ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ТУРБИНОЙ, ОХЛАЖДАЕМОЙ ЖИДКОСТЬЮ, И СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ТУРБИНЫ Российский патент 2016 года по МПК F02B37/00 F02C7/12 F01M1/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания, содержащему по меньшей мере одну турбину с жидкостным охлаждением, в котором турбина содержит кожух турбины, содержащий одну или несколько рубашек охлаждения, встроенных в кожух для формирования системы жидкостного охлаждения.

Настоящее изобретение относится также к способу охлаждения по меньшей мере одной турбины двигателя внутреннего сгорания.

Уровень техники

Двигатели внутреннего сгорания часто оснащены турбиной или несколькими турбинами. Это вызвано различными причинами. Наиболее часто целью является утилизация внутренней энергии горячих выхлопных газов, путем использования турбины в системе турбонаддува от выхлопных газов, для сжатия воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, со стороны впуска. Например, в документе ЕР 1640596 В1 раскрыт двигатель внутреннего сгорания рассматриваемого типа, в котором двухступенчатое сжатие воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, может быть выполнено двумя турбокомпрессорами на выхлопных газах, расположенными последовательно, либо, в зависимости от объемного расхода выхлопных газов, одноступенчатое сжатие также может выполняться одним из двух нагнетателей, имеющих различные размеры.

При необходимости, после прохождения по меньшей мере одной турбины, выхлопные газы проходят через одну или несколько систем доочистки выхлопных газов.

Себестоимость турбины сравнительно высока, поскольку для изготовления кожуха турбины, выдерживающего высокие термические нагрузки, используется дорогой материал, содержащий никель, в особенности эта разница заметна по сравнению с материалом, обычно используемым для изготовления головки цилиндров, например алюминием. Высока стоимость не только самих материалов, используемых для изготовления кожуха турбины, но и стоимость их обработки.

Поэтому, с точки зрения стоимости, чрезвычайно выгодно было бы изготавливать турбину из менее дорогостоящего материала, например алюминия. Применение алюминия обеспечит также выигрыш в весе турбины. Особо следует принять во внимание, что расположение турбины рядом с двигателем, что принципиально необходимо, приводит к тому, что кожух должен быть сравнительно крупноразмерным и объемным, поскольку для соединения турбины с головкой цилиндров посредством фланца и болтов требуется большая площадь сечения входного отверстия турбины, вследствие значительных пространственных ограничений, а также необходимости обеспечить дополнительное пространство для сборочных инструментов. Увеличение объема кожуха приводит к соответствующему увеличению веса. Таким образом, весовое преимущество алюминия над высокотемпературными сплавами особенно ярко проявляется в случае расположения турбины вблизи двигателя, вследствие сравнительно большого объема используемого материала.

Для того чтобы при изготовлении турбины можно было использовать более дешевые материалы, в соответствии с имеющимся уровнем техники, турбина оборудуется системой охлаждения, например системой охлаждения жидкостного типа, которая значительно уменьшает термическую нагрузку на турбину и на кожух турбины, возникающую под действием выхлопных газов и, таким образом, позволяет использовать менее жаростойкие материалы.

Обычно для формирования системы охлаждения кожух турбины оборудуется по меньшей мере одной охладительной рубашкой. На современном уровне техники известны две технологии: в одной из них кожух представляет собой литую деталь, а охладительная рубашка формируется в процессе литья, как цельная составная часть монолитного кожуха, в другой кожух представляет собой модульную конструкцию, в которой в процессе сборки формируется полость, служащая охладительной рубашкой.

Турбина, выполненная в соответствии со второй технологией, описана, например, в открытой спецификации Германии DE 102008011257 A1. Система жидкостного охлаждения турбины формируется посредством оснащения фактического кожуха турбины корпусом, так что полость, в которой может быть введена охлаждающая жидкость, формируется между кожухом и по меньшей мере одним корпусным элементом, расположенным на расстоянии от него. Таким образом, кожух, увеличенный за счет корпуса, образует охладительную рубашку, по этой причине, в контексте настоящего изобретения, указанный кожух также рассматривается как кожух турбины.

Аналогичным образом, в документе ЕР 1384857 А2 раскрыта турбина, кожух которой содержит охладительную рубашку, заполненную морской водой. Корпус турбины представляет собой единую литую деталь.

Вследствие большой удельной теплоемкости воды, которая обычно используется в качестве теплоносителя, способом жидкостного охлаждения можно отводить от кожуха большое количество тепла. Тепло рассеивается в теплоноситель внутри кожуха и отводится вместе с теплоносителем. Далее тепло выводится из теплоносителя в теплообменник.

Обычно возможно оборудование системы охлаждения турбины отдельным теплообменником, либо, в случае двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, использование теплообменника системы охлаждения двигателя, то есть для этой цели используется теплообменник другой системы жидкостного охлаждения. Для последнего случая требуется только установить соединение между двумя контурами.

Оборудование турбин системой жидкостного охлаждения дает возможность изготовления кожуха из менее термически стойких материалов, например, из низколегированной стали, чугуна или алюминия. С другой стороны, в данном случае, количество теплоты, абсорбируемое теплоносителем в кожухе турбины, может достигать 40 кВт и более. Практика показывает, что довольно проблематично извлечь такое количество большое теплоты из теплоносителя и рассеять его в окружающую среду при помощи потока воздуха в теплообменнике.

Современные автомобильные двигатели в установленном порядке оборудуются мощными вентиляторами, которые обеспечивают массовый поток воздуха через теплообменник, достаточный для адекватной передачи теплоты. Однако, другой параметр, важный для обеспечения передачи теплоты, а именно, площадь поверхности теплового обмена, не может быть выполнен произвольно большим или увеличен произвольным образом, вследствие ограниченности пространства в передней части автомобиля, где в основном располагаются различные теплообменники.

Кроме теплообменника для охлаждения двигателя, в современных автомобилях часто имеются дополнительные теплообменники, в частности приборы охлаждения.

