Двигуни внутрішнього згоряння, як мені здається, ще не досягли стелі еволюції і мають великі можливості для подальшого вдосконалення. В даний час провідними автомобілебудівними фірмами світу ведеться інтенсивний пошук принципово нових схем двигунів внутрішнього згоряння.
Всі заявлені екзотичні схеми, які обіцяли воістину фантастичні можливості, сходять з кола змагань. На жаль, багато запропоновані нетрадиційні двигуни мають більше недоліків, ніж переваг. А ось перспективного на сьогодні і добре відпрацьованого економічного двигуна внутрішнього згоряння для легкового автомобіля поки немає.
Пропоноване технічне рішення існуючої проблеми - це поршневий двигун внутрішнього згоряння з особливим способом обмеження потужності. Крім того, в самому двигуні не потрібно нічого переробляти, а просто встановити на ньому нескладне додаткове пристрій, який різко поліпшить якість його роботи, допоможе економити паливо, очистити повітря в містах і зробити автомобіль, що працює на бензині набагато популярніше.
За традиційного способу роботи теплового двигуна, потужність двигуна з уприскуванням легкого палива регулюють за допомогою дросельної заслінки, яка змінює кількість повітря, що надходить в циліндри двигуна, а склад суміші залежить від маси палива, що впорскується топливоподающей апаратурою. Необхідно відзначити, що сучасний автомобіль в звичайних умовах експлуатації працює на повній навантаженні не більше 10-15% усього часу руху.
Повні дроселі використовуються порівняно рідко, тільки при русі автомобіля з прискоренням або при подоланні великих підйомів, а в переважній більшості випадків автомобіль експлуатується з частковими навантаженнями, пов'язаними з малими відкриттями дросельної заслінки. При підході до холостого ходу дросельну заслінку прикривають, внаслідок цього у впускному колекторі утворюється значна розрядження, тиск всмоктування зменшується, а, отже, різко скорочується і кількість що надходить в циліндри свіжої суміші при майже постійній кількості залишкових газів; в результаті цього відносна кількість їх в суміші різко зростає, досягнувши максимуму на холостому ходу двигуна. Умови займання і згорання такої суміші особливо несприятливі внаслідок зниження в суміші кількості кисню і наявності в камері згоряння значної кількості інертних залишкових газів.
В експлуатаційних умовах треба докладати всіх зусиль до того, щоб все паливо згорали в момент знаходження поршня біля верхньої мертвої точки. При роботі двигуна на холостому ходу, внаслідок зниження робочого тиску в циліндрах і при порівняно низьких мало змінюються температурах збільшується відсоток диссоциирующих газів, але одночасно зростають відносні теплові втрати в охолоджуючу воду, що в кінцевому підсумку також зменшує показник економічності.
Висловлені положення дозволяють констатувати, що наявність значної кількості залишкових газів в робочій суміші сповільнює процес згоряння, а в двотактних двигунах іноді спричинюють незаймистість суміші. Для отримання при малих навантаженнях досить швидкого згоряння робочої суміші її необхідно збагачувати, що призводить до збільшення витрати палива і шкідливості відпрацьованих газів. Результатом незадовільного протікання робочих циклів на холостому ходу і в режимах, близьких до холостого ходу, є підвищення питомої витрати палива і збільшення кількості токсичних компонентів у відпрацьованих газах. Разом з тим дросселирование повітряного потоку - це абсолютно марна робота, яка збільшує насосні втрати при газообміні в робочих циліндрах.
Пропонований спосіб роботи двигуна внутрішнього згоряння - вирішує завдання підвищення економічності і зниження токсичності відпрацьованих газів при роботі автомобільного двигуна внутрішнього згоряння на холостому ходу і часткових навантаженнях, близьких до холостого ходу.
Відповідно до пропонованого способу роботи двигуна внутрішнього згоряння при роботі двигуна на холостому ходу і часткових навантаженнях, близьких до холостого ходу, впорскування палива проводиться не кожен раз при наповненні циліндра свіжим повітрям, а з пропуском кожного другого всмоктування робочого заряду, наприклад, по парних робочим циклам, при цьому подача палива по непарних робочим циклам повністю виключається, внаслідок чого один робочий цикл здійснюється за чотири оберти колінчастого вала по восьмітактному принципом роботи.
Електронний блок управління подачею палива включає дві незалежні системи управління харчування двигуна:
1 - головна система управління харчування здійснює електронне управління форсунками подачі палива по парних робочим циклам і кутом випередження запалювання для всіх робочих циклів;
2 - відключається електронна система управління подачею палива здійснює подачу палива по непарних робочим циклам, при цьому для багатоциліндрового двигуна порядок включення форсунок в кожній системі управління розраховується залежно від порядку роботи даного двигуна, наприклад в чотирициліндровому двигуні з порядком роботи циліндрів 1-3-4 -2 порядок включення форсунок головною системою харчування наступний: 1-4-3-2, а порядок включення форсунок відключається електронною системою управління подачею палива відповідає 3-2-1-4.
