Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания (ДВС) с турбонаддувом, который имеет по меньшей мере два турбокомпрессора на выхлопных газах и по меньшей мере одну головку цилиндров с по меньшей мере двумя цилиндрами. Изобретение также относится к способу эксплуатации двигателя внутреннего сгорания данного типа. В рамках настоящего изобретения термин «двигатель внутреннего сгорания» относится к двигателям с искровым (принудительным) зажиганием, но также применим и к дизельным и гибридным двигателям внутреннего сгорания.
Уровень техники
В двигателях внутреннего сгорания имеется блок цилиндров и по меньшей мере одна головка цилиндров, которые соединены друг с другом с формированием цилиндров. Для контроля замены рабочей смеси требуются элементы управления двигателем внутреннего сгорания, которые обычно выполняют в виде клапанов, а также исполнительные устройства для приведения в действие указанных элементов управления. Механизм активации клапанов, необходимый для движения клапанов, включающий в себя сами клапаны, называется клапанным приводом. Клапанный привод часто размещают в конструкции головки цилиндров.
В процессе замены рабочей смеси продукты сгорания выводятся через выпускные отверстия цилиндров, а заполнение камеры сгорания, точнее введение свежей смеси или свежего воздуха в камеру сгорания, осуществляется через впускные отверстия. Функцией клапанного привода является открывание и закрывание впускных и выпускных отверстий в нужное время с быстрым обеспечением наибольших сечений потока, чтобы поддерживать на минимальном уровне потери на дросселирование поступающего и выводимого потоков газа, а также для того, чтобы гарантировать лучшее заполнение камеры сгорания свежей смесью и эффективный, а точнее полный, отвод выхлопных газов из камеры.
Согласно уровню техники подводимые к впускным отверстиям впускные каналы, а также соединенные с выпускными отверстиями выпускные каналы, то есть выхлопные трубопроводы, частично интегрированы в головку цилиндров. Выхлопные трубопроводы цилиндров обычно выполняют сливающимися в один общий выхлопной трубопровод или, как в двигателях внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению, для формирования двух или более общих выхлопных трубопроводов. Слияние выхлопных трубопроводов с образованием общего выхлопного трубопровода, в общем случае и в контексте настоящего изобретения будет называться выпускным коллектором, причем часть выхлопного трубопровода, находящаяся выше по потоку турбины, расположена в общем выхлопном трубопроводе и является, согласно настоящему изобретению, частью выпускного коллектора.
Ниже по потоку коллектора выхлопные газы, в данном случае, подают к турбинам по меньшей мере двух турбокомпрессоров с целью нагнетания воздуха в двигатель внутреннего сгорания, а также при необходимости к одной или более системам нейтрализации (обработки) выхлопных газов.
Преимущества турбокомпрессора на выхлопных газах по сравнению, например, с механическим нагнетателем, заключаются в том, что не существует и не требуется прямой механической связи для передачи энергии между нагнетателем и двигателем внутреннего сгорания. В то время как механический нагнетатель берет необходимую для работы энергию полностью от двигателя, и таким образом снижает выходную мощность и негативно сказывается на эффективности двигателя, то турбокомпрессор использует энергию горячих выхлопных газов.
Турбокомпрессор на выхлопных газах содержит компрессор и турбину, расположенные на одном валу. Поток горячих выхлопных газов подается на турбину, расширяясь в ней с высвобождением энергии, в результате чего вал начинает вращаться. Из-за высоких угловых скоростей вал обычно закреплен на подшипниках скольжения. Энергия, переданная потоком выхлопных газов турбине, а в итоге валу, используется для приведения в действие компрессора, который подобным образом размещен на валу. Компрессор передает и сжимает нагнетаемый воздух, доставленный к нему, в результате чего достигается наддув цилиндров. При необходимости, используют устройство охлаждения нагнетаемого воздуха, благодаря которому сжатый воздух, подаваемый в камеру сгорания, охлаждается перед попаданием в цилиндры.
Наддув служит, главным образом, средством повышения мощности двигателя внутреннего сгорания. Здесь требуемый для процесса горения воздух сжимается, и в результате большая масса воздуха может быть доставлена к каждому цилиндру в процессе рабочего цикла. В этом случае объем топлива и, следовательно, среднее полезное давление могут быть увеличены. Наддув является подходящим средством увеличения мощности двигателя внутреннего сгорания без увеличения рабочего объема цилиндров, или для снижения рабочего объема цилиндров без уменьшения мощности двигателя. В любом случае применение наддува приводит к увеличению объемной выходной мощности и улучшению удельной мощности двигателя внутреннего сгорания. При тех же граничных условиях для транспортного средства, таким образом, появляется возможность применять большие нагрузки при меньшем удельном расходе топлива.
При конфигурировании системы турбонаддува на выхлопных газах часто возникают трудности, когда в основном стремятся достичь значительного улучшения характеристик во всем диапазоне угловых скоростей двигателя. Согласно известному уровню техники, так или иначе, наблюдается сильное падение крутящего момента в случае достижения конкретной угловой скорости. Это падение можно понять, если взять во внимание, что коэффициент давления надувочного воздуха зависит от показателя давления в турбине. В случае, например, с дизельным двигателем, снижение угловой скорости двигателя приводит к уменьшению плотности потока выхлопных газов и, следовательно, к снижению показателя давления в турбине. Вследствие этого происходит дальнейшее снижение угловых скоростей и таким же образом уменьшается коэффициент давления надувочного воздуха, что и приводит к падению крутящего момента.
В принципе, возможно противодействовать уменьшению давления надувочного воздуха посредством уменьшения поперечного сечения турбины, что привело бы к увеличению показателя давления в турбине. Но это всего лишь смещает падение крутящего момента в область более низких угловых скоростей. Более того, вышеизложенный метод уменьшения поперечного сечения турбины имеет ограничения, так, требуемый наддув и улучшение характеристик должны осуществляться без ограничений даже в области высоких угловых скоростей, то есть в случае большого потока выхлопных газов.
Согласно уровню техники предполагается увеличить характеристики крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом с использованием различных средств.
