Двигатели внутреннего сгорания, как мне кажется, еще не достигли потолка эволюции и имеют большие возможности для дальнейшего совершенствования. В настоящее время ведущими автомобилестроительными фирмами мира ведется интенсивный поиск принципиально новых схем двигателей внутреннего сгорания.
Все заявленные экзотичные схемы, обещавшие поистине фантастические возможности, сходят с круга соревнований. К сожалению, многие предлагаемые нетрадиционные двигатели имеют больше недостатков, чем преимуществ. А вот перспективного на сегодня и хорошо отработанного экономичного двигателя внутреннего сгорания для легкового автомобиля пока нет.
Предлагаемое техническое решение существующей проблемы – это поршневой двигатель внутреннего сгорания с особым способом ограничения мощности. Кроме того, в самом двигателе не нужно ничего переделывать, а просто установить на нем несложное дополнительное устройство, которое резко улучшит качество его работы, поможет экономить топливо, очистить воздух в городах и сделать автомобиль, работающим на бензине намного популярнее.
По традиционному способу работы теплового двигателя, мощность двигателя с впрыскиванием легкого топлива регулируют при помощи дроссельной заслонки, которая изменяет количество воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, а состав смеси зависит от массы топлива, впрыскиваемого топливоподающей аппаратурой. Необходимо отметить, что современный автомобиль в обычных условиях эксплуатации работает на полной нагрузке не больше 10-15 % всего времени движения.
Полные дроссели используются сравнительно редко, только при движении автомобиля с ускорением или при преодолении больших подъемов, а в подавляющем большинстве случаев автомобиль эксплуатируется с частичными нагрузками, связанными с малыми открытиями дроссельной заслонки. При подходе к холостому ходу дроссельную заслонку прикрывают, вследствие этого во впускном коллекторе образуется значительное разряжение, давление всасывания уменьшается, а, следовательно, резко сокращается и количество поступающей в цилиндры свежей смеси при почти постоянном количестве остаточных газов; в результате этого относительное количество их в смеси резко возрастает, достигнув максимума на холостом ходу двигателя. Условия воспламенения и сгорания такой смеси особенно неблагоприятны вследствие снижения в смеси количества кислорода и наличия в камере сгорания значительного количества инертных остаточных газов. Любая задержка процесса сгорания ведет к неудовлетворительному тепловому балансу, а, следовательно, к понижению, как экономичности, так и мощности двигателя. Это очень важный аспект, особенно когда вы осуществляете грузоперевозки в таких крупных городах, как Москва.
В эксплуатационных условиях надо прилагать все усилия к тому, чтобы все топливо сгорало в момент нахождения поршня около верхней мертвой точки. При работе двигателя на холостом ходу, вследствие снижения рабочего давления в цилиндрах и при сравнительно низких мало изменяющихся температурах увеличивается процент диссоциирующих газов, но одновременно возрастают относительные тепловые потери в охлаждающую воду, что в конечном итоге также уменьшает показатель экономичности.
Высказанные положения позволяют констатировать, что наличие значительных количеств остаточных газов в рабочей смеси замедляет процесс сгорания, а в двухтактных двигателях иногда служат причиной невоспламеняемости смеси. Для получения при малых нагрузках достаточно быстрого сгорания рабочей смеси ее необходимо обогащать, что приводит к увеличению расхода топлива и вредности отработавших газов. Результатом неудовлетворительного протекания рабочих циклов на холостом ходу и в режимах, близких к холостому ходу, является повышение удельного расхода топлива и увеличение количества токсических компонентов в отработавших газах. Вместе с тем дросселирование воздушного потока – это совершенно бесполезная работа, увеличивающая насосные потери при газообмене в рабочих цилиндрах.
Предлагаемый способ работы двигателя внутреннего сгорания – решает задачи повышения экономичности и снижение токсичности отработавших газов при работе автомобильного двигателя внутреннего сгорания на холостом ходу и частичных нагрузках, близких к холостому ходу.
Согласно предлагаемому способу работы двигателя внутреннего сгорания при работе двигателя на холостом ходу и частичных нагрузках, близких к холостому ходу, впрыск топлива производится не каждый раз при наполнении цилиндра свежим воздухом, а с пропуском каждого второго всасывания рабочего заряда, например, по четным рабочим циклам, при этом подача топлива по нечетным рабочим циклам полностью исключается, вследствие чего один рабочий цикл осуществляется за четыре оборота коленчатого вала по восьмитактному принципу работы.
Электронный блок управления подачей топлива включает две независимые системы управления питания двигателя:
1 – главная система управления питания осуществляет электронное управление форсунками подачи топлива по четным рабочим циклам и углом опережения зажигания для всех рабочих циклов;
2 – отключаемая электронная система управления подачей топлива осуществляет подачу топлива по нечетным рабочим циклам, при этом для многоцилиндрового двигателя порядок включения форсунок в каждой системе управления рассчитывается в зависимости от порядка работы данного двигателя, например в четырехцилиндровом двигателе с порядком работы цилиндров 1-3-4-2 порядок включения форсунок главной системой питания следующий: 1-4-3-2, а порядок включения форсунок отключаемой электронной системой управления подачей топлива соответствует 3-2-1-4.
