ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ОХЛАЖДЕНИЕМ НАДДУВОЧНОГО ВОЗДУХА Российский патент 2017 года по МПК F02B29/04 F02B37/00 F02M26/02 F02F1/36 

Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания, имеющему

по меньшей мере одну головку блока цилиндров, которая имеет по меньшей мере один цилиндр и вмещает по меньшей мере части клапанного механизма,

крышку, выполненную с возможностью присоединения к по меньшей мере одной головке блока цилиндров и закрывающую части клапанного механизма, которые вмещены головкой блока цилиндров,

по меньшей мере одну впускную магистраль, которая принадлежит системе впуска и служит для питания по меньшей мере одного цилиндра наддувочным воздухом, каждый цилиндр имеет по меньшей мере одно впускное окно для ввода наддувочного воздуха,

систему выпуска отработавших газов для выпускания отработавших газов, и

питаемый охлаждающей жидкостью охладитель наддувочного воздуха, который расположен в системе впуска и содержит элементы, через которые может течь охлаждающая жидкость.

В контексте настоящего изобретения термин «двигатель внутреннего сгорания» включает в себя не только дизельные двигатели и двигатели с искровым зажиганием, но также гибридные двигатели внутреннего сгорания, то есть двигатели внутреннего сгорания, которые приводятся в действие с использованием гибридного процесса сгорания.

Двигатели внутреннего сгорания имеют блок цилиндров и по меньшей мере одну головку блока цилиндров, которые присоединены друг к другу, чтобы образовывать по меньшей мере один цилиндр. Для размещения поршней и гильз цилиндра, блок цилиндров имеет расточки цилиндра. Поршни направляются подвижным в осевом направлении образом в гильзах цилиндра и, вместе с гильзами цилиндра и по меньшей мере одной головкой блока цилиндров, образуют камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания.

Современные двигатели внутреннего сгорания приводятся в действие почти исключительно посредством способа четырехтактного управления. Цикл наддува включает в себя выталкивание газообразных продуктов сгорания через по меньшей мере одно выпускное окно по меньшей мере одного цилиндра, для того чтобы выпускать отработавшие газы через систему выпуска отработавших газов и заполнять свежей смесью или наддувочным воздухом посредством системы впуска через по меньшей мере одно впускное окно. Для того чтобы управлять циклом наддува, двигатель внутреннего сгорания требует элементов управления и исполнительных устройств для приведения в действие упомянутых элементов управления. Для управления циклом наддува, элементы управления, используемые в четырехтактных двигателях почти исключительно, являются двухсторонними клапанами, которые выполняют колебательный ход во время работы двигателя внутреннего сгорания и, таким образом, открывают и закрывают впускные и выпускные окна. Исполнительный механизм привода клапанов, требуемый для движения клапанов, включая сами клапаны, упоминается как клапанный механизм.

По меньшей мере одна головка блока цилиндров обычно используется для вмещения этого клапанного механизма. В случае двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению, к тому же, по меньшей мере одна головка блока цилиндров вмещает по меньшей мере части клапанного механизма, которые закрыты посредством крышки, причем крышка присоединяется - предпочтительно, с возможностью разъединения - к головке блока цилиндров и окружает части клапанного механизма наподобие кожуха.

Для привода клапана используется, с одной стороны, клапанное пружинное средство, для того чтобы предварительно нагружать клапан в направлении положения закрывания клапана, то есть подвергать его усилию предварительного нагружения, а с другой стороны, исполнительные устройства привода клапана, для того чтобы открывать клапан в противодействие усилию предварительного нагружения средства пружины клапана. Исполнительное устройство привода клапана содержит распределительный вал, на котором расположен ряд кулачков, и которому придается вращение вокруг его продольной оси коленчатым валом - например, посредством цепного привода - таким образом, что распределительный вал и, вместе с последним, кулачки, оборачивается или оборачиваются с половиной частоты вращения коленчатого вала.

Проведено фундаментальное различие между нижним распределительным валом и верхним распределительным валом. В этом контексте точкой отсчета является плоскость разъема между головкой блока цилиндров и блоком цилиндров. Если распределительный вал находится выше этой плоскости разъема, он является верхним распределительным валом, а иначе - нижним распределительным валом. Верхние распределительные валы обычно размещены головкой блока цилиндров, то есть на противоположной стороне головки блока цилиндров от плоскости разъема.

Цель клапанного механизма состоит в том, чтобы открывать и закрывать впускное и выпускное окна цилиндров в правильные моменты времени, замыслом является быстрое открывание как можно больших поперечных сечений потока, для того чтобы минимизировать потери дросселирования во втекающем и вытекающем газовых потоках и чтобы обеспечивать оптимальное наполнение камер сгорания свежей смесью и эффективное, то есть полное, удаление отработавших газов.

Впускные магистрали, которые ведут во впускные окна, и выпускные магистрали, которые присоединены к выпускным окнам, по меньшей мере частично встроены в головку блока цилиндров. Выпускные магистрали цилиндров сводятся вместе для образования общей выпускной магистрали или сводятся вместе группами для образования множества общих выпускных магистралей, тем самым образуя систему выпуска отработавших газов. Вообще, впускные магистрали системы впуска питаются, то есть снабжаются свежей смесью или наддувочным воздухом из обычной общей впускной магистрали.

Двигатели внутреннего сгорания все чаще и чаще снабжаются системой наддува, и наддув, главным образом, является способом для подъема мощности, при котором наддувочный воздух, требуемый для процесса сгорания в двигателе, сжимается, таким образом позволяя большей массе наддувочного воздуха подаваться в каждый цилиндр в каждом рабочем цикле. В силу этого можно увеличивать массу топлива, а следовательно, среднее давление.