Одним из таких средств, например, является уменьшение поперечного сечения турбины с одновременным использованием устройства сброса избыточного давления. Такую турбину также называют турбиной с перепускной заслонкой. Если плотность потока выхлопных газов превышает критическое значение, то часть потока в ходе так называемого сброса избыточного давления выхлопных газов проходит через перепускной канал в обход турбины. Этот метод имеет недостаток, заключающийся в том, что характер работы наддува является непредсказуемым на относительно высоких угловых скоростях или в случае относительно больших потоков выхлопных газов.
Характеристику крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом можно, кроме того, улучшить путем использования нескольких турбокомпрессоров, расположенных параллельно, то есть совокупности турбин с малым поперечным сечением, расположенных параллельно друг другу. В этом случае турбины активируются при возрастающем потоке выхлопных газов.
Двигатель внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющий по меньшей мере два турбокомпрессора, расположенных параллельно, также является объектом настоящего изобретения. Предпочтительно, чтобы одна из турбин была выполнена в качестве активируемой турбины, которая активируется только в случае относительно больших количеств выхлопных газов. По сравнению с вариантами, в которых используется только один турбокомпрессор, поперечное сечение турбины и соответствующий ротор каждой из двух параллельно расположенных турбин являются небольшими и, соответственно, легкими, что положительно влияет на ускорение ротора.
Согласно изобретению первый общий выхлопной трубопровод соединен с впускной областью турбины первого турбокомпрессора, а второй общий выхлопной трубопровод соединен с впускной областью турбины второго турбокомпрессора.
Предполагается расположить турбины настолько близко к выпускным отверстиям цилиндра, насколько это только возможно для того, чтобы оптимально использовать внутреннюю энергию горячих выхлопных газов, определяемую, в основном, давлением и температурой выхлопных газов, а также для обеспечения быстрого отклика турбокомпрессоров. Таким образом, теоретически предполагается свести к минимуму тепловую инерцию, а также объем системы трубопроводов между выпускными отверстиями на цилиндрах и турбинами, что может быть достигнуто уменьшением массы и длины выхлопных трубопроводов.
В данном случае, среди прочего, целесообразным является слияние выхлопных трубопроводов внутри головки цилиндра, т.е. интеграция выхлопных коллекторов в по меньшей мере одну головку цилиндра. Общая длина и объем поточной линии выше по потоку турбин сокращаются. Описанные меры обеспечивают компактную конструкцию, в которой уменьшены общая длина выхлопных трубопроводов выпускного коллектора, а также объем выхлопных линий, расположенных выше по потоку турбины. Использование такой головки цилиндров также приводит к уменьшению количества компонентов, а следовательно, и снижению стоимости, особенно затрат на сборку и на материально-техническое обеспечение. Компактная конструкция обеспечивает плотную упаковку привода в отсеке двигателя. Двигатель внутреннего сгорания, в котором сливаются выхлопные линии по меньшей мере двух цилиндров с образованием двух общих выхлопных трубопроводов внутри головки цилиндра таким образом, что формируются два интегрированных выпускных коллектора, также является предметом настоящего изобретения.
Несмотря на то, что выхлопная система выше по потоку турбины, как уже обсуждалось, в результате интегрирования в головку цилиндра оптимизирована с точки зрения длины трубопровода, объема и установочного пространства, двигатели внутреннего сгорания данного типа, согласно уровню техники, по-прежнему имеют сильно разветвленную систему трубопровода ниже по потоку турбин для отвода выхлопных газов из двух турбин, накопления их в общей линии и подачи в систему нейтрализации выхлопных газов.
Подобная система трубопроводов исключает компактность конструкции и плотность установки. Кроме того, трубопроводы на внешней стороне, прилегающей к головке цилиндров и блоку цилиндров, представляют собой постоянный источник тепла, что может отрицательно сказаться на других компонентах, особенно деталях из пластика.
В свете вышеизложенного целью настоящего изобретения является разработка двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом с усовершенствованной системой трубопровода выше по потоку турбин.
Дополнительной целью настоящего изобретения является разработка способа эксплуатации двигателя внутреннего сгорания указанного типа, в котором турбина турбокомпрессора является активируемой турбиной.
Раскрытие изобретения
Первая цель достигается в двигателе внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющем по меньшей мере два турбокомпрессора на выхлопных газах и одну головку цилиндров с по меньшей мере двумя цилиндрами, расположенными в ряд вдоль продольной оси головки цилиндров, каждый из указанных цилиндров имеет по меньшей мере одно выпускное отверстие для вывода выхлопных газов, которое соединено с выхлопным трубопроводом, причем выхлопные трубопроводы по меньшей мере двух цилиндров сливаются друг с другом для формирования двух общих выхлопных трубопроводов внутри головки цилиндров таким образом, что образуются два встроенных выпускных коллектора, общие выхлопные трубопроводы которых выходят из головки цилиндров на расстоянии друг от друга вдоль продольной оси головки цилиндров на противоположную от цилиндров сторону выпускных коллекторов, причем первый общий выхлопной трубопровод соединен с впускной областью турбины первого турбокомпрессора, а второй общий выхлопной трубопровод соединен с впускной областью турбины второго турбокомпрессора. При этом отличительной характеристикой двигателя является то, что по меньшей мере одна головка цилиндров имеет нависающий выступ (балконного типа), расположенный между общими выхлопными трубопроводами, выходящими из по меньшей мере одной головки цилиндров, и имеющий на каждой из двух сторон, направленных в каждом случае на одну турбину, отверстие, соединенное с выпускной областью соответствующей турбины, причем каналы, примыкающие к этим двум отверстиям, образуют общий трубопровод, выходящий из выступа.
Согласно изобретению головка цилиндров имеет выступ, размещенный на выпускной стороне между двумя турбинами, расположенными на головке цилиндров и имеющими не менее трех отверстий, два из которых служат для отвода выхлопных газов из турбин и сбора выхлопных газов, а третье - для пропускания выхлопных газов по общему трубопроводу, например, в систему нейтрализации выхлопных газов.
