Второе поколение кроссовера Infiniti QX50 получило кучу новшеств, самым важным из которых стал уникальный мотор - 2,0 литровая «турбочетверка» VC-Turbo с изменяемой степенью сжатия. Идея создания бензинового мотора, где степень сжатия в цилиндрах была бы величиной непостоянной, не нова. Так, при разгоне, когда требуется наибольшая отдача двигателя, можно на несколько секунд пожертвовать его экономичностью, уменьшив степень сжатия, - это позволит предотвратить детонацию, самопроизвольное возгорание топливной смеси, которое может возникнуть при высоких нагрузках. При равномерном движении степень сжатия, напротив, желательно повысить, чтобы добиться более эффективного сгорания топливной смеси и снижения расхода горючего - в этом случае нагрузка на мотор невелика и опасность возникновения детонации минимальна. В общем, в теории все просто, однако реализовать эту идею на практике оказалось не так уж легко. И японские конструкторы стали первыми, кто сумел довести замысел до серийного образца.
Суть разработанной корпорацией Nissan технологии в том, чтобы, в зависимости от требуемой отдачи мотора, непрерывно изменять максимальную высоту подъема поршней (так называемую верхнюю мертвую точку - ВМТ), что в свою очередь приводит к уменьшению или росту степени сжатия в цилиндрах. Ключевой деталью этой системы является особое крепление шатунов, которые соединяются с коленчатым валом через подвижный блок коромысел. Блок в свою очередь связан с эксцентриковым управляющим валом и электромотором, который по команде электроники приводит этот хитрый механизм в движение, меняя наклон коромысел и положение ВМТ поршней во всех четырех цилиндрах одновременно.
Разница степени сжатия в зависимости от положения ВМТ поршня. На левой картинке мотор находится в экономичном режиме, на правой - в режиме максимальной отдачи. A: когда требуется изменение степени сжатия, электромотор поворачивает и перемещает рычаг привода. B: приводной рычаг поворачивает управляющий вал. C: когда вал вращается, он действует на рычаг, связанный с коромыслом, изменяя угол наклона последнего. D: в зависимости от положения коромысла, ВМТ поршня поднимается или опускается, таким образом изменяя степень сжатия.
В результате при разгоне степень сжатия уменьшается до 8:1, после чего мотор переходит в экономичный режим работы со степенью сжатия 14:1. Его рабочий объем при этом меняется от 1997 до 1970 см3. «Турбочетверка» нового Infiniti QX50 развивает мощность 268 л. с. и крутящий момент в 380 Нм - ощутимо больше, чем 2,5 литровый V6 предшественника (его показатели - 222 л. с. и 252 Нм), расходуя при этом на треть меньше бензина. Кроме того, VC-Turbo на 18 кг легче атмосферной «шестерки», занимает меньше места под капотом и достигает максимума крутящего момента в зоне более низких оборотов.
Кстати, система регулировки степени сжатия не только повышает эффективность работы мотора, но и снижает уровень вибраций. Благодаря коромыслам шатуны при рабочем ходе поршней занимают почти вертикальное положение, в то время как у обычных двигателей они ходят из стороны в сторону (из-за чего шатуны и получили свое название). В результате даже без уравновешивающих валов этот 4-цилиндровый агрегат работает так же тихо и плавно, как V6. Но изменяемое положение ВМТ при помощи сложной системы рычагов - не единственная особенность нового мотора. Меняя степень сжатия, этот агрегат также способен переключаться между двумя рабочими циклам: классическим Отто, по которому функционирует основная масса бензиновых двигателей, и циклом Аткинсона, встречающимся в основном у гибридов. В последнем случае (при высокой степени сжатия) из-за большего хода поршней рабочая смесь сильнее расширяется, сгорая с большей эффективностью, в результате растет КПД и снижается расход бензина.
Двигаясь вверх или вниз, нижний рычаг меняет положение поршня относительно камеры сгорания.
Помимо двух рабочих циклов, этот мотор также использует две системы впрыска: классический распределенный MPI и непосредственный GDI, который повышает эффективность сгорания топлива и позволяет избежать детонации при высоких степенях сжатия. Обе системы работают попеременно, а при высоких нагрузках - одновременно. Положительный вклад в повышение КПД двигателя вносит и особое покрытие стенок цилиндров, которое наносится методом плазменного напыления, а затем закаливается и хонингуется. В результате получается ультрагладкая «зеркальная» поверхность, на 44% уменьшающая трение поршневых колец.
И какова выгода?
По словам инженеров, VC-T должен стать на 27% экономичнее текущих атмосферных V6 серии VQ, которые он постепенно заменит. Значит, паспортный расход в комбинированном цикле будет находиться в пределах 7 литров. И все-таки оценить реальный вклад новой технологии в экономичность пока невозможно, слишком уж различаются моторы VC-T и VQ. Объем, наличие наддува, количество цилиндров - все по-разному. Поэтому в реальных преимуществах японской разработки еще предстоит разобраться, но, как и любая революция, она интересна уже сама по себе.
Еще одна уникальная особенность мотора VC-Turbo - это интегрированная в его верхнюю опору система активного подавления вибраций Active Torque Road, основой которой является возвратно-поступательный актуатор. Эта система управляется датчиком ускорений, фиксирующим колебания двигателя и в ответ генерирует гасящие вибрации в противофазе. Активные опоры в Infiniti впервые использовали в 1998 году на дизельном моторе, но та система оказалась слишком громоздкой, поэтому не получила распространения. Проект пролежал под сукном до 2009 года, пока японские инженеры не взялись за его усовершенствование. На то, чтобы решить проблему избыточного веса и размеров гасителя колебаний, ушло еще 8 лет. Но результат впечатляет: благодаря ATR 4-цилиндровый агрегат нового Infiniti QX50 работает на 9 дБ тише, чем V6 его предшественника!
