двигатель внутреннего сгорания и способ управления им

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочий цилиндр с рабочим поршнем, компрессорный цилиндр с компрессорным поршнем, который кинематически соединен с рабочим поршнем, и камеру сгорания со свечей зажигания, соединенную каналом подачи топливовоздушной смеси через обратные клапаны с компрессорным цилиндром, выполненный в головке рабочего цилиндра канал вокруг камеры сгорания, соединенный с каналом подачи топливовоздушной смеси из компрессорного цилиндра, и радиальными каналами с полостью камеры сгорания, каналы подачи воздуха и топлива и два устройства для подачи топлива, одно из которых расположено в верхней части компрессорного цилиндра и соединено с полостью компрессорного цилиндра через обратный клапан, отличающийся тем, что двигатель оснащен газораспределительным механизмом, впускным и выпускным клапанами, которые установлены на входах в камеру сгорания впускного и выпускного каналов, второе устройство для подачи топлива установлено во впускном канале подачи воздуха в камеру сгорания, газораспределительный механизм снабжен датчиком фаз работы двигателя, а коленчатый вал рабочего или компрессорного цилиндра - датчиком угла поворота, датчик фаз и датчик угла поворота соединены с блоком управления двигателем, который соединен с акселератором, с устройствами для подачи топлива, с модулем управления дроссельной заслонкой, установленной в канале подачи воздуха в компрессорный цилиндр, и с датчиком массового расхода воздуха, установленном в этом канале, причем канал подачи воздуха в компрессорный цилиндр расположен в верхней части компрессорного цилиндра.

2. Способ управления двигателем по п.1, при котором управляют мощностью двигателя с помощью дроссельной заслонки, причем для регулировки состава топливовоздушной смеси в компрессорном цилиндре используют сигналы от датчика массового расхода воздуха, установленного в канале подачи воздуха в компрессорный цилиндр, топливовоздушную смесь подают в камеру сгорания из компрессорного цилиндра, отличающийся тем, что при больших нагрузках и в режиме максимальной мощности дополнительно подают топливовоздушную смесь в камеру сгорания из ее впускного канала, подавая в этот канал топливо через расположенное в нем устройство для подачи топлива, причем в качестве сигнала для дополнительной подачи топлива в камеру сгорания через впускной канал используют угол поворота педали акселератора и сигнал датчика фаз работы газораспределительного механизма, а впрыск топливовоздушной смеси в камеру сгорания из компрессорного цилиндра осуществляют на такте сжатия не позднее 10° поворота коленчатого вала рабочего поршня до его верхней мертвой точки.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что впуск топлива в камеру сгорания через устройство, расположенное в ее впускном канале, производят во время такта наполнения рабочего цилиндра после закрытия выпускного клапана, установленного на входе выпускного канала в камеру сгорания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено, например, при производстве двигателей для автомобилей.

Известен двигатель внутреннего сгорания с непосредственным впрыском топлива в камеру сгорания (А.Дмитриевский, Д.Филонов. Непосредственный впрыск: революция на грани тысячелетия. / Автомобили, № 1, 2001, С.72 75). Известный двигатель содержит рабочий цилиндр с поршнем, кинематически соединенным с коленчатым валом. В головке цилиндра на входе в камеру сгорания установлена свеча зажигания и форсунка, соединенная с насосом высокого давления. Канал подачи воздуха подведен сверху в камеру сгорания. Форсунка обеспечивает два режима впрыскивания топлива в камеру сгорания. При первом из них топливо впрыскивают в камеру сгорания в конце такта сжатия или в процессе такта впуска одним импульсом. При втором режиме, который применяют при использовании обогащенной топливовоздушной смеси в процессе работы двигателя, топливо подают двумя импульсами. Вначале, на такте впуска, подают небольшое количество топлива, которое, испаряясь, охлаждает воздух в цилиндре и обеспечивает сверхбедную топливовоздушную смесь. Затем в конце такта сжатия подают компактную струю топлива, обогащающую топливовоздушную смесь. Это обеспечивает возможность повышения степени сжатия топливовоздушной смеси без опасности возникновения детонации и калильного зажигания. В результате уменьшается расход топлива, увеличивается мощность двигателя и уменьшается выделение вредных продуктов горения.