Отключение и включение электронной системы управления подачей топлива по нечетным циклам осуществляется автоматически, причем система подачи топлива отключается при достижении разряжения вблизи впускных клапанов в пределах 0,03-0,06 МПа, а включается при полном открытии дроссельной заслонки.
На фиг. 1 представлена схема четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, работающего по предлагаемому способу.
Сам двигатель внутреннего сгорания (фиг. 1) не отличается от традиционного и содержит по меньшей мере один цилиндр 1 с поршнем 2, кинематически связанным с коленчатым валом 3, впускной клапан 4, выпускной клапан 5 и свечу зажигания 6. Во впускном канале головки блока установлена электромагнитная форсунка 7 подачи топлива. Топливо из бака к электромагнитным форсункам 7 подается электронасосом 8.
Организация процессов подачи, воспламенения и сгорания топлива в цилиндре 1 двигателя осуществляется под контролем системы управления. Объемная подача топлива зависит от продолжительности открытия клапана электромагнитной форсунки 7. Импульсы переменной длительности, подаваемые по проводам на катушку клапана форсунки 7, формируются в электронных блоках 9 и 10. Электронный блок управления 9 осуществляет подачу электрических импульсов на электрически управляемые форсунки 7 по четным рабочим циклам. За подачу импульсов на электромагнитные форсунки 7 по нечетным рабочим циклам отвечает блок управления 10. Датчики отслеживают различные параметры двигателя, влияющие на длительность и момент подачи топливного импульса. Время включения электромагнитной форсунки возрастает по мере понижения температуры и отслеживается термодатчиком 11. Термовыключатель 12 блокирует датчик давления 13, не позволяя на холостом ходу при низких температурах охлаждающей жидкости отключить электронный блок управления 10 от питающей сети. Количество воздуха, поступающее в цилиндры двигателя, регулируется дроссельной заслонкой 14. Положение дроссельной заслонки при работе двигателя контролируется датчиком 15.
Способ работы осуществляют следующим образом.
При пуске холодного двигателя оба электронных блока управления 9 и 10 формируют необходимые импульсы подачи топлива по четным и нечетным рабочим циклам. По мере прогрева двигателя длительность импульса корректируется в электронных блоках 9 и 10 в зависимости от температуры охлаждающей жидкости, измеряемой датчиком температуры 11. На номинальной мощности прогретого двигателя, также как и при пуске, электронные блоки управления 9 и 10 посылают свои импульсы по проводам на катушку электромагнитной форсунки 7. При полной и близких к ней нагрузках дроссельная заслонка 14 открыта, чем обеспечивается хорошая очистка камеры сгорания от отработавших газов и создаются необходимые условия для своевременного воспламенения и полного сгорания рабочей смеси. Топливо сгорает до конечных, безвредных для окружающей среды, продуктов сгорания. По мере снижения нагрузки и подхода к режимам холостого хода дроссельную заслонку 14 прикрывают, давление во впускном коллекторе снижается, и при достижении разряжения 0,03-0,06 МПа датчик давления 13 отключает электронный блок управления 10 от питания, вследствие подача топлива в цилиндры двигателя по нечетным рабочим циклам прекращается. Необходимо отметить, что на холодном двигателе термовыключатель 12 блокирует датчик давления 13, в результате чего электронный блок управления 10 продолжает посылать импульсы на электромагнитные форсунки 7 по нечетным рабочим циклам на всех режимах работы двигателя. В прогретом двигателе датчик давления 13 работает и отключает электронный блок управления 10 от питания при разряжении во впускном коллекторе 0,03-0,06 МПа. В то же время главный электронный блок управления 9 осуществляет подачу электрических импульсов на электрически управляемые форсунки 7 по четным рабочим циклам, вследствие этого в рабочие цилиндры 1 впрыскивается топливо только по четным рабочим циклам.
Следовательно, на холостом ходу и частичных нагрузках, близких к холостому ходу, по нечетным рабочим циклам в цилиндрах двигателя вместо рабочей смеси сжимается свежий воздух с большим количеством остаточных газов. В результате сжатия чистого воздуха, за счет смешивания его с остаточными газами и контакта с сильно нагретыми деталями двигателя (выпускные клапаны, свечи зажигания, стенки камеры сгорания и поршни), происходит повышение температуры и давления газов в цилиндре 1. В это время температура разогретых деталей двигателя снижается, что положительно сказывается на их работе и тепловом состоянии двигателя. При обратном ходе поршня 2 к нижней мертвой точке сжатая и нагретая смесь чистого воздуха с остаточными газами расширяется, а накопленная энергия трансформируется в механическую работу. В процессе расширения температура деталей двигателя продолжает снижаться, тепловая энергия при этом переходит к нагретому газу.