Вообще, для наддува используется турбонагнетатель с приводом от выхлопных газов, в котором компрессор и турбина расположены на одном и том же валу, поток раскаленных отработавших газов подводится к турбине, расширяясь в упомянутой турбине и выделяя энергию в процессе, и тем самым сообщая вращение валу. Энергия, выделяемая потоком отработавших газов на валу, используется для приведения в движение компрессора, который так же расположен на валу. Компрессор передает и сжимает наддувочный воздух, подводимый к нему, и в силу этого достигается наддув цилиндров.

Как в случае двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению, охладитель наддувочного воздуха предпочтительно предусмотрен в системе впуска, посредством которого сжатый наддувочный воздух охлаждается перед поступлением в по меньшей мере один цилиндр. Охладитель понижает температуру и, таким образом, увеличивает плотность наддувочного воздуха, и охладитель поэтому также вносит вклад в лучшее наполнение по меньшей мере одного цилиндра, то есть до большей массы воздуха. Охлаждение дает в результате повышенную плотность.

Как в случае двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению, предпочтительно используется питаемый охлаждающей жидкостью охладитель наддувочного воздуха, содержащий элементы, через которые протекает охлаждающая жидкость, между которыми течет и охлаждается наддувочный воздух.

Для того чтобы соответствовать будущим ограничениям для загрязняющих выбросов, и, в особенности, чтобы снижать выбросы оксида азота, часто применяется рециркуляция отработавших газов (EGR), в которой отработавшие газы отбираются из системы выпуска отработавших газов на стороне выпуска и возвращаются в систему впуска на стороне впуска.

С ростом доли рециркуляции отработавших газов, выбросы оксида азота могут значительно снижаться. Доля x_EGR рециркуляции отработавших газов определяется согласно x_EGR=m_EGR/(m_EGR+m_{fresh air}), где m_EGR обозначает массу возвращаемых отработавших газов, а m_{fresh air} обозначает подводимый свежий воздух. Для того чтобы добиваться значительного снижения выбросов оксида азота, требуются большие доли рециркуляции отработавших газов, и таковые могут быть порядка x_EGR ≈ от 60% до 70%.

Во время работы двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом с приводом от выхлопных газов и одновременным использованием рециркуляции отработавших газов, может возникать конфликт, если рециркулированные отработавшие газы отбираются из системы выпуска отработавших газов выше по потоку от турбины посредством EGR высокого давления и больше не доступны для приведения в движение турбины.

По мере того как увеличивается доля рециркуляции отработавших газов, снижается поток отработавших газов, введенный в турбину. Пониженный массовый расход отработавших газов через турбину влечет за собой более низкий коэффициент давления турбины и, в результате, коэффициент давления наддува также снижается, а это эквивалентно более низкому массовому расходу компрессора. Кроме снижения давления наддува могут возникать дополнительные проблемы в работе компрессора в отношении ограничений пульсаций.

По этой причине существует необходимость в концепциях, которые гарантируют достаточно высокие давления наддува с одновременно высокими долями рециркуляции отработавших газов - особенно в диапазоне частичных нагрузок. То, что называется «EGR низкого давления», предлагает один из подходов к решению.

В противоположность уже упомянутой системе EGR высокого давления, которая отбирает отработавшие газы из системы выпуска отработавших газов выше по потоку от турбины и вводит их в систему впуска ниже по потоку от компрессора, процедура в случае EGR низкого давления состоит в том, чтобы возвращать отработавшие газы на сторону впуска после того, как они уже подвергнуты потоку через турбину. Для этого система EGR низкого давления содержит магистраль рециркуляции, которая ответвляется от системы выпуска отработавших газов ниже по потоку от турбины и открывается в систему впуска выше по потоку от компрессора.

Отработавшие газы, возвращенные на сторону впуска посредством EGR низкого давления, смешиваются со свежим воздухом выше по потоку от компрессора. Смесь свежего воздуха и рециркулированных отработавших газов, вырабатываемых таким образом, формирует наддувочный воздух, который подводится к компрессору и сжимается, причем сжатый наддувочный воздух охлаждается ниже по потоку от компрессора в охладителе наддувочного воздуха.

То обстоятельство, что отработавшие газы пропускаются через компрессор в качестве части EGR низкого давления, не имеет отрицательного эффекта, поскольку обычно осуществляется использование отработавших газов, которые были подвергнуты последующей очистке отработавших газов, конкретнее, в сажевом фильтре, ниже по потоку от турбины. Поэтому нет необходимости опасаться отложений в компрессоре, которые изменяют геометрию компрессора, в частности поперечные сечения потоков, и, таким образом, снижают эффективность компрессора. Более того, по тем же самым причинам неочищенные отработавшие газы, подвергнутые рециркуляции посредством EGR высокого давления, не пропускаются через охладитель наддувочного воздуха, поскольку это привело бы к загрязнению и осаждениям в охладителе.

С другой стороны, могут возникать проблемы ниже по потоку от компрессора по причине охлаждения сжатого наддувочного воздуха. Согласно предшествующему уровню техники, охладитель наддувочного воздуха зачастую расположен сбоку от и прилегающим к двигателю внутреннего сгорания, например на уровне картера двигателя, то есть на уровне блока цилиндров или поддона картера. Это также делается с целью уплотнить компоновку всего узла привода.

Во время охлаждения, жидкости, которые еще раньше присутствовали в газообразной форме в наддувочном воздухе, в частности вода, могут конденсироваться, если недостаточно поднята точка росы составляющей газообразного потока наддувочного воздуха. Благодаря компоновке охладителя наддувочного воздуха и тому обстоятельству, что осажденный конденсат не удаляется непрерывно из потока наддувочного воздуха и подается в цилиндры в очень небольших количествах, обусловленных кинетикой, конденсат может скапливаться в охладителе наддувочного воздуха, а затем может непредсказуемо вводиться в систему впуска из охладителя наддувочного воздуха внезапно, в относительно больших количествах, например в случае поперечного ускорения, обусловленного движением на повороте, возвышенностью или колдобиной. Последний случай также упоминается как гидравлический удар, который может приводить не только к серьезному нарушению работы двигателя внутреннего сгорания, но также к невосполнимому урону в отношении компонентов ниже по потоку от охладителя.