Відключення і включення електронної системи управління подачею палива по непарних циклам здійснюється автоматично, причому система подачі палива відключається при досягненні розрядження поблизу впускних клапанів в межах 0,03-0,06 МПа, а включається при повному відкритті дросельної заслінки.
На фіг. 1 представлена схема чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння, що працює за пропонованим способом.
Сам двигун внутрішнього згоряння (фіг. 1) не відрізняється від традиційного і містить щонайменше один циліндр 1 з поршнем 2, кінематично пов'язаних з колінчастим валом 3, впускний клапан 4, випускний клапан 5 і свічку запалювання 6. У впускному каналі головки блоку встановлена електромагнітна форсунка 7 подачі палива. Паливо з бака до електромагнітних форсунок 7 подається електронасосом 8.
Організація процесів подачі, займання і згоряння палива в циліндрі 1 двигуна здійснюється під контролем системи управління. Об'ємна подача палива залежить від тривалості відкриття клапана електромагнітної форсунки 7. Імпульси змінної тривалості, що подаються по дротах на котушку клапана форсунки 7, формуються в електронних блоках 9 і 10. Електронний блок управління 9 здійснює подачу електричних імпульсів на електрично керовані форсунки 7 по парних робочим циклам . За подачу імпульсів на електромагнітні форсунки 7 по непарних робочим циклам відповідає блок управління 10. Датчики відстежують різні параметри двигуна, що впливають на тривалість і момент подачі паливного імпульсу. Час включення електромагнітної форсунки зростає в міру зниження температури і відстежується термодатчиком 11. Термовимикач 12 блокує датчик тиску 13, не дозволяючи на холостому ходу при низьких температурах охолоджуючої рідини відключити електронний блок управління 10 від мережі живлення. Кількість повітря, яке надходить в циліндри двигуна, регулюється дросельною заслінкою 14. Положення дросельної заслінки при роботі двигуна контролюється датчиком 15.
Спосіб роботи здійснюють у такий спосіб.
При пуску холодного двигуна обидва електронних блоку управління 9 і 10 формують необхідні імпульси подачі палива по парних і непарних робочим циклам. У міру прогріву двигуна тривалість імпульсу коригується в електронних блоках 9 і 10 в залежності від температури охолоджуючої рідини, температура датчика температури 11. На номінальної потужності прогрітого двигуна, також як і при пуску, електронні блоки управління 9 і 10 посилають свої імпульси по дротах на котушку електромагнітної форсунки 7. При повній і близьких до неї навантаженнях дросельна заслінка 14 відкрита, чим забезпечується хороша очищення камери згоряння від відпрацьованих газів і створюються необхідні умови для своеврем енного займання і повного згоряння робочої суміші. Паливо згорає до кінцевих, нешкідливих для навколишнього середовища, продуктів згоряння. У міру зниження навантаження і підходу до режимам холостого ходу дросельну заслінку 14 прикривають, тиск у впускному колекторі знижується, і при досягненні розрядження 0,03-0,06 МПа датчик тиску 13 відключає електронний блок управління 10 від харчування, внаслідок подача палива в циліндри двигуна по непарних робочим циклам припиняється. Необхідно відзначити, що на холодному двигуні термовиключатель 12 блокує датчик тиску 13, в результаті чого електронний блок управління 10 продовжує посилати імпульси на електромагнітні форсунки 7 по непарних робочим циклам на всіх режимах роботи двигуна. В прогрітому двигуні датчик тиску 13 працює і відключає електронний блок управління 10 від харчування при розрядження у впускному колекторі 0,03-0,06 МПа. У той же час головний електронний блок управління 9 здійснює подачу електричних імпульсів на електрично керовані форсунки 7 по парних робочим циклам, внаслідок цього в робочі циліндри 1 впорскується паливо тільки по парних робочим циклам.
Отже, на холостому ходу і часткових навантаженнях, близьких до холостого ходу, по непарних робочим циклам в циліндрах двигуна замість робочої суміші стискається свіже повітря з великою кількістю залишкових газів. В результаті стиснення чистого повітря, за рахунок змішування його з залишковими газами і контакту з сильно нагрітими деталями двигуна (випускні клапани, свічки запалювання, стінки камери згоряння і поршні), відбувається підвищення температури і тиску газів в циліндрі 1. В цей час температура розігрітих деталей двигуна знижується, що позитивно позначається на їх роботі і тепловий стан двигуна. При зворотному ході поршня 2 до нижньої мертвої точки стисла і нагріта суміш чистого повітря з залишковими газами розширюється, а накопичена енергія трансформується в механічну роботу. У процесі розширення температура деталей двигуна продовжує знижуватися, теплова енергія при цьому переходить до нагрітого газу.
