ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ И СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2017 года по МПК F01N13/10 F01P3/02 F02F1/42 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением по меньшей мере с одной головкой блока цилиндров, которая:

может быть соединена на установочной поверхности с блоком цилиндров,

содержит по меньшей мере одну интегрированную охлаждающую рубашку,

содержит четыре цилиндра, расположенных в ряд вдоль продольной оси головки блока цилиндров, при этом каждый цилиндр имеет по меньшей мере одно выпускное отверстие для отведения выхлопных газов из цилиндра через систему отвода выхлопных газов, для чего выхлопная труба соединена с каждым выпускным отверстием, и при этом:

выхлопные трубы цилиндров объединены последовательно в объединенную выхлопную трубу, при этом соответствующая по меньшей мере одна выхлопная труба крайнего внешнего цилиндра и по меньшей мере одна выхлопная труба смежного внутреннего цилиндра объединены в головке блока цилиндров в частичную выхлопную трубу, формируя частичный выхлопной коллектор, до того как две частичные выхлопные трубы четырех цилиндров объединены снаружи головки блока цилиндров в объединенную выхлопную трубу, так что система отвода выхлопных газов выходит на наружной стороне головки блока цилиндров в форме двух отверстий для выпуска выхлопных газов, при этом два отверстия для выпуска выхлопных газов смещены и расположены на расстоянии друг от друга вдоль продольной оси головки блока цилиндров и имеют идентичное разнесение от установочной поверхности.

Кроме того, изобретение относится к способу работы двигателя внутреннего сгорания типа, описанного выше.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Двигатели внутреннего сгорания содержат блок цилиндров и по меньшей мере одну головку блока цилиндров, которые соединены между собой на установочных поверхностях таким образом, что они формируют цилиндр. Цилиндры имеют отверстия в блоке цилиндров для приема поршней или гильз цилиндров. Поршни направляют подвижно по оси в отверстия блока цилиндров и вместе с отверстиями блока цилиндров и по меньшей мере одной головкой блока цилиндров, образуют камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания.

В ходе изменения топливного заряда продукты сгорания вытесняют через выпускные отверстия по меньшей мере четырех цилиндров, и камеры сгорания заполняют свежей смесью или поступающим воздухом через впускные отверстия. Чтобы управлять изменением топливного заряда, двигатель внутреннего сгорания требует элементов управления и активирующих устройств, чтобы активировать эти элементы управления. Чтобы управлять изменением топливного заряда, в четырехтактных двигателях совершающие почти исключительно возвратно-поступательное движение клапаны используют в качестве элементов управления и в ходе работы двигателя внутреннего сгорания выполняют колебательное перемещение в такте и тем самым открывают и закрывают впускные и выпускные отверстия. Клапанный приводной механизм, необходимый для того, чтобы перемещать клапаны, включающий в себя сами клапаны, называется "клапанным приводом". По меньшей мере одна головка блока цилиндров обычно служит для того, чтобы принимать этот клапанный привод.

Впускные каналы, которые ведут к впускным отверстиям, и выпускные каналы, т.е. выхлопные трубы, которые соединены с выпускными отверстиями, согласно предшествующему уровню техники по меньшей мере частично интегрируют в головке блока цилиндров. Выхлопные трубы из цилиндров обычно и также в данном случае объединяют в объединенную выхлопную трубу. Объединение выхлопных труб, в общем и в настоящем изобретении, известно как выхлопной коллектор.

В двигателе внутреннего сгорания согласно изобретению, выхлопные трубы четырех цилиндров объединены последовательно, так что в каждом случае по меньшей мере одна выхлопная труба из крайнего внешнего цилиндра и по меньшей мере одна выхлопная труба из смежного внутреннего цилиндра объединены в частичную выхлопную трубу, и две частичных выхлопных трубы, сформированные таким образом из четырех цилиндров, объединены в объединенную выхлопную трубу. За счет этого может быть существенно уменьшена общая длина всех выхлопных труб, и, следовательно, размер системы отвода выхлопных газов.

Выхлопные трубы объединены в частичные выхлопные трубы, формирующие два частичных выхлопных коллектора в головке блока цилиндров, при этом только две частичных выхлопных трубы объединены в объединенную выхлопную трубу снаружи головки блока цилиндров, так что система отвода выхлопных газов выходит на наружной стороне головки блока цилиндров в форме двух отверстий для выпуска выхлопных газов.

В двигателе внутреннего сгорания, предложение которого является целью настоящего изобретения, два отверстия для выпуска выхлопных газов расположены со смещением и на расстоянии друг от друга вдоль продольной оси головки блока цилиндров, при этом отверстия имеют идентичное разнесение от установочной поверхности головки блока цилиндров. Такая компоновка двух выпускных отверстий является преимущественной, в частности, относительно достижения небольшой высоты головки блока цилиндров или максимально возможно плотной сборки, но требует, чтобы в каждом случае два смежных цилиндра формировали группу, выхлопные трубы которой объединены в частичные выхлопные трубы.

Тем не менее, если выхлопные трубы двух крайних внешних цилиндров и выхлопные трубы двух внутренних цилиндров должны быть объединены, соответственно, в частичную выхлопную трубу, формирующую частичный выхлопной коллектор, выпускные отверстия должны находиться друг над другом по меньшей мере в вертикальном направлении, т.е. в направлении продольной оси цилиндров, т.е. быть расположенными со смещением относительно друг друга с различными разнесениями от установочной поверхности.

По нескольким причинам преимущественным является интегрирование выхлопного коллектора в значительной степени по меньшей мере в одной головке блока цилиндров, т.е. чтобы уже по меньшей мере частично достигать объединения выхлопных труб в головке блока цилиндров.

Во-первых, интеграция частичных выхлопных труб в головке блока цилиндров приводит к более компактной конструкции двигателя внутреннего сгорания и более плотной сборке в отсеке для двигателя. Во-вторых, достигают экономических выгод при производстве и установке, а также снижения веса двигателя внутреннего сгорания.

