарниром частей, первые из которых связаны с поршнями, рычаги, связанные одними концами с шарнирами сочлененных шатунов, а другими - с приводами, выполненными с возможностью перемещения осей качания рычагов, смещения шарниров сочлененных шатунов от осей цилиндров и возврата шарниров сочлененных шатунов к осям цилиндров, орган управления и устройство для дозирования топлива, согласно изобретению снабжен блоком управления, входы которого связаны с органом управления через контроллер, и с датчиками температуры, числа оборотов вала двигателя, детонации, верхних и нижних мертвых точек поршней, положений осей качания рычагов, кислорода и оксидов азота, выходы блока управления связаны с устройством для дозирования топлива и с приводами, перемещающими оси качания рычагов по прямым линиям, пересекающим оси цилиндров, причем коленчатый вал выполнен с косым кривошипом, на котором размещена качающаяся шайба, соединенная со вторыми частями сочлененных шатунов, ось вращения коленчатого вала параллельна осям цилиндров, датчики кислорода и оксидов азота расположены в выпускной системе двигателя, а устройство для дозирования топлива снабжено средствами для уменьшения и прекращения подачи топлива в цилиндры.

Поставленная задача в части двигателя по первому и второму вариантам решается также тем, что устройство для дозирования топлива выполнено в виде электромагнитных насос-форсунок, связанных с блоком управления.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез предлагаемого двигателя по первому варианту; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг. 3 - продольный разрез предлагаемого двигателя по второму варианту; на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 3; на фиг.5 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при остановке поршня двигателя по первому варианту; на фиг. 6 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при стандартном ходе поршня двигателя по первому варианту; на фиг.7 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при полуторном ходе поршня двигателя по первому варианту; на фиг.8 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при двойном ходе поршня двигателя по первому варианту; на фиг.9 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при корректировке степени сжатия двигателя по первому варианту; на фиг. 10 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при остановке поршня двигателя по второму варианту; на фиг. 11 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при стандартном ходе поршня двигателя по второму варианту; на фиг.12 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при полуторном ходе поршня двигателя по второму варианту; на фиг. 13 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при двойном ходе поршня двигателя по второму варианту; на фиг. 14 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при корректировке степени сжатия двигателя по второму варианту.

Многоцилиндровый двигатель по первому варианту (фиг. 1,2,5-9), который является многотопливным экологичным, экономичным двигателем с изменяемыми ходом поршня и числом работающих цилиндров, содержит корпус 1, цилиндры 2 с крышками 3, поршни 4, размещенные в цилиндрах 2, сочлененные шатуны 5 и коленчатый вал 6. Сочлененные шатуны 5 состоят из двух шарнирно соединенных между собой частей, первые из которых связаны с поршнями 4, а вторые - с кривошипами коленчатого вала 6. Рычаги 7 связаны одними концами с шарнирами 8 сочлененных шатунов 5, а другими - с приводами 9. Приводы 9 выполнены с возможностью перемещения осей 10 качания рычагов 7 по прямым линиям Х-Х", пересекающим оси У-У" цилиндров 2 и смещения шарниров 8 сочлененных шатунов 5 от осей У-У" цилиндров 2 и возврата шарниров 8 сочлененных шатунов 5 к осям У-У" цилиндров 2. Двигатель имеет также устройство 11 для дозирования топлива, представляющее собой, например, электромагнитные насос-форсунки или карбюратор, маховик 12 и газораспределительные клапаны 13. Ось 14 вращения коленчатого вала 6 перпендикулярна осям У-У" цилиндров 2. Кроме того, двигатель содержит блок 15 управления, вход которого связан с органом 16 управления, например педалью акселератора, через контроллер 17. Входы блока 15 управления также связаны с датчиком 18 кислорода, датчиком 19 детонации, датчиками 20 верхних и нижних мертвых точек поршней 4, датчиками 21 положений осей 10 качания рычагов 7, датчиком 22 температуры двигателя, датчиком 23 температуры воздуха, датчиком 24 оксидов азота и датчиком 25 числа оборотов вала двигателя. Выходы блока 15 управления связаны с устройством 11 для дозирования топлива и с приводами 9, перемещающими оси 10 качания рычагов 7. Датчики 18,24 кислорода и оксидов азота расположены в выпускной системе двигателя. Устройство 11 для дозирования топлива снабжено средствами для уменьшения и прекращения подачи топлива в цилиндры 2.

У многоцилиндрового двигателя по второму варианту (фиг. 3,4,10-14), который является аксиальным многотопливным экологичным, экономичным двигателем с изменяемыми ходом поршня и числом работающих цилиндров, в отличие от вышеописанного двигателя по первому варианту ось 14 вращения коленчатого вала 6 расположена параллельно осям У-У" цилиндров 2, а коленчатый вал 6 выполнен с косым кривошипом, на котором размещена качающаяся шайба 27. Шайба 27 установлена на сферической опоре 28, а последняя, в свою очередь, расположена на цилиндрической опоре 29 коленчатого вала 6. Кроме того, вторые части сочлененных шатунов 5 соединены с качающейся шайбой 27, сообщая ей качательное движение, преобразующееся во вращательное движение коленчатого вала 6.

