СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, В ЧАСТНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
METHOD AND DEVICE FOR AUTOMOTIVE ICE OPERATION

Изобретение относится к способу эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, в частности двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Кроме того, изобретение относится к устройству эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, в частности двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, согласно ограничительной части пункта 5 формулы изобретения.
Двигатели внутреннего сгорания с рециркуляцией отработавших газов общеизвестны. Рециркуляция отработавших газов, т.е. отведение части потока отработавших газов из тракта отработавших газов двигателя внутреннего сгорания и обратная подача этой части потока отработавших газов во впускной тракт двигателя внутреннего сгорания служит, в числе прочего, для восстановления окиси азота. Кроме того, рециркуляция отработавших газов может быть также использована для снижения удельного расхода топлива, например, в режиме частичной нагрузки двигателей внутреннего сгорания.
Кроме того, рециркуляция отработавших газов известна также у двигателей внутреннего сгорания с наддувом, а именно в общем случае со стороны высокого давления турбонагнетателя. При этом часть потока отработавших газов в направлении потока отработавших газов отбирается впереди турбины турбонагнетателя и снова добавляется в поток наддувочного воздуха позади компрессора турбонагнетателя. Реализуемые воздушные потоки в результате такой рециркуляции отработавших газов существенно зависят от продувочного перепада давлений в двигателе внутреннего сгорания, поскольку возвращенному (рециркулированному) потоку отработавших газов приходится преодолевать давление наддувочного воздуха. Таким образом, в рабочих режимах с незначительным продувочным перепадом давлений эффективная рециркуляция отработавших газов невозможна.
Конкретно из DE 102006037934 А1 известен двигатель внутреннего сгорания с рециркуляцией отработавших газов, в котором предусмотрена система подачи свежей горючей смеси для снабжения камер сгорания двигателя внутреннего сгорания свежей горючей смесью. Кроме того, этот двигатель внутреннего сгорания содержит систему отработавших газов для отведения отработавшего газа из цилиндров, а также рециркуляционную систему отработавших газов для обратной подачи отработавшего газа из системы отработавших газов в систему подачи свежей горючей смеси. Система подачи свежей горючей смеси содержит два трубопровода свежей горючей смеси, ведущие к соответствующим отдельным группам цилиндров двигателя внутреннего сгорания, причем в каждом из трубопроводов свежей горючей смеси установлен запорный элемент, именуемый запорным клапаном, который соединен с устройством управления и/или регулирования, с помощью которого подача свежей горючей смеси в двигатель внутреннего сгорания путем управления или регулирования может в определенной степени разрешаться или блокироваться в зависимости от определенных параметров двигателя внутреннего сгорания. От каждой из групп цилиндров отходит выпускной трубопровод, от которых, в свою очередь, ответвляются рециркуляционные трубопроводы, ведущие обратно к трубопроводу свежей горючей смеси той группы цилиндров, от которой ответвляется выпускной трубопровод и тем самым рециркуляционный трубопровод. Устройство управления здесь выполнено таким образом, что оно во время процесса впуска в цилиндры управляет соответствующим клапаном переключения, или запорным элементом, для открытия проточного поперечного сечения. Тем самым до открытия клапана переключения ниже по течению от системы подачи свежей горючей смеси или в соответствующем трубопроводе свежей горючей смеси достигается разрежение. Дело в том, что во время процесса впуска объем соответствующей камеры сгорания увеличивается за счет соответствующего движения поршня в надлежащем цилиндре. Понижение давления со стороны свежей горючей смеси увеличивает разность давлений между стороной свежей горючей смеси и стороной отработавших газов, так что соответствующий обратный запорный клапан при заданной разности давлений открывается и обеспечивает рециркуляцию отработавших газов. При этом запорные элементы, соответственно, клапаны переключения, со стороны трубопровода свежей горючей смеси управляются циклически и таким образом открываются или закрываются. При такой системе в принципе желательные доли рециркулирующих отработавших газов удается регулировать более независимо от продувочного перепада давлений. К тому же благодаря цикличному запиранию потоков наддувочного воздуха с параллельной рециркуляцией отработавших газов улучшается также выброс окислов азота по сравнению с постоянным дросселированием.
