Устройство управления двигателем посредством изменения фаз газораспределения

При проектировании двигателя исходят из первого в порядке последовательности термодинамического процесса сжатия. При создании бензинового двигателя решается задача предотвращения детонации в конце процесса сжатия на номинале. При таком подходе термодинамические параметры основного процесса - процесса расширения (рабочего хода). определяющего количество тепловой энергии преобразованной в механическую, и в конечном итоге КПД двигателя оказываются результатом проектирования. Следствием этого является экономичность бензинового двигателя менее возможной. Предлагаемая полезная модель - устройство позволяющее обеспечить оптимальное с точки зрения экономичности сочетание степеней расширения и сжатия с цепью получения максимально» экономичности и при этом предотвратить детонацию и нарушение потока во впускном тракте. Предлагаемое устройство позволяет принимать степень расширения в качестве аргумента при проектировании двигателя. Кроме того, изменение фаз газораспределения позволяет снизить потери в процессе впуска и управлять двигателем. В конечном итоге бензиновый двигатель с обычной степенью сжатия и со степенью расширения дизеля оказывается экономичной дизеля и экологичней существующих бензиновых двигателей.

Предлагаемая полезная модель относится к двигателям внутреннего сгорания в частности к системам управления им. Может относиться к устройствам изменения фаз газораспределения без функций управления. Может быть использовано для повышения экономичности бензинового двигателя и снижения нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма дизельного двигателя.

Известно устройство управления двигателем посредством изменения фаз газораспределения (1). На такте впуска поступает максимально возможное количество горючей смеси. На такте сжатия часть смеси, не требуемая по условиям движения. вытесняется из цилиндра. Таким образом, достигается снижение потерь на такте впуска. Количество вытесненной смеси определено моментом закрытия впускного клапана. Изменение момента закрытия впускного клапана производится осевым перемещением распределительного вала имеющего разные узлы расширения впускного кулачка в разных сечениях перпендикулярных оси по его длине. Толкатель традиционно симметричен относительно собственной оси. При перемещении распределительного вала изменяется место контакта по длине кулачка с толкателем и изменяется угол закрытия впускного клапана.

Достигаемая цель не оправдывает положения конструкции.

Целью полезной модели является обеспечение оптимального сочетания степеней сжатия и расширения для получения максимальной экономичности бензинового двигателя и предотвращение при этом детонации и нарушения потока во впускном тракте (2). Достижение такой цели позволяет пойти на усложнение конструкции.

Причем, изменение фаз газораспределения достигается без сложной системы осевого перемещения распределительного вала.

В предлагаемой полезной модели это производится поворотом толкателя вокруг своей оси в диапазоне определенного сектора (например, зубчато-реечным механизмом), На торце толкателя имеются некие объемные геометрические элементы, меняющие при его повороте положение в зоне действия кулачка. Эти элементы образуют выступ на поверхности торца толкателя обращенный в сторону кулачка.

Если кулачок имеет форму, аналогичную указанной к источнике (1). то на торце толкателя секторе его поворота может находиться выступ, например, в форме параллелепипеда. При повороте толкателя пучка контакта с выступом перемещается по длине кулачка и меняется угол закрытия клапана. На Фиг.1 изображен момент закрытия клапана в некотором промежуточном положении толкателя, соответствующем средним оборотам двигателя. Здесь выступ представляет собой параллелепипед, ориентировочный по диаметру. Кулачок находится в положении конца закрытия клапана по профилю находящемуся в сечении перпендикулярном оси вала проходящем через точку контакта 8.

Кулачок с разными углами расширения по длине сложен для шлифовки.