Таким образом, сильно разветвленный трубопровод ниже по потоку турбин, известный из уровня техники, более не используется или его использование существенно сокращено. Общая длина всех трубопроводов, а следовательно, объем трубопроводов и необходимое установочное пространство заметно сокращаются и уменьшаются.
Согласно настоящему изобретению система трубопроводов, характеризующаяся наличием выступа на головке цилиндра, обеспечивает компактность конструкции и позволяет плотно установить узел привода в отсеке двигателя. Для установки поточной линии требуется сравнительно мало места, поэтому конструктивные ограничения, вытекающие из того, что в процессе работы система находится в нагретом состоянии и представляет собой постоянный источник тепла, практически устранены.
В контексте настоящего изобретения система трубопроводов также имеет преимущества в части нейтрализации выхлопных газов. Как и в случае с турбинами, необходимо расположить несколько систем нейтрализации выхлопных газов как можно ближе к выпускным отверстиям двигателя внутреннего сгорания, т.е. выпускным отверстиям цилиндров. Выхлопные газы за короткое время и на коротком промежутке охлаждаются, чтобы системы нейтрализации выхлопных газов как можно быстрее достигли своей рабочей температуры или температуры зажигания, в частности после холодного пуска двигателя внутреннего сгорания.
В связи с тем, что тепловую инерцию и объем системы трубопровода выше по потоку турбин необходимо свести к минимуму за счет уменьшения массы и длины, например путем объединения коллекторов, также целесообразным в отношении нейтрализации выхлопных газов является свести к минимуму тепловую инерцию системы трубопровода ниже по потоку турбин за счет уменьшения массы и длины. Согласно изобретению это достигается за счет формирования на головке цилиндра интегрированного выступа, выполняющего и включающего в себя основные функции и детали соответствующей системы трубопровода.
Таким образом, достигается первая цель настоящего изобретения, а именно создание двигателя внутреннего сгорания с наддувом с усовершенствованной системой трубопровода ниже по потоку турбин.
Две турбины крепятся с впускной стороны непосредственно к головке цилиндра, предпочтительно с помощью таких средств, как винты, и с выпускной стороны соединены с выступом головки цилиндров, который выполнен монолитным с ней, также предпочтительно с использованием таких крепежных элементов, как винты.
Двигатель внутреннего сгорания по изобретению, в котором цилиндры расположены двумя рядами, также может быть оснащен двумя головками.
В контексте настоящего изобретения не является обязательным слияние выхлопных трубопроводов всех цилиндров головки цилиндров в два общих выхлопных трубопровода, фактически, могут быть сгруппированы указанным способом только выхлопные трубопроводы по меньшей мере двух цилиндров.
Однако особенно предпочтительными являются такие варианты, в которых выхлопные трубопроводы всех цилиндров по меньшей мере одной головки цилиндров сливаются в два общих выхлопных трубопровода.
Предпочтительными являются такие варианты двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых два общих выхлопных трубопровода по меньшей мере одной головки цилиндров разделены на расстояние L вдоль продольной оси головки цилиндра, причем L≥D, где D - диаметр цилиндра.
Образование или размещение выступа на головке цилиндра требует соответствующего расстояния между двумя турбинами. Наличие определенного расстояния между двумя общими выхлопными трубопроводами, отходящими от головки цилиндра, упрощает или способствует выполнению данного требования. В случае с двигателями внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением общие выхлопные трубопроводы со значительным пространственным разнесением упрощают компоновку каналов подачи охлаждающей жидкости или рубашек охлаждения в головке цилиндра, в частности, между двумя общими выхлопными трубопроводами.
В случае если головки цилиндров имеют несколько расположенных рядами цилиндров, расстояние между общими выхлопными трубопроводами вдоль продольной оси головки цилиндров также благоприятно влияет на геометрию двух соответствующих выпускных коллекторов. Поскольку в данном случае слияние общих выпускных коллекторов выше по потоку турбин непредусмотрено, каждый из двух общих выхлопных трубопроводов можно расположить так, чтобы обеспечить минимальный возможный объем выпускного коллектора. Преимущества выхлопной системы подобного типа уже обсуждались выше.
По упомянутым причинам также предпочтительными являются такие варианты двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых два общих выхлопных трубопровода по меньшей мере одной головки цилиндров разнесены на расстояние L вдоль продольной оси головки цилиндров, причем L≥1,5 D, более предпочтительно L≥2,0 D, где D - диаметр цилиндра.
В случае с двигателями внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере одну головку цилиндра можно соединить с блоком цилиндров на стороне сборочного конца, предпочтительными являются варианты двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых общий трубопровод, выходящий из выступа, выходит со стороны, направленной на сторону сборочного конца, т.е. проходит по направлению к блоку цилиндров или вдоль него.
Упомянутый вариант допускает размещение со стороны, противоположной стороне сборочного конца, нескольких пластиковых компонентов, в частности крышки привода клапана или частей впускной системы, а привод клапана часто расположен в транспортном средстве непосредственно под капотом двигателя, поэтому место для прокладки общего трубопровода вдоль головки цилиндров отсутствует, и общий трубопровод может быть протянут, если это целесообразно, за пределами головки цилиндра.
В данном контексте следует также учитывать, что примыкающая выхлопная система проходит преимущественно по полу транспортного средства к выхлопному отверстию, поэтому целесообразно направить общий трубопровод, отходящий от выступа, вниз, т.е. в направлении к полу транспортного средства.
Преимущественными являются такие варианты двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых:
по меньшей мере два цилиндра выполнены таким образом, что они образуют две группы в каждом случае с по меньшей мере одним цилиндром; и
выхлопные трубопроводы цилиндров каждой группы сливаются друг с другом для образования в каждом случае одного общего выхлопного трубопровода внутри головки цилиндров таким образом, что формируется встроенный выпускной коллектор.
В данном случае в каждый общий выхлопной трубопровод поступают выхлопные газы из определенных цилиндров.