Проблема, описанная выше, становится серьезнее по мере того, как возрастает доля рециркуляции, поскольку пропорции отдельных составляющих отработавших газов в наддувочном воздухе, в частности пропорции воды в отработавших газах, неизбежно возрастают с повышением количества рециркулированных отработавших газов. Согласно предшествующему уровню техники, количество отработавших газов, рециркулированных посредством EGR высокого давления, поэтому ограничивается, для того чтобы снижать количество воды, которая конденсируется, или чтобы предотвращать конденсацию воды. Требуемое ограничение EGR низкого давления, с одной стороны, и высокие доли рециркуляции отработавших газов, требуемые для значительного снижения выбросов оксида азота, с другой стороны, приводят к разнящимся целям задания размеров рециркулированного количества отработавших газов.

Указанный конфликт в случае двигателя внутреннего сгорания, подвергаемого наддуву посредством турбонаддува с приводом от выхлопных газов и снабженного системой EGR низкого давления и системой охлаждения наддувочного воздуха, не может быть разрешен предшествующим уровнем техники.

Согласно предшествующему уровню техники, требуемые высокие доли рециркуляции могут достигаться только посредством EGR высокого давления, и должны допускаться недостатки, связанные с ней. Следовательно, преимущества EGR низкого давления могут использоваться только в ограниченной степени.

Компоновка компрессора на стороне выпуска влечет за собой сравнительно большую длину перемещения между компрессором и впускным окном в цилиндре. Однако этой длине перемещения следовало бы поддерживаться как можно более короткой, для того чтобы обеспечивать быструю реакцию турбонагнетателя и чтобы минимизировать потери давления в потоке наддувочного воздуха, в частности, обусловленные изменением направления. Более того, большая длина перемещения в системе впуска имеет недостатки в показателях шумового режима двигателя внутреннего сгорания и приводит к испусканию низкочастотных шумов.

При условии того, что было изложено выше, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить двигатель внутреннего сгорания в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения, посредством которого устраняются проблемы, известные из предшествующего уровня техники, относящиеся к охлаждению наддувочного воздуха и образованию конденсата при использовании системы EGR низкого давления, и посредством которого одновременно может достигаться плотная компоновка всего узла привода.

Эта задача достигается двигателем внутреннего сгорания, имеющим

по меньшей мере одну головку блока цилиндров, которая имеет по меньшей мере один цилиндр и вмещает по меньшей мере части клапанного механизма,

крышку, выполненную с возможностью присоединения к по меньшей мере одной головке блока цилиндров и закрывающую части клапанного механизма, которые вмещены головкой блока цилиндров,

по меньшей мере одну впускную магистраль, которая принадлежит системе впуска и служит для питания по меньшей мере одного цилиндра наддувочным воздухом, каждый цилиндр имеет по меньшей мере одно впускное окно для ввода наддувочного воздуха,

систему выпуска отработавших газов для выпускания отработавших газов, и

питаемый охлаждающей жидкостью охладитель наддувочного воздуха, который расположен в системе впуска и содержит элементы, через которые может течь охлаждающая жидкость, и характеризующимся тем, что

крышка вмещает и окружает элементы охладителя наддувочного воздуха наподобие кожуха, в результате чего элементы расположены между по меньшей мере одной головкой блока цилиндров и крышкой.

В случае двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению охладитель наддувочного воздуха расположен над по меньшей мере одной головкой блока цилиндров, то есть выше по меньшей мере одного впускного окна, в результате чего охладитель расположен в геодезически более высокой точке, чем по меньшей мере одно впускное окно. В результате, у жидкости, которая конденсировалась во время охлаждения, отбирается возможность скапливаться в охладителе и/или в системе впуска между охладителем и по меньшей мере одним цилиндром. Какое-либо количество жидкости, которая конденсировалась в охладителе, непрерывно забирается с собой потоком наддувочного воздуха, то есть увлекается благодаря кинетике. Транспортировка конденсата здесь основана на перемещении наддувочного воздуха - в случае двигателя внутреннего сгорания, подвергаемого наддуву посредством турбонаддува с приводом от выхлопных газов - на наращивании давления наддува в системе впуска компрессором, и дополнительно стимулируется силой тяжести благодаря компоновке согласно изобретению охладителя наддувочного воздуха.

Небольшие количества жидкости, которая подается в цилиндры, в этом случае не являются пагубными для беспроблемной работы двигателя внутреннего сгорания. Конденсат участвует в процессе сгорания и, благодаря энтальпии испарения, еще понижает температуру сгорания, тем самым оказывая полезное влияние на образование оксидов азота, а именно, сокращая последние.

В противоположность концепциям, известным из предшествующего уровня техники, двигатель внутреннего сгорания согласно изобретению не требует никакого ограничения количества отработавших газов, рециркулируемых посредством EGR низкого давления, поскольку конденсация не является вредоносной, а потому не должна предотвращаться. Это обеспечивает возможность рециркуляции значительно бóльших количеств отработавших газов с помощью системы EGR низкого давления.

До такой степени система EGR низкого давления может осуществлять гораздо больший вклад в высокие доли рециркуляции отработавших газов, требуемые для снижения выбросов оксида азота, в случае двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению, чем возможно согласно предшествующему уровню техники.

