СИЛОВАЯ УСТАНОВКА И АВТОМОБИЛЬ
POWER PLANT AND VEHICLE

Изобретение касается силовой установки и автомобиля, имеющего такую силовую установку.
Двигатели внутреннего сгорания (силовые установки) для автомобилей имеют, как правило, систему охлаждения, в которой охлаждающее средство перекачивается посредством одного или нескольких насосов по меньшей мере в одном контуре охлаждения и при этом отбирает тепловую энергию у интегрированных в контур охлаждения компонентов, в частности, собственно двигателя внутреннего сгорания, а также масляного радиатора и/или охладителя наддувочного воздуха. Затем эта тепловая энергия в радиаторе для теплообмена с окружающей средой, так называемом главном (водяном) радиаторе охлаждения, а также периодически в радиаторе отопления отдается окружающему воздуху, в случае радиатора отопления окружающему воздуху, предусмотренному для кондиционирования внутреннего помещения автомобиля.
Системы охлаждения современных автомобилей часто имеют несколько контуров охлаждения. Например, известно, что предусматривается так называемый большой или, соответственно, главный контур охлаждения, а также малый контур охлаждения, которые на отдельных участках выполнены интегрально, и при этом посредством управляемого термостатом клапана охлаждающее средство направляется либо через большой, либо через малый контур. Это осуществляется в зависимости от температуры охлаждающего средства, так что, например, в фазе прогрева силовой установки, когда охлаждающее средство еще не достигло предусмотренных пределов рабочей температуры, оно нагнетается в малом контуре охлаждения, вследствие чего главный охладитель, т.е. тот радиатор для теплообмена с окружающей средой, в котором охлаждающее средство охлаждается главным образом за счет перехода тепла к окружающему воздуху, обходится. Если охлаждающее средство, напротив, достигло пределов рабочей температуры, посредством управляемого термостатом клапана охлаждающее средство нагнетается в большом контуре охлаждения, так что благодаря переходу тепла от охлаждающего средства к окружающему воздуху предотвращается перегрев системы охлаждения. Радиатор отопления в качестве второго радиатора для теплообмена с окружающей средой, напротив, обычно интегрирован в малый контур охлаждения, вследствие чего также уже в фазе прогрева силовой установки становится возможным отопление внутреннего помещения автомобиля.
У автомобилей с традиционным приводом, у которых мощность привода движения вырабатывается исключительно посредством двигателя внутреннего сгорания, как правило, применяются так называемые насосы для охлаждающего средства с механическим приводом, которые сами приводятся в действие собственно двигателем внутреннего сгорания. Такие насосы для охлаждающего средства с механическим приводом могут иметь простое конструктивное исполнение, и поэтому экономичны в изготовлении. В качестве недостатка у насосов для охлаждающего средства с механическим приводом может, однако, проявляться зависимость частоты вращения привода насосов для охлаждающего средства от частот вращения валов отбора мощности (напр., коленчатых или распределительных валов) принадлежащих им двигателей внутреннего сгорания. Уже у автомобилей с традиционным приводом эта зависимость может негативно сказываться в том отношении, что расчет насоса для охлаждающего средства в отношении достаточной подачи при относительно низких частотах вращения мог бы приводить к выбору избыточной подачи при высоких частотах вращения вала отбора мощности двигателя внутреннего сгорания. Однако такая проблема может предотвращаться или по меньшей мере смягчаться при регулируем исполнении насоса для охлаждающего средства с механическим приводом. Такой регулируемый насос для охлаждающего средства с механическим приводом известен, например, из DE 10 2010 044 167 A1.
У систем охлаждения современных автомобилей главное регулирование расхода охлаждающего средства может, таким образом, осуществляться посредством регулируемых насосов для охлаждающего средства, в то время как управление распределением расхода по отдельным компонентам, имеющим каждый различную потребность в охлаждении, может осуществляться посредством клапанов, активируемых активно и, в частности, посредством термостатов. Например, DE 103 42 935 A1 раскрывает двигатель внутреннего сгорания, имеющий контур охлаждения, который включает в себя насос с механическим приводом от двигателя внутреннего сгорания. Расход подачи насоса зависит, таким образом, от частоты вращения двигателя внутреннего сгорания. Чтобы добиться индивидуально адаптированных расходов охлаждающего средства для нескольких теплообменников, интегрированных в контур охлаждения, таких как, в частности, каналы охлаждения картера блока цилиндров и коленчатого вала и головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания, а также радиатора отопления для отопления внутреннего помещения автомобиля с приводом от двигателя внутреннего сгорания, в контур охлаждения интегрированы несколько регулировочных клапанов, активируемых каждый индивидуально. Поэтому система, известная из DE 103 42 935 A1, конструктивно очень сложна.
Силовая установка (с ДВС) согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения описана в не опубликованной пока немецкой патентной заявке 10 2014 219 252.8. Эта силовая установка включает в себя регулировочное устройство, которое посредством исполнительного элемента, двигающего первую запорную заслонку, и второй запорной заслонки, пофазно движущейся вместе с первой запорной заслонкой, сравнительно простым образом обеспечивает возможность реализации адаптированной, в зависимости от режима работы, подачи охлаждающего средства к разным компонентам системы охлаждения силовой установки. При этом применяется насос для охлаждающего средства с механическим приводом, т.е. от вала двигателя внутреннего сгорания указанной силовой установки.
У гибридных транспортных средств, т.е. автомобилей, имеющих гибридный привод движения, у которых мощность привода движения по меньшей мере периодически вырабатывается как силовой установкой (непосредственно или опосредствованно), так и электродвигателем, двигатель внутреннего сгорания силовой установки часто, а также на долгий период времени отключается, хотя автомобиль приводится в действие и, в частности, также движется электрическим приводом движения. Чтобы и в таком рабочем состоянии гибридного транспортного средства (частично) поддерживать функциональную возможность системы охлаждения, например, чтобы обеспечить возможность охлаждения отдельных компонентов трансмиссии и/или темперирование внутреннего помещения автомобиля, у гибридных транспортных средств часто применяются электроприводные насосы для охлаждающего средства, привод которых осуществляется исключительно предусмотренным для этого электродвигателем. Имеющиеся для этого на рынке узлы из электродвигателя и насоса для охлаждающего средства относительно дороги.