В предлагаемой полезной модели (Фиг.2) имеется обычный кулачок А (далее "основной") и дополнительный кулачок В, возможно, с таким же расширением, но меньшей высоты. Для упрощения изображения и описания предполагается, что кулачки плоские. Сторона дополнительного кулачка, работающего при закрытии клапана, имеет иной профиль. Толкатель, работающий с таким кулачком, имеет в секторе поворота выступ, ориентированный по периметру. Выступ при любом положении толкателя имеет точку В находящуюся на воображаемой дуге радиусом равным радиусу цилиндрической части кулачка. При закрытом клапане центр дуги совпадает с осью распределительного вала. При закрытии клапана перемещение толкателя идет по основному кулачку А. Далее в некоторый момент происходит контакт точки В с кулачком Б (Фиг.2а), и закрытие идет по этому

кулачку. Угол, охваченный дугой, и есть угол а задержки закрытия клапана (2б). При повороте толкателя изменяется положение точки В на указанной дуге и изменяется угол закрытия клапана. Такой двойной кулачок требует шлифовки в два приема.

Кулачок может шлифоваться в один прием (Фиг.3). Часть поверхности одного торца кулачка не является плоскостью пepпендикулярной оси распределительного вала. Например, плоскостью расположенной под углом к оси вала. Линия А пересечения этой плоскости со стороной кулачка работающий при закрытии клапана является рабочим профилем. В зоне действия этого рабочего профиля отсутствует цилиндрическая часть, на которую опирается толкатель при закрытом клапане и рабочий профиль, работающим при открытии клапана. Рабочий профиль А работает с выступом на толкателе при закрытии клапана и контакт с ним указанных поверхностей нарушает динамику клапана при открытии и препятствует полному закрытию. Выступ толкателя образован линиями Б. которые по время контакта (точка 1 на Фиг.3а) с рабочим профилем А на проекции на плоскость перпендикулярную оси распределительного валa соединяют концы дуги радиусом рапным радиусу цилиндрической части кулачка. При закрытом клапане (Фиг.3б) центр дуги совпадает с осью распределительного вала. Угол, охваченный дугой, и есть угол а задержки закрытия клапана. При повороте толкателя меняется длина линии Б и изменяется угол охваченный дугой.

Удаление части смеси на номинал. позволяет избежать детонации. Удаление большего количества смеси при повороте толкателя позволяет управлять двигателем на частичных режимах.

В двигателях с верхним расположением распределительного вала толкателя может представлять собой диск, находящийся в контакте с ним.

В прототипе (1) для перемещения части горючей смеси вытесненной из цилиндра предусмотрена система трубопроводов. В предлагаемой полезной модели горючая смесь вытесняется в полость головки цилиндров, являющейся частью впускного тракта. Дли чего могут полностью или частично отсутствовать стенки впускного канала. Нарушение и прямого потока обратным предотвращается особым профилем внутренней полости головки. Массы газов проходящих через нее достаточно для самоохлаждения. Каналы сообщения с водяной рубашкой блока цилиндров отсутствуют. Карбюратор может быть установлен на блоке цилиндров. В этом случае гарантированно исключается нарушение потока при вытеснении смеси. Акустические колебания будут способствовать лучшему смесеобразования, и поглощаться в цилиндре. Положительный попутный эффект - отпадает надобность в радиаторе и его вентиляторе. Температурный режим может регулироваться заслонкой, которая в крайних положениях направляет смесь либо через блок дилиндров, либо через головку блока.

Прелагаемое техническое решение кроме снижения потерь в процессе впуска позволяет получить оптимальное сочетание степеней сжатия и расширения и повысить этим экономичность бензинового двигателя вследствие более полного использования полученной тепловой энергии. Применять низко октановый бензин, имеющий высокие испаряемость и скорость сгорания, что позволяет отказаться отказаться от сложных систем механического распыления бензина. Улучшаются экологические показатели по причине уменьшения несгоревшего и полуразложившегося бензина в выхлопных газах. При впуске в цилиндре имеется смеси больше, чем ее умещается в камере сгорания без детонации. Это делает двигатель не чувствительным к изменению высоты над уровнем моря.

1. Патент США № 4,494.596. МПК

2. Теоретические исследования автора.