Такой вариант позволяет подходящим образом группировать цилиндры или располагать их отдельно друг от друга, например так, что взаимное отрицательное влияние эффектов динамических волн, возникающих в выхлопных трубопроводах группы цилиндров, сводится к минимуму, в частности волны давления, распространяющиеся по выхлопным трубопроводам, не ослабляют друг друга. Для того чтобы объединенные в группу цилиндры не оказывали друг на друга отрицательное влияние при замене заряда, их предпочтительно группируют так, чтобы интервал между цилиндрами в группе был максимально возможным с учетом их рабочих процессов.
Если в начале процесса замены заряда выпускное отверстие открыто, продукты сгорания с высокой скоростью вытекают через выпускное отверстие в выхлопной трубопровод за счет высокого уровня давления в цилиндре в конце цикла сгорания и сопутствующего большого перепада давлений между камерой сгорания и выхлопным трубопроводом. Этот поточный процесс на основе перепада давления сопровождается высоким скачком давления, также называемым предзагрузочным сбросом, который распространяется по выхлопным трубопроводам со скоростью звука.
В связи с процессом всасывания свежей смеси, цилиндры предпочтительно группировать таким образом, чтобы когда по меньшей мере одно выпускное отверстие цилиндра группы открывается, выпускные отверстия цилиндров этой же группы были закрыты или закрывались в момент, когда волна давления или сброс под давлением цилиндра одного отверстия достигает или предположительно должна достигнуть выпускного отверстия другого цилиндра. Таким образом, можно исключить обратный поток отработанного газа через выпускное отверстие в камеру сгорания.
Поскольку отдельные выхлопные трубопроводы укорочены в результате интегрирования коллектора с головкой цилиндра, в общем случае возрастает риск взаимного замедления цилиндров в процессе всасывания свежей смеси или явлений динамических волн в выхлопных трубопроводах цилиндра, которые накладываются друг на друга с негативным эффектом. По этой причине имеет преимущества группирование цилиндров в связи с интегрированием коллектора, которое является обязательным в контексте настоящего изобретения.
Группирование цилиндров также обеспечивает большую степень свободы для настройки времени срабатывания клапанов того или иного цилиндра, поскольку цилиндры, которые могут оказывать отрицательное влияние друг на друга, можно расположить раздельно, в частности так, чтобы интервал между цилиндрами в группе был максимально возможным с учетом рабочих процессов. Таким образом, можно увеличить время открывания или время закрывания клапанов, в т.ч. выпускных, исключив обратный поток выхлопных газов через выпускное отверстие другого цилиндра в камеру сгорания в результате процесса замены смеси в цилиндре, в частности сброса под давлением. В этом случае обеспечиваются преимущества в отношении эффективности и уменьшения выбросов загрязняющих веществ.
В случае с двигателем внутреннего сгорания с наддувом рассматриваемого типа, в котором по меньшей мере одна головка цилиндров имеет по меньшей мере три расположенных в ряд цилиндра, преимущественными являются варианты, в которых первая группа цилиндров состоит из двух внешних цилиндров, а вторая группа цилиндров состоит из по меньшей мере одного внутреннего цилиндра.
Если по меньшей мере одна головка цилиндров имеет четыре расположенных в ряд цилиндра, преимущественными являются варианты, в которых первая группа цилиндров состоит из двух внешних цилиндров, а вторая группа цилиндров состоит из двух внутренних цилиндров. Такая компоновка предусматривает, к примеру, зажигание цилиндров четырехцилиндрового однорядного двигателя в последовательности 1-3-4-2, с нумерацией цилиндров по порядку, начиная с внешнего цилиндра в ряду. Предлагаемая группировка цилиндров обеспечивает зажигание двух цилиндров первой группы и второй группы с интервалом в 360° (полный угол). Таким образом, интервал между двумя цилиндрами в каждой группе является максимально возможным с учетом их рабочих циклов.
В случае с двигателем внутреннего сгорания с наддувом, в котором по меньшей мере одна головка цилиндра имеет по меньшей мере четыре цилиндра в рядном расположении, преимущественными являются варианты, в которых каждая группа цилиндров состоит из двух смежных цилиндров. Такое группирование цилиндров способствует созданию выпускных коллекторов небольшого объема за счет сокращения длины линии.
Преимущественными являются варианты двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых каждый цилиндр имеет по меньшей мере два выпускных отверстия для вывода выхлопных газов, к каждому из которых примыкает выхлопной трубопровод.
В процессе замены смеси требуется быстрое обеспечение наибольших сечений потока, чтобы поддерживать на минимальном уровне потери на дросселирование выводимого потока газа, а также для того, чтобы гарантировать лучший отвод выхлопных газов из камеры. Предпочтительным является обеспечение двух или более выпускных отверстий на каждом цилиндре.
Преимущественными являются варианты двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых два встроенных выпускных коллектора соединены друг с другом.
Соединение двух коллекторов позволяет выполнить турбину одного из турбокомпрессоров как активируемую турбину с использованием простых средств, например, путем использования запорного элемента выше по потоку данной турбины в соответствующем общем выхлопном трубопроводе. Такой запорный элемент открывается при активированном, то есть включенном состоянии турбины, и закрывается при деактивированном, то есть выключенном состоянии. Такой подход нельзя использовать в случае, если коллекторы отделены друг от друга, так как в результате неправильного выброса выхлопных газов это может привести к значительному ухудшению замены смеси.
Соответственно, в случае с двигателями внутреннего сгорания, выпускные коллекторы которых соединены друг с другом, преимущественными являются варианты, в которых турбина одного из турбокомпрессоров является активируемой, предпочтительно за счет использования запорного элемента, расположенного выше по потоку активируемой турбины в соответствующем общем выхлопном трубопроводе.
Преимущественными являются такие варианты двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых активируемая турбина имеет изменяемую геометрию. Деактивация, то есть выключение турбины, происходит в этом случае путем изменения геометрии турбины в направлении закрытого положения. Дополнительный запорный элемент выше по потоку турбины не требуется.
Используемые турбины могут в принципе быть оснащены изменяемой геометрией, которая может быть приспособлена путем регулирования к соответствующему эксплуатационному режиму работы двигателя внутреннего сгорания.
