ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С НАДДУВОМ С ОТДЕЛЬНЫМИ ВЫПУСКНЫМИ КОЛЛЕКТОРАМИ И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
SUPERCHARGED INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH SEPARATE EXHAUST MANIFOLDS AND METHOD TO OPERATE SUCH ENGINE

Настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания (ДВС) с турбонаддувом, который имеет по меньшей мере два турбокомпрессора на выхлопных газах и по меньшей мере одну головку цилиндров с по меньшей мере двумя цилиндрами. Изобретение также относится к способу эксплуатации двигателя внутреннего сгорания данного типа.
В рамках настоящего изобретения термин «двигатель внутреннего сгорания» относится к двигателям с искровым (принудительным) зажиганием, но также применим и к дизельным и гибридным двигателям внутреннего сгорания.
В двигателях внутреннего сгорания имеется блок цилиндров и по меньшей мере одна головка цилиндров, которые соединены друг с другом с формированием цилиндров (см., например, ЕР 2236790 или ЕР 1645735). Для контроля замены рабочей смеси требуются элементы управления двигателем внутреннего сгорания, которые обычно выполняют в виде клапанов, а также исполнительные устройства для приведения в действие указанных элементов управления. Механизм активации клапанов, необходимый для движения клапанов, включающий в себя сами клапаны, называется клапанным приводом. Клапанный привод часто размещают в конструкции головки цилиндров.
В процессе замены рабочей смеси продукты сгорания выводятся через выпускные отверстия цилиндров, а заполнение камеры сгорания, точнее, введение свежей смеси или свежего воздуха в камеру сгорания, осуществляется через впускные отверстия. Функцией клапанного привода является открывание и закрывание впускных и выпускных отверстий в нужное время с быстрым обеспечением наибольших сечений потока, чтобы поддерживать на минимальном уровне потери на дросселирование поступающего и выводимого потоков газа, а также для того, чтобы гарантировать лучшее заполнение камеры сгорания свежей смесью и эффективный, а точнее, полный, отвод выхлопных газов из камеры. В соответствии с известными решениями, в цилиндрах часто выполняют два или более впускных и выпускных отверстия. По меньшей мере два цилиндра двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению также имеют по крайней мере два выпускных отверстия.
Согласно уровню техники, подводимые к впускным отверстиям впускные каналы, а также соединенные с выпускными отверстиями выпускные каналы, то есть выхлопные трубопроводы, по меньшей мере частично интегрированы в головку цилиндров. Выхлопные трубопроводы цилиндров обычно выполняют сливающимися в один общий выхлопной трубопровод или, как в двигателях внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению, в группы для формирования двух или более общих выхлопных трубопроводов. Слияние выхлопных трубопроводов с образованием общего выхлопного трубопровода, в общем случае и в контексте настоящего изобретения будет называться выпускным коллектором, причем часть выхлопного трубопровода, находящаяся выше по потоку турбины, расположена в общем выхлопном трубопроводе и является, согласно настоящему изобретению, частью выпускного коллектора.
Ниже по потоку коллекторов выхлопные газы, в данном случае, подают к турбинам по меньшей мере двух турбокомпрессоров с целью нагнетания воздуха в двигатель внутреннего сгорания, а также, при необходимости, к одной или более системам нейтрализации (обработки) выхлопных газов.
Преимущества турбокомпрессора на выхлопных газах по сравнению, например, с механическим нагнетателем, заключаются в том, что не существует и не требуется прямой механической связи для передачи энергии между нагнетателем и двигателем внутреннего сгорания. В то время как механический нагнетатель берет необходимую для работы энергию полностью от двигателя, и, таким образом, понижает выходную мощность и негативно сказывается на эффективности двигателя, то турбокомпрессор использует энергию горячих выхлопных газов.
т
Турбокомпрессор на выхлопных газах содержит компрессор и турбину, расположенные на одном валу. Поток горячих выхлопных газов подается на турбину, расширяясь в ней с высвобождением энергии, в результате чего вал начинает вращаться. Из-за высоких угловых скоростей n вал обычно закреплен на подшипниках скольжения. Энергия, переданная потоком выхлопных газов турбине, а в итоге валу, используется для приведения в действие компрессора, который подобным образом размещен на валу. Компрессор передает и сжимает нагнетаемый воздух, доставленный к нему, в результате чего достигается наддув цилиндров. При необходимости, используют устройство охлаждения нагнетаемого воздуха, благодаря которому сжатый воздух, подаваемый в камеру сгорания, охлаждается перед попаданием в цилиндры.
Наддув служит, главным образом, средством повышения мощности двигателя внутреннего сгорания. Здесь требуемый для процесса горения воздух сжимается, и в результате большая масса воздуха может быть доставлена к каждому цилиндру в процессе рабочего цикла. В этом случае объем топлива и, следовательно, среднее полезное давление могут быть увеличены. Наддув является подходящим средством увеличения мощности двигателя внутреннего сгорания без увеличения рабочего объема цилиндров, или для снижения рабочего объема цилиндров без уменьшения мощности двигателя. В любом случае, применение наддува приводит к увеличению объемной выходной мощности и улучшению удельной мощности двигателя внутреннего сгорания. При тех же граничных условиях для транспортного средства, таким образом, появляется возможность применять большие нагрузки при меньшем удельном расходе топлива.
