ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ОБОРУДОВАННЫЙ ТУРБИНАМИ С ПЕРЕПУСКНОЙ ЗАСЛОНКОЙ, И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2016 года по МПК F02B37/07 F02B37/18 F02F1/24 F01N13/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания 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. В соответствии с известными решениями в цилиндрах часто выполняют два или более впускных и выпускных отверстия. По меньшей мере два цилиндра двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению также имеют по крайней мере два выпускных отверстия.

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 (являются ее составными элементами). Выхлопные трубопроводы цилиндров обычно выполняют сливающимися в один общий выхлопной трубопровод или, как в двигателях внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению, в группы 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.

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.

Для достижения указанных целей выхлопные трубопроводы по меньшей мере двух цилиндров сливаются по группам таким образом, что от каждого из цилиндров по меньшей мере один выхлопной трубопровод ведет к турбине первого турбокомпрессора, а другой выхлопной трубопровод ведет к турбине второго турбокомпрессора.

Согласно настоящему изобретению, турбина первого турбокомпрессора (первая турбина) является активируемой турбиной, и выпускные отверстия выхлопных трубопроводов, ведущих к этой турбине, соответственно являются задействуемыми или активируемыми выпускными отверстиями. Активируемые выпускные отверстия открываются только в случае относительно больших количеств выхлопных газов, тем самым активируя первую турбину, то есть приводя ее в действие выхлопными газами в процессе замены рабочей смеси.

По сравнению с вариантами осуществления настоящего изобретения, в которых выше по потоку турбин имеется единая согласованная система трубопроводов, вышеуказанное расположение группами, то есть использование двух отделенных друг от друга выпускных коллекторов, улучшает рабочие характеристики двигателя, в особенности при малых потоках выхлопных газов, так как уменьшают объем линии выше по потоку второй турбины, через которую постоянно проходят выхлопные газы. Это является очень эффективным, поскольку улучшает отклик при низких нагрузках и угловых скоростях, то есть в случае малых количеств выхлопных газов.

В двигателе внутреннего сгорания по изобретению обе турбины выполнены как турбины с перепускной заслонкой. С этой целью первая турбина оборудована первым перепускным каналом, который ответвляется от первого выпускного коллектора выше по потоку первой турбины, а вторая турбина оборудована вторым перепускным каналом, который ответвляется от второго выпускного коллектора выше по потоку второй турбины.

В соответствии с уровнем техники для сброса выхлопного газа через перепускной канал необходимо обеспечить наличие в перепускном канале обеих турбин запорного элемента. Запорные элементы подвергаются воздействиям высоких температур горячих выхлопных газов, таким образом, эти запорные элементы должны производиться из подходящих материалов. Это обстоятельство делает запорные элементы крайне дорогостоящими.

Кроме того, необходимо принять во внимание то, что управление запорным элементом является достаточно сложным процессом и при использовании датчика давления для давления наддува или контроля давления выхлопных газов для размещения этих устройств и механизмов требуется определенное пространство. Это, в частности, ограничивает возможности создания компактной конструкции и ее монтажа.

В свете вышесказанного целью настоящего изобретения является разработка двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, посредством которого могут быть преодолены проблемы и недостатки решений, известных из уровня техники, а также который имеет или в котором требуется меньшее количество подвергающихся высокому термическому воздействию запорных элементов.

Следующим дополнительным объектом настоящего изобретения является разработка способа эксплуатации двигателя внутреннего сгорания данного типа.