Турбины могут быть также выполнены как турбины с перепускной заслонкой. Если плотность потока выхлопных газов превышает критическое значение, то выхлопные газы проходят через перепускной канал в обход турбины. Для этого в перепускном канале должен быть предусмотрен запорный элемент.
Перепускной канал ответвляется от первого или второго выпускного коллектора и вливается в первый, или второй общий выхлопной трубопровод соответственно, или в общий трубопровод. В данном контексте преимущественными являются варианты двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых перепускной канал интегрирован в по меньшей мере одну головку цилиндров, в результате чего реализация данного варианта упрощается или обеспечивается изначально за счет выступа по изобретению.
Ниже описывается один из вариантов выполнения турбины турбокомпрессора на выхлопных газах в виде активируемой турбины, при использовании которой не требуется соединения двух коллекторов друг с другом.
В частности, преимущественными являются варианты двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых каждый цилиндр имеет по меньшей мере два выпускных отверстия, по меньшей мере одно из которых выполнено как задействуемое или активируемое выпускное отверстие, причем выхлопные трубопроводы активируемых выпускных отверстий по меньшей мере двух цилиндров сливаются для формирования первого общего выхлопного трубопровода таким образом, что образуется первый выпускной коллектор, первый выхлопной трубопровод которого соединен с турбиной первого турбокомпрессора, а выхлопные трубопроводы других выпускных отверстий по меньшей мере двух цилиндров сливаются во второй общий выхлопной трубопровод для формирования второго общего выхлопного трубопровода таким образом, что образуется второй выпускной коллектор, второй выхлопной трубопровод которого соединен с турбиной первого турбокомпрессора.
В данном случае для конструирования турбины первого турбокомпрессора в качестве активируемой турбины выхлопные трубопроводы по меньшей мере двух цилиндров сливаются по группам таким образом, что от каждого из указанных цилиндров по меньшей мере один выхлопной трубопровод ведет к турбине первого турбокомпрессора и по меньшей мере один выхлопной трубопровод ведет к турбине второго турбокомпрессора, при этом выпускные отверстия выхлопных трубопроводов, ведущих к первой турбине, сконструированы как активируемые выпускные отверстия. Активируемые выпускные отверстия открываются только в случае относительно больших количеств выхлопных газов в ходе замены рабочей смеси, в результате чего активируется турбина, то есть турбина приводится в действие выхлопными газами.
Рабочие характеристики двигателя внутреннего сгорания в случае малых потоков выхлопных газов существенно улучшаются. Во-первых, активируемая турбина деактивируется в случае малых количеств выхлопных газов, и все выхлопные газы проходят через вторую турбину. Во-вторых, это позволяет уменьшить объем линии выше по потоку второй турбины, по которой непрерывно проходят выхлопные газы.
Недостатком такого двигателя является то, что активируемая турбина в неактивном состоянии полностью отрезана от потока выхлопных газов, то есть выхлопные газы вообще не подаются к деактивированной турбине. Причиной является использование раздельных выпускных коллекторов и неоткрывание активируемых выпускных отверстий. В результате отсутствия характерного потока выхлопных газов, в случае деактивации угловая скорость активируемой турбины существенно снижается. Слой жидкостной смазки истощается или исчезает полностью, что увеличивает износ и в основном должно рассматриваться как критический фактор по отношению к восприимчивости системы наддува к неисправностям.
По вышеуказанным причинам преимущественными являются варианты двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых первый и второй выпускной коллекторы постоянным образом соединены друг с другом выше по потоку указанных двух турбин посредством по меньшей мере одного соединительного канала, который не может быть перекрыт (незакрываемого канала), а наименьшее поперечное сечение AСross.СD по меньшей мере одного соединительного канала меньше наименьшего поперечного сечения ACross.Ex выхлопного трубопровода.
В рассматриваемом варианте коллекторы соединены друг с другом. Для этого предусмотрен по меньшей мере один незакрываемый соединительный канал, т.е. постоянно открытый канал, который выполняет функцию канала перелива. Этот соединительный канал пропускает некоторое количество выхлопных газов из второго выпускного коллектора в первый выпускной коллектор даже при относительно малых количествах выхлопных газов, в результате чего активируемая турбина приводится в действие выхлопными газами, поступающими через второй коллектор и соединительный канал даже в деактивированном, т.е. выключенном, состоянии. В этом случае к активируемой турбине через соединительный канал подается только то количество выхлопных газов, которое обеспечивает поддержание угловой скорости вала турбины не ниже минимальной. Поддержание определенной минимальной частоты вращения предотвращает или снижает истощение гидродинамического смазочного слоя подшипника скольжения первого турбокомпрессора. Более того, отклик активируемой турбины и наддува в целом улучшаются, так как активируемая турбина при активации запускается с более высоких начальных угловых скоростей. Требуемый крутящий момент можно обеспечить сравнительно быстро, то есть лишь с небольшой задержкой.
Таким образом, предпочтительными являются варианты осуществления изобретения, в которых по меньшей мере один незакрываемый соединительный канал образует место перепуска (дросселирующий узел), которое вызывает снижение давления в потоке выхлопных газов, проходящем через него. Следовательно, обеспечивается прохождение только малого количества выхлопных газов через соединительный канал, а именно - точного количества, требуемого для поддержания конкретной минимальной угловой скорости вала турбины.
По меньшей мере один соединительный канал должен быть выполнен с размерами, соответствующими этой функции, то есть он должен быть меньше, чем, например, выхлопной трубопровод, соединенный с выпускным отверстием, который служит для подачи достаточного количества выхлопных газов к турбине с наименьшими потерями.
Предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых выполняется следующее соотношение: ACross,CD≤0,3 ACross,Ex, предпочтительно ACross,CD≤0,2 ACross,Ex, более предпочтительно ACross,CD≤0,1 ACross.Ex или ACross,CD≤0,05 ACross,Ex.
Предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых по меньшей мере одна головка цилиндров оборудована встроенной рубашкой охлаждения. Двигатель внутреннего сгорания с турбонаддувом испытывает большую тепловую нагрузку, чем двигатели без наддува, в результате чего к системе охлаждения предъявлены большие требования.
