В последнее время в связи с развитием технологий и повышением требований к снижению токсичности отработавших газов появились реальные возможности провести очередную модернизацию системы питания двигателя внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, работающего на жидком топливе.

Все современные бензиновые двигатели транспортных средств имеют большой запас мощности для повышения их динамичности и скорости. Вследствие этого, современный легковой автомобиль в обычных условиях эксплуатации работает на полной нагрузке не больше 12–15% всего времени движения. Полные мощности используются сравнительно редко, только при движении автомобиля с высоким ускорением или при преодолении больших подъемов, а в подавляющем большинстве случаев автомобиль эксплуатируется с частичными нагрузками, связанными с малыми открытиями воздушной заслонки. Вследствие этого во впускном коллекторе образуется значительное разряжение, давление всасывания уменьшается, а следовательно, резко сокращается и количество поступающей в цилиндры свежей рабочей смеси при возрастании количества остаточных газов; в результате чего 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. В эксплуатационных условиях надо прилагать все усилия к тому, чтобы все топливо сгорало в момент нахождения поршня около верхней мертвой точки.

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 процесса сгорания на холостом ходу и частичных режимах является повышение удельного расхода топлива и увеличение количества токсических компонентов несгоревшего топлива в отработавших газах.

Вместе с тем дросселирование воздушного потока – это совершенно бесполезная работа, увеличивающая механические потери двигателя при газообмене в рабочих цилиндрах. Таким образом, эксплуатация автомобильных четырехтактных двигателей внутреннего сгорания с давлениями всасывания во впускном канале менее 60 кПа не только экономически неэффективна, но и экологически не безопасна вследствие генерации значительного количества токсичных веществ.

Известен способ управления работой автомобильного четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, содержащего, по меньшей мере, один цилиндр с поршнем, кинематически связанным с коленчатым валом, электромагнитную форсунку подачи топлива, установленную во впускном канале цилиндра, и два электронных блока управления подачей топлива — первый главный электронный блок управления выполнен с возможностью подачи электрических импульсов на электромагнитную форсунку подачи топлива по четным рабочим циклам на всех режимах работы двигателя внутреннего сгорания, а второй электронный блок управления выполнен с возможностью подачи электрических импульсов на электромагнитную форсунку подачи топлива по нечетным рабочим циклам, при котором подают электрические импульсы на электромагнитную форсунку подачи топлива от двух электронных блоков управления подачей топлива одновременно при пуске холодного двигателя внутреннего сгорания или при работе двигателя внутреннего сгорания на полной мощности, впрыскивая топливо в цилиндр в каждом рабочем цикле, и отключают второй электронный блок управления подачей топлива при работе двигателя внутреннего сгорания на режимах холостого хода и частичных нагрузках, близких к режиму холостого хода, исключая впрыск топлива в цилиндр по его нечетным рабочим циклам, а осуществляют впрыск топлива в цилиндр только по четным рабочим циклам путем подачи электрических импульсов на электромагнитную форсунку подачи топлива от первого главного электронного блока управления подачей топлива /1/.

Сложность изготовления и программирования этих электронных блоков управления подачей топлива очевидна. Порядок подачи электрических импульсов на электромагнитные форсунки электронными блоками управления в многоцилиндровых двигателях внутреннего сгорания имеет невероятно сложную математическую модель, что является главным недостатком и сдерживает использование этого изобретения.

Вместе с тем возможно использование данного способа управления работой двигателя, как на автомобильном четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, так и на двигателях других транспортных средствах и в более широком диапазоне нагрузок, используя систему автоматического отключения электромагнитных форсунок подачи топлива по нечетным рабочим циклам при работе двигателя внутреннего сгорания на режимах холостого хода и частичных нагрузках.

Проведенные автором экспериментальные исследования предлагаемого способа подачи топлива при работе двигателя на режимах холостого хода и частичных нагрузок полностью подтвердили высказанное положение, доказав необходимость совершенствования управления автомобильным двигателем внутреннего сгорания.

Экспериментальные исследования по определению показателей расхода топлива и состава отработавших газов при работе двигателя внутреннего сгорания по восьмитактному способу работы на режимах холостого хода и частичных нагрузках проводились на автомобиле HYUNDAI ACCENT. В электрическую цепь между электронным блоком управления подачей топлива и катушками электромагнитных форсунок подачи топлива была установлена система автоматического отключения электромагнитных форсунок подачи топлива по нечетным рабочим циклам при работе двигателя внутреннего сгорания на режимах холостого хода и частичных нагрузках (заявка BY № и 2923 0079).