На стороне впуска двигателя внутреннего сгорания с наддувом обычно располагается охладитель воздуха турбонаддува для того, чтобы выполнить увеличение наполнения цилиндров воздухом. Рассеяние тепла через поддон картера путем теплопередачи и естественной конвекции часто является недостаточным для того, чтобы не превышать максимально допустимую температуру масла, поэтому в некоторых двигателях устанавливаются охладители масла. Кроме того, современные двигатели внутреннего сгорания все чаще оборудуются системами повторного сжигания отработанных газов. Повторное сжигание отработанных газов является мерой, противодействующей образованию окислов азота. Для получения существенного уменьшения выброса окислов азота необходим высокий уровень дожигания отработанных газов, для чего необходимо охлаждение дожигаемых выхлопных газов, а именно сжатие выхлопных газов путем охлаждения. Могут устанавливаться и дополнительные системы охлаждения, например, для охлаждения трансмиссионного масла в случае автоматической трансмиссии и/или для охлаждения гидравлических жидкостей, в частности гидравлического масла, которое используется в регулирующих устройствах с гидравлическим приводом и/или в гидроусилителе рулевого управления. Конденсатор системы кондиционирования воздуха также представляет собой теплообменник, который должен при работе рассеивать теплоту в окружающую среду, то есть требует достаточно большого потока воздуха, а потому должен быть установлен в передней части автомобиля.

С учетом чрезвычайно ограниченного пространства в передней части автомобиля и большого количества теплообменников, отдельный теплообменник не может иметь необходимых размеров.

На практике невозможно разместить в передней части автомобиля теплообменник для жидкостного охлаждения турбины достаточно большого размера, который мог бы рассевать такое большое количество теплоты, при использовании материалов с низкой термической стойкостью.

Таким образом, в конструкции турбины с жидкостным охлаждением необходимо достигнуть компромисса между возможностью охлаждения и материалом.

Раскрытие изобретения

На основании изложенного выше, задачей настоящего изобретения является создание двигателя внутреннего сгорания, содержащего турбину с жидкостным охлаждением, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, который оптимизирован в отношении турбины.

Еще одной подзадачей настоящего изобретения является создание способа охлаждения по меньшей мере одной турбины двигателя внутреннего сгорания указанного типа.

Первая задача достигается посредством двигателя внутреннего сгорания, содержащего по меньшей мере одну турбину с жидкостным охлаждением, в котором турбина, которая содержит кожух турбины, содержит по меньшей мере одну охладительную рубашку, встроенную в кожух, для формирования системы жидкостного охлаждения, при этом двигатель внутреннего сгорания характеризуется тем, что по меньшей мере одна охладительная рубашка, встроенная в кожух, относится к масляному контуру так, что по меньшей мере одна охладительная рубашка заполнена маслом, циркулирующим в масляном контуре.

В соответствии с изобретением в качестве теплоносителя используется масло вместо воды. Это дает многочисленные преимущества.

Установка на турбину системы жидкостного охлаждения дает возможность использовать для изготовления кожуха менее термически стойкие материалы, например возможно использование низколегированной стали, чугуна или алюминия.

В частности, при использовании в качестве теплоносителя масла, передача тепла теплоносителю может быть ограничена и значительно уменьшена по сравнению с водой в качестве теплоносителя, так что устраняется проблема, известная из уровня техники, которая возникает при использовании воды в качестве охладителя, и заключается в распределении очень большого количества теплоты, выделяющегося при работе, то есть которую необходимо снова извлечь из воды, служащей теплоносителем.

Тот факт, что количество теплоты, предаваемой в теплоноситель, может быть уменьшено путем использования масла в качестве теплоносителя, может приписываться inter alia к неотъемлемым физическим свойством масла.

При помощи числа Нуссельта, безразмерного показателя из теории подобия, можно описать теплопередачу в текущую жидкость, а также, например, передачу теплоты в теплоноситель во время протекания теплоносителя по кожуху турбины. Число Нуссельта зависит от материала, а потому конкретным для жидкости показателем. Оно пропорционально коэффициенту теплопереноса при теплопередаче в результате конвекции, а потому является мерой качества, то есть величины передачи теплоты.

Число Нуссельта для воды в несколько раз больше числа Нуссельта для масла, в результате чего передача теплоты путем конвекции, при идентичных остальных граничных условиях, значительно выше при использовании воды в качестве теплоносителя, чем при использовании масла для охлаждения. При описании фигур отличия будут объяснены более детально на базе физического примера.

При условии, что имеется система жидкостного охлаждения, кожух турбины может быть изготовлен из более дешевых материалов, без необходимости рассеяния больших количеств теплоты, поскольку теплопередача в кожухе целенаправленно уменьшается путем использования масла, в соответствии с настоящим изобретением.

Во-первых, в соответствии с изобретением, при изготовлении кожуха турбины двигателя внутреннего сгорания можно исключить материалы с высокой термической стойкостью, в частности никелевые сплавы, поскольку турбина оборудована, в соответствии с изобретением, системой жидкостного охлаждения. Во-вторых, производительность охлаждения, то есть передача теплоты в теплоноситель, уменьшена путем использования масла, так что количество рассеиваемого тепла не создает технических проблем.

Двигатель внутреннего сгорания в соответствии с изобретением позволяет исключить применение более дорогостоящих материалов, поскольку нет необходимости в рассеянии больших количеств теплоты в связи с охлаждением турбины.

Таким образом, решается задача изобретения, а именно заключающаяся в создании двигателя внутреннего сгорания турбиной с жидкостным охлаждением, оптимизированным в отношении турбины.

Должно быть сделано различие между системой масляного охлаждения в соответствии с изобретением, и системой подачи масла, служащего для смазки маслом вала турбины или подшипников вала. В принципе, указанная система подачи масла также обеспечивает охлаждение деталей турбины или кожуха турбины. Однако, система подачи масла к валу турбины не содержит охладительной рубашки, что явным образом разграничивает систему масляного охлаждения в соответствии с изобретением от системы подачи масла.