В DE 20 2008 005 103 U1 раскрыта также возможность привода вспомогательных агрегатов двигателя внутреннего сгорания и, в том числе, насоса для охлаждающего средства посредством клиноременного привода от электродвигателя.
Исходя из этого уровня техники, в основе изобретения лежала задача, наиболее простым и экономичным образом обеспечить у силовой установки (с двигателем внутреннего сгорания) с системой охлаждения, которая включает в себя несколько компонентов, возможность адаптации течения охлаждающего средства через отдельные компоненты. При этом, в частности, в нерабочем состоянии двигателя внутреннего сгорания силовой установки должно быть возможно нагнетание охлаждающего средства, в частности, к радиатору отопления системы охлаждения.
Эта задача решается с помощью силовой установки по п.1 формулы изобретения. Автомобиль, имеющий такую силовую установку, является предметом пункта 13 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления предлагаемой изобретением силовой установки и предлагаемого изобретением автомобиля являются предметами зависимых пунктов формулы изобретения и вытекают из последующего описания изобретения. Предметом п.15 формулы изобретения является, кроме того, способ эксплуатации предлагаемого изобретением автомобиля.
Изобретение касается, во-первых, силовой установки, которая имеет по меньшей мере один двигатель внутреннего сгорания и систему охлаждения, причем эта система охлаждения включает в себя по меньшей мере один насос для охлаждающего средства, главный радиатор охлаждения, радиатор отопления, обходящий этот радиатор отопления байпас, каналы для охлаждающего средства в двигателе внутреннего сгорания, а также регулировочное устройство с (предпочтительно электрическим, при необходимости гидравлическим и/или пневматическим) исполнительным элементом для регулируемого распределения охлаждающего средства в зависимости от по меньшей мере одной локальной температуры охлаждающего средства, при этом предусмотрено, что регулировочное устройство при активировании исполнительного элемента в одном направлении (активирования или движения)
- в первом положении допускает течение охлаждающего средства через двигатель внутреннего сгорания и радиатор отопления и прекращает через байпас, а также радиатор для теплообмена с окружающей средой;
- во втором положении дополнительно допускает течение охлаждающего средства через байпас; и
- в третьем положении дополнительно (по сравнению с по меньшей мере указанным первым положением) допускает течение охлаждающего средства через главный радиатор охлаждения.
Такая силовая установка посредством интеллектуальной последовательности включения, соответственно, отключения отдельных компонентов системы охлаждения (которые могут регулироваться в отношении протекания через них охлаждающего средства) позволяет регулировать их посредством только одного активируемого исполнительного элемента.
В частности, при этом может быть предусмотрено, что в первом положении регулировочного устройства только относительно малый объемный поток охлаждающего средства нагнетается посредством насоса для охлаждающего средства через (обходящий главный радиатор охлаждения) малый контур охлаждения системы охлаждения, при этом протекание осуществляется только через двигатель внутреннего сгорания (по меньшей мере частично) и радиатор для отопления. Благодаря тому, что только относительно малый объемный поток охлаждающего средства нагнетается через двигатель внутреннего сгорания, в частности, в фазе прогрева силовой установки может достигаться быстрый нагрев соответствующего частичного количества охлаждающего средства и, следовательно, относительно ранняя активизация радиатора отопления и вместе с тем отопление автомобиля, для привода которого предпочтительно предусмотрена эта силовая установка.
Под «радиатором отопления» понимается, следовательно, радиатор, в котором осуществляется переход тепла от охлаждающего средства к окружающему воздуху, который предусмотрен для отопления внутреннего помещения автомобиля. Радиатор отопления представляет собой, таким образом, как и главный радиатор охлаждения, радиатор для теплообмена с окружающей средой.
Тогда путем подключения байпаса во втором положении регулировочного устройства при повышающейся рабочей температуре силовой установки может предотвращаться перегрев системы охлаждения, когда, также в малом контуре охлаждения и вместе с тем в обход главного радиатора охлаждения, двигателем внутреннего сгорания нагнетается больший объемный поток охлаждающего средства. Байпас, обходящий радиатор отопления, может быть при этом предпочтителен, потому что максимальный объемный поток через радиатор отопления, который ограничен поперечными сечениями гидравлических каналов радиатора отопления и ведущих к нему и от него трубопроводов системы охлаждения, предпочтительно имеет относительно малую величину и, следовательно, не весь объемный поток охлаждающего средства во втором положении регулировочного устройства может и должен направляться через радиатор отопления. Это справедливо, в частности, потому что может быть предусмотрено, чтобы охлаждающее средство протекало через радиатор отопления в первом и всех следующих за ним положениях регулировочного устройства.
Тогда в третьем положении регулировочного устройства осуществляется подключение главного радиатора охлаждения, который служит, в частности, исключительной цели охлаждения охлаждающего средства за счет перехода тепла от охлаждающего средства к окружающему воздуху. При этом может быть предусмотрено, чтобы в третьем положении регулировочного устройства охлаждающее средство нагнеталось в большом контуре охлаждения системы охлаждения.
Чтобы гарантировать, чтобы в третьем положении все охлаждающее средство направлялось либо через радиатор отопления, либо главный радиатор охлаждения, в одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемой изобретением силовой установки может быть предусмотрено, чтобы регулировочное устройство в третьем положении снова прекращало течение охлаждающего средства через байпас.
У такой силовой установки в соответствии с изобретением предусмотрено, что регулировочное устройство в нулевом положении, лежащем перед первым положением, прекращает течение охлаждающего средства через двигатель внутреннего сгорания и допускает через радиатор отопления.
Тем самым может создаваться контур отопления для охлаждающего средства, который, в частности, что касается компонентов системы охлаждения, названных в ограничительной части п.1 формулы изобретения, может включать в себя только насос для охлаждающего средства и радиатор отопления (а также частично регулировочное устройство). Это может позволить использовать функциональную возможность радиатора отопления и вместе с тем, в частности, эксплуатировать отопление внутреннего помещения предлагаемого изобретением автомобиля, включающего в себя по меньшей мере одну предлагаемую изобретением силовую установку (предпочтительно для выработки мощности привода движения), даже тогда, когда не является необходимой функциональная возможность охлаждения для охлаждения отдельных или всех остальных (подлежащих охлаждению) компонентов системы охлаждения.