На рисунке 1 представлена схема предлагаемого четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с установленной системой автоматического отключения электромагнитных форсунок подачи топлива по нечетным рабочим циклам. На рисунке 2 – смонтированная на автомобильном двигателе внутреннего сгорания система автоматического отключения электромагнитных форсунок подачи топлива по нечетным рабочим циклам. На рисунке 3 – органы управления системы автоматического отключения электромагнитных форсунок подачи топлива по нечетным рабочим циклам. На рисунке 4 – вакуумное реле системы. На рисунке 5 – зависимости между удельным расходом топлива и давлением всасывания во впускном коллекторе: 1 – в четырехтактном режиме работы; 2 – в восьмитактном способе работы.

По конструкции предлагаемый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания (рисунки 1–4) не отличается от традиционного двигателя и содержит, по меньшей мере, один цилиндр 1 с поршнем 2, кинематически связанным с коленчатым валом 3, впускной 4 и выпускной 5 клапаны с каналами. Во впускном канале головки блока установлена электромагнитная

Рисунок 1.

форсунка подачи топлива 6 и воздушная заслонка 7. При установке электромагнитной форсунки подачи топлива 6 непосредственно в головке цилиндра 1 топливная экономичность двигателя повысится, а выбросы компонентов несгоревшего топлива уменьшатся. Топливо из бака к

Рисунок 2

электромагнитной форсунке 6 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 6. Импульсы переменной длительности, подаваемые по проводам

Рисунок 3

---

Рисунок 4

---

к катушке 9 электромагнитной форсунки подачи топлива 6, формируются в электронном блоке управления подачей топлива 10. Электронный блок управления подачей топлива 10 осуществляет подачу электрических импульсов на электромагнитную форсунку 6 подачи топлива по четным и нечетным рабочим циклам при работе двигателя на номинальной мощности. Датчики электронного блока 10 отслеживают различные параметры двигателя, влияющие на длительность и момент подачи топливного импульса.

Система автоматического отключения электромагнитных форсунок подачи топлива по нечетным рабочим циклам подключена к электрическим соединениям между электронным блоком управления подачей топлива 10 и катушкой 9 электромагнитной форсунки 6 и содержит ротор 11, кинематически связанный с распределительным валом 12 в соотношении 1:2. На роторе 11 смонтирована металлическая пластина 13, поочередно взаимодействующая при вращении ротора 11 с индуктивными датчиками 14, неподвижно установленными по окружности в плоскости перпендикулярной оси ротора. Количество индуктивных датчиков 14 в два раза больше числа рабочих цилиндров 1. Электрически каждые два диаметрально расположенные индуктивные датчики 14 подключены к тиристорам 15.

При вращении ротора 11 и взаимодействии индуктивного датчика 14 с пластиной 13 электрическая цепь в тиристоре 15 замыкается. Катушка 9 электромагнитной форсунки подачи топлива 6 через нормально замкнутый контакт 16 реле управления 17 соединена с электронным блоком управления подачей топлива 10, при этом через нормально открытый контакт 18 реле управления 17 подключены два тиристора 15. Один тиристор 15, обеспечивающий подачу электрических импульсов на электромагнитную форсунку подачи топлива 6 по четным рабочим циклам, подключен проводом непосредственно к катушке 9 электромагнитной форсунки подачи топлива 6, а второй тиристор 15, открываемый диаметрально расположенным индуктивным датчиком 14, соединяется с равнозначной по электрическому сопротивлению катушки 9 балластной нагрузкой 19.

Пластина 13 и индуктивные датчики 14 расположены таким образом, что момент и время открытия тиристоров соответствуют моменту подачи электрического импульса на катушку 9 электромагнитной форсунки подачи топлива 6. В многоцилиндровых двигателях внутреннего сгорания могут устанавливаться два, и более реле управления 16 (по числу цилиндров или пар цилиндров) с последовательным их включением посредством нескольких вакуумных реле 20, обеспечивающих поочередное включение реле управления 16 в работу по мере снижения разряжения во впускном канале, с целью сглаживания скачков крутящего момента при включении и отключении нечетных рабочих циклов в предлагаемом двигателе внутреннего сгорания. Катушка 21реле управления 17 запитана двумя электрическими контурами от источника питания.

Первый контур включает концевой выключатель 22, установленный на рычаге воздушной заслонки 7 и подающий напряжение на катушку 21 реле управления 17 при закрытии воздушной заслонки 7, и, наоборот, отключает от источника питания катушку 21 при открытии воздушной заслонки 7. Вместе с этим, реле температуры двигателя 23, включенное в цепь последовательно с концевым выключателем 22, замыкает этот контур только при хорошо прогретом двигателе внутреннего сгорания, препятствуя включению реле управления 17 и отключению электромагнитной форсунки подачи топлива 6 по нечетным рабочим циклам на холодном двигателе.