Одной из тех, кто максимально близко подошел к созданию серийного мотора с изменяемой степенью сжатия, была марка Saab. У шведов, правда, относительно друг друга смещались верхняя и нижняя часть блока цилиндров. А в моторе Infiniti/Nissan изменения затронули конструкцию кривошипно-шатунного механизма.
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ НА САЙТЕСистема охлаждения Уаз Хантер, модели УАЗ-315195 с двигателями ЗМЗ-409.10 Евро-2, ЗМЗ-40904.10 Евро-3 и ЗМЗ-40905.10 Евро-4, и модели УАЗ-315196 с двигателем ЗМЗ-4091.10 Евро-3, жидкостная, закрытая,... Автоматическое экстренное торможение (AEB) - это функция, которая предупреждает водителя о скором столкновении и помогает ему использовать максимальную тормозную способность автомобиля. Система будет самостоятельно тормозить, если ситуация станет кри... Дизельный двигатель является двигателем, воспламенение топлива в котором осуществляется при нагревании от сжатия. Стандартный дизельный двигатель не может работать на газовом топливе, потому что метан обладает существенно более высокой температурой в... |
Важным техническим показателем современного ДВС является степень сжатия, которая представляет собой отношение объема рабочего цилиндра, когда поршень находится в, так называемой, нижней мертвой точке (НМТ) к объему камеры сгорания.
Рост степени сжатия позволяет создавать наиболее подходящие условия для воспламенения ТВС (топливо-воздушной смеси) в камере сгорания, и как результат - более рационального использования выделяемой при этом энергии.
Особенности системы изменения сжатия
Степень сжатия изменяется в зависимости от типа используемого топлива и рабочих режимов двигателя. Подобные изменения учитываются и применяются системой изменения степени сжатия.
В бензиновых ДВС данный показатель ограничивается исключительно той областью, в которой происходит детонация ТВС . При малых нагрузках увеличение сжатия не приводит к процессу детонации, а вот при усиленных нагрузках детонация может достигнуть критической точки.
Двигатель с системой сжатия МСЕ-5
ДВС, оснащенный подобной системой, имеет достаточно сложную конструкцию, которая предполагает изменение характеристики рабочего хода поршней в цилиндрах.
Секатор зубчатый вступает во взаимодействие с рабочим поршнем и поршнем управления. Коромысло соединяется через рычаг с коленвалом.
Секатор движется под воздействием поршня управления. Камера над поршнем начинает заполняться маслом, объем которого строго контролируется специальным клапаном.
При перемещении секатора происходит изменение положении ВМТ поршня, и как следствие - изменение рабочего объема камеры сгорания при значительном интервале сжатия.
В настоящее время двигатель МСЕ-5 еще не пущен в серийное производство, но имеет неплохие перспективы развития в будущем.
Новую концепцию ДВС, оснащенного современной системой сжатия представила компания Lotus Cars. Это уникальный двухтактный двигатель, получивший название Omnivore, который позволяет использовать различные виды топлива - бензин, дизель, спирт, этанол и др.
Верхняя часть камеры оснащена шайбой, перемещение которой приводит к изменению объема камеры. Это позволяет обеспечить наивысшую степень сжатия - 40 к 1.
Несмотря на свою эффективность, подобная система сжатия в настоящее время не позволяет добиться хороших показателей относительно экономичного расхода топлива и экологичности двухтактного двигателя.
Тесно связана с к.п.д. В бензиновых двигателях степень сжатия ограничивается областью детонационного сгорания. Эти ограничения имеют особое значение для работы двигателя на полных нагрузках, в то время как на частичных нагрузках высокая степень сжатия не вызывает опасности детонации. Для увеличения мощности двигателя и повышения экономичности желательно снижать степень сжатия, однако если степень сжатия будет малой для всех диапазонов работы двигателя, это приведет к снижению мощности и увеличению расхода топлива на частичных нагрузках. При этом значения степени сжатия, как правило, выбираются намного ниже тех величин, при которых достигаются наиболее экономичные показатели работы двигателей. Заведомо ухудшая экономичность двигателей, это особенно сильно проявляется при работе на частичных нагрузках. Между тем, снижение наполнения цилиндров горючей смесью, увеличение относительного количества остаточных газов, уменьшение температуры деталей и т.п. создают возможности для повышения степени сжатия при частичных нагрузках с целью повышения экономичности двигателя и увеличения его мощности. Чтобы решить такую компромиссную задачу, разрабатываются варианты двигателей с изменяющейся степенью сжатия.
Повсеместное применение в конструкциях двигателей сделало направление этой работы еще более актуальным. Дело в том, что при наддуве значительно увеличиваются механические и тепловые нагрузки на детали двигателя, в связи с чем их приходится усиливать, повышая массу всего двигателя в целом. При этом, как правило, срок службы деталей, работающих при более нагруженном режиме, сокращается, а надежность двигателя снижается. В случае перехода на переменную степень сжатия рабочий процесс в двигателе при наддуве можно организовать так, что за счет соответствующего снижения степени сжатия при любых давлениях наддува максимальные давления рабочего цикла (т.е. эффективность работы) будут оставаться неизменными или будут изменяться незначительно. При этом, несмотря на увеличение полезной работы за цикл, а, следовательно, и мощности двигателя, максимальные нагрузки на его детали могут не увеличиваться, что позволяет форсировать двигатели без внедрения изменений в их конструкцию.