Кроме того, двигатели внутреннего сгорания с рециркуляцией отработавших газов и с запорными элементами со стороны свежей горючей смеси показаны также в DE 102007009353 A1, DE 202007007117 U1, DE 102007025179 A1, DE 102008046596 A1, а также в DE 102008046594 A1.
В противоположность этому задача настоящего изобретения заключается в создании способа и устройства для эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, в частности двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, с помощью которых доля рециркулирующих отработавших газов может быть еще более увеличена, и/или наполнение цилиндров, соответственно, камер сгорания двигателя внутреннего сгорания может быть дополнительно улучшено.
Задача в отношении способа решается с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения. В отношении устройства эта задача решается с помощью признаков пункта 5 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения являются, соответственно, предметом взаимосвязанных зависимых пунктов формулы изобретения.
Согласно независимым пунктам формулы изобретения предусмотрены способ и устройство для эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, в частности для эксплуатации двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, с многопоточной системой свежей горючей смеси для снабжения цилиндров двигателя внутреннего сгорания свежей горючей смесью, содержащей несколько трубопроводов свежей газовой смеси, ведущих к разным и имеющим по меньшей мере по одному цилиндру группам цилиндров, причем в каждом из трубопроводов свежей горючей смеси установлен запорный элемент, соединенный с устройством управления и/или регулирования, с помощью которого подача свежей горючей смеси в двигатель внутреннего сгорания путем управления или регулирования в заданной степени освобождается или блокируется в зависимости от заданных рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, предусмотрена многопоточная система отработавших газов для отвода отработавшего газа из цилиндров, содержащая несколько, в частности, по числу трубопроводов свежей горючей смеси, трубопроводов отработавших газов, идущих от разных групп цилиндров. Помимо этого, предусмотрена многопоточная, выполненная с несколькими рециркуляционными трубопроводами отработавших газов рециркуляционная система отработавших газов для рециркуляции (обратной подачи) отработавшего газа из системы отработавших газов в систему свежей горючей смеси, причем по меньшей мере от части трубопроводов отработавших газов по меньшей мере один рециркуляционный трубопровод отработавших газов ответвляется и подводится обратно к системе свежей горючей смеси. Согласно изобретению осуществляется рециркуляция отработавших газов с перекрыванием потоков, в которой рециркуляционные трубопроводы отработавших газов, ответвляющиеся от трубопроводов отработавших газов определенного потока, подведены обратно, соответственно, к трубопроводам газовой смеси другого потока. При такой структуре удается особенно успешно реализовать способ, при котором к трубопроводу, соответственно, потоку свежей горючей смеси, отключенному посредством запорного элемента от подачи свежей горючей смеси, с помощью рециркуляционного трубопровода отработавших газов подводится отработавший газ из трубопровода отработавших газов другого потока, согласованный трубопровод свежей горючей смеси которого не отключен от подачи свежей горючей смеси.
При такой структуре, соответственно, реализации способа согласно изобретению по сравнению с уровнем техники получается еще большая доля рециркулирующих отработавших газов, основывающаяся, в частности, на совпадении по времени запирания одного потока системы подачи свежей горючей смеси и прихода волны давления рециркулирующих отработавших газов другого потока. Это соответствует временно более негативному продувочному перепаду, при котором в соответствующую группу цилиндров, соответственно в соответствующую всасывающую трубу поступает больший концентрационный пакет рециркулирующих отработавших газов. К тому же наряду с рециркуляцией отработавших газов с перекрыванием потоков по сравнению с традиционной параллельной рециркуляцией отработавших газов улучшается наполнение цилиндров.
К тому же рециркуляция отработавших газов с перекрещиванием потоков с циклическим запиранием потоков свежей горючей смеси обнаруживает по сравнению с параллельной рециркуляцией отработавших газов с циклическим запиранием потоков свежей горючей смеси улучшение в отношении выбросов окислов азота.