Второй электрический контур включает нормально открытый контакт 24, расположенный в контактной группе реле управления 17. Последовательно с нормально открытым контактом 24 во втором контуре катушки 21 реле управления 17 установлено автоматически включающееся от разряжения во впускном коллекторе вакуумное реле 20. Вакуумное реле 20 позволяет при снижении разряжения во впускном коллекторе ниже 35…10 кПа разрывать электрическую цепь второго контура катушки 21 реле управления 17 при выключенном концевом выключателе 22 первого контура и работе двигателя на номинальной нагрузке.

Выключателем 25, расположенным под рукой водителя, можно в любой момент времени отключить систему от источника питания, и подача электрических импульсов на электромагнитную форсунку подачи топлива 6 возобновится по четным и нечетным рабочим циклам через нормально замкнутый контакт 16 реле управления 17. Для упрощения конструкции пластина 13 закреплена на зубчатом колесе 26.

Предлагаемый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

Для запуска системы автоматического отключения электромагнитных форсунок подачи топлива 6 по нечетным рабочим циклам необходимо включить выключатель 25, расположенный в салоне автомобиля, и подать напряжение на индуктивные датчики 14. При пуске холодного двигателя внутреннего сгорания электронный блок управления подачей топлива 10 формирует необходимые электрические импульсы на электромагнитную форсунку подачи топлива 6 по четным и нечетным рабочим циклам. Электрические импульсы от электронного блока 10 по проводам проходят на катушку 9 электромагнитной форсунки подачи топлива 6 через нормально замкнутый контакт 16 реле управления 17 по четным и нечетным рабочим циклам. Катушка 21 реле управления 17 обесточена контактом реле температуры 23.

При работе на номинальной мощности прогретого двигателя внутреннего сгорания так же, как и при пуске холодного двигателя, электронный блок управления подачей топлива 10 посылает свои импульсы по проводам через нормально замкнутые контакты реле 16 на катушку 9 электромагнитной форсунки 6 по четным и нечетным рабочим циклам. По мере снижения нагрузки и приближения к режиму холостого хода воздушную заслонку 7 прикрывают, срабатывает концевой выключатель 22, подающий напряжение на катушку 21 реле управления 17. Одновременно с этим электрическая цепь катушки 21 замыкается, реле управления 17 размыкает нормально замкнутый контакт 16, и в то же время нормально открытые контакты 18 и 24 замыкаются.

Благодаря этому через замкнутый контакт 18 реле управления 17 и, открывающийся при взаимодействии индуктивного датчика 14 с пластиной 13, тиристор 15 электрические импульсы начнут поступать по четным рабочим циклам на катушку 9 электромагнитной форсунки подачи топлива 6, а по нечетным рабочим циклам – на, равнозначную по электрическому сопротивлению катушки 9 электромагнитной форсунки 6, балластную нагрузку 19 для предотвращения сбоя в работе электронного блока управления подачей топлива 10.

Это делается для того, чтобы электронный блок управления подачей топлива 10 «считал», что электромагнитная форсунка подачи топлива 6 работает по четным и нечетным рабочим циклам, а электрические импульсы штатно поступают на катушку 9 электромагнитной форсунки 6 по четным и нечетным рабочим циклам. Передаточное число передачи между коленчатым валом 3 и ротором 11 равно 1:4, что обеспечивает за два оборота коленчатым валом 3 включение только одного тиристора 15 во время подачи электрического импульса от электронного блока 10 на катушку 9 форсунки 6. Второй тиристор 15 откроется при взаимодействии диаметрально расположенного индуктивного датчика 14 с пластиной 13 после поворота ротора 11 на 180°, что соответствует повороту коленчатого вала 3 на 720°.

Следовательно, электрический импульс по нечетным рабочим циклам через открытый второй тиристор 15 погасится на равнозначной по сопротивлению катушки 9 нагрузке 19. Таким образом, подача топлива в цилиндры 1 двигателя внутреннего сгорания по нечетным рабочим циклам полностью прекращается.

При отключении подачи топлива по нечетным рабочим циклам в предлагаемом двигателе на холостом ходу и частичных нагрузках в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания вместо рабочей смеси сжимается свежий воздух с большим количеством остаточных газов. В результате сжатия в цилиндре 1 чистого холодного воздуха и контакта с наиболее нагретыми деталями двигателя (выпускные клапаны, свечи зажигания, стенки камеры сгорания и поршни) происходит повышение температуры сжатого воздуха 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 в нагревание сжатого газа. Работа, полученная в процессе расширения нагретого воздуха без сгорания топлива, является положительной и повышает экономичность двигателя.

