СИСТЕМА ДВИГАТЕЛЯ С ТУРБОНАДДУВОМ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к системе двигателя с турбонаддувом, содержащей осевую турбину с прямым впуском и разделением импульсов выхлопных газов.
Уровень техники
Турбонаддув двигателя внутреннего сгорания позволяет уменьшить объем выбросов в окружающую среду и увеличить удельную выходную мощность двигателя за счет того, что выхлопные газы, выходящие из цилиндров двигателя, могут быть направлены через турбину, а полученная энергия может быть использована для работы компрессора. В одном примере такая конфигурация использует выпускные каналы, проходящие от цилиндров двигателя и корпуса турбины непосредственно в головку блока цилиндров.
Было обнаружено, что обеспечение разделения импульсов выхлопных газов делает возможным достижение такой продолжительности открытого состояния выпускного клапана, которая является оптимальной для снижения расхода топлива, увеличения крутящего момента при низкой скорости вращения двигателя и оптимизацию удельной выходной мощности по сравнению с существующими конструкциями. Установка турбины в головку блока цилиндров позволяет одновременно снизить стоимость и габариты двигателя. Например, встроенная турбина может уменьшить общий размер системы, а также увеличить коэффициент полезного действия двигателя и его удельную мощность. Встроенная осевая турбина также может иметь повышенную динамическую реакцию по сравнению с радиальной турбиной. Однако для сохранения эффективного горения с увеличенной длительностью открытия выпускного клапана необходимо исключить попадание остаточных выхлопных газов в цилиндры двигателя во время продувки выхлопных газов при открытии нескольких выпускных клапанов. Этого можно достичь за счет полного разделения импульсов выхлопных газов до места, где выхлопные газы попадают в турбину. Например, в двигателях с конфигурацией 1-4 с традиционным порядком зажигания этого можно достичь путем объединения выпускных каналов, выходящих из цилиндров 1 и 4, в первую выпускную трубу, а также путем объединения выпускных каналов, выходящих из цилиндров 2 и 3, во вторую выпускную трубу. Выходы двух труб могут быть соединены с впуском турбины.
Однако также было обнаружено, что современные конструкции коллекторов, которые обеспечивают полное разделение импульсов, предназначены для радиальных турбин и могут оказаться непригодными для систем с осевыми турбинами. Установка таких коллекторов может потребовать использование внешнего турбонагнетателя, что приведет к увеличению стоимости и ухудшению динамической реакции.
В качестве ближайшего аналога полезной модели может быть выбрана конструкция, описанная в публикации патентной заявки США 3786630 (A) от 22.01.1974, в которой раскрыто устройство для соединения элементов выпускного коллектора с различными турбонагнетателями двигателя внутреннего сгорания.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является обеспечение компактности, снижение стоимости и повышение эффективности системы турбонаддува.
Данный эффект достигается с помощью системы двигателя, которая содержит головку блока цилиндров с первой и второй выпускными трубами, отдельно соединенными с первой и второй группами цилиндров, и ведущими к турбине на выхлопных газах, установленной внутри головки блока цилиндров на подшипнике, расположенном в среднем корпусе, поддерживаемом головкой блока цилиндров.
Головка блока цилиндров также может содержать каналы охлаждения рядом с турбиной, а также канал с перепускной заслонкой.
Турбина может быть осевой, комбинированной или радиальной, и иметь одну или несколько ступеней, включая одну или несколько ступеней статора.
Ступени статора могут представлять собой отдельные лопатки или являются частью головки блока цилиндров.
Выходы первой и второй выпускных труб образуют с газовым коллектором турбины соединения с полукруглым поперечным сечением.
Два полукруглых сечения первого и второго выходов могут быть расположены друг относительно друга таким образом, чтобы совместно образовывать круглое кольцевое выходное отверстие.
Головка блока цилиндров также может содержать, по крайней мере, третий выпускной канал, отдельно соединенный с третьей группой цилиндров.
Каждая из групп цилиндров может состоять из одного цилиндра, а каждая выпускная труба может быть соединена с газовым коллектором турбины.
Каждая выпускная труба может иметь дугообразные отверстия, которые вместе образуют кольцевое комбинированное выходное отверстие.
Также представлен двигатель с турбонаддувом, который содержит головку блока цилиндров, образующую две или несколько выпускных труб, каждая из которых имеет выпускной конец у колеса турбины или коллектора, при этом отверстие выпускного конца первой выпускной трубы имеет полукруглую форму с отклонением не более, чем на 5°, а отверстие выпускного конца второй выпускной трубы имеет полукруглую форму с отклонением не более, чем на 5°, где сами концы расположены друг напротив друга с образованием круглого сечения.
Головка блока цилиндров может иметь выпускные каналы для двух или несколько цилиндров двигателя.
Цилиндры двигателя могут быть расположены линейно, друг напротив друга или в V-образной конфигурации.
Двигатель также может иметь осевую турбину, установленную в головке блока цилиндров, по крайней мере частично, с возможностью вращения.
Ступени ротора и статора осевой турбины могут быть расположены в головке блока цилиндров.
Первая выпускная труба может быть соединена с наружными цилиндрами двигателя, а вторая выпускная труба соединена с внутренними цилиндрами двигателя.
Головка блока цилиндров также может иметь канал с перепускной заслонкой.
Турбина может быть соединена с одним или несколькими компрессорами с помощью общего вала.