Кроме того, интеграция может иметь преимущество в отношении компоновки и работы системы дополнительной очистки выхлопных газов, обеспеченной ниже по течению в системе отвода выхлопных газов. Длина прохождения горячих выхлопных газов в различные системы дополнительной очистки выхлопных газов должна быть максимально возможно короткой, так что выхлопные газы имеют немного времени на охлаждение, и система дополнительной очистки выхлопных газов достигает своей рабочей температуры или температуры срабатывания максимально быстро, в частности, после холодного запуска двигателя внутреннего сгорания.

В этом контексте, задача состоит в минимизации тепловой инерции частичного фрагмента выхлопных труб между выпускным отверстием в цилиндре и системой дополнительной очистки выхлопных газов, что может достигаться посредством уменьшения массы и длины этого частичного фрагмента. Здесь, пространственная интеграция выхлопного коллектора в головке блока цилиндров является преимущественной.

В двигателях внутреннего сгорания с наддувом посредством турбонагнетателей, приводимых в действие выхлопными газами, задача состоит в расположении турбины максимально близко к выпуску, т.е. к выпускным отверстиям из цилиндров для оптимального использования энтальпии выхлопных газов горячих выхлопных газов, которая окончательно определяется посредством давления на выпуске и температуры, а также гарантирования характеристик быстрого срабатывания турбонагнетателя. Здесь, также должны быть минимизированы тепловая инерция и размер системы труб между выпускными отверстиями цилиндров и турбины, что опять-таки упрощается за счет пространственной интеграции выхлопного коллектора в головке блока цилиндров.

Все чаще, выхлопной коллектор в значительной степени интегрируется в головку блока цилиндров, чтобы принимать участие в охлаждении, предоставляемом в головке блока цилиндров, так что коллектор не обязательно должен изготавливаться из материалов с высокой тепловой нагрузочной способностью, которые являются дорогими и постоянно дорожают.

Этот подход использует тот факт, что современные двигатели внутреннего сгорания все чаще оснащаются или должны оснащаться жидкостным охлаждением. В частности, двигатели внутреннего сгорания с наддувом подвергаются высокой тепловой нагрузке, что как следствие, накладывает высокие требования по охлаждению. Тепло, высвобожденное за счет экзотермического химического преобразования топлива, рассеивается частично в головку блока цилиндров и блок цилиндров через стенки, разделяющие камеру цилиндра, и частично в другие компоненты и окружающую среду посредством потока выхлопных газов. Чтобы поддерживать тепловую нагрузку головки блока цилиндров в определенных рамках, охлаждение осуществляют целевым способом в головке блока цилиндров посредством жидкостного охлаждения и принудительной конвекции. Здесь, тепло рассеивается в хладагенте внутри головки блока цилиндров. Хладагент доставляется посредством насоса, расположенного в схеме охлаждения, так что он циркулирует в охлаждающей рубашке. Тепло, рассеянное в хладагенте, тем самым выпускается изнутри головки блока цилиндров и повторно извлекается из хладагента в теплообменнике.

Жидкостное охлаждение требует оснащения двигателя внутреннего сгорания или головки блока цилиндров по меньшей мере одной охлаждающей рубашкой, т.е. компоновкой каналов хладагента, переносящих хладагент через головку блока цилиндров, что влечет за собой сложную структуру конструкции головки блока цилиндров. Интеграция частичных выхлопных труб в головке блока цилиндров затрудняет компоновку или формирование достаточно большого размера охлаждающей рубашки в головках блока цилиндров под действием высокой тепловой и механической нагрузки.

С учетом вышеизложенного, задача настоящего изобретения состоит в предложении двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, который оптимизирован относительно жидкостного охлаждения.

Дополнительная задача настоящего изобретения состоит в предложении способа работы двигателя внутреннего сгорания упомянутого типа.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Первая задача решается посредством двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением по меньшей мере с одной головкой блока цилиндров, которая:

- может быть соединена на установочной поверхности с блоком цилиндров,

- содержит по меньшей мере одну интегрированную охлаждающую рубашку,

- содержит четыре цилиндра, расположенных в ряд вдоль продольной оси головки блока цилиндров, при этом каждый цилиндр имеет по меньшей мере одно выпускное отверстие для отведения выхлопных газов из цилиндра через систему отвода выхлопных газов, для чего выхлопная труба соединена с каждым выпускным отверстием, и при этом:

- выхлопные трубы цилиндров объединены последовательно в объединенную выхлопную трубу, при этом соответствующая по меньшей мере одна выхлопная труба крайнего внешнего цилиндра и по меньшей мере одна выхлопная труба смежного внутреннего цилиндра объединены в головке блока цилиндров в частичную выхлопную трубу, формирующую частичный выхлопной коллектор, до того как две частичные выхлопные трубы четырех цилиндров объединены снаружи головки блока цилиндров в объединенную выхлопную трубу, так что система отвода выхлопных газов выходит на наружной стороне головки блока цилиндров в форме двух отверстий для выпуска выхлопных газов, при этом два отверстия для выпуска выхлопных газов смещены и расположены на расстоянии друг от друга вдоль продольной оси головки блока цилиндров и имеют идентичное разнесение от установочной поверхности,

- при этом:

- обеспечены нижняя охлаждающая рубашка, которая расположена между выхлопными трубами и установочной поверхностью головки блока цилиндров, и верхняя охлаждающая рубашка, которая расположена на стороне выхлопных труб напротив нижней охлаждающей рубашки, при этом по меньшей мере одно соединение обеспечено между нижней охлаждающей рубашкой и верхней охлаждающей рубашкой и служит для прохождения хладагента, при этом по меньшей мере одно соединение расположено смежно с частичной выхлопной трубой, предпочтительно в области отверстия для выпуска выхлопных газов этой частичной выхлопной трубы.

Головка блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению содержит нижнюю охлаждающую рубашку и верхнюю охлаждающую рубашку напротив нижней охлаждающей рубашки, при этом по меньшей мере одно соединение обеспечено в головке блока цилиндров, через которое хладагент может протекать из нижней охлаждающей рубашки в верхнюю охлаждающую рубашку и/или наоборот.