Количество теплоты, передаваемой в охлаждающую жидкость, может быть значительно уменьшено путем использования масла, и не только за счет эффектов, описанных в связи с числом Нуссельта. Кроме того, следует принять во внимание тот факт, что масло можно нагревать до значительно более высоких температур, чем воду, которая при атмосферном давлении испаряется при 100°С. Вследствие этого теплопередачу в кожухе можно еще более уменьшить, уменьшив разность температур между кожухом и охлаждающей жидкостью, то есть маслом, путем нагрева масла. При некоторых условия масло можно нагреть до 200°С или более высокой температуры.

Конструкция турбины может быть радиального или осевого типа, то есть поток, поступающий на лопатки ротора, поступает в основном в радиальном или в осевом направлении. Здесь «в основном в радиальном направлении» означает, что составляющая скорости в радиальном направлении превышает составляющую скорости в осевом направлении. Вектор скорости потока пересекает ось или вал турбины, в частности, под прямыми углами, если подаваемый поток течет в точности радиально. Если составляющая скорости в осевом направлении больше, то это турбина осевого типа конструкции.

Для того чтобы на лопатки ротора попадал поток в радиальном направлении, предпочтительно, чтобы зоны впуска турбины для подачи выхлопных газов была выполнена в виде кожуха с круговой спиралью или червячным ходом, с тем, чтобы входящий поток выхлопных газов к турбине протекал в основном радиально.

Турбина может быть оборудована измененяемой геометрией, что обеспечивает более точную адаптацию к рабочему режиму двигателя внутреннего сгорания путем регулировки геометрии турбины или эффективного поперечного сечения турбины. Для этой цели в зоне впуска турбины устанавливаются направляющие лопатки, управляющие направлением потока. В отличие от лопаток ротора, установленных на вращающемся роторе, направляющие лопатки не вращаются на валу турбины.

Если турбина имеет фиксированную, неизменяемую геометрию, направляющие лопатки устанавливаются в области подачи не только стационарно, но и полностью неподвижно, то есть жестко зафиксированными. Наоборот, при использовании турбины с изменяемой геометрией, направляющие лопатки также соответственно установлены стационарно, но не являются полностью неподвижными, а могут поворачиваться вокруг своей оси, так чтобы влиять на поток, попадающего на лопатки ротора.

Дополнительные преимущественные варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания будут рассмотрены в отношении зависимых пунктов формулы изобретения.

В преимущественных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания для формирования масляной системы выполнены выпускная линия для выпуска масла по меньшей мере из одной охладительной рубашки, и линии подачи для подачи масла по меньшей мере в одну охладительную рубашку.

Кроме того, в преимущественных вариантах осуществления двигателя внутреннего в масляном контуре выполнен насос для подачи масла и теплообменник. Насос позволяет управлять скоростью расхода через кожух, то есть устанавливать скорость расхода, и, таким образом, позволяет дополнительно влиять на охлаждение кожуха и передачу теплоты маслу, служащему теплоносителем.

В преимущественных вариантах двигателя внутреннего сгорания выполнена система подачи масла, которая обеспечивает подачу масла по меньшей мере одному потребителю, и служит, в частности, для смазки движущихся деталей двигателя внутреннего сгорания. В контексте смазки, масло служит для уменьшения доли сухого трения, и дополнительно, в лучшем случае, для реализации чисто жидкостного трения вместо обычного смешанного трения между деталями, движущимися относительно друг друга. Это главным образом служит для увеличения долговечности деталей, а также снижает потери на трение.

Потребителем в указанном выше контексте является коленчатый вал, в подшипники которого должно подаваться смазочное масло. Для установки и крепления коленчатого вала служат по меньшей мере два подшипника, установленные в картере двигателя, при этом подшипники обычно имеют конструкцию, состоящую из двух часть, и содержат в каждом случае одно гнездо подшипника и одну крышку подшипника, которая может быть соединена с гнездом подшипника. Коленчатый вал устанавливается в области шеек коленчатого вала, которые располагаются на некотором расстоянии друг от друга по оси коленчатого вала и в целом выполнены в виде утолщений вала. Крышки и гнезда подшипников могут быть выполнены в виде отдельных деталей или выполнены как одна деталь с картером двигателя, то есть с половинками картера. Вкладыши подшипников могут располагаться в виде промежуточных элементов между коленчатым валом и подшипниками.

В собранном виде каждое гнездо подшипника соединено с соответствующей крышкой подшипника. В каждом случае одно гнездо подшипника и одна крышка подшипника, при необходимости совместно с вкладышем подшипника в качестве промежуточного элемента, образуют канал для установки шейки коленчатого вала. В эти каналы обычно подается машинное масло, то есть смазочное масло так, что при вращении коленчатого вала между внутренней поверхностью каждого канала и шейкой коленчатого вала образуется воспринимающая нагрузку смазочная пленка, аналогично тому, как это происходит в подшипнике скольжения.

Для подачи масла в подшипники, в соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления, используется система подачи масла.

Дополнительным потребителем, к которому должно подаваться масло при помощи системы подачи масла, может быть распределительный вал, который обычно устанавливается на так называемых опорах распределительного вала, состоящих из двух деталей. Требования, приведенные выше для системы опорных подшипников коленчатого вала, применяются аналогичным образом. В опору распределительного вала также обычно подается смазочное масло. Для этого может быть предусмотрен канал подачи, который проходит, например, от опоры коленчатого вала к опоре распределительного вала, расположенной ниже по потоку. Альтернативно, может быть выполнена линия подачи, проходящая от насоса, установленного в системе подачи масла, непосредственно к опоре распределительного вала.

В контексте настоящего изобретения коленчатый вал и распределительный вал, либо связанные с ними подшипники, то есть опоры, рассматриваются как потребители, поскольку они потребляют или используют машинное масло, то есть в них должно подаваться машинное масло для того, чтобы они выполняли и сохраняли свои функции.