Раскрытие изобретения

Первая цель достигается с помощью создания двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющего по меньшей мере два турбокомпрессора на выхлопных газах и по меньшей мере одну головку цилиндров с по меньшей мере двумя цилиндрами, где каждый цилиндр имеет по меньшей мере два выпускных отверстия для вывода выхлопных газов, по меньшей мере одно из которых выполнено в виде активируемого выпускного отверстия, и каждое такое выпускное отверстие соединено с выхлопным трубопроводом, в котором:

выхлопные трубопроводы активируемых выпускных отверстий по меньшей мере двух цилиндров сливаются в первый выпускной коллектор с образованием первого общего выхлопного трубопровода, который соединен с турбиной первого турбокомпрессора на выхлопных газах; выхлопные трубопроводы других выпускных отверстий по меньшей мере двух цилиндров сливаются во второй выпускной коллектор с образованием второго общего выхлопного трубопровода, который соединен с турбиной второго турбокомпрессора на выхлопных газах;

первая турбина оснащена первым перепускным каналом, который ответвляется от первого выпускного коллектора выше по потоку первой турбины, а

вторая турбина оснащена вторым перепускным каналом, который ответвляется от второго выпускного коллектора выше по потоку второй турбины,

и в котором:

первый перепускной канал и второй перепускной канал сливаются с образованием точки соединения для формирования общего перепускного канала и

в точке соединения установлен запорный элемент, который может быть отрегулирован между открытым и закрытым положениями, причем запорный элемент в закрытом положении отделяет два перепускных канала от общего перепускного канала, а в открытом положении соединяет два перепускных канала с общим перепускным каналом.

В отличие от известного уровня техники, в двигателе внутреннего сгорания по изобретению для управления сбросом выхлопного газа обеих турбин требуется только один единственный запорный элемент. Для этой цели два перепускных канала турбин сливаются с образованием точки соединения для формирования общего перепускного канала, в котором в точке соединения устанавливается запорный элемент для сброса выхлопных газов. Такой способ позволяет открывать и закрывать оба перепускных канала с использованием только одного запорного элемента.

Таким образом, достигается первая цель настоящего изобретения, а именно создание двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, который имеет меньшее количество запорных элементов, подвергающихся высокой термической нагрузке.

Двигатель внутреннего сгорания по изобретению может также иметь две головки цилиндров, например, если цилиндры распределены двумя рядами.

Предпочтительными являются такие варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых при закрытом положении запорного элемента остается по меньшей мере один канал перелива, который соединяет два перепускных канала друг с другом. Канал перелива способствует улучшению работы активируемой турбины во многих отношениях.

Канал перелива пропускает некоторое количество выхлопных газов из второго выпускного коллектора в первый выпускной коллектор даже при относительно малых количествах выхлопных газов, когда активируемая турбина является деактивированной, в результате чего активируемая турбина приводится в действие выхлопными газами, поступающими через второй коллектор и канал перелива даже в деактивированном, т.е. выключенном, состоянии.

В этом случае к активируемой турбине через канал перелива подается только то количество выхлопных газов, которое обеспечивает поддержание угловой скорости вала турбины не ниже минимальной n_T. Поддержание определенной минимальной угловой скорости предотвращает или снижает истощение гидродинамического смазочного слоя в подшипнике скольжения вала первого турбокомпрессора. Следовательно, средство подачи малого количества выхлопного газа в активируемую турбину даже в деактивированном состоянии оказывает положительный эффект в отношении износа и срока службы 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.

По крайней мере один канал перелива должен обеспечивать необходимое количество выхлопных газов для поддержания минимальной угловой скорости n_T вала, а также он должен иметь соответствующие геометрические размеры. При этом участие в нагнетаемом давлении не является функцией активируемой турбины в деактивированном состоянии. Обеспечение требуемого количества выхлопных газов для этих целей является задачей не канала перелива, но скорее первого выпускного коллектора, когда выпускные отверстия открыты или активированы.

Канал перелива, в соответствии с его принципами работы, имеет значение, когда активируемая турбина деактивирована, то есть в случае малых количеств выхлопного газа, когда, в основном, запорный элемент, установленный в точке соединения, деактивирован, то есть закрыт.

В этом отношении наиболее эффективны варианты, в которых запорный элемент совместно образует по меньшей мере один канал перелива в результате перехода в закрытое положение.