При конфигурировании системы турбонаддува на выхлопных газах часто возникают трудности, когда в основном стремятся достичь значительного улучшения характеристик во всем диапазоне угловых скоростей двигателя. Согласно известному уровню техники, так или иначе, наблюдается сильное падение крутящего момента в случае, когда конкретная угловая скорость не достигается. Это падение можно понять, если принять во внимание, что коэффициент давления надувочного воздуха зависит от показателя давления в турбине. Снижение скорости вращения двигателя приводит к уменьшению плотности потока выхлопных газов и, следовательно, к снижению показателя давления в турбине. Вследствие этого происходит дальнейшее снижение угловых скоростей, и таким же образом уменьшается коэффициент давления надувочного воздуха, что и приводит к падению крутящего момента.
В принципе, возможно противодействовать уменьшению давления надувочного воздуха посредством уменьшения поперечного сечения турбины, сопровождаемого увеличением показателя давления в турбине. Но это всего лишь смещает падение крутящего момента в область более низких угловых скоростей. Более того, вышеизложенный метод уменьшения поперечного сечения турбины имеет ограничения, так требуемый наддув и улучшение характеристик должны осуществляться без ограничений даже в области высоких угловых скоростей, то есть в случае большого потока выхлопных газов.
Согласно уровню техники, предпринимаются попытки увеличить характеристики крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом с использованием различных средств. Одним из таких средств, например, является уменьшение поперечного сечения турбины с одновременным использованием устройства сброса избыточного давления (blow-off). Такую турбину также называют турбиной с перепускной заслонкой. Если плотность потока выхлопных газов превышает критическое значение, то часть потока за счет открывания запорного элемента, в ходе так называемого сброса избыточного давления выхлопных газов, отводится через перепускной канал в обход турбины или рабочего колеса турбины. Этот метод имеет недостаток, заключающийся в том, что характер работы наддува является непредсказуемым на относительно высоких угловых скоростях или в случае относительно больших потоков выхлопных газов.
Характеристику крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с наддувом можно кроме того улучшить путем использования нескольких турбокомпрессоров, расположенных параллельно, то есть совокупности турбин с малым поперечным сечением, расположенных параллельно друг другу. В этом случае турбины активируются при возрастающем потоке выхлопных газов.
Двигатель внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющий по меньшей мере два турбокомпрессора, расположенных параллельно, также является объектом настоящего изобретения. Одна из турбин выполнена в качестве активируемой турбины, которая задействуется только выхлопными газами, то есть активируется, только в случае относительно больших количеств выхлопных газов. Эти по меньшей мере две турбины должны иметь перепускной клапан, то есть первая турбина оснащается первым перепускным каналом, ответвляющимся от первого выпускного коллектора выше по потоку первой турбины, а вторая турбина оснащается вторым перепускным каналом, ответвляющимся от второго выпускного коллектора выше по потоку второй турбины.
Предполагается расположить турбины настолько близко к выпускным отверстиям цилиндра, насколько это только возможно для того, чтобы оптимально использовать внутреннюю энергию горячих выхлопных газов, определяемую, в основном, давлением и температурой выхлопных газов, а также для обеспечения быстрого отклика турбокомпрессоров. Таким образом, теоретически предполагается свести к минимуму тепловую инерцию, а также объем системы трубопроводов между выпускными отверстиями на цилиндрах и турбинами, что может быть достигнуто уменьшением массы и длины выхлопных трубопроводов.
Для достижения указанных целей выхлопные трубопроводы внутри головки цилиндров соединяют таким образом, чтобы длина труб выше по потоку турбины значительно уменьшилась (настолько, насколько это возможно). Это позволяет обеспечить компактные размеры двигателя внутреннего сгорания, сократив при этом, помимо количества конструктивных элементов и вместе с этим общего веса, также и расходы, в частности, на установку и подготовку. Компактные размеры двигателя внутреннего сгорания также позволят обеспечить плотную компоновку всех узлов привода в моторном отделении.
Двигатель внутреннего сгорания, в котором выхлопные трубопроводы сливаются в по меньшей мере две выхлопные системы внутри головки цилиндров, также является предметом настоящего изобретения.
Для достижения указанных целей выхлопные трубопроводы по меньшей мере двух цилиндров соединяются, группируясь таким образом, чтобы из каждого цилиндра по меньшей мере один выхлопной трубопровод вел бы к турбине первого турбокомпрессора, а другой выхлопной трубопровод - к турбине второго турбокомпрессора.
Согласно настоящему изобретению, турбина первого турбокомпрессора является активируемой, выпускные отверстия выхлопных трубопроводов, ведущих к этой турбине, соответственно являются задействуемыми (активируемыми) выпускными отверстиями. Задействуемые выпускные отверстия открываются только при наличии относительно больших объемов выхлопных газов, тем самым активируя первую турбину, то есть приводя ее в действие выхлопными газами в процессе замены рабочей смеси.
По сравнению с вариантами реализации настоящего изобретения, в которых выше по потоку турбин имеется единая согласованная система трубопроводов, вышеуказанное расположение по группам, то есть использование двух отдельных выпускных коллекторов, улучшает рабочие характеристики двигателя, в особенности при малых потоках выхлопных газов. Данный вариант также является эффективным за счет того, что уменьшается длина линии выше по потоку второй турбины, через которую постоянно проходят выхлопные газы, что уменьшает время ответной реакции при низких нагрузках и малых оборотах двигателя, то есть при малых концентрациях выхлопных газов.