Предлагаемый способ регулирования мощности реализуется как в двигателе по первому варианту, так и в двигателе по второму варианту следующим образом.

При запуске двигателя блок 15 управления, учитывая сигналы от датчика 22 температуры двигателя, датчика 23 температуры воздуха, датчика 19 детонации (учета вида топлива), корректирует степень сжатия (фиг.9,14) и задает необходимую цикловую подачу топлива через устройство 11 при формировании воздействия на орган 16 управления через контроллер 17. Для корректировки степени сжатия блок 15 управления вырабатывает сигналы приводом 9, которые перемещают оси 10 качания рычагов 7 по прямой линии Х-Х". Изменение положений верхних мертвых точек (ВМТ₁, ВМТ₂,...) и нижних мертвых точек (НМТ₁, НМТ₂,.. . ) поршней 4 для изменения рабочего объема цилиндров 2 и изменение величины хода поршней 4 осуществляется при движении поршня 4 от мертвой точки путем перемещения оси 10 качания рычагов 7 с ее фиксированным положением в одной точке по прямой линии Х-Х" и последующей фиксацией в другой точке, например, из точки а в точки b, c, d, f и обратно (фиг.5-14). Для изменения степени сжатия блок управления вырабатывает сигналы, по которым такты впуска и сжатия осуществляют с различными величинами хода поршней 4. После запуска двигателя на режиме холостого хода и его прогрева блок 15 управления под воздействием органа 16 управления вырабатывает сигналы, задающие необходимые цикловую подачу топлива и положение оси 10 качания рычага 7, обеспечивающие заданные степень сжатия, величину хода поршня 4, положения мертвых точек и рабочий объем только для одного цилиндра 2 двигателя, и вырабатывает сигналы, по которым прекращают подачу топлива и останавливают поршни 4 в мертвых точках в остальных цилиндрах 2 двигателя. Для остановки поршней 4 в мертвых точках на расчетное время блок 15 управления вырабатывает сигналы приводом 9 осей 10 качания рычагов 7, которые смещают шарниры 8 сочлененных шатунов 5 от осей У-У" цилиндров 2 при повороте кривошипа коленчатого вала 6 на участке от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке и возвращают шарнир 8 к осям У-У" при повороте кривошипа коленчатого вала 6 на участке от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. Остановку поршней 4 по сигналам блока 15 управления предпочтительней осуществлять в нижних мертвых точках (фиг.5,10), перемещая оси 10 качания из точки а в точку b и обратно. По мере роста нагрузки по сигналу органа 16 управления блок 15 управления вырабатывает сигналы для поочередного включения в работу остальных цилиндров 2, предварительно вырабатывая сигналы, задающие необходимые цикловую подачу топлива и положения осей 10 качания рычагов 7, обеспечивающие заданные степень сжатия, величину хода поршней 4, положения мертвых точек и рабочий объем цилиндров 2, причем по мере дальнейшего роста нагрузки увеличивают рабочий объем цилиндров 2 (фиг.7,8,12,13). На режимах малых и средних нагрузок блок 15 управления по сигналу датчика 18 о наличии в отработавших газах кислорода вырабатывает сигналы, по которым прекращают увеличение цикловой подачи топлива и увеличивают рабочий объем цилиндров 2. А по сигналу датчика 24 о наличии в отработавших газах допустимой дозы оксидов азота блок 15 управления вырабатывает сигнал, по которому уменьшают величину хода поршней 4 во время такта выпуска, что обеспечивает перемешивание части оставшихся в цилиндрах отработавших газов со свежим зарядом и тем самым снижение температуры горения рабочей смеси и уменьшение токсичности отработавших газов. На режимах, близких к номинальному, когда требуется полная мощность двигателя, датчики 18,24 отключают и осуществляют дальнейший рост объема цилиндров 2, при этом величину хода поршней 4 во время такта выпуска увеличивают, прекращают перемешивание отработавших газов со свежим зарядом в прежнем объеме, а двигатель работает на обогащенной смеси с удвоенным объемом цилиндров. На режиме холостого хода рекомендуется осуществлять работу двигателя с объемом цилиндра, составляющим 0,7 от объема цилиндра со стандартным ходом поршня, на малых и средних нагрузках предпочтительно использовать объем цилиндра, составляющий от 0,7 до 1,8 от объема цилиндра со стандартным ходом поршня, а на режимах, близких к номинальному, использовать объем цилиндра от 1,8 до 2,0 от объема цилиндра со стандартным ходом поршня. По мере снижения нагрузки по сигналу органа 16 управления блок 15 управления вырабатывает сигналы для поочередного выключения из работы цилиндров 2, прекращая подачу в них топлива и останавливая их поршни 4 в мертвых точках, а также сигналы для уменьшения рабочего объема в работающих цилиндрах 2.