Соединение в данном случае является отверстием или проточным каналом, который соединяет нижнюю охлаждающую рубашку с верхней охлаждающей рубашкой и который обеспечивает и осуществляет обмен хладагентом между двумя охлаждающими рубашками.

Во-первых, в принципе, это обеспечивает охлаждение в области соединения. Во-вторых, традиционный продольный поток хладагента, т.е. поток хладагента в направлении продольной оси головки блока цилиндров дополняется посредством поперечного потока хладагента, который идет поперечно к продольному потоку и предпочтительно приблизительно в направлении продольной оси цилиндров. Здесь поток хладагента, переносимый посредством по меньшей мере одного соединения, окончательно способствует рассеянию тепла.

Охлаждение головки блока цилиндров дополнительно и преимущественно может быть улучшено таким образом, что создается падение давления между верхней и нижней охлаждающими рубашками, за счет чего также повышается скорость по меньшей мере в одном соединении, что приводит к повышенной теплопередаче вследствие конвекции.

Согласно изобретению по меньшей мере одно соединение расположено смежно с частичной выхлопной трубой, предпочтительно в области отверстия для выпуска выхлопных газов этой частичной выхлопной трубы из головки блока цилиндров.

Таким образом по меньшей мере одно соединение находится также в области, в которой объединены выхлопные трубы, и собирают горячие выхлопные газы из цилиндров двигателя внутреннего сгорания, т.е. в области, в которой, в частности, головка блока цилиндров подвержена действию высокой тепловой нагрузки. Существует несколько причин для этого.

Во-первых, выхлопные газы из двух цилиндров проходят через частичную выхлопную трубу, в отличие от этого, отдельная выхлопная труба, которая соединена с выпускным отверстием цилиндра, подвергается воздействию выхлопного газа или части выхлопного газа только одного цилиндра. Другими словами, абсолютная величина выхлопного газа, который выделяет или может выделять тепло в головку блока цилиндров, больше.

Во-вторых, частичная выхлопная труба подвержена воздействию горячего выхлопного газа в течение большего времени, тогда как выхлопные трубы отдельных цилиндров подвержены воздействию горячего выхлопного газа, протекающего через них, только в ходе изменения топливного заряда этого отдельного цилиндра.

Помимо этого, следует принимать во внимание, что в области притока частичной выхлопной трубы, потоки выхлопных газов отдельных выхлопных труб должны отклоняться в большей или меньшей степени, чтобы иметь возможность объединять выхлопные трубы. Следовательно, отдельные потоки выхлопных газов в этой области имеют по меньшей мере частично, компонент скорости, который является перпендикулярным стенкам системы отвода выхлопных газов, за счет чего дополнительно увеличивается теплопередача от конвекции, и, следовательно, тепловая нагрузка головки блока цилиндров.

По этим причинам, следовательно, преимущественным является расположение по меньшей мере одного соединения рядом с частичной выхлопной трубой.

Головка блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению является, в частности, подходящей для двигателей внутреннего сгорания с наддувом, которые требуют эффективного и оптимизированного охлаждения вследствие более высоких температур выхлопных газов.

Варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с двумя головками блока цилиндров также являются двигателями внутреннего сгорания согласно изобретению. Двигатель внутреннего сгорания согласно изобретению может иметь две головки блока цилиндров, при этом, например, цилиндры разделяются на две группы цилиндров. Объединение выхлопных труб согласно изобретению в двух головках блока цилиндров осуществляется способом, описанным выше.

Таким образом, решается первая задача, на которой основано изобретение, а именно, предложен двигатель внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, который оптимизирован относительно жидкостного охлаждения.

Дополнительно, преимущественные варианты осуществления двигателей внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением поясняются в связи с зависимыми пунктами формулы изобретения.

Варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением являются преимущественными в том, что по меньшей мере одно соединение полностью интегрировано в головку блока цилиндров. Тем не менее, этот вариант осуществления отличается, например, от конструктивных исполнений головки блока цилиндров, в которых отверстие обеспечено в наружной стенке или снаружи головки блока цилиндров, причем это отверстие служит для подачи или извлечения хладагента в (или из) верхней и/или нижней охлаждающей рубашки. Такое отверстие не составляет соединение в смысле изобретения.

Здесь по меньшей мере одно соединение в качестве части производства головки может быть временно полностью открыто в направлении наружной стороны через смотровое отверстие, например, для извлечения песчаного стержня. Тем не менее, полностью обработанная головка блока цилиндров согласно рассматриваемому варианту осуществления имеет по меньшей мере одно соединение, полностью интегрированное в наружной стенке, для чего вообще должен быть закрыт предполагаемый доступ к соединению.

В принципе, также могут создаваться варианты осуществления, в которых подача хладагента или отведение хладагента осуществляется в области по меньшей мере одного соединения, для чего канал имеет ответвление по меньшей мере от одного соединения и выходит в наружной стенке.

Варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением являются преимущественными в том, что расстояние Δ по меньшей мере между одним соединением и частичной выхлопной трубой меньше половины диаметра D цилиндра, т.е. Δ≤0,5D, предпочтительно меньше одной четверти диаметра D цилиндра, т.е. Δ≤0,25D, при этом расстояние обусловлено разнесением между наружной стенкой частичной выхлопной трубы и наружной стенкой соединения. Чем короче расстояние, тем больше эффект охлаждения, достигаемый посредством по меньшей мере одного соединения, т.е. тем больше рассеяние тепла.

Варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением являются преимущественными в том, что по меньшей мере одно соединение расположено на стороне интегрированного частичного выхлопного коллектора, обращенной в сторону от четырех цилиндров. Это имеет преимущества относительно теплового баланса и конструкции. По меньшей мере одно соединение в определенном смысле находится снаружи интегрированного выхлопного коллектора, и, следовательно, в области, в которой доступное пространство больше, чем, например, в коллекторе, т.е. на стороне, обращенной к цилиндрам.

Варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением являются преимущественными в том, что обеспечены по меньшей мере два соединения, которые расположены на противоположных сторонах двух частичных выхлопных коллекторов Симметричная компоновка по меньшей мере двух соединений в области частичных выхлопных коллекторов или частичных выхлопных труб принимает во внимание тот факт, что система выхлопных труб, интегрированных в головке блока цилиндров, обычно формируется симметрично. Таким образом, согласованное формирование системы отвода выхлопных газов и охлаждения обеспечивает симметричное температурное распределение в головке блока цилиндров.

Варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением являются преимущественными в том, что по меньшей мере одно дополнительное соединение обеспечено в сегменте внутренней стенки, который разделяет два частичных выхлопных коллектора и выступает в систему отвода выхлопных газов.

Выхлопные трубы четырех цилиндров по меньшей мере одной головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению объединяются последовательно, при этом в каждом случае, крайний внешний цилиндр и смежный внутренний цилиндр формируют пару цилиндров, выхлопные трубы которых объединены в головке блока цилиндров в частичную выхлопную трубу, при этом эти частичные выхлопные трубы выходят из головки блока цилиндров отдельно друг от друга. Это достигается согласно изобретению посредством конструкционного, т.е. целевого признака двигателя внутреннего сгорания, а именно, того, что сегменты наружной стенки, которые разделяют выхлопные трубы пары цилиндров на сегменты, продолжаются в направлении наружной стороны головки блока цилиндров перпендикулярно продольной оси головки блока цилиндров на меньшее расстояние, чем сегмент внутренней стенки, который разделяет две частичных выхлопных трубы двух пар цилиндров в головке блока цилиндров.

Сегмент внутренней стенки, в частности, свободный конец этого сегмента, подвержен воздействию высокой тепловой нагрузки, поскольку этот сегмент выступает в систему отвода выхлопных газов, разделяет оба частичных выхлопных коллектора, и, следовательно, подвергается воздействию горячего выхлопного газа в коллекторе с обеих сторон. В этом смысле преимущественным является то, чтобы в целях охлаждения этого сегмента обеспечено по меньшей мере одно соединение или по меньшей мере одно дополнительное соединение в сегменте внутренней стенки.

В одном из вариантов осуществления предложен двигатель внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, в котором каждый цилиндр имеет по меньшей мере два выпускных отверстия для отведения выхлопных газов из цилиндра.

Варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением являются преимущественными в том, что обеспечен по меньшей мере один турбонагнетатель, приводимый в действие выхлопными газами, при этом турбина по меньшей мере одного турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами, расположена в объединенной выхлопной трубе и имеет область впуска для подачи выхлопных газов. Выхлопной газ четырех цилиндров полностью тем самым подается в турбину, при этом по меньшей мере одна турбина предпочтительно расположена близко к двигателю, чтобы иметь возможность оптимально использовать энтальпию выхлопов горячих выхлопных газов.

Преимущества турбонагнетателя, приводимого выхлопными газами, по сравнению с механическим нагнетателем, например, состоят в том, что отсутствует или не требуется механическое соединение для передачи мощности между нагнетателем и двигателем внутреннего сгорания. С учетом того, что механический нагнетатель извлекает энергию, требуемую для своей работы, полностью из двигателя внутреннего сгорания, турбонагнетатель, приводимый в действие выхлопными газами, использует энергию выхлопных газов горячих выхлопных газов. Энергия, выделяемая потоком выхлопных газов в турбине, используется для приведения в действие компрессора, который доставляет и сжимает наддувочный воздух, подаваемый в него, тем самым обеспечивая наддув в цилиндры. При возможности, обеспечивают охлаждение наддувочного воздуха, при котором сжатый воздух для сгорания охлаждается до того, как он входит в цилиндры.

Наддув служит, главным образом, для того, чтобы увеличивать мощность двигателя внутреннего сгорания. Тем не менее, наддув также является подходящим средством для переключения совокупной нагрузки, при идентичном периферийном состоянии транспортного средства, на более высокие нагрузки, при которых удельный расход топлива является более низким.

Зачастую, когда скорость вращения двигателя опускается ниже заданного уровня, наблюдается падение крутящего момента. Предпринимаются попытки для улучшения характеристик крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом за счет различных мер, например, через компактное конструктивное исполнение турбины в поперечном сечении и одновременный выпуск выхлопных газов. Такая турбина также называется турбиной с перепускной заслонкой. Если массовый расход выхлопных газов превышает критическое значение посредством открытия отсечного элемента, часть потока выхлопных газов направляют по турбине или рабочему колесу турбины посредством обводной магистрали в качестве части так называемого выпуска выхлопных газов.

Кроме того, характеристика крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом может быть улучшена посредством нескольких турбонагнетателей, размещаемых параллельно или последовательно, т.е. посредством нескольких турбин, размещаемых параллельно или последовательно.

Следовательно, варианты осуществления двигателей внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением являются преимущественными в том, что обеспечены по меньшей мере два турбонагнетателя, приводимых в действие выхлопными газами, при этом турбина турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами, расположена в каждой из двух частичных выхлопных труб.

Варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением являются преимущественными в том, что обеспечен по меньшей мере один турбонагнетатель, приводимый в действие выхлопными газами, при этом турбина по меньшей мере одного турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами, выполнена в виде двухпоточной турбины, содержащей два впускных канала, расположенных в области впуска, при этом каждый впускной канал соединен с частичной выхлопной трубой для подачи выхлопных газов. Частичные выхлопные трубы могут быть объединены в объединенную выхлопную трубу в турбине или ниже по потоку от турбины.

В принципе, турбина может иметь изменяемую геометрию турбины, что обеспечивает обширную адаптацию к соответствующей рабочей точке двигателя внутреннего сгорания посредством регулирования геометрии турбины или фактического поперечного сечения турбины. Здесь поворотные направляющие лопатки размещаются в области впуска турбины, так что они оказывают влияние на направление потока. В отличие от перемещающихся лопастей вращающегося рабочего колеса, направляющие лопасти не вращаются вместе с валом турбины.