Более того, области на многомерной регулировочной характеристике двигателя, в которых рециркуляция отработавших газов происходит исключительно с использованием EGR низкого давления, могут быть фундаментально расширены. Это полезно ввиду того, что можно обходиться без EGR высокого давления в широких рабочих диапазонах двигателя внутреннего сгорания, по какой причине к тому же устраняются недостатки, связанные с последней.

В случае двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению охладитель наддувочного воздуха не только расположен выше головки блока цилиндров, тем самым устраняя проблемы, относящиеся к охлаждению наддувочного воздуха и образованию конденсата при использовании системы EGR низкого давления.

Скорее, охладитель наддувочного воздуха согласно изобретению расположен между по меньшей мере одной головкой блока цилиндров и крышкой клапанного механизма, и крышка, таким образом, действует в качестве кожуха и окружает охладитель наддувочного воздуха или элементы охладителя наддувочного воздуха, тем самым гарантируя плотную компоновку.

Одновременно осуществляется использование пространства для установки, которое имеется в распоряжении между головкой блока цилиндров и крышкой, которое оставалось бы неиспользованным в ином случае. Эта мера гарантирует, что охладитель может быть размещен выше головки блока цилиндров, и что, одновременно, допустимый зазор, который должен поддерживаться между узлом привода и капотом двигателя, сохраняется без необходимости расположения узла привода по существу на более низком уровне в моторном отсеке. Если необходимо, элементы охладителя наддувочного воздуха должны быть адаптированы к условиям под крышкой, то есть сконструированы надлежащим образом. Таким образом, отверстия и выемки могут быть необходимы, чтобы позволять компонентам клапанного механизма вмещаться или избегаться.

Охладитель наддувочного воздуха расположен над по меньшей мере одним цилиндром и, следовательно, между стороной выпуска и стороной впуска двигателя внутреннего сгорания. Это осуществляет вклад не только в плотную компоновку, но также сокращает длину перемещения между компрессором и впускным окном в цилиндре в случае двигателя внутреннего сгорания, подвергаемого наддуву посредством турбонаддува с приводом от выхлопных газов. Короткая длина перемещения в системе впуска ниже по потоку от компрессора гарантирует быструю реакцию у турбонагнетателя и снижает потери давления в потоке наддувочного воздуха до входа в камеру сгорания. Устраняются необязательно длинные магистрали, кроме того, снижая требования к необходимому весу и пространству системы впуска. Короткая длина перемещения также оказывает полезное воздействие на шумовой режим.

Части системы впуска могут образовываться, то есть перекрываться самим охладителем наддувочного воздуха, обеспечивая в результате большее количество предпочтительных вариантов осуществления в отношении охладителя и впускного коллектора.

Следует понимать в этом контексте, что фундаментальная цель при использовании турбонагнетателя с приводом от выхлопных газов состоит в том, чтобы располагать турбину как можно ближе к выпуску цилиндров для того, чтобы, таким образом, осуществлять наилучшее возможное использование энтальпии (скрытой энергии) отработавших газов у раскаленных отработавших газов, которая в решающей степени определяется давлением отработавших газов и температурой отработавших газов, и чтобы гарантировать быструю реакцию от турбины или турбонагнетателя. По этим причинам турбонагнетатель, а следовательно, также и компрессор, расположены на стороне выпуска как можно ближе к выпуску двигателя внутреннего сгорания. Результат этой компоновки нагнетателя состоит в том, что наддувочный воздух, сжатый в компрессоре, фундаментально должен переноситься в цилиндры со стороны выпуска на сторону впуска в чем-то, что требовало бы сравнительно длинных магистралей вокруг двигателя внутреннего сгорания согласно предшествующему уровню техники.

Двигатель внутреннего сгорания согласно изобретению достигает задачи, лежащей в основе изобретения, а именно, задачи создания двигателя внутреннего сгорания в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы изобретения, посредством которого устраняются проблемы, известные из предшествующего уровня техники, относящиеся к охлаждению наддувочного воздуха и образованию конденсата при использовании системы EGR низкого давления, и посредством которого одновременно может достигаться плотная компоновка всего узла привода.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в котором элементы охладителя наддувочного воздуха имеют пластинчатую или трубчатую конструкцию.

Дополнительные предпочтительные варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания пояснены в связи с зависимыми пунктами формулы изобретения.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в котором предусмотрен по меньшей мере один турбонагнетатель с приводом от выхлопных газов, содержащий турбину, расположенную в системе выпуска отработавших газов, и компрессор, размещенный в системе впуска.

Преимущество турбонагнетателя с приводом от выхлопных газов, например, в сравнении с механическим турбонагнетателем состоит в том, что отсутствует необходимость в механическом соединении для передачи мощности между нагнетателем и двигателем внутреннего сгорания. Несмотря на то, что механический нагнетатель отбирает энергию, требуемую для приведения его в движение, непосредственно от двигателя внутреннего сгорания, таким образом, снижая имеющуюся в распоряжении мощность, а следовательно, обладая неблагоприятным воздействием на коэффициент полезного действия, турбонагнетатель с приводом от выхлопных газов использует энергию отработавших газов у раскаленных отработавших газов.

Несмотря на это, может быть предпочтительным предусматривать механический нагнетатель в качестве альтернативы или в дополнение к турбонагнетателю с приводом от выхлопных газов.

Также предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в котором предусмотрены по меньшей мер два турбонагнетателя с приводом от выхлопных газов. Причины являются следующими.

Когда используется одиночный турбонагнетатель с приводом от выхлопных газов, наблюдается заметное падение крутящего момента, когда недостаточно поднимается определенное число оборотов двигателя. Этот эффект нежелателен. Это падение крутящего момента нежелательно, если принимается во внимание, что коэффициент давления наддува зависит от коэффициента давления турбины. Если число оборотов двигателя снижается, например, в случае дизельного двигателя, это ведет к более низкому массовому расходу отработавших газов, а следовательно, к меньшему коэффициенту давления турбины. Результат состоит в том, что на относительно низких числах оборотов двигателя, коэффициент давления наддува снижается подобным образом, что эквивалентно падению крутящего момента.