Это может, в частности, происходить тогда, когда двигатель внутреннего сгорания предлагаемой изобретением силовой установки не работает, вследствие чего им не вырабатывается отходящее тепло, которое посредством охлаждающего средства должно было бы транспортироваться, в частности, к главному радиатору охлаждения и там отдаваться окружающему воздуху. Это может быть существенным, например, тогда, когда двигатель внутреннего сгорания силовой установки не работает, однако это относится к другим компонентам силовой установки (и вместе с тем самой силовой установке) и при необходимости также к предлагаемому изобретением автомобилю. Это может, например, происходить тогда, когда двигатель внутреннего сгорания в состоянии останова автомобиля был автоматически отключен («автоматика пуска-останова»), при этом должна по-прежнему поддерживаться функциональная возможность отопления внутреннего помещения автомобиля. Кроме того, соответствующее рабочее состояние автомобиля возможно тогда, когда он должен предварительно прогреваться перед предусмотренным использованием («функциональная возможность отопления при неработающем двигателе»).
Кроме того, нерабочее состояние двигателя внутреннего сгорания силовой установки при одновременной работе автомобиля (и при необходимости также других компонентов силовой установки) может быть предусмотрено тогда, когда он представляет собой гибридное транспортное средство, которое характеризуется дополнительным электрическим приводом движения. В рабочих состояниях такого гибридного транспортного средства, в которых мощность привода движения создается исключительно электрическим приводом движения, двигатель внутреннего сгорания, как правило, не работает, чтобы им не расходовалось топливо. Тем не менее, даже в этих рабочих состояниях при необходимости должна быть обеспечена функциональная возможность отопления внутреннего помещения.
Чтобы также в нерабочем состоянии двигателя внутреннего сгорания обеспечить возможность привода насоса для охлаждающего средства, может быть предпочтительно предусмотрено, чтобы привод нагнетательного элемента и, в частности, насосного колеса насоса для охлаждающего средства мог осуществляться посредством электродвигателя.
Чтобы при этом обеспечить возможность как можно более гибкого позиционирования электродвигателя, может быть также предпочтительно предусмотрено, чтобы привод нагнетательного элемента мог осуществляться посредством передачи, в частности ременной передачи (напр., зубчатой ременной передачи) или зубчатой передачи, от электродвигателя.
Кроме того, тогда предпочтительно может быть предусмотрен контур охлаждения привода насоса охлаждения для охлаждения электродвигателя и/или принадлежащей электродвигателю силовой электроники. Этот контур охлаждения привода насоса охлаждения предпочтительно выполнен непосредственным, так что охлаждающее средство, нагнетаемое нагнетательным элементом насоса для охлаждающего средства (в частности, отдельный поток общего потока, нагнетаемого насосом для охлаждающего средства), направлялось исключительно через электродвигатель и/или принадлежащую ему силовую электронику и не использовалось для охлаждения других компонентов.
Кроме того, предпочтительно может быть предусмотрено, чтобы электродвигатель и/или принадлежащая ему силовая электроника была помещена в том же самом корпусе, в который также интегрирован насос для охлаждающего средства, или закреплена на нем. В частности, это может позволить по меньшей мере частично интегрировать в этот корпус каналы охлаждения, образующие контур охлаждения привода насоса охлаждения. Особенно предпочтительно может быть предусмотрено, чтобы (цельный или составной) корпус (по меньшей мере) вмещал в себя, соответственно, интегрировал насос для охлаждающего средства, регулировочное устройство и электродвигатель, а также опционально и принадлежащую ему силовую электронику.
Кроме того, благодаря предусмотренной изобретением возможности электрического привода насоса для охлаждающего средства силовой установки относительно простым образом создается возможность повышения производительности насоса для охлаждающего средства и вместе с тем мощности охлаждения системы охлаждения по сравнению с насосами для охлаждающего средства с чисто механическим приводом при относительно низких частотах вращения двигателя внутреннего сгорания. Эта улучшенная мощность охлаждения при относительно низких частотах вращения двигателя внутреннего сгорания может позволить заставить двигатель внутреннего сгорания работать с более высокими степенями сжатия, при этом, как правило, получающаяся вследствие более высоких степеней сжатия более высокая склонность к детонации, которая, в частности, может констатироваться при относительно низких частотах вращения двигателя внутреннего сгорания, может компенсироваться улучшенной мощностью охлаждения. Это, в частности, может позволить выполнить двигатель внутреннего сгорания в виде двигателя Аткинсона или по меньшей мере таким образом, чтобы он мог работать в производном процессе Аткинсона, что по меньшей мере частично может сопровождаться относительно высокой степенью сжатия газа в двигателе внутреннего сгорания и тем самым с относительно высокой склонностью к детонации.
Двигатель Аткинсона известным образом принципиально отличается различными ходами поршня и тем самым рабочими объемами, с одной стороны, для всасывания и сжатия, а с другой стороны, расширения и выталкивания. Это может реализовываться с помощью дополнительного кривошипно-шатунного механизма и другого шатуна между коленчатым валом и поршнем. Тогда за один оборот коленчатого вала поршень дважды ходит вверх и вниз. Преимущество заключается в том, что газ, благодаря увеличенному ходу расширения поршня, дополнительно разжимается, и при этом температура выхлопного газа уменьшается, вследствие чего может повышаться коэффициент полезного действия. Однако одновременно падает удельная мощность на единицу рабочего объема. При так называемом производном процессе Аткинсона действия различных ходов поршня у традиционных четырехтактных двигателей с поступательным движением поршней (в частности, двигателей Отто) имитируются измененными фазами газораспределения клапанов и, в частности, увеличенными фазами открытия выпускных клапанов.