Очень существенным для нормального протекания процесса сгорания в двигателе с изменяющейся степенью сжатия является правильный выбор формы камеры сгорания, обеспечивающей наиболее короткий путь распространения пламени. Изменение фронта распространения пламени должно быть очень оперативным, чтобы учитывать различные режимы работы двигателя при эксплуатации автомобиля. Учитывая применение дополнительных деталей в кривошипно-шатунном механизме, необходимо также разрабатывать системы с малым коэффициентом трения, чтобы не потерять преимуществ при применении изменяющейся степени сжатия.
Один из наиболее распространенных вариантов двигателя с изменяющейся степенью сжатия показан на рисунке.
Рис. Схема двигателя с изменяющейся степенью сжатия:
1 – шатун; 2 – поршень; 3 – эксцентриковый вал; 4 - дополнительный шатун; 5 – шатунная шейка коленчатого вала; 6 – коромысло
На частичных нагрузках дополнительный 4 занимает крайнее нижнее положение и поднимает зону рабочего хода поршня. Степень сжатия при этом максимальна. При высоких нагрузках эксцентрик на валу 3 поднимает ось верхней головки дополнительного шатуна 4. При этом увеличивается надпоршневой зазор и уменьшается степень сжатия.
В 2000 году в Женеве был представлен экспериментальный бензиновый двигатель фирмы SAAB с изменяемой степенью сжатия. Его уникальные особенности позволяют достигать мощности в 225 л.с. при рабочем объеме в 1,6 л. и сохранять расход топлива сравнимого с вдвое меньшим двигателем. Возможность бесшагового изменения рабочего объема позволяет двигателю работать на бензине, дизельном топливе или на спирте.
Цилиндры двигателя и головка блока выполнены как моноблок, т. е. единым блоком, а не раздельно как у обычных двигателей. Отдельный блок представляет собой также блок-картер и шатунно-поршневая группа. Моноблок может перемещаться в блок-картере. Левая сторона моноблока при этом опирается на расположенную в блоке ось 1, служащую шарниром, правая сторона может приподниматься или опускаться при помощи шатуна 3 управляемого эксцентриковым валом 4. Для герметизации моноблока и блок-картера предусмотрен гофрированный резиновый чехол 2.
Рис. Двигатель с изменяющейся степенью сжатия SAAB:
1 – ось; 2 – резиновый чехол; 3 – шатун; 4 – эксцентриковый вал.
Степень сжатия изменяется при наклоне моноблока относительно блок-картера посредством гидропривода при неизменном ходе поршня. Отклонение моноблока от вертикали приводит к увеличению объема камеры сгорания, что вызывает снижение степени сжатия.
При уменьшении угла наклона степень сжатия повышается. Максимальная величина отклонения моноблока от вертикальной оси – 4%.
На минимальной частоте вращения коленчатого вал и сбросе подачи топлива, а также при малых нагрузках, моноблок занимает самое нижнее положение, в котором объем камеры сгорания минимален (степень сжатия – 14). Система наддува отключается, и воздух поступает в двигатель напрямую.
Под нагрузкой, за счет поворота эксцентрикового вала, шатун отклоняет моноблок в сторону, и объем камеры сгорания увеличивается (степень сжатия – 8). При этом сцепление подключает нагнетатель, и воздух начинает поступать в двигатель под избыточным давлением.
Рис. Изменение подачи воздуха в двигатель SAAB при различных режимах:
1 – дроссельная заслонка; 2 – перепускной клапан; 3 – сцепление; а – на малой частоте вращения коленчатого вала; б – на нагрузочных режимах
Оптимальная степень сжатия рассчитывается блоком управления электронной системы с учетом частоты вращения коленчатого вала, степени нагрузки, вида топлива и др. параметров.
В связи с необходимостью быстрого реагирования на изменение степени сжатия в данном двигателе пришлось отказаться от турбокомпрессора в пользу механического наддува с промежуточным охлаждением воздуха с максимальным давлением наддува 2,8 кгс/см2.
Расход топлива для разработанного двигателя на 30% меньше, чем у обычного двигателя такого же объема, а показатели по токсичности отработавших газов соответствуют действующим нормам.
Французская фирма МСЕ-5 Development, разработала для концерна «Пежо-Ситроен», двигатель с изменяемой степенью сжатия VCR (Variable Compression Ratio). В этом решении применена оригинальная кинематика кривошипно-шатунного механизма.
В данной конструкции передача движения от шатуна на поршни осуществляется через двойной зубчатый сектор 5. С правой стороны двигателя расположена опорная зубчатая рейка 7, на которую опирается сектор 5. Такое зацепление обеспечивает строго возвратно-поступательное движение поршня цилиндра, который соединен с зубчатой рейкой 4. Рейка 7 соединена с поршнем 6 управляющего гидроцилиндра.
В зависимости от режима работы двигателя по сигналу блока управления двигателем изменяется положение поршня 6 управляющего цилиндра, связанного с рейкой 7. Смещение рейки управления 7 вверх или вниз изменяет положение ВМТ и НМТ поршня двигателя, а вместе с ними и степени сжатия от 7:1 до 20:1 за 0,1 с. В случае необходимости имеется возможность изменения степени сжатия для каждого цилиндра в отдельности.
Рис. Двигатель с изменяемой степенью сжатия VCR:
1 – коленчатый вал; 2 – шатун; 3 – зубчатый опорный ролик; 4 – зубчатая рейка поршня; 5 – зубчатый сектор; 6 – поршень управляющего цилиндра; 7 – опорная зубчатая рейка управления.
«Изменяемая степень сжатия» - технология, которая обеспечит будущее бензиновому двигателю еще лет на 30-50, а по характеристикам позволит ему значительно опередить дизельные моторы. Когда же появятся эти агрегаты и чем они лучше уже существующих?