В принципе, падение давления наддува может быть нейтрализовано посредством становления меньшим поперечного сечения турбины. Однако это требует продувки отработавших газов на более высоких числах оборотов двигателя, а это вызывает недостатки касательно режимов наддува в этом диапазоне чисел оборотов двигателя.

Поэтому, зачастую, также делается попытка улучшить характеристику крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом использованием турбонагнетателей с приводом от выхлопных газов, например, посредством множества турбонагнетателей с приводом от выхлопных газов, расположенных последовательно. Компоновка двух турбонагнетателей с приводом от выхлопных газов последовательно, из которых один турбонагнетатель с приводом от выхлопных газов служит в качестве каскада высокого давления, и один турбонагнетатель с приводом от выхлопных газов служит в качестве каскада низкого давления, возможна для расширения многомерной регулировочной характеристики компрессора благоприятным образом, а именно, как по отношению к более низким потокам компрессора, так и по отношению к более высоким потокам компрессора. Это достигается конструированием турбины высокого давления для низких массовых расходов отработавших газов и обеспечением обводной магистрали, посредством которых отработавшие газы могут все больше и больше направляться мимо турбины высокого давления по мере того, как возрастает массовый расход отработавших газов. Для этого обводная магистраль ответвляется от магистрали отработавших газов выше по потоку от турбины высокого давления и открывается обратно в магистраль отработавших газов ниже по потоку от турбины, причем элемент перекрытия расположен в обводной магистрали, для того чтобы управлять потоком отработавших газов, направляемым мимо турбины высокого давления.

Характеристика крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом, более того, может улучшаться посредством множества турбонагнетателей, расположенных параллельно, с соответствующими небольшими поперечными сечениями турбины, которые подключены последовательно.

Турбины, предназначенные для низких потоков отработавших газов, ведут к улучшенной характеристике, поскольку они менее инертны, и узел рабочего колеса может быстрее разгоняться и замедляться.

Варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в котором турбина по меньшей мере одного турбонагнетателя с приводом от выхлопных газов снабжена изменяемой геометрией турбины, которая обеспечивает возможность более широкой адаптации под соответствующую рабочую точку двигателя внутреннего сгорания благодаря регулированию геометрии турбины или эффективного поперечного сечения турбины, являются предпочтительными. В этом случае регулируемые направляющие лопатки расположены в зоне впуска турбины, чтобы оказывать влияние на направление потока. В противоположность лопаткам рабочего колеса вращающегося рабочего колеса, направляющие лопатки не вращаются с валом турбины.

Если турбина имеет постоянную неизменную геометрию, направляющие лопатки не только стационарны, но, более того, расположены с тем, чтобы быть полностью неподвижными в зоне впуска, то есть, жестко закрепленными. В случае изменяемой геометрии, в противоположность, направляющие лопатки, хотя и расположены стационарным образом, не полностью неподвижны, но могут поворачиваться вокруг их оси, таким образом обеспечивая возможность оказания влияния на набегающий поток у лопаток рабочего колеса.

Несмотря на это, также могут быть предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в котором турбина по меньшей мере одного турбонагнетателя с приводом от выхлопных газов имеет постоянную геометрию турбины. По сравнению с изменяемой геометрией, это значительно упрощает работу двигателя внутреннего сгорания и/или нагнетателя посредством системы управления двигателем.

Более того, есть преимущества в затратах относительно турбонагнетателя с приводом от выхлопных газов из-за более простой конструкции турбины.

В случае двигателей внутреннего сгорания с наддувом предпочтительны варианты осуществления, в которых компрессор расположен выше по потоку от охладителя наддувочного воздуха в системе впуска. Таким образом, воздух, сжатый в компрессоре, охлаждается ниже по потоку на втором этапе и не охлаждается в охладителе наддувочного воздуха до сжатия посредством компрессора. Этот вариант осуществления также учитывает то обстоятельство, что наддувочный воздух нагревается вследствие сжатия, по какой причине охлаждение, которое сопровождает сжатие, является предпочтительным.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в котором предусмотрена система рециркуляции отработавших газов, которая содержит магистраль рециркуляции, которая ответвляется от системы выпуска отработавших газов ниже по потоку от турбины и открывается в систему впуска выше по потоку от компрессора.

Система EGR низкого давления в соответствии с предыдущим вариантом осуществления обладает многочисленными преимуществами, особенно вместе с охладителем наддувочного воздуха, расположенным в соответствии с изобретением, эти преимущества уже пояснялись подробно, и внимание привлекается к ним в этот момент.

Предпочтительно размещать элемент перекрытия в магистрали рециркуляции, упомянутый элемент действует в качестве клапана EGR низкого давления и служит для регулирования доли рециркуляции, то есть количество отработавших газов, рециркулированных посредством EGR низкого давления.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в котором дополнительный охладитель предусмотрен в магистрали рециркуляции системы EGR низкого давления. Этот охладитель понижает температуру у потока раскаленных отработавших газов до того, как отработавшие газы смешиваются со свежим воздухом выше по потоку от компрессора, и таким образом повышает плотность отработавших газов. Температура свежего заряда в цилиндре тем самым дополнительно снижается, по какой причине этот охладитель также осуществляет вклад в лучшее наполнение.

Предпочтительно должна быть предусмотрена обводная магистраль, которая обходит дополнительный охладитель, и посредством которой отработавшие газы, рециркулированные посредством системы EGR низкого давления, могут вводиться в систему впуска наряду с обходом охладителя.

