В последнее время в связи с развитием технологии, появлением новых материалов появились реальные возможности провести очередную модернизацию двигателя внутреннего сгорания.

Современный легковой автомобиль в обычных условиях эксплуатации работает на полной нагрузке не больше 10–15% всего времени движения. Полная мощность используется сравнительно редко, только при движении автомобиля с ускорением или при преодолении больших подъемов, а в подавляющем большинстве случаев автомобиль эксплуатируется с частичными нагрузками в режиме частых ускорений и замедлений (особенно в городах), связанными с малыми открытиями воздушной заслонки. Одновременно с этим в городских условиях эксплуатации автомобиля приходится сравнительно часто использовать и режимы холостого хода. При подходе к холостому ходу воздушную заслонку прикрывают, вследствие этого во впускном коллекторе образуется значительное разрежение, давление всасывания уменьшается, а, следовательно, резко сокращается и количество поступающей в цилиндры свежей смеси при почти постоянном количестве остаточных газов; в результате этого относительное количество их в смеси резко возрастает, достигнув максимума на холостом ходу двигателя. Условия воспламенения и сгорания такой смеси особенно неблагоприятны вследствие снижения в смеси количества кислорода и наличия в камере сгорания значительного количества инертных остаточных газов. Любая задержка процесса сгорания ведет к неудовлетворительному тепловому балансу, а, следовательно, к понижению как экономичности так и мощности двигателя. Высказанные положения позволяют констатировать, что наличие значительных количеств остаточных газов в рабочей смеси замедляет процесс сгорания, а иногда служит причиной невоспламеняемости смеси. Для получения при малых нагрузках достаточно быстрого сгорания рабочей смеси ее необходимо обогащать, что приводит к увеличению расхода топлива и вредности отработавших газов. Результатом неудовлетворительного протекания рабочих циклов на холостом ходу и в режимах, близких к холостому ходу, является повышение удельного расхода топлива и увеличение количества токсических компонентов в отработавших газах. Наряду с этим, вследствие высокого разрежения во впускном коллекторе, при наполнении цилиндра в условиях прикрытой дроссельной заслонки, увеличиваются насосные потери при газообмене рабочих цилиндров, и снижается механический КПД. Это происходит потому, что уменьшение впускного давления во впускном коллекторе за счет уменьшения размера отверстия, через которое воздух поступает во впускной коллектор, увеличивает работу двигателя, которая должна быть использована для всасывания воздуха в рабочие цилиндры двигателя, и при этом теряется в качестве полезной выходной мощности двигателя. Очевидно первым делом необходимо усовершенствовать работу двигателя на частичных режимах и холостом ходу, где бензиновый автомобильный четырехтактный двигатель внутреннего сгорания имеет наибольшее время эксплуатации, а вследствие сильного прикрытия воздушной заслонки рабочий цикл протекает в невыгодных условиях, результатом чего являются повышенные индикаторные расходы топлива и повышенные выбросы токсичных веществ в атмосферу. Предлагаю с целью снижения тепловой потери теоретического цикла при работе двигателя на режимах холостого хода и частичных нагрузок исключать впрыск топлива в каждый цилиндр по его нечетным рабочим циклам, а осуществлять впрыск топлива в цилиндры только по четным рабочим циклам путем подачи электрических импульсов на электромагнитные форсунки подачи топлива от электронного блока управления, при этом отключать электрические импульсы на электромагнитные форсунки подачи топлива по нечетным рабочим циклам автоматически при снижении нагрузки на двигатель внутреннего сгорания и достижении разряжения во впускных каналах 0,03-0,06МПа и холостом ходу, а включать подачу электрических импульсов на электромагнитные форсунки подачи топлива по нечетным рабочим циклам каждого цилиндра при открытии дроссельной заслонки, причем подавать электрические импульсы на электромагнитные форсунки по четным рабочим циклам в следующем порядке (1 – 4 – – 3 – 2), а по нечетным рабочим циклам в порядке (– 3 – 2 1 – 4 –) для четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания (патент РБ 20214 и евразийский патент №025246)