Доказано, что при отсутствии канала перелива существенным недостатком является то, что вышеописанный двигатель внутреннего сгорания оборудован двумя отдельными, независимыми друг от друга выпускными коллекторами и активируемыми выпускными отверстиями. Активируемая турбина оказывается полностью отрезанной от потока выхлопных газов, то есть выхлопные газы вообще не подаются к деактивированной турбине. Таков результат применения отделенного выпускного коллектора и того факта, что активируемые выпускные отверстия не открываются в данном режиме работы.

В результате отсутствия характерного потока выхлопных газов в случае деактивации угловая скорость активируемой турбины существенно снижается. Гидродинамический смазочный слой подшипника скольжения истощается или исчезает полностью. Отклик активируемой турбины ухудшается в случае активации.

По вышеназванным причинам предпочтительными являются варианты двигателя, в которых первый выпускной коллектор и второй выпускной коллектор постоянным образом соединены друг с другом выше по потоку двух турбин посредством по меньшей мере одного соединительного канала, который не может быть закрыт.

Данный вариант предпочтителен, в частности, при отсутствии канала перелива, а также в комбинации с каналом перелива описанного выше типа.

Канал перелива и соединительный канал выполняют одинаковые функции, а именно подачу выхлопного газа на активируемую турбину в деактивированном состоянии, чтобы поддерживать минимальную скорость вращения вала турбины. Канал перелива и соединительный канал будут ниже для краткости называться одним термином «канал».

Что касается функций двух описанных типов каналов, предпочтительны варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере один канал перелива и/или по меньшей мере один соединительный канал формируют точку дросселирования, которая приводит к уменьшению давления потока выхлопных газов, проходящего через канал.

Тем самым гарантируется, что только небольшое количество выхлопных газов проходит через канал или каналы, а именно только то количество выхлопных газов, которое необходимо для получения определенной минимальной скорости вращения вала турбины.

По меньшей мере один 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.

Также предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых наименьшее поперечное сечение A_Cross,D по меньшей мере одного канала меньше, чем наименьшее поперечное сечение A_Cross,Ex выхлопного трубопровода.

Проходное сечение трубопровода или канала является параметром, который сильно влияет на пропускную способность, то есть количество выхлопных газов, проходящих через соединительный канал в единицу времени. Для сравнения, согласно настоящему изобретению проходное сечение определяют как перпендикулярное центральной элементарной струе потока.

Также предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых выполняется следующее соотношение: A_Cross,D≤0.3A_Cross,Ex.

В особенности предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых выполняются следующие соотношения: A_Cross,D≤0.2A_Cross,Ex, и предпочтительно A_Cross,D≤0.1A_Cross,Ex или A_Cross,D≤0.05A_Cross,Ex.

В двигателях внутреннего сгорания, в которых имеется соединительный канал, предпочтительны варианты, в которых по меньшей мере один соединительный канал ответвляется от выхлопного трубопровода второго выпускного коллектора и соединяет этот выхлопного трубопровод второго выпускного коллектора, например, с выхлопным трубопроводом первого выпускного коллектора или же с объединенным выхлопным трубопроводом первого выпускного коллектора.

Поскольку через соединительный канал в первый коллектор должно поступить только небольшое количество выхлопного газа, подача выхлопного газа в соединительный канал через выхлопной трубопровод единственного выпускного отверстия является достаточной.

Если соединительный канал приводится в действие в основном только выхлопными газами одиночного выпускного отверстия, в потоке выхлопных газов, проходящих через соединительный канал, могут возникнуть пульсации. Это приводит к неблагоприятному воздействию на активируемую турбину, приводимую в действие пульсирующим потоком выхлопных газов в деактивированном состоянии.

В этом отношении могут быть преимущественными варианты реализации двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере один соединительный канал соединяет два общих выхлопных трубопровода коллекторов друг с другом. Если два общих выхлопных трубопровода расположены прилегающими друг к другу, такой вариант, кроме того, сокращает длину соединительного канала.

Предпочтительны варианты двигателя, в которых первый перепускной канал ответвляется от общего выхлопного трубопровода первого выпускного коллектора.