Так как в нулевом положении регулировочного устройства протекание через двигатель внутреннего сгорания (и, в частности, также все остальные компоненты, обычно передающие тепловую энергию охлаждающему средству) не предусмотрено, он (а также эти другие компоненты) в качестве источника тепла для отопления внутреннего помещения отпадает. Поэтому предпочтительно в систему охлаждения интегрировано нагревательное устройство, через которое в нулевом положении регулировочного устройства может протекать охлаждающее средство (соответственно, протекает через него при работе насоса для охлаждающего средства). Таким образом, это нагревательное устройство, которое, например, может представлять собой электрическое (напр., нагревательный элемент с положительным температурным коэффициентом) или химическое (напр., латентный тепловой аккумулятор) нагревательное устройство, в соответствующих рабочих состояниях силовой установки, соответственно, автомобиля может служить запасным источником тепла, чтобы поддерживать функциональную возможность отопления внутреннего помещения автомобиля.
В также предпочтительном варианте осуществления предлагаемой изобретением силовой установки может быть предусмотрено, чтобы регулировочное устройство в первом, втором и/или третьем положении, в частности во всех положениях, за исключением нулевого положения, прекращало непосредственное (т.е. не направляемое по меньшей мере через один из остальных компонентов, названных в ограничительной части п.1 формулы изобретения) соединение между насосом для охлаждающего средства и радиатором отопления. Это может достигаться конструктивно предпочтительным образом таким образом, что регулировочное устройство в нулевом положении закрывает образованное трубопроводами для охлаждающего средства системы охлаждения соединение между насосом для охлаждающего средства и двигателем внутреннего сгорания и одновременно открывает соединение между насосом для охлаждающего средства и радиатором отопления. То и другое может осуществляться, в частности, посредством одного единственного закрывающего элемента. Благодаря этому можно избежать того, чтобы во время работы двигателя внутреннего сгорания часть охлаждающего средства нагнеталась непосредственно от насоса для охлаждающего средства к радиатору отопления, вследствие чего эта часть охлаждающего средства не поглощала бы тепловую энергию подлежащих охлаждению компонентов силовой установки и, в частности, двигателя внутреннего сгорания, что, однако, при работе двигателя внутреннего сгорания желательно, чтобы, в частности, можно было обходиться без предусмотренной при необходимости эксплуатации дополнительного нагревательного устройства.
Предпочтительно может быть предусмотрено, чтобы все положения регулировочного устройства, за исключением нулевого положения (и третьего положения в нерабочем состоянии силовой установки, соответственно, автомобиля) устанавливались только при работе двигателя внутреннего сгорания.
Предпочтительное охлаждение двигателя внутреннего сгорания предлагаемой изобретением силовой установки может достигаться, когда как корпус блока цилиндра (в частности, корпус блока цилиндров с кратером коленчатого вала), так и головка блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания имеет по меньшей мере по одному каналу охлаждения, причем через эти каналы охлаждения управляемым регулировочным устройством образом соответственно потребности протекает охлаждающее средство. При этом, в частности, может быть предусмотрено, чтобы регулировочное устройство в первом положении допускало течение охлаждающего средства через канал для охлаждающего средства головки блока цилиндров и прекращало через канал для охлаждающего средства корпуса блока цилиндров. Это позволяет, чтобы при работе двигателя внутреннего сгорания силовой установки во время фазы прогрева охлаждающее средство направлялось только через головку блока цилиндров (и радиатор отопления) силовой установки, которая по сравнению с корпусом блока цилиндров подвергается более высокой термической нагрузке и имеет более низкую массу, которая в этом рабочем состоянии силовой установки при необходимости еще поглощает тепловую энергию из охлаждающего средства, вследствие чего может достигаться не только предпочтительный для мощности нагрева радиатора отопления быстрый нагрев охлаждающего средства, но и одновременно также уже охлаждение для головки блока цилиндров. Протекание через канал для охлаждающего средства корпуса блока цилиндров, напротив, еще не предусмотрено, что может позволить, чтобы в этом рабочем состоянии мог достигаться более быстрый нагрев стенок блока цилиндров корпуса блока цилиндров, что положительно сказывается на потерях на трение между цилиндром и поршнем, а также характеристики выбросов силовой установки.
Включение канала для охлаждающего средства корпуса блока цилиндров в систему охлаждения осуществляется предпочтительно только в промежуточном положении регулировочного устройства, находящимся между вторым положением и третьим положением, причем тогда рабочая температура силовой установки может быть уже настолько высока, чтобы было также целесообразно или необходимо охлаждение корпуса блока цилиндров.
В одном также предпочтительном варианте осуществления предлагаемой изобретением силовой установки может быть, кроме того, предусмотрено, чтобы была возможна ступенчатая или бесступенчатая перестановка между по меньшей мере двумя из положений регулировочного устройства, так чтобы регулировочное устройство могло устанавливаться на одну или несколько частичных ступеней, а также удерживаться на них. Благодаря этому может достигаться улучшенная адаптация протекания охлаждающего средства через отдельные компоненты в зависимости от фактической потребности.
Кроме того, может быть предусмотрено, чтобы регулировочное устройство, в зависимости от поля рабочих характеристик двигателя внутреннего сгорания силовой установки, могло переставляться между по меньшей мере двумя положениями регулировочного устройства и, в частности, между вторым положением и третьим положением. В таком поле рабочих характеристик может быть, в частности, нанесена нагрузка в зависимости от частоты вращения, с которой работает двигатель внутреннего сгорания силовой установки. Благодаря этому может предпочтительным образом осуществляться управление переходом тепла от охлаждающего средства к окружающему воздуху в главном радиаторе охлаждения, в зависимости от рабочего состояния, и, следовательно, в зависимости от выработки тепла двигателя внутреннего сгорания. Это позволяет, например, поддерживать по возможности постоянную температуру охлаждающего средства или по необходимости регулировать на заданное значение (пределы значений), которое, в частности, также может быть зависимо от рабочего состояния двигателя внутреннего сгорания. В частности, при относительно низкой нагрузке и/или частоте вращения может устанавливаться или регулироваться более высокая температура охлаждающего средства, которая может приводить к соответственно высокой температуре масла и вместе с тем относительно низким потерям на трение. При более высокой нагрузке и/или частоте вращения температура охлаждающего средства может, напротив, снижаться для защиты двигателя внутреннего сгорания от термической перегрузки. Благодаря этому может обеспечиваться возможность упреждающего регулирования температуры охлаждающего средства, которое, например, в отличие от соответствующего регулирования посредством сенсора температуры, не выполнено реагирующим на уже осуществленное изменение температуры. При этом особенно предпочтительно может быть предусмотрено наличие ступенчатой или бесступенчатой перестановки между указанными по меньшей мере двумя положениями, в зависимости от поля рабочих характеристик двигателя внутреннего сгорания.