Однако известная конструкция двигателя требует применения дорогого оборудования: насоса высокого давления и соответствующей ему форсунки высокого давления. Для надежной работы известного двигателя требуется поршень сложной конструкции, что увеличит затраты на его изготовление и также удорожит двигатель. Кроме того, при расположении форсунки непосредственно на входе в камеру сгорания велика вероятность ее засорения продуктами сгорания, что снизит мощность двигателя и нарушит режим его работы.

Известен также двигатель внутреннего сгорания, защищенный патентом РФ № 2348819 от 29.12.2007, МКИ F02B 19/10, который принят за прототип. Двигатель по прототипу содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем, форкамеру со свечой зажигания и камеру сгорания. Двигатель снабжен нагнетателем топливовоздушной смеси, выполненным в виде компрессорного цилиндра с поршнем. Компрессорный цилиндр снабжен каналами подачи топлива и воздуха, а также каналами подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, и устройством для подачи топлива, которое может быть установлено в верхней или нижней части компрессорного цилиндра. По одному из вариантов компрессорный цилиндр может быть снабжен двумя устройствами для подачи топлива, одно из которых расположено в нижней части компрессорного цилиндра и соединено с каналом подачи воздуха, а другое - в верхней его части, выше верхней мертвой точки компрессорного поршня. Между каналом подачи топлива и компрессорным цилиндром установлен обратный клапан. Двигатель снабжен одной или несколькими парами каналов подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, причем оси этих каналов направлены навстречу друг другу. Между каналами подачи топлива и воздуха и компрессорным цилиндром установлены обратные клапаны. При расположении устройства для подачи топлива в нижней части компрессорного цилиндра в канале подачи воздуха установлена дроссельная заслонка. Между ней и устройством для подачи топлива установлен датчик массового расхода воздуха, соединенный с контроллером, который соединен с устройством для подачи топлива.

Конструкция двигателя по прототипу обеспечивает более полное сгорание топлива, что повышает его мощность, повышает стабильность работы и снижает токсичность выхлопных газов.

Однако двигатель по прототипу не обеспечивает его стабильную работу на мощностном режиме и в режиме максимальной мощности, поскольку при увеличении количества топлива в компрессорном цилиндре образуется переобогащенная смесь, которая, попадая в камеру сгорания, в район электродов свечи зажигания, не может воспламениться. Это приводит к нарушениям стабильности работы двигателя на мощностном режиме и в режиме максимальной мощности, и, как следствие, к снижению мощности двигателя, увеличенному расходу топлива и увеличению токсичности отработанных газов.

Технический результат предлагаемого двигателя и способа управления им заключается в увеличении мощности двигателя, снижении расхода топлива и токсичности отработанных газов при различных нагрузках, а также снижении стоимости двигателя.

Сущность предлагаемого двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что двигатель содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем и компрессорный цилиндр с компрессорным поршнем, который кинематически соединен с рабочим поршнем. Двигатель снабжен камерой сгорания со свечой зажигания. Камера сгорания соединена каналом подачи топливовоздушной смеси через обратные клапаны с компрессорным цилиндром. В головке рабочего цилиндра выполнен канал вокруг камеры сгорания, соединенный радиальными каналами с полостью камеры сгорания и с каналом подачи топливовоздушной смеси из компрессорного цилиндра. Двигатель снабжен также каналами для подачи воздуха и топлива и двумя устройствами для подачи топлива. Одно из этих устройств расположено в верхней части компрессорного цилиндра и соединено с его полостью через обратный клапан.

В отличие от прототипа двигатель оснащен газораспределительным механизмом, впускным и выпускным клапанами, которые установлены на входах в камеру сгорания впускного и выпускного каналов. Во впускном канале подачи воздуха в камеру сгорания установлено второе устройство для подачи топлива. Газораспределительный механизм снабжен датчиком фаз работы двигателя, а коленчатый вал рабочего или компрессорного цилиндра снабжен датчиком угла поворота. Датчик фаз и датчик угла поворота коленчатого вала соединены с блоком управления двигателем, который соединен с акселератором, с устройствами для подачи топлива, с модулем управления дроссельной заслонкой, установленной в канале подачи воздуха в компрессорный цилиндр, и с датчиком массового расхода воздуха, установленным в этом канале. Канал подачи воздуха установлен в верхней части компрессорного цилиндра.