Поскольку все выхлопные газы из выпускных отверстий, принадлежащих первому выпускному коллектору, проходят через первый общий выхлопной трубопровод, то также теоретически возможно в данном варианте выполнять сброс всего выхлопного газа через перепускной канал.

То, что было указано выше, также относится и ко второму перепускному каналу. Также предпочтительны варианты двигателя, в которых второй перепускной канал ответвляется от общего выхлопного трубопровода второго выпускного коллектора.

Предпочтительны варианты двигателя, в которых выхлопные трубопроводы по меньшей мере двух цилиндров сливаются с образованием двух общих выхлопных трубопроводов внутри головки цилиндров.

Как уже было сказано, в процессе проектирования системы турбонаддува предполагается размещать турбины как можно ближе к выпускным отверстиям двигателя, чтобы свести к минимуму длину и объем системы трубопроводов выше по потоку турбин. При этом выгодным средством является значительная интеграция выпускных коллекторов в головку цилиндров или слияние выхлопных трубопроводов с образованием общих выхлопных трубопроводов внутри головки цилиндров.

Такая головка цилиндров характеризуется компактной конструкцией, в которой уменьшена 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.

Согласно настоящему изобретению, нет необходимости объединять выхлопные трубопроводы всех цилиндров головки в два общих выхлопных трубопровода. Скорее есть необходимость группирования описанным способом только выхлопных линий по меньшей мере двух цилиндров.

Так или иначе особенно эффективными являются варианты осуществления изобретения, в которых выхлопные трубопроводы всех цилиндров по меньшей мере одной головки цилиндров сливаются в два общих выхлопных трубопровода.

При наличии соединительного канала предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых по меньшей мере один соединительный канал интегрирован в головку цилиндров (является ее составным элементом). Более того, облегчается достижение компактного дизайна двигателя внутреннего сгорания. В отношении к вариантам с внешним каналом является возможным избежать использования крепежных средств и дополнительных уплотнительных элементов.

Также предпочтительны варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых первый перепускной канал и/или второй перепускной канал по меньшей мере частично интегрированы в головку цилиндров (являются ее составными элементами). Такое воплощение также уменьшает количество компонентов и, следовательно, стоимость, а также снижает риск утечек выхлопных газов, т.к. ответвление перепускного канала находится в головке цилиндров.

Предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых предусмотрен привод по меньшей мере частично регулируемого клапана, предпочтительно привод полностью регулируемого клапана для активации выпускных отверстий.

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.

Теоретически есть возможность выполнения системы охлаждения в форме как устройств воздушного охлаждения, так и устройств жидкостного охлаждения. 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.

Вторая дополнительная цель настоящего изобретения, а именно разработка способа эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, достигается за счет способа, в котором активируемые выпускные отверстия, которые деактивированы (не задействованы) в случае малого количества выхлопных газов, активируют (задействуют) 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. Активация выпускных отверстий означает активацию первой турбины. Предварительная раскрутка активируемой турбины через перепускной канал второй турбины, выполненной как турбина с перепускной заслонкой, остается неизменной.

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, активируемые выпускные отверстия, а следом и активируемая турбина снова деактивируются.

Предпочтительными являются варианты способа, в которых активируемые выпускные отверстия активируются, когда количество выхлопных газов превышает предварительно определенное значение на протяжении предварительно определенного периода времени Δt₁.

Введение дополнительного условия для активации первой 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 активируемые выпускные отверстия деактивируются, когда количество выхлопных газов становится меньше предварительно определенного значения и находится на этом уровне на протяжении предварительно определенного периода времени Δt₂.

В соответствии с изобретением обе турбины выполняются в виде турбин с перепускной заслонкой, а установка из двух связанных перепускных каналов в соответствии с изобретением позволяет выбрать способ, в котором первая активируемая турбина раскручивается незадолго перед активацией в силу того, что запорный элемент, расположенный в точке соединения, открывается, и потоки выхлопных газов переносятся из второго коллектора в первый коллектор через второй и первый перепускные каналы.