Несмотря на вышеописанные способы, все чаще применяемые в двигателях внутреннего сгорания, для использования связанных с ними преимуществ необходимо их дальнейшее усовершенствование, позволяющее еще больше сократить объем и длину трубопровода выхлопной системы, сделав конструкцию двигателя внутреннего сгорания компактной и легкой.
В свете вышеизложенного, целью настоящего изобретения является разработка двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, посредством которого могут быть преодолены проблемы и недостатки решений, известных из уровня техники, то есть будет по возможности максимально компактным, легким и экономичным.
Следующим дополнительным объектом настоящего изобретения является разработка способа эксплуатации двигателя внутреннего сгорания данного типа.
Первая цель изобретения достигается в двигателе внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющем по меньшей мере два турбокомпрессора на выхлопных газах и по меньшей мере одну головку цилиндров с по меньшей мере двумя цилиндрами. Каждый цилиндр имеет по меньшей мере два выпускных отверстия для вывода выхлопных газов по меньшей мере одно из которых выполнено в виде задействуемого выпускного отверстия. Каждое выпускное отверстие соединено с выхлопным трубопроводом, причем выхлопные трубопроводы задействуемых выпускных отверстий по меньшей мере двух цилиндров сливаются в первый выпускной коллектор внутри головки цилиндров с образованием первого общего выхлопного трубопровода, который соединен с турбиной первого турбокомпрессора на выхлопных газах; а выхлопные трубопроводы других выпускных отверстий по меньшей мере двух цилиндров сливаются во второй выпускной коллектор внутри головки цилиндров с образованием второго общего выхлопного трубопровода, который соединен с турбиной второго турбокомпрессора; и где первая турбина оснащена первым перепускным каналом, который ответвляется от первого выпускного коллектора выше по потоку первой турбины, а вторая турбина оснащена вторым перепускным каналом, который ответвляется от второго выпускного коллектора выше по потоку второй турбины. Представленная конструкция двигателя отличается от известных решений тем, что первая и вторая турбины размещены в одном корпусе.
В соответствии с изобретением две параллельно расположенные турбины имеют общий корпус. Общий корпус требует меньших затрат материала, чем два отдельных турбинных корпуса, что приводит к снижению веса.
Кроме того, обычно используемый для турбинных корпусов термостойкий материал, часто с содержанием никеля, требует сравнительно больших затрат, в частности, по сравнению с часто используемым для головки цилиндров алюминием. Таким образом, использование общего турбинного корпуса уменьшает издержки производства. В связи с этим также следует учитывать то, что обработка термостойкого материала требует больших материальных затрат и составляет основную часть расходов при производстве корпусов.
Помимо вышеназванных преимуществ размещение двух независимых турбин в одном корпусе обеспечивает компактность всей двигательной установки.
В конструкциях, в которых турбины оснащены жидкостным охлаждением, настоящее изобретение обеспечивает дополнительные преимущества, поскольку в этом случае приходится оснащать водяной рубашкой или охлаждающим каналом только один корпус. Использование дорогостоящих, например, с содержанием никеля, материалов, как правило, больше не является необходимым или сильно сокращается. Это дополнительно сокращает издержки производства, также благодаря тому, что, как было упомянуто ранее, расходы на обработку термостойких материалов значительно выше.
В соответствующем изобретению двигателе внутреннего сгорания, как было уже сказано, достигается первая цель изобретения, а именно, создание по возможности компактного, легкого и экономичного двигателя внутреннего сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению может также иметь две головки цилиндров, например, если несколько цилиндров разделены на два ряда.
В соответствии с изобретением выхлопные трубопроводы всех цилиндров головки не должны объединяться в два общих выхлопных трубопровода, описанным способом должны быть сгруппированы только выхлопные трубопроводы по меньшей мере двух цилиндров.
Предпочтительными являются варианты конструктивного исполнения, в которых выхлопные трубопроводы всех цилиндров по меньшей мере одной головки цилиндров соединены в два общих выхлопных трубопровода.
Также предпочтительными являются варианты осуществления изобретения, в которых валы турбокомпрессора на выхлопных газах вместе с предварительно собранными рабочими колесам турбин и компрессора представляют собой предварительно собранный узел, например, в форме кассеты, и могут быть вставлены в турбинный корпус или корпус турбокомпрессора. Это существенно сокращает время сборки. При этом в корпус помещают не только компоненты турбин, но и элементы компрессора.
Другие предпочтительные варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания описаны со ссылками на зависимые пункты формулы изобретения.
Предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых общий турбинный корпус содержит по меньшей мере одну литую часть. Изготовление корпуса или его частей литьевым способом облегчает создания общей формы корпуса.
В качестве материала для корпуса предпочтительно использовать алюминий, что позволит значительно сократить вес. Корпус также может быть изготовлен из серого чугуна или других литьевых материалов.
Предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых общий турбинный корпус и по меньшей мере одна головка цилиндров представляют собой отдельные конструктивные элементы, которые связаны друг с другом с помощью фрикционного соединения, геометрического замыкания и/или с помощью неразъемного соединения.