Вследствие более высокой теплоемкости жидкостей по сравнению с воздухом, есть возможность отвести большее количество тепла посредством жидкостного охлаждения, чем воздушного.
Жидкостное охлаждение требует оборудования двигателя или головки цилиндров встроенной рубашкой охлаждения, то есть системой каналов хладагента, которые проводят охлаждающую жидкость через головку цилиндров. Тепло поглощается хладагентом, как правило, в воде с присадками, уже внутри головки цилиндров. Хладагент подается с помощью насоса, расположенного в охлаждающем контуре, таким образом, что она циркулирует в рубашке охлаждения. Тепло, которое поглощается хладагентом, таким образом отводится от внутренней части головки цилиндров, а затем отдается теплообменнику.
Предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в которых выступ снабжен приспособлением для жидкостного охлаждения.
Выступ подвергается высоким тепловым нагрузкам. Во-первых, весь объем выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания проходит через данную точку накопления выхлопной системы, при этом каждый отдельный выхлопной трубопровод работает на выхлопных газах только из одного цилиндра. В итоге количество выхлопных газов, передающих тепло головке цилиндра, является в данной точке системы трубопровода наибольшим. Во-вторых, выступ постоянно подвергается воздействию горячих выхлопных газов. Кроме того, на выступ, используемый в качестве точки накопления вследствие самого принципа его работы, в большей или меньшей степени отводятся потоки выхлопных газов из отдельных выхлопных трубопроводов. Поэтому в обозначенной области составляющая скорости отдельных потоков выхлопных газов (по меньшей мере частично) перпендикулярна стенкам выхлопных трубопроводов, в результате чего конвективная теплопередача, а впоследствии и тепловая нагрузка на выступ и головку цилиндров еще больше возрастает.
По упомянутым причинам желательно, чтобы выступ был оснащен приспособлением для жидкостного охлаждения.
В данном контексте предпочтительными являются такие варианты выполнения, в которых приспособление для жидкостного охлаждения выступа соединено с приспособлением для жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания. Во-первых, уже существующие компоненты приспособления для жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания, в частности радиатор и насос, можно использовать для передачи охлаждающей жидкости через выступ для последующего охлаждения. Во-вторых, общая охлаждающая жидкость после холодного пуска нагревается быстрее, так как выступ с более высокой тепловой нагрузкой передает жидкости дополнительное тепло.
Вторая дополнительная цель настоящего изобретения, а именно разработка способа эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в котором турбина одного из турбокомпрессоров выполнена активируемой, достигается за счет способа, в котором активируемую турбину активируют при превышении заранее определенного количества выхлопных газов.
То, что было установлено в отношении двигателей внутреннего сгорания по изобретению, подобным образом применимо и к способу по изобретению.
В двигателях внутреннего сгорания без наддува количество выхлопных газов приблизительно соответствует частоте и/или нагрузке двигателя, в частности в зависимости от управления нагрузкой, используемого в отдельной ситуации. В традиционных двигателях с искровым зажиганием и количественным топливным регулированием количество выхлопных газов увеличивается с увеличением нагрузки даже при постоянной частоте вращения двигателя. При этом в дизельных двигателях с качественным топливным регулированием количество выхлопных газов зависит только от частоты вращения, так как при изменении нагрузки при постоянной частоте вращения изменяется состав смеси, а не ее количество.
Если двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению основан на количественном регулировании, при котором уровень нагрузки контролируется посредством количества свежей смеси, количество выхлопных газов может превышать соответствующее (то есть заранее определенное) количество выхлопных газов даже при постоянной частоте вращения, если нагрузка двигателя превышает определенное значение, так как количество выхлопных газов коррелирует с нагрузкой двигателя, причем количество выхлопных газов возрастает с ростом нагрузки и спадает с уменьшением нагрузки.
Напротив, если двигатель внутреннего сгорания основан на качественном регулировании, при котором нагрузка контролируется посредством состава свежей смеси и количество выхлопных газов изменяется исключительно вместе с частотой вращения двигателя, то есть прямо пропорционально частоте вращения, количество выхлопных газов превышает заранее определенное значение независимо от нагрузки в случае, если частота вращения двигателя внутреннего сгорания также превышает предварительно определенное значение.
Двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению является двигателем с турбонаддувом, так что должно быть также рассмотрено давление нагнетаемого воздуха со стороны впуска, которое может изменяться с нагрузкой и/или частотой вращения, а также оказывает влияние на количество выхлопных газов. Взаимосвязи, описанные выше в отношении количества выхлопных газов и нагрузки или частоты вращения, соответственно применяются только условно в общей форме. Таким образом, способ согласно изобретению связан в основном с количеством выхлопных газов, а не с нагрузкой или частотой вращения двигателя.
Если количество выхлопных газов становится меньше предварительно определенного значения, активируемая турбина снова деактивируется.
Предпочтительными являются варианты способа, в которых активируемая турбина активируется только, когда количество выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания превышает предварительно определенное значение и является большим, чем указанное первое количество выхлопных газов на протяжении предварительно определенного периода времени Δt1.
Введение дополнительного условия для активации переключаемой турбины направлено на предотвращение чрезмерно частого переключения, в частности активации выпускных отверстий в случае, если количество выхлопных газов превышает заранее определенное значение только на короткий промежуток времени, а затем снова снижается, или колеблется возле этого значения без его превышения, обуславливающего активацию первой турбины.
По вышеизложенным причинам, предпочтительными являются варианты способа, в которых активируемая турбина деактивируется, когда количество выхлопных газов становится меньше предварительно определенного значения, которое ниже, чем указанное первое количество, и находится на этом уровне на протяжении предварительно определенного периода времени Δt2.
Если турбина, по которой непрерывно проходят выхлопные газы, представляет собой турбину с перепускной заслонкой, перепускной канал которой сообщается с соответствующим выпускным коллектором выше по потоку первой турбины, то предпочтительными являются варианты способа, в которых активируемая турбина раскручивается незадолго перед активацией за счет открывания запирающего элемента, расположенного в перепускном канале.