Способ управления предложенным двигателем предусматривает управление мощностью с помощью дроссельной заслонки. Для регулирования состава топливовоздушной смеси в компрессорном цилиндре используют сигналы от датчика массового расхода воздуха, установленного в канале подачи воздуха в компрессорный цилиндр. Топливовоздушную смесь подают в камеру сгорания из компрессорного цилиндра. В отличие от прототипа при больших нагрузках и в режиме максимальной мощности дополнительно подают топливовоздушную смесь в камеру сгорания из ее впускного канала, подавая в этот канал топливо через расположенное в нем устройство для подачи топлива. В качестве сигнала для дополнительной подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания через впускной канал используют угол поворота педали акселератора и сигнал датчика фаз работы газораспределительного механизма. Впрыск топливовоздушной смеси в камеру сгорания из компрессорного цилиндра осуществляют на такте сжатия не позднее 10° поворота коленчатого вала рабочего поршня до верхней мертвой точки. Впуск топлива во впускной канал камеры сгорания через устройство для подачи топлива, расположенное в этом канале, производят во время такта наполнения рабочего цилиндра после закрытия выпускного клапана, установленного на входе выпускного канала в камеру сгорания.

Такое выполнение двигателя и осуществление управления им повышает стабильность работы двигателя на всех режимах. Это обеспечивается тем, что на режиме холостого хода и при небольших нагрузках осуществляют подачу относительно бедной топливовоздушной смеси из компрессорного цилиндра, в котором обеспечивается постоянный состав топливовоздушной смеси на всех режимах. Такая смесь полностью сгорает и не детонирует, что обеспечивает экономию топлива и стабильность работы двигателя. При необходимости повышения мощности двигателя топливо подают через устройство, расположенное во впускном канале подачи воздуха в камеру сгорания. Включение этого устройства во время такта наполнения рабочего цилиндра после закрытия выпускного клапана исключает потерю топлива в фазе, когда открыты и впускной и выпускной клапаны, что экономит топливо и снижает токсичность отработанных газов. Расположение устройства для подачи топлива во впускном канале подачи воздуха в камеру сгорания предохраняет сопло этого устройства от засорения продуктами сгорания, что повышает стабильность работы двигателя. Выбор угла поворота педали акселератора в качестве сигнала для дополнительной подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, а также связь акселератора, датчиков угла поворота коленчатого вала, датчика фаз, устройств для подачи топлива и модуля управления дроссельной заслонкой с блоком управления двигателем упрощает процесс управления. Совокупность признаков предлагаемого двигателя и способа управления им обеспечивает возможность применения в качестве устройства для подачи топлива в камеру сгорания форсунки низкого давления. При этом отпадает необходимость в применении насоса высокого давления. Это существенно снизит стоимость комплектующего оборудования.

Предлагаемый двигатель и способ управления им иллюстрируются чертежами, где на фиг.1, показана конструктивная схема предлагаемого двигателя в момент впрыска топливовоздушной смеси из компрессорного цилиндра в камеру сгорания, на фиг.2 - конструктивная схема предлагаемого двигателя в момент впрыска топливовоздушной смеси в камеру сгорания при работе устройства для подачи топлива, установленного во впускном канале подачи воздуха в камеру сгорания.

Предлагаемый двигатель содержит рабочий цилиндр 2 с рабочим поршнем 1, компрессорный цилиндр 24 с компрессорным поршнем 23, который кинематически соединен с рабочим поршнем 1 и камеру сгорания 6 со свечой зажигания 9. Камера сгорания 6 соединена каналом 13 подачи топливовоздушной смеси через обратные клапаны 16 и 28 с компрессорным цилиндром 24. В головке 5 рабочего цилиндра 2 выполнен канал 3 вокруг камеры сгорания 6, соединенный с каналом 13 подачи топливовоздушной смеси из компрессорного цилиндра 24 и радиальными каналами 4 с полостью камеры сгорания 6. Двигатель содержит также канал 34 подачи топлива и канал 20 подачи воздуха в компрессорный цилиндр 24, газораспределительный механизм 33, впускной 12 и выпускной 7 каналы, установленные на входах в камеру сгорания 6 и два устройства 11 и 14 для подачи топлива, одно из которых расположено в верхней части компрессорного цилиндра 24, в канале 34 подачи топлива, и соединено с полостью компрессорного цилиндра 24 через обратный клапан 22, а другое - во впускном канале 12 подачи воздуха перед его входом в камеру сгорания 6. На входе каналов 7 и 12 в камеру сгорания 6 установлены впускной 10 и выпускной 8 клапаны, взаимодействующие с газораспределительным механизмом 33. Коленчатый вал 25 рабочего цилиндра 2 или коленчатый вал компрессорного цилиндра 26 снабжен датчиком 27 угла поворота, а газораспределительный механизм 33 снабжен датчиком 32 фаз работы двигателя. Датчик 27 угла поворота коленчатого вала 25 или 26 и датчик 32 фаз работы двигателя соединены с блоком 30 управления двигателем, который соединен с акселератором 31, с устройствами 11 и 14 для подачи топлива, с модулем 19 управления дроссельной заслонкой 18 и с датчиком 17 массового расхода воздуха. Дроссельная заслонка 18 и датчик 17 установлены в канале 20 подачи воздуха, который расположен в верхней части компрессорного цилиндра 24.