Если турбина имеет фиксированную неизменную геометрию, направляющие лопасти размещаются не только стационарно, но также и абсолютно неподвижно в области впуска, т.е. жестко фиксируются. Тем не менее, при изменяемой геометрии направляющие лопасти фактически размещаются стационарно, но не абсолютно неподвижно, вместо этого они могут поворачиваться вокруг своих осей так, что они оказывают влияние на приток в перемещающиеся лопасти.

Варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением являются преимущественными в том, что наименьший диаметр ϕ по меньшей мере одного соединения меньше диаметра d выпускного отверстия цилиндра, т.е. ϕ≤d.

Диаметр ϕ по меньшей мере одного соединения оказывает влияние на скорость потока по меньшей мере в одном соединении, причем посредством уменьшения диаметра может повышаться скорость потока, увеличивая теплопередачу за счет конвекции. Уменьшение диаметра также имеет преимущества относительно механической прочности головки блока цилиндров.

Следовательно, по этим причинам варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением являются преимущественными в том, что наименьший диаметр ϕ по меньшей мере одного соединения меньше половины диаметра d выпускного отверстия цилиндра, т.е. ϕ≤0,5d.

Варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением также являются преимущественными в том, что наименьший диаметр ϕ по меньшей мере одного соединения меньше одной трети диаметра d выпускного отверстия цилиндра, т.е. ϕ≤0,33d.

Вторая задача, на которой основано изобретение, а именно, предложение способа работы двигателя внутреннего сгорания по способу, описанному выше, решается посредством способа, который характеризуется тем, что включает в себя этап, на котором инициируют сгорание в цилиндрах в последовательности 1-2-4-3, при этом цилиндры подсчитаны и пронумерованы от крайнего внешнего цилиндра в ряду вдоль продольной оси по меньшей мере одной головки блока цилиндров.

Формулировки, заданные для двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению, также применимы к способу согласно изобретению.

Выхлопные трубы четырех цилиндров по меньшей мере одной головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания объединены в головке блока цилиндров в частичные выхлопные трубы. В принципе, существует риск того, что цилиндры оказывают взаимное влияние на изменение топливного заряда, при этом частичная интеграция коллектора в головке блока цилиндров усиливает этот эффект. Тем не менее, этому можно противодействовать посредством надлежащей меры, а именно, посредством выбора последовательности зажигания, отклоняющейся от традиционной последовательности.

Согласно способу изобретения, цилиндры камеры внутреннего сгорания воспламеняют в последовательности 1-2-4-3 вместо традиционного шаблона зажигания 1-3-4-2. Начиная от первого цилиндра точки распределения зажигания в °CA являются следующими: 0-180-360-540. Нумерация цилиндров двигателя внутреннего сгорания регулируется по DIN 73021. Для рядных двигателей цилиндры подсчитываются в ряду от крайнего внешнего цилиндра.

Хотя, как и в случае традиционных последовательностей зажигания, крайний внешний цилиндр и смежный внутренний цилиндр воспламеняют в прямой последовательности, так что эти цилиндры имеют термодинамическое смещение в 180°CA, оказалось, что последовательность зажигания согласно изобретению является более преимущественной последовательностью. Причины подробнее описаны ниже на примере пары цилиндров, содержащей первый и второй цилиндры.

Согласно традиционной последовательности зажигания, второй цилиндр воспламеняется перед первым, так что по меньшей мере одно выпускное отверстие второго цилиндра находится в конце процесса закрытия, когда первый цилиндр открывает, т.е. освобождает свое по меньшей мере одно выпускное отверстие, чтобы инициировать изменение топливного заряда. Вследствие волны давления, выделяемой из первого цилиндра, выхлопной газ, уже отведенный из второго цилиндра, может быть обратно вовлечен во второй цилиндр. При возможности, выхлопной газ, выходящий из первого цилиндра, также может входить в ранее воспламененный второй цилиндр до того, как закрываются его выпускные клапаны.

Если теперь согласно последовательности зажигания в изобретении, сгорание инициируется в первом цилиндре до второго цилиндра, вышеуказанная проблема может исключаться при неизменном в других отношениях периферийном состоянии, т.е. при идентичных временах закрытия клапана, в частности, периодах времени открытия и при использовании идентичного коллектора и, в принципе, также при идентичных длинах прохождения выхлопных газов в системе отвода выхлопных газов.

Тот факт, что простое изменение последовательности зажигания двух смежных цилиндров приводит к этому результату, обусловлен различными длинами выхлопных труб от выпускного отверстия соответствующего цилиндра до точки частичного объединения этой пары цилиндров, в которой выхлопные трубы пары цилиндров объединены в частичную выхлопную трубу. Вследствие различных длин выхлопных труб, в системе отвода выхлопных газов свежий воздух, введенный во время процесса прочистки, формирует больший столб свежего воздуха в выхлопной трубе первого цилиндра, чем в выхлопной трубе второго цилиндра.

Если второй цилиндр теперь воспламеняют перед первым, волна давления, выделяемая из первого цилиндра, должна только принудительно направлять или возвращать обратно во второй цилиндр сравнительно короткий столб свежего воздуха до того, как идентичная волна давления вводит во второй цилиндр выхлопной газ, который уже отведен из второго цилиндра или вышел из первого цилиндра.

Тем не менее, если первый цилиндр воспламеняют перед вторым цилиндром, волна давления, выделяемая из второго цилиндра, должна принудительно направлять или возвращать обратно в первый цилиндр больший столб свежего воздуха до того, как идентичная волна давления вводит в первый цилиндр выхлопной газ, который уже отведен из первого цилиндра или вышел из второго цилиндра.

Способ согласно изобретению является способом работы компактного двигателя внутреннего сгорания с короткими выхлопными трубами, с помощью которого может быть исключена проблема взаимного влияния цилиндров на изменение топливного заряда.