Такая система может обеспечить разделение импульсов выхлопных газов, выходящих из цилиндров двигателя и поступающих на впуск турбины с сохранением компактности. Подобное разделение импульсов выхлопных газов может привести к увеличению эффективности переноса выхлопных газов к турбине.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое изложение сущности полезной модели представлено для описания в упрощенной форме ряда выбранных концепций, дальнейшее изложение которых приводится ниже в подробном описании. Краткое раскрытие сущности полезной модели не направлено на определение основных или существенных характеристик предложенного решения, объем которого однозначно определяется формулой полезной модели. Кроме того, заявленная полезная модель не ограничивается вариантами реализации, устраняющими какой-либо из недостатков, указанных выше или в любой части данного описания.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлено схематическое изображение двигателя с турбонаддувом согласно полезной модели.
На Фиг. 2 изображен общий вид головки блока цилиндров согласно полезной модели.
На Фиг. 3 представлен общий вид головки блока цилиндров, соединенной с корпусом подшипника.
На Фиг. 4 изображен общий вид выпускного коллектора и турбонагнетателя в сборе.
На Фиг. 5 представлен общий вид турбонагнетателя в сборе с системой подачи масла и охлаждающей жидкости.
На Фиг. 6 изображен общий вид варианта выполнения выпускного коллектора.
На Фиг. 7 представлен общий вид впускного конца турбины.
На Фиг. 2, 3, 3 и 6-7 соблюден примерный масштаб, соответственно, размеры компонентов могут быть другими.
Осуществление полезной модели
Следующее описание относится к системам двигателя, содержащим систему турбонагнетателя, например, как показано на Фиг. 1.
Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение двигателя 10 внутреннего сгорания, который может входить в движительную систему автомобиля. Двигатель 10 имеет головку 175 блока цилиндров и четыре цилиндра 30, однако может быть использовано и другое количество цилиндров. Двигателем 10 можно управлять, по меньшей мере частично, с помощью системы управления, содержащей контроллер 12, а также с помощью входных сигналов, направляемых водителем 132 транспортного средства с помощью устройства 130 ввода данных. В данном примере устройство 130 ввода данных представляет собой педаль газа и датчик 134 положения педали, который генерирует пропорциональный сигнал положения педали PP. Каждая камера сгорания 30 (цилиндр) двигателя 10 может иметь стенки с расположенным в них поршнем (не показан). Поршни могут быть соединены с коленчатым валом 40 для преобразования возвратно-поступательных движений поршня во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может быть соединен с по меньшей мере одним ведущим колесом транспортного средства с помощью системы трансмиссии. Кроме того, для запуска двигателя 10 к коленчатому валу 40 может быть с помощью маховика подключен пусковой мотор.
В камеру сгорания 30 воздух поступает из впускного коллектора 44 через впускной канал 42, а газообразные продукты сгорания выводятся через выпускной канал 48. Впускной коллектор 44 и выпускной канал 48 выборочно сообщаются с камерой сгорания 30 через соответствующие впускной и выпускной клапаны (не показаны). В некоторых вариантах камеры сгорания 30 могут иметь по два или более впускных клапана и/или два или более выпускных клапана.
Топливные форсунки 50 показаны соединенными непосредственно с камерой сгорания 30 для подачи топлива непосредственно внутрь камеры пропорционально ширине импульса сигнала (FPW), полученного от контроллера 12. Таким образом, топливная форсунка 50 обеспечивают так называемый непосредственный впрыск топлива в камеру сгорания 30. Топливная форсунка может быть установлена на стенке или в верхней части камеры сгорания. Топливо подается к топливной форсунке 50 топливной системой (не показана), содержащей топливный бак, топливный насос и топливную рампу (не показаны). В качестве альтернативы или дополнения в некоторых вариантах камера сгорания 30 может иметь топливную форсунку, установленную во впускном коллекторе 44 в конфигурации, обеспечивающей так называемый впрыск топлива во впускной канал выше по потоку относительно каждой камеры сгорания 30.
Впускной канал 42 может содержать дроссель 21 и 23 с дроссельными заслонками 22 и 24, соответственно. В этом отдельном примере положение дроссельных заслонок 22 и 24 может регулироваться контроллером 12 с помощью сигнала, подаваемого на электродвигатель или исполнительный механизм, содержащийся в дросселях 21 и 23. Такую конфигурацию принято называть электронным управлением положения дроссельной заслонки (ETC). Таким образом, дроссели 21 и 23 могут использоваться для варьирования потока впускного воздуха, подаваемого в камеру сгорания 30, между другими цилиндрами двигателя. Информация о положении дроссельных заслонок 22 и 24 может передаваться контроллеру 12 при помощи сигнала положения дросселя ТР. Впускной канал 42 может содержать датчик 120 расхода воздуха (MAF) и датчик 122 давления воздуха в коллекторе (MAP) для передачи соответствующих сигналов MAF и MAP контроллеру 12.
Выхлопные газы из цилиндров 30 могут поступать в выпускной канал 48. Цилиндры 30 могут быть соединены с выпускным каналом 48 через множество клапанов и отверстий, которые будут описаны далее со ссылкой на Фиг.4. Множество клапанов может быть открыто, выпуская выхлопные газы из цилиндров 30 в выпускные отверстия 47, направляя выхлопные газы в выпускной канал 48. В представленном на Фиг.1 примере выпускные отверстия 47 расположены внутри головки 175 блока цилиндров. Следует понимать, что такая конфигурация может соответствовать «объединенному выпускному коллектору», в которой выпускной коллектор 46 расположен внутри головки 175 блока цилиндров.