Другими потребителями могут быть, например, подшипники шатунов, либо выравнивающий вал, который может устанавливаться при необходимости. Аналогично, потребителем в этом смысле может быть система охлаждения распылением масла, которая смачивает машинным маслом, с целью охлаждения, головку поршня двигателя при помощи распылителей, расположенных снизу, то есть со стороны картера двигателя, и, таким образом, использует масло, то есть к ней необходимо подавать масло.

Регулятор распределительного вала с гидравлическим приводом или другие компоненты привода клапанов, например, для гидравлической компенсации зазоров клапанов, также требуют машинное масло и нуждаются в системе подачи масла, и, таким образом, являются потребителями в смысле, установленном выше.

Масляный фильтр, установленный в линии подачи, или масляный охладитель, который может быть установлен, или насос, подающий масло, не являются потребителями в контексте настоящего изобретения. В эти компоненты масляного контура системы подачи масла, также надлежащим образом подается машинное масло. Однако, использование этих компонентов в масляном контуре принципиально необходимо, и эти компоненты выполняют только задачи, то есть функции, которые относятся непосредственно к подаче масла, в то время, как потребителям масляный контур необходим в первую очередь для работы.

В предпочтительных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания система подачи масла подключена по меньшей мере к одной рубашке охлаждения, встроенной в кожух.

Трение в потребителях, питаемых маслом посредством системы подачи масла, например в подшипниках коленчатого вала, в значительной степени зависящее от вязкости, а потому от температуры подаваемого масла, влияет на потребление топлива двигателем внутреннего сгорания.

Обычно стремятся достичь минимального потребления топлива, что также влечет за собой стремление к уменьшению потерь на трение. Уменьшение потребления топлива ведет также к уменьшению загрязняющих выбросов.

Если система подачи масла подключена по меньшей мере к одной рубашке охлаждения, встроенной в кожух, то машинное масло одновременно служит охлаждающей жидкостью для турбины. Во время протекания через кожух температура масла повышается. В этом контексте необходимо принимать во внимание, что турбина работает в условиях высокой термической нагрузки, намного более высокой термической нагрузки, чем головка цилиндров или коленчатый вал, поэтому нагрев масла, то есть повышение температуры масла при прохождении через кожух турбины происходит сильнее, чем при прохождении через головку цилиндров или подшипники коленчатого вала.

Таким путем обеспечивается быстрый нагрев машинного масла и ускоренный прогрев двигателя внутреннего сгорания, в особенности, после холодного запуска. Сравнительно быстрый нагрев машинного масла в ходе прогрева двигателя внутреннего сгорания обеспечивает соответствующее быстрое снижение вязкости масла, и, таким образом, уменьшение трения и потерь на трение, особенно в подшипниках, куда масло подается.

Рассматриваемый вариант осуществления имеет дополнительные преимущества. Поскольку система подачи масла двигателя внутреннего сгорания подключена по меньшей мере к одной охладительной рубашке, встроенной в кожух турбины, система подачи масла совместно образует масляный контур, необходимый и выполненный для обеспечения охлаждения кожуха, так что остальные компоненты и сборочные узлы, необходимые для формирования системы охлаждения, обычно необходимы только в единственном числе и могут быть использованы как для системы охлаждения турбины, так и для системы подачи масла, что приводит к эффекту совместного использования и значительному уменьшению стоимости, а также позволяет уменьшить вес системы. Например, в системе необходим только один насос, подающий масло, которое служит теплоносителем, и один резервуар для хранения масла. Теплота, передаваемая маслу в кожухе турбины и в двигателе внутреннего сгорания, может рассеиваться в общем теплообменнике, если это действительно необходимо.

В преимущественных вариантах осуществления двигатель внутреннего сгорания содержит

- по меньшей мере одну головку цилиндров;

- по меньшей мере один блок цилиндров, на котором установлена по меньшей мере одна головка цилиндров, вместе составляющие верхнюю половину картера двигателя, которая соединена, со стороны, противоположной головке цилиндров, с поддоном картера двигателя, являющимся нижней половиной картера двигателя и служащим для сбора и хранения машинного масла; и

- насос для подачи машинного масла по линии подачи к по меньшей мере одному потребителю в системе подачи масла.

Двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере один блок цилиндров и по меньшей мере одну головку цилиндров, которые соединены вместе, образуя отдельные цилиндры, то есть камеры сгорания.

Для размещения поршней и гильз цилиндров в блоке цилиндров выполнено соответствующее количество отверстий цилиндров. Поршень каждого из цилиндров направляется гильзой цилиндра для перемещения в осевом направлении и, совместно с гильзой цилиндра и головкой цилиндров, определяет размеры камеры сгорания цилиндра. Здесь головка поршня образует часть внутренней стенки камеры сгорания и, вместе с поршневыми кольцами, изолирует камеру сгорания от картера двигателя, так, что в картер двигателя не попадают ни выхлопные газы, ни воздух для горения, а в камеру сгорания не проникает масло.

Поршень служит для передачи усилия газов, возникающего при сгорании топлива, на коленчатый вал. Для этого поршень шарнирно, при помощи поршневого пальца, соединен с шатуном, который, в свою очередь, шарнирно установлен на коленчатом валу.

Коленчатый вал, установленный в картере двигателя, воспринимает усилия шатунов, которые состоят из усилий газа, расширяющегося при сгорании топлива в камере сгорания, и массовых сил, возникающих в результате неравномерного движения деталей двигателя. Здесь возвратно-поступательное движение поршней преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал, в свою очередь, передает вращающий момент на трансмиссию. Часть энергии, передаваемой на коленчатый вал, обычно используется для привода вспомогательных узлов, например, масляного насоса и электрического генератора, либо служит для привода распределительного вала и, таким образом, приведения в движение клапанного механизма. Здесь, распределительный вал зачастую устанавливается, в качестве верхнего распределительного вала, в головке цилиндров.