Варианты осуществления способа являются преимущественными в том, что:

- каждый цилиндр оснащен устройством зажигания для инициирования внешнего зажигания, при этом способ включает в себя этап, на котором:

- цилиндры воспламеняют в последовательности 1-2-4-3, при этом цилиндры подсчитаны и пронумерованы от крайнего внешнего цилиндра в ряду вдоль продольной оси по меньшей мере одной головки блока цилиндров.

Разновидность способа выше относится к использованию способа в двигателе внутреннего сгорания с внешним зажиганием, например, в бензиновом двигателе с прямым впрыском топлива, цилиндры которого оснащены устройством зажигания для инициирования внешнего зажигания.

Тем не менее, варианты осуществления способа также являются преимущественными в том, что способ включает в себя этапы, на которых:

- цилиндры приводят в действие с использованием самовоспламенения, при этом

- самовоспламенение в цилиндрах инициируют в последовательности 1-2-4-3, при этом цилиндры подсчитаны и пронумерованы от крайнего внешнего цилиндра в ряду вдоль продольной оси по меньшей мере одной головки блока цилиндров.

Разновидность вышеописанного способа относится к способам, в которых сгорание инициируют посредством самовоспламенения, а, следовательно, также к способам работы, обычно используемым в дизельных двигателях.

Существует также возможность использования гибридного процесса сгорания с использованием самовоспламенения для обеспечения работы бензинового двигателя, например, так называемого способа HCCI (воспламенение от сжатия однородной смеси), который также известен как пространственное воспламенение или CAI (управляемое самовоспламенение). Этот способ основан на управляемом самовоспламенении топлива, подаваемого в цилиндр. Топливо (аналогично дизельному двигателю) здесь подают с избыточным воздухом, т.е. как суперстехиометрическое. Экономичный бензиновый двигатель вследствие низких температур сгорания имеет сравнительно низкие выделения оксида азота (NOx), а также в результате обедненой смеси вообще не имеет выделений сажи. Помимо этого, способ HCCI приводит к высокой термической эффективности. Топливо может быть введено как непосредственно в цилиндр, так и во впускной коллектор, при этом прямой впрыск также обеспечивает де-дросселирование двигателя внутреннего сгорания посредством исключения дроссельного клапана.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение теперь поясняется подробнее ниже в отношении примера варианта осуществления, показанного на фиг.1 и 2. Здесь:

Фиг.1 схематично показывает первый вариант осуществления головки блока цилиндров в поперечном сечении, и

Фиг.2 показывает вариант осуществления головки блока цилиндров, показанной на фиг.1, при виде сбоку в местном разрезе.

Описание наиболее предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Фиг.1 схематически показывает при виде в сечении головку 1 блока цилиндров по первому варианту осуществления двигателя внутреннего сгорания вместе с сегментом впускного кожуха 11 турбины 12.

Головка 1 блока цилиндров имеет четыре цилиндра 3, которые размещаются в ряд, т.е. вдоль продольной оси 2 головки 1 блока цилиндров. Следовательно, головка 1 блока цилиндров имеет два крайних внешних цилиндра 3a и два внутренних цилиндра 3b.

Каждый цилиндр 3 имеет два выпускных отверстия 4, с которыми соединяются выхлопные трубы 5 системы отвода выхлопных газов для отвода выхлопных газов. Выхлопные трубы 5 цилиндров 3 объединены последовательно в объединенную выхлопную трубу 7, при этом в каждом случае две выхлопных трубы 5 крайнего внешнего цилиндра 3a и две выхлопных трубы 5 смежного внутреннего цилиндра 3b, формирующие частичный выхлопной коллектор 10a, 10b, объединены в частичную выхлопную трубу 6, принадлежащую этой паре цилиндров, до того как две частичные выхлопные трубы 6 четырех цилиндров 3, 3a, 3b объединены в объединенную выхлопную трубу 7.

Две выхлопных трубы 5 крайнего внешнего цилиндра 3a и две выхлопных трубы 5 смежного внутреннего цилиндра 3b, соответственно, разделены на сегменты посредством сегмента 9a наружной стенки, который выступает в систему отвода выхлопных газов, и две частичных выхлопных трубы 6 и выхлопные трубы 5 двух внутренних цилиндров 3b разделены на сегменты посредством сегмента 9b внутренней стенки, который также выступает в систему отвода выхлопных газов. Сегменты 9a наружной стенки продолжены на меньшее расстояние в направлении наружной стороны 8 цилиндра 1, чем сегмент 9b внутренней стенки.

В варианте осуществления, показанном на фиг.1, сегмент 9b внутренней стенки продолжается со свободным концом 9c вплоть до наружной стороны 8 головки 1 блока цилиндров, так что потоки выхлопных газов частичных выхлопных труб 6 отделены друг от друга посредством сегмента 9b внутренней стенки до тех пор, пока они не выходят из головки 1 блока цилиндров, и система отвода выхлопных газов выходит из наружной стороны 8 головки 1 блока цилиндров в форме двух отверстий для выхлопных газов (см. фиг.2). Выхлопные трубы 5 цилиндров 3 или только частичные выхлопные трубы 6 пар цилиндров объединены в объединенную выхлопную трубу 7 снаружи головки 1 блока цилиндров. В этом смысле, выхлопной коллектор 10 только частично интегрирован в головке 1 блока цилиндров. Сегмент коллектора, расположенный в головке 1 блока цилиндров, содержит два частичных выхлопных коллектора 10a, 10b.

Турбина 12 турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами, расположена в объединенной выхлопной трубе 7 и адаптирована с областью 11 впуска к подаче выхлопных газов цилиндров 3. Объединенная выхлопная труба 7 или выхлопной коллектор 10 плавно переходит во впускной кожух 11 турбины 12 вследствие расположения турбины 12 близко к двигателю.

Двигатель внутреннего сгорания, показанный на фиг.1, имеет жидкостное охлаждение, которое содержит соединения 13.