Общий перепускной канал может открываться в один из двух общих выхлопных трубопроводов или в оба общих выхлопных трубопровода ниже по потоку турбин.

Предпочтительны варианты способа, в которых запорный элемент открывается, когда количество выхлопных газов превышает второе предварительно определенное значение.

В свою очередь предпочтительны варианты способа, в которых запорный элемент открывается, когда количество выхлопных газов превышает второе предварительно определенное значение и сохраняется на этом уровне на протяжении предварительно определенного периода времени Δt₃.

Также предпочтительны варианты способа, в которых запорный элемент открывается, когда количество выхлопных газов становится меньше предварительно определенного значения и сохраняется на этом уровне на протяжении предварительно определенного периода времени Δt₄.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение будет описано более подробно на основе примерного варианта осуществления согласно Фиг. 1.

На Фиг. 1 схематически изображен первый вариант осуществления двигателя внутреннего сгорания.

Осуществление изобретения

На Фиг. 1 схематически представлен первый вариант осуществления двигателя 1 внутреннего сгорания, который оснащен двумя турбокомпрессорами 8, 9 на выхлопных газах. Каждый турбокомпрессор 8, 9 содержит турбину 8а, 9а и компрессор 8b, 9b, расположенные на одном валу. Горячие выхлопные газы расширяются в турбинах 8а, 9а с выделением энергии, и компрессоры 8b, 9b сжимают нагнетаемый воздух, который далее подается к цилиндрам 3 через впускные линии 13а, 13b и напорную воздушную камеру 14, в результате чего осуществляется турбонаддув двигателя 1.

Двигатель 1 является четырехцилиндровым рядным двигателем, в котором цилиндры 3 расположены вдоль продольной оси головки 2 цилиндров, то есть в ряд. Каждый цилиндр 3 имеет два выпускных отверстия 4а и 4b, которые соединены с выхлопным трубопроводом 5а, 5b для выпуска выхлопных газов из камеры цилиндра 3.

В каждом случае одно выпускное отверстие 4а каждого цилиндра 3 выполнено как переключаемое выпускное отверстие 4а, которое открывается только в процессе замены рабочей смеси, если количество выхлопных газов превышает заранее определенное значение. В этом случае расположенная ниже по потоку первая турбина 8а активируется, то есть приводится в действие выхлопными газами. Выхлопные трубопроводы 5а активируемых выпускных отверстий 4а всех цилиндров 3 сливаются в первый выпускной коллектор 6а для формирования первого общего выхлопного трубопровода 7а, который соединен с турбиной 8а первого турбокомпрессора 8 (показано пунктирной линией).

Выхлопные трубопроводы 5b других выпускных отверстий 4b всех цилиндров 3 сливаются во второй выпускной коллектор 6b для формирования второго общего трубопровода 6b, который соединен с турбиной 9а второго турбокомпрессора 9 (показано сплошной линией).

В данном случае выхлопные трубопроводы 5а, 5b сливаются с образованием общего выхлопного трубопровода 7а, 7b внутри головки 2 цилиндров.

Как можно видеть из Фиг. 1, обе турбины 8а, 9а выполнены в виде турбины 8а, 9а с перепускной заслонкой, в которых выхлопные газы могут стравливаться через перепускные каналы 10а, 10b, 10с.

В данном случае первая турбина 8а оборудована первым перепускным каналом 10а, который ответвляется от общего выхлопного трубопровода 7а первого выпускного коллектора 6а выше по потоку первой турбины 8а, а вторая турбина 9а имеет второй перепускной канал 10b, который ответвляется от общего выхлопного трубопровода 7b второго выпускного коллектора 6b выше по потоку второй турбины 9а.

Первый и второй перепускные каналы 10а, 10b встроены в головку цилиндров 2, в результате чего опасность утечки выхлопного газа уменьшается, и сливаются с формированием соединительной точки 11 для формирования общего перепускного канала 10с.