Рециркуляция отработавших газов с перекрещиванием потоков согласно изобретению в принципе может быть реализована со структурами, имеющими более двух потоков, например, в сочетании с трехпоточным вариантом, при котором, например, один первый рециркуляционный трубопровод отработавших газов, согласованный с первой группой цилиндров, подведен обратно к одному трубопроводу свежей горючей смеси, согласованному со второй группой цилиндров, в то время как один рециркуляционный трубопровод отработавших газов, согласованный со второй группой цилиндров, подведен обратно к одному третьему трубопроводу свежей горючей смеси, согласованному с третьей группой цилиндров, а также один третий рециркуляционный трубопровод отработавших газов, согласованный с третьей группой цилиндров, подведен обратно к одному первому трубопроводу свежей горючей смеси, согласованному с первой группой цилиндров. Этот пример должен доказать, что возможны любые перекрестные многопоточные системы, основанные на заявленном основном принципе. Однако на практике особенно предпочтительным является вариант выполнения устройства, при котором система свежей горючей смеси, система отработавших газов и рециркуляционная система отработавших газов выполняются двухпоточными, что более подробно будет описано ниже.
Такой двухпоточный вариант выполнения предусматривает, чтобы первый рециркуляционный трубопровод отработавших газов, ответвляющийся от первого трубопровода отработавших газов и тем самым согласованный с первой группой цилиндров, подводился обратно ко второму трубопроводу свежей горючей смеси, согласованному со второй группой цилиндров, соответственно, заканчивался в нем, и чтобы второй рециркуляционный трубопровод отработавших газов, ответвляющийся от второго трубопровода отработавших газов и тем самым согласованный со второй группой цилиндров, подводился обратно к первому трубопроводу свежей газовой смеси, согласованному с первой группой цилиндров, соответственно, заканчивался в нем, а именно ниже по потоку от соответствующего запорного элемента, установленного в трубопроводах свежей газовой смеси. В этом случае при такой структуре удается реализовать способ, в котором при открытом запорном элементе в первом трубопроводе свежей горючей смеси и одновременно при по существу закрытом запорном элементе во втором трубопроводе свежей горючей смеси отработавший газ подводится ко второму трубопроводу свежей горючей смеси посредством первого рециркуляционного трубопровода отработавших газов, в то время как в обратном случае при по существу закрытом запорном элементе в первом трубопроводе свежей горючей смеси и одновременно открытом запорном элементе во втором трубопроводе свежей горючей смеси отработавший газ подводится к первому трубопроводу свежей горючей смеси посредством второго рециркуляционного трубопровода отработавших газов.
Согласно одному предпочтительному конкретному варианту выполнения трубопроводы свежей горючей смеси в качестве трубопроводов надувочного воздуха ниже по потоку от нагнетателя турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, в частности, ниже по потоку от компрессора турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, подведены к двигателю внутреннего сгорания. Сами трубопроводы отработавших газов, предпочтительно, подведены к турбине турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, причем рециркуляционные трубопроводы отработавших газов выше по потоку и тем самым со стороны высокого давления ответвляются от трубопроводов отработавших газов. В частности, в сочетании с такой системой турбонагнетателя получается рециркуляция отработавших газов, являющаяся особенно выгодной и оптимизированной с точки зрения продувочного перепада давлений.
Согласно одному особенно предпочтительному в этом отношении варианту выполнения предусмотрено, чтобы ниже по потоку от нагнетателя устанавливался охладитель надувочного воздуха, к которому подведен один единственный поток надувочного воздуха, причем трубопроводы надувочного воздуха ниже по потоку от охладителя надувочного воздуха разветвляются и двумя потоками подводятся к обеим группам цилиндров двигателя внутреннего сгорания, в частности к зоне всасывающей трубы, согласованной с каждой группой цилиндров. Благодаря такому разветвлению после охладителя надувочного воздуха удается, в целом, выгодно сократить расходы на детали.
Само собой разумеется, что, помимо этого, естественно могут быть предусмотрены также другие детали, как, например, охлаждение, и/или дросселирующие, и/или запорные элементы в зоне рециркуляционных трубопроводов отработавших газов в качестве хотя бы одного примера.