Впервые мотор с изменяемой степенью сжатия засветился на Женевском автосалоне в 2000 году (см. ). Тогда его представила компания Saab. Самый высокотехнологичный на то время двигатель Saab Variable Compression (SVC) с пятью цилиндрами имел рабочий объем 1,6 л, но развивал немыслимую для такого литража мощность 225 л. с. и крутящий момент 305 Нм. Превосходными оказались и другие характеристики - расход топлива при средних нагрузках снизился на целых 30%, на столько же уменьшился показатель выбросов СО2. Что касается СО, СН, NОx и т. д., то они, по утверждению создателей, соответствуют всем существующим и планируемым на ближайшее будущее нормам токсичности. К тому же изменяемая степень сжатия дала возможность этому мотору работать на различных марках бензина - от А-76 до А-98 - практически без ухудшения характеристик и без детонации. Несколько месяцев спустя подобный силовой агрегат представила и компания FEV Motorentechnik. Это был 1,8-литровый двигатель Audi A6, в котором показатель расхода топлива снизили на 27%.
Однако из-за сложности конструкции эти моторы в то время так и не пошли в серию, а с целью повышения коэффициента полезного действия (КПД) двигатель внутреннего сгорания усовершенствовали путем внедрения непосредственного впрыска топлива, изменяемой геометрии впускного тракта, интеллектуальных турбонаддувов и т. д. Параллельно велась активная работа над созданием гибридных силовых установок, электромобилей, развитием водородных топливных ячеек и новых способов хранения водорода. Тем не менее, потенциал, заложенный в моторы с изменяемой степенью сжатия, не давал покоя многим инженерам. В результате появилось множество механизмов реализации этой идеи «в металле».
Наиболее близким к ее осуществлению сегодня является французский проект двигателя MCE-5, который стартовал еще в 1997 году. Родившаяся тогда концепция имела массу недостатков, устранять которые пришлось почти десять лет. В этом году данный мотор презентовали «в металле», как и саабовский в 2000-м на Женевском автосалоне.
овинка с четырьмя цилиндрами имеет объем 1,5 л и выдает при этом максимальную мощность 160 кВт (218 л. с.) и крутящий момент 300 Нм. Помимо изменяемой степени сжатия, двигатель оснащен непосредственным впрыском, системой изменения фаз газораспределения и укладывается во все перспективные экологические нормы.
Как изменяют степень сжатия
В MCE-5 диапазон контроля степени сжатия находится в пределах 7-18 (7:1-18:1). Более того, контроль и изменение степени сжатия происходит индивидуально в каждом цилиндре.
Механизм этот довольно сложный. Главная деталь - двухсторонняя урезанная шестерня-сектор, серединой посаженная на укороченный шатун кривошипно-шатунного механизма (КШМ). В свою очередь, шестерня-сектор с одной стороны входит в зацепление с шатуном поршня, а с другой - с шатуном механизма изменения объема камеры сгорания. Принцип работы этой конструкции очень прост - шестерня-сектор на оси шатуна является своего рода коромыслом. И если это коромысло наклонять в одну или другую сторону, у поршня будет меняться положение верхней мертвой точки (ВМТ), а соответственно, и объем камеры сгорания. А так как величина хода поршня постоянная, изменяется степень сжатия (отношение объема цилиндров к объему камеры сгорания). За наклон коромысла отвечает гидромеханическая конструкция, которой управляет электроника. Она также состоит из поршня с шатуном, нижний конец которого входит в зацепление с коромыслом (шестерней-сектором) с другой стороны. Объем над и под этим поршнем соединен с системой смазки, а в самом поршне, названном масляным, есть специальный клапан, пропускающий масло из верхней части в нижнюю. Управляют им с помощью эксцентрикового вала, который при содействии червячной передачи приводит в движение электромотор системы Valvetronic (BMW). Для изменения степени сжатия от 7 до 18 требуется менее 100 миллисекунд.
Объем камеры сгорания корректируется по принципу изменения пропускной способности масляных клапанов. При их открытии масляный поршень уходит вверх и камера сгорания увеличивается.
Ресурс - надежность
Конструктивно новый мотор стал сложнее. По теории вероятности, его надежность должна снизиться, однако создатели отрицают это. Они утверждают, что доводили двигатель очень долго и все хорошо рассчитали и проверили. Ресурс этого агрегата увеличится, так как на поршень уже не будут действовать боковые и ударные нагрузки, происходящие у классического ДВС из-за шатуна, ось которого располагается под углом к оси поршня (кроме ВМТ и НМТ). В новом моторе усилие поршня и жестко «привязанного» к нему шатуна передается только в вертикальной плоскости, соответственно, давление на стенки цилиндров небольшое, поэтому трущиеся поверхности этих деталей изнашиваются значительно меньше. Такие особенности конструкции двигателя также обеспечили снижение шумности его работы. А кроме того, значительно тише стала работать поршневая группа и снизились потери энергии на трение - это еще плюс несколько процентов в пользу КПД мотора.
Другие способы изменения объема камеры сгорания:
 |
||
 |
||
Конструктивная особенность работы первого заявленного мотора с изменяемой степенью сжатия - головка 1 и верхняя часть блока 2 цилиндров были подвижными и с помощью специального кривошипа 3 перемещались вверх-вниз относительно коленвала 4 с неподвижной осью и нижней части блока цилиндров.
|
|
Юрий Дацык
Фото МСЕ
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания с камерой сгорания, имеющей переменный объем и управляемые впускные клапаны. Технический результат заключается в возможности повышения кпд двигателя и снижения воздействия на окружающую среду. Согласно изобретению управление поршневым двигателем внутреннего сгорания обеспечивается путем выбора объема камеры сгорания в комбинации с выбором времени открытия и времени закрытия впускных клапанов и в комбинации с выбором частоты, с которой выполняются рабочие ходы. 11 з.п. ф-лы, 1 ил.