В случае двигателя внутреннего сгорания, подвергаемого наддуву посредством турбонаддува с приводом от выхлопных газов, предпочтительны варианты осуществления, в которых предусмотрена систем рециркуляции отработавших газов, которая содержит магистраль, которая ответвляется от системы выпуска отработавших газов выше по потоку от турбины и открывается в систему впуска ниже по потоку от компрессора.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в котором система рециркуляции отработавших газов открывается в систему впуска ниже по потоку от охладителя наддувочного воздуха. Это избегает ситуации, где неочищенные отработавшие газы, рециркулированные посредством EGR высокого давления, пропускаются через охладитель наддувочного воздуха и загрязняют последний.

Предоставление системы EGR высокого давления может требоваться или быть предпочтительным, для того чтобы быть способным образовывать высокие доли рециркуляции, требуемые для снижения выбросов оксида азота, даже если образование конденсата в системе впуска больше не приводит ни к какому ограничению на EGR низкого давления, в силу компоновки согласно изобретению охладителя наддувочного воздуха. А именно, следует понимать, что рециркуляция отработавших газов из магистрали отработавших газов во впускную магистраль требует перепада давлений, то есть градиента давления между стороной выпуска и стороной впуска. Чтобы добиться требуемых долей рециркуляции отработавших газов, более того, требуется высокий градиент давления.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в котором дополнительный охладитель предусмотрен в магистрали системы EGR высокого давления. Этот дополнительный охладитель понижает температуру в потоке раскаленных отработавших газов и, таким образом, увеличивает плотность отработавших газов. Температура свежего заряда в цилиндре тем самым дополнительно снижается, и дополнительный охладитель в силу этого также вносит вклад в лучшее наполнение камеры сгорания свежей смесью.

Несмотря на это, отработавшие газы, рециркулированные посредством EGR, также могут пропускаться через охладитель наддувочного воздуха в отдельных случаях. Для этого магистраль рециркуляции системы EGR высокого давления ответвляется от системы выпуска отработавших газов выше по потоку от турбины и открывается в систему впуска ниже по потоку от компрессора и выше по потоку от охладителя наддувочного воздуха.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в котором по меньшей мере проем для входа наддувочного воздуха предусмотрен в крышке. Наддувочный воздух должен пропускаться через охладитель, а следовательно, проникать в крышку. В этом случае наддувочный воздух может входить в крышку через одиночный проем через общую впускную магистраль, а дальше может распределяться между отдельными цилиндрами, при этом вентилятор охладителя может образовывать по меньшей мере часть впускного коллектора, либо наддувочный воздух поступает в крышку через множество проемов, то есть наддувочный воздух уже был разделен на множество частичных потоков до поступления в крышку и охладитель.

По меньшей мере один проем для поступления наддувочного воздуха предпочтительно предусмотрен на стороне выпуска двигателя внутреннего сгорания, если двигатель внутреннего сгорания снабжен турбонагнетателем с приводом от выхлопных газов, и компрессор упомянутого нагнетателя расположен на стороне выпуска.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в котором по меньшей мере проем для выхода наддувочного воздуха предусмотрен в крышке. Если предусмотрен проем для выхода наддувочного воздуха, этот проем предпочтительно предусмотрен на стороне впуска, откуда наддувочный воздух подается в цилиндр.

Однако проем в крышке для выхода наддувочного воздуха не обязателен во всех случаях. Таким образом, после охлаждения наддувочный воздух, вовлеченный в крышку и охладитель, также может подаваться непосредственно в цилиндры без вынуждения охлажденного наддувочного воздуха снова покидать крышку. Этот вариант осуществления является очень компактным и отличается очень короткими впускными магистралями ниже по потоку от охладителя.

В частности, эти варианты осуществления делают более легкой компоновку входа в охладитель наддувочного воздуха в геодезически более высокой точке, чем выход из охладителя наддувочного воздуха, тем самым гарантируя, что преимущества компоновки согласно изобретению охладителя получают полный эффект, и конденсат не накапливается в охладителе всего лишь потому, что выход находится на большей геодезической высоте, чем впуск.

Вообще, предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в котором вход в охладитель наддувочного воздуха расположен в геодезически более высокой точке, чем выпуск из охладителя наддувочного воздуха, и варианты осуществления, в которых геодезическая высота в системе впуска непрерывно снижается в направлении потока от охладителя наддувочного воздуха или впуска в охладитель наддувочного воздуха до по меньшей мере одного впускного проема по меньшей мере одного цилиндра.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере одна головка блока цилиндров снабжена по меньшей мере одной встроенной рубашкой охлаждающей жидкости для образования системы жидкостного охлаждения. Двигатели внутреннего сгорания с наддувом, в частности, подвергаются более высоким тепловым нагрузкам, чем безнаддувные двигатели, по какой причине более высокие требования накладываются на систему охлаждения.