Для получения особенно хороших долей рециркулирующих отработавших газов целесообразным оказалось то, что по меньшей мере часть выпускных клапанов тех групп цилиндров, которые не отключены от свежей горючей смеси, открыты по существу синхронно или непосредственно после закрытия запорного элемента, расположенного со стороны трубопровода свежей горючей смеси, другого трубопровода свежей горючей смеси, в частности, в диапазоне 0-60 градусов угла поворота коленчатого вала, после закрытия запорного элемента, расположенного со стороны трубопровода свежей горючей смеси. В порядке альтернативы и/или дополнения к этому оказалось целесообразным, чтобы по меньшей мере один выпускной клапан той группы цилиндров, которая не отключена от свежей горючей смеси, открывался по существу синхронно или непосредственно по достижении заданной величины давления в цилиндре, в частности по достижении максимума давления в соответствующем согласованном цилиндре.
Ниже изобретение более подробно поясняется со ссылкой на фиг.1.
На фиг.1 схематически изображен двигатель 1 внутреннего сгорания, выполненный здесь в качестве примера как шестицилиндровый рядный двигатель внутреннего сгорания. Цилиндры этого двигателя 1 внутреннего сгорания, обозначенные как I, II, III, образуют здесь первую группу 2 цилиндров, в то время как цилиндры двигателя внутреннего сгорания, обозначенные как IV, V, VI, образуют вторую группу 3 цилиндров.
Кроме того, система, показанная на фиг.1 в качестве примера, содержит турбонагнетатель 4, работающий на отработавших газах, с компрессором 5 и турбиной 6. Выше по потоку от двигателя внутреннего сгорания к компрессору 5 подсоединен охладитель 7 наддувочного воздуха, причем трубопровод 8 наддувочного воздуха, ведущий от компрессора 5 через охладитель 7 наддувочного воздуха в направлении двигателя 1 внутреннего сгорания, ниже по потоку от охладителя 7 наддувочного воздуха разветвляется на первый трубопровод 8а наддувочного воздуха и второй трубопровод 8b наддувочного воздуха, которые таким образом идут в двигатель 1 внутреннего сгорания двумя потоками. При этом первый трубопровод 8а наддувочного воздуха через одну зону 9 всасывающей трубы соединен по потоку с первой группой 2 цилиндров, а второй трубопровод 8b наддувочного воздуха через вторую зону 10 всасывающей трубы соединен по потоку со второй группой 3 цилиндров. Самим по себе известным способом здесь с каждым цилиндром двигателя внутреннего сгорания согласована всасывающая труба, причем трубы образуют зоны 9, 10 всасывающей трубы, в данном случае рассматриваемые как неотъемлемая составная часть трубопроводов 8а и 8b наддувочного воздуха.
Выше по потоку от зон 9, 10 трубопроводов 8а, 8b наддувочного воздуха, а здесь, например, ниже по потоку от охладителя 7 наддувочного воздуха в каждый из обоих трубопроводов 8а, 8b наддувочного воздуха встроен, соответственно, клапан 11, 12 переключения, выступающий в качестве запорного элемента, причем эти клапаны изображенными здесь штрихпунктирном линиями 13, 14 управления соединены с устройством 15 управления и/или регулирования, которое является, например, составной частью управляющего устройства двигателя.
Кроме того, показанная здесь в качестве примера система содержит, соответственно, трубопровод 16, 17 отработавших газов для каждой из обеих групп 2, 3 цилиндров. Конкретно здесь первый трубопровод 16 отработавших газов согласован с первой группой 2 цилиндров, в то время как второй трубопровод 17 отработавших газов согласован со второй группой 3 цилиндров. Оба трубопровода 16, 17 содержат обычным образом подключающийся к двигателю 1 внутреннего сгорания выпускной коллектор 18, 19, который здесь рассматривается как интегральная составная часть обоих трубопроводов 16, 17, образующих двухпоточную систему отработавших газов. Затем оба трубопровода 16, 17 подводятся к турбине 6, а при необходимости, как показано здесь, снова объединяются в один единственный трубопровод 20 отработавших газов.