Преимущество модульной конструкции, в которой турбинный корпус и головка цилиндров представляют собой отдельные конструктивные элементы и соединяются друг с другом в процессе сборки, заключается в том, что, с одной стороны, турбина может комбинироваться с другими головками цилиндров и, с другой стороны, головка цилиндров может комбинироваться с другими турбинами по модульному принципу. Возможность разнообразного использования конструктивных элементов, как правило, позволяет увеличить объем партии, а в результате снизить издержки из расчета на единицу продукции. Кроме того, снижаются расходы, связанные с необходимостью замены турбины или головки цилиндров при возникновении неисправности. Модульная конструкция позволяет также переоборудовать уже имеющиеся на рынке двигатели внутреннего сгорания или имеющиеся технологии, то есть создать соответствующий двигатель внутреннего сгорания с использованием уже имеющейся головки цилиндров.
Предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере части общего турбинного корпуса представляют собой одно целое вместе с по меньшей мере одной головкой цилиндров так, что головка цилиндров и по меньшей мере одна часть турбинного корпуса образовывали бы единый конструктивный элемент.
Благодаря цельной структуре принципиально отпадает необходимость в создании газонепроницаемого, термостойкого соединения головки цилиндров и турбинного корпуса, что также приводит к снижению издержек производства. Также отсутствует опасность того, что при возникновении утечки выхлопные газы будут бесконтрольно выходить в окружающую среду. Монолитный тип конструкции позволяет сократить количество деталей и сделать конструкцию более компактной.
Турбины можно будет расположить ближе к двигателю, поскольку не нужно предусматривать место для монтажных приспособлений, что упрощает конструктивное выполнение корпуса и позволяет оптимизировать работу турбин. Корпус может занимать сравнительно небольшой объем, рабочие колеса турбин могут быть расположены вблизи области входа, что при необходимости выделения пространства для монтажа было бы невозможно.
Если корпус турбины и по меньшей мере одна головка цилиндров имеют жидкостное охлаждение, и если встроенная в турбинный корпус водяная рубашка должна снабжаться охлаждающим средством через головку цилиндров, то интегрированная конструкция обоих конструктивных элементов является крайне желательной, поскольку при соединении охлаждающих контуров или водяных рубашек можно будет отказаться от дополнительных трубопроводов.
В этом случае встроенная в головку цилиндров рубашка охлаждения может также образовывать рубашку охлаждения, расположенную в корпусе, что позволит избежать соединения двух первоначально независимых рубашек охлаждения. Все вышесказанное о потоке выхлопных газов также относится к контуру охлаждения или соединению рубашек охлаждения, а также утечке охлаждающего средства.
Масляный трубопровод может быть устроен аналогичным способом, то есть снабжение турбин маслом для смазки турбинных валов может осуществляться через трубопровод, встроенный в головку цилиндров и корпус. Таким образом можно избежать использования внешнего трубопровода для подачи масла, а следовательно выполнения и герметизации мест соединения между трубопроводом и корпусом или между трубопроводом и головкой цилиндров. Масло может забираться в головке цилиндров и подаваться в корпус и турбины без опасности возникновения утечки.
Предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых:
- первый и второй перепускные каналы сливаются с образованием соединительной точки для формирования общего перепускного канала, и
- в соединительной точке предусмотрен запорный элемент, который может быть отрегулирован между открытым и закрытым положениями, причем запорный элемент в закрытом положении отделяет два перепускных канала от общего перепускного канала, а в открытом положении соединяет два перепускных канала с общим перепускным каналом.
В рассматриваемой конструкции для управления сбросом выхлопного газа обеих турбин требуется только один единственный запорный элемент. Для этой цели два перепускных канала турбин сливаются с образованием точки соединения для формирования общего перепускного канала, в котором в точке соединения устанавливается запорный элемент для сброса выхлопных газов. Такой способ позволяет открывать и закрывать оба перепускных канала с использованием только одного запорного элемента.
В связи с использованием запорного элемента турбины с перепускной заслонкой необходимо учитывать то, что запорный элемент подвергается высокой термической нагрузке в результате прохождения горячих выхлопных газов, а значит он должен быть изготовлен из подходящего материала. Это обстоятельство делает запорный элемент дорогостоящим. Система регулировки запорного элемента является сравнительно дорогостоящей, и при использовании анероидной коробки для регулировки давления наддува/выхлопных газов возникает соответствующая необходимость в пространстве для размещения анероидной коробки и относящихся к ней механизмов. Последнее, в частности, противоречит требованию к компактности конструкции. Поэтому крайне предпочтительно, чтобы оба перепускных канала перепускных турбин управлялись только одним запорным элементом.
Общий перепускной канал может соединяться с одним из двух или с обоими общими выхлопными трубопроводами ниже по потоку турбин.
Предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых в закрытом положении запорного элемента остается по меньшей мере один канал перелива, который соединяет два перепускных канала друг с другом. Канал перелива способствует улучшению работы активируемой турбины во многих отношениях.