В одном из относительно конструктивно просто реализуемых вариантов осуществления предлагаемой изобретением силовой установки может быть предусмотрено, чтобы регулировочное устройство включало в себя запорную заслонку поступательно и/или вращательно движимую исполнительным элементом, движение которой, вызываемое исполнительным элементом, приводит к соответствующему положениям регулировочного устройства закрыванию или открыванию впусков и/или выпусков, которые (в комбинации с соответствующими трубопроводами для охлаждающего средства) гидравлически соединяют регулировочное устройство с соответствующими компонентами системы охлаждения.
Возможно, может быть также предпочтительно, если регулировочное устройство включает в себя больше одной запорной заслонки, причем тогда предпочтительно предусмотрено, чтобы только первая из запорных заслонок двигалась исполнительным элементом, в то время как движение другой или других запорных заслонок (по меньшей мере на одном участке движения первой запорной заслонки) вызывается первой запорной заслонкой.
Конструктивно предпочтительным оказалось, если регулировочное устройство включает в себя движимую исполнительным элементом первую запорную заслонку и движимую первой запорной заслонкой вторую запорную заслонку, при этом вторая запорная заслонка предусмотрена (предпочтительно исключительно) для достижения нулевого положения и первого положения регулировочного устройства за счет того, что закрытое положение второй запорной заслонки обеспечивает нулевое положение регулировочного устройства, а для достижения первого положения она движется в открытое положение. Особенно предпочтительно при этом может быть предусмотрено, чтобы первая запорная заслонка только частично двигала вместе с собой вторую запорную заслонку в переделах ее движения. Это позволяет получить, в частности, упрощенные варианты осуществления второй запорной заслонки, которая в предпочтительном варианте осуществления предлагаемой изобретением силовой установки только при перестановке регулировочного устройства движется между нулевым положением и первым положением (и при необходимости по-другому), в то время как движение второй запорной заслонки при перестановке регулировочного устройства между другими положениями посредством первой запорной заслонки больше не предусмотрено. Такая связь первой и второй запорной заслонки может достигаться, например, посредством соединительной рычажной передачи, мальтийского механизма и/или кулачкового механизма.
Фиксация положения второй запорной заслонки, при необходимости не соединенной постоянно с первой запорной заслонкой, может, в частности, основываться на силовом замыкании за счет того, что для движения второй запорной заслонки необходимы силы, преодолевающие силовое замыкание, которые больше, чем те силы, которые появляются вследствие массы второй запорной заслонки, т.е. обусловлены силой инерции или силой тяжести, и/или вследствие гидравлического давления охлаждающего средства на вторую запорную заслонку в направлениях движения, ставших возможными вследствие опоры второй запорной заслонки. Альтернативно или дополнительно может быть также предусмотрена фиксация положения с геометрическим замыканием. При этом в частности, фиксация положения второй запорной заслонки может осуществляться с помощью первой запорной заслонки.
Один из конструктивно простых и, в частности, предпочтительных в отношении необходимого конструктивного пространства вариантов осуществления предлагаемой изобретением силовой установки отличается тем, что запорная заслонка или заслонки выполнены в виде вращающейся заслонки.
Активирование исполнительного элемента регулировочного устройства осуществляется также предпочтительно в зависимости от предусмотренной для двигателя внутреннего сгорания локальной температуры, которая, таким образом, особенно предпочтительно измеряется в канале для охлаждающего средства (особенно предпочтительно в месте, которое расположено ближе к выпуску этого канала для охлаждающего средства, чем к впуску) и/или в участке системы охлаждения, присоединенном к выпуску этого канала для охлаждающего средства. Для этого предлагаемая изобретением силовая установка может иметь сенсор температуры охлаждающего средства, расположенный в канале для охлаждающего средства двигателя внутреннего сгорания или в трубопроводе для охлаждающего средства, присоединяющемся в направлении течения охлаждающего средства непосредственно к этому каналу для охлаждающего средства.
Поскольку при этом должен быть предусмотрен только один сенсор температуры, он предпочтительно расположен в канале для охлаждающего средства головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Улучшенное регулирование распределения охлаждающего средства посредством регулировочного устройства может, однако, достигаться таким образом, что оно активируется в зависимости как от локальной температуры охлаждающего средства в головке блока цилиндров, так и локальной температуры охлаждающего средства в корпусе блока цилиндров. Соответственно этому может быть предусмотрен первый сенсор температуры охлаждающего средства, расположенный в канале для охлаждающего средства головки блока цилиндров и второй сенсор температуры охлаждающего средства, расположенный в канале для охлаждающего средства корпуса блока цилиндров.
Предлагаемый изобретением автомобиль может, в частности, представлять собой колесный автомобиль (предпочтительно легковой автомобиль или грузовой автомобиль).
Неопределенные упоминания (неопределенные артикли «одно», «одна», «один» и «одного») наличия компонентов, в частности в пунктах формулы изобретения и в описании, поясняющем эти пункты формулы изобретения в общем, как таковые не должны пониматься как числительные. Соответственно конкретизированные этими упоминаниями компоненты должны при этом пониматься так, что они имеются по меньшей мере в количестве одного, а могут иметься в большем количестве.