Настоящее изобретение относится к способу управления для модуляции крутящего момента поршневого двигателя внутреннего сгорания с камерой сгорания, имеющей переменный объем и управляемые впускные клапаны.
Изобретение применимо к двигателям, работающим с переменной нагрузкой, например к карбюраторным двигателям и дизельным двигателям, предназначенным для приведения в движение транспортных средств, самолетов, лодок, судов и т.д., а также для приведения в действие компрессоров, гидравлических насосов, электрических генераторов и т.д.
Изобретение требует использования системы управления. Работа системы управления определяется ее программным обеспечением. Программное обеспечение, посредством которого может быть реализовано настоящее изобретение, может, например, быть частью большей системы управления, используемой также для управления другими характеристиками и параметрами рассматриваемого двигателя.
Уровень техники
В течение последних десятилетий развитие двигателей внутреннего сгорания было направлено на повышение экономичности их работы и снижение воздействия на окружающую среду путем введения систем цифрового управления, например для инжекции топлива и зажигания.
Однако, несмотря на указанные усовершенствования, остается нерешенной проблема, которая состоит в том, что изменение режима работы приводит к низкому усредненному коэффициенту полезного действия и значительному воздействию на окружающую среду. Состав выхлопных газов также изменяется, что мешает их очистке.
Известно, что переменная степень сжатия повышает коэффициент полезного действия двигателя. Кроме того, известно, что введение свободно управляемых клапанов, так называемых управляемых приводов клапанов, приводит к возможности замены дроссельного регулирования на более раннее закрытие впускных клапанов в течение такта впуска, так называемый цикл Миллера, и к возможности полного закрытия цилиндра в течение такого небольшого времени, как один оборот двигателя, что называют также частотной модуляцией крутящего момента или циклом пропуска, в результате чего значительно повышается эффективность работы двигателя. Кроме того, установлено, что при использовании управляемых приводов клапанов можно переключаться из работы с двухтактным циклом к работе с четырехтактным циклом.
Цель изобретения
Целью настоящего изобретения является создание способа управления для модуляции крутящего момента поршневого двигателя внутреннего сгорания, в котором имеется камера сгорания переменного объема и управляемые клапаны, причем предлагаемый способ обеспечивает устранение вышеупомянутых недостатков и приводит к повышению кпд двигателя и снижению воздействия на окружающую среду.
Сущность изобретения
Цели настоящего изобретения достигаются в вышеупомянутом способе, отличающемся тем, что крутящий момент, который необходим для заданных условий работы, достигается путем выбора объема камеры сгорания в комбинации с выбором времени открытия и времени закрытия впускных клапанов в комбинации с выбором частоты, с которой выполняются рабочие ходы поршня.
Насколько известно изобретателю, ранее никто не предлагал объединить в одном и том же двигателе использование переменной степени сжатия и управляемых приводов клапанов. Предпочтительно при максимальной нагрузке используется максимальный объем камеры сгорания. При понижении нагрузки объем уменьшают, причем одновременно используют более раннее закрытие впускных клапанов, до такой степени, когда достигается оптимальная эффективность, которая является максимальной для требуемого рабочего режима. При продолжении снижения нагрузки используют частотно-модулированный крутящий момент, когда требуемая нагрузка достигается путем выбора системой управления частоты рабочих ходов, при поддержании характеристики или параметров, соответствующих уровню нагрузки, при котором была достигнута оптимальная мощность двигателя. Если при малой скорости вращения двигателя необходим большой крутящий момент, предпочтительно используют работу с двухтактным циклом. Поскольку согласно изобретению использование переменной степени сжатия скомбинировано с использованием управляемых приводов клапанов, достигаются синергетические эффекты, например большее снижение расхода топлива, чем сумма снижений расхода топлива, которые могут быть достигнуты при использовании по отдельности переменной степени сжатия или управляемых приводов клапанов.
Переменной степенью сжатия называется изменение объема между поршнем и потолком цилиндра в верхней мертвой точке поршня.
Управляемыми клапанами, или управляемыми приводами клапанов, называются клапаны, временем открытия и закрытия, а также высотой подъема и площадью которых управляют посредством исполнительных элементов, которые приводятся в действие сигналами, поступающими из системы управления клапанами. Управляемые клапаны имеют исполнительные элементы, которые приводятся в действие с помощью пневматических, гидравлических, электромагнитных или любых других аналогичных средств.
Рабочим ходом называется ход поршня, в течение которого энергия массы газа, расширяющегося в процессе сгорания, превращается в механическую работу. Рабочие ходы могут входить в циклы, которые являются оптимальными или обычными, как в современных двигателях.
Холостым ходом называется ход поршня без какого-либо газообмена, подачи воздуха или сгорания; в процессе холостого хода никакой работы не производится. В течение такого хода имеют место небольшие потери из-за трения и тепловые потери. В течение холостого хода через двигатель не прокачивается никакой воздух или воздушно-топливная смесь. Холостой ход предполагает, что по меньшей мере впускные клапаны являются управляемыми и удерживаются закрытыми в течение холостого хода, препятствуя поступлению воздуха, до того момента, когда они открываются вновь. Однако согласно изобретению предпочтительно, чтобы выпускные клапаны также являлись управляемыми.
Частота рабочих ходов может изменяться между 0 и 100% от частоты оборотов двигателя. Эта частота может быть выбрана путем выполнения рабочего хода во время каждого n-го оборота двигателя, при этом оставшиеся ходы являются холостыми ходами. Альтернативно выполняется последовательность рабочих ходов, а холостой ход выполнялся во время каждого n-го оборота двигателя. Требуемый крутящий момент измеряется датчиком и передается в систему управления, которая выбирает частоту выполнения рабочих ходов.