т
Канал перелива пропускает некоторое количество выхлопных газов из второго выпускного коллектора в первый выпускной коллектор даже при относительно малых количествах выхлопных газов, когда активируемая турбина является деактивированной, в результате чего активируемая турбина приводится в действие выхлопными газами, поступающими через второй коллектор и канал перелива даже в деактивированном, т.е. выключенном, состоянии. В этом случае к активируемой турбине через канал перелива подается только то количество выхлопных газов, которое обеспечивает поддержание угловой скорости вала турбины не ниже минимальной n. Поддержание определенной минимальной угловой скорости предотвращает или снижает истощение гидродинамического смазочного слоя в подшипнике скольжения вала первого турбокомпрессора. Следовательно, средство подачи малого количества выхлопного газа в активируемую турбину даже в деактивированном состоянии оказывает положительный эффект в отношении износа и срока службы первого турбокомпрессора. Более того, отклик активируемой турбины и наддува в целом улучшаются, так как активируемая турбина при активации запускается с более высоких начальных угловых скоростей. Требуемый крутящий момент можно обеспечить сравнительно быстро, то есть лишь с небольшой задержкой.
т
По меньшей мере один канал перелива должен обеспечивать необходимое количество выхлопных газов для поддержания минимальной угловой скорости n вала, а также он должен иметь соответствующие геометрические размеры. При этом участие в нагнетаемом давлении не является функцией активируемой турбины в деактивированном состоянии. Обеспечение требуемого количества выхлопных газов для этих целей является задачей не канала перелива, но скорее первого выпускного коллектора, когда выпускные отверстия открыты или задействованы.
Канал перелива, в соответствии с его принципами работы, имеет значение, когда активируемая турбина деактивирована, то есть в случае малых количеств выхлопного газа, когда, в основном, запорный элемент, установленный в точке соединения, деактивирован, то есть закрыт.
В этом отношении наиболее эффективны варианты, в которых запорный элемент совместно образует по меньшей мере один канал перелива при переходе в закрытое положение.
Может быть доказано, что при отсутствии канала перелива существенным недостатком является то, что ранее описанный двигатель внутреннего сгорания оборудован двумя отдельными, изолированными друг от друга выпускными коллекторами и задействуемыми выпускными отверстиями. Активируемая турбина оказывается полностью отрезанной от потока выхлопных газов, то есть выхлопные газы вообще не подаются к деактивированной турбине. Таков результат применения отделенного выпускного коллектора и того факта, что задействуемые выпускные отверстия не открываются в данном режиме работы.
В результате отсутствия характерного потока выхлопных газов, в случае деактивации угловая скорость активируемой турбины существенно снижается. Гидродинамический смазочный слой подшипника скольжения истощается или исчезает полностью. Отклик активируемой турбины ухудшается в случае активации.
По вышеназванным причинам, предпочтительными являются варианты двигателя, в которых первый выпускной коллектор и второй выпускной коллектор постоянным образом соединены друг с другом выше по потоку двух турбин посредством по меньшей мере одного соединительного канала, который не может быть закрыт.
Данный вариант особенно предпочтителен, в частности, при отсутствии канала перелива, но при наличии соединительного канала описанного выше типа.
Канал перелива и соединительный канал выполняют одинаковые функции, а именно подачу выхлопного газа на активируемую турбину в деактивированном состоянии, чтобы поддерживать минимальную скорость вращения вала турбины.
Что касается функций двух описанных типов каналов, предпочтительны варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере один канал перелива и/или по меньшей мере один соединительный канал формируют точку дросселирования, которая приводит к уменьшению давления потока выхлопных газов, проходящего через канал.
Тем самым гарантируется, что только небольшое количество выхлопных газов проходит через канал или каналы, а именно только то количество выхлопных газов, которое необходимо для получения определенной минимальной скорости вращения вала турбины.
По меньшей мере один канал должен быть выполнен с размерами, соответствующими этой функции, то есть он должен быть меньше, чем, например, выхлопной трубопровод, соединенный с выпускным отверстием, который служит для подачи достаточного количества выхлопных газов к турбине с наименьшими потерями.
Quer, V
Quer, K
Quer, Ex
Также предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых наименьшее поперечное сечение из A или A по меньшей мере одного канала меньше, чем наименьшее поперечное сечение A выхлопного трубопровода.
Проходное сечение трубопровода или канала является параметром, который сильно влияет на пропускную способность, то есть количество выхлопных газов, проходящих через соединительный канал в единицу времени. Для сравнения, согласно настоящему изобретению проходное сечение определяют как перпендикулярное центральной элементарной струе потока.
Quer, V
Quer, Ex
Также предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых выполняется следующее соотношение: A≤0,2A.
Quer, V
Quer, K
Quer, Ex
Quer, V
Quer, K
Quer, Ex
В особенности предпочтительными являются варианты выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых выполняются следующие соотношения: A или A≤0,1A, и предпочтительно A или A≤0,05A.
В двигателях внутреннего сгорания, в которых предусмотрен соединительный канал, предпочтительны варианты, в которых по меньшей мере один соединительный канал ответвляется от выхлопного трубопровода второго выпускного коллектора и соединяет этот выхлопного трубопровод второго выпускного коллектора, например, с выхлопным трубопроводом первого выпускного коллектора, или же с объединенным выхлопным трубопроводом первого выпускного коллектора.