С системой жидкостного охлаждения значительно бóльшие количества тепла могут рассеиваться, чем возможно с системой воздушного охлаждения. Жидкостное охлаждение требует, чтобы двигатель внутреннего сгорания, то есть головка блока цилиндров и блок цилиндров, были снабжены встроенной рубашкой охлаждающей жидкости, то есть требует компоновки каналов охлаждающей жидкости, которые несут охлаждающую жидкость через головку блока цилиндров и блок цилиндров. Тепло выделяется в охлаждающую жидкость в пределах самого компонента. В этой компоновке, охлаждающая жидкость подается посредством насоса, расположенного в контуре охлаждения, гарантируя, что она циркулирует в рубашке охлаждающей жидкости. Таким образом, тепло, выделяемое в охлаждающую жидкость, распространяется из внутренней части головки и блока, и вновь удаляется из охлаждающей жидкости в радиаторе.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в котором питаемый охлаждающей жидкостью охладитель наддувочного воздуха присоединен к по меньшей мере одной рубашке охлаждающей жидкости по меньшей мере одной головки блока цилиндров. В этой компоновке охладитель наддувочного воздуха питается охлаждающей жидкостью через головку блока цилиндров, давая возможность обходиться без внешних питающих магистралей, что также снижает риск утечки. Более того, некоторые компоненты могут совместно использоваться для контура охлаждающей жидкости охладителя наддувочного воздуха и контура охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания, например насос для подачи охлаждающей жидкости и/или радиатор для охлаждения охлаждающей жидкости, который часто расположен в передней области транспортного средства, для того чтобы использовать относительный воздушный поток.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в котором охладитель наддувочного воздуха расположен в геодезически наивысшей точке в системе впуска в установленном положении двигателя внутреннего сгорания. Причины уже были изложены.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в котором крышка содержит пластик. Крышка не является компонентом, подвергаемым высоким тепловым нагрузкам, а потому может быть выбран материал с целью недорогого производства и низкого веса. Пластик в качестве материала удовлетворяет обоим критериям.

Несмотря на это, крышка также может изготавливаться из композитного материала или металла.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в котором уплотнение предусмотрено между крышкой и по меньшей мере одной головкой блока цилиндров.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в котором элементы охладителя наддувочного воздуха расположены в конфигурации пакетного типа и разнесены друг от друга. Это создает большую площадь поверхности, которая полезна для переноса тепла, на которой тепло может удаляться из наддувочного воздуха посредством конвекции и теплопроводности.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в котором предусмотрена система непосредственного впрыска, и каждый цилиндр снабжен форсункой для непосредственного впрыска топлива.

Предпочтительны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в котором крышка и/или элементы имеет/имеют по меньшей мере одно отверстие для пропускания форсунок.

Изобретение подробнее описано ниже со ссылкой на два иллюстративных варианта осуществления, показанных на фиг. 1-3, на которых:

Фиг. 1 представляет собой схематичный вид варианта осуществления двигателя внутреннего сгорания в виде схематического рисунка.

Фиг. 2 представляет собой головку блока цилиндров вместе с крышкой по первому варианту осуществления двигателя внутреннего сгорания на схематичном виде в перспективе.

Фиг. 3 представляет собой головку блока цилиндров вместе с крышкой по второму варианту осуществления двигателя внутреннего сгорания на схематическом виде в перспективе.

Фиг. 1 схематично показывает вариант осуществления двигателя внутреннего сгорания в виде схематического рисунка.

Двигатель 1 внутреннего сгорания имеет блок 1b цилиндров и головку 1a блока цилиндров, которые присоединены друг к другу для образования цилиндров. Двигатель 1 внутреннего сгорания, показанный на фиг. 1, подвергается наддуву посредством турбонагнетателя с приводом от выхлопных газов. Нагнетатель 6 расположен на стороне 5 выпуска, по какой причине наддувочный воздух, сжатый в компрессоре нагнетателя 6, должен пропускаться со стороны 5 выпуска на сторону 4 впуска (указано стрелкой).

На пути со стороны 5 выпуска на сторону 4 впуска, наддувочный воздух, сжатый в компрессоре, охлаждается в охладителе 7 наддувочного воздуха, предусмотренном в системе 2 впуска, охладитель 7 является расположенным над головкой 1a блока цилиндров и является вмещенным и окруженным крышкой 8 наподобие кожуха. В этом случае элементы охладителя 7 наддувочного воздуха расположены между головкой 1a блока цилиндров и крышкой 8.

Фиг. 2 показывает головку 1a блока цилиндров вместе с крышкой 8 по первому варианту осуществления двигателя 1 внутреннего сгорания на схематическом виде в перспективе. Будут пояснены только те аспекты, которые являются дополнительными к тому, что проиллюстрировано на схематическом рисунке по фиг. 1, а потому во всем остальном внимание привлечено к фиг. 1. Одинаковые номера ссылок использовались для идентичных компонентов.

Двигатель 1 внутреннего сгорания, проиллюстрированный на фиг. 2, является четырехцилиндровым рядным двигателем 1 непосредственного впрыска. Круглые отверстия 10 для пропускания форсунок (не показаны) предусмотрены в крышке 8, сама крышка 8 имеет конструкцию прямоугольного параллелепипеда. Более того, крышка 8 имеет проем для входа 13a наддувочного воздуха.

Фиг. 3 показывает головку 1a блока цилиндров вместе с крышкой 8 по второму варианту осуществления двигателя 1 внутреннего сгорания на схематическом виде в перспективе. Будут обсуждены только отличия относительно варианта осуществления, проиллюстрированного на фиг. 2, а потому во всем остальном внимание привлечено к фиг. 2. Одинаковые номера ссылок использовались для идентичных компонентов.

В случае двигателя 1 внутреннего сгорания, проиллюстрированного на фиг. 3, крышка 8 имеет одиночное прямоугольное отверстие 10, которое оставляет достаточное пространство над головкой 1a блока цилиндров для компоновки четырех форсунок 11 и топливной магистрали 12 для питания форсунок 11 топливом.

Проем для входа 13a наддувочного воздуха и проем для выхода 13b наддувочного воздуха предусмотрены в крышке 8, наддувочный воздух течет по U-образной секции охлаждения через охладитель наддувочного воздуха, вмещенный крышкой 8 (указано стрелками).