Фиг.2 показывает вариант осуществления головки 1 блока цилиндров, показанной на фиг.1, при виде сбоку в частичном разрезе. Он поясняется только в качестве дополнения к фиг.1, к которому следует обращаться в иных случаях. Для идентичных компонентов используются идентичные ссылки с номерами.

Жидкостное охлаждение содержит две интегрированных охлаждающих рубашки 16a, 16b, при этом обеспечены нижняя охлаждающая рубашка 16a, которая расположена между выхлопными трубами 5, 6 и установочной поверхностью 14 головки 1 блока цилиндров, и верхняя охлаждающая рубашка 16b, которая расположена на стороне выхлопных труб 5, 6 напротив нижней охлаждающей рубашки 16a.

Между нижней охлаждающей рубашкой 16a и верхней охлаждающей рубашкой 16b обеспечены три соединения 13, которые служат для прохождения хладагента и которые расположены рядом с частичной выхлопной трубой 6. Соединения 13 продолжаются в установочную поверхность 14 и также служат для подачи в головку 1 хладагента через блок цилиндров.

Два соединения 13 расположены на стороне интегрированных частичных выхлопных коллекторов 10a, 10b, обращенной в сторону от четырех цилиндров 3, а именно, на противоположных сторонах двух частичных выхлопных коллекторов 10a, 10b. Дополнительное соединение 13 обеспечено в сегменте 9b внутренней стенки, который разделяет два частичных выхлопных коллектора 10a, 10b и выступает в систему отвода выхлопных газов.

Очевидно, что два частичных выхлопных коллектора 10a, 10b выходят на наружной стороне 8 головки 1 блока цилиндров в форме двух отверстий 15a, 15b для выпуска выхлопных газов. Два отверстия 15a, 15b для выпуска выхлопных газов смещены и расположены на расстоянии друг от друга вдоль продольной оси 2 головки 1 блока цилиндров, при этом отверстия 15a, 15b имеют идентичное разнесение от установочной поверхности 14 головки 1 блока цилиндров.

Список ссылочных позиций

1 - головка блока цилиндров

2 - продольная ось головки блока цилиндров

3 - цилиндр

3a - крайний внешний цилиндр

3b - внутренний цилиндр

4 - выпускное отверстие

5 - выхлопная труба

6 - частичная выхлопная труба

7 - объединенная выхлопная труба

8 - выпускная сторона снаружи головки блока цилиндров

9a - сегмент наружной стенки

9b - сегмент внутренней стенки

9c - свободный конец сегмента внутренней стенки

10 - выхлопной коллектор

10a - первый частичный выхлопной коллектор

10b - второй частичный выхлопной коллектор

11 - впускной кожух или область впуска турбины

12 - турбина

13 - соединение

14 - установочная поверхность

15a - отверстие для выпуска выхлопных газов

15b - отверстие для выпуска выхлопных газов

16a - нижняя охлаждающая рубашка

16b - верхняя охлаждающая рубашка

°CA, в градусах - угол поворота коленчатого вала

Δ - расстояние между соединением и частичной выхлопной трубой

D - диаметр цилиндра

ϕ - наименьший диаметр соединения

d - диаметр выпускного отверстия цилиндра

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением содержит по меньшей мере одну головку (1) блока цилиндров, которая соединена с установочной поверхностью (14) блока цилиндров. Головка (1) блока цилиндров содержит по меньшей мере одну интегрированную охлаждающую рубашку (16a), (16b). Двигатель внутреннего сгорания содержит четыре цилиндра, расположенных в ряд вдоль продольной оси головки (1) блока цилиндров. Каждый цилиндр имеет по меньшей мере одно выпускное отверстие для отведения выхлопных газов из цилиндра через систему отвода выхлопных газов, для чего выхлопная труба соединена с каждым выпускным отверстием. Выхлопные трубы цилиндров объединены последовательно в объединенную выхлопную трубу. Соответствующая по меньшей мере одна выхлопная труба крайнего внешнего цилиндра и по меньшей мере одна выхлопная труба смежного внутреннего цилиндра объединены в головке (1) блока цилиндров в частичную выхлопную трубу (6), формируя частичный выхлопной коллектор (10а), (10b), до того как две частичные выхлопные трубы (6) четырех цилиндров объединены снаружи головки (1) блока цилиндров в объединенную выхлопную трубу. Система отвода выхлопных газов выходит на наружной стороне головки (1) блока цилиндров в форме двух отверстий (15а), (15b) для выпуска выхлопных газов. Два отверстия (15а), (15b) для выпуска выхлопных газов смещены и расположены на расстоянии друг от друга вдоль продольной оси головки (1) блока цилиндров и имеют идентичное разнесение от установочной поверхности (14). Нижняя охлаждающая рубашка (16а) расположена между выхлопными трубами и установочной поверхностью (14) головки (1) блока цилиндров. Верхняя охлаждающая рубашка (16b), которая расположена на стороне выхлопных труб напротив нижней охлаждающей рубашки (16а). По меньшей мере одно соединение (13) выполнено между нижней охлаждающей рубашкой (16а) и верхней охлаждающей рубашкой (16b) и служит для прохождения хладагента. По меньшей мере одно соединение (13) расположено смежно с частичной выхлопной трубой (6). Раскрыт способ работы двигателя внутреннего сгорания. Технический результат заключается в улучшении охлаждения двигателя, в котором выхлопные трубы частично расположены в головке цилиндра. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением по меньшей мере с одной головкой (1) блока цилиндров, которая:

соединена на установочной поверхности (14) с блоком цилиндров и

содержит по меньшей мере одну интегрированную охлаждающую рубашку (16а, 16b),

причем двигатель внутреннего сгорания содержит четыре цилиндра (3), расположенных в ряд вдоль продольной оси (2) головки (1) блока цилиндров, при этом каждый цилиндр (3) имеет по меньшей мере одно выпускное отверстие (4) для отведения выхлопных газов из цилиндра (3) через систему отвода выхлопных газов, для чего выхлопная труба (5) соединена с каждым выпускным отверстием (4), и при этом