Поскольку через соединительный канал в первый коллектор должно поступить только небольшое количество выхлопного газа, подача выхлопного газа в соединительный канал через выхлопной трубопровод единственного выпускного отверстия является в основном достаточной.
Однако могут быть преимущественными варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых по меньшей мере один соединительный канал соединяет два общих выхлопных трубопровода коллекторов друг с другом. Если два общих выхлопных трубопровода расположены прилегающими друг к другу, такой вариант, кроме того, сокращает длину соединительного канала.
При наличии соединительного канала предпочтительными являются такие варианты, в которых по меньшей мере один соединительный канал встроен в головку цилиндров. В результате опасность утечки выхлопных газов может быть устранена. Более того, таким образом может быть достигнуто компактное конструктивное исполнение двигателя внутреннего сгорания. В вариантах реализации изобретения с внешним каналом для таких каналов можно использовать крепежные элементы и дополнительные уплотнители.
Предпочтительны варианты двигателя, в которых первый перепускной канал ответвляется от общего выхлопного трубопровода первого выпускного коллектора.
Поскольку все выхлопные газы из выпускных отверстий, принадлежащих первому выпускному коллектору, проходят через первый общий выхлопной трубопровод, то также теоретически возможно в данном варианте выполнять сброс всего выхлопного газа через перепускной канал.
То, что было описано выше, также относится и ко второму перепускному каналу. Также предпочтительны варианты двигателя, в которых второй перепускной канал ответвляется от общего выхлопного трубопровода второго выпускного коллектора.
Предпочтительны варианты двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых общий перепускной канал по меньшей мере частично встроен (интегрирован) в общий корпус турбины.
Предпочтительными являются варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых первый перепускной канал и/или второй перепускной канал по меньшей мере частично встроен (интегрирован) в общий корпус турбины.
Предпочтительными являются варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых первый перепускной канал и/или второй перепускной канал по меньшей мере частично встроен (интегрирован) в головку цилиндров.
Последняя из указанных форма конструктивного исполнения способствует уменьшению количества конструктивных элементов и вместе с этим снижению расходов, а также уменьшает риск утечки выхлопных газов.
Также предпочтительными являются варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых первый перепускной канал и второй перепускной канал соответственно оснащены запорным элементом и при необходимости соединяются только ниже по потоку турбин.
Предпочтительными являются варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых предусмотрен клапанный привод с по меньшей мере частичной регулировкой для приведения в действие выпускных отверстий, предпочтительно клапанный привод с полной регулировкой.
Предпочтительными являются варианты реализации двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, в которых по меньшей мере одна головка цилиндров оборудована встроенной рубашкой охлаждения. Двигатель внутреннего сгорания с турбонаддувом испытывает большую термическую нагрузку, чем двигатели без наддува, в результате чего к системе охлаждения предъявлены большие требования.
Теоретически есть возможность выполнения системы охлаждения в форме как устройств воздушного охлаждения, так и устройств жидкостного охлаждения. Вследствие более высокой теплоемкости жидкостей по сравнению с воздухом, есть возможность отвести большее количество тепла посредством жидкостного охлаждения, чем воздушного.
Жидкостное охлаждение требует оборудования двигателя или головки цилиндров встроенной рубашкой охлаждения, то есть системой каналов хладагента, которые проводят охлаждающую жидкость через головку цилиндров или блок цилиндров. Тепло поглощается хладагентом, как правило, в воде с присадками, уже внутри этого компонента. Хладагент подается с помощью насоса, расположенного в охлаждающем контуре, таким образом, что она циркулирует в рубашке охлаждения. Тепло, которое поглощается хладагентом, таким образом отводится от внутренней части головки цилиндров, а затем отдается теплообменнику.
Вторая дополнительная цель настоящего изобретения, а именно разработка способа эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, достигается за счет способа, в котором задействуемые выпускные отверстия, которые деактивированы в случае малого количества выхлопных газов, активируют при превышении первого заданного количества выхлопных газов.
То, что было установлено в отношении двигателей внутреннего сгорания по изобретению, подобным образом применимо и к способу по изобретению. Задействование выпускных отверстий означает активацию первой турбины. Предварительная раскрутка активируемой турбины через перепускной канал второй турбины, выполненной как турбина с перепускной заслонкой, остается неизменной.
В двигателях внутреннего сгорания без наддува количество выхлопных газов приблизительно соответствует частоте и/или нагрузке двигателя, в частности в зависимости от управления нагрузкой, используемого в отдельной ситуации. В традиционных двигателях Отто с количественным топливным регулированием, количество выхлопных газов увеличивается с увеличением нагрузки даже при постоянной частоте вращения двигателя. При этом в дизельных двигателях с качественным топливным регулированием, количество выхлопных газов зависит только от частоты вращения, так как при изменении нагрузки при постоянной частоте вращения изменяется состав смеси, а не ее количество.
Если двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению основан на количественном регулировании, при котором уровень нагрузки контролируется посредством количества свежей смеси, количество выхлопных газов может превышать соответствующее (то есть заданное) количество выхлопных газов даже при постоянной частоте вращения, если нагрузка двигателя превышает определенное значение, так как количество выхлопных газов коррелирует с нагрузкой двигателя, причем количество выхлопных газов возрастает с ростом нагрузки и спадает с уменьшением нагрузки.