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 принципу работы на режимах холостого хода и малых нагрузок проводились на автомобиле HYUNDAI ACCENT. В электрическую цепь между электронным блоком управления подачей топлива и катушками электромагнитных форсунок подачи топлива был установлен простой механический распределитель подачи электрических импульсов по нечетным рабочим циклам с возможностью включения его в работу на ходу и при любой нагрузке двигателя (рис.1) (разработана электронная версия распределителя). Это позволило посредством выключателей, установленных на панели в салоне автомобиля во время движения автомобиля поочередно в каждом цилиндре отключать и включать подачу топлива по нечетным рабочим циклам. По четным рабочим циклам подача топлива осуществлялась в порядке 1 – 4 – – 3 – 2, что обеспечивало устойчивую работу двигателя на частичных нагрузках и холостом ходу. Для контроля расхода топлива в салоне автомобиля был установлен расходомер, состоящий из мерной прозрачной трубки и шкалы (линейки) (рис.2). Одна сторона трубки соединялась с инжектором, а вторая – с ресивером под давлением 2,5 атм. С помощь кранов подача топлива могла переключаться как от бензобака автомобиля, так и от мерной трубки при работающем двигателе. В результате проведенных экспериментов было установлено следующее:

Четырехтактный режим работы, холостой ход:

Расход топлива, литр/час——————1,2

Содержание СО в выхлопных газах, % ————-2,03 (рис.3)

Восьмитактный режим работы, холостой ход:

Расход топлива, литр/час——————1,06

Содержание СО в выхлопных газах, % ————-0,43 (рис.4)

Рисунок 1.

Рисунок 2.

Рисунок 3.

Рисунок 4.

Содержание окиси углерода в отработавших газах на холостом ходу в результате двойной продувки камеры сгорания и пропуска впрыска топлива по нечетным рабочим ходам снизилось в 5 раз! При этом на 12% уменьшился расход бензина за счет эффективного (с оптимальной скоростью и своевременным воспламенением) и полного сгорания топлива. Следует отметить, что величина разрежения во впускном коллекторе оставалась постоянной и составляла 0,6 атм, что соответствует абсолютному давлению 0,4 атм. При скорости движения автомобиля 90 км/час замеры по содержанию токсических веществ в отработавших газах не проводились из-за отсутствия мобильного газоанализатора. Автомобиль разгонялся до скорости 90 км/час на четырехтактном цикле, а затем переходил на восьмитактный цикл работы. Расход бензина при движении по ровной дороге со скоростью движения автомобиля 90 км/час и впрыском топлива только по четным рабочим циклам уменьшился на 0,6-0,8 литра на 100км пути, причем разрежение во впускном коллекторе уменьшилось только на 0,1 кг/см². Следовательно полная очистка камеры сгорания от остатков отработавших газов благоприятно сказывается на сгорании топлива, экономичности и существенно уменьшает наличие токсических компонентов в отработавших газах при работе двигателя на частичных режимах и холостом ходу. Однако присутствие во впускном коллекторе на частичных режимах и холостом ходу значительного разрежения снижает механический КПД двигателя и увеличивает расход топлива. Для легковых автомобилей с установленными на них двигателями большого рабочего объема и повышенным запасом мощности общий расход топлива из-за этого разряжения завышен на 1-3 литра на 100 км пробега.

Вследствие этого не менее важный момент в совершенствовании двигателя внутреннего сгорания – это замена дроссельной заслонки воздухораспределительным золотником и повышение механического КПД двигателя внутреннего сгорания при работе на холостом ходу и частичных нагрузках. Предлагаемый способ наполнения цилиндров двигателя посредством воздухораспределительного золотника исключает насосные потери, возникающие при дросселировании воздушного потока воздушной заслонкой (патент РБ 8187). Насколько велики насосные потери и сколько топлива расходует современный автомобиль с объемом двигателя 1,8 дм³ на наполнение рабочих цилиндров при разряжении во впускном коллекторе 0,5 кг/см²?. По данным проводимых экспериментов такое разрежение поддерживается во впускном коллекторе при движении автомобиля по ровной дороге со скоростью 90 км/час. На холостом ходу разрежение во впускном коллекторе достигает 0,65 кг/см², а при торможении двигателем — 0,7-0,75 кг/см². Произведем теоретический расчет работы, требуемой для расширения газа (воздуха) в условиях частичной нагрузки двигателя, приведенной выше. Определим количество воздуха, потребляемое двигателем в течение одного часа работы при разрежении во впускном коллекторе 0,5 кг/см² и скорости движения автомобиля 90 км/час. Частота вращения коленчатого вала при таких условиях преимущественно составляет 2600-2800 об/минуту. Полный рабочий цикл в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания осуществляется за два оборота коленчатого вала. Тогда объем разреженного до 0,5 кг/см² воздуха, проходящего через двигатель в течение часа составит:

V₂ = V_раб n_{раб.циклов} =1,8 х 1400 х 60 =151200 дм³

Плотность воздуха при нормальных условиях ровна 1.29, а в состоянии разрежения 0,5 кг/см² составит

p = 1,29/2 = 0,649

Откуда вес воздуха, проходящего через двигатель в течение часа составит

М = 151200 х 0,649 = 98,129 г

Принимаем состав воздуха 21%О₂ и 79%N₂. Тогда приведенный молекулярный вес его:

32,0х0,21 + 28,0х0,79 = 28,84

Следовательно, за один час двигатель потребляет:

n = 1х98,129 /28,84 = 3403 г.моль воздуха

Работу расширения газа определим по известной формуле:

А =( m/m-1) nRT₁ [1 –(p₂/p₁) ^m-1/m]

Процесс расширения воздуха протекает с показателем политропы m=1,3; R-газовая постоянная — 0,848 кгм/моль град, Т₁ = 300°К

А = (1,3/о,3) х 3403 х 0,848 х 300[1 — (0,5/1) ^0,23] =562720,5 кгм

Что эквивалентно 562720,5 кг/427 =1312 кал

Известно, что эффективный КПД двигателя при давлении во впускном коллекторе 0,5 кг/см² составляет всего 16…17%

Отсюда:

1312————————16%

Х —————————100%

Х = 131200/16 = 8200 кал

Столько теплоты должен произвести при сгорании бензин, чтобы обеспечить выполнение работы по расширению воздуха при разрежении во впускном коллекторе 0,5 кг/см² в течение одного часа.

При сжигании одного литра бензина получается 7500 кал.

Тогда количество бензина сгораемого за один час только для выполнения работы по наполнению воздухом рабочих цилиндров составит:

8200/7500 =1,1 литра

А при скорости движения автомобиля 90 км/час получим

1,1/0,9=1,22 литра

Следовательно 1,22 литра бензина на 100 км пути неизбежно затрачивается только на преодоление разрежения во впускном коллекторе величиной 0,5 кг/см2 при скорости движения 90 км/час.

Правильность теоретического расчета можно подтвердить следующим опытом. Впускной коллектор двигателя соединим не с устройством для дроссселирования, а с искусственно создаваемой атмосферой с давлением воздуха в ней 0,5 кг/см². Такие условия можно получить, если пропускать воздух из атмосферы через бак с водой высотой 5м (рис 5). Тогда потенциальная работа, которую может выполнить воздух при прохождении через толщу воды в изотермическом процессе составит:

А = (V₁ + V₂)/2 x h =(75600+151200)/2 x 5 =567000кгм

Это расхождение с теоретическим расчетом получилось по причине проведения данного расчета при постоянной температуре расширения воздуха. Таким образом можно однозначно утверждать, что потери мощности, которая должна быть использована для всасывания воздуха в рабочие цилиндры двигателя при разрежении во впускном коллекторе 0,5 кг/см² весьма существенны.

Следовательно, установив на обычном двигателе внутреннего сгорания с рабочим объемом 1,8 дм³ вместо дроссельной заслонки предлагаемый воздухораспределительный золотник можно экономить 1,22 литра бензина только за счет снижения насосных потерь при всасывании воздуха в рабочие цилиндры двигателя и повышения механического КЛД двигателя. Вместе с тем проведенные эксперименты показали, что за счет использования предлагаемого способа управления впрыском топлива в бензиновом автомобильном четырехтактном двигателе внутреннего сгорания можно еще уменьшить расход бензина как минимум на 0,8-1 литр на 100 км пути. Вследствие этого современный легковой автомобиль с рабочим объемом двигателя 1,8 дм³, оборудованный воздухораспределительным золотником и двумя электронными блоками управления подачей топлива может реально иметь расход бензина в пределах 3-х литров на 100 км пробега. Выброс токсических веществ в атмосферу сократится при этом как минимум в 3 раза.