Оптимальным рабочим ходом называется ход поршня, в течение которого выполняемая работа является максимально возможной с учетом существующих экономических и экологических условий и потребления топлива. При обеспечении требуемого крутящего момента путем выбора частоты оптимальных рабочих ходов достигается наилучшая экономичность работы.
При работе с четырехтактным циклом оптимальный рабочий ход включает опережающее закрытие впускных клапанов, цикл Миллера, в отличие от обычных современных двигателей, и задержанное открытие выпускных клапанов, цикл Аткинсона, в отличие от традиционной практики. Объем камеры сгорания выбирают из соображений получения по возможности наилучшего результата при заданных условиях, и в результате объем камеры сгорания составляет приблизительно 20-80% от максимального объема камеры сгорания, а предпочтительно - 30-50% от указанного максимального объема.
Посредством экспериментов с двигателем можно определить значения соответствующих параметров для каждой скорости вращения двигателя. Альтернативно система управления может быть адаптивной, то есть самообучающейся.
Оптимальный рабочий ход при двухтактном цикле отличается от оптимального рабочего хода при четырехтактном цикле, поскольку давление в цилиндре, которое имеется при открытии выпускных клапанов, должно использоваться для осуществления газообмена. Быстрое открытие выпускных клапанов приводит к созданию импульса выходящих отработанных газов, который, в свою очередь, создает в цилиндре низкое давление, т.е. давление ниже 1 атмосферы. Выпускные клапаны закрывают, а затем открывают впускные клапаны, причем в такой момент, чтобы наилучшим образом использовать закрытие выпускных клапанов и низкое давление для впуска должного количества воздуха перед следующим тактом сжатия и следующим рабочим ходом. Оптимальные рабочие ходы могут также выполняться при помощи выходных каналов, которые открываются или остаются открытыми при достижении поршнем нижней мертвой точки.
В течение двухтактного цикла можно использовать продувочный насос, отвечающий за газообмен полностью или частично, в комбинации с низким давлением в цилиндре.
В определенных рабочих режимах может возникнуть необходимость отступления от оптимальных рабочих ходов, например когда требуется максимальная отдача или в других предельных условиях.
Двигатель и его система управления могут быть разработаны с возможностью задания более чем одного набора параметров оптимального рабочего хода для заданной скорости вращения двигателя при использовании двух или более типов топлива, которым вследствие различия их свойств соответствуют разные оптимальные рабочие ходы. Примерами таких комбинаций являются бензин и этиловый спирт. Для каждой скорости вращения имеется один набор оптимальных параметров рабочего хода для бензина и другой - для этилового спирта.
Согласно настоящему изобретению системы подачи воздуха и топлива заранее настроены так, что в каждом рабочем ходе при определенной скорости вращения двигателя для сгорания используются одинаковые массы воздуха и топлива и такая же смесь воздуха и топлива, как и при других рабочих ходах при той же скорости вращения. Кроме того, для рабочих ходов возможные количества рециркулируемого отработанного газа одинаковы. Поскольку условия сгорания повторяются и не изменяются, это приводит к тому, что за каждый рабочий ход, происходящий при постоянной скорости вращения двигателя, выполняется одинаковая работа, а химический состав отработанных газов остается постоянным, что облегчает очистку отработанного газа.
В обычных поршневых двигателях внутреннего сгорания, работающих с четырехтактным циклом, сгорание с рабочим ходом происходит при каждом втором обороте двигателя, а в двигателе, работающем с двухтактным циклом, оно происходит при каждом обороте двигателя. Газообменные системы таких двигателей приводят к тому, что другие интервалы ходов являются невозможными, поскольку воздух, остатки топлива, например несгоревшие углеводороды, прокачиваются через двигатель, в результате чего его эффективность снижается, а воздействие на окружающую среду возрастает. Для использования изобретения и даваемых им преимуществ клапаны и каналы, служащие для газообмена, должны иметь возможность закрываться в течение одного или нескольких последовательных холостых ходов, что часто используется при неполной нагрузке. Соответственно для осуществления изобретения требуются управляемые клапаны, по меньшей мере управляемые впускные клапаны.
При использовании управляемых клапанов, открытием и закрытием и, возможно, высотой подъема которых управляют посредством системы цифрового управления с датчиками, определяющими положение коленчатого вала и/или положение поршня и скорость вращения двигателя, и соответствующих электронных средств и программного обеспечения газообмен и рабочие ходы могут выполняться только при необходимости. В остальное время клапаны, по меньшей мере впускные клапаны, остаются закрытыми. Это подразумевает, что частота оптимальных рабочих ходов выбирается для достижения требуемого крутящего момента.
В способе управления используется система цифрового управления, которая определяет запрошенный крутящий момент в каждый момент времени. Если этот крутящий момент находится в пределах области, в которой он может быть достигнут с помощью оптимальных рабочих ходов, предпочтительно от работы на холостом ходу до 50% нагрузки, то система управления выбирает определенную частоту рабочих ходов, а именно ту, которая должна обеспечить достижение требуемого крутящего момента. При заданном значении скорости вращения рабочие ходы обеспечивают совершение одинаковой работы за каждый производимый рабочий ход. Поэтому такая частота является искомой частотой рабочих ходов для достижения требуемого значения крутящего момента.