В соединительной точке 11 установлен запорный элемент 12, который может быть отрегулирован между открытым и закрытым положениями. Запорный элемент 12 в закрытом положении отделяет эти два перепускных канала 10а, 10b от общего перепускного канала 10с, а в открытом положении соединяет эти перепускные каналы 10а, 10b с общим перепускным каналом 10с.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

1 Двигатель внутреннего сгорания с наддувом

2 Головка цилиндров

3 Цилиндр

4а Активируемое выпускное отверстие

4b Выпускное отверстие

5а Выхлопной трубопровод

5b Выхлопной трубопровод

6а Первый выпускной коллектор

6b Второй выпускной коллектор

7а Первый общий выхлопной трубопровод

7b Второй общий выхлопной трубопровод

8 Первый турбокомпрессор на выхлопных газах

8а Первая турбина, активируемая турбина

8b Первый компрессор

9 Второй турбокомпрессор на выхлопных газах

9а Вторая турбина

9b Второй компрессор

10а Первый перепускной канал

10b Второй перепускной канал

10с Общий перепускной канал

11 Точка соединения

12 Запорный элемент

13а Первый впускной канал

13b Второй впускной канал

14 Напорная воздушная камера

A_Cross,D Наименьшее поперечное сечение канала;

A_Cross,Ex Наименьшее поперечное сечение выхлопного трубопровода;

n_T Угловая скорость вала первого турбокомпрессора.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом. Двигатель (1) внутреннего сгорания с турбонаддувом имеет по меньшей мере два турбокомпрессора (8, 9) на выхлопных газах и по меньшей мере одну головку (2) цилиндров с по меньшей мере двумя цилиндрами (3). Каждый цилиндр (3) имеет по меньшей мере два выпускных отверстия (4а, 4b) для вывода выхлопных газов. По меньшей мере одно из выпускных отверстий выполнено как задействуемое отверстие (4а). Каждое выпускное отверстие (4а, 4b) соединено с выхлопным трубопроводом (5а, 5b). Выхлопные трубопроводы (5а) задействуемых выпускных отверстий (4а) по меньшей мере двух цилиндров (3) сливаются друг с другом с образованием первого выпускного коллектора (6а) для формирования первого общего выхлопного трубопровода (7а), который соединен с турбиной (8а) первого турбокомпрессора (8). Выхлопные трубопроводы (5b) других выпускных отверстий (4b) по меньшей мере двух цилиндров (3) сливаются друг с другом с образованием второго выпускного коллектора (6b) для формирования второго общего выхлопного трубопровода (7b), который соединен с турбиной (9а) второго турбокомпрессора (9). Первая турбина (8а) оснащена первым перепускным каналом (10а), который ответвляется от первого выпускного коллектора (6а) выше по потоку первой турбины (8а). Вторая турбина (9а) оснащена вторым перепускным каналом (10b), который ответвляется от второго выпускного коллектора (6b) выше по потоку второй турбины (9а). Первый перепускной канал (10а) и второй перепускной канал (10b) сливаются с образованием соединительной точки (11) для формирования общего перепускного канала (10с). В соединительной точке (11) установлен запорный элемент (12), который может быть отрегулирован между открытым и закрытым положениями. Запорный элемент (12) в закрытом положении отделяет два перепускных канала (10а, 10b) от общего перепускного канала (10с), а в открытом положении соединяет два перепускных канала (10а, 10b) с общим перепускным каналом (10с). Технический результат заключается в снижении объема трубопроводов между выпускными отверстиями и турбинами. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Двигатель (1) внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющий по меньшей мере два турбокомпрессора (8, 9) на выхлопных газах и по меньшей мере одну головку (2) цилиндров с по меньшей мере двумя цилиндрами (3), причем каждый цилиндр (3) имеет по меньшей мере два выпускных отверстия (4а, 4b) для вывода выхлопных газов, по меньшей мере одно из указанных выпускных отверстий выполнено как задействуемое отверстие (4а) и каждое выпускное отверстие (4а, 4b) соединено с выхлопным трубопроводом (5а, 5b), в котором:
- выхлопные трубопроводы (5а) задействуемых выпускных отверстий (4а) по меньшей мере двух цилиндров (3) сливаются друг с другом с образованием первого выпускного коллектора (6а) для формирования первого общего выхлопного трубопровода (7а), который соединен с турбиной (8а) первого турбокомпрессора (8) на выхлопных газах; и
- выхлопные трубопроводы (5b) других выпускных отверстий (4b) по меньшей мере двух цилиндров (3) сливаются друг с другом с образованием второго выпускного коллектора (6b) для формирования второго общего выхлопного трубопровода (7b), который соединен с турбиной (9а) второго турбокомпрессора (9) на выхлопных газах;
- первая турбина (8а) оснащена первым перепускным каналом (10а), который ответвляется от первого выпускного коллектора (6а) выше по потоку первой турбины (8а), а
- вторая турбина (9а) оснащена вторым перепускным каналом (10b), который ответвляется от второго выпускного коллектора (6b) выше по потоку второй турбины (9а);
в котором:
- первый перепускной канал (10а) и второй перепускной канал (10b) сливаются с образованием соединительной точки (11) для формирования общего перепускного канала (10с) и
- в соединительной точке (11) установлен запорный элемент (12), который может быть отрегулирован между открытым и закрытым положениями, причем запорный элемент (12) в закрытом положении отделяет два перепускных канала (10а, 10b) от общего перепускного канала (10с), а в открытом положении соединяет два перепускных канала (10а, 10b) с общим перепускным каналом (10с).