Предлагаемая изобретением силовая установка ниже поясняется подробнее на одном из примеров осуществления, изображенном на чертежах. На чертежах показано:
фиг.1: предлагаемая изобретением силовая установка схематично на блок-схеме;
фиг.2: регулировочное устройство для предлагаемой изобретением силовой установки на первом виде в перспективе;
фиг.3: регулировочное устройство в соответствии с фиг.2 на втором виде в перспективе;
фиг.4: регулировочное устройство в соответствии с фиг.2 и 3 в покомпонентном изображении;
фиг.5: регулировочное устройство в соответствии с фиг.2-4 с только частично показанным корпусом;
фиг.6: исполнительный элемент и непосредственно или опосредствованно приводимые им в действие запорные заслонки регулировочного устройства в соответствии с фиг.2-5 в отдельном изображении;
фиг.7: поперечное сечение регулировочного устройства в соответствии с фиг.2-6 с регулировочным устройством в нулевом положении;
фиг.8: изображение в соответствии с фиг.7 с регулировочным устройством в первом положении;
фиг.9: привод насоса для охлаждающего средства, интегрированного в корпус регулировочного устройства в соответствии с фиг.2-8, посредством электродвигателя; и
фиг.10: протекание охлаждающего средства через отдельные компоненты предлагаемой изобретением силовой установки в соответствии с фиг.1 в зависимости от разных положений принадлежащего ей регулировочного устройства при приведенном в действие насосе для охлаждающего средства.
На фиг.1 схематично показана предлагаемая изобретением силовая установка. Она включает в себя двигатель 10 внутреннего сгорания, который, например, может быть выполнен в виде двигателя внутреннего сгорания с поступательным движением поршней, работающего по принципу Дизеля или Отто, и включает в себя корпус 12 блока цилиндров, а также головку 14 блока цилиндров. Кроме того, силовая установка имеет еще регулировочное устройство 16 с первой запорной заслонкой 18, второй запорной заслонкой 20 и исполнительным элементом 22. Первая запорная заслонка 18 может двигаться посредством исполнительного элемента 22, в то время как вторая запорная заслонка 20 в участке возможного общего движения первой запорной заслонки 18 движется ею вместе с ней.
Регулировочное устройство 16 интегрировано в систему охлаждения силовой установки. В эту систему охлаждения интегрированы, кроме того, еще каналы 24, 26 для охлаждающего средства корпуса 12 блока цилиндров и головки 14 блока цилиндров, радиатор 28 отопления, главный радиатор 30 охлаждения, а также насос 32 для охлаждающего средства. При этом отдельные компоненты системы охлаждения гидравлически соединены посредством трубопроводов для охлаждающего средства. Кроме того, система охлаждения включает в себя еще байпас 34, который, обходя как радиатор 28 отопления, так и главный радиатор 30 охлаждения, соединяет выпуск 84 регулировочного устройства 16 с впуском 46 насоса 32 для охлаждающего средства.
На фиг.2-9 показан один из возможных конструктивных вариантов осуществления регулировочного устройства 16 в соответствии с фиг.1. У этого регулировочного устройства 16 запорные заслонки 18, 20 выполнены в виде вращающихся заслонок, которые, в зависимости от их данной ориентации вращения, закрывают или открывают впуски и выпуски для охлаждающего средства, текущего через регулировочное устройство 16.
Регулировочное устройство 16 включает в себя корпус 36, в который также интегрировано насосное колесо 38 насоса 32 для охлаждающего средства, выполненного в виде лопастного насоса. Вращение насосного колеса 38 и вместе с тем нагнетание охлаждающего средства в системе охлаждения осуществляется электродвигателем 108, который через зубчато-ременную передачу соединен с валом 40 насосного колеса 38. Зубчато-ременная передача включает в себя соединенное с валом 40 насосного колеса 38 первый ременный шкив 42, соединенный с валом электродвигателя 108 второй ременный шкив 110 и зубчатый ремень 112 (сравн. фиг.9).
Второй ременный шкив 110, подобно стакану, окружает выступающий из корпуса 114 головки блока цилиндров участок крышки 116 распределительного вала, причем этот участок крышки 116 распределительного вала, подобно стакану, окружает выдающийся из корпуса 114 головки блока цилиндров концевой участок распределительного вала 118, ориентированного примерно коаксиально валу электродвигателя 108. Такая головка 14 блока цилиндров подходит (без существенных конструктивных изменений) как для изображенной здесь комбинации с насосом 32 для охлаждающего средства, приводимым в действие электродвигателем 108, так и для механического привода насоса 32 для охлаждающего средства, в котором при отсутствии электродвигателя 108 и крышки 116 распределительного вала подходящий (второй) ременный шкив как часть зубчато-ременной передачи соединен с выдающимся из корпуса 114 головки блока цилиндров концевым участком распределительного вала 118. Выбор опционального привода насоса 32 для охлаждающего средства посредством либо электродвигателя 108, либо распределительного вала 118, может, в частности, делаться в зависимости от того, комбинируется ли силовая установка в гибридном транспортном средстве с дополнительным электрическим приводом движения, или этого в традиционном автомобиле нет. В первом случае вследствие привода насоса 32 для охлаждающего средства посредством электродвигателя 108 могут реализовываться существенные преимущества, в то время как во втором случае привод насоса 32 для охлаждающего средства с помощью распределительного вала 118 может быть осуществим более экономично.
Для нагнетания охлаждающего средства охлаждающее средство подается к насосному колесу 38 через первый впуск 44 и второй впуск 46 насоса 32 для охлаждающего средства. Первый впуск 44 через трубопровод для охлаждающего средства соединен с выпуском 50 главного радиатора 30 охлаждения. Второй впуск 46 через трубопроводы для охлаждающего средства соединен как с байпасом 34, так и с выпуском 52 радиатора 28 отопления. При этом предусмотрено, что трубопровод для охлаждающего средства, образующий байпас 34, интегрирован в корпус 36 в виде канала.