Датчик 128 выхлопных газов показан подключенным к выпускному каналу 48 выше по потоку устройства 78 снижения токсичности выхлопных газов. Датчиком 128 может быть любой подходящий датчик, пригодный для получения информации о топливно-воздушном коэффициенте выхлопных газов, например, линейный датчик кислорода или UEGO (универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода выхлопных газов), бистабильный датчик кислорода или EGO, датчик HEGO (подогреваемый EGO), датчик NOx, датчик углеводородов или датчик CO. Устройство 78 может представлять собой трехкомпонентный нейтрализатор (TWC), ловушку NOx, другое устройство снижения токсичности выхлопных газов или их комбинации. Температура выхлопных газов может быть измерена одним или несколькими датчиками температуры (не показаны), расположенными в выпускном канале 48. В качестве альтернативы температура выхлопных газов может быть определена на основании параметров работы двигателя, например, скорости, нагрузки, воздушно-топливного соотношения (AFR), величины задержки зажигания и т.д.
Контроллер 12 показан на Фиг.1 как микрокомпьютер, содержащий: микропроцессорный блок 102 (CPU), порты 104 ввода/вывода (I/O), электронный носитель информации для извлекаемых программ и эталонных значений, показанных в данном частном случае как микросхема постоянного запоминающего устройства 106 (ROM), оперативную память 108 (RAM), оперативную энергонезависимую память 110 (KAM) и шину данных. Контроллер 12 может получать различные сигналы от датчиков, соединенных с двигателем 10, для выполнения различных функций, необходимых для эксплуатации двигателя 10. В дополнение к ранее рассмотренным сигналам, сюда входят следующие: измерение массового расхода воздуха (MAF) с помощью датчика 120 расхода воздуха; температуры хладагента двигателя (ЕСТ) от датчика температуры 112, схематично показанного в одном месте внутри двигателя 10; сигнал профиля зажигания (PIP) от датчика 118 на эффекте Холла (или другого типа), соединенного с коленчатым валом 40; положение дроссельной заслонки (TP) от датчика положения дроссельной заслонки (описанной выше); абсолютное давление во впускном коллекторе (MAP) от датчика 122. Сигнал частоты вращения двигателя (RPM, об/мин) может быть сгенерирован контроллером 12 из сигнала профиля зажигания (PIP). Сигнал давления в коллекторе (MAP) от датчика давления может быть использован для обеспечения индикации вакуума, или давления, во впускном коллекторе 44. Необходимо отметить, что могут быть использованы различные комбинации вышеуказанных датчиков, например, датчик MAF без датчика MAP, или наоборот. В стехиометрическом режиме датчик MAP может выдавать показания о крутящем моменте двигателя. Этот датчик вместе с детектированной частотой вращения двигателя может предоставить расчет заряда (включая воздушный заряд), всасываемого в цилиндр. В одном примере датчик 118, который также используется как датчик частоты вращения двигателя, может производить заданное количество равномерно распределенных импульсов при каждом обороте коленчатого вала 40. В некоторых примерах постоянное запоминающее устройство 106 может быть запрограммировано с помощью машиночитаемых данных, представляющих собой инструкции, исполняемые микропроцессорным блоком 102 для выполнения способов, описанных ниже, а также их вариантов.
Двигатель 10 может также содержать компрессионное устройство, например, турбонагнетатель или компрессор наддува, содержащий, по меньшей мере, компрессор 60, размещенный вдоль впускного коллектора 44. Для турбонагнетателя: компрессор 60 может, по меньшей мере частично, приводиться в действие турбиной 62, например, через вал 160 или другой соединительный механизм. Турбина 62 может быть установлена между выпускным коллектором 46 и выпускным каналом 48. Для приведения в действие компрессора могут быть использованы различные устройства. Для компрессора наддува: компрессор 60 может, по меньшей мере частично, приводиться в действие двигателем и/или электромашиной, и может не иметь турбины. Таким образом, степень сжатия, которая обеспечивается для одного или более цилиндров двигателя с помощью турбонагнетателя или компрессора наддува, может регулироваться контроллером 12. В некоторых случаях турбина 62 может приводить в действие, например, электрогенератор 64 для питания аккумулятора посредством турбопривода. Энергию аккумулятора затем можно использовать для приведения в движение компрессора 60 с помощью электродвигателя. Кроме того, во впускном коллекторе 44 может быть установлен датчик 123 для передачи сигнала наддува («BOOST») на контроллер 12.
Также выпускной канал 48 может содержать перепускную заслонку 26 для отвода выхлопных газов от турбины 62. В некоторых вариантах перепускная заслонка 26 может быть многоступенчатой, например, двухступенчатой, при этом первая ступень может быть настроена на управление давлением наддува, а вторая ступень - на увеличение потока тепла к устройству 78 снижения токсичности выхлопных газов. Перепускная заслонка 26 может работать от исполнительного механизма 150, который, например, может быть электрическим исполнительным механизмом с постоянными магнитами. В некоторых вариантах исполнительным механизмом 150 может быть электродвигатель, исполнительный механизм, управляемый по давлению, исполнительный механизм с вакуумным управлением. Дополнительная информация, касающаяся перепускной заслонки 26 и исполнительного механизма 150, будет представлена ниже. Впускной канал 42 может дополнительно содержать рециркуляционный клапан 27 компрессора (CRV), предназначенный для перенаправления впускного воздуха в обход компрессора 60. Перепускная заслонка 26 и/или CRV 27 могут управляться контроллером 12 на открывание, например, когда требуется меньшее давление наддува.
Впускной канал 42 может также содержать охладитель 80 наддувочного воздуха (CAC) (например, промежуточный охладитель, или интеркулер) для снижения температуры турбонагнетаемых всасываемых газов. В некоторых вариантах охладитель 80 наддувочного воздуха может представлять собой теплообменник «воздух-воздух». В некоторых вариантах охладитель 80 наддувочного воздуха может представлять собой теплообменник «воздух-жидкость ».