Работа, полученная в процессе расширения нагретого воздуха без сгорания топлива, является положительной и превышает работу, затраченную на сжатие свежего воздуха. Отработавший газ покидает цилиндр 1 двигателя при очередном ходе поршня 2 к верхней мертвой точке, после чего выпускной клапан 5 закрывается. Следует отметить, что наличие большого количества свободного кислорода в составе отработавших газов, выходящих в выпускную систему при их относительно невысокой температуре, повышает эффективность использования каталитических нейтрализаторов. Увеличивается срок службы последних, и на всех режимах работы двигателя внутреннего сгорания обеспечивается эффективная нейтрализация всех основных токсических компонентов до конечных, безвредных для окружающей среды, продуктов сгорания. Затем начинается четный рабочий цикл; поршень 2 движется к нижней мертвой точке, рабочий цилиндр 1 заполняется горючей смесью, включающей незначительное содержание инертных остаточных газов от предшествующего рабочего цикла.
Очевидно, что именно пропуск сгорания по нечетным рабочим циклам обеспечивает состав рабочей смеси с малым содержанием инертных газов, так как остаточные газы от нечетных рабочих циклов состоят из свежего воздуха и только частично – из продуктов сгорания. Вследствие этого коэффициент остаточных газов при работе двигателя на холостом ходу и частичных нагрузках, близких к холостому ходу, резко снижается, а коэффициент избытка воздуха повышается, что благоприятно сказывается на процессе сгорания и экономических показателях двигателя. При движении автомобиля с ускорением дроссельную заслонку открывают, датчик положения дроссельной заслонки 15 посредством контроллера включает питание электронного блока управления 10 и в цилиндры двигателя начинает поступать горючая смесь, как по четным, так и по нечетным рабочим циклам, что, соответственно, приводит к возрастанию мощности двигателя.
Следовательно, при работе двигателя по предлагаемому способу работа двигателя на полной и близкой к полной нагрузках не отличается от способа работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с электронной системой питания и впрыскиванием легкого топлива, а при работе двигателя на холостом ходу и частичных нагрузках по предлагаемому способу двигатель работает с рабочим циклом, состоящим из восьми тактов (восьмитактный) и двойной очистки цилиндров от отработавших газов. Необходимо отметить, что для многоцилиндрового двигателя порядок включения форсунок в каждой системе управления рассчитывается с учетом достижения максимально возможного равномерного крутящего момента, получаемого на коленчатом валу двигателя, и в зависимости от порядка работы данного двигателя.
Например, для четырехцилиндрового двигателя с порядком работы цилиндров 1-3-4-2 порядок включения форсунок главной системой питания следующий: 1-4-3-2, а порядок включения форсунок отключаемой электронной системой управления подачей топлива соответствует 3-2-1-4. В четырехтактном восьмицилиндровом двигателе с порядком работы цилиндров 1-3-7-5-8-6-2-4 рекомендуется следующий порядок включения форсунок главной системы питания, обеспечивающий равномерность вращения на всех режимах и нагрузках: 1-7-8-2-3-5-6-4, а порядок включения форсунок отключаемой электронной системой управления подачей топлива соответствует 3-5-6-4-1-7-8-2.
Таким образом, предложенный способ работы двигателя на холостом ходу и частичных нагрузках, близких к холостому ходу, позволяет улучшить условия протекания процесса сгорания, а именно увеличить воздушный заряд в рабочей смеси за счет повторной очистки цилиндров от отработавших газов, что обеспечит своевременное воспламенение, скорость и полное сгорание рабочей смеси, существенно уменьшит содержание токсических компонентов в отработавших газах и положительно отразится на использовании тепла при работе двигателя на частичных нагрузках. Это позволит разработать экономичные, экологически безопасные двигатели, обеспечивающие полноту сгорания топлива до конечных, безвредных для окружающей среды, продуктов сгорания на всех режимах работы двигателя.
Экономический и социальный эффект от использования предлагаемого способа заключается в повышении экономичности и снижении вредности отработавших газов автомобильного двигателя.
Александр Николаевич Антоненко
Похожие материалы:
Разборная заделка концов гидравлических шлангов
Основы теории мгновенного гашения ударов
Добавки к моторным маслам (обзор)
От вариатора к движителю
Невероятное — очевидно!
Ветроэнергоустановка «Колесо Северянина»
Разборная заделка концов гидравлических шлангов
Основы теории мгновенного гашения ударов
Добавки к моторным маслам (обзор)
От вариатора к движителю
Невероятное — очевидно!
Ветроэнергоустановка «Колесо Северянина»Источник: //izobretatel.by/sovershenstvovanie-raboty-dvigatelya-vnutrennego-sgoraniya/