выхлопные трубы (5) цилиндров (3) объединены последовательно в объединенную выхлопную трубу (7), при этом соответствующая по меньшей мере одна выхлопная труба (5) крайнего внешнего цилиндра (3a) и по меньшей мере одна выхлопная труба (5) смежного внутреннего цилиндра (3b) объединены в головке (1) блока цилиндров в частичную выхлопную трубу (6), формируя частичный выхлопной коллектор (10а, 10b), до того как две частичные выхлопные трубы (6) четырех цилиндров (3, 3а, 3b) объединены снаружи головки (1) блока цилиндров в объединенную выхлопную трубу (7), так что система отвода выхлопных газов выходит на наружной стороне (8) головки (1) блока цилиндров в форме двух отверстий (15а, 15b) для выпуска выхлопных газов, при этом два отверстия (15а, 15b) для выпуска выхлопных газов смещены и расположены на расстоянии друг от друга вдоль продольной оси (2) головки (1) блока цилиндров и имеют идентичное разнесение от установочной поверхности (14),

при этом:

обеспечены нижняя охлаждающая рубашка (16а), которая расположена между выхлопными трубами (5, 6) и установочной поверхностью (14) головки (1) блока цилиндров, и верхняя охлаждающая рубашка (16b), которая расположена на стороне выхлопных труб (5, 6) напротив нижней охлаждающей рубашки (16а), при этом по меньшей мере одно соединение (13) обеспечено между нижней охлаждающей рубашкой (16а) и верхней охлаждающей рубашкой (16b) и служит для прохождения хладагента, причем по меньшей мере одно соединение (13) расположено смежно с частичной выхлопной трубой (6).

2. Двигатель по п. 1, в котором по меньшей мере одно соединение (13) полностью интегрировано в головку (1) блока цилиндров.

3. Двигатель по п. 1, в котором расстояние Δ по меньшей мере между одним соединением (13) и частичной выхлопной трубой (6) меньше половины диаметра D цилиндра (3), т.е. Δ≤0,5D.

4. Двигатель по п. 1, в котором расстояние Δ по меньшей мере между одним соединением (13) и частичной выхлопной трубой (6) меньше одной четверти диаметра D цилиндра (3), т.е. Δ≤0,25D.

5. Двигатель по п. 1, в котором по меньшей мере одно соединение (13) расположено на стороне интегрированных частичных выхлопных коллекторов (10а, 10b), обращенной в сторону от четырех цилиндров (3).

6. Двигатель по п. 1, в котором обеспечены по меньшей мере два соединения (13), которые расположены на противоположных сторонах двух частичных выхлопных коллекторов (10а, 10b).

7. Двигатель по п. 1, в котором по меньшей мере одно дополнительное соединение (13) обеспечено в сегменте (9b) внутренней стенки, который разделяет два частичных выхлопных коллектора (10а, 10b) и выступает в систему отвода выхлопных газов.

8. Двигатель по п. 1, в котором каждый цилиндр (3) имеет по меньшей мере два выпускных отверстия (4) для отведения выхлопных газов из цилиндра (3).

9. Двигатель по п. 1, в котором обеспечен по меньшей мере один турбонагнетатель, приводимый в действие выхлопными газами, при этом турбина (12) по меньшей мере одного турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами, расположена в объединенной выхлопной трубе (7) и имеет область (11) впуска для подачи выхлопных газов.

10. Двигатель по п. 1, в котором обеспечены по меньшей мере два турбонагнетателя, приводимых в действие выхлопными газами, при этом турбина (12) турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами, расположена в каждой из двух частичных выхлопных труб (6).

11. Двигатель по п. 1, в котором обеспечен по меньшей мере один турбонагнетатель, приводимый в действие выхлопными газами, при этом турбина (12) по меньшей мере одного турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами, выполнена в виде двухпоточной турбины, содержащей два впускных канала, расположенных в области (11) впуска, при этом каждый впускной канал соединен с частичной выхлопной трубой (6) для подачи выхлопных газов.

12. Двигатель по п. 1, в котором наименьший диаметр ϕ по меньшей мере одного соединения (13) меньше диаметра d выпускного отверстия (4) цилиндра (3), т.е. ϕ≤d.

13. Двигатель по п. 1, в котором наименьший диаметр ϕ по меньшей мере одного соединения (13) меньше половины диаметра d выпускного отверстия (4) цилиндра (3), т.е. ϕ≤0,5d.

14. Двигатель по п. 1, в котором наименьший диаметр ϕ по меньшей мере одного соединения (13) меньше одной трети диаметра d выпускного отверстия (4) цилиндра (3), т.е. ϕ≤0,33d.

15. Способ работы двигателя внутреннего сгорания по любому из пп. 1-14, включающий в себя этап, на котором инициируют сгорание в цилиндрах (3) в последовательности 1-2-4-3, при этом цилиндры (3) подсчитаны и пронумерованы от крайнего внешнего цилиндра (3а) в ряд вдоль продольной оси (2) по меньшей мере одной головки (1) блока цилиндров.

16. Способ по п. 15, в котором:

каждый цилиндр (3) снабжен устройством зажигания для инициирования внешнего зажигания, при этом способ включает в себя этап, на котором:

цилиндры (3) воспламеняют в последовательности 1-2-4-3, при этом цилиндры (3) подсчитаны и пронумерованы от крайнего внешнего цилиндра (3а) в ряд вдоль продольной оси (2) по меньшей мере одной головки (1) блока цилиндров.

17. Способ по п. 15, включающий в себя этапы, на которых:

цилиндры (3) приводят в действие с использованием самовоспламенения, при этом

самовоспламенение в цилиндрах (3) инициируют в последовательности 1-2-4-3, при этом цилиндры (3) подсчитаны и пронумерованы от крайнего внешнего цилиндра (3а) в ряд вдоль продольной оси (2) по меньшей мере одной головки (1) блока цилиндров.