Обычно, в том числе в контексте настоящего изобретения, верхняя половинка картера двигателя образована блоком цилиндров. Картер двигателя дополняется нижней половинкой картера двигателя, которая может быть соединена с верхней половинкой картера двигателя и которая служит поддоном картера. Для поддержки поддона картера, то есть нижней половинки картера, на верхней половине картера выполнена фланцевая поверхность. Обычно для герметизации поддона картера или картера двигателя относительно окружающей среды предусматривается уплотнительная прокладка внутри или на поверхности фланца. Соединение половинок картера обычно производится болтами. Поддон картера служит для сбора и хранения машинного масла, он является частью масляного контура, то есть системы подачи масла. Кроме того, поддон картера служит теплообменником для снижения температуры масла, когда температура двигателя внутреннего сгорания повышается до рабочей температуры. Здесь, масло, находящееся в поддоне картера охлаждается путем теплопередачи и конвекции под действием потока воздуха, подаваемого снаружи.

Насос служит для подачи машинного масла по линии подачи по меньшей мере к одному потребителю в системе подачи масла.

Насос обычно подает машинное масло по линии подачи в главную масляную магистраль, от которой каналы ведут по меньшей мере к двум подшипникам коленчатого вала. Здесь, линия подачи проходит от или насоса через блок цилиндров в главную масляную магистраль, или сначала в головку цилиндров, а затем через блок в главную масляную магистраль.

Ниже по потоку от потребителей, то есть после того, как масло было использовано потребителями, оно возвращается в поддон картера по так называемым обратным линиям, замыкая тем самым масляный контур. Здесь возврат масла происходит под действием силы тяжести. Масляный контур обычно можно разделить на участок высокого давления и участок низкого давления, при этом участком высокого давления содержит часть масляного контура, которая расположена выше по потоку от потребителей, а участком низкого давления является часть контура, которая расположена ниже по потоку от потребителей.

Насос, установленный в системе, в свою очередь также требует подачи масла. В преимущественных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания линия всасывания проходит от поддона картера к насосу для подачи машинного масла, находящегося в поддоне картера, к насосу.

В преимущественных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания линия подачи масла проходит ниже по потоку от насоса по меньшей мере в одну охладительную рубашку, встроенную в кожух, при этом преимущественно между насосом и по меньшей мере одной охладительной рубашкой не имеется никаких других потребителей.

С точки зрения максимально быстрого нагрева машинного масла во время фазы прогрева двигателя внутреннего сгорания и уменьшения трения в потребителях, питаемых маслом, в частности в подшипниках, преимуществом является тот факт, что масло сначала нагревается, проходя через кожух турбины, а затем подается потребителям.

Другое значительное преимущество варианта осуществления заключается в том, что участок линии подачи, который расположен до потребителей, относится к участку высокого давления в контуре подачи масла. Следовательно, прохождение масла через кожух турбины происходит под действием давления, а не под действием силы тяжести, как это происходит, например, в обратной линии.

В преимущественных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания ниже по потоку от насоса устанавливается фильтр, предпочтительно между насосом и по меньшей мере одной охладительной рубашкой, встроенной в кожух.

В преимущественных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания линия выпуска для выпуска масла по меньшей мере из одной охладительной рубашки открывается в систему подачи масла.

В преимущественных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания предусмотрен способ подачи избыточного давления в цилиндры путем турбонаддува от выхлопных газов, а турбина является составляющей частью турбокомпрессора на выхлопных газах.

Турбина с жидкостным охлаждением является чрезвычайно предпочтительной в двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом, которые более тяжело нагружены термически вследствие более высокой температуры выхлопных газов.

Турбонаддув служит, в первую очередь, для повышения мощности двигателя внутреннего сгорания. При этом воздух, необходимый для процесса сгорания топлива, сжимается, в результате чего в каждый цилиндр в ходе рабочего цикла подается увеличенная масса воздуха. Вследствие этого может быть увеличена масса подаваемого топлива, а следовательно, среднее эффективное давление.

Турбонаддув является подходящим средством для увеличения мощности двигателя внутреннего сгорания без изменения рабочего объема цилиндров, либо для уменьшения рабочего объема цилиндров при сохранении той же мощности. В любом случае применение турбонаддува приводит к увеличению объемной выходной мощности и к повышению соотношения между мощностью и весом. Таким образом, становится возможным, при одних и тех же ограничивающих условиях автомобиля, сдвинуть нагрузочную кривую в направлении более высоких нагрузок, что приводит к снижению удельного расхода топлива. Следовательно, технология турбонаддува помогает постоянным усилиям в разработке двигателей внутреннего сгорания с минимально возможным потреблением топлива, то есть в повышении эффективности двигателя внутреннего сгорания.

Преимущество турбокомпрессора на выхлопных газах по сравнению с механическим компрессором заключается в том, что не имеется и не требуется передачи механической мощности между двигателем внутреннего сгорания и компрессором. В то время как механический компрессор потребляет энергию для собственного привода непосредственно от двигателя внутреннего сгорания, турбокомпрессор на выхлопных газах использует энергию выхлопных газов, получаемую от отработанных газов двигателя.

В преимущественных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания в головке цилиндров содержится по меньшей мере одна охладительная рубашка, встроенная в головку цилиндров, образуя тем самым систему жидкостного охлаждения.

Принципиально возможно, что система охлаждения может быть воздушного типа, либо жидкостного типа. В случае системы воздушного охлаждения двигатель внутреннего сгорания содержит в своем составе вентилятор, вследствие чего рассеяние тепла происходит при помощи потоков воздуха, проходящих по поверхности головки цилиндров.

Наоборот, при жидкостном охлаждении необходимо, чтобы двигатель внутреннего сгорания, либо головка цилиндров и/или блок цилиндров были оборудованы охладительной рубашкой, для чего требуется наличие каналов подачи теплоносителя, по которым теплоноситель проходит через головку цилиндров или через блок цилиндров, что ведет к усложнению конструкции. При этом, во-первых, снижаются требования по прочности к высоконагруженным механически и термически головкам цилиндров, что является результатом установки каналов подачи теплоносителей. Во-вторых, для рассеяния теплоты нет необходимости направлять ее в первую очередь к поверхности головки цилиндров, как это необходимо в случае системы воздушного охлаждения. Теплота рассеивается в теплоноситель, обычно воду с добавками, который уже находится внутри головки цилиндров. Теплоноситель подается туда при помощи насоса, включенного в контур охлаждения, так что указанный теплоноситель циркулирует по охладительной рубашке. Таким образом, теплота, рассеиваемая теплоносителем, извлекается изнутри головки цилиндров и вновь отводится из теплоносителя в теплообменнике.