Напротив, если двигатель внутреннего сгорания основан на качественном регулировании, при котором нагрузка контролируется посредством состава свежей смеси, и количество выхлопных газов изменяется исключительно вместе с частотой вращения двигателя, то есть прямо пропорционально частоте вращения, количество выхлопных газов превышает заданное значение независимо от нагрузки в случае, если частота вращения двигателя внутреннего сгорания также превышает предварительно определенное значение.
Двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению является двигателем с турбонаддувом, так что должно быть также рассмотрено давление нагнетаемого воздуха со стороны впуска, которое может изменяться с нагрузкой и/или частотой вращения, а также оказывает влияние на количество выхлопных газов. Взаимосвязи, описанные выше в отношении количества выхлопных газов и нагрузки или частоты вращения, соответственно применяются только условно в общей форме. Таким образом, способ согласно изобретению связан в основном с количеством выхлопных газов, а не с нагрузкой или частотой вращения двигателя.
Если количество выхлопных газов становится меньше предварительно определенного значения, задействуемые выпускные отверстия, а следом и активируемая турбина, снова деактивируются.
1
Предпочтительными являются варианты способа, в которых задействуемые выпускные отверстия задействуются, когда количество выхлопных газов превышает предварительно определенное значение на протяжении предварительно определенного периода времени Δt.
Введение дополнительного условия для активации первой турбины направлено на предотвращение чрезмерно частого переключения, в частности, задействования выпускных отверстий в случае, если количество выхлопных газов превышает заданное значение только на короткий промежуток времени, а затем снова снижается, или колеблется возле этого значения без его превышения, обуславливающего активацию первой турбины.
2
По вышеизложенным причинам, предпочтительными являются варианты способа, в которых задействуемые выпускные отверстия не задействованы, когда количество выхлопных газов становится меньше предварительно определенного значения и находится на этом уровне на протяжении предварительно определенного периода времени Δt.
Если оба перепускных канала турбин соединяются друг с другом до турбины, этот вариант делает возможным осуществление способов, при которых первая активируемая турбина ускоряется незадолго до активации посредством открывания перепускных каналов, причем выхлопные газы из второго коллектора отводятся через второй и первый перепускной канал в первый коллектор.
Предпочтительны варианты способа, в которых по меньшей мере один перепускной канал открывается, как только количество выхлопных газов превышает второе заданное количество выхлопных газов.
3
В свою очередь предпочтительны варианты способа, в которых по меньшей мере один перепускной канал открывается, когда количество выхлопных газов превышает второе предварительно определенное значение и сохраняется на этом уровне на протяжении предварительно определенного периода времени Δt.
4
В свою очередь предпочтительны варианты способа, в которых по меньшей мере один перепускной канал закрывают, когда количество выхлопных газов становится меньше предварительно определенного значения и сохраняется на этом уровне на протяжении предварительно определенного периода времени Δt.
Таким образом, согласно первому объекту настоящего изобретения создан двигатель внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющий по меньшей мере два турбокомпрессора на выхлопных газах и по меньшей мере одну головку цилиндров с по меньшей мере двумя цилиндрами, причем каждый цилиндр имеет по меньшей мере два выпускных отверстия для вывода выхлопных газов, по меньшей мере одно из которых выполнено как задействуемое отверстие, и каждое выпускное отверстие соединено с выхлопным трубопроводом, в котором:
- выхлопные трубопроводы задействуемых выпускных отверстий по меньшей мере двух цилиндров, образующие первый выпускной коллектор, сливаются друг с другом для формирования первого общего выхлопного трубопровода, который соединен с турбиной первого турбокомпрессора на выхлопных газах;
- выхлопные трубопроводы других выпускных отверстий по меньшей мере двух цилиндров, образующие второй выпускной коллектор, сливаются друг с другом для формирования второго общего выхлопного трубопровода, который соединен с турбиной второго турбокомпрессора на выхлопных газах;
- первая турбина оснащена первым перепускным каналом, который ответвляется от первого выпускного коллектора выше по потоку первой турбины, а
- вторая турбина оснащена вторым перепускным каналом, который ответвляется от второго выпускного коллектора выше по потоку второй турбины,
- выхлопные трубопроводы задействуемых выпускных отверстий сливаются друг с другом внутри головки цилиндров для формирования первого общего выхлопного трубопровода;
- выхлопные трубопроводы других задействуемых выпускных отверстий сливаются друг с другом внутри головки цилиндров для формирования второго общего выхлопного трубопровода; и
- первая турбина и вторая турбина имеют общий корпус турбины.
Предпочтительно, общий корпус турбины содержит по меньшей мере одну литую деталь.
Предпочтительно, по меньшей мере части общего корпуса турбины выполнены за одно целое с по меньшей мере одной головкой цилиндров.
Предпочтительно, первый перепускной канал и второй перепускной канал сливаются с образованием соединительной точки для формирования общего перепускного канала, и в соединительной точке установлен запорный элемент, который может быть отрегулирован между открытым и закрытым положениями, причем запорный элемент в закрытом положении отделяет два перепускных канала от общего перепускного канала, а в открытом положении соединяет два перепускных канала с общим перепускным каналом.
Предпочтительно, общий перепускной канал по меньшей мере частично интегрирован в общий корпус турбины.