Управляемые клапаны обеспечивают подачу воздуха и топлива и удаление отработанных газов, а также газообмен непосредственно до и после рабочих ходов. При выборе частоты, при которой рабочий ход выполняется при каждом обороте, газообмен также должен происходить при каждом обороте, как в двухтактном двигателе. Газообмен может также выполняться как в современных четырехтактных двигателях, то есть с применением такта впуска, в результате чего рабочий ход выполняется при каждом втором обороте двигателя. Согласно настоящему изобретению обеспечение заданного крутящего момента происходит путем выбора частоты двухтактных циклов или четырехтактных циклов или такой частоты, при которой один или несколько двухтактных циклов сочетаются с одним или несколькими четырехтактными циклами. Согласно настоящему изобретению можно выбрать разные частоты рабочих ходов для различных цилиндров двигателя. Если впускные клапаны являются управляемыми, а выпускные клапаны нет, то можно выполнять только четырехтактные циклы.
Система управления в ответ на запрос на увеличение или уменьшение крутящего момента со стороны водителя, например, использующего для этого педаль акселератора обычным или аналогичным способом, управляет долей рабочих ходов по отношению к количеству холостых ходов двигателя. Таким образом, рабочие ходы оптимизируются в соответствии с вышеупомянутым определением, поскольку система управления способна также управлять объемом камеры сгорания в пределах управляемого диапазона, а также количеством подаваемого воздуха путем выбора времени открытия и закрытия впускных клапанов и, возможно, величины подъема клапана.
Двигателем управляют путем изменения количества рабочих ходов по отношению к количеству холостых ходов для каждого цилиндра и путем разного изменения этого отношения от цилиндра к цилиндру. Система управления управляет двигателем путем управления открытием и закрытием впускных и выпускных клапанов соответственно в камере сгорания каждого цилиндра или открытия и закрытия только впускных клапанов, если выпускные клапаны не являются управляемыми. Таким образом, открытие и закрытие впускных клапанов и, возможно, также выпускных клапанов основано на крутящем моменте, который запрошен со стороны водителя. Управление выполняют посредством управляющих сигналов из блока управления, относящегося к системе управления. Если выпускные клапаны не являются управляемыми, рабочие ходы должны выполняться в рамках четырехтактного цикла. Если и впускные, и выпускные клапаны являются управляемыми клапанами, система управления может быть выполнена с возможностью переключения между четырехтактными циклами и двухтактными циклами в цилиндрах двигателя. Например, один цилиндр мог бы работать с двухтактным циклом, а другой - с четырехтактным циклом. Система управления должна быть способна вычислить, при каких условиях двухтактные циклы или четырехтактные циклы являются наиболее эффективными, и на этой основе выбрать один из этих видов циклов и использовать определенную частоту рабочих ходов. Соответственно способ управления включает выбор между двухтактным циклом и четырехтактным циклом на основе этих заданных условий. Система управления включает блок управления, который содержит соответствующую компьютерную программу, записанную на носителе информации. Блок управления функционально связан с некоторой схемой, например, для пневматической, гидравлической, электромагнитной или любой другой активации исполнительных элементов, которые управляют работой по меньшей мере впускных клапанов, но, возможно, также и выпускных клапанов. Блок управления может быть выполнен, например, так, что он управляет соленоидами, установленными в схеме приведения в действие исполнительных элементов, которые действуют на впускные или выпускные клапаны двигателя. Блок управления функционально связан с элементом, выдающим запрос на крутящий момент, например с педалью акселератора, посредством которой водитель дает запрос на увеличение или уменьшение крутящего момента двигателя. Система управления для частотно-модулированного крутящего момента может быть частью некоторой системы, например частью, соответствующей режиму экономичной работы, в большей системе управления, которая управляет также другими характеристиками или параметрами рассматриваемого двигателя.
Чем ниже нагрузка, тем значительнее относительное сокращение расхода топлива и уменьшение воздействия на окружающую среду, достигаемое с использованием настоящего изобретения. Двигатель и его система управления могут быть разработаны так, чтобы охватывать как весь диапазон работы двигателя с различными частотами оптимальных рабочих ходов, так и управление только одним параметром.
Без выхода за рамки настоящего изобретения можно сделать так, чтобы в течение одного или нескольких оборотов двигателя в цилиндр поступал и в нем накапливался только воздух или комбинация топлива и воздуха, например, для улучшения смешивания и/или превращения топлива в газ. Изобретение не ограничено выбором только абсолютных оптимальных рабочих ходов или выбором оптимальной частоты.
Таким образом, в соответствии с изобретением предложен способ управления для модуляции крутящего момента поршневого двигателя внутреннего сгорания, в котором имеется камера сгорания переменного объема и управляемые впускные клапаны, в котором крутящий момент, запрошенный для заранее заданного рабочего режима, достигается путем выбора объема камеры сгорания в комбинации с выбором времени открытия и времени закрытия впускных клапанов в комбинации с выбором частоты, с которой выполняются рабочие ходы.
При этом предпочтительно:
При максимальной нагрузке используют максимальный объем камеры сгорания,
При уменьшении нагрузки уменьшают объем камеры сгорания, а закрытие впускных клапанов выполняют раньше, и
При дальнейшем уменьшении нагрузки производят выбор частоты выполнения рабочих ходов.
Выбор частоты рабочих ходов предпочтительно выполняют, начиная от работы на холостом ходу до 50% максимальной нагрузки.
Предпочтительно выпускные клапаны являются управляемыми, а объем камеры сгорания выбирают в комбинации с выбором времени открытия и времени закрытия как впускных клапанов, так и выпускных клапанов, а также в комбинации с выбором частоты выполнения рабочих ходов.
Предпочтительно в двигателе имеется множество цилиндров, и для разных цилиндров выбирают различные частоты рабочих ходов.
Рабочие ходы можно выполнять с опережающим закрытием впускных клапанов. Рабочие ходы также можно выполнять с задержанным открытием выпускных клапанов.