Вследствие вращения насосного колеса 38 охлаждающее средство направляется через выполненный внутри корпуса 36 канал 54 для охлаждающего средства к первому выпуску 56 регулировочного устройства 16. Этот первый выпуск 56 в нулевом положении 58 регулировочного устройства 16 закрыт посредством закрывающего элемента 60 находящейся в закрытом положении второй запорной заслонки 20 (сравн. также фиг.7). При этом прекращено нагнетание охлаждающего средства через двигатель 10 внутреннего сгорания. Однако, одновременно закрывающим элементом 60 открыто соединение между каналом 54 для охлаждающего средства, идущим от насосного колеса 38, и вторым выпуском 120 регулировочного устройства 16, так что нагнетаемое насосом 32 для охлаждающего средства охлаждающее средство через второй выпуск 120 и (не изображенные на фиг.4 и 5) присоединительные патрубки 124 направляется, например, через электрически действующее нагревательное устройство 122 к впуску 64 радиатора 28 отопления, а от него снова к насосу 32 для охлаждающего средства. В нулевом положении 58 регулировочного устройства 16 охлаждающее средство, соответственно этому, нагнетается в контуре отопления, включающем в себя только нагревательное устройство 122, радиатор 28 отопления и насос 32 для охлаждающего средства. При неработающем двигателе внутреннего сгорания 10 это происходит при одновременно поддерживаемой функциональной возможности отопления внутреннего помещения, снабжаемого тепловой энергией посредством радиатора 28 отопления, как это, в частности, может быть обеспечено у гибридного транспортного средства, включающего в себя предлагаемую изобретением силовую установку, во время временного предоставления мощности привода движения исключительно посредством дополнительного электрического привода движения.
В нулевом положении 58 регулировочного устройства 16 первая запорная заслонка 18 находится в ориентации, при которой третий выпуск 62 регулировочного устройства, который через трубопровод для охлаждающего средства тоже соединен с впуском 64 радиатора 28 отопления, закрыт посредством первого закрывающего элемента 66 первой запорной заслонки 18.
Во время холодного пуска силовой установки предусмотрено отсутствие нагнетания охлаждающего средства через систему охлаждения за счет того, что электродвигатель 108 не задействован. Холодный пуск силовой установки отличается тем, что компоненты силовой установки имеют температуры, которые по существу соответствуют температуре окружающей среды, однако по меньшей мере лежат ниже заданной предельной температуры. Таким образом устраняется охлаждающее действие охлаждающего средства для разных подлежащих охлаждению компонентов системы охлаждения, так что они, и, в частности, головка 14 блока цилиндров, первично при эксплуатации силовой установки передающая отходящее тепло, нагреваются наиболее быстрым возможным образом, что положительно сказывается на расходе топлива и составе выхлопного газа, вырабатываемого двигателем 10 внутреннего сгорания.
После холодного пуска силовой установки и достижения заданного первого предельного значения локальной температуры охлаждающего средства, которая измеряется посредством первого сенсора 70 температуры охлаждающего средства, интегрированного вблизи выпуска 68 головки 14 блока цилиндров в канал 26 для охлаждающего средства, осуществляется перестановка регулировочного устройства 16 из нулевого положения 58 в первое положение 72 посредством исполнительного элемента 22. Для этого исполнительный элемент 22 активируется управлением 86 двигателя силовой установки, которому передается сигнал сенсора 70 температуры охлаждающего средства. При этом может быть предусмотрено, чтобы перестановка регулировочного устройства 16 из нулевого положения 58 в первое положение 72 производилась ступенчато или бесступенчато в зависимости от локальной температуры охлаждающего средства, измеренной посредством первого сенсора 70 температуры охлаждающего средства, путем связанного с подъемом температуры вращения первой запорной заслонки 18 и еще связанной с ней при вращении второй запорной заслонки 20. При этом допускается также возможность промежуточного обратного вращения запорных заслонок 18, 20. Вращение первой запорной заслонки 18 осуществляется посредством исполнительного элемента 22, который соединен с первой запорной заслонкой 18 через вал 48.
В первом положении регулировочного устройства 16 вторая запорная заслонка 20 находится в открытом положении, в котором первый выпуск 56 больше не закрыт закрывающим элементом 60, а по существу полностью открыт. Однако одновременно закрывающий элемент 60 второй запорной заслонки 20 закрывает теперь уже второй выпуск 120, вследствие чего контур отопления, обходящий двигатель 10 внутреннего сгорания, прерван.
В первом положении регулировочного устройства 16 первая запорная заслонка 18 находится в ориентации, в которой ее первый закрывающий элемент 66 больше не закрывает третий выпуск 62, а по существу полностью открывает. Одновременно второй закрывающий элемент 74 первой запорной заслонки 18 закрывает соединенный с выпуском 76 корпуса 12 блока цилиндров первый впуск 78 регулировочного устройства 16, соединенный с впуском 80 главного радиатора 30 охлаждения посредством трубопровода для охлаждающего средства четвертый выпуск 82 регулировочного устройства 16, а также соединенный с байпасом 34 пятый выпуск 84 регулировочного устройства 16. В первом положении регулировочного устройства 16 осуществляемое насосом 32 для охлаждающего средства циркулирующее нагнетание охлаждающего средства происходит только в малом контуре охлаждения, включающем в себя насос 32 для охлаждающего средства, регулировочное устройство 16, головку 14 блока цилиндров и радиатор 28 отопления.
После достижения заданного второго предельного значения локальной температуры охлаждающего средства, измеренной посредством указанного первого сенсора 70 температуры охлаждающего средства, в головке 14 блока цилиндров регулировочное устройство 16 из первого положения 72 переставляется во второе положение 88. При этом первая запорная заслонка 18 поворачивается в ориентацию, в которой вторым закрывающим элементом 74 все больше открывается пятый выпуск 84, вследствие чего байпас 34 параллельно радиатору 28 отопления интегрируется в малый контур охлаждения. При этом первый впуск 78 и четвертый выпуск 82 регулировочного устройства 16 по-прежнему закрыты первой запорной заслонкой 18. Вторая запорная заслонка 20 во время этого движения первой запорной заслонки 18 остается в своем открытом положении, так как она больше не связана при вращении с первой запорной заслонкой 18.
Благодаря интеграции байпаса 34 в контур охлаждения весь нагнетаемый расход охлаждающего средства может повышаться для достижения соответственно высокой мощности охлаждения головки 14 блока цилиндров.