2. Двигатель по п. 1, в котором при закрытом положении запорного элемента (12) имеется по меньшей мере один канал перелива, который соединяет два перепускных канала (10а, 10b) друг с другом.

3. Двигатель по п. 2, в котором запорный элемент (12) формирует по меньшей мере один канал перелива в результате перехода в закрытое положение.

4. Двигатель по п. 1, в котором первый выпускной коллектор (6а) и второй выпускной коллектор (6b) постоянным образом соединены друг с другом выше по потоку обеих турбин (8а, 9а) через по меньшей мере один незакрываемый соединительный канал.

5. Двигатель по п. 2, в котором по меньшей мере один канал перелива и/или по меньшей мере один соединительный канал образует точку дросселирования, где обеспечивается уменьшение давления потока выхлопных газов, проходящих через канал.

6. Двигатель по п. 2, в котором наименьшее поперечное сечение A_Cross,D по меньшей мере одного канала меньше, чем наименьшее поперечное сечение A_Cross,Ex выхлопного трубопровода (5а, 5b).

7. Двигатель по п. 6, в котором выполняется следующее соотношение:
A_Cross,D≤0,2A_Cross,Ex.

8. Двигатель по п. 6, в котором выполняется следующее соотношение:
A_Cross,D≤0,1A_Cross,Ex.

9. Двигатель по п. 1, в котором первый перепускной канал (10а) ответвляется от общего выхлопного трубопровода (7а) первого выпускного коллектора (6а).

10. Двигатель по п. 1, в котором второй перепускной канал (10b) ответвляется от общего выхлопного трубопровода (7b) второго выпускного коллектора (6b).

11. Двигатель по п. 1, в котором выхлопные трубопроводы (5а, 5b) по меньшей мере двух цилиндров (3) сливаются с образованием двух общих выхлопных трубопроводов (7а, 7b) внутри головки цилиндров (2).

12. Двигатель по п. 4, в котором по меньшей мере один соединительный канал является составным элементом головки цилиндров (2).

13. Двигатель по п. 1, в котором первый перепускной канал (10а) и/или второй перепускной канал (10b) по меньшей мере частично являются составными элементами головки цилиндров (2).

14. Способ эксплуатации двигателя (1) по любому из пп. 1-13, в котором задействуемые выпускные отверстия (4а), которые не задействованы в случае малого количества выхлопных газов, задействуют, когда количество выхлопных газов превышает заранее определенное первое значение.

15. Способ по п. 14, в котором запорный элемент (12) открывают, когда количество выхлопных газов превышает второе заранее определенное значение.