Например, объемом камеры сгорания управляют так, что он составляет 20-80% от ее максимального объема, когда выбирают частоту рабочих ходов. Предпочтительно объем камеры сгорания составляет 30-50% от ее максимального объема, когда выбирают частоту рабочих ходов.
При заранее заданной скорости вращения двигателя, которая не зависит от крутящего момента, при каждом рабочем ходе предпочтительно сжигают по существу такую же массу воздуха и топлива и по существу с таким же соотношением воздуха и топлива, как и при других рабочих ходах.
Кроме того, в зависимости от запрошенного крутящего момента в предложенном способе управления выбирают двухтактный или четырехтактный цикл, и рабочие ходы выполняют с двухтактным и с четырехтактным циклом.
Кроме того, в предложенном способе управления используют систему управления с компьютерной программой, которая посредством сигнального управления на основе значения крутящего момента, запрошенного водителем, выбирает частоту рабочих ходов, время срабатывания клапана, высоту подъема клапана, объем камеры сгорания и работу с двухтактным циклом или четырехтактным циклом.
Краткое описание чертежей
На чертеже схематично показан двигатель, в котором реализован способ согласно настоящему изобретению.
Краткое описание варианта осуществления изобретения
На чертеже схематично показан цилиндр 1 с поршнем 2. В течение такта впуска четырехтактного цикла поршень 2 перемещается, и воздух, возможно вместе с топливом, течет через открытый впускной клапан 3. Выпускной клапан 4 закрыт. Для изменения объема камеры 6 сгорания используется поршень 5 переменной степени сжатия, указанный объем представляет собой объем между поршнем 2 и потолком цилиндра 1 в верхней мертвой точке поршня 2. Для активации приводов с целью управления клапанами 3 и 4 и поршнем 5 переменной степени сжатия используется пневматическая схема 7. Блок 8 управления функционально связан со схемой 7 для управления этой схемой с помощью сигналов и управления клапанами 3 и 4, связанными со схемой 7, а также поршнем 5 переменной степени сжатия. Элемент 9, например педаль акселератора, функционально связан с блоком 8 управления с целью обеспечения запроса на создание крутящего момента. Датчик 10, расположенный около градуированного диска 12, который установлен на коленчатом валу 11, функционально связан с блоком 8 управления и выдает последнему информацию о скорости вращения и положении коленчатого вала и/или положении поршня 2 в цилиндре 1. Блок 8 управления решает, когда управляемые клапаны 3 и 4 должны открыться или закрыться и в каком положении должен быть поршень 5 переменной степени сжатия, когда поршень 2 находится в своей верхней мертвой точке. Управляемые клапаны 3 и 4 приводятся в действие с помощью, например, электромагнитных, гидравлических или пневматических средств. Поршень 5 переменной степени сжатия перемещается, например, с помощью электромагнитных, гидравлических или пневматических средств. Поршень 5 переменной степени сжатия может быть связан с коленчатым валом 11 (не показано) и может быть выполнен с возможностью осуществления изменяемого возвратно-поступательного перемещения в координации с перемещением поршня 2. Кроме того, в автоматической системе управления поршень 5 переменной степени сжатия может непрерывно производить поиск положения, в котором достигается оптимальное сжатие.
1. Способ управления для модуляции крутящего момента поршневого двигателя внутреннего сгорания, в котором имеется камера (6) сгорания переменного объема и управляемые впускные клапаны (3), отличающийся тем, что крутящий момент, запрошенный для заранее заданного рабочего режима, достигается путем выбора объема камеры (6) сгорания в комбинации с выбором времени открытия и времени закрытия впускных клапанов (3) в комбинации с выбором частоты, с которой выполняются рабочие ходы.
2. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что при максимальной нагрузке используют максимальный объем камеры сгорания, при уменьшении нагрузки уменьшают объем камеры сгорания, а закрытие впускных клапанов (3) выполняют раньше и при дальнейшем уменьшении нагрузки производят выбор частоты выполнения рабочих ходов.
3. Способ управления по п.1 или 2, отличающийся тем, что выбор частоты рабочих ходов выполняют, начиная от работы на холостом ходу до 50% максимальной нагрузки.
4. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что выпускные клапаны являются управляемыми, а объем камеры (6) сгорания выбирают в комбинации с выбором времени открытия и времени закрытия как впускных клапанов (3), так и выпускных клапанов (4), а также в комбинации с выбором частоты выполнения рабочих ходов.
5. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что в двигателе имеется множество цилиндров (1), и для разных цилиндров (1) выбирают различные частоты рабочих ходов.
6. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что рабочие ходы выполняют с опережающим закрытием впускных клапанов (3).
7. Способ управления по п.4, отличающийся тем, что рабочие ходы выполняют с задержанным открытием выпускных клапанов (4).
8. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что объемом камеры (6) сгорания управляют так, что он составляет 20-80% от ее максимального объема, когда выбирают частоту рабочих ходов.
9. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что объем камеры (6) сгорания составляет 30-50% от ее максимального объема, когда выбирают частоту рабочих ходов.
10. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что при заранее заданной скорости вращения двигателя, которая не зависит от крутящего момента, при каждом рабочем ходе сжигают по существу такую же массу воздуха и топлива и по существу с таким же соотношением воздуха и топлива, как и при других рабочих ходах.
11. Способ управления по любому из пп.4-10, отличающийся тем, что в зависимости от запрошенного крутящего момента выбирают двухтактный или четырехтактный цикл и рабочие ходы выполняют с двухтактным и с четырехтактным циклом.
12. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что в нем используют систему (8) управления с компьютерной программой, которая посредством сигнального управления на основе значения крутящего момента, запрошенного водителем, выбирает частоту рабочих ходов, время срабатывания клапана, высоту подъема клапана, объем камеры (6) сгорания и работу с двухтактным циклом или четырехтактным циклом.