Система рециркуляции выхлопных газов (EGR) может направлять необходимое количество выхлопных газов из выпускного канала 48 во впускной канал 42 через канал 140 EGR. Количество EGR, передаваемое во впускной канал 42, может регулироваться контроллером 12 с помощью клапана 142 EGR. Кроме того, в канале EGR может быть размещен датчик EGR (не показан), который может обеспечивать индикацию одного или нескольких параметров, например, давления, температуры и концентрации выхлопных газов. В качестве альтернативы управление системой (EGR) может быть реализовано на основании расчетных значений по сигналам от датчика MAF (выше по потоку), датчика MAP (во впускном коллекторе), датчика MAT (температуры газа в коллекторе) и датчика частоты прокручивания двигателя. Кроме того, управление системой EGR может быть реализовано на основании показаний датчика содержания кислорода в выхлопных газах и/или датчика содержания кислорода во впускном коллекторе. При некоторых условиях система EGR может быть использована для регулирования температуры топливно-воздушной смеси в камере сгорания. На Фиг. 1 показана система EGR высокого давления, где EGR направляется от участка выше по потоку от турбины турбонагнетателя к участку ниже по потоку от компрессора турбонагнетателя. В других вариантах двигатель может (дополнительно или альтернативно) иметь систему EGR низкого давления, где EGR направляется от участка ниже по потоку от турбины турбонагнетателя на участок выше по потоку от компрессора турбонагнетателя.
На Фиг. 2 изображен цилиндр 210 в сборе согласно полезной модели. На Фиг. 3 изображен цилиндр 210 в сборе, представленный на Фиг. 2, который соединен с турбонагнетателем 300. Цилиндр 210 в сборе включает в себя головку 175 блока цилиндров, которая может быть прикреплена к блоку цилиндров (не показан). Блок цилиндров имеет множество камер сгорания 30 (например, цилиндров) двигателя 10, каждая из которых могут иметь стенки камеры сгорания с поршнем (не показан), расположенным внутри них. Цилиндры могут быть расположены линейно и выровнены вдоль центральной оси головки блока цилиндров. В качестве альтернативы цилиндры могут иметь V-образную, плоскую или иную подходящую конфигурацию. При закреплении на блоке цилиндров представленная головка 175 блока цилиндров может образовать 4 цилиндра. В другом примере цилиндр в сборе может иметь другое количество цилиндров, например, 3 цилиндра. Головка 175 блока цилиндров может быть изготовлена литьем из подходящего материала, например, из железа или алюминия. Головка блока цилиндров может иметь различные компоненты, не представленные на чертеже, к которым могут относиться распределительные валы, впускные и выпускные клапаны, запальные свечи, топливные форсунки 50, датчик температуры 112, другие соответствующие механические компоненты, а также прочие подходящие датчики и исполнительные механизмы, например, как показано на Фиг. 1.
Как показано на фигурах, головка 175 блока цилиндров имеет четыре внешние стенки, а именно первую боковую стенку 211, вторую боковую стенку 212, заднюю торцевую стенку 213 и переднюю торцевую стенку 214. Первая боковая стенка 211 может быть сконфигурирована как впускная сторона головки блока цилиндров, взаимодействующая с впускными клапанами двигателя, а также может включать в себя такие компоненты, как клапаны и отверстия, необходимые для сопряжения с впускным коллектором 44 и для ограничения или подачи потока всасываемого воздуха в головку блока цилиндров. Передняя торцевая стенка 214 может включать в себя компоненты, необходимые для сопряжения с коленчатым валом 40 и для соединения коленчатого вала 40 с поршнями в головке 175 блока цилиндров. Вторая боковая стенка может быть сконфигурирована как выпускная сторона головки блока цилиндров, взаимодействующая с выпускными клапанами двигателя, и может включать в себя такие компоненты, как один или несколько выступов 252 с отверстием под болт, либо другие подходящие устройства для крепления среднего корпуса 280 непосредственно на головке блока цилиндров. В данной конфигурации турбонагнетатель может быть соединен с головкой блока цилиндров напрямую или опосредованно. Турбонагнетатель и его возможные конфигурации также описаны далее со ссылкой на Фиг. 4. Головка 175 блока цилиндров также может включать в себя множество участков 218 закрывания цилиндра.
Головка 175 блока цилиндров может иметь одну или несколько охлаждающих рубашек. Например, первая охлаждающая рубашка может быть расположена между выпускным коллектором 46 и границей между головкой 175 блока цилиндров и блоком цилиндров. Вторая охлаждающая рубашка может быть расположена на противоположной стороне выпускного коллектора относительно первой охлаждающей рубашки. Первая и вторая охлаждающие рубашки могут быть соединены проточным каналом. В некоторых примерах первая и вторая охлаждающие рубашки могут быть соединены проточным каналом с охлаждающей рубашкой турбины. В другом примере первая и вторая охлаждающие рубашки могут быть разделены и могут работать с различными охлаждающими жидкостями или иметь различные источники одной охлаждающей жидкости. В другом примере первая охлаждающая рубашка может быть расположена на впускной стороне нескольких цилиндров, а вторая охлаждающая рубашка - на выпускной стороне цилиндров. Две охлаждающие рубашки могут обеспечивать различную степень охлаждения и могут быть соединены с системой водяного охлаждения, включающей в себя радиатор, насос охлаждающей жидкости с приводом от двигателя, термостат и т.д. В одном примере охлаждающая рубашка, расположенная на выпускной стороне цилиндров, может иметь большую охлаждающую способность, чем охлаждающая рубашка на впускной стороне цилиндров, например, за счет большей скорости потока, увеличенной площади охлаждения и т.д. В другом примере охлаждающая рубашка, расположенная на впускной стороне цилиндров может иметь большую охлаждающую способность, чем охлаждающая рубашка на выпускной стороне цилиндров.