С учетом того, что жидкость характеризуется намного большей теплоемкостью, чем воздух, при помощи жидкостного охлаждения можно рассеять гораздо большее количество теплоты, чем это возможно при воздушном охлаждении.

По указанным причинам, преимуществом является интегрирование охладительной рубашки в головку цилиндров с целью формирования системы жидкостного охлаждения.

Желательно, чтобы охладительная способность была достаточно высока, чтобы было возможно обойтись без обогащения (λ<1) для снижения температуры выхлопных газов, как это описано в заявке ЕР 1722090 А2, и, что рассматривается как недостаток в энергетическом отношении, в частности в отношении потребления топлива двигателем внутреннего сгорания, и в отношении загрязняющих выбросов.

В случае двигателя внутреннего сгорания, в котором на стороне выпуска каждого из цилиндров выполнено по меньшей мере одно выпускное отверстие для отвода выхлопных газов, а на стороне впуска по меньшей мере одно впускное отверстие для подачи наружного воздуха, преимущественные варианты осуществления характеризуются тем, что:

в головке цилиндров располагается по меньшей мере одна охладительная рубашка на стороне выпуска, и по меньшей мере одна охладительная рубашка на стороне впуска, при этом указанные по меньшей мере две охладительные рубашки отделены друг от друга и относятся к различным, отдельным контурам охлаждения.

В головке цилиндров выполнены два независимых контура охлаждения, в каждой из которых выполнена по меньшей мере одна охладительная рубашка и которые, в частности, могут работать с различными охладителями.

Такая конфигурация или конструкция системы жидкостного охлаждения дает возможность охлаждать с одной стороны сторону впуска и с другой стороны сторону выпуска по необходимости, совершенно независимо одну от другой и в соответствии с необходимым профилем нагрузки.

По меньшей мере, одна охладительная рубашка одного контура располагается на стороне выпуска и по меньшей мере одна охладительная рубашка одного контура располагается на стороне впуска, что позволяет реализовать различную охлаждающую способность на стороне впуска и на стороне выпуска, причем не только путем использования различных теплоносителей. Более того, мощность насоса в каждом из контуров, а, следовательно, поток теплоносителя, то есть объем подачи, может быть выбираться и устанавливаться в каждой из систем независимо. Таким образом, возможно влиять на скорость расхода, что в значительной мере влияет на передачу теплоты путем конвекции.

Таким образом, можно отводить меньше теплоты от стороны впуска головки цилиндров и больше теплоты от стороны выпуска головки цилиндров.

Здесь, в предпочтительных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания по меньшей мере одна рубашка охлаждения на стороне выпуска относится к контуру водяного охлаждения, в то время как по меньшей мере одна рубашка охлаждения на стороне впуска относится к масляному контуру.

В результате использования масла производительность охлаждения на стороне впуска значительно уменьшается по сравнению с использованием воды в качестве теплоносителя. Конструкция системы жидкостного охлаждения в соответствии с изобретением делает возможным отвод теплоты от стороны впуска головки цилиндров только в том количестве, которое необходимо для предупреждения перегрева, в то время как в существующих конструкциях, с учетом использования единого теплоносителя - воды, сторона впуска охлаждается более интенсивно, чем это действительно требуется, поскольку система охлаждения рассчитывается на более термически нагруженную сторону выпуска. Таким образом, двигатель внутреннего сгорания оптимизируется с точки зрения охлаждения. С применением описываемого типа системы жидкостного охлаждения эффективность двигателя внутреннего сгорания повышается.

При использовании масла в качестве теплоносителя на стороне впуска головки цилиндров в преимущественных вариантах осуществления по меньшей мере одна рубашка охлаждения на стороне впуска и по меньшей мере одна рубашка охлаждения, встроенная в кожух, относятся к одному масляному контуру. При надлежащем управлении потоком теплоносителя преимущество проявляется, в частности, во время прогрева двигателя внутреннего сгорания после холодного запуска. Предпочтительно, чтобы масло сначала протекало через кожух, а затем, ниже по потоку, через головку цилиндров.

В предпочтительных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания, содержащего по меньшей мере одну головку цилиндров, в каждой головке цилиндров расположен по меньшей мере один цилиндр, и в каждом из цилиндров выполнено по меньшей мере одно выпускное отверстие для выпуска отработанных газов из цилиндра, и каждое выпускное отверстие присоединяется к выпускной линии, при этом выпускные линии объединяются, образуя по меньшей мере одну общую линию выпуска внутри головки цилиндров, так, что образуется по меньшей мере один объединенный выпускной коллектор.

Необходимо принимать во внимание, что принципиально необходимо располагать турбину, в частности, турбину турбонаддува от выхлопных газов, как можно ближе к выпускному отверстию цилиндра, что позволяет оптимально использовать внутреннюю энергию горячих выхлопных газов, которая определяется, в основном, давлением и температурой выхлопных газов, и обеспечить быструю реакцию турбины или турбокомпрессора. Кроме того, путь горячих выхлопных газов к различным системам доочистки должен быть как можно более коротким, чтобы у выхлопных газов было как можно меньше времени на охлаждение и система доочистки выхлопных газов достигала своей рабочей температуры или температуры первоначального запуска как можно быстрее, особенно после холодного запуска двигателя внутреннего сгорания.

Поэтому желательно свести к минимуму термическую инерцию той части выпускной линии, которая соединяет выпускное отверстие цилиндра с турбиной или выпускное отверстие цилиндра с системой доочистки выхлопных газов, что может быть достигнуто уменьшением массы и длины указанной части линии.