От обоих трубопроводов 16, 17 выше по типу от турбины 6 и таким образом со стороны высокого давления, а также, предпочтительно, ниже по потоку от выпускных коллекторов 18, 19 ответвляются соответствующие рециркуляционные трубопроводы 21, 22 отработавших газов. В каждый из этих рециркуляционных трубопроводов 21, 22 здесь встроен, например, дросселирующий и запорный элемент 23, изображенный здесь крайне схематично и в качестве примера. Оба этих рециркуляционных трубопровода 21, 22 могут быть также пропущены через рециркуляционный охладитель 24 отработавших газов. Само собой разумеется, оба рециркуляционных трубопровода 21, 22 могут быть выполнены и без дросселирующего и запорного элемента 23 и/или без такого рода рециркуляционного охладителя 24 отработавших газов. При известных условиях в случае, если в этом появится необходимость, в рециркуляционные трубопроводы отработавших газов могли бы быть встроены предохранительные клапаны воздушной заслонки, что, однако, здесь не показано.
Первый рециркуляционный трубопровод 21 отработавших газов ответвляется от первого трубопровода 16 отработавших газов и оканчивается согласно изобретению с перекрещиванием потоков во втором трубопроводе 8b наддувочного воздуха, а именно, предпочтительно, ниже по потоку от клапанов 11, 12 переключения и выше по потоку от зоны 10 всасывающей трубы. Аналогичным образом второй рециркуляционный трубопровод 22 отработавших газов ответвляется от второго трубопровода 17 отработавших газов и оканчивается с перекрещиванием потоков в первом трубопроводе 8а наддувочного воздуха, а именно, предпочтительно, выше по потоку от зоны 9 всасывающей трубы, соответственно, ниже по потоку от соответствующего клапана 11 переключения.
x
Оба клапана 11, 12 переключения управляются устройством 15 управления и/или регулирования по линиям 13, 14 управления в соответствии с заданными рециркуляционными параметрами отработавших газов таким образом, что они в определенное время работы закрываются и открываются циклично, т.е. попеременно, как это в качестве примера показано на фиг.1. Там клапан 11 переключения закрыт, а клапан 12 переключения открыт, так что через клапан 11 переключения и таким образом через первый трубопровод 8а наддувочного воздуха никакая свежая горючая смесь в цилиндры I, II, III первой группы 2 цилиндров поступить не может. В открытом положении клапана 12 переключения свежая горючая смесь, напротив, через второй трубопровод 8b наддувочного воздуха может попасть в цилиндры IV, V, VI второй группы 3 цилиндров. С помощью этой схемы соединений клапанов 11, 12 переключения в зоне 9 всасывающей трубы первой группы 2 цилиндров создается разрежение, приводящее к тому, что отработавший газ через рециркуляционный трубопровод 22 удаляется из второго трубопровода 17 отработавших газов и подается в цилиндры первой группы 2 цилиндров. Во вторую группу 3 цилиндров, загружаемую свежей горячей смесью, через рециркуляционный трубопровод 21, напротив, никакой отработавший газ не подается или подается лишь в незначительном количестве, так что, в целом, в таком рабочем режиме дело доходит до поступления в первую группу 2 цилиндров очень большой доли рециркулирующих отработавших газов, что по времени соответствует временно весьма отрицательному продувочному перепаду, так что в зону 9 всасывающей трубы и тем самым далее в первую группу цилиндров всасывается большое количество отработавшего газа. Благодаря этому удается также существенно улучшить наполнение цилиндров I, II, III первой группы 2 цилиндров по сравнению с осуществляемой параллельно рециркуляцией отработавших газов. Точно так же благодаря этому происходит существенное улучшение восстановления NO.
По прошествии определенного периода времени, например при 240 градусах угла поворота коленчатого вала или при обороте коленчатого вала, клапаны 11, 12 переключения в этом случае снова управляются устройством 15 управления и/или регулирования, и клапан 11 переключения открывается, в то время как клапан 12 переключения закрывается. Затем процесс здесь, соответственно, инвертируется, и первая группа 2 цилиндров через первый трубопровод 8а наддувочного воздуха загружается свежей горючей смесью, соответственно, наддувочным воздухом, в то время как через рециркуляционный трубопровод 21 отработавший газ из первого трубопровода 16 отработавших газов подается в зону 10 всасывающей трубы перед второй группой 3 цилиндров.