О степенях

В камере сгорания поршневою четырехтактного двигателя имеется в начале такта рабочего хода потенциальная тепловая энергия. Преобразование ее в механическую энергию "зависит от рабочею объема определяющего термодинамический параметр - степень расширения (отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания). Eсли сгорел бензин. то степень расширения 7-11. а если солярка, то 14-22!? То есть, внутренняя энергия газа в бензиновом двигателе обеспечена рабочим объемом раза в два меньше. И это только потому, что на предыдущем такте перемещение поршня от НМВ до закрытия впускного клапана ограничено, с тем, чтобы поток во впускном тракте не нарушался обратным потоком и степень сжатия (отношение объема над поршнем в момент закрытия впускною клапана к объему камеры сгорания) ограничена детонационными свойствами бензина. И это при том, что внутренняя энергия газа в единице объема в обоих типах двигателей повышается в процессе сгорания примерно одинаково.

Степень расширения основной параметр, определяющий КПД двигателя. Всю историю двигателестроения термодинамический параметр степень расширения "формулой" "объем камеры сгорания равен рабочему объему цилиндра, деленному на степень сжатия минус единица" повязан при проектировании двигателя параметром, не имеющему отношения к процессу расширения н вообще к термодинамике - детонацией бензина. Степень расширения должна быть определена в процессе термодинамического расчета. Но в теории двигателя в формуле определения теоретического КПД не нашлось места для основного параметра определяющего экономичность двигателя. Если из теоретического цикла исключить псевдотермодинамические параметры, подменяющие процессы газообмена и воздать, должное основному процессу двигателя, то получится логичная формула (для бензинового):

.

где: _{1 -} ретически и коэффициент полезного действия

- коэффициент повышения давления,

k - коэффициент политропы

- степень расширения,

- степень сжатия.

По производной этой формулы можно определить оптимальное сочетание степеней расширения и сжатия, при котором достигается максимальный КПД.

=^k

По расчетам степень расширения должна быть 15-20. (степень сжатия разумеется, не повышается) и экономичность бензинового двигателя при этом выше. чем у дизеля, который имеет меньший коэффициент повышения давления из-за потребления тепла массой избыточного воздуха (чтобы получить в начале такта рабочего хода 80-90 атм. необходимо затратить энергию на сжатие до 40-50 атм.). Коэффициент повышения давления в бензиновом двигателе (10-15 атм. до сгорания. 30-50 атм. после) характеризует отношение массы вовремя сгорания смеси к массе поступившей смеси и в существующих двигателях далек от максимума. Уменьшение объема камеры сгорания за счет объема несгорающей, и сгорающей в конце фазы создания крутящею момента смеси позволяет повысить давление в камере сгорания в начале такта рабочего хода, поскольку уменьшается нагреваемая масса. Коэффициент политропы и процессе расширения изменяется и в теории применяется как обобщающий показатель. Политропа падения давления в процессе расширения может быть рассчитана по принципу адиабата минус потери тепла.

До сих пор степень расширения повышалась посредством повышения степени сжатий. Этот способ исчерпан - достигнут предел детонационной стойкости бензина. Далее степень расширении бензинового двигателя можно увеличить за счет увеличения перемещения поршня на такте сжатия при открытом впускном или дополнительным перепускном клапане. На номинальном режиме смесь избыточная по условию детонации на такте сжатия, перед процессом сжатия удаляется из цилиндра. В камеру сгорания будет поступать при этом примерно столько тепловой энергии, сколько у дизеля такого же литража.

Устройство управления посредством изменения фаз газораспределения поршневым четырехтактным двигателем, содержащим распределительный вал и толкатель, отличающееся тем, что, с целью обеспечения оптимального сочетания степеней расширения и сжатия для получения максимальной экономичности и предотвращения при этом детонации бензина и нарушения потока во впускном тракте, толкатель имеет на поверхности торца объемные геометрические элементы, изменяющие положение в пространстве при повороте его вокруг собственной оси и конструктивный элемент для его фиксированного поворота, а впускной канал сообщается с полостью головки блока цилиндров и с полостью между цилиндрами и стенками блока цилиндров.