Головка 175 блока цилиндров также имеет впускной коллектор 46. Компоненты выпускного коллектора будут описаны далее со ссылкой на Фиг. 4, 6 и 7 включают в себя множество выпускных отверстий 47, соединенных с цилиндрами 30, а также множество выпускных труб 310, соединенных с выпускными отверстиями 47. Выпускные трубы 310 могут выпускать выхлопные газы в коллектор выхлопных газов 320. Каждый цилиндр может иметь впускной и выпускной клапан. В некоторых вариантах каждый цилиндр может иметь два или несколько впускных клапанов и/или два или несколько выпускных клапанов. Каждым впускным и выпускным клапанами можно управлять посредством впускного кулачка и выпускного кулачка, соответственно. В другом примере одним или несколькими впускными и выпускными клапанами можно управлять посредством обмотки клапана и якоря в сборе.
Один или несколько выпускных труб 310 также могут иметь перепускную заслонку 26 (не показано). В качестве альтернативы перепускная заслонка 26 может входить в состав коллектора выхлопных газов 320. Перепускная заслонка 26 может быть выполнена с возможностью регулировать поток газа, проходящий в обход турбины. Регулировка перепускной заслонки 26 может быть выполнена с помощью исполнительного механизма 150. Исполнительный механизм 150 перепускной заслонки может быть установлен на головку 175 блока цилиндров или на средний корпус 280. Перепускная заслонка может быть приведена в действие при превышении порогового значения изменения давления в выпускном коллекторе 275 в соответствии с показаниями датчика давления (не показан) или в ответ на превышение значения, необходимого для обеспечения требуемого крутящего момента, в соответствии с показаниями датчика MAP. Исполнительный механизм 150 перепускной заслонки может быть активирован или деактивирован в соответствии с сигналами от контроллера 12. Активация перепускной заслонки 26 позволяет выхлопным газам попасть в выпускной патрубок 290, а затем - в перепускной канал (не показан), что позволит им пройти в обход турбонагнетателя. Выпускной патрубок 290 может быть частью среднего корпуса 280. Патрубок с перепускной заслонкой может иметь вход, соединенный с головкой блока цилиндров, и выход, соединенный с коллектором горячего газа внутри среднего корпуса.
Средний корпус 280 может быть прикреплен к головке 175 блока цилиндров посредством установочных болтов 250 и выступов 252 под установочные болты, либо посредством других крепежных устройств. Как показано на Фиг. 3, прямое соединение среднего корпуса 280 с головкой блока цилиндров 175 в данной конфигурации позволяет поместить турбину 62 рядом с выпускным коллектором 320, что, в свою очередь, позволяет сохранить энергию выхлопных газов в двигателе 10. Как будет сказано ниже со ссылкой на Фиг. 4, данная конфигурация может позволить разместить некоторые компоненты турбонагнетателя, например, ступень ротора и ступень статора, которые соединяются непосредственно с головкой блока цилиндров, что уменьшает пространство, занимаемое турбонагнетателем. Средний корпус 280 может содержать в себе другие компоненты, необходимые для установки компонентов турбонагнетателя, либо компоненты, необходимые для установки дополнительных датчиков или исполнительных механизмов. Например, в среднем корпусе 280 может быть расположен установочный выступ для датчика содержания кислорода в выхлопных газах.
На Фиг. 4 и 5 представлен турбонагнетатель в сборе согласно полезной модели. На Фиг. 4 изображены выпускные отверстия 47, выпускные трубы 310 и турбонагнетатель 300 в сборе в соответствии с полезной моделью. На Фиг.4 представлен пример встроенного выпускного коллектора 46 для 4-хцилиндрового двигателя, однако он может иметь другое количество цилиндров, например, 2, 3, 5 или 6. На Фиг.5 изображен вид сбоку турбонагнетателя 300 согласно полезной модели. Выпускной коллектор 46 может быть частью головки 175 блока цилиндров, как изображено на Фиг.2-3. Каждый цилиндр 30 может иметь один или несколько выпускных клапанов, установленных между цилиндром и выпускным отверстием 47. Выпускные отверстия 47 могут быть соединены с выпускными трубами 310. Выпускные каналы принимают выхлопные газы из цилиндров в процессе работы двигателя. В месте соединения выпускных каналов от смежных или несмежных цилиндров может быть образован выпускной тракт. Например, в двигателях с конфигурацией 1-4 может быть предпочтительным объединение выпускных каналов от цилиндров 2 и 3 в первую выпускную трубу, а также выпускных каналов от цилиндров 1 и 4 во вторую выпускную трубу. Данная конфигурация может обеспечить разделение импульсов выхлопных газов для двигателя.
Выпускные трубы 310 могут заканчиваться одним или несколькими отверстиями в горловине выпускного коллектора 320. Один или несколько выпускных каналов также могут содержать перепускную заслонку 26, как было описано выше. При условиях, когда давление выхлопных газов в выпускном коллекторе 320 превышает заданное пороговое значение, контроллер 12 может активировать исполнительный механизм 150 перепускной заслонки, позволяя выхлопным газам проходить через перепускную заслонку 26 на выпуск 290, откуда они могут быть направлены через перепускную линию выхлопных газов в обход турбонагнетателя.
В другом примере один или несколько выпускных труб 310 могут направлять выхлопные газы обратно во впускной коллектор 44 для повторного ввода в двигатель 10 в рамках цикла работы системы рециркуляции выхлопных газов. В другом примере клапан или другой переключающий механизм может перенаправлять поток выхлопных газов от одного или нескольких выпускных труб 310 во впускной коллектор 44 при выполнении первого условия, а также в выпускной коллектор 320 - при выполнении второго условия.