Мощностью двигателя управляют с помощью дроссельной заслонки 18. Для регулировки состава топливовоздушной смеси в компрессорном цилиндре 24 используют сигналы от датчика 17 массового расхода воздуха. Топливовоздушную смесь подают в камеру сгорания 6 из компрессорного цилиндра 24. При больших нагрузках и в режиме максимальной мощности дополнительно подают топливовоздушную смесь в камеру сгорания 6 из впускного канала 12, подавая в него топливо через расположенное в канале 12 устройство 11 для подачи топлива. В качестве сигнала для дополнительной подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания 6 через впускной канал 12 используют величину угла поворота педали акселератора 31 и сигнал датчика 32 фаз работы двигателя. Впрыск топливовоздушной смеси в камеру сгорания 6 из компрессорного цилиндра 24 осуществляют на такте сжатия не позднее 10° поворота коленчатого вала 25 рабочего поршня 1 до его верхней мертвой точки. Впуск топлива во впускной канал 12 камеры сгорания 6 через устройство 11 для подачи топлива, расположенное в канале 12, производят во время такта наполнения рабочего цилиндра 2 после закрытия выпускного клапана 8 на входе выпускного канала 7 в камеру сгорания 6.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом. После начала движения от верхней мертвой точки (ВМТ) компрессорного поршня 23, коленчатый вал 26 которого кинематически связан с коленчатым валом 25 рабочего поршня 1, вращающимся со скоростью , в полость компрессорного цилиндра 24 через устройство 14 и канал 34 подают топливо (фиг.1). При движении компрессорного поршня 23 вниз над ним создастся разрежение, обратные клапаны 21 и 22 откроются, топливо от устройства 14 через канал 34 и чистый воздух через канал 20 поступят в полость компрессорного цилиндра 24. Внутри этой полости образуется топливовоздушная смесь, интенсивно перемешивающаяся в результате движения компрессорного поршня 23 вниз. Блок 30 управления двигателем, получая сигнал от датчика 17 массового расхода воздуха, через модуль 19 управления дроссельной заслонкой 18 обеспечивает поступление в компрессорный цилиндр 24 через канал 34 и обратный клапан 22 заданного количества топлива, необходимого и достаточного для образования топливовоздушной смеси с соотношением 5:1÷8:1. После достижения нижней мертвой точки (НМТ) компрессорный поршень 23 начнет движение к ВМТ. Давление и температура в полости компрессорного цилиндра 24 начнет повышаться, а топливо испаряться, образуя гомогенную топливовоздушную смесь в полости компрессорного цилиндра 24. При достижении критического значения давления клапан 16, сжав пружину 15, откроет выход из полости компрессорного цилиндра 24 в канал 13 подачи топливовоздушной смеси. Давление в канале 13 возрастет, откроется лепестковый обратный клапан 28 в корпусе 29 и гомогенная топливовоздушная смесь поступит через канал 3 и радиальные встречнонаправленные каналы 4 в полость камеры сгорания 6, образуя в районе электродов свечей зажигания 9 ядро богатой топливовоздушной смеси.