Отработавший газ покидает цилиндр 1 двигателя при очередном ходе поршня 2 к верхней мертвой точке, после чего выпускной клапан 5 закрывается. 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 холостого нечетного рабочего цикла.

Очевидно, что именно пропуск сгорания по нечетным рабочим циклам обеспечивает двойную очистку цилиндра 1 и состав рабочей смеси с малым содержанием инертных газов в четных рабочих циклах, так как остаточные газы от нечетных рабочих циклов состоят из свежего воздуха и содержат незначительное количество 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.

В предлагаемом двигателе внутреннего сгорания скорость сгорания рабочей смеси, состоящей только из свежего воздуха и незначительного количество продуктов сгорания, существенно возрастает, что также повышает экономичность двигателя внутреннего сгорания. В момент начала движения автомобиля воздушную заслонку 7 открывают, концевой выключатель 22 отключает питание катушки 21 реле управления 17 от первого контура. Катушка 21 реле управления 17 перезагрузится от питания посредством второго контура, и подача напряжения возобновиться через закрытый контакт 24 вакуумного реле 20.

При резком нажатии на педаль газа и снижении разряжения во впускном канале ниже 25…10 кПа вакуумное реле 20 отключит электрическую цепь второго контура катушки 21 реле управления 17 при выключенном концевом выключателе 22 первого контура от источника питания. Реле управления 17 переключит подачу электрических импульсов на электромагнитную форсунку подачи топлива 6, как по четным, так и по нечетным рабочим циклам через нормально замкнутый контакт 16 реле управления 17.

В цилиндр 1 двигателя вновь начнет поступать горючая смесь, как по четным, так и по нечетным рабочим циклам, что, соответственно, приведет к возрастанию мощности двигателя. Итак, включается система автоматического отключения электромагнитных форсунок подачей топлива 6 по нечетным рабочим циклам при работе двигателя на холостом ходу и частичных нагрузках концевым выключателем 22, установленным на воздушной заслонке, а отключается с помощью вакуумного реле 20 в зависимости от величины разряжения во впускном коллекторе.

Представленные на рисунке 5 зависимости между удельным расходом топлива g и давлением всасывания p во впускном коллекторе наглядно показывают, что удельный расход топлива при восьмитактном способе работы ниже на давлениях меньше 0,7 бар, а в четырехтактном режиме работы удельный расход топлива ниже при давлениях больше 0,7 бар во впускном коллекторе. Система автоматического отключения электромагнитных форсунок подачи топлива по нечетным рабочим циклам при работе двигателя на холостом ходу и частичных нагрузках позволяет отключать подачу топлива по нечетным рабочим циклам и использовать более экономичный восьмитактный способ работы на давлениях меньше 0,7 бар, а с повышением давления всасывания p во впускном коллекторе переходить на четырехтактный режим работы с подачей топлива, как по четным, так и по нечетным рабочим циклам.

Таким образом, при работе предлагаемого четырехтактного двигателя внутреннего сгорания на полной и номинальной нагрузках его мощность не отличается от мощности традиционного четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с электронной системой питания и впрыскиванием топлива, а при работе предлагаемого четырехтактного двигателя внутреннего сгорания на холостом ходу и частичных нагрузках предлагаемый двигатель работает с рабочим циклом, состоящим из восьми тактов (восьмитактный) с одним рабочим ходом, повторной очисткой цилиндров от отработавших газов за 8 ходов поршня.

Экономический и социальный эффект от использования предлагаемого способа заключается в повышении экономичности на 20 – 30% и существенном снижении вредности отработавших газов четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.

Основным фактором снижения расхода топлива в предлагаемом четырехтактном двигателе внутреннего сгорания является совершенствование процесса сгорания топлива и снижение содержания в рабочей смеси инертных газов за счет повторной очистки цилиндров от отработавших газов. Горение топлива заканчивается в более короткий срок, давление и температура рабочих газов повышаются, а потери тепла вследствие химической неполноты сгорания уменьшаются.

Наличие большего объема свободного кислорода в рабочем заряде уменьшает количество компонентов несгоревшего топлива, содержащихся в отработанных газах.

Наряду с этим на частичных режимах механические потери, связанные с насосными потерями по газообмену рабочего цилиндра, уменьшаются в результате снижения величины разряжения во впускном коллекторе двигателя за счет перевода его работы с четырехтактного на восьмитактный способ работы и увеличения открытия воздушной заслонки.

Источники информации, принятые во внимание:

1. Евразийский патент 025246 В2 7 F02D 17/02, 2016г.

---

С уважением, изобретатели: Александр Николаевич Антоненко, Андрей Александрович Антоненко

Тел. (+375 29 ) 532-98-07 (MTC)

e-mail: dvsantonenko@gmail.com