Выпускной коллектор 320 может быть частью среднего корпуса 280. В другом примере выпускной коллектор может являться частью головки 175 блока цилиндров. В другом примере выпускной коллектор может быть выполнен в виде отдельного компонента, соединяющего головку блока цилиндров и средний корпус, или может состоять из частей головки блока цилиндров и среднего корпуса. Выхлопные газы могут быть направлены от выпускного коллектора 320 к турбонагнетателю 300.
Турбонагнетатель 300 может содержать средний корпус 280, корпус 285 турбины, турбину 62, корпус 335 компрессора, компрессор 60, а также их компоненты, некоторые из которых будут описаны далее со ссылкой на Фиг. 5. Выпускной коллектор 320 может быть изготовлен как часть среднего корпуса 280, либо отдельно от него. В представленной на Фиг. 4 и 5 системе турбина 62 представляет собой осевую турбину, но может быть и радиальной турбиной, либо комбинированной турбиной. Турбина может быть одноступенчатой или может иметь несколько ступеней. Статор также может быть одноступенчатым или может иметь несколько ступеней. В случае осевой турбины поток выхлопных газов, подходящих к лопаткам ротора турбины, может быть описан как поток, движущийся практически в осевом направлении. В данном контексте словосочетание «практически в осевом направлении» означает, что поток выхлопных газов через турбину проходит параллельно валу турбины. Впуск для выхлопных газов может быть сконфигурирован таким образом, чтобы направлять выхлопные газы практически в осевом направлении к турбине. В другом примере турбина 62 может быть радиальной турбиной, в которой поток выхлопных газов, достигающий лопаток ротора турбины, проходит в практически радиальном направлении, а впуск для выхлопных газов сконфигурирован таким образом, чтобы направлять выхлопные газы в направлении, которое практически перпендикулярно валу турбины. В другом примере траектория выхлопных газов может быть средней между траекториями в осевой и радиальной турбинах, например, как в случае с комбинированной турбиной.
Средний корпус 280 может быть изготовлен из чугуна или другого подходящего материала, который имеет высокую сопротивляемость термической деформации, либо из других материалов, подходящих для работы при высоких температурах, возникающих в процессе работы двигателя. Статор 322 турбины может быть изготовлен из сваренных листов штампованного металла соответствующей формы и конфигурации, либо путем литья для получения соответствующей формы. Коллектор 350 турбины может быть изготовлен как часть среднего корпуса 280, который также может быть изготовлен из чугуна или других подходящих материалов, которые имеют высокую термостойкость. В данном примере дополнительные системы жидкостного охлаждения можно не использовать.
Корпус 285 турбины также может быть изготовлен из материалов, таких как алюминий, и может иметь систему жидкостного охлаждения в корпусе или вокруг корпуса. Как изображено на Фиг.5, источник 401 может подавать масло и охлаждающую жидкость в средний корпус 280 через патрубки 402, встроенные в коллектор и средний корпус. Охлаждение также может быть подано с помощью внешнего трубопровода охлаждающей жидкости и шлангов. В другом примере корпус 285 турбины может быть изготовлен отдельно от среднего корпуса 280 и соединен с ним с помощью болтов или других подходящих крепежных средств.
Турбонагнетатель 300 содержит статор 322, ротор 325, турбину 62, компрессор 60, корпус 335 компрессора и средний корпус 280. Турбина 62 может быть соединена с компрессором 60 посредством вала 160. Статор 322 может быть установлен в головке 175 блока цилиндров. В одном примере статор 322 может быть изготовлен из сварных частей листовой нержавеющей стали. Статор может быть изготовлен литьем в виде отдельной части или нескольких частей. Статор 322 может быть прикреплен различными способами, включая стыковку модулей, запрессовку, механическое соединение с помощью болтов или стяжными хомутами. Конфигурация статора может подходить для установки в дополнительную опору статора в головке блока цилиндров, что позволит одновременно удерживать статор и исключить его вращение. В некоторых примерах головка блока цилиндров может быть использована в качестве статора и может быть сконфигурирована таким образом, чтобы управлять и ускорять поток выхлопных газов, обеспечивая их перемещение с требуемым углом и скоростью.
Ротор 325 может быть также установлен в головке 175 блока цилиндров. В одном примере средний корпус 280 может быть установлен с помощью одной или нескольких шпилек. Средний корпус может иметь канал или каналы охлаждения, проходящие рядом с установочными шпильками для сведения к минимуму термической деформации среднего корпуса и для обеспечения того, что ротор останется на месте и сохранит достаточное расстояние между лопатками ротора и корпусом, что необходимо для предотвращения трения лопаток и сохранения минимального зазора для получения высокого КПД турбины.
Турбонагнетатель 300 также может включать в себя газовый коллектор 350, расположенный ниже по потоку от турбины. Газовый коллектор 350 может иметь тороидальный канал, при этом выхлопные газы могут быть направлены от турбины в участок среднего корпуса с одним выходом. Газовый коллектор 350 может быть также объединен с выпуском 290 либо может направлять выхлопные газы на устройство для снижения токсичности выхлопных газов или в систему рециркуляции выхлопных газов.
Средний корпус может содержать несколько подшипников, которые могут быть рассчитаны как на осевую, так и на радиальную нагрузку. Подшипники могут представлять собой подшипники скольжения, шариковые подшипники, игольчатые подшипники, воздушные подшипники или подшипники другого подходящего типа. Корпус турбины может иметь систему смазки и охлаждения, работа которой обеспечивается за счет подводящего трубопровода 420.