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1 Двигатель внутреннего сгорания с наддувом

1a головка блока цилиндров

1b блок цилиндров

2 система впуска

3 впускной коллектор

4 сторона впуска

5 сторона выпуска

6 турбонагнетатель с приводом от выхлопных газов

7 охладитель наддувочного воздуха

8 крышка

9 выемка

10 отверстие

11 форсунка

12 топливная магистраль

13a вход в охладитель наддувочного воздуха, вход в крышку

13b выход из охладителя наддувочного воздуха, выход из крышки

EGR рециркуляция отработавших газов

m_EGR масса рециркулированных отработавших газов

m_{fresh air} масса подаваемого свежего воздуха или воздуха для сгорания

x_EGR доля рециркуляции отработавших газов.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания имеет по меньшей мере одну головку (1а) блока цилиндров. Головка (1а) блока цилиндров имеет по меньшей мере один цилиндр и вмещает по меньшей мере части клапанного механизма. Крышка (8) выполнена с возможностью присоединения к по меньшей мере одной головке (1а) блока цилиндров и закрывает части клапанного механизма, которые вмещены головкой (1а) блока цилиндров. Двигатель имеет по меньшей мере одну впускную магистраль, которая принадлежит системе (2) впуска и служит для питания по меньшей мере одного цилиндра наддувочным воздухом. При этом каждый цилиндр имеет по меньшей мере одно впускное окно для ввода наддувочного воздуха. Двигатель имеет систему впуска отработавших газов для выпускания отработавших газов. Питаемый охлаждающей жидкостью охладитель (7) наддувочного воздуха расположен в системе (2) впуска и содержит элементы, через которые может течь охлаждающая жидкость. Крышка (8) вмещает и окружает элементы охладителя (7) наддувочного воздуха наподобие кожуха, в результате чего, элементы расположены между по меньшей мере одной головкой (1а) блока цилиндров и крышкой (8). Технический результат заключается в предотвращении образования конденсата при использовании системы EGR низкого давления, а также достижение плотной компоновки узла привода. 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Двигатель (1) внутреннего сгорания, имеющий

по меньшей мере одну головку (1a) блока цилиндров, которая имеет по меньшей мере один цилиндр и вмещает по меньшей мере части клапанного механизма,

крышку (8), выполненную с возможностью присоединения к по меньшей мере одной головке (1a) блока цилиндров и закрывающую части клапанного механизма, которые вмещены головкой (1a) блока цилиндров,

по меньшей мере одну впускную магистраль, которая принадлежит системе (2) впуска и служит для питания по меньшей мере одного цилиндра наддувочным воздухом, при этом каждый цилиндр имеет по меньшей мере одно впускное окно для ввода наддувочного воздуха,

систему выпуска отработавших газов для выпускания отработавших газов, и

питаемый охлаждающей жидкостью охладитель (7) наддувочного воздуха, который расположен в системе (2) впуска и содержит элементы, через которые может течь охлаждающая жидкость,

причем

крышка (8) вмещает и окружает элементы охладителя (7) наддувочного воздуха наподобие кожуха, в результате чего элементы расположены между по меньшей мере одной головкой (1a) блока цилиндров и крышкой (8).

2. Двигатель (1) внутреннего сгорания по п. 1, в котором предусмотрен по меньшей мере один турбонагнетатель (6) с приводом от выхлопных газов, содержащий турбину, расположенную в системе выпуска отработавших газов, и компрессор, расположенный в системе (2) впуска.

3. Двигатель (1) внутреннего сгорания по п. 2, в котором компрессор расположен выше по потоку от охладителя (7) наддувочного воздуха в системе (2) впуска.

4. Двигатель (1) внутреннего сгорания по п. 2 или 3, в котором предусмотрена система рециркуляции отработавших газов, которая содержит магистраль рециркуляции, которая ответвляется от системы выпуска отработавших газов ниже по потоку от турбины и открывается в систему (2) впуска выше по потоку от компрессора.

5. Двигатель (1) внутреннего сгорания по п. 2 или 3, в котором предусмотрена система рециркуляции отработавших газов, которая содержит магистраль, которая ответвляется от системы выпуска отработавших газов выше по потоку от турбины и открывается в систему (2) впуска ниже по потоку от компрессора.

6. Двигатель (1) внутреннего сгорания по п. 5, в котором магистраль системы рециркуляции отработавших газов открывается в систему (2) впуска ниже по потоку от охладителя (7) наддувочного воздуха.

7. Двигатель (1) внутреннего сгорания по п. 1, в котором в крышке (8) предусмотрен по меньшей мере один проем для входа (13a) наддувочного воздуха.

8. Двигатель (1) внутреннего сгорания по п. 1, в котором в крышке (8) предусмотрен по меньшей мере один проем для выхода (13b) наддувочного воздуха.

9. Двигатель (1) внутреннего сгорания по п. 1, в котором по меньшей мере одна головка (1a) блока цилиндров снабжена по меньшей мере одной рубашкой охлаждающей жидкости для образования системы жидкостного охлаждения.

10. Двигатель (1) внутреннего сгорания по п. 9, в котором питаемый охлаждающей жидкостью охладитель (7) наддувочного воздуха присоединен к по меньшей мере одной рубашке охлаждающей жидкости по меньшей мере одной головки (1a) блока цилиндров.

11. Двигатель (1) внутреннего сгорания по п. 1, в котором охладитель (7) наддувочного воздуха расположен в геодезически наивысшей точке в системе (2) впуска в установленном положении двигателя (1) внутреннего сгорания.

12. Двигатель (1) внутреннего сгорания по п. 1, в котором крышка (8) содержит пластик.

13. Двигатель (1) внутреннего сгорания по п. 1, в котором элементы охладителя (7) наддувочного воздуха расположены в конфигурации пакетного типа и разнесены друг от друга.

14. Двигатель (1) внутреннего сгорания по п. 1, в котором предусмотрена система непосредственного впрыска, и каждый цилиндр снабжен форсункой (11) для непосредственного впрыска топлива.

15. Двигатель (1) внутреннего сгорания по п. 14, в котором крышка (8) и/или элементы имеет/имеют по меньшей мере одно отверстие (10) для пропускания форсунок (11).