Краткое описание чертежей
Изобретение описывается подробнее ниже на основе двух примерных вариантов, показанных на Фиг. 1 и 2.
На Фиг. 1 схематически представлена горизонтальная проекция первого варианта выполнения двигателя внутреннего сгорания.
На Фиг. 2 схематически приведен вид в перспективе второго варианта выполнения двигателя внутреннего сгорания.
Осуществление изобретения
На Фиг. 1 схематически представлена горизонтальная проекция первого варианта выполнения двигателя 1 внутреннего сгорания. Этот двигатель представляет собой однорядный четырехцилиндровый двигатель, в котором четыре цилиндра 3 расположены вдоль продольной оси головки 2 цилиндров, то есть в ряд. Каждый цилиндр 3 имеет два выпускных отверстия 4 для выпуска выхлопных газов, причем к каждому выпускному отверстию 4 примыкает выхлопной трубопровод 5.
Выхлопные трубопроводы 5 цилиндров 3 сливаются с образованием составного выхлопного трубопровода 12, сопряженного с цилиндром 3 до слияния указанных составных трубопроводов 12 в два общих выхлопных трубопровода 7а, 7b внутри головки 2 цилиндра. Таким образом, образуются два встроенных выпускных коллектора 6а, 6b, причем общие выхлопные трубопроводы, выходящие из головки цилиндра 2 в противоположную от цилиндров 3 сторону выпускных коллекторов (6а, 6b) таким образом, что они разнесены друг с другом относительно продольной оси головки 2 цилиндров.
В варианте, показанном на Фиг. 1, два смежных цилиндра 3 в каждом случае образуют группу цилиндров, а их выхлопные трубопроводы 5 сливаются. Первый общий выхлопной трубопровод 7а первой группы цилиндров соединяется с впускной областью 8а' турбины 8а первого турбокомпрессора, а второй общий выхлопной трубопровод 7b второй группы цилиндров соединяется с впускной областью 9а' турбины 9а второго турбокомпрессора.
Головка 2 цилиндров имеет нависающий выступ 10, расположенный между общими выхлопными трубопроводами 7а, 7b, выходящими из головки 2 цилиндров, и который имеет с каждой из двух сторон, направленных в каждом случае на турбину 8а, 9а, отверстие, соединенное с выпускной областью 8а”, 9а” соответствующей турбины 8а, 9а. Каналы, примыкающие к указанным двум отверстиям, сливаются с образованием общего трубопровода внутри выступа 10, причем общий трубопровод выходит (не показано) из выступа 10.
На Фиг. 2 схематически представлен вид в перспективе второго варианта двигателя 1 внутреннего сгорания. Задача заключалась в том, чтобы просто объяснить дополнительные элементы Фиг. 1, и по этой причине используются ссылка на Фиг. 1 и соответствующее описание. Для аналогичных компонентов были использованы одинаковые позиционные обозначения.
Двигатель 1 внутреннего сгорания оснащен двумя турбокомпрессорами 8, 9, предназначенными для обеспечения наддува. Каждый турбокомпрессор 8, 9 содержит турбину 8а, 9а и компрессора 8b, 9b. Поток горячих выхлопных газов подается в турбины 8а, 9а и расширяется с выделением энергии, а компрессоры 8b, 9b сжимают поступающий надувочный воздух, который затем по всасывающим трубопроводам подается к цилиндрам, в результате чего осуществляется наддув двигателя 1 внутреннего сгорания.
Выхлопные газы из турбин 8а, 9а накапливаются в выступе 10 и передаются далее по общему трубопроводу 11, выходящему из выступа 10. В данном случае общий трубопровод 11 выходит с той стороны выступа 10, которая направлена к стороне сборочного конца, на которой головку 2 цилиндра можно соединить с блоком цилиндров.
Условные обозначения
Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом. Двигатель (1) внутреннего сгорания с турбонаддувом имеет по меньшей мере два турбокомпрессора (8, 9) и по меньшей мере одну головку (2) цилиндров с двумя цилиндрами (3) с рядным расположением цилиндров вдоль продольной оси головки (2) цилиндров. Каждый из цилиндров (3) имеет по меньшей мере одно выпускное отверстие (4) для вывода выхлопных газов. Каждое выпускное отверстие (4) соединено с выхлопным трубопроводом (5). Выхлопные трубопроводы (5) по меньшей мере двух цилиндров (3) сливаются с образованием двух общих выхлопных трубопроводов (7а, 7b) внутри по меньшей мере одной головки (2) цилиндров таким образом, что формируют два интегрированных выпускных коллектора (6а, 6b). Общие выхлопные трубопроводы выпускных коллектора (6а, 6b) разнесены друг с другом вдоль продольной оси головки (2) цилиндров и выходят из головки (2) цилиндров со стороны выхлопных коллекторов (6а, 6b), противоположной цилиндрам (3). Первый общий выхлопной трубопровод (7а) соединен с впускной областью (8а') турбины (8а) первого турбокомпрессора (8). Второй общий выхлопной трубопровод (7b) соединен с впускной областью (9а') турбины (9а) второго турбокомпрессора (9). Головка (2) цилиндров имеет нависающий выступ (10), расположенный между общими выхлопными трубопроводами (7а, 7b), выходящими из головки (2) цилиндров. Выступ (10) имеет с каждой из двух сторон, направленных в каждом случае на одну турбину (8а, 9а), отверстие, соединенное с выпускной областью (8а”, 9а”) соответствующей турбины (8а, 9а). Каналы, примыкающие к двум отверстиям, сливаются с образованием общего трубопровода, выходящего из выступа (10). Раскрыт способ эксплуатации двигателя. Технический результат заключается в сведении к минимуму объема системы трубопроводов между выпускными отверстиями на цилиндрах и турбинами. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил. 