Компрессор 60 имеет корпус 335, коллектор, рабочее колесо и впуск для воздуха. Рабочее колесо компрессора может быть соединено с турбиной 62 посредством вала 160. Поток выхлопных газов через турбину 62 может привести к началу вращения приводного вала 160, который, в свою очередь, заставляет вращаться рабочее колесо. Впуск для воздуха обеспечивает приток воздуха к компрессору 60, который затем сжимается компрессором 60. Затем сжатый воздух поступает обратно во впускной коллектор 44 через ряд каналов, как было сказано выше и показано схематически на Фиг. 1.
Турбонагнетатель 300 в сборе имеет одну турбину и одну спиральную камеру турбины. В другом примере турбонагнетатель 300 в сборе может включать в себя более одной турбины и более одной спиральной камеры, например, две спиральные камеры. Турбонагнетатель 300 в сборе имеет один компрессор, но может иметь несколько компрессоров. В представленной системе с несколькими турбинами эти турбины могут иметь соосные валы, которые приводят в движение один или несколько компрессоров. В другом примере в систему транспортного средства может входить нагнетатель.
На Фиг. 6-7 представлен выпускной коллектор 46 для 4-хцилиндрового двигателя согласно полезной модели, который может быть инкорпорирован в двигатель с конфигурациями с Фиг. 1-5. Выпускной коллектор 46 может быть встроен в головку 175 блока цилиндров. В одном примере двигатель может иметь порядок зажигания 1-3-4-2. В данном примере это может увеличить эффективность выхлопных газов для турбины путем разделения импульсов выпуска так, чтобы соединить вместе цилиндры 1 и 4, а также цилиндры 2 и 3. В одном примере цилиндры 1 и 4 соединены с первым входом турбины 62, а цилиндры 2 и 3 соединены со вторым входом турбины 62. В данной конфигурации выхлопные газы, вытесняемые в коллектор, могут с меньшей вероятностью попасть обратно в цилиндр.
Как показано на Фиг. 6-7, цилиндр 1 может иметь выпускные клапаны, соединенные с выпускными отверстиями 47a и 47b. Аналогичным образом цилиндр 2 может включать в себя выпускные клапаны, соединенные с выпускными отверстиями 47c и 47d, цилиндр 4 может иметь выпускные клапаны, соединенные с выпускными отверстиями 47e и 47f, а также выпускные клапаны, соединенные с выпускными отверстиями 47g и 47h. Выпускные отверстия 47a и 47b могут быть объединены в точке 311a стыка для образования выпускной трубы 310a. Аналогичным образом выпускные отверстия 47c и 47d могут быть объединены в точке 311b стыка для образования выпускной трубы 310b. Выпускные отверстия 47e и 47f могут быть объединены в точке 311c стыка для образования выпускной трубы 310c, а выпускные отверстия 47g и 47h могут быть объединены в точке 311d стыка для образования выпускной трубы 310d. Выпускные трубы 310a и 310d могут быть объединены в точке 312a стыка, расположенной ниже по потоку от точек 311a и 311d. Объединение в точке 312а данным способом объединяет потоки выхлопных газов цилиндров 1 и 4 в выпускной трубе 315a. Выпускная труба 315а становится участком выпускного коллектора 46, который переходит к турбине 62. Аналогичным образом выпускные трубы 310b и 310c могут быть объединены в точке 313 стыка, расположенной ниже по потоку от точек 311b и 311c. Объединение в точке 313 данным способом объединяет потоки выхлопных газов цилиндров 2 и 3 в выпускной трубе 315b. Перепускная заслонка 26, приводимая в движение приводом 150, может быть расположена либо в одном или в нескольких трубах 310a, 310b, 310c и 310d, либо в одном или нескольких выпускных трубах 315a и 315b.
Объединение выхлопных газов от цилиндров 1 и 4 и от цилиндров 2 и 3 подобным образом может позволить разделить импульсы выхлопных газов в выпускных каналах, а также увеличить динамическую реакцию и уменьшить потери энергии на выхлопном газе. В примере, в котором турбина 62 является осевой турбиной, можно добиться разделения импульсов от выпускных клапанов вплоть до точки, где выхлопные газы входит в турбину, путем образования выходных труб 315a и 315b выхлопных газов в форме полукруга.
Выходные трубы 315a и 315b выхлопных газов могут направлять выхлопные газы к впускным каналам 515 и 520 турбины соответственно. В представленном на Фиг. 7 примере впускные каналы 515 и 520 турбины расположены так, что образуется круг или круглая форма с отклонением от данной формы не более чем на 10° окружности. Таким образом, пространство 525 между выпускными каналами также может являться кругом или круглой формой с отклонением от данной формы не более чем на 10°. Пространство 525 может быть участком охлаждения материала головки блока цилиндров, например, алюминием. В данном примере впускные каналы 515 и 520 турбины также могут включать в себя элементы, необходимые для взаимодействия со статором 322 и ротором 325. В представленном примере два полукруглых участка 512 и 520 могут быть разделены друг от друга с помощью разделяющей области 530, которая соединена с концами впускных каналов 515 и 520 турбины. Разделяющая область может быть образована из участка охлаждения материала головки блока цилиндров. Изображено два симметричных полукруглых выходных отверстия с симметричными разделяющими областями. Однако также можно использовать и асимметричные конфигурации. Выходные отверстия могут быть искривлены таким образом, чтобы обеспечить угол попадания выхлопных газов на турбину, который наиболее предпочтителен для конкретной используемой турбины. В некоторых примерах может быть более 2 впускных каналов турбины. Например, каждый цилиндр может иметь собственный впускной канал турбины.