Эта только пофазная вращательная связь первой запорной заслонки 18 со второй запорной заслонкой осуществляется с помощью сегментных зубчатых венцов 94, которые находятся в зацеплении друг с другом только тогда, когда первая запорная заслонка 18 вращается между нулевым положением 58 и первым положением 72 регулировочного устройства 16 туда и обратно. Фиксация положения второй запорной заслонки 20 в ее открытом положении достигается с геометрическим замыканием с помощью первой запорной заслонки 18, при этом присоединяющийся к сегментному зубчатому венцу 94 первой запорной заслонки 18 кольцевой участок 104 вставляется в присоединяющееся к сегментному зубчатому венцу 94 второй запорной заслонки 20 вогнутое углубление 106 и движется в нем, скользя, при вращении первой запорной заслонки 18.
После достижения заданного третьего предельного значения локальной температуры охлаждающего средства, измеренной посредством первого сенсора 70 температуры охлаждающего средства, в головке 14 блока цилиндров и/или после достижения первого заданного предельного значения локальной температуры охлаждающего средства, измеренной посредством второго сенсора 90 температуры охлаждающего средства, расположенного вблизи выпуска 76 корпуса 12 блока цилиндров, в корпусе 12 блока цилиндров регулировочное устройство 16 переставляется из второго положения 88 в промежуточное положение 92. При этом первая запорная заслонка 18 поворачивается в ориентацию, в которой второй закрывающий элемент 74 дополнительно также все больше открывает первый впуск 78 регулировочного устройства 16. Следовательно, тогда им удерживается в закрытом положении только лишь четвертый выпуск 82 регулировочного устройства 16, и при этом прекращается протекание через главный радиатор 30 охлаждения. Таким образом, в промежуточном положении 92 также предусмотрено протекание охлаждающего средства через картер 12 блока цилиндров.
После достижения заданного четвертого предельного значения локальной температуры охлаждающего средства, измеренной посредством первого сенсора 70 температуры охлаждающего средства, в головке 14 блока цилиндров и/или после достижения второго заданного предельного значения локальной температуры охлаждающего средства, измеренной посредством второго сенсора 90 температуры охлаждающего средства, в корпусе 12 блока цилиндров и/или в зависимости от поля рабочих характеристик силовой установки, сохраненного в управлении 86 двигателя, регулировочное устройство 16 переставляется из промежуточного положения 92 в третье положение 96. При этом осуществляется все большее открывание третьего выпуска 82 регулировочного устройства 16 и, следовательно, включение главного радиатора 30 охлаждения теперь уже в большой контур охлаждения, в то время как одновременно в возрастающей мере вторым закрывающим элементом 74 первой запорной заслонки 18 снова закрывается четвертый выпуск 84 регулировочного устройства 16 (сравн. фиг.10). Тем самым гарантируется, что, за исключением сравнительно небольшой части течения охлаждающего средства, которая направляется через радиатор 28 отопления, охлаждающее средство полностью направляется через главный радиатор 30 охлаждения и в нем охлаждается при переходе тепла к окружающему воздуху.
Третье положение 96 регулировочного устройства 16 предусмотрено также для нерабочего состояния силовой установки. Тем самым должна, во-первых, реализовываться функциональная возможность «failsafe» («отказобезопасность»), с помощью которой при дефекте исполнительного элемента регулировочного устройства, который, например, может быть вызван взломом в нерабочем состоянии автомобиля, приводимого в действие силовой установкой, может продолжать обеспечиваться (функционально ограниченная) работа системы охлаждения. Кроме того, третье положение 96 регулировочного устройства в нерабочем состоянии силовой установки облегчает наполнение и опорожнение системы охлаждения в рамках работ по техническому обслуживанию.
Корпус 36 регулировочного устройства 16 предусмотрен для непосредственного привертывания к головке 14 блока цилиндров двигателя 10 внутреннего сгорания на той стороне, которая образует первый выпуск 56, первый впуск 78, а также второй впуск 98, который соединен с выпуском 68 головки 14 блока цилиндров.
Уплотнение первой запорной заслонки 18 и второй запорной заслонки 20 в корпусе 36 осуществляется посредством подпружиненного (посредством тарельчатой пружины 102), кольцевого уплотнительного элемента 100.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
10 Двигатель внутреннего сгорания
12 Корпус блока цилиндров
14 Головка блока цилиндров
16 Регулировочное устройство
18 Первая запорная заслонка
20 Вторая запорная заслонка
22 Исполнительный элемент
24 Канал для охлаждающего средства корпуса блока цилиндров
26 Канал для охлаждающего средства головки блока цилиндров
28 Радиатор отопления
30 Главный радиатор охлаждения
32 Насос для охлаждающего средства
34 Байпас
36 Корпус
38 Насосное колесо
40 Вал
42 Первый ременный шкив
44 Первый впуск насоса для охлаждающего средства
46 Второй впуск насоса для охлаждающего средства
48 Вал
50 Выпуск главного радиатора охлаждения
52 Выпуск радиатора отопления
54 Канал для охлаждающего средства
56 Первый выпуск регулировочного устройства
58 Нулевое положение регулировочного устройства
60 Закрывающий элемент второй запорной заслонки
62 Третий выпуск регулировочного устройства
64 Впуск радиатора отопления
66 Первый закрывающий элемент первой запорной заслонки
68 Выпуск головки блока цилиндров
70 Первый сенсор температуры охлаждающего средства
72 Первое положение регулировочного устройства
74 Второй закрывающий элемент первой запорной заслонки
76 Выпуск корпуса блока цилиндров
78 Первый впуск регулировочного устройства
80 Впуск главного радиатора охлаждения
82 Четвертый выпуск регулировочного устройства
84 Пятый выпуск регулировочного устройства
86 Управление двигателя
88 Второе положение регулировочного устройства
90 Второй сенсор температуры охлаждающего средства
92 Промежуточное положение регулировочного устройства
94 Сегментный зубчатый венец
96 Третье положение регулировочного устройства
98 Второй впуск регулировочного устройства
100 Уплотнительный элемент
102 Тарельчатая пружина
104 Кольцевой участок
106 Углубление
108 Электродвигатель
110 Второй ременный шкив
112 Зубчатый ремень
114 Корпус головки блока цилиндров
116 Крышка распределительного вала
118 Распределительный вал
120 Второй выпуск регулировочного устройства
122 Нагревательное устройство
124 Присоединительный патрубок