Робота, отримана в процесі розширення нагрітого повітря без згоряння палива, є позитивною і перевищує роботу, витрачену на стиснення свіжого повітря. Відпрацьований газ залишає циліндр 1 двигуна при черговому ході поршня 2 до верхньої мертвої точки, після чого випускний клапан 5 закривається. Слід зазначити, що наявність великої кількості вільного кисню в складі відпрацьованих газів, що виходять в випускну систему при їх відносно невисокій температурі, підвищує ефективність використання каталітичних нейтралізаторів. Збільшується термін служби останніх, і на всіх режимах роботи двигуна внутрішнього згоряння забезпечується ефективна нейтралізація всіх основних токсичних компонентів до кінцевих, нешкідливих для навколишнього середовища, продуктів згоряння. Потім починається парний робочий цикл; поршень 2 рухається до нижньої мертвої точки, робочий циліндр 1 заповнюється горючою сумішшю, що включає незначний вміст інертних залишкових газів від попереднього робочого циклу.
Очевидно, що саме пропуск згоряння по непарних робочим циклам забезпечує склад робочої суміші з малим вмістом інертних газів, так як залишкові гази від непарних робочих циклів складаються зі свіжого повітря і тільки частково - з продуктів згоряння. Внаслідок цього коефіцієнт залишкових газів при роботі двигуна на холостому ходу і часткових навантаженнях, близьких до холостого ходу, різко знижується, а коефіцієнт надлишку повітря підвищується, що сприятливо позначається на процесі згоряння і економічних показниках двигуна. При русі автомобіля з прискоренням дросельну заслінку відкривають, датчик положення дросельної заслінки 15 за допомогою контролера включає харчування електронного блоку управління 10 і в циліндри двигуна починає надходити горюча суміш, як по парних, так і по непарних робочим циклам, що, відповідно, призводить до зростання потужності двигуна.
Отже, при роботі двигуна за пропонованим способом робота двигуна на повній і близькою до повної навантаженнях не відрізняється від способу роботи чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння з електронною системою харчування і уприскуванням легкого палива, а при роботі двигуна на холостому ходу і часткових навантаженнях за пропонованим способом двигун працює з робочим циклом, що складається з восьми тактів (восьмітактний) і подвійного очищення циліндрів від відпрацьованих газів. Необхідно відзначити, що для багатоциліндрового двигуна порядок включення форсунок в кожній системі управління розраховується з урахуванням досягнення максимально можливого рівномірного крутного моменту, одержуваного на колінчастому валу двигуна, і в залежності від порядку роботи даного двигуна.
Наприклад, для чотирициліндрового двигуна з порядком роботи циліндрів 1-3-4-2 порядок включення форсунок головною системою харчування наступний: 1-4-3-2, а порядок включення форсунок відключається електронною системою управління подачею палива відповідає 3-2-1-4 . У чотиритактному восьмициліндровому двигуні з порядком роботи циліндрів 1-3-7-5-8-6-2-4 рекомендується наступний порядок включення форсунок головної системи живлення, що забезпечує рівномірність обертання на всіх режимах і навантаженнях: 1-7-8-2-3 -5-6-4, а порядок включення форсунок відключається електронною системою управління подачею палива відповідає 3-5-6-4-1-7-8-2.
Таким чином, запропонований спосіб роботи двигуна на холостому ходу і часткових навантаженнях, близьких до холостого ходу, дозволяє поліпшити умови протікання процесу згоряння, а саме збільшити повітряний заряд в робочій суміші за рахунок повторної очистки циліндрів від відпрацьованих газів, що забезпечить своєчасне займання, швидкість і повне згорання робочої суміші, істотно зменшить вміст токсичних компонентів у відпрацьованих газах і позитивно відіб'ється на використанні тепла при роботі двигуна на часткових навантаження х. Це дозволить розробити економічні, екологічно безпечні двигуни, що забезпечують повноту згоряння палива до кінцевих, нешкідливих для навколишнього середовища, продуктів згоряння на всіх режимах роботи двигуна.
Економічний і соціальний ефект від використання запропонованого способу полягає в підвищенні економічності і зниження шкідливості відпрацьованих газів автомобільного двигуна.
Олександр Миколайович Антоненко