Как показано на Фиг. 6, границы отверстий выпускного коллектора и точек слияния сначала могут быть направлены вверх (относительно вертикали, проходящей параллельно центральной оси цилиндра), а затем изогнуты обратно к направленному вниз выходу после объединения выхлопных газов. В данном случае желательный поток выхлопных газов может быть получен вместе с таким порядком зажигания двигателя, чтобы два полукруглых выходных отверстия могли вместе направлять поток на впуск осевых турбонагнетателей. Для разделения импульсов возможна другая геометрия выпускной трубы, а также требуемая скорость и угол впуска турбины. Например, каждый цилиндр может быть соединен с каждой выпускной трубой, выпускной трубой и выходной трубой выхлопных газов. Таким образом, в 4-хцилиндровом двигателе будет четыре выходных трубы выхлопных газов. Выходные трубы могут иметь выходные отверстия в форме четверти круга. Четыре отверстия, расположенные вместе, образуют круглое отверстие, выходящее к выпускному газовому коллектору или впуску турбины. Подобные конфигурации могут быть применены для 6- и 8-хцилиндровых двигателей.
Системы, представленные на Фиг. 1-7, могут состоять из одной или нескольких систем. Например, система может состоять из следующих компонентов: головка блока цилиндров с первой и второй выпускными трубами, отдельно соединенными с первой и второй группами цилиндров, при этом первый и второй выпускные трубы ведут к турбине, которая работает от выхлопных газов и которая установлена внутри головки блока цилиндров на подшипнике, расположенном в опорном корпусе подшипника в головке блока цилиндров. Головка блока цилиндров также может иметь охлаждающие каналы рядом с турбиной, а также перепускную газовую заслонку. Турбина может быть осевой, комбинированной или радиальной. Турбина может иметь одну или несколько ступеней, а ступени могут включать в себя одну или несколько ступеней статора. Ступени статора могут являться отдельными лопатками, либо могут быть частью головки блока цилиндров. Выходы первой и второй выпускных труб могут образовать полукруглые соединения с газовым коллектором турбины. Первый и второй выходы с полукруглым сечением могут быть расположены относительно друг друга таким образом, чтобы образовывать круглое комбинированное выходное отверстие. Система также может включать в себя, по крайней мере, третью выпускную трубу, отдельно соединенную с третьей группой цилиндров. Каждая из групп цилиндров может состоять из одного цилиндра, а каждая из выпускных труб может быть соединена с газовым коллектором турбины. Выпускные трубы могут иметь выходы в форме дуги для образования кольцевого комбинированного выхода.
В другом примере двигатель с турбонаддувом имеет головку блока цилиндров, образующую две или несколько выпускных труб, каждая из которых имеет выпускной конец, находящийся у колеса турбины или коллектора, при этом отверстие выпускного конца первой выпускной трубы имеет полукруглую форму с отклонением от данной формы не более чем на 5°, а отверстие выпускного конца второй выпускной трубы имеет полукруглую форму с отклонением от данной формы не более чем на 5°, сами концы расположены напротив друг друга для образования круглого сечения. Выпускная труба может иметь любую другую конфигурацию. Головка блока цилиндров может включать в себя выпускные отверстия для двух или несколько цилиндров. Цилиндры двигателя могут быть линейно расположены, напротив друг друга или в V-образной конфигурации. Двигатель с турбонаддувом также может иметь осевую турбину, установленную в головке блока цилиндров, по крайней мере частично, с возможностью вращения. Ступени статора и ротора осевой турбины могут быть расположены в головке блока цилиндров. Первая выпускная труба может быть соединена с наружными цилиндрами двигателя, а вторая выпускная труба может быть соединена с внутренними цилиндрами двигателя. Головка блока цилиндров также может включать в себя перепускную заслонку. Турбина может быть соединена с одним или несколькими компрессорами посредством общего вала.
Системы, представленные на Фиг. 1-7, могут быть использованы одним или несколькими способами. Например, представлен способ, в котором объединяют в головке блока цилиндров выхлопные газы, проходящие из внутренних линейно расположенных цилиндров двигателя в первый полукруглый выход, объединяют в головке блока цилиндров выхлопные газы, проходящие из наружных линейно расположенных цилиндров двигателя во второй полукруглый выход, расположенный напротив первого полукруглого выхода, а также направляют выхлопные газов из первого и второго выходов через осевую турбину с подшипниками, установленными в головке блока цилиндров. Осевая турбина может быть соединена с радиальным компрессором общим валом. Данный способ также может подразумевать регулировку перепускного клапана для регулировки потока с помощью перепускного канала, расположенного в головке блока цилиндров.
Следует понимать, что конфигурации и последовательности операций, раскрытые в данном описании, являются примерами, и что эти конкретные варианты выполнения не следует рассматривать как ограничительные, поскольку возможны их различные варианты и модификации. Например, возможно использование описанной технологии для двигателей V8, I-4, I-6, V12, оппозитных двигателей с четырьмя цилиндрами, а также других типов двигателей. Кроме того, описанные выше технологии могут быть использованы вместе с различными конфигурациями систем. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации или подкомбинации различных систем и конфигураций, а также другие отличительные особенности, функции и/или свойства, раскрытые в настоящем документе.
Все термины, применяемые в формуле изобретения, следует понимать в их наиболее широких разумных толкованиях и их обычных значениях, как это понимают специалисты в данной области техники, если иное явно не указано в описании изобретения. В частности, использование слов «какой-либо», «данный», «вышеуказанный» и т.д. надо понимать как один или несколько указанных элементов, если в формуле не указано иное.