Для этого целесообразно объединить выпускные линии внутри головки цилиндров для формирования по меньшей мере одного объединенного выпускного коллектора.

В результате объединения в коллектор длина выпускных линий уменьшается. Во-первых, уменьшается объем линии, то есть объем, занимаемый выхлопными газами в выпускной линии до турбины, что улучшает реакцию турбины. Во-вторых, меньшая длина выпускных линий приводит также к уменьшению тепловой инерции выпускной системы, расположенной выше по потоку от турбины, что вызывает повышение температуры выхлопных газов на входе турбины, в результате чего также повышается внутренняя энергия выхлопных газов на входе турбины.

Кроме того, объединение выпускных линий внутри головки цилиндров позволяет сконструировать более компактное приводное устройство.

Однако, головка цилиндров, сконструированная таким способом, подвергается более высоким термическим нагрузкам по сравнению с обычной головкой цилиндров, оборудованной внешним коллектором, в результате чего повышаются требования к системе охлаждения. Установка жидкостной системы охлаждения в головке цилиндров имеет, таким образом, дополнительные преимущества при совместном использовании с объединенным коллектором выхлопных газов.

В предпочтительных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания по меньшей мере в одной головке цилиндров расположены по меньшей мере два цилиндра.

Если в головке цилиндров расположены два цилиндра и выпускные линии одного из цилиндров объединены, образуя общую выпускную линию, то конструкция такого двигателя внутреннего сгорания является предметом рассматриваемого изобретения.

Если в головке цилиндров расположены три и более цилиндров, и объединены выпускные линии только двух цилиндров, образуя общую линию выпуска, то конструкция такого двигателя внутреннего сгорания также является предметом рассматриваемого изобретения.

Варианты осуществления, в которых в головке цилиндров расположены, например, четыре цилиндра в один ряд, и выпускные линии внешних цилиндров объединены, образуя общую линию выпуска, так же, как и выпускные линии внутренних цилиндров объединены, образуя другую общую линию выпуска, также относятся к двигателям внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.

В случае трех и более цилиндров, в преимущественных вариантах осуществления

- по меньшей мере три цилиндра сконфигурированы таким образом, чтобы формировать две группы, в каждую из которых входит по меньшей мере один цилиндр; и

- выпускные линии цилиндров каждой группы объединяются в каждом случае в общую линию выпуска, образуя тем самым выпускной коллектор.

Указанный вариант осуществления является подходящим, в частности, для использования двухканальной турбины. В двухканальной турбине в области впуска имеются два впускных канала, что позволяет подключить к двухканальной турбине две общих линии выпуска таким образом, что каждая из общих линий выпуска открывается в отдельный входной канал турбины. Объединение двух потоков выхлопных газов, поступающих из общих линий выпуска, происходит, если это необходимо, ниже по потоку от турбины. Если линии выпуска сгруппированы таким образом, что могут выдерживать высокое давление, в частности, предвыхлопные удары, то двухканальная турбина оказывается особенно пригодной для турбонаддува в импульсном режиме, вследствие чего высокие величины коэффициента давления в турбине могут достигаться даже при низких скоростях вращения.

Однако группировка цилиндров или выпускных линий дает еще то преимущество, что можно использовать несколько турбин или турбокомпрессоров на выхлопных газах, причем в каждом случае одна общая линия выпуска подключается к одной турбине.

Таким образом, в преимущественных вариантах осуществления выпускные линии всех цилиндров головки цилиндров объединены для формирования единой, то есть общей, объединенной линии выпуска.

В преимущественных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания кожух турбины является литым. Путем литья и использования соответствующих сердечников, можно сформировать сложную структуру кожуха за одну производственную операцию, так что впоследствии для изготовления турбины понадобится только чистовая обработка кожуха и сборка.

В преимущественных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания каждый из цилиндров головки цилиндров содержит два выпускных отверстия для выпуска выхлопных газов из цилиндра.

Входные и выпускные отверстия цилиндров должны открываться и закрываться в нужные моменты времени, с быстрым открытием максимально возможного поперечного сечения, чтобы поддерживать низкий уровень потерь на дросселирование входящего и выходящего потоков газов, и для того, чтобы обеспечить наилучшее наполнение камеры сгорания свежей смесью и эффективное, то есть полное, удаление отработанных газов. Поэтому желательно иметь в цилиндрах по два или более входных отверстий и выпускных отверстий.

В преимущественных вариантах осуществления турбина и головка цилиндров представляют собой отдельные узлы, соединенные друг с другом либо жестко, либо не жестко и/или посредством сцепления.

Модульная конструкция дает то преимущество, что отдельные компоненты, а именно - турбина и головка цилиндров, могут быть также соединены с другими компонентами, в частности с другими головками цилиндров и турбинами, в соответствии с принципом модульности, Универсальность компонентов обычно приводит к увеличению объемов производства, в результате чего себестоимость каждого узла снижается. Более того, при этом также уменьшается стоимость замены турбины или головки цилиндров, например, вследствие повреждения.

В дополнительных преимущественных вариантах осуществления кожух турбины встраивается в головку цилиндров, по меньшей мере, частично таким образом, что головка цилиндров и, по меньшей мере, часть кожуха турбины образую монолитную деталь.

Вследствие конструкции, состоящей из одной детали, в принципе исключается задача формирования газонепроницаемого соединения между турбиной и головкой цилиндров, которое должно обладать высокой термической стойкостью, а следовательно - высокой стоимостью. В результате отсутствует опасность случайного выброса выхлопных газов в атмосферу в результате утечки. Относительно контуров охлаждения или подключения контуров охлаждения, а также опасности утечки теплоносителя, можно утверждать то же самое.

Вторая задача, заявленная как «способ» в соответствии с отличительной частью пункта 13 формулы изобретения, достигается путем способа, который заключается в повышении температуры масла с целью уменьшения передачи теплоты в масло во время его протекания по кожуху.