Предлагаемый способ газообмена в двигателе внутреннего сгорания с помощью воздухораспределительного золотника позволяет сохранить полезную, уже полученную работу от сгорания топлива и на малонагруженных режимах превосходит все предлагаемые фантастические схемы двигателей с использованием тепла отработавших газов.

На рисунке 6 изображена схема предлагаемого двигателя внутреннего сгорания, оборудованного воздухораспределительным золотником; на рисунке 7 – схема устройства для изменения фаз вращения воздухораспределительного золотника относительно фаз газораспределения впускных воздушных клапанов.

Работа воздухораспределительного золотника сводится к следующему:

При работе с полной нагрузкой фазы газораспределения впускных воздушных клапанов и поворотных клапанов воздухораспределительного золотника совпадают, двигатель работает на номинальной мощности и ни чем не отличается от работы современного двигателя с дроссельной воздушной заслонкой, работающего на номинальной мощности. С уменьшением нагрузки перепускные окна начнут закрываться соответствующими поворотными клапанами воздухораспределительного золотника раньше впускных воздушных клапанов, отсекая доступ воздуха в цилиндры, и останутся закрытыми до тех пор, пока поступившая туда горючая смесь не будет заперта в цилиндре основными клапанами. Следовательно доступ воздуха в цилиндр может быть прекращен и при открытых впускных воздушных клапанах. При этом в момент открытия впускных воздушных клапанов перепускные окна воздухораспределительного золотника на всех режимах работы двигателя и холостом ходу полностью открыты, что позволяет при конструктивно достижимом минимальном сопротивлении впускной системы потоку воздуха из впускного коллектора при атмосферном давлении или избыточном давлении наддува проникать в камеру сгорания и вытеснять остатки отработавших газов через еще открытый выпускной клапан. В течение периода времени, при котором поворотный клапан воздухораспределительного золотника и впускной воздушный клапан находятся в открытом положении, воздух будет беспрепятственно поступать в камеру сгорания без насосных потерь, неизбежных при использовании аппарата дросселирования для управления потоком воздуха, проходящего в цилиндры двигателя. Таким образом обеспечивается полная очистка цилиндров от отработавших газов и создаются необходимые условия для своевременного воспламенения и полного сгорания рабочей смеси на частичных режимах и холостом ходу двигателя. Использование в процессе

продувки камеры сжатия и наполнения цилиндра рабочим зарядом газотурбинного наддува существенно увеличит эффективность применения воздухораспределительного золотника. Динамическое (на ходу) изменение фазы вращения воздухораспределительного золотника относительно фаз газораспределения впускных воздушных клапанов осуществляется при помощи оригинального, простого в эксплуатации и надежного в работе устройства изменения фаз вращения, содержащего двухсторонний зубчатый ремень, связывающий шкивы равных диаметров, жестко закрепленных на воздухораспределительном золотнике и распределительном кулачковым валу, и рычаг, шарнирно установленный на оси кулачкового вала с двумя симметрично и диаметрально расположенными роликами с возможностью поворота в пределах регулирования фаз вращения при помощи исполнительного механизма органа управления режимом работы двигателя, позволяющим изменять длины рабочей и холостой ветвей ременной передачи между распределительным кулачковым валом и воздухораспределительным золотником. Вследствие чего поворотные клапаны воздухораспределительного золотника на холостом ходу закроют перепускные окна сразу же после продувки камеры сгорания, отсекая доступ воздуха в цилиндры, и останутся закрытыми до тех пор, пока поступившая туда горючая смесь не будет заперта закрывшимися впускными клапанами. Разработана простая по конструкции и надежная в эксплуатации автономная гсдросистема управления фазами воздухораспределительного золотника.

Таким образом применение на современном автомобильном двигателе предлагаемого воздухораспределительного золотника и использование предлагаемого способа управления впрыском топлива позволяет в широком диапазоне изменения нагрузок существенно уменьшить токсичность отработавших газов за счет улучшения очистки цилиндров от отработавших газов, снизить обороты холостого хода и реально повысить экономичность и мощность на 25-30 % .

С уважением, изобретатель Антоненко Александр Николаевич

220037 г. Минск, ул. Столетова, д.3, кв.10

Телефоны: (+375 17 ) 281-62-69(раб.), (+375 17 ) 211-65-07(дом.), e-mail: labpotato@.ru