1. Двигатель (1) внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющий по меньшей мере два турбокомпрессора (8, 9) и по меньшей мере одну головку (2) цилиндров с двумя цилиндрами (3) с рядным расположением вдоль продольной оси головки (2) цилиндров, каждый из цилиндров имеет по меньшей мере одно выпускное отверстие (4) для вывода выхлопных газов, и каждое выпускное отверстие соединено с выхлопным трубопроводом (5), причем выхлопные трубопроводы (5) по меньшей мере двух цилиндров (3) сливаются с образованием двух общих выхлопных трубопроводов (7а, 7b) внутри по меньшей мере одной головки (2) цилиндров таким образом, что формируют два интегрированных выпускных коллектора (6а, 6b), общие выхлопные трубопроводы которых являются разнесенными друг с другом вдоль продольной оси головки (2) цилиндров и выходят из головки (2) цилиндров со стороны выхлопных коллекторов (6а, 6b), противоположной цилиндрам (3); причем первый общий выхлопной трубопровод (7а) соединен с впускной областью (8а') турбины (8а) первого турбокомпрессора (8), а второй общий выхлопной трубопровод (7b) соединен с впускной областью (9а') турбины (9а) второго турбокомпрессора (9),
в котором,
по меньшей мере одна головка (2) цилиндров имеет нависающий выступ (10), расположенный между общими выхлопными трубопроводами (7а, 7b), выходящими из по меньшей мере одной головки (2) цилиндров, и имеющий с каждой из двух сторон, направленных в каждом случае на одну турбину (8а, 9а), отверстие, соединенное с выпускной областью (8а”, 9а”) соответствующей турбины (8а, 9а), где каналы, примыкающие к двум отверстиям, сливаются с образованием общего трубопровода (11), выходящего из выступа (10).
2. Двигатель по п. 1, в котором два общих выхлопных трубопровода (7а, 7b) по меньшей мере одной головки (2) цилиндров разнесены на расстояние L вдоль продольной оси головки (2) цилиндров при L≥D, где D - диаметр цилиндра (3).
3. Двигатель по п. 1, в котором два общих выхлопных трубопровода (7а, 7b) по меньшей мере одной головки (2) цилиндров разнесены на расстояние L вдоль продольной оси головки (2) цилиндров при L≥1,5D, где D - диаметр цилиндра (3).
4. Двигатель по п. 1, в котором по меньшей мере одна головка (2) цилиндров выполнена с возможностью соединения с блоком цилиндров со стороны сборочного конца, причем общий трубопровод (11), выходящий из выступа (10), выходит со стороны, направленной к стороне сборочного конца.
5. Двигатель по п. 1, в котором по меньшей мере два цилиндра (3) расположены так, что образуют две группы в каждом случае с по меньшей мере одним цилиндром (3); и выхлопные трубопроводы (5) цилиндров (3) каждой группы сливаются с образованием в каждом случае общего выхлопного трубопровода (7а, 7b) внутри головки (2) цилиндров таким образом, что формируется интегрированный выпускной коллектор (6а, 6b).
6. Двигатель по п. 5, в котором по меньшей мере одна головка (2) цилиндров имеет по меньшей мере три цилиндра (3) в рядном расположении, при этом первая группа цилиндров содержит внешние цилиндры (3), а вторая группа цилиндров содержит по меньшей мере один внутренний цилиндр (3).
7. Двигатель по п. 5, в котором по меньшей мере одна головка (2) цилиндров имеет по меньшей мере четыре цилиндра (3) в рядном расположении, при этом каждая группа цилиндров содержит два смежных цилиндра (3).
8. Двигатель по п. 1, в котором каждый цилиндр (3) имеет по меньшей мере два выпускных отверстия (4) для вывода выхлопных газов, каждое из которых соединено с выхлопным трубопроводом (5).
9. Двигатель по п. 1, в котором два интегрированных выпускных коллектора (6а, 6b) соединены друг с другом.
10. Двигатель по п. 9, в котором турбина (8а, 9а) одного из турбокомпрессоров (8, 9) выполнена как активируемая турбина.
11. Двигатель по п. 10, в котором выше по потоку активируемой турбины в соответствующей общей выхлопной линии (7а, 7b) расположен запорный элемент.
12. Двигатель по п. 1, в котором каждый цилиндр (3) имеет по меньшей мере два выпускных отверстия (4), по меньшей мере одно из которых выполнено как задействуемое выпускное отверстие (4), причем выхлопные трубопроводы (5) задействуемых выпускных отверстий (4) по меньшей мере двух цилиндров (3) сливаются с образованием первого общего выхлопного трубопровода (7а) таким образом, что формируют первый выпускной коллектор (6а), первый выхлопной трубопровод которого соединен с турбиной (8а) первого турбокомпрессора (8); а выхлопные трубопроводы (5) других выпускных отверстий (4) по меньшей мере двух цилиндров (3) сливаются с образованием второго общего выхлопного трубопровода (7b) таким образом, что формируют второй выпускной коллектор (6b), второй выхлопной трубопровод которого соединен с турбиной (9а) второго турбокомпрессора (9).
13. Двигатель по п. 12, в котором первый выпускной коллектор (6а) и второй выпускной коллектор (6b) постоянным образом соединены друг с другом выше по потоку двух турбин (8а, 9а) посредством по меньшей мере одного незакрываемого соединительного канала, а наименьшее поперечное сечение ACross.CD по меньшей мере одного соединительного канала меньше наименьшего поперечного сечения ACross.Ex выхлопного трубопровода (5).
14. Двигатель по п. 1, в котором выступ (10) снабжен приспособлением для жидкостного охлаждения.
15. Способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с наддувом (1) по любому из пп. 1-14, в котором турбина (8а, 9а) одного из турбокомпрессоров (8, 9) выполнена как активируемая турбина, отличающийся тем, что активируемую турбину (8а, 9а) активируют, когда количество выхлопных газов превышает заранее определенное значение и на период, пока заранее определенное значение количества выхлопных газов превышено.
| US 4993227 A, 19.02.1991;JP 5 156960 A, 22.06.1993;US 2010/0326406 A1, 30.12.2010;DE 10 2007 057310 A1, 04.06.2009;RU 2383756 C1, 10.03.2010. |