Предпочтительно, в первом перепускном канале и во втором перепускном канале установлены запорные элементы.
Предпочтительно, первый перепускной канал и/или второй перепускной канал по меньшей мере частично интегрированы в общий корпус турбины.
Предпочтительно, первый перепускной канал и/или второй перепускной канал по меньшей мере частично интегрированы в головку цилиндров.
Предпочтительно, первый выпускной коллектор и второй выпускной коллектор постоянным образом соединены друг с другом выше по потоку обеих турбин через по меньшей мере один незакрываемый соединительный канал.
Quer, V
Quer, Ex
Предпочтительно, наименьшее поперечное сечение A по меньшей мере одного соединительного канала меньше, чем наименьшее поперечное сечение A выхлопного трубопровода.
Quer, V
Quer, Ex
Предпочтительно, выполняется следующее соотношение: A≤0,2A.
Quer, V
Quer, Ex
Предпочтительно, выполняется следующее соотношение: A≤0,1A.
Предпочтительно, по меньшей мере один соединительный канал интегрирован в головку цилиндров.
Согласно второму объекту настоящего изобретения создан способ эксплуатации вышеописанного двигателя, согласно которому, когда количество выхлопных газов превышает первое заданное значение, задействуют задействуемые выпускные отверстия, которые не задействованы в случае малого количества выхлопных газов.
Предпочтительно, когда количество выхлопных газов превышает второе заданное значение, открывают по меньшей мере один перепускной канал.
Далее изобретение будет описано более подробно на основе примерного варианта осуществления изобретения, показанного на единственном чертеже, на котором:
Фиг. 1 - схематический вид первого варианта осуществления двигателя внутреннего сгорания.
На Фиг. 1 схематически представлен первый вариант осуществления двигателя 1 внутреннего сгорания, который оснащен двумя турбокомпрессорами 8, 9 на выхлопных газах. Каждый турбокомпрессор 8, 9 содержит турбину 8а, 9а и компрессор 8b, 9b, расположенные на одном валу. Первая турбина 8а и вторая турбина 9а размещены в общем корпусе 15 турбины, который находится перед головкой 2 цилиндров.
Горячие выхлопные газы расширяются в турбинах 8а, 9а с выделением энергии, и компрессоры 8b, 9b сжимают нагнетаемый воздух, который далее подается к цилиндрам 3 через впускные линии 13а, 13b и напорную воздушную камеру 14, в результате чего осуществляется турбонаддув двигателя 1.
Двигатель 1 является четырехцилиндровым рядным двигателем, в котором цилиндры 3 расположены вдоль продольной оси головки 2 цилиндров, то есть в ряд. Каждый цилиндр 3 имеет два выпускных отверстия 4а и 4b, которые соединены с выхлопным трубопроводом 5а, 5b для выпуска выхлопных газов из камеры цилиндра 3.
В каждом случае одно выпускное отверстие 4а каждого цилиндра 3 выполнено как задействуемое выпускное отверстие 4а, которое открывается в процессе замены рабочей смеси, только если количество выхлопных газов превышает заданное значение. В результате расположенная ниже по потоку первая турбина 8а активируется, то есть приводится в действие выхлопными газами. Выхлопные трубопроводы 5а задействуемых выпускных отверстий 4а всех цилиндров 3 сливаются в первый выпускной коллектор ба для формирования первого общего выхлопного трубопровода 7а, который соединен с турбиной 8а первого турбокомпрессора 8 (показано пунктирной линией).
Выхлопные трубопроводы 5b других выпускных отверстий 4b всех цилиндров 3 сливаются во второй выпускной коллектор 6b для формирования второго общего трубопровода 7b, который соединен с турбиной 9а второго турбокомпрессора 9 (показано сплошной линией).
В данном случае, выхлопные трубопроводы 5а, 5b сливаются с образованием общего выхлопного трубопровода 7а, 7b внутри головки 2 цилиндров.
Как можно видеть на Фиг. 1, обе турбины 8а, 9а выполнены в виде турбины 8а, 9а с перепускной заслонкой, в которых выхлопные газы могут стравливаться через перепускные каналы 10а, 10b, 10с.
В данном случае первая турбина 8а оборудована первым перепускным каналом 10а, который ответвляется от общего выхлопного трубопровода 7а первого выпускного коллектора 6а выше по потоку первой турбины 8а, а вторая турбина 9а имеет второй перепускной канал 10b, который ответвляется от общего выхлопного трубопровода 7b второго выпускного коллектора 6b выше по потоку второй турбины 9а.
Первый и второй перепускные каналы 10а, 10b встроены в головку 2 цилиндров, в результате чего опасность утечки выхлопного газа уменьшается, и сливаются с образованием соединительной точки 11 для формирования общего перепускного канала 10 с. Общий перепускной канал 10 с частично интегрирован в общий корпус 15 турбины и соединяется с обоими выхлопными трубопроводами 7а, 7b и нейтрализатором 16 выхлопных газов.
В соединительной точке 11 установлен запорный элемент 12, который может быть отрегулирован между открытым и закрытым положениями. Запорный элемент 12 в закрытом положении отделяет эти два перепускных канала 10а, 10b от общего перепускного канала 10с, а в открытом положении соединяет эти перепускные каналы 10а, 10b с общим перепускным каналом 10с.