Все, что было установлено для двигателя внутреннего сгорания в соответствии с настоящим изобретением, относится аналогично и к способу в соответствии с настоящим изобретением, по этой причине делается ссылка к тому, что было установлено в связи с двигателем внутреннего сгорания.

Теплопередачу в кожухе можно уменьшить, уменьшив разность температур между кожухом и охлаждающей жидкостью, то есть маслом, путем нагрева масла.

Краткое описание чертежей

Более детально изобретение описывается ниже на базе Фиг.1, где:

На Фиг.1 показано в виде диаграммы отношение между коэффициентами теплопереноса двух различных теплоносителей, как функция от температуры теплоносителя и скорости расхода.

Осуществление изобретения

На Фиг.1 показано в виде диаграммы КТП отношение коэффициентов теплопереноса КТП_масла и КТП_воды, то есть двух различных теплоносителей, как функция от температуры теплоносителя Т_{теплоносителя} и скорости расхода V.

В качестве теплоносителя использовались, с одной стороны, масло (КТП_масла и V_масла), с другой стороны, вода (КТД_воды и V_воды). Используемая вода для охлаждения представляет собой смесь воды и гликоля.

Безразмерное КТП отношение коэффициентов теплопереноса КТП_масла и КТП_воды показано слева, на оси ординат, а скорость расхода, как безразмерное отношение скоростей V_масла/V_воды - на оси абсцисс.

При повышении температуры теплоносителя, например, от Т_{теплоносителя}=20°С до Т_{теплоносителя}=120°С, коэффициент теплопереноса масла значительно увеличивается по сравнению с коэффициентом теплопереноса охлаждающей воды. Это явным образом показывает, что при относительно высоких температурах теплоносителя охлаждение при помощи масла имеет преимущество в рассеянии тепла, то есть масло обеспечивает более интенсивное охлаждающее действие.

Из диаграммы следует также, что, даже при использовании масла в качестве теплоносителя, коэффициент теплопереноса увеличивается с увеличением скорости расхода, поскольку с увеличением скорости расхода растет скорость потока.

Однако, из диаграммы следует также, что при использовании масла в качестве теплоносителя передача теплоты в теплоноситель значительно уменьшается по сравнению с охлаждением водой. Это происходит потому, что коэффициент теплопередачи воды КТП_воды во много раз выше, чем коэффициент теплопередачи масла КТП_масла.

Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания, содержащему по меньшей мере одну турбину с жидкостным охлаждением, в котором турбина, содержащая кожух, снабжена по меньшей мере одной рубашкой охлаждения, встроенной в кожух для формирования системы жидкостного охлаждения. Рассмотрен способ охлаждения, по меньшей мере, одной турбины указанного двигателя внутреннего сгорания. Предлагается обеспечить двигатель внутреннего сгорания описанного выше типа оптимизированным в отношении турбины. Указанная задача достигается в двигателе внутреннего сгорания упомянутого типа, характеризующимся тем, что, по меньшей мере, одна рубашка охлаждения, встроенная в кожух, относится к масляному контуру. Изобретение обеспечивает уменьшение теплопередачи в кожухе турбины за счет использования масла. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, который содержит головку цилиндров, имеющую с впускной стороны рубашку охлаждения, по меньшей мере один турбокомпрессор с турбиной, имеющей вторую рубашку охлаждения, встроенную в кожух турбины, а также масляный контур, выполненный с возможностью перед возвратом в поддон картера направлять масло от второй рубашки охлаждения турбины к рубашке охлаждения на впуске головки цилиндров.

2. Двигатель по п. 1, в котором в масляном контуре предусмотрен насос для подачи масла и/или теплообменник.

3. Двигатель по п. 1, в котором масляный контур выполнен с возможностью подачи масла по меньшей мере одному потребителю для смазки движущихся деталей двигателя внутреннего сгорания.

4. Двигатель по п. 3, содержащий
по меньшей мере один блок цилиндров, который соединен с головкой цилиндров, служит в качестве верхней половины картера двигателя и соединен со стороны, обращенной от головки цилиндров, с поддоном картера, служащим в качестве нижней половины картера и предназначенным для сбора и хранения масла из двигателя; а также
насос для доставки машинного масла по линии подачи к по меньшей мере одному потребителю в масляном контуре.

5. Двигатель по п. 4, в котором линия подачи масла подведена ниже по потоку от насоса ко второй рубашке охлаждения, встроенной в кожух.

6. Двигатель по п. 5, в котором между насосом и второй рубашкой охлаждения, встроенной в кожух, нет потребителя.

7. Двигатель по п. 4, в котором для каждого цилиндра двигателя на выпускной стороне головки цилиндров предусмотрено по меньшей мере одно отверстие для выпуска отработавших газов, а на впускной стороне головки цилиндров для каждого цилиндра двигателя предусмотрено по меньшей мере одно впускное отверстие для подачи наружного воздуха,
причем в головке цилиндров на выпускной стороне предусмотрена третья охладительная рубашка, отдельная от впускной стороны головки цилиндров и относящаяся к другому, отдельному контуру охлаждения.

8. Двигатель по п. 7, в котором третья рубашка охлаждения на выпускной стороне относится к контуру водяного охлаждения.

9. Двигатель по п. 1, в котором линии выпуска объединены с образованием общей выпускной линии внутри головки цилиндров для формирования объединенного выпускного коллектора.

10. Способ охлаждения турбины двигателя внутреннего сгорания по одному из предшествующих пунктов, в котором к турбине через масляный контур направляют масло двигателя, до достижения маслом турбины повышают температуру масла, а после турбины направляют масло в рубашку охлаждения на впускной стороне головки цилиндров, охлаждаемой исключительно с помощью масла.

11. Способ по п. 10, в котором от рубашки охлаждения на впускной стороне масло направляют в поддон картера, служащий для сбора и хранения масла двигателя для снабжения масляного контура.

12. Способ по п. 10, в котором направляют воду в рубашку охлаждения на выпускной стороне головки цилиндров, которая не входит в масляный контур.