В это время рабочий поршень 1 движется к ВМТ, осуществляя такт сжатия атмосферного воздуха в полости рабочего цилиндра 2. Впрыск топливовоздушной смеси в камеру сгорания 6 производят не позднее 10° поворота коленчатого вала 25 рабочего поршня 1 до его верхней мертвой точки, что исключает детонацию. Поступившая в полость камеры сгорания 6 топливовоздушная смесь разбавляется находящимся в полости камеры сгорания 6 и полости рабочего цилиндра 2 воздухом, образуя в районе электродов свечи зажигания 9 топливовоздушную смесь с соотношением воздуха и топлива 13:1÷46:1, что обеспечивает ее стабильное воспламенение. При этом в пересчете топлива, поступившего из скомпрессорного цилиндра 24 в камеру сгорания 6, на общий объем воздуха, поступившего в рабочий цилиндр 2, получаем соотношение воздуха и топлива в объеме рабочего цилиндра 2 и камеры сгорания 6 примерно 70:1. Избыточное содержание окислителя обеспечивает полное сжигание топлива после воспламенения топливовоздушной смеси в районе электродов свечи зажигания 9. Происходит рабочий ход поршня 1. В результате экономится топливо, уменьшается токсичность отработанных газов и повышается стабильность работы двигателя. Этот цикл работы двигателя осуществляют при холостом ходе и работе на малых оборотах при небольшой нагрузке. В этом случае педаль акселератора 31 находится в исходном положении или отклонена от него на угол < , где - угол полного поворота педали акселератора 31. При этом показанное на фиг.1 и 2 значение угла является критическим, при его увеличении топливовоздушная смесь, поступающая в камеру сгорания 6 и в рабочий цилиндр 2, в двигателе по прототипу оказалась бы переобогащенной, что нарушило бы стабильность работы двигателя и привело к повышенному расходу топлива, за счет пропусков ее воспламенения.

В предлагаемом двигателе при необходимости увеличения мощности двигателя и применения режима максимальной мощности нажимают на педаль акселератора 31, увеличивая угол до его значения больше критического (фиг.2). В этом случае сигнал о величине угла , поступая в блок 30 управления двигателем, приводит к формированию команды на включение устройства 11 для подачи топлива, установленное в канале 12 подачи воздуха в камеру сгорания 6. Этот сигнал будет подан на устройство 11 только во время такта наполнения рабочего цилиндра, когда выпускной клапан 8 будет закрыт. Сигнал об этом подается в блок 30 управления двигателем от датчика 27 фаз работы двигателя, которым снабжен газораспределительный механизм 33. Топливовоздушная смесь, формирующаяся в полости канала 12 подачи воздуха, поступает через открытый впускной клапан 10 в район электрода свечи зажигания 9 и далее в рабочий цилиндр 2. При этом соотношение воздуха и топлива топливовоздушной смеси внутри рабочего цилиндра 2 составит примерно 40:1. В эту топливовоздушную смесь на такте сжатия продолжает подаваться топливовоздушная смесь из компрессорного цилиндра 24. В результате в районе свечи зажигания сформируется относительно богатая смесь с соотношением воздуха и топлива примерно 10:1, которая стабильно поджигается. В объеме рабочего цилиндра 2 после сжатия формируется топливовоздушная смесь, близкая по составу к стехиометрическому 14:1 или обогащенная до соотношения 13:1. При этом в процессе сжатия не будет детонации, так как сжимается бедная смесь с соотношением 40:1, которая не детонирует. При таких соотношениях воздуха и топлива топливовоздушная смесь сгорает практически полностью, что обеспечивает повышение мощности двигателя, экономию топлива и уменьшение токсичности отработанных газов. Расположение устройства 11 для подачи топлива в канале 12 подачи воздуха в камеру сгорания 6 предохранит выходное отверстие устройства 11 от засорения продуктами сгорания. Это повысит стабильность работы двигателя.

Предлагаемый двигатель может быть изготовлен с помощью известных в технике средств. Детали двигателя могут быть изготовлены из известных материалов: чугуна, стали, алюминиевых сплавов и других материалов, применяемых в двигателестроении. Изготовить детали двигателя можно с помощью известных технологий, широко применяемых в промышленности: литья, токарной, фрезерной и других видов механической обработки. Двигатель может быть укомплектован известными устройствами, применяющимися в двигателестроении. В качестве устройств 11 и 14 для подачи топлива могут быть применены известные форсунки низкого давления. Двигатель может быть укомплектован применяемыми в двигателестроении датчиком 20 массового расхода воздуха, датчиком 27 угла поворота коленчатого вала и датчиком 32 фаз работы двигателя. В качестве блока 30 управления двигателем может быть применен автомобильный бортовой компьютер. Модулем управления дроссельной заслонкой может служить реверсивный электромеханический привод. Сигнал об угле поворота педали акселератора 31 можно получать от потенциометра, ось которого кинематически соединена с педалью.

Таким образом, предлагаемый двигатель и способ управления им обеспечивают достижение технического эффекта. Двигатель может быть изготовлен и способ управления им осуществлен с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый двигатель и способ